Sistema Ferro Carbono - Ciência e Tecnologia dos Materiais

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BACHARELADO EM ENGENHARIA CIVIL
CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
SISTEMA FERRO-CARBONO
Janeiro/2015
São Luís/MA
SISTEMA FERRO-CARBONO
Trabalho apresentado à disciplina de Ciência e Tecnologia dos Materiais, ministrada ao Curso de Engenharia Civil do Instituto Federal de Ciência e Tecnologia do Maranhão – IFMA, para obtenção de terceira nota.
Profª Dra. Conceição de Maria Pinheiro Correia.
Janeiro/2015
São Luís/MA
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO 	...................................................................................................... 03
2 SISTEMA FERRO-CARBONO	............................................................................ 05
2.1 O Diagrama de Fases Ferro-Carbeto de Ferro (Fe-Fe3C)	............................... 05
2.2 Desenvolvimento de Microestrutura em Ligas Ferro-Carbono	.......................... 07
2.2.1 Ligas Hipoeutetóides 	.................................................................................. 10
2.2.2 Transformação Hipoeutetóide	..................................................................... 10
2.2.3 Ligas Hipereutetóides	................................................................................. 11
3 INFLUÊNCIA DE OUTROS ELEMENTOS DE LIGA	.......................................... 13
4 CONCLUSÃO 	....................................................................................................... 15
 REFERÊNCIAS	.................................................................................................... 00
1 INTRODUÇÃO
Os aços, que são essencialmente ligas ferro-carbono, oferecem exemplos da maioria das reações e microestruturas disponíveis para o engenheiro, a fim de ajustar as propriedades dos materiais. Além disso, as ligas ferro-carbono se tornaram o material estrutural predominante. É praticamente certo que, em alguma ocasião cada engenheiro deverá fabricar, especificar ou utilizar aço de uma forma ou de outra.
A versatilidade dos aços como materiais estruturais é evidenciada pelos muitos tipos de aço que são manufaturados. De um lado, temos os aos doces usados em aplicações que exigem estampagem profunda, como para-lamas de automóveis e portais de geladeiras. De outro lado tempo os aços duros e tenazes usados na fabricação de engrenagens e esteiras para tratores. Alguns aços possuem uma resistência à corrosão anormalmente elevada. Aços para certas aplicações elétricas, como por exemplo, placas de transformadores, devem ter características magnéticas especiais, de forma que possam ser magnetizadas muitas vezes por segundo com perdas e potências baixas. Outros aços devem ser completamente não-magnéticos para aplicações tais como componentes de relógios e detentores de minas. Os diagramas de fase podem ser usados para ajudar a explicar cada uma das características descritas acima.
As ligas metálicas são materiais com propriedades metálicas que contêm dois ou mais elementos químicos sendo que pelo menos um deles é metal. Apesar da grande variedade de metais existentes, a maioria não é empregada em estado puro, mas em ligas com propriedades alteradas em relação ao material inicial, o que visa, entre outras coisas, a reduzir os custos de produção.
As indústrias automobilísticas, aeronáuticas, navais, bélicas e de construção civil são as principais responsáveis pelo consumo de metal em grande escala. São também representativos os setores de eletrônica e comunicações, cujo consumo de metal, apesar de quantitativamente inferior, tem importância capital para a economia contemporânea. Há ligas formadas somente de metais e outras formadas de metais e semi-metais (boro, silício, arsênio,antimônio) e de metais e não-metais (carbono, fósforo).
É interessante constatar que as ligas possuem propriedades diferentes dos elementos que as originam. Algumas propriedades são tais como diminuição ou aumento do ponto de fusão, aumento da dureza, aumento da resistência mecânica.
No presente trabalho nós trataremos com uma atenção mais voltada para as ligas ferro-carbono, desenvolvimento de microestrutura em ligas ferro-carbono, ligas hipoeutetóides, transformação hipoeutetóide, ligas hipereutetóides e etc.
2 SISTEMA FERRO-CARBONO
2.1 O Diagrama de Fases Ferro-Carbeto de Ferro (Fe-Fe3C)
Um diagrama de fases mais simples e conhecido representa apenas as fases da matéria termodinamicamente em função da pressão e da temperatura, como por exemplo, o diagrama de fases da água. Em casos onde uma substância é composta por diferentes concentrações de componentes puros, outro tipo de diagrama mais complexo pode ser construído, chamado diagramas de fase binários. Nesse tipo de diagrama, no lugar da temperatura ou pressão, relaciona-se também a composição de cada elemento que forma a substância. Em outros casos, também pode ser relacionado à força de um campo elétrico ou magnético, dependendo da necessidade. 
