Estruturas cristalinas dos aços

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CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA – CEFET–SP
ÁREA INDUSTRIAL
Folha:
1 de 15
Data:
04/02/00
Disciplina: Tecnologia Mecânica
Professor:
Caruso
Propriedades Fundamentais dos Materiais e Diagramas de Equilíbrio
SETAL CONSTRUÇÕES
DEPARTAMENTO DE INSPEÇÃO
Folha:
15 de 15
Treinamento para Inspetores de Fabricação
Instrutor:
Caruso
SUMÁRIO
21
Estruturas Cristalinas
1.1
Disposição dos Átomos
2
1.1.1
Estrutura Cúbica Centrada
2
1.1.2
Estrutura Cúbica de Faces Centradas
2
1.1.3
Estrutura Hexagonal
3
1.2
Movimentos dos Átomos
3
1.3
Crescimento e Desenvolvimento dos Cristais
3
1.4
Endurecimento
3
2
Estrutura das Ligas Metálicas
3
2.1
Características da Ligas
5
2.2
Comparação com os Metais Puros
5
3
Análise Térmica
5
3.1
Curvas de Resfriamento
5
3.1.1
Metais Puros
5
3.1.2
Ligas Metálicas
6
3.2
Diagramas de Equilíbrio
6
3.2.1
Nenhuma Solubilidade no Estado Sólido, Sistema Isomorfo
7
3.2.2
Solubilidade Completa dos Componentes no Estado Sólido
8
3.2.3
Solubilidade Parcial dos Componentes no Estado Sólido
8
3.2.4
Nenhuma Solubilidade Entre os Componentes no Estado Sólido
9
4
Ligas de Ferro Carbono
9
4.1
Generalidades
9
4.2
O Carbono
9
4.3
O Ferro
10
4.3.1
Formas Alotrópicas
10
4.3.2
Pontos Críticos
11
4.4
Diagrama de Equilíbrio
11
4.4.1
Tipos de Cristais
11
4.4.2
Estruturas Fundamentais
12
5
Principais Tratamentos Térmicos
14
6
Índice de Tabelas
15
7
Índice de Figuras
15
8
Referências Bibliográficas
15
1 Estruturas Cristalinas
Os materiais se obtêm geralmente por fusão e, portanto, sua estrutura é constituída por cristais que se formam durante a solidificação do metal líquido.
· Os cristais se formam instantaneamente, iniciando-se em vários pontos do líquido (denominados centros de cristalização ou núcleos de cristalização).
· Tais cristais formam-se a partir de impurezas e componentes estranhos encontradas no metal fundido.
Um cristal elementar é formado por uma retícula de forma poliédrica simples, resultante das posições que tomam os átomos durante a solidificação.
A forma dos cristais, sua posição e tamanho dependem da natureza do metal, e para um mesmo metal, dos tratamentos térmicos a que se tenha submetido, bem como a forma de realizá-los.
1.1 Disposição dos Átomos
Por ser até o presente impossível de se observar os átomos, estes são considerados convencionalmente como sólidos esféricos; nos cristais elementares, os átomos podem estar situados em três disposições características: cúbica de corpo centrado, cúbica de face centrada e hexagonal.
Átomos das faces
Átomos das arestas
Átomos das arestas
Átomos das faces
Átomos dos prismas
Figura 1 – Disposição cúbica centrada (ou cúbica de corpo centrado)
Figura 2 – Disposição cúbica de face centrada
Figura 3 – Disposição hexagonal
1.1.1 Estrutura Cúbica Centrada
Na estrutura cúbica centrada (figura 1), os átomos, em número de nove, encontram-se dispostos de maneira tal que formam um cubo, no centro do qual existe um átomo. Os seguintes metais apresentam este tipo de estrutura: cromo, colômbio, ferro (( e (), molibdênio, sódio, potássio, tungstênio e vanádio (em geral, os metais mais duros).
1.1.2 Estrutura Cúbica de Faces Centradas
Apresenta um total de 14 átomos (figura 2), um átomo em cada vértice do cubo e um átomo no centro de cada uma das seis faces, não possuindo qualquer átomo no centro do cubo.. Os seguintes metais cristalizam esta estrutura: alumínio, cálcio, cério, cobre, ouro, irídio, ferro ((), chumbo, níquel, paládio, platina, prata e tório (em geral os metais menos duros).
