ENG1015 A os Diagramas Fe C e A os Especiais

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153 
As Estruturas Cristalinas do Ferro 
• O Ferro apresenta diferentes estruturas cristalinas, 
dependendo da temperatura – alotropia 
• De Tamb até 912
oC 
 Cúbica de corpo centrado 
 Ferrita ou a-Ferro 
 
• De 912oC até 1394oC 
 Cúbica de face centrada 
 Austenita ou g-Ferro 
 
• Temperatura de fusão: 1538oC 
154 
O Conceito de Ligas Metálicas 
Metal Puro 99,99999% 
Impurezas Elementos de liga 
Solução sólida Segunda fase 
Não há formação de novas estruturas 
O soluto está uniformemente distribuído na rede 
Solutos que não 
queremos 
Solutos que 
queremos 
Um novo 
composto 
Solvente 
155 
Interstícios e Carbono nas Redes do Ferro 
• Rint
ccc = 0,019 nm 
• Rint
cfc = 0,051 nm 
• Rcarbono = 0,077 nm 
• Assim, o átomo de carbono é maior 
do que o interstício e fica sob 
compressão. 
 A presença de carbono distorce a 
rede, contribuindo para endurecer o 
material. 
 A concentração máxima de carbono 
na ferrita é muito baixa (0,022 wt%) 
 Como o interstício central da cfc é 
cerca de 2,7X maior, a concentração 
máxima de carbono na austenita é 
muito maior (2,11 wt%) 
Átomo de soluto 
ocupando um 
interstício na rede 
da Ferrita 
Átomo de soluto 
ocupando um 
interstício na rede 
da Austenita 
156 
Diagrama Eutetóide – Ferro Carbono 
• Diagrama semelhante a um eutético, no qual ocorre uma 
transição tipo eutética no estado sólido. 
T(°C) L 
g 
(austenita) 
g + Fe3C 
a + Fe3C 
g + L 
400 
800 
1200 
1600 
0.77 
4.30 2.11 
727°C 
1148°C 
912°C 
1394°C 
1538°C 
1 2 3 4 5 6 6.7 
Concentração (wt% C) 
Cementita 
(Fe3C) 
(Fe) 
a + g 
a + g 
0.77 
0.022 
g 
a 
157 
Diag. Fe-C - Características básicas 
• Fases do Ferro puro 
 Tamb - 912°C => Fe na forma de Ferrita (a-Fe, CCC) 
 912°C-1394°C => Fe na forma de Austenita (g-Fe, CFC) 
 1394°C-1538°C => Fe na forma de Delta Ferrita (-Fe,CCC) 
• Solubilidade do C em Fe 
 Na fase a - máximo de 0.022% 
 Na fase g - máximo de 2.11% 
• Cementita - Fe3C 
 Composto estável que se forma quando a solubilidade máxima de 
carbono é excedida nas fases a e g . 
 Contém 6.7 wt% C {massa(1C)/massa (3Fe + 1C)} 
 É dura e quebradiça. A resistência de aços é aumentada pela sua 
presença. 
158 
Diag. Fe-C - Características básicas 
• Reação eutética 
 A 1148°C ocorre a reação 
 L (4.3% C) <=> g (2.11% C) + Fe3C (6.7% C) 
• Reação eutetóide 
 A 727°C ocorre a reação 
 g (0.77% C) <=> a (0.022% C) + Fe3C (6.7% C) 
 que é extremamente importante no tratamento térmico de 
aços. 
• Classificação de ligas ferrosas 
 0-0.008 wt% C - Ferro puro 
 0.008-2.11 wt% C - aços (na prática < 1.2 wt%) 
 2.11-6.7 wt% C - ferros fundidos (na prática < 4.5 wt%) 
159 
Evolução microestrutural 
• Composição eutetóide 
g g 
g 
g 
g 
g + Fe3C 
0.77 wt% C 
a + g 
727°C 
a 
Inicialmente, temos apenas a fase g. 
A uma temperatura imediatamente 
abaixo da eutetóide toda a fase g se 
transforma em perlita (ferrita + Fe3C) de 
acordo com a reação eutetóide. 
Estas duas fases tem concentrações de 
carbono muito diferentes. Esta reação é 
rápida. Não há tempo para haver grande 
difusão de carbono. As fases se 
organizam como lamelas alternadas de 
ferrita e cementita. 
Perlita 
(a + Fe3C) 
160 
Composição Eutetóide 
• Forma-se 100% de Perlita 
 Nome derivado da estrutura da madre 
pérola observada ao microscópio. 
 Consiste na mistura das fases ferrita e 
cementita. Formada pelo crescimento 
cooperativo destas fases. 
 Apresenta propriedades intermediárias 
entre a ferrita e a cementita dependendo 
do tamanho e espaçamento das lamelas 
de cementita. 
 Frações de ferrita e cementita dentro da 
perlita, à temperatura ambiente. 
%5,88885,0
07,6
77,07,6



