Captulo_5-1_-_Diagrama_Ferro-Carbono

Prévia do material em texto

DISCIPLINA: CIÊNCIA DOS MATERIAIS
Diagrama Ferro - Carbono
 
Livros-Texto
W. Callister; Ciência e Eng. dos Materiais- Uma Introdução 
V. Chiaverini, Materiais de Construção Mecânica, V. III, 1986 
Curso: Engenharia Mecânica
Prof. Wagner Sade Belo Horizonte
1
1
PORQUE ESTUDAR DIAGRAMA DE FASES?
IMPORTÂNCIA:
- Permite a visualização da fusão e solidificação
- Prediz as transformações de fases 
- Dá informações s/ microestrutura e propriedades mecânicas
	
Diagrama de fases – método muito eficiente de predizermos em que fases se encontram em equilíbrio para uma dada composição de liga a uma certa temperatura.
Os aços - ligas de ferro e carbono, apresentando variações dentro da sua composição química- ocasiona propriedades mecânicas diferenciadas. 
O diagrama Fe-C é aquele utilizado p/ o estudo dos aços e dos ferros fundidos, materiais de extrema importância para a indústria metalúrgica e mecânica.
DIAGRAMA DE FASES
Termodinamicamente o equilíbrio é descrito em termos DIAGRAMA DE FASES OU DE EQUILÍBRIO de energia livre de Gibbs (ΔG).
Um sistema está em equilíbrio se sua energia livre é igual a zero para alguma combinação específica de temperatura, pressão e composição. 
- O grau de afastamento do equilíbrio dependerá da taxa de resfriamento
 
ΔG = ΔH - T ΔS (energia livre relativa ao trabalho útil)
ΔH = variação de entalpia; ΔS = variação de entropia 
-Controle dos procedimentos utilizados em tratamentos térmicos
-Existe correlação entre microestrutura e propriedades mecânicas
Regra das Fases de Gibbs: P + F = C + 2
P = Phases (Número de Fases); 
F = Freedom (Graus de Liberdade: T, P, n);
C = Components (Nº Componentes, Espécies Independentes).
POR QUE ESTUDAR FASES? 
Obs. T é Temperatura, P é a Pressão e n é o nº de mols (n = m/mol)
Regra das Fases: P + F = C + 2
No ponto triplo (T= 0,01ºC e Pressão = 0,006 atm)
P = 3 (sól. líq. e vapor); F ?; C = 1 (H2O) daí 3 + F = 1 + 2
Ou F = 0 ( não pode variar “T”, nem “P” e nem “n”)
Diagrama de Fases da Água
Regra da Alavanca
Ex: ligas Cu-Ni (cupro-níquel com C0 % Ni)
Fração em peso de Líquido (WL)
Fração em peso de Sólido (Wα)
Exemplo: Liga B : 34% Ni e 66% Cu
Aplicações: geralmente usado na manufatura de moedas, condensadores e equipamentos de destilação
Comp. Liq (31,0 %Ni e 69,0 %Cu) e Comp. Sól.(43,0 %Ni e 57,0 %Cu) 
FASE LÍQUIDA
FASE SÓLIDA
 m (α) + m (β) = m (massa total da liga) 
 m B (α) + m B (β) = m B (liga)
 ASSIM
 m (α) + m (β) = m
 