1.1.3 Estrutura Hexagonal
Consta de 17 átomos, 14 deles delimitando um prisma hexagonal e outros três nos centros de cada um dos prismas romboidais em que se pode decompor o prisma (figura 3). É característica do cádmio, cobalto, magnésio, titânio e do zinco (geralmente metais frágeis)
1.2 Movimentos dos Átomos
Os vértices das estruturas cristalinas são posições de equilíbrio dos átomos, que (teoricamente) se mantém imóveis à temperatura de –273,15ºC., ou seja, sua energia cinética é mínima Ao variarmos a temperatura, os átomos são deslocados da sua posição de equilíbrio, desenvolvendo uma trajetória ao redor daquela posição, dependente da quantidade de energia contida, que depende da própria temperatura.
· Ao aumentarmos a temperatura, aumenta-se a energia cinética dos átomos, assim como a amplitude das oscilações, que ocupam maior espaço, em conseqüência, aumentam as dimensões da rede cristalina (e do próprio corpo em estudo), diminuindo a densidade; desta forma tem-se o fenômeno da dilatação térmica.
· Quando a temperatura atinge determinado valor, a amplitude das oscilações é tão grande que os átomos adquirem um certo grau de liberdade, tomando posições diferentes das originais (equilíbrio), tendo-se o fenômeno da fusão.
1.3 Crescimento e Desenvolvimento dos Cristais
Os cristais, que iniciam sua formação nos centros de cristalização, podem desenvolver-se regularmente por causa da tensão superficial do líquido que os envolve, assim como por atrito interno e por interferências entre diferentes cristais que se originam durante seu crescimento.
Em conseqüência, cessa o desenvolvimento do cristal antes que tenha tomado uma forma geométrica regular e obteremos ao final um agregado cristalino de grãos, de dimensões, formas e orientação diversa.
Cada rede cristalina possui características próprias e pode, em determinadas condições, admitir no seu interior ou em suas faces, um ou mais átomos de outros elementos.
1.4 Endurecimento
Os métodos de conformação mecânica executados a frio provocam a ruptura dos cristais e deformam a rede cristalina e como conseqüência delas, o material se endurece, tornando-se frágil, aparecendo então tensões internas, sempre perigosas pois não são equilibradas. Este fenômeno de endurecimento, denominado encruamento, pode ser eliminado por tratamento térmico de recozimento, que consiste em regenerar os grãos, reconstituir a estrutura cristalina original e anular as tensões internas.
2 Estrutura das Ligas Metálicas
Entende-se por liga metálica um agregado cristalino de dois ou mais metais. São obtidas através da fusão dos vários componentes em um único cadinho, deixando-se esfriar a solução
 líquida.
Ao passar do estado líquido ao sólido, os componentes podem unir-se entre si de três formas distintas:
· por mistura
 simples
· por combinação química
· por solução sólida
Tem-se então que as ligas podem apresentar-se como cristais simples, cristais de compostos químicos e cristais de soluções sólidas.
a) Cristais simples
São formados por componentes "A" e "B" cristalizados separada e simultaneamente. A liga, chamada eutética
, é formada por uma mistura de cristais, cada um dos cristais de um só componente. As ligas são chamadas eutéticas pois o seu ponto de fusão é o mais baixo, fundindo-se a uma temperatura mais baixa que a do componente de mais baixo ponto de fusão. As ligas eutéticas têm poucas aplicações práticas por possuírem características mecânicas pobres.
b) Cristais de compostos químicos
São formados por um composto químico bem definido. Cada cristal é formado pelo composto químico (AB), não sendo possível distinguir os componentes originais.
c) Cristais em solução sólida
Os cristais são formados por uma solução sólida de componentes puros, ou de componente puro e um composto químico dos componentes.
De acordo com as proporções existentes, podemos ter: "A" dissolvido em "B", "B" dissolvido em "A", "A" ou "B" dissolvidos num composto químico "AB".
Neste caso, tendo-se componentes com pontos de fusão diferentes, um deles, o de composto químico próprio, permanece dissolvido no estado sólido, como era no estado líquido.
Devido à sua origem, as soluções sólidas são de estrutura mais homogênea e de características melhores que as ligas eutéticas ou os metais puros.
A
B
(AB)
A dissolvido em B
Figura 4 – Cristais Simples
Figura 5 – Cristais de compostos químicos
Figura 6 – Cristais em solução sólida
2.1 Características da Ligas
As características de uma liga dependem muitoda concentração de seus componentes e da velocidade de esfriamento.
· As concentrações se escolhem de modo a evitar-se a formação de estruturas eutéticas e se obtenham soluções sólidas homogêneas.
· A velocidade de resfriamento é decisiva, pois uma variação da mesma consegue-se da liga propriedades diferentes.
