NOTA DE AULA 05 MM

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MATERIAIS METÁLICOS 
CURSO: Engenharia Mecânica – 4º Semestre 
Prof. Francisco Nascimento 
 
 
UNIDADE II: NOTA DE AULA – 05 
 
 
1. LIGAS FERROSAS 
 
As ligas ferrosas são, em principio, divididas em dois grupos: 
 
• Aços, com teores de carbono até 2,0% 
• Ferros fundidos, com teores de carbono acima de 2,0%, e raramente superior a 4,0%. 
 
Considerando, entretanto, os elementos de liga que podem estar presentes e as estruturas que 
caracterizam alguns tipos desses, os grupos acima considerados, com as respectivas definições, 
compreendem as seguintes ligas: 
 
� Aço-carbono – liga ferro-carbono contendo geralmente de 0,008% até cerca de 2,11% de 
carbono, além de certos elementos residuais (Mn, Si, P e S) resultantes dos processos de 
fabricação. 
 
� Aço-liga – aço-carbono que contém outros elementos de liga ou apresenta os elementos 
residuais em teores acima dos que são considerados normais. 
 
� Ferro fundido cinzento – liga ferro-carbono-silício, com teor de carbono acima de 2,0% e 
silício presente em teores de 1,2 a 3,0%; a quantidade de carbono é de tal ordem que, 
conjuntamente com o relativo teor de silício elevado, promove a formação parcial de 
carbono livre, na forma de lamela ou “veios de grafita”. Nessas condições, o ferro fundido 
cinzento apresenta fratura com coloração escura (donde se origina a sua denominação). 
 
� Ferro fundido branco - liga ferro-carbono-silício, com teor de silício menor que o cinzento e 
que, devido ao silício com menor quantidade e às condições de fabricação, apresenta o 
carbono quase que inteiramente combinado, resultando numa fratura de coloração clara 
(donde se origina a sua denominação). 
 
� Ferro fundido mesclado - liga ferro-carbono-silício, caracterizada por composição e 
condições de fabricação de tal ordem que resulta uma fratura de coloração mista entre branca 
e cinzenta (donde se origina a sua denominação). 
 
� Ferro fundido maleável - liga ferro-carbono-silício caracterizada por apresentar grafita na 
forma de “nódulos” (em vez de veios), devido a um tratamento térmico especial 
(maleabilização) a que se submete um ferro fundido branco. 
 
� Ferro fundido nodular - liga ferro-carbono-silício caracterizada por apresentar grafita na 
forma esferoidal, resultante de um tratamento térmico realizado no material ainda no estado 
líquido (nodulização). 
 
A melhor compreensão das propriedades desses materiais e dos tratamentos térmicos a que 
comumente são submetidos obtém-se pelo estudo do diagrama de equilíbrio ferro-carbono. 
 
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2 – DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO FERRO-CARBONO 
 
A figura abaixo mostra o diagrama metaestável da liga binária Fé-C. 
 
O diagrama é chamado de “equilíbrio metaestável” porque, na realidade ocorrem modificações com o 
tempo, que afastam as reações de equilíbrio estável. 
 
Como se vê na figura, o diagrama abrange uma faixa de teores de carbono relativamente estreita, de 0 
a 6,7%, teor este último que corresponde à composição química do carboneto de ferro Fe3C. 
 
A rigor, o referido diagrama poderia ser considerado como um “diagrama Fe-Fe3C” e quando se diz 
que o mesmo é de equilíbrio metaestável, é porque pode ocorrer eventualmente decomposição do 
Fe3C em ferro e carbono, este último na forma de grafita. 
 
O diagrama abrange a faixa completa das ligas Fe-C comerciais: “aços”, entre 0 e 2,11% de carbono 
e ferros fundidos, com carbono acima de 2,11%. 
 
 
 
O diagrama mostra um “eutético” – ponto C (1148ºC) correspondente a um teor de carbono de 4,3 %. 
 
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Por outro lado, na faixa correspondente aos aços, o ponto S (727ºC) correspondente a um teor 
0,77% de carbono, e tem características semelhantes ao ponto C (eutético na faixa dos ferros 
fundidos). Por essa razão, o ponto S é chamado “eutetoide”, conforme mostra o diagrama abaixo. 
 
 
 
Em função desses dois pontos, costumam-se agrupar, teoricamente, os aços e ferros fundidos da 
seguinte maneira: 
 
� Aço Eutetoide – com teor de carbono correspondente ao ponto eutetoide, ou seja 0,77%. 
 
� Aço Hipoeutetoide – com teor de carbono entre 0 e 0,77% 
 
� Aço Hipereutetoide – com teor de carbono entre 0,77 e 2,11%. 
 
