Cap 3 - Sist Fe-C

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Universidade Federal de Ouro Preto
Escola de Minas
Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais
Tratamento Térmico dos 
Metais
Prof. Dr. Geraldo Lúcio de Faria
Sala: 41
e-mail:geraldofaria@demet.em.ufop.br ou geraldolfaria@yahoo.com.br
Laboratório de Tratamentos Térmicos e Microscopia Óptica
Capítulo 3 – Sistema Ferro-Carbono
1
Capítulo 3 –Sistema Fe-C O Elemento Fe
1. O Elemento Ferro
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•Metal de Transição;
• Número atômico: 26;
•Massa molar: 55,85g/mol;
• Apresenta o fenômeno de alotropia ou polimorfismo;
• Constituinte de ligas metálicas de extrema importância. 
2
Capítulo 3 –Sistema Fe-C O Elemento Fe
Alotropia e Polimorfismo do Fe
T
e
m
p
e
r
a
t
u
r
a
 
(
o
C
) 1394oC
1538oC
Resfriamento
(Refroidissement)
Aquecimento
(Chauffage)
Ar5
Ar4 Ac4
Ac5
Fe γγγγ
((((
Fe δδδδ
((((CCC)
Ferro Líquido
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T
e
m
p
e
r
a
t
u
r
a
 
(
20oC
912oC
770oC
Ar3
Ar2 Ac2
Ac3
Tempo
Fe αααα
((((CCC)
Paramagnético
Ferromagnético
Fe 
((((CFC)
Obs.: A - Arrêt
3
Capítulo 3 –Sistema Fe-C O Elemento Fe
Fe αααα - CCC
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Número de átomos por célula unitária: 1+(1/8)x8 = 2 átomos
Relação entre parâmetro de rede a e raio atômico r : 
Fator de empacotamento (F.E.): F.E. = 0,679, ou seja, 68% ocupado por átomos
Os espaços vazios caracterizam interstícios octaédricos e tetraédricos.
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Capítulo 3 –Sistema Fe-C O Elemento Fe
Fe γγγγ - CFC
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Número de átomos por célula unitária: 6x(1/2)+(1/8)x8 = 4 átomos
Relação entre parâmetro de rede a e raio atômico r : 
Fator de empacotamento (F.E.): F.E. = 0,74 , ou seja, 74% ocupado por átomos
Os espaços vazios caracterizam interstícios octaédricos e tetraédricos.
5
Capítulo 3 –Sistema Fe-C O Elemento Fe
Fe αααα - CCC Fe γγγγ - CFC
Interstícios
TetraédricosOctaédricos
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Capítulo 3 –Sistema Fe-C O Elemento Fe
Curva Dilatométrica
Transformação Fe αααα para Fe γγγγ
Calculo do Volume molar (CCC)
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Calculo do Volume molar (CFC)
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Capítulo 3 –Sistema Fe-C Soluções Sólidas de Fe
2. Soluções Sólidas de Ferro
Sistema de Grande 
Importância
Sistema Fe-C
Solvente Soluto
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Vejamos algumas características importantes:
Estrutura
Relação (ri/rm)
F.E.
Octaédrico Tetraédrico
CFC 0,414 0,225 0,74
CCC 0,154 0,291 0,68
ri – Raio do átomo intersticial;
rm – Raio do átomo da matriz;
8
Capítulo 3 –Sistema Fe-C Soluções Sólidas de Fe
Ferro Carbono
Temperatura 
(oC)
Estrutura
Raio Fe 
(Å)
Intersticial Substitucional
Raio do C (Å) a 
15oC 
Raio do 
vão
octaédrico
(Å)
Raio do vão 
tetraédrico 
(Å)
± 15% do Raio 
do Fe (Å)
Vejamos outras características importantes:
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500 CCC 1,25 0,19 0,36 1,06-1,44
1000 CFC 1,29 0,53 0,29 1,10-1,48 0,71
Baixa solubilidade do C:
α – máximo de 0,02% (727oC);
γ – máximo de 2% (1148oC);
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Capítulo 3 –Sistema Fe-C Diagrama Ferro-Grafita
3. Diagrama Ferro-Grafita
A combinação de carbono e ferro, em equilíbrio termodinâmico, dará origem a
diferentes fases para as diversas temperaturas avaliadas. Este diagrama de fases de
equilíbrio termodinâmico é o diagrama Ferro-Grafita:
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Tempos infinitamente grandes para que os processos difusionais ocorram.