A adição de um componente ainda que em pequenas proporções, às vezes inferiores a 1%, pode modificar significativamente as propriedades de uma liga, não sendo, portanto as características finais da liga a média das propriedades de cada um dos componentes.
2.2 Comparação com os Metais Puros
As ligas têm muitas vantagens em comparação com os metais puros, com algumas desvantagens:
Tabela 1 - Comparação entre propriedades de ligas e metais puros
Vantagens
Desvantagens
Maior dureza
Menos dúcteis
Maior resistência à tração
Menos maleáveis
Melhor resistência à corrosão
Menor condutividade elétrica
Temperatura de fusão inferior a pelo menos um dos componentes
Menor condutividade térmica
Maior economia
3 Análise Térmica
A análise térmica tem como objetivo determinar os pontos críticos, ou seja, as temperaturas de transformação do estado físico ou de estrutura cristalina de um material metálico.
3.1 Curvas de Resfriamento
As curvas de resfriamento, que são a base da análise térmica, indicam as variações de temperatura com o tempo.
Se se deseja esfriar por si um material metálico, em ambiente de pressão e temperatura constante, haverá um equilíbrio térmico, de acordo com a lei exponencial:
T = k ( et
onde:
T
(
temperatura do material
t
(
tempo
k
(
constante que depende do material
e
(
base dos logaritmos neperianos ( e ( 2,71728...)
A curva de resfriamento é pois a representação gráfica desta equação. Para traçá-la, procede-se da seguinte maneira:
1. Coloca-se o metal em um cadinho, e este em um forno que se tenha controle e registro de temperatura;
2. Aquece-se o material até uma temperatura acima da sua temperatura de fusão;
3. Interrompe-se o aquecimento, registrando-se a temperatura, deixando-se resfriar o forno
4. Lê-se a temperatura a intervalos constantes de tempo;
5. Traça-se os pontos do diagrama temperatura-tempo
3.1.1 Metais Puros
Tratando-se de metais puros, a curva toma a forma representada na figura 7. Partindo-se do Ponto "A", em que a massa está completamente líquida, o metal se esfria rapidamente segundo uma lei exponencial. Chegando ao ponto "B", correspondente à temperatura de solidificação, Ts = Tf, se observa que a temperatura ao invés de diminuir, permanece constante durante um certo tempo.
Quando toda a massa solidificou-se, a temperatura volta descer, mais lentamente até alcançar a temperatura ambiente.
· O super-resfriamento ocorre devido à inércia, ou seja quando se inicia a solidificação em um líquido, o calor cedido faz aumentar a temperatura até alcançar a de solidificação, que permanecerá inalterada durante toda a solidificação.
3.1.2 Ligas Metálicas
A passagem de líquido para sólido das ligas não se verifica a temperatura constante, mas sim, um intervalo de solidificação e a curva de resfriamento apresenta um tramo menos inclinado em relação ao eixo dos tempos (figura 8).
Somente ligas eutéticas solidificam-se a temperatura constante e a sua curva de resfriamento é semelhante a dos metais puros.
Sólido
Líquido
t1
t2
tempo
Solidificação
Tf = 
Ts
A
B
B
Ta
Super-resfriamento
Temperatura
Figura 7 – Curva de resfriamento de metal puro
Sólido
Líquido
t1
t2
tempo
Solidificação
Tf
Ts
Ta
Temperatura
Figura 8 – Curva de resfriamento de liga
3.2 Diagramas de Equilíbrio
Os diagramas de equilíbrio indicam as variações de estado ou de estruturas sofridas por uma liga, ao variar a temperatura e as proporções dos componentes, ou seja, determinam a posição dos pontos críticos de acordo com a composição da liga.
Os diagramas de equilíbrio são desenhados com o auxílio de várias curvas de resfriamento, correspondentes a distintas proporções dos componentes. O procedimento é mostrado na figura 9, e se refere ao caso em que os componentes formam uma solução sólida.
Traça-se a curva de resfriamento do metal puro "A"; em seguida, adiciona-se diversas proporções do componente "B", obtendo-se os intervalos de solidificação e uma curva final com o componente "B" puro.
Sobre as retas verticais correspondentes às diferentes proporções, plotam-se as temperaturas de início e final de solidificação.
· Unindo-se entre si os pontos de princípio de solidificação, obtém-se uma linha acima da qual todas as ligas apresentam-se em estado líquido. Esta linha é chamada de "LIQUIDUS".