� Ferro fundido eutético – com o teor de carbono correspondente ao ponto eutético, ou seja 4,3 %. 
 
� Ferro fundido Hipoeutetoide – com teor de carbono entre 2,11% e 4,3%. 
 
� Ferro fundido Hipereutetico – com teor de carbono acima de 4,3%. 
 
As principais considerações a serem feitas a respeito do diagrama binário Fe-C, das reações que 
ocorrem em equilíbrio e das estruturas resultantes, são as seguintes: 
 
� O ponto A corresponde ao ponto de fusão do ferro puro (1538ºC) e o ponto D, impreciso ao 
ponto de fusão do Fe3C. 
 
� Na parte superior esquerda do diagrama, numa faixa estreita, ocorre uma reação especial 
chamada “peritética”, na passagem do estado líquido ao sólido, em torno de 1495ºC, a qual, 
contudo, não apresenta importância sob o ponto de vista prático. Nesse trecho, ao solidificar, o 
ferro adquire a estrutura CCC – chamada nesse caso, de δ (delta), passando, entretanto, 
quase a seguir, à estrutura CFC, chamada nessa caso de � (gama), que caracteriza o ferro a 
alta temperatura. A 912 ºC há a passagem de CFC para CCC até a temperatura ambiente, na 
forma alotrópica α (alfa). 
 
� Na faixa de temperatura em que o ferro está na forma alotrópica gama, ele tem capacidade de 
dissolver o carbono presente. 
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� Entretanto, essa solubilidade do carbono do ferro gama não é limitada: ela é máxima a 1148ºC e 
corresponde a um teor de carbono de 2,11%. 
 
� As linhas JE e ECF correspondem à linha “SÓLIDUS” do diagrama. 
 
� A solução sólida do carbono no ferro gama, chama-se “AUSTENITA” (zona limitada pelas 
linhas JE, ES, SG e GNJ) denominada de zona austenitíca. Esta austenita é um constituinte 
estrutural de boa resistência mecânica e apreciável tenacidade e não magnético. O nome é 
originado do metalurgista inglês Roberts Austen. 
 
� A zona limitada pelas linhas SE, ECF e SK existe simultaneamente austenita e carbono, este 
último na forma de Fe3C (um carboneto de ferro contendo 6,7% de carbono, muito duro e 
frágil). Esse constituinte é denominado de cementita. 
 
� As linhas que marcam o inicio e o fim das transformações chamam-se “linhas de 
transformação” e elas limitam zonas denominada de “zonas críticas”. 
 
2.1. Reações que ocorrem na faixa de composições correspondentes aos aços 
 
No instante que a liga atinge a temperatura correspondente a 727ºC, têm-se, portanto, em equilíbrio, 
dois constituintes estruturais: ferro puro alfa (α) e uma solução sólida de 0,77% de carbono no 
gama (�) ou seja, austenita com 0,77% de carbono. Neste momento, todo o ferro gama remanescente 
transforma-se bruscamente em ferro alfa. 
 
Essa transformação resulta em um constituinte de forma lamelar formado por lâminas delgadas e 
muito próximas uma das outras, de Fe-α e Fe3C, dispostas alternadamente. Esquematicamente o 
aspecto dessa estrutura (aço eutetoide) está apresentado na figura abaixo. Esse constituinte, devido a 
algumas particularidades do processo de fabricação é chamado de “PERLITA”. 
 
 
 
Suas propriedades são intermediárias entre as do ferro puro (pouco resistente, mole e muito dúctil) e a 
cementita (pouco resistente, muito dura e muito frágil). 
 
O ferro puro (fig. Abaixo), na forma alotrópica alfa (α), corresponde a uma estrutura chamada 
“FERRITA” (do latim – ferrum). A ferrita pode manter em solução sólida até 0,008% de carbono. 
 
 
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Os aços hipoeutetoides, com teor de carbono entre 0,008% e 0,77%, apresentam, a temperatura 
ambiente, uma estrutura composta de ferrita e perlita, como mostra esquematicamente a figura 
abaixo. A quantidade de perlita aumenta e a de ferrita diminui,à medida que a composição do aço 
cresce em direção ao ponto eutetoide. 
 
 
 
 
Para os aços hipereutetoides (fig. abaixo), entre 0,77 e 2,11% de carbono, podemos observar as 
reações em equilíbrio de duas fases: uma representada pela austenita que vai se empobrecendo em 
carbono e outra, pelo carbono paulatinamente expulso na forma de Fe3C (cementita). 
 
 
 
 
Assim, em resumo, para os aços a temperatura ambiente (abaixo da linha A1), têm-se as seguintes 
estruturas: 
 
� Ferro comercialmente puro – (ferrita): mole, dúctil e pouco resistente. 
 