aW
%5,11115,01
3
 aWW CFe
161 
Evolução microestrutural (cont.) 
• Composição hipo-eutetóide 
Inicialmente, temos apenas a fase g. 
 Em seguida começa a surgir fase a 
nas fronteiras de grão da fase g. 
A uma temperatura imediatamente 
acima da eutétoide a fase a já cresceu, 
ocupando completamente as fronteiras 
da fase g. A concentração da fase a é 
0.022 wt% C. A concentração da 
fase g é 0.77 wt% C, eutetóide. 
A uma temperatura imediatamente 
abaixo da eutetóide toda a fase g se 
transforma em perlita (ferrita 
eutetóide + Fe3C). A fase a, que não 
muda, é denominada 
ferrita pro-eutetóide. 
g 
a 
g + Fe3C 
a + g 
727°C 
g g 
g g 
g 
g 
a a 
g g 
g 
g 
a 
a + Fe3C 
a pro-eutetóide 
perlita 
C0 
162 
• Considerando uma composição de 
0,38 wt% de C, à temperatura ambiente 
 
 
• A fração de perlita corresponde à 
fração de austenita na temperatura 
eutetóide, que se transforma 
totalmente em perlita. 
 
 
• Portanto, a fração de ferrita pró-
eutetóide é 
Composição Hipo-eutetóide 
%3,94943,0
07,6
38,07,6



aW
%7,5057,01
3
 aWW CFe
%9,47479,0
022,077,0
022,03,0



perlitaW
%1,52521,01  perlitaWW próa
apró 
apró 
apró 
163 
Evolução microestrutural (cont.) 
• Composição hiper-eutetóide 
Inicialmente, temos apenas a fase g. 
Em seguida começa a surgir fase Fe3C 
nas fronteiras de grão da fase g. A 
concentração da Fe3C é constante igual 
a 6.7 wt% C. A concentração da 
austenita cai com a temperatura 
seguindo a linha que separa o campo 
g+Fe3C do campo g. A uma temperatura 
imediatamente acima da eutetóide a 
concentração da fase g é 0.77 wt% C, 
eutétóide. 
A uma temperatura imediatamente 
abaixo da eutetóide toda a fase g se 
transforma em perlita. A fase Fe3C , 
que não muda, é denominada 
cementita pro-eutetóide. 
a 
g + Fe3C 
a + g 
727°C 
g g 
g 
g g g 
g g 
a + Fe3C 
Fe3C pro-eutetóide 
perlita 
C1 
Fe3C 
164 
• Considerando uma composição de 
1,2 wt% de C, à temperatura ambiente 
 
 
• A fração de perlita corresponde à fração 
de austenita na temperatura eutetóide, 
que se transforma totalmente em perlita. 
 