· Unindo-se entre si os pontos de final de solidificação, obtém-se uma linha abaixo da qual todas as ligas apresentam-se em estado sólido. Esta linha é denominada "SOLIDUS"
· Entre as duas regiões tem-se líquido e sólido.
1 – 100%A
2 – 20%A
3 – 40%B
4 – 80%B
5 – 100%B
(a)
(b)
Temperatura
Tempo
Figura 9 – Construção de diagrama de equilíbrio
(a) – curva de resfriamento
(b) – diagrama de equilíbrio
· À medida que a temperatura diminui, a quantidade de líquido diminui, até que esta fase desaparece.
Os diagramas de equilíbrio têm várias configurações, segundo a ação mútua dos componentes. Em se tratando de ligas binárias, podemos ter
1. Nenhuma solubilidade no estado sólido (formação do eutético)
2. Solubilidade completa dos componentes no estado sólido (formação de solução sólida)
3. Solubilidade parcial dos componentes no estado sólido (formação de soluções sólidas e do eutético entre elas)
4. Nenhuma solubilidade entre os componentes no estado sólido (formação de composto intermetálico e de eutéticos entre o composto e os metais puros)
3.2.1 Nenhuma Solubilidade no Estado Sólido, Sistema Isomorfo
Os elementos puros "A" e "B" dissolvidos um no outro na fase líquida (figura 10), se separam completamente durante a solidificação e cristalizam-se formando uma mescla heterogênea de cristais "A" e "B" puros, intimamente unidos entre si.
Figura 10 – Diagrama de equilíbrio de liga binária com formação de eutético
A liga de menor ponto de fusão se denomina eutética. As ligas à esquerda da eutética se denominam hipoeutéticas, apresentando fundo de estrutura eutética e cristais do metal puro "A"; à direita, são chamadas hipereutéticas apresentando estrutura eutética ao fundo e cristais do metal puro "B". A proporção de eutético igual a 100% na liga eutética diminui linearmente ao nos deslocarmos à esquerda e à direita, anulando-se nas proporções dos metais puros.
São Exemplos de ligas que possuem eutético:
Ag-Cu, Ag-Pb, Al-Si, As-Pb, Au-Ge, Bi-Cd, Bi-Si, Cd-Pb, Cd-Zn, Pb-Sb, Pb-Sn, Sn-Zn.
3.2.2 Solubilidade Completa dos Componentes no Estado Sólido
Não há a formação de eutético dada à completa solubilidade de ambos os elementos, inclusive no estado sólido [figura 9, (b)].
Como mostra o diagrama, a temperatura de fusão vai diminuindo conforme se aumenta a proporção do elemento mais fusível.
Na região compreendida entre as linhas SOLIDUS e LIQUIDUS, existe uma mescla de líquido e cristais mistos formados existe uma mescla de líquido ("A" + "B") e cristais mistos formados por solução sólida de "A" em "B" e vice-versa.
Uma vez solidificada, a liga é uma união de cristais, cada um deles formado de metal "A" dissolvido em "B", ou de metal "B" dissolvido em "A", conforme sejam suas concentrações.
São exemplos de ligas que pertencem ao sistema isomorfo:
Ag-Au, Ag-Pd, AuCu, Au-Ni, Au-Pd, Cd-Mg, Co-Ni, Cr-Fe, Cr-Mo, Cu-Ni, Fe-V, Ir-Pt
3.2.3 Solubilidade Parcial dos Componentes no Estado Sólido
A figura 11 representa o caso em que ambos os elementos são parcialmente solúveis entre si no estado sólido. O metal "A" dissolúvel somente uma pequena proporção de "B", e vice-versa; como conseqüência durante a solidificação se forma:
· uma solução sólida , de "B" dissolvido em "A";
· uma solução sólida , de "A" dissolvido em "B".
Líquido L = (A+B)
Tfa
Tfb
TE
E
+ E
+ E
100%A
100% B
L +
L +
Liga 
Eutética
a
b
a
a
b
b
Soluçãosólida
Solução 
sólida
Figura 11 – Diagrama de equilíbrio de liga binária com solubilidade parcial entre os componentes
No ponto "E" é formada a solução eutética que não é constituída de cristais de "A" e "B" puros, mas por uma mistura das soluções sólidas  e .
3.2.4 Nenhuma Solubilidade Entre os Componentes no Estado Sólido
Na figura 12, temos um composto químico intermetálico "C" e dois eutéticos, "E" e "F" entre o referido composto e os metais "A" e "B", respectivamente.