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Capítulo 3 –Sistema Fe-C Diagrama Ferro-Cementita
4. Diagrama Ferro-Cementita
Diagrama Ferro-Cementita ≠ Diagrama de Equilíbrio
Baixo coeficiente de 
difusão do C no Fe: Tempo muito longo
Fase Metaestável – Cementita (Fe3C)
Equilíbrio 
Termodinâmico 
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difusão do C no Fe: 
D = 2,9x10-19cm2/s
Tempo muito longo Termodinâmico 
(Grafita)
À Temperatura Ambiente
Taxas infinitamente lentas
Fase Metaestável 
Cementita (Fe3C)
Equilíbrio 
Termodinâmico 
(Grafita)
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Capítulo 3 –Sistema Fe-C Diagrama Ferro-Cementita
Acm
A4
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A1
A3
Acm
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Capítulo 3 –Sistema Fe-C Diagrama Ferro-Cementita
Significado das Linhas:
A1– Temperatura de reação eutetóide γ ⇒ α + Fe3C;
A2 – Transformação magnética da fase α a 770
oC;
A3– Transformação da fase γ para a fase α;
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Acm – Indica a transformação da fase γ para Fe3C;
A4 – Transformação da fase γ em δ;
Liquidus – Acima desta linha existe somente líquido;
Solidus – Abaixo desta linha todo o material está no estado sólido.
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Capítulo 3 –Sistema Fe-C Soluções Sólidas de Fe
A
ç
o
H
i
p
o
e
u
t
e
t
ó
i
d
e
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Ferro Fundido 
Hipereutético
Ferro Fundido
Hipoeutético
Aço
Hipereutetóide
A
ç
o
H
i
p
o
e
u
t
e
t
ó
i
d
e
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Capítulo 3 –Sistema Fe-C Aços e Ferros Fundidos
5. Aços e Ferros Fundidos
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Capítulo 3 –Sistema Fe-C Aços e Ferros Fundidos
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Capítulo 3 –Sistema Fe-C Aços e Ferros Fundidos
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Classificação Teor de C
Aço Extra Doce < 0,15%
Aço Doce 0,15% - 0,30%
Aço Meio-doce 0,30% - 0,40%
Aço Meio-Duro 0,40% - 0,60%
Aço extraduro 0,60% - 1,20%
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Capítulo 3 –Sistema Fe-C Aço Resfriado Lentamente
6. Constituintes do Aço Resfriado Lentamente e Suas 
Propriedades Mecânicas
FOCO
Aços Hipoeutetóides (C < 0,76%);
Aços Eutetóides (C = 0,76%);
Aços Hipereutetóides (C > 0,76%).
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Aços Hipereutetóides (C > 0,76%).
Neste sub-capítulo iremos estudar alguns resfriamentos bem lentos para três
composições distintas de aços, porém não lentas o suficiente para tornar
possível a formação da grafita.
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Capítulo 3 –Sistema Fe-C Aço Resfriado Lentamente
Resfriamento 1: Aço Hipoeutetóide – 99,5% de Fe e 0,05% de C inicialmente a 1100oC. 
Supondo que Co = 0,5% de C, teremos:
• c – Existe apenas a fase γ em equilíbrio 
com 0,5% de C.
• d – Co-existem as fases γ e α nucleada.
• e – Co-existem as fases γ e α.
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• f – A fase γ se transforma em lamelas 
alternadas de α e Fe3C.
• Este constituinte formado de lamelas 
alternadas de α e Fe3C é denominado 
PERLITA.
• À temperatura ambiente, teremos α
primário (ou proeutetóide) e perlita.
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Capítulo 3 –Sistema Fe-C Aço Resfriado Lentamente
Imagem de Aço Hipoeutetóide Resfriado “Lentamente”
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Micrografia obtida com o auxílio de um microscópio óptico 
de luz refletida (600X).
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Capítulo 3 –Sistema Fe-C Aço Resfriado Lentamente
Resfriamento 2: Aço Eutetóide – 99,23% de Fe e 0,76% de C inicialmente a 1100oC. 
Supondo que Co = 0,76% de C, teremos:
• a – Existe apenas a fase γ em equilíbrio 
com 0,76% de C.
• b –A fase γ se transforma em lamelas 
alternadas de α e Fe3C.
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3
• Este constituinte formado de lamelas 
alternadas de α e Fe3C é denominado 
PERLITA.
• À temperatura ambiente, teremos apenas 
a perlita.