• Portanto, a fração de cementita pró-
eutetóide é 
• que ocupa os contornos de grão da 
perlita. 
Composição Hiper-eutetóide 
%1,82821,0
07,6
2,17,6



aW
%9,17179,01
3
 aWW CFe
%7,92927,0
77,07,6
2,17,6



perlitaW
%3,7073,01
3
 perlitaCFe WW pró
Fe3Cpró 
165 
Exemplos de microestruturas 
Aço hipo-eutetóide com 0.38 wt% C, 
composto por ferrita pro-eutetóide (fase 
clara) e perlita [fase com lamelas claras 
(ferrita) e escuras (cementita)]. 635x. 
Aço hiper-eutetóide com 1.20 wt% C, 
composto por cementita pro-eutetóide (fase 
clara) e perlita [fase com lamelas escuras 
(ferrita) e claras (cementita)]. 1000x. 
166 
Proporções das fases 
C0 C1 
6.7 0.77 0.022 
T U V X 
Concentração de Carbono (wt%) 
Wp 
T
T + U

C0  0.022
0.77  0.022
Fração de perlita 
Wa ' 
U
T + U

0.77  C0
0.77  0.022
Fração de ferrita pro-eutetóide 
Wp 
X
V + X

6.7  C1
6.7  0.77
Fração de perlita 
Fração de cementita pro-eutetóide 
WFe
3
 C 
V
V + X

C1  0.77
6.7  0.77
 Hipo-eutetóide – C0  Hiper-eutetóide – C1 
Fração de ferrita total Fração de cementita total 
022,07,6
7,6 0



+++
++

C
XVUT
XVU
W
totala
022,07,6
022,01
3 


+++
++

C
XVUT
VUT
W
totalCFe
167 
Glossário 
• Austenita = g-Fe = faseg 
• Ferrita = a-Fe = fase a 
• Cementita = Fe3C (6.7 wt% C em Fe) 
• Perlita = Ferrita e Cementita em lamelas alternadas 
• Hipo = menor que - Hiper = maior que 
• Ferrita pro-eutetóide = Ferrita que se forma a T >Teutetóide 
p/composição hipo-eutetóide (<0.77 wt%C) 
• Cementita pro-eutetóide = Cementita que se forma a 
T >Teutetóide p/composição hiper-eutetóide. 
168 
Exemplos de Aplicações de Aços 
169 
Emprego dos Aços 
Samsung 
 WF337 
56 andares e 
17 horas de incendio 
170 
Emprego dos Aços (cont.) 
171 
Aços Carbono 
• A resistência aumenta com o teor de Carbono. 
• A ductilidade diminui com o teor de Carbono. 
• Oxidam-se facilmente. 
• Suas propriedades deterioram-se a baixas e altas 
temperaturas. 
• São os mais usados e de mais baixo custo. 
172 
Aços Baixo Carbono 
• Concentração de carbono: < 0,3 wt% 
• Estrutura é usualmente ferrítica e perlítica. 
• Baixa fração de perlita 
 
 
• São fáceis de conformar e soldar 
• Têm baixa resistência, alta ductilidade e tenacidade. 
• Aplicações: 
 Chapas automobilísticas, perfis estruturais, placas para 
produção de tubos, construção civil, latas de folhas de 
flandres. 
PerlitadeCdeExemplo %34
022,077,0
022,028,0
%28,0 


173 
Microestruturas 
PerlitadeCdeExemplo %34
022,077,0
022,028,0
%28,0 


174 
Aços Médio Carbono 
• Concentração de carbono: 0,3-0,6 wt%. 
• Apresentam a melhor combinação de tenacidade e 
ductilidade e resistência mecânica. 
• Fração intermediária de perlita. 
 
 
• São aços que têm inúmeras aplicações em construção: 
 Rodas e equipamentos ferroviários, engrenagens, 
virabrequins e outras peças de máquinas que necessitam de 
elevadas resistências mecânica e ao desgaste, mas de menor 
tenacidade e ductilidade do que o baixo carbono. 
 
