Ciência dos Materiais 7

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ENGENHARIAS MECÂNICA, PRODUÇÃO E MECATRÔNICA
Diagramas de Fases
(parte 2)
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2
• Diagramas de Equilíbrio com Fases Intermediárias ou
Compostos Intermetálicos
• Reações Eutetóide e Peritética
• Diagramas de Fases Cerâmicas
• A Regra de Fases de Gibbs
• O Diagrama de Fases Fe-Fe3C
• Desenvolvimento das Microestruturas nas Ligas Fe-C
• Ligas Hipoeutetóides
• Ligas Hipereutetóides
• Influência de outros Elementos de Liga
Diagramas de Fases
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3
Mg2Pb
Nota: Compostos intermetálicos existem como uma linha no diagrama – não é uma
região (fase). A composição do composto tem uma fórmula química distinta.
19 wt% Mg-81 wt% Pb
Compostos Intermetálicos
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Latão: 70 wt% Cu
Diagrama de Fases Cu-Zn
4
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Diagrama de Fases Cu-Zn
Transformação Eutetóide   + 
Pontos Eutetóide e Peritético
Transformação Peritética  + L 
Transformação Peritética  + L 
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Peritético – líquido e uma fase sólida se transformam em uma
segunda fase sólida
 + L  (Para Cu-Zn, 598°C, 78,6 wt% Zn)
resfriamento
aquecimento
Pontos Eutético, Eutetóide e Peritético
6
Eutetóide – uma fase sólida se transforma em duas outras
fases sólidas
  + Fe3C (Para Fe-C, 727C, 0,76 wt% C)
Eutético – líquido se transforma em duas fases sólidas
L  +  (Para Pb-Sn, 183C, 61,9 wt% Sn) 
resfriamento
aquecimento
resfriamento
aquecimento
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Pontos Eutético, Eutetóide e Peritético
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Diagrama MgO-Al2O3 :

Diagrama de Fases Cerâmico
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 Os diagramas de fase e o equilíbrio de fases estão sujeitos às leis 
da termodinâmica.
 A regra de fases de Gibbs (RFG) é um critério que determina
quantas fases podem coexistir dentro de um sistema em equilíbrio:
P + F = C + N
P: número de fases presentes
F: graus de liberdade (temperatura, pressão, composição)
C: componentes ou compostos
N: variáveis não composicionais
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Regra de Fases de Gibbs
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Para o sistema Cu-Ag (a 1 atm) para uma fase
simples P:
N=1 (temperatura), C = 2 (Cu-Ag), P = 1 (, , L)
F = 2 + 1 – 1 = 2
Isso significa que, para caracterizar a liga dentro de 
um campo de fase simples, dois parâmetros são: 
temperatura e composição.
Se 2 fases coexistem, por exemplo, +L , +L, +, 
então, de acordo com a RFG,temos 1 grau de 
liberdade: F = 2 + 1 – 2 = 1. Então, se temos
temperatura ou composição, podemos definir
completamente o sistema.
Se existem 3 fases (para um sistema binário), então
são 0 graus de liberdade. Isso significa que a 
composição e a temperatura são fixas. Essa
condição é encontrada para um sistema eutético na
isoterma eutética.
10
Regra de Fases de Gibbs
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 O Fe puro quando aquecido sofre 2 mudanças
de estrutura cristalina antes da fusão.
 A temperatura ambiente a forma estável é a 
ferrita (Fe), que tem estrutura cristalina CCC.
 A ferrite sofre uma transformação alotrópica, ou
polimórfica, para austenita CFC (Fe) a 912°C 
(1674°F).
 A 1394°C (254°F) a austenita reverte para a 
fase ferrita CCC (Fe) e funde a 1538°C 
(2800°F).
 O carbeto de Fe (cementita ou Fe3C), um 
compost intermediário, é formado a 6,7 wt% C.
 Tipicamente, todos os aços e ferros fundidos
têm teores de C abaixo de 6,7 wt% C.
 C é uma impureza intersticial no Fe e forma 
uma solução sólida com as fases , , .
Sistema Fe-C - Alotropia
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Sistema Fe-C
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Embora o C esteja presente em concentrações relativamente baixas, ele influencia de 
forma significativa as propriedades mecânicas das fases: (a) ferrite  e (b) austenita.
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Sistema Fe-C: 4 Fases Sólidas
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 Ferrita :
- Solução sólida de C em Fe
- Estrutura CCC
- O C é levemente solúvel na matriz (máxima solubilidade de 0,02% C a 
723°C e 0,008% C à TA)
 Austenita ()
- Solução sólida de C em Fe
- Estrutura CFC: pode acomodar mais C que a ferrite (máximi de 2,08% C 
a 1148°C, diminui para 0,8%C a 723°C
 Ferrita 
- Solução sólida de C em Fe
- Estrutura CCC (máxima solubilidade de 0,09% C a 1495°C)
 Cementita (Fe3C)
-Composto intermetálico Fe-C
- Fe3C: 6,67% C e 93,3% Fe
- Estrutura ortorrômbica: dura e frágil
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É formada quando o limite de solubilidade do C 
na ferrita  é excedida a temperaturas abaixo de 
727°C.
Mecanicamente, a cementita é muito dura e frágil.
Para ligas ferrosas existem 3 tipos básicos, 
dependendo do teor de C:
 Fe (fase ferrita): <0,008 wt% C (TA)
 Aço ( + fase Fe3C): 0,008 a 2,14 wt% C 
 Ferro fundido: 2,14 a 6,70 wt% C 
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Carbeto de Fe (Fe3C) ou Cementita
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2 pontos importantes:
 Eutetóide (B):
 +Fe3C
 Eutético (A):
L↔ +Fe3C
4,30
F
e
3
C
 (
c
e
m
e
n
ti
ta
)
1600
1400
1200
1000
800
600
400
0 1 2 3 4 5 6 6,7
L
 