 Cα. m (α) + Cβ. m (β) = C0.m 
daí m (α)/m = (Cβ - C0)/(Cβ - Cα)
 m (β)/m = (C0- Cα) /(Cβ – Cα)
Dedução da Regra da Alavanca por Conservação de Massa
 Nas ligas ferrosas as Fases ,  e  formam soluções sólidas com Carbono Intersticial
CARBONO
FASES Fe-C 
(impureza intersticial no Fe)
FERRO  + CARBONO = FERRITA
FERRO  + CARBONO = AUSTENITA
FERRO  + CARBONO = FERRITA 
ALOTROPIA DO FERRO
(Fe α – CCC até 912ºC) 
(Fe γ – CFC de 912 a 1.394ºC)
(Fe δ – CCC de 1.394 a 1.539ºC)
1) FERRITA : Solução de C no Fe 
Macia e dúctil
Estrutura: CCC
Temperatura : até 912 C
Solubilidade máx do Carbono= 0,02% a 727 C (baixa)
2) AUSTENITA: Solução de C no Fe  
Macia e dúctil , aproveitada nos processos de fabricação
Estrutura: CFC
Temperatura entre 912 e 1394C
Solubilidade máx do Carbono= 2,11% a 1147C
Soluções Sólidas de Ferro e Carbono
3) Ferrita δ: Solução de C no Fe δ
Acima de 1394°C
Estrutura CCC
Também chamada de Ferrita δ
4) CEMENTITA (Fe3C)
Contém 6,67%C e 93,3% Fe
Composto duro e frágil
Cristaliza no sistema ortorrômbico
(com 12 átomos de Fe e 4 de C por célula unitária) 
DIAGRAMA FERRO - CARBONO
Reações:
Peritética: δ + L →  
Temperatura peritética: 1493oC
Composição peritética:0,25% C
Ponto peritético: 1493oC e 0,25%C
- Eutética: L →  + Fe3 C
- Temperatura eutética: 1147°C
- Composição eutética: 4,3%C
- Ponto eutético: 1147°C e 4,3%C
1538oC – fusão do Fe puro
- Eutetóide:  → α + Fe3 C
- Temperatura eutetóide: 727°C
- composição eutetóide: 0,76 %C
- ponto eutetóide: 727°C e 0,76%C
Formação da cementita  austenita vai perdendo carbono até alcançar a composição eutetóide e, então, acontece a reação eutetóide.
0,8%C  fabricação de trilhos ferroviários. Aço com alta dureza e resistência ao desgaste. Microestrutura final  cementita + perlita
L →  + Fe3 C
Aços de 0,008 a 2,1 %C
Fofo de 2,1 a 4,5 %C
Aços: fases (ferrita + cementita) e constituintes (perlita)
 Fe3C
 +
 Fe (α)
 ‖ 
 (Perlita)
(Fe3C)
Ponto Eutetóide: 
727°C e 0,76%C
DIAGRAMA FERRO CARBONO ou Fe-Fe3C
 Ferro Puro= até 0,02% de Carbono
 Aço= 0,02 até 2,14% de Carbono
 Ferro Fundido= 2,1-4,3% de Carbono
 Fe3C (CEMENTITA)= Forma-se 
 quando o limite de solubilidade do carbono é ultrapassado (6,7% de C)
Austenita: solução sólida do C
 no Fe-CFC: Fe- 
Ferrita: Fe- - solução sólida do C 
no Fe-CCC
Perlita: Microestrutura
Formada por finas camadas
de Fe3C numa matriz de Fe-
Cementita: Fe3C
As fases ,  e  são soluções sólidas com carbono intersticial
perlita
Solubilidade do C no Fe- a 727 OC
Solubilidade do C no Fe- a 1147 0C
100% 
Fe- (ferrita)
Diminuição da solubilidade do C
 na austenita
Ligas hipoeutéticas
Ligas hipereutéticas
- Temperatura= 1147 C
- Teor de Carbono= 4,3%
As ligas de Ferro fundido de 2,1-4,3% de C são chamadas de ligas hipoeutéticas
As ligas de Ferro fundido acima de 4,3% de C são chamadas de ligas hipereutéticas
LIGA EUTÉTICA:
Líquido FASE  (austenita) + cementita
PONTOS IMPORTANTES DO SISTEMA Fe-Fe3C (EUTÉTICO)
Fronteira entre aços e ferros fundidos
Aços com 0,02-0,76% de C são chamadas de aços hipoeutetóides
Aços com 0,76-2,1% de C são chamadas de aços hipereutetóides
aços hipoeutetóides
aços hipereutetóides
LIGA EUTETÓIDE  corresponde à liga de mais baixa temperatura de transformação sólida (727oC) - Teor de Carbono= 0,76 %
Austenita		FASE  (FERRITA) + Cementita
PONTOS IMPORTANTES DO SISTEMA Fe-Fe3C (EUTETÓIDE)
HIPOEUTÉTICO- COMPOSIÇÃO MENOR 
QUE O EUTÉTICO
HIPEREUTÉTICO- COMPOSIÇÃO MAIOR QUE
 O EUTÉTICO
MICROESTRUTURA DE UMA LIGA FERRO-CARBONO 
DE COMPOSIÇÃO EUTETÓIDE (0,76%P C)
Ponto a: região de fase  a 800°C
Ao cruzar a temperatura de 727ªC a austenita se transforma:  (0,76%p C → α(0,022%p C+ Fe3C (6,7%p C)
Ponto b : Perlita – mistura de duas fases formada pela transformação da Austenita de composição Eutetóide em Ferrita e Cementita
Austenita 
MICROESTRUTURAS /HIPOEUTETÓIDE
 Supondo resfriamento lento para manter o equilíbrio
Teor de Carbono = 0,02- 0,76 %