Este composto se comporta, frente aos metais "A" e "B" como se fosse um corpo simples, podendo ser considerado o diagrama dividido em duas partes: ("A" + "C") e ("C" + "B").
O diagrama ("A" + "C") possui um eutético "E" que solidifica a uma temperatura TE, e de forma análoga, o diagrama ("C" + "B") apresenta um eutético "F" de ponto de fusão TF. Como segundo elemento dos eutéticos, atua o composto "C".
Líquido L = (A+B)
Tfa
Tfb
TE
E
A + E
C + F
100%A
100% B
A + L
F
C + L
L + B
C
E + C
F + B
L + C
TF
Figura 12 – Diagrama de equilíbrio de liga metálica binária sem solubilidade entre os componentes
4 Ligas de Ferro Carbono
4.1 Generalidades
Como ligas de ferro carbono (FeC) compreendem os aços comuns e os ferros fundidos. O produto comercialmente denominado de Ferro, é na realidade aço doce (com teor < 0,1%C). O ferro puro somente pode ser obtido por eletrólise, sendo por esse motivo denominado ferro eletrolítico, e possui menos de 0,0008%C.
A estrutura cristalina das ligas de FeC varia, ainda depois de solidificado, de acordo com a temperatura e a velocidade de resfriamento.
As propriedades físicas e mecânicas das ligas de FeC estão diretamente ligadas com a estrutura existente a cada momento.
4.2 O Carbono
Pertencendo ao grupo dos não-metais, é encontrado em abundância na Natureza, sob a forma de carbonato de cálcio ou carbonato de cálcio e magnésio.
O carbono, é elemento essencial para a vida de animais e vegetais. Existe no ar, na proporção de 0,02%, na forma de CO2, podendo ser encontrado ainda sob a forma cristalina (diamante) ou amorfa (grafite). Nos materiais à base de ferro, pode ser encontrado na forma livre, como grafite, ou combinado em forma de carboneto (cementita - Fe3C).
Tabela 2 – Propriedades físico-químicas do Carbono
Número atômico
6
Número de massa
12
Peso atômico
12,011 g/mol
Densidade
2,62
Estado natural
sólido
Ponto de fusão
4100 K
Ponto de ebulição
4470 K
Calor específico
0,71 J/(g.K)
Grupo da tabela periódica
14 (IVA)
Forma cristalina
hexagonal
Raio atômico
97x10-10 m
Eletronegatividade
2,55
De acordo com a forma que se apresenta, as ligas industriais de FeC podem ser divididas em dois grandes grupos:
· aços e ferros fundidos brancos: onde o Carbono encontra-se quimicamente combinado com o Ferro na forma de cementita.
· ferros fundidos cinzentos: onde se encontram livres, na forma de grafite.
O silício, o cobre e o alumínio exercem uma ação grafitizante sobre as ligas FeC; o manganês, cromo, enxofre e o fósforo favorecem a formação e estabilização da cementita.
A formação de grafita é favorecida por um resfriamento lento, e o resfriamento brusco, ao contrário, favorece a formação de cementita.
4.3 O Ferro
É conhecido desde aproximadamente 2.500 anos a. C. existe na superfície terrestre na proporção de 5%, não sendo encontrado na forma livre, mas sim sob a forma de óxidos ou carbonatos principalmente.
A uma temperatura de 768ºC, o ferro torna-se não magnético, como conseqüência da agitação térmica que destrói a orientação dos elétrons.
Tabela 3 – Propriedades físico-químicas do Ferro
Número atômico
26
Número de massa
56
Peso atômico
55,847 g/mol
Densidade
7,86
Estado natural
sólido
Ponto de fusão
1809 K
Ponto de ebulição
3135 K
Calor específico
0,44 J/(g.K)
Grupo da tabela periódica
 8 (VII)
Forma cristalina
cúbica de corpo centrado
Raio atômico
1,72x10-10 m
Eletronegatividade
1,83
4.3.1 Formas Alotrópicas
O ferro pode se apresentar em quatro formas alotrópicos, onde a estrutura se transforma a temperatura constante.
Tabela 4 – Formas alotrópicos do Ferro
Intervalo de estabilidade (ºC)
Forma alotrópica
Aquecimento
Resfriamento
Ferro (
0 a 768
768 a 0
Ferro (
768 a 911
898 a 768
Ferro (
911 a 1392
1401 a 898
Ferro (
1392 a 1536
1528 a 1401
As transformações que as ligas de FeC são devidas principalmente à alotropia do ferro já que este, segundo seja seu estado, tem maior ou menor capacidade de absorver o carbono.