� Aços Hipoeutetoides – (ferrita + perlita): cuja resistência e dureza vão aumentando e cuja 
ductilidade vai diminuindo, à medida que se caminha na direção ao teor de 0,77% de carbono. 
 
� Aços hipereutetoides – (perlita + cementita): a quantidade desta, disposta nos contornos de 
grãos, aumenta a medida que se caminha para teores mais elevados de carbono. Essa estrutura é 
dura, resistente e pouco dúctil, características que se acentuam à medida que aumenta o teor de 
carbono. 
 
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Em função dessas propriedades das estruturas, os aços têm suas propriedades modificadas, à 
medida que o teor de carbono aumenta, conforme mostra o gráfico abaixo. 
 
 
 
 
2.2. Reações que ocorrem na faixa de composição correspondentes aos ferros fundidos 
 
Para facilitar o entendimento dessas reações, convém verificar inicialmente qual a estrutura do 
eutético (ponto C) solidificado, porque, a partir desse eutético, podem ser facilmente determinada as 
estruturas dos ferros fundidos hipo e hipereutéticos. 
 
No ponto C, estão em equilíbrio duas fases: de um lado, à esquerda, a austenita com 2,11% de 
carbono, o máximo que pode ser mantido em solução sólida. Do outro lado, à direita, o Fe3C 
(cementita) que corresponde à extremidade do diagrama. Esse eutético (austenita + cementita) é 
denominado de “LEDEBURITA”. Sua constituição estrutural corresponde a um fundo de cementita, 
com 6,67% de carbono e cristais dendríticos de austenita contendo 2,11% de carbono, conforme 
mostra a figura abaixo. 
 
 
 
 
No caso de um ferro fundido hipoeutético (entre 2,11 e 4,30% de carbono), na faixa de temperatura 
“sólidus” e A1, estão em equilíbrio as seguintes fases: de um lado a austenita que se empobrece 
paulatinamente de carbono até, ao atingir a linha A1, se transformando em perlita. Do outro lado, a 
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ledeburita, constituída agora de glóbulos de perlita sobre um fundo de cementita, conforme mostra a 
figura abaixo. 
 
 
 
 
No caso de um ferro fundido hipereutético (entre 4,30 e 6,67% de carbono), entre as linhas 
“sólidus” e A1, nada ocorre com a cementita separada durante o resfriamento na fase líquida. Mas a 
ledeburita sofre transformações, porque a sua austenita tem o teor de carbono decrescendo 
paulatinamente, à medida que, no resfriamento, se aproxima da linha A1, onde a austenita, se 
transforma em perlita. 
 
Assim, abaixo de A1 até a temperatura ambiente a estrutura dos ferros fundidos hipereutéticos, é 
constituída de cristais alongados de cementita e um fundo de ledeburita (glóbulos de perlita + 
cementita), conforme mostra a figura abaixo. Essas estruturas correspondem aos ferros fundidos 
brancos, em que não existe qualquer carbono na forma livre de grafita. Tais ferros fundidos são 
relativamente pouco comerciais, devido a sua elevadíssima dureza e fragilidade, portanto de baixa 
usinabilidade. 
 
 
 
 
 
 
 
 
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2.3. Ligas Ferro-Carbono-Silício 
 
Os ferros fundidos mais usados são os cinzentos, caracterizados pela presença de silício, 
geralmente em teores superiores a 2,0%. A presença desse elemento, além de outros fatores a serem 
considerados, produz uma decomposição do Fe3C, em Fe e C, este último na forma de grafita. Por 
essa razão, o silício é freqüentemente chamado de elemento “grafitizante”. A figura abaixo mostra a 
forma como a grafita se apresenta nos ferros fundidos cinzentos. 
 
 
 
Assim, à medida que o teor de carbono aumenta, tornam-se mais moles, menos resistentes e mais 
usináveis. Entretanto, sua ductilidade, qualquer que seja o teor de carbono, é praticamente nula, 
devido à presença de carbono livre, em veios de grafita. 
 
Na faixa de composições correspondentes aos ferros fundidos, o efeito mais importante é o do 
silício. A tendência grafitizante desse elemento altera totalmente as propriedades desses materiais. 
Outros elementos podem atuar em sentido contrário, em particular o manganês, que é um dos mais 
importantes estabilizadores da cementita, ou seja, dificulta ou impede sua decomposição. 
 
Em resumo, as propriedades das ligas ferro-carbono são influenciadas pelas suas estruturas. Estas 
dependem das reações que ocorrem no diagrama de equilíbrio, onde os elementos de liga atuam 
diretamente nas linhas de transformação, na faixa austenitíca e na temperatura e composição do 
eutetóide, no caso dos aços, e na capacidade grafitizante (silício) ou estabilizante (manganês) da 
cementita.