Em se tratando do sistema ferro-carbono, no diagrama de fase ferro-carbeto de ferro, as variáveis relacionadas são a temperatura e a porcentagem de carbono, pois essas duas definem a fase e a liga ferro-carbono, e consequentemente as características fisicas as propriedades mecânicas da liga.
O diagrama do Fe-Fe3C (Ferro-Carbeto de ferro) é o mais utilizado para estudo de aços ao carbono e ferros fundidos em virtude de as velocidades de resfriamento serem muito elevadas em relação às condições de equilíbrio.
A tabela a seguir traz informações sobre as fases presentes no diagrama acima, associando-as às suas principais características:
	Ferrita ou Ferro α
	Forma estável do ferro puro à temperatura ambiente. Possui estrutura CCC. 
Apenas pequenas concentrações de carbono são solúveis na ferrita. 
Solubilidade máxima: 0,022% de carbono a 727°C). 
Propriedades: Dúctil; magnética abaixo de 768°C; massa específica de 7,88g/cm3
	Austenita ou fase ϒ do ferro
	Instável abaixo de 727°C
Estrutura CFC
Solubilidade máxima de carbono: (2,14% a 1147°C.
Propriedade: não magnética
	Ferrita δ
	Estrutura CCC
Não possui importância tecnológica, por ser estável apenas em temperaturas muito elevadas e próximas do limite de fusão. Outro motivo também, é por possuir baixo teor de carbono e consequentemente formar um material muito mole.
	Cementita (Fe3C):
	Forma-se quando o limite de C é excedido na ferrita α.
Coexiste com a fase ϒ entre 727°C e 1147°C.
Propriedades: Mecanicamente dura e frágil.
A principal importância desse gráfico diz respeito à relação existente entre as propriedades da liga ferro-carbono e sua aplicabilidade, de acordo com tais propriedades. Em construção civil, por exemplo, é comum utilizar nas chapas de fabricação de tubos e pontes, ligas com baixo teor de carbono (menor que 0,3%), por possuírem baixa dureza e alta ductilidade. Os de médio carbono (de 0,3% a 0,6%) são utilizados em rodas, equipamentos ferroviários e peças que necessitam de alta resistência mecânica. E os aços de alto carbono (maior que 0,6%) são mais usados em trilhos, engrenagens e componentes sujeitos ao desgaste, como o martelo.
2.2 Desenvolvimento de Microestrutura em Ligas Ferro-Carbono
Algumas das diversas microestruturas que podem ser produzidas em aços e suas correlações com o diagrama de fases ferro-carboneto do ferro são agora discutidas e é mostrado que a microestrutura que se desenvolve depende tanto do teor de carbono quanto do tratamento térmico. A discussão é confinada a resfriamento muito tempo de aços, no qual equilíbrio é continuamente mantida. Uma exposição mais detalhada da influência do tratamento térmico sobre a microestrutura e por fim sobre as propriedades mecânicas, está contida posteriormente. 
Considere-se, por exemplo, uma liga de composição eutetóide (0,77%C, em peso)quando ela é resfriada a partir de uma temperatura situada na região da fase γ, digamos, 800ºC, isto é, começando no ponto a da Figura 4.3 e movendo-se para baixo ao longo da linha vertical xx'. Inicialmente, a liga é composta inteiramente da fase austenita, tendo uma composição de 0,77%C, em peso, e a correspondente microestrutura, são indicadas na Figura 4.3. Quando a liga for resfriada, não haverá nenhuma mudança até que se atinja a temperatura eutetóide (727ºC). Ao se cruzar esta temperatura para o ponto b, a austenita se transforma de acordo com a reação eutetóide mostrada anteriormente.
A microestrutura para este aço eutetóide que é lentamente resfriado através da temperatura eutetóide, pode ser distinguida pelas suas camadas alternadas de lamelas das 2 fases (α e Fe3C) que se formam simultaneamente durante a transformação. Neste caso, a espessura relativa da camada é aproximadamente 8 para 1. A figura seguinte representa o resfriamento, seguindo a transformação eutetóide.