· O ferro ( é de estrutura cristalina cúbica centrada e é magnético. A 720ºC pode dissolver uma pequena quantidade de carbono ((0,04%)
· O ferro ( tem a mesma estrutura cristalina, porém não é magnético; pode dissolver pequenas quantidades de carbono
· O ferro ( tem rede cristalina cúbica de face centrada, e dissolve carbono em quantidades crescentes até 2,08% formando a solução sólida austenita, carboneto de ferro em ferro (. Pode conter átomos de carbono em sua estrutura cristalina.
· O ferro ( retorna à estrutura cristalina cúbica centrada, que se conserva até a fusão. Não é magnético e seu interesse prático é quase nulo devido à alta temperatura em que se forma. Dissolve uma pequena quantidade de carbono (0,1%) a 1500ºC, formando a solução sólida (.
4.3.2 Pontos Críticos
Os pontos críticos se designam pela sigla Ac se correspondem ao período de aquecimento e por Ar se por ocasião do resfriamento. Para o ferro, temos:
Tabela 5 – Pontos críticos do elemento Ferro
Ferro ( ( ferro (
Ac2 = 768ºC
Ar2 = 768ºC
Ferro ( ( ferro (
Ac3 = 910ºC
Ar3 = 898ºC
Ferro ( ( ferro (
Ac4 = 1401ºC
Ar4 = 1401ºC
4.4 Diagrama de Equilíbrio
O diagrama de equilíbrio das ligas FeC (
figura 13
) limita-se a uma proporção de 6,67%C pois uma concentração maior não tem interesse prático.
As linhas mostradas no diagrama representam as posições dos pontos críticos teóricos, isto é, indicam as temperaturas que teoricamente deveriam existir as transformações estruturais, tanto no aquecimento como no resfriamento.
Praticamente ocorre que ao resfriar, as transformações acontecem a temperaturas mais baixas do que ao se aquecer.
4.4.1 Tipos de Cristais
Segundo seja a temperatura e o conteúdo de carbono, pode apresentar cristais de compostos químicos e cristais de solução sólida.
4.4.1.1 Cristais de Compostos Químicos
O carbono forma com o ferro um composto único, bem definido, o carboneto de ferro (Fe3C), denominado cementita. Este composto muito duro e frágil se encontra em todas as ligas de FeC.
A cementita é chamada primária, quando se forma diretamente da fase líquida e secundária, quando procede da decomposição da solução sólida de austenita durante o resfriamento lento. Se se separa da solução sólida ferrita, denomina-se cementita terciária.
4.4.1.2 Cristais de Solução Sólida
O carbono forma com o ferro três soluções sólidas: austenita, ferrita e solução (.
· Os cristais de austenita são formados por solução sólida de Fe3C em ferro (. Se formam durante o resfriamento lento das ligas com proporção de até 4,3%C, a temperaturas compreendidas entre 1147o e 1480oC.
· Os cristais de ferrita são constituídos de solução sólida de Fe3C em ferro (. Se formam ao resfriar-se lentamente ligas com C ( 0,04%, abaixo de 910oC.
· Os cristais de solução , são uma solução sólida de Fe3C em ferro (. Se formam durante o resfriamento lento de ligas com C ( 0,1%, a temperaturas compreendidas entre 1530o e 1410oC.
Como já se indicou, ao variar a temperatura, o ferro puro se transforma em seus formas alotrópicos. Estas transformações modificam a capacidade do ferro dissolver o carbono e por isso, teremos a formação ou decomposição de soluções sólidas ou o aparecimento de estruturas eutéticas, dependendo do teor de carbono e da temperatura.
4.4.2 Estruturas Fundamentais
O diagrama de equilíbrio (
figura 13
) mostra as estruturas fundamentais das ligas de FeC, que são: austenita, ferrita, perlita, ledeburita e cementita.
4.4.2.1 Austenita
É uma solução sólida de Fe3C em ferro, instável ao resfriar-se. Ocupa uma grande região do diagrama acimados 721ºC.
Ela existe nos aços, para conteúdo de carbono até cerca de 2%. Com esta concentração e à temperatura de 1140ºC, a austenita está saturada de Fe3C.
Para os ferros fundidos a temperatura superior de 721ºC pode-se encontrar de forma simples, ou na forma de eutético com a cementita primária. A austenita é formada por grão poliédricos de distintos tamanhos e contorno retilíneo irregular. Não é observada nos aços carbono à temperatura ambiente, qualquer que seja a velocidade de resfriamento. Nos aços com altos teores de Ni, Co e Mn pode ser observada claramente posto que estes elementos retardam a transformação, atuando como estabilizantes.