PerlitadeCdeExemplo %64
022,077,0
022,055,0
%55,0 


175 
Microestruturas 
PerlitadeCdeExemplo %64
022,077,0
022,055,0
%55,0 


176 
Aços Alto Carbono 
• Concentração de carbono: 0,6-1,2 wt% 
• Apresentam baixa conformabilidade e tenacidade 
• Alta fração de perlita 
 
 
• Apresentam elevada resistência ao desgaste, mantendo 
bom fio de corte. 
• Aplicações 
 Talhadeiras, folhas de serrote, martelos e facas. 
PerlitadeCdeExemplo %84
022,077,0
022,065,0
%65,0 


177 
Microestrutura 
PerlitadeCdeExemplo %84
022,077,0
022,065,0
%65,0 


178 
Aços Especiais para a 
Indústria Automobilística 
179 
Aços para Automóveis 
• O desenvolvimento de aços de alta resistência para a 
indústria automobilística tem por objetivo atender a 
três das principais demandas desse setor: 
 Redução de peso, 
 Economia de combustível , 
 Aumento da segurança do usuário. 
• Para isso, utilizam-se aços com outros elementos de 
liga e que sofrem tratamentos térmicos diferentes do 
resfriamento lento associado aos diagramas de 
equilíbrio apresentados até agora. 
180 
Tratamentos Térmicos e Fases Metaestáveis 
• As fases mostradas nos diagramas só são formadas se o 
resfriamento for lento. 
 É necessário dispor de tempo para que os átomos de 
carbono se movam através da rede do ferro. Difusão. 
• Caso o resfriamento seja rápido, fases de não 
equilíbrio, metaestáveis, se formam. 
 Ex: Martensita – fase formada a partir do resfriamento 
abrupto da austenita. Fase extremamente dura. 
• Ao resfriamento abrupto se dá o nome de têmpera (em 
inglês quenching). 
 
181 
Tipos de Aços 
Codigo Tipo de Aço 
Mild Mild Steel ( Aço Carbono) 
BH Bake Hardenable (Aço Envelhecível) 
IF Interstitial Free ( Aço livre de intersticiais) 
HSLA ( ARBL) High Strength Low Alloy (Alta Resistencia Baixa Liga) 
DP Dual Phase ( Aço Bifásico) 
CP Complex Phase ( Aço Complexo) 
Mart Martensitic (Martensítico) 
TRIP Transformation Induced Plasticity ( Plasticidade 
induzida por transformação) 
http://www.worldautosteel.org/Projects/LCA-Study.aspx 
182 
Propriedades Mecânicas e Microestrutura 
Limite de Resistência (MPa) 
A
lo
n
g
a
m
en
to
 %
 
IF 
ISOTRÓPICO 
BAKE HARDENABLE 
TRIP DUAL PHASE HSLA MARTENSÍTICO 
183 
Vantagens dos Aços Avançados 
• Advanced High-Strength Steel (AHSS) 
 Aços Avançados de Alta Resistência 
 21 a 25% redução no peso do “ body-in-white” 
(monobloco) 
 9 % redução no peso total sem passageiros (curb weight) 
 5,1% redução de consumo de combustível 
 5,7% redução de emissões do ciclo de vida (CO2) 
 pouco ou nenhum aumento no custo de manufatura 
184 
Uso de Aços Avançados em Automóveis 
• Os diferentes tipos de aços têm aplicação nos diversos 
componentes das estruturas dos automóveis. 
Proporções em peso dos 
diversos tipos de aço e 
localização na estrutura 
de um automóvel. 
185 
Aplicação de Aços TRIP 
• Aços TRIP são particularmente uteis para proteção de 
impacto lateral. 
 A medida que o material se deforma e absorve a energia de 
impacto, também se torna mais resistente e endurece 
prevenindo o colapso total das seções laterais protegendo 
os passageiros.