Esta microestrutura, representada esquematicamente na Figura 4.3, ponto b, é chamada de Perlita. A próxima figura é uma micrografia de um aço eutetóide mostrando a perlita. As espessas camadas claras são da fase ferrita α, e a fase cementita aparece como lamelas finas em sua maioria aparecendo escuras. Mecanicamente, perlita tem propriedades intermediárias entre a ferrita dúctil e macia e a cementita dura e frágil.
As camadas alternadas α e Fe3C na perlita se formam porque a composição da fase que lhe deu origem é diferente de ambas as fases geradas como produto e porque a transformação de fases que exige que exista uma redistribuição do carbono. A figura seguinte mostra esquematicamente as alterações que acompanham essas alterações. Os átomos de carbono se difundem para longe das regiões da ferrita, e em direção às camadas de cementita.
2.2.1 Ligas Hipoeutetóides
Microestruturas para ligas ferro-carboneto de ferro tendo composição diferente da eutetóide são agora exploradas. Considere-se uma composição Co para o lado esquerdo do ponto eutetóide, entre 0,022 e 0,77%C, em peso; essa é conhecida como uma liga hipoeutetóide (menos do que eutetóide). O resfriamento de uma liga desta composição está representado pelo movimento para baixo ao longo da linha vertical yy' conforme a figura:
2.2.2 Transformação Hipoeutetóide
A cerca de 875ºC, ponto c, a microestrutura consistirá inteiramente de grãos da fase γ, como mostrado esquematicamente na figura anterior. Ao se resfriar até o ponto d, em torno de 775oC, que está dentro da região de fase α + γ, ambas estas fases coexistirão como na microestrutura esquemática. A maioria das pequenas partículas se formam ao longo dos contornos dos grãos γ originais
Resfriamento a partir do ponto d até o ponto e, justo acima do ponto eutetóide, mas ainda na região de α+γ, produzirá um aumento na fração da fase α e uma microestrutura similar àquela também mostrada; as partículas de α terão crescido e se tornado maior.
A medida que a temperatura é abaixada para imediatamente abaixo da temperatura eutetóide, para o ponto f, toda a fase γ que estava presente na temperatura Te (e tendo a composição eutetóide) se transformará em perlita, de acordo com a reação eutetóide. Não haverá virtualmente nenhuma mudança na fase α que existiu no ponto e ao cruzar a temperatura eutetóide - ela estará normalmente presente como uma fase matriz contínua circundando as isoladas colônias de perlita.
A fase ferrita estará presente tanto na perlita quanto também na forma da fase que se formou durante o resfriamento através da região de fase α+γ. A ferrita que está presente na perlita é chamada ferrita eutetóide, enquanto que a outra, que se formou acima de Te, é denominada ferrita proeutetóide. Pode-se também notar que 2 microconstituintes estão presentes nesta micrografia - ferrita proeutetóide e perlita – estão presentes em todas as ligas ferro-carbono hipoeutetóides que são lentamente resfriadas até uma temperatura inferior à eutetóide
2.2.3 Ligas Hipereutetóides
Análogas transformações e microestruturas resultam para ligas hipereutetóides, aquelas contendo entre 0,77 e 2,11%C, em peso, que são resfriadas a partir de temperaturas situadas dentro do campo de fase γ. Considere-se uma liga de composição C1 na figura abaixo que, no resfriamento, se move para baixo ao longo da linha zz'. Num ponto g somente a fase γ estará presente com uma composição de C1; a microestrutura parecerá tal como mostrada, tendo apenas grão γ. No resfriamento para dentro do campo de fases γ + Fe3C, digamos, até o ponto h , a fase cementita começará a se formar ao longo dos contornos de grão γ originais. Esta cementita é chamada cementita proeutetóide - aquela que se forma antes da reação eutetóide. Naturalmente, a composição da cementita permanece constante (6,70%C, em peso) enquanto a temperatura muda. Entretanto, a composição da fase austenita se moverá ao longo da linha PO em direção ao ponto eutetóide. A medida em que a temperatura é abaixada através do ponto eutetóide i , toda a austenita remanescente de composição eutetóide é convertida em perlita.