Ao baixar a temperatura, decresce a solubilidade do carboneto de ferro no ferro ( separando-se da austenita uma certa quantidade de cementita denominada secundária para se diferenciar da primária que se forma com ligas com teores de C>4,3% (ferros fundidos).
Nos aços com C > 0,87% se inicia a separação de cementita quando a temperatura desce abaixo da linha E’S (linha de saturação da austenita). A cementita secundária que se forma durante o resfriamento, situa-se ao longo das bordas dos grãos de austenita, delimitando claramente o seu contorno. Este fenômeno permite conhecer, a frio, o tamanho dos grãos da austenita, ainda que esta tenha desaparecido.
Nos ferros fundidos, a separação da cementita secundária da austenita acontece abaixo de 1147ºC.
4.4.2.2 Ferrita
É uma solução sólida de Fe3C em ferro  ou . Dada a pouca solubilidade do carboneto no ferro (, ocupa uma zona muito limitada do diagrama.
Nos aços carbono, compreendidos ente 0,008 e 0,04%C, abaixo da temperatura de 721oC, decresce a capacidade do ferro para dissolver carbono e portanto, da solução sólida ferrita, se separa uma certa quantidade de cementita denominada terciária, que se situa ao longo das bordas dos grãos de ferrita. A separação da cementita terciária inicia quando a temperatura da liga decresce abaixo da linha MN (linha de saturação da ferrita).
Figura 13 – Diagrama de equilíbrio do FeC
4.4.2.3 Perlita
É formada por ferrita e cementita secundária. Quando uma liga contendo 0,87%C alcança, ao resfriar-se, a temperatura de 721oC, o ferro  se transforma em ferro  diminuindo notadamente a solubilidade da cementita no ferro, então a austenita se decompõe, e se transforma numa estrutura que por sua forma característica é denominada perlita. Tal estrutura formada de estratos alternados de ferrita e cementita secundária tem características estruturais semelhantes à da estrutura eutética, porém como provém de componentes sólidos, é considerada um eutetóide. A perlita se apresenta quase sempre na forma de estrutura lamelar e mais raramente granular ou globular; é formada por uma mistura de cristais escuros de ferrita e cristais brancos de cementita. A perlita existente nos ferros fundidos provém da transformação da austenita que existia a 721oC.
O aço com baixíssimo teor de carbono se caracteriza por grãos claros de ferrita, de forma poliédrica irregular, com os lados ligeiramente curvos. Aumentando a proporção de carbono, aparece uma nova estrutura, a perlita lamelar em quantidades crescentes com a concentração de carbono, até que para 0,87%C o aço é totalmente perlítico (aço eutetóide).
Ao aumentarmos a quantidade de carbono acima de 0,87%, se diminui a quantidade de perlita, com o aumento proporcional de cementita secundária. A quantidade de perlita, máxima com 0,87%C, decresce linearmente à direita e esquerda do eutetóide para anular-se com 0,04%C e 4,3%C.
4.4.2.4 Ledeburita
É uma estrutura eutética de austenita saturada de Fe3C e de cementita primária. Se forma a 1147oC com uma concentração de carbono de 4,3%.
Abaixo de 1147oC, ao diminuir-se a solubilidade do carbono no ferro , se separa, da austenita eutética, cementita secundária que se deposita nas bordas dos grãos. Em conseqüência, a austenita será cada vez mais pobre de Fe3C à medida que diminui a temperatura. A 721oC, a austenita restante se transforma em perlita (ferrita + cementita secundária).
A ledeburita é formada por:
· perlita e cementita secundária, quando a quantidade de C < 4,3%
· perlita e cementita primária, quando a quantidade de C > 4,3%
Nos ferros fundidos hipoeutéticos, além de ledeburita, existirá também cementita secundária, separada da austenita no intervalo de temperatura compreendido entre 1147o e 721oC e perlita procedente da transformação da austenita restante a 721oC.
Nos ferros fundidos hipereutéticos, tem-se ledeburita e cementita primaria.
Correspondendo-se à concentração eutética, o ferro fundido é formado inteiramente de ledeburita (perlita + cementita primária). À esquerda desta concentração, a quantidade de ledeburita decresce linearmente, anulando-se com 2%C; a perlita e a cementita secundária crescem proporcionalmente. À direita da concentração eutética, a quantidade de ledeburita diminui linearmente ao crescer a proporção de carbono.