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Capítulo 3 –Sistema Fe-C Aço Resfriado Lentamente
Imagens de Aço Eutetóide Resfriado “Lentamente”
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Imagem obtida com microscópio eletrônico 
de varredura (12000X).
Imagem obtida com microscópio óptico de 
luz refletida (500X).
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Capítulo 3 –Sistema Fe-C Aço Resfriado Lentamente
Resfriamento 3: Aço hipereutetóide – 98,5% de Fe e1,5% de C inicialmente a 1100oC. 
Supondo que Co = 1,5% de C, teremos:
• g – Existe apenas a fase γ em equilíbrio 
com 1,5% de C.
• h – Co-existem as fases γ e Fe3C nucleada.
• i – A fase γ se transforma em lamelas 
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• i – A fase γ se transforma em lamelas 
alternadas de α e Fe3C.
• Este constituinte formado de lamelas 
alternadas de α e Fe3C é denominado 
PERLITA.
• À temperatura ambiente, teremos Fe3C 
primário (ou proeutetóide) e perlita.
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Capítulo 3 –Sistema Fe-C Aço Resfriado Lentamente
Imagem de Aço Hipereutetóide Resfriado “Lentamente”
Prof. Dr. Geraldo Lúcio de Faria
Micrografia obtida com o auxílio de um microscópio óptico 
de luz refletida (1000X).
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Capítulo 3 –Sistema Fe-C Aço Resfriado Lentamente
Comparativo:
• Quanto menor o teor de C, maior a 
fração de ferrita proeutetóide;
• Quanto mais próximo da composição 
eutetóide, maior a fração de perlita;
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eutetóide, maior a fração de perlita;
• Quanto maior o teor de C (<2,14, 
>0,76) maior a fração de cementita
proeutetóide.
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Capítulo 3 –Sistema Fe-C Aço Resfriado Lentamente
Falemos um pouco sobre as fases γγγγ, αααα, Fe3C e do constituinte Perlita:
γγγγ – Austenita: Solução sólida intersticial de C no Fe no sistema CFC. Se caracteriza por ser
dúctil, paramagnético e estável em temperaturas elevadas;
αααα – Ferrita: Solução sólida intersticial de C no Fe no sistema CCC. Se caracteriza por ser
dúctil, ferromagnético em temperaturas inferiores a 770oC, e estável em baixas
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dúctil, ferromagnético em temperaturas inferiores a 770oC, e estável em baixas
temperaturas;
Fe3C – Cementita: É um carboneto de ferro. Se caracteriza por ser um material duro e
quebradiço;
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Capítulo 3 –Sistema Fe-C Aço Resfriado Lentamente
Perlita: A perlita não é uma fase, e sim uma mistura de duas fases, ferrita e cementita, 
que ocorre sob a forma de lamelas alternadas e paralelas. Se caracteriza por ser 
resistente e tenaz;
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Modelo de Mehl
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Capítulo 3 –Sistema Fe-C Aço Resfriado Lentamente
É importante ressaltar que o diagrama Fe-Fe3C apresentado é o de ligas livres de
outros elementos químicos que não o Fe e o C. A presença de outros elementos
pode implicar em alterações das linhas de contorno dos campos austeníticos e
ferríticos.
Elementos 
Estabilizadores da 
Austenita
Elementos 
Estabilizadores da 
Ferrita
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Elementos 
γγγγ-gêneos
A1 – Campo 
Austenítico Aberto
(Ni, Mn e Co)
A2 – Campo 
Austenítico
Expandido
(C e N) 
Elementos 
αααα-gêneos
B1 – Campo 
Austenítico Fechado
(Si, Al, Be, P, Ti, V e 
Mo)
B2 – Campo 
Austenítico
Contraído
(B, S, Ta, Zr e Nb) 
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Capítulo 3 –Sistema Fe-C Aço Resfriado Lentamente
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A-I) Campo Austenítico Aberto;
A-II) Campo Austenítico Expandido;
B-I) Campo Austenítico Fechado;
B-II) Campo Austenítico Contraído.
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Capítulo 3 –Sistema Fe-C Aço Resfriado Lentamente
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Efeito de Elementos de Liga na 
Composição Eutetoide.
Efeito de Elementos de Liga na 
Temperatura Eutetoide.