(austenita)
 +L
 +Fe3C
 +Fe3C

(Fe) wt% C
1148°C
T(°C)
 727°C eutetóide
0,76
B
Resultado: Perlita = 
camadas alternadas de
fases  e Fe3C, 
não uma fase separada.
120 mm
 

A
L+Fe3C
Fe3C (cementita-dura)
 (ferrita-mole)
↔
Sistema Fe-C (Fe-Fe3C)
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Austenita - 0,76 wt% C
Ferrita - 0,022 wt% C
Cementita - 6,70 wt% C
Redistribuição de C por difusão:
Sistema Fe-C: Perlita
 Eutetóide (B):
Formação da estrutura perlítica
- nucleação no grão da austenita 
- crescimento por difusão de C para atingir as 
composições de  e Fe3C (com mudança estrutural)
- lamelas de  muito espessas
  +Fe3C↔
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 Microestruturas de ligas Fe-
Fe3C que estão abaixo da 
temperatura eutetóide com 
composições entre 0,022 e 
0,76 wt% C são
hipoeutetóides.
Sistema Fe-C: Aços Hipoeutetóides
18
F
e
3
C
 (
c
e
m
e
n
ti
ta
)
1600
1400
1200
1000
800
600
400
0 1 2 3 4 5 6 6,7
L
 
(austenita)
 +L
 +Fe3C
 +Fe3C

(Fe) wt% C
1148°C
T(°C)
 727°C eutetóide

 




W =
W = (1 - W)
C - C0
C - C
perlita =  + Fe3C
W’ =
W = (1 - W’)perlita
CFe3C - C0
CFe3C - C

perlita
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19
F
e
3
C
 (
c
e
m
e
n
ti
ta
)
1600
1400
1200
1000
800
600
400
0 1 2 3 4 5 6 6,7
L
 
(austenita)
 +L
 +Fe3C
 +Fe3C

(Fe) wt% C
1148°C
T(°C)
 727°C eutetóide
C0
 


perlita

 