5 Principais Tratamentos Térmicos
Denominamos tratamentos térmicos ao conjunto de operações de aquecimento e resfriamento necessárias para modificar a estrutura cristalina de um aço, com o objetivo de conferir determinadas propriedades mecânicas ou tecnológicas.
Os principais tratamentos térmicos são:
· têmpera
· revenido ou revenimento
· recozimentos
· normalização
· cementação
· nitretação8
O tratamento térmico de têmpera seguido de revenimento é denominado beneficiamento.
6 Índice de Tabelas
2Figura 1 – Disposição cúbica centrada (ou cúbica de corpo centrado)
Figura 2 – Disposição cúbica de face centrada
2
Figura 3 – Disposição hexagonal
2
Figura 4 – Cristais Simples
4
Figura 5 – Cristais de compostos químicos
4
Figura 6 – Cristais em solução sólida
4
Figura 7 – Curva de resfriamento de metal puro
6
Figura 8 – Curva de resfriamento de liga
6
Figura 9 – Construção de diagrama de equilíbrio
7
Figura 10 – Diagrama de equilíbrio de liga binária com formação de eutético
8
Figura 11 – Diagrama de equilíbrio de liga binária com solubilidade parcial entre os componentes
9
Figura 12 – Diagrama de equilíbrio de liga metálica binária sem solubilidade entre os componentes
9
Figura 13 – Diagrama de equilíbrio do FeC
13
7 
Índice de Figuras
5Tabela 1 - Comparação entre propriedades de ligas e metais puros
Tabela 2 – Propriedades físico-químicas do Carbono
9
Tabela 3 – Propriedades físico-químicas do Ferro
10
Tabela 4 – Formas alotrópicos do Ferro
10
Tabela 5 – Pontos críticos do elemento Ferro
11
8 
Referências Bibliográficas
1. Metals Handbook – American Society for Metals
2. LIMA PEREIRA, R. – Noções Sobre Diagramas de Equilíbrio de Fases Aplicadas aos Sistemas Metálicos – Escola de Engenharia de São Carlos – EESC – Universidade de São Paulo
3. COLPAERT, H. – Metalografia dos Produtos Siderúrgicos Comuns – Editora Edgar Blücher Ltda
4. COSTA E SILVA, A. L. e MEI, P. R. – Aços e Ligas Especiais – Eletrometal S. A. – Metais Especiais.
� Solução: todo o sistema homogêneo com mais de um composto.
� Mistura: associação de duas ou mais substâncias em proporções arbitrárias, separáveis por meios mecânicos ou físicos
� Combinação química: Ligação estável de dois ou mais átomos, em proporções definidas constituindo uma substância com propriedades físicas e químicas características.
� Assim chamada por analogia à solução líquida, quando os componentes são miscíveis entre si, inclusive em estado sólido
� Liga eutética: mistura de componentes sólidos que, ao fundir-se, fica em equilíbrio com um líquido da mesma composição que a sua, e cuja temperatura de fusão é um mínimo na curva, ou na superfície de fusão do sistema.
� O nome "diagrama de equilíbrio" é devido ao fato de que as linhas o formam representam posições de equilíbrio entre as fases presentes.
� Alotropia é o fenômeno que consiste em poder um elemento químico cristalizar em mais de um sistema cristalino e ter, por isso, diferentes propriedades físicas.
� Tratamento termo-químico
_983296276.doc
A
B
_983297055.doc
Sólido
Líquidot1
t2
tempo
Solidificação
Tf
Ts
Ta
Temperatura
_983297997.doc
_983298314.doc
Líquido L = (A+B)
Tfa
Tfb
TE
E
A + E
C + F
100%A
100% B
A + L
F
C + L
L + B
C
E + C
F + B
L + C
TF
_983298214.doc
Líquido L = (A+B)
Tfa
Tfb
TE
E
+ E
+ E
100%A
100% B
L +
L +
Liga Eutética






Solução sólida
Solução sólida
_983297958.doc
1 – 100%A	2 – 20%A	3 – 40%B	4 – 80%B	5 – 100%B
(a)
(b)
Temperatura
Tempo
_983296443.doc
A dissolvido em B
_983296781.doc
Sólido
Líquido
t1
t2
tempo
Solidificação
Tf = Ts
A
B
B
Ta
Super-resfriamento
Temperatura
_983296373.doc
(AB)
_983295503.doc
Átomos das faces
Átomos das arestas
_983295761.doc
Átomos das arestas
Átomos das faces
Átomos dos prismas
_983295264.doc