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Capítulo 3 –Sistema Fe-C Alterações nas Linhas de Transformação
7. Efeito de Resfriamento e Aquecimento nas Linhas de
Transformação
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Ac – Arrêt de Chauffage
Ar – Arrêt de Refroidissement
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Capítulo 3 –Sistema Fe-C Frações Volumétricas das Fases
8. Determinação das Frações em Peso das Fases
Informação Importante Fração de Ferrita e de 
Cementita na Perlita
Tomemos:
Fração de Ferrita:
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C0 (0,76%C)
Ccm (6,67%C)Cαααα (0,008%(0,008%(0,008%(0,008%C)
Fração de Cementita:
Conclusão:
A perlita é constituída por 89% de 
ferrita e 11% de cementita.
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Capítulo 3 –Sistema Fe-C Frações Volumétricas das Fases
Ao estudarmos um aço hipoeutetóide com 0,5% de C teremos:
B
Fração Total de Ferrita e de Cementita (A):
Ferrita total = 93%
Cementita = 7%
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C0 (0,5%C)
Ccm (6,67%C)Cαααα ((((0,008%C)
c
c
B
A
Cementita = 7%
Fração de Ferrita Proeutetóide e Perlita (B):
Ferrita Proeutetóide = 35%
Perlita= 65%
Como, assim: 
Logo, teremos 35% de ferrita proeutetóide, 58% 
de ferrita eutetóide e 7% de cementita.
33
Capítulo 3 –Sistema Fe-C Velocidade de Resfriamento
9. Efeito da Velocidade de Resfriamento na Fração em Peso
da Ferrita e da Perlita
Se um aço for resfriado lentamente, mas não o suficiente para a formação da grafita, com 
o auxílio da microscopia óptica e com a aproximação da fração volumétrica pela fração 
em peso, pode-se estimar o teor de carbono do mesmo:
αααα - proeutetóide
Sabemos que:
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Perlita
Se Ce = 0,76% de C, podemos escrever que
Portanto, conhecendo a fração de perlita proeutetóide, 
podemos calcular o teor de carbono da liga (C0).
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Capítulo 3 –Sistema Fe-C Velocidade de Resfriamento
Entretanto se o resfriamento for mais rápido, esta estimativa não poderá ser feita, pois a 
quantidade de ferrita será menor do que a prevista pelo diagrama Fe-Fe3C.
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Modelo comparado e validado experimentalmente para um aço hipoeutetóide com 
0,4% de C.
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Capítulo 3 –Sistema Fe-C Ferro Fundido
Como vimos:
10. Ferro Fundido – EXTRA
H
i
p
e
r
e
u
t
e
t
ó
i
d
e
A
ç
o
H
i
p
o
e
u
t
e
t
ó
i
d
e
Prof. Dr. Geraldo Lúcio de Faria
Ferro Fundido 
Hipereutético
Ferro Fundido
HipoeutéticoA
ç
o
H
i
p
e
r
e
u
t
e
t
ó
i
d
e
A
ç
o
H
i
p
o
e
u
t
e
t
ó
i
d
e
36
Capítulo 3 –Sistema Fe-C Ferro Fundido
Resfriemos três composições de Ferro Fundido:
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Capítulo 3 –Sistema Fe-C Ferro Fundido
Ferro Fundido Eutético: Ferro Fundido Branco (4,3% de C)
T = 1147oC: Temperatura Eutética
γγγγ+Fe C
1147oCL (4,3%C) ⇒⇒⇒⇒ Ledeburita (Nódulos de austenita em matriz de cementita).
T = 727oC: Temperatura Eutetóide
γγγγ (0,76%C) ⇒⇒⇒⇒ Ledeburita (Nódulos de perlita em matriz de cementita).
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γγγγ+Fe3C
αααα+Fe3C
727oC
γγγγ (0,76%C) ⇒⇒⇒⇒ Ledeburita (Nódulos de perlita em matriz de cementita).
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Capítulo 3 –Sistema Fe-C Ferro Fundido
Ferro Fundido Hipoeutético: (2,11<%C<4,3)
γγγγ+Fe C
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γγγγ+Fe3C
αααα+Fe3C
727oC
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Capítulo 3 –Sistema Fe-C Ferro Fundido
Ferro Fundido Hipereutético: (%C>4,3)
Prof. Dr. Geraldo Lúcio de Faria 40
Capítulo 3 –Sistema Fe-C Ferro Fundido
Ferro Fundido Cinzento Ferro Fundido Nodular 
Prof. Dr. Geraldo Lúcio de Faria
3,4%C, 2,5%Si, 0,03%Mg
A adição de Mg ajuda 
na formação da grafita 
na forma nodular.
3,4%C, 2,5%Si
A adição de Si favorece 
a decomposição da 
cementita em grafita.
41