3 INFLUÊNCIA DE OUTROS ELEMENTOS DE LIGA
Adições de outros elementos de liga (Cr, Ni, Ti, etc.) trazem mudanças um tanto drásticas no diagrama de fases binário para o sistema ferro-carbeto. A extensão dessas mudanas sobre as posições das fronteiras entre as fases e sobre os formatos dos campos das fases depende do elemento de liga, em particular , e da sua concentração. Uma mudança importante é o deslocamento da posição de eutetóides em relação à temperatura e à concentração de carbono, onde a temperatura eutetóide e a composião eutetóide (em %p C) são traçadas em função da concentraão para vários outros elementos de liga. Dessa forma, outras adições de elementos de liga não alteram somente a temperatura do eutetoide, mas também as frações relativas das fases de elementos de liga não alteram somente a temperatura do eutetóide, mas também as frações relativas das fases perlita e proeutetoide que se formam. Entretanto, geralmente os aços são ligados por outras raões – normalmente, ou para melhorar a sua resistência à corrosão ou para torná-los suscetíveis a um tratamento térmico.
É interessante constatar que as ligas possuem propriedades diferentes dos elementos que as originam. Algumas propriedades são tais como diminuição ou aumento do ponto de fusão, aumento da dureza, aumento da resistência mecânica.
Ligas metálicas mais comuns no cotidiano:
Aço — constituído por Fe e C.
Aço inoxidável — constituído por Fe, C, Cr e Ni.
Ouro de Joias — constituído por Au (75 %), Ag e/ou Cobre (25 %) para o ouro 18K. O ouro 24K é ouro puro.
Amálgama dental (utilizada em obturação) — constituída por Hg, Ag e Sn.
Bronze — constituído por Cu e Sn.
Latão (utilizado em armas e torneiras) — constituído por Cu e Zn.
As ligas metálicas podem ser classificadas em basicamente dois tipos de ligas; ligas ferrosas e ligas não ferrosas.
Mais Ligas de Ferro
Ferro-Silício.
Ferro-Fósforo.
Ferro-Manganês.
Ferro-Cromo.
Ferro-Molibdênio.
Ferro-Silício-Manganês.
Ferro-Silício-Magnésio.
Ferro-Titânio.
Ferro-Tungstênio.
Ferro-Vanádio.
Ferro-Níquel
4 CONCLUSÃO
Uma atenção considerável foi dada ao sistema ferro—carbono, e especificamente ao diagrama de fases ferro-carbeto de ferro, que em termos tecnológicos é um dos mais importantes. O desenvolvimento da microestrutura em muitas ligas e ações ferro-carbono depende da reação eutetóide na qual a fase autenita CFC, de composição 0,76% pC, se transforma isotermicamente na fase ferrita α (0,022%p.C), CCC, e no composto inter-metálico cementita (Fe3C). O produto microestrutural de uma liga ferro-carbono com composição eutetóide é a perlita, um microconstituinte que consiste em camadas alternadas de ferrita e de cemenita. As microestruturas das ligas que possuem teores de carbono inferiores à eutetóide (hipoeutetóides) são compostos poruma fase ferrita proeutetóide são os microconstituintes das ligas hipereutetóides – aquelas que possuem teores de carbono superiores à composição eutetóide.
REFERÊNCIAS
ALMEIDA, F. B. de. Diagrama de Fases. Disponível em: <http://www.brasilescola.com/fisica/diagrama-fases.htm>. Acesso em: 06 jan. 2015.
CARVALHO, A. Introdução à Ciência dos Materiais: Diagrama Ferro-Carbono. Disponível em: <http://pt.slideshare.net/LukasSeize/diagrama-de-ferro-carbono>. Acesso em: 06 jan. 2015.
DUTRA, Kaio H. FREITAS, Valter D. Tecnologia dos Materiais. Escola Técnica CEPEP. Vol Único. Págs 37-47.
DIAGRAMAS Unários e Binários. Disponível em: <http://www.cimm.com.br/portal/material_didatico/6430-diagramas-unarios-e-binarios#.VKvyldLF9AA>. Acesso em: 06 jan. 2015. 
JR, William D. Casllister. Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução. LTC – Editora S.A. 7ª Ed. 2007. Pág. 210. 
VLACK, Lawence H. Van. Princípios de Ciência dos Materiais. 13ª impressão – 2000. Ed. Edgard Blucher LTDA. São Paulo – SP.