Sistema Fe-C: Aços Hipoeutetóides
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 Formada antes do ponto eutetóide.
 A ferrita que está presente na perlita é chamada de ferrite proeutetóide.
 Essa ferrita é formada acima da temperatura Teutetóide (727°C).
Sistema Fe-C: Estrutura Proeutetóide
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Diagrama Fe-C
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Wperlita = W
W = X/(V +X)
W = (1 - W)Fe3C’
W = (1 - W)
W = x/(v + x)Fe3C
 Microestruturas de ligas Fe-
Fe3C com composições entre 
0,76 e 2,14 wt% C são
hipereutetóide (mais que
eutetóide).
Sistema Fe-C: Aços Hipereutetóides
22
F
e
3
C
 (
c
e
m
e
n
ti
ta
)
1600
1400
1200
1000
800
600
400
0 1 2 3 4 5 6 6,7
L
 
(austenita)
 +L
 +Fe3C
 +Fe3C

(Fe) wt% C
1148°C
T(°C)

727°C eutetóide
C0
0
,7
6
V X
v X
Fe3C

 
perlita
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F
e
3
C
 (
c
e
m
e
n
ti
ta
)
1600
1400
1200
1000
800
600
400
0 1 2 3 4 5 6 6,7
L
 
(austenita)
 +L
 +Fe3C
 +Fe3C

(Fe) wt% C
1148°C
T(°C)
 727°C eutetóide
C0
0
,7
6
perlita
Fe3C

 




 
Sistema Fe-C: Aços Hipereutetóides
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Cementita Proeutetóide: formada acima da 
temperatura Teutetóide (727°C)
pearlite
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Sistema Fe-C: Aços Hipereutetóides
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25
L+
L+
 + 
200
wt% Sn20 60 80 1000
300
100
L
 
TE
40
Sistema Pb-Sn 
160 mm
Micro-constituinte eutético
hipereutético:






175 mm 






hipoeutético: C0 = 50 wt% Sn
T
(°
C
)
61,9
eutético
eutético: C0 =61,9wt% Sn
Hipoeutético & Hipereutético
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27
Para um aço 99,6 wt% Fe-
0,40 wt% C à uma
temperatura logo abaixo da 
temperatura eutetóide, 
determine:
a) As composições de Fe3C e 
ferrita ().
b) A quantidade de cementita
(em gramas) que é 
formada em 100 g de aço.
Exemplo
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28
0,057 
0,0226,70
0,0220,40
 
CC
CC
SR
R
W
αCFe
α0
CFe
3
3









Usando a regra da alavanca:
a) Usando a alavanca RS logo abaixo da temperature eutetóide:
C = 0,022 wt% C
CFe3C = 6,70 wt% C
F
e
3
C
 (
c
e
m
e
n
ti
ta
)
1600
1400
1200
1000
800
600
400
0 1 2 3 4 5 6 6,7
L
 
(austenita)
 +L
 + Fe3C
 + Fe3C
L+Fe3C

wt% C
1148°C
T
(°
C
)
727°C
C0
R S
CFe3C
C
b) Quantidade de Fe3C em 100 g 
= (100 g).WFe3C
= (100 g).(0,057) = 5,7 g
Exemplo: Resolução
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 Aços ligados com outros elementos mudam a Temperatura
Eutetóide, a posição dos contornos de fase e as 
quantidades relativas de cada fase.
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Composição geral
Solidus
Liquidus
Limite de solubilidade sólida
Composição química das fases em qualquer
temperatura
Quantidade de fases em qualquer temperatura
Reações invariantes
Desenvolvimento da microestrutura
Atividade química
Aplicação dos Diagramas de Fase
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Determinação dos Diagramas de Fase
Curvas de resfriamento
Calorimetria por varredura diferencial
Análise témica diferencial
Metalografia / Petrografia
Espectroscopia de Energia Dispersiva de Raios-X
Análise por Microssonda Eletrônica
Difração de Raios-X
Microscopia Eletrônica de Transmissão
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Curvas de Resfriamento
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Tratamento Térmico: Aplicabilidade
Tratamentos térmicos são baseados no 
“controle” das taxas de transformação no 
estado sólido.
Tratamento térmico de aços: controle da reação
eutetóide
Envelhecimento (endurecimento por precipitação) 
das ligas de alumínio: controle da reação de 
precipitação
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Tratamento Térmico dos Aços
Reação eutetóide
Martensita
Austenita
Perlita
Diagramas TTT