Estrutura : Ferrita + Perlita
1
2
3
4
1
2
3
4
Nucleação e crescimento
 da ferrita (Fe-) nos contornos
de grão da austenita
Crescimento da ferrita (Fe-)
Crescimento da perlita a partir da
austenita
Microestrutura de um aço 0,4%C
resfriado lentamente
0,76
Austenita
ferrita
MICROESTRUTURA DOS AÇOS BAIXO TEOR DE CARBONO (AÇO ABNT 1020)
Ferrita	Perlita
AÇO COM 0,2%C AO MICROSCÓPIO ÓPTICO 
Aumento > 100 X
Aumento < 100 X
Ferrita Cementita 
MICROESTRUTURA DOS AÇOS MÉDIO TEOR DE CARBONO RESFRIADOS LENTAMENTE (AÇO ABNT 1045)
Ferrita Perlita
AÇO COM 0,45%C AO MICROSCÓPIO ÓPTICO
Aumento > 100 X
Aumento < 100 X
Ferrita Cementita
Fases: Ferrita + Cementita
Constituintes: Perlita + Cementita
Cementita Fe3C
Perlita
(Ferrita + Fe3C)
Microscópio Óptico com Aumento > 100 X
AÇO ABNT 1080 (0,8%C)
MICROESTRUTURAS /HIPEREUTETÓIDE
 Supondo resfriamento lento para manter o equilíbrio
Aços Hipereutetóides:
Teor de carbono > 0,76% em peso de C
Resfriamento do campo austenítico  formação
de cementita em contorno de grão 
Cementita+ Perlita
Perlita – consiste de lamelas alternadas de 
(ferrita) e Fe3C (cementita)
Ferrita – lamelas mais espessas e claras
Cementitas – lamelas finas e claras
0,76
EXEMPLO – REGRA DA ALAVANCA
Aço com 0,2% C a 727º C:
% p/p (ferrita): 
(0,76-0,20)/(0,76-0,022)=0,76=76%
% p/p (perlita):(0,20-0,022)/(0,76-0,022) = 24%
DETERMINAÇÃO DA QUANTIDADE DE CONSTITUINTES 
NO AÇO DE BAIXO CARBONO
Determinação do % de ferrita e perlita para um aço Aço ABNT 1020 a 727ºC
0,008
ferrita +
 perlita
0,2
sucata de aço 
(refino) 
(injeção de oxigênio) 
TRATAMENTO TÉRMICO DE RECOZIMENTO X PROPRIEDADES MECÂNICAS
Fonte: Vicente Chiaverini, Vol I, 2010.
Para Aços: Aquecimento acima da zona crítica (tempo de encharque: 1 a 2h por polegada de espessura da peça) seguido de resfriamento lento (forno desligado).
EXEMPLOS
1) O que você entende por diagrama de fases de um composto e qual é a sua utilidade?
Solução:
Também chamados diagrama de equilíbrio, relacionam composição química x temperatura x fases em equilíbrio,
Mostra quais as fases estão em equilíbrio em uma dada composição química para uma dada temperatura e pressão,
Mostra a microestrutura do material e a sua variação com o resfriamento ou aquecimento (Trat. Térmico),
As propriedades mecânicas são funções da microestrutura que caracterizam um material duro ou macio, por exemplo.
2) Dado o aço ABNT 1040 e o considerando aço puro, responda as perguntas abaixo:
Qual é a porcentagem de ferro no aço? 
Qual é a massa de carbono e a massa de ferro em uma barra de 1 kg?
Solução: 
a) Como a porcentagem de carbono é 0,4% (ou 0,40%), então a porcentagem de ferro é: 100 – 0,4 = 99,6% 
b) % C = 0,4% 
 mC = 0,4% x 1 kg = (0,4/100) x 1000 g = 4 g
 mFe = 1000 g – 4 g = 996 g
3) Dado o aço ABNT 1050 e o aço ABNT 1090, responda as perguntas abaixo:
Quais são as fases de cada aço na temperatura ambiente, observadas ao microscópio óptico em aumentos menores que 100X? 
Quais são os constituintes do aço na temperatura ambiente, observados ao microscópio óptico em aumentos maiores que 100X?
a) Aço 1050, fases: ferrita (α) e cementita (Fe3C)
 
 Aço 1090, fases: ferrita (α) e cementita (Fe3C)
b) Aço 1050 hipoeutetóide, constituintes: perlita e ferrita
 Aço 1090 hipereutetóide, constituintes: perlita e cementita
4) Os pontos (a), (b), (c), (d), (e) correspondem às respectivas composições químicas sobre a isoterma de 1300 ºC no diagrama de fases hipotético abaixo. Em cada caso, identifique:
(I) As respectivas fases para cada ponto.
(II) A porcentagem de cada fase e da liga em cada ponto.
Solução:
 
Sobre a Isoterma de 1.300ºC
- Ponto a : Fase Sólida
- Ponto b : Fase Sólida
- Ponto c : Mistura Líquido + Sólido
- Ponto d : Fase Líquida
- Ponto e : Fase Líquida
(I)
- Ponto a: 
100% de “Sólido” (20% de B e 80% de A)
- Ponto b:
100% de “Sólido” (30% de B e 70% de A)
- Ponto c: Mistura Líquido + Sólido
%Sól. = e % Líq. = 50%
(40% de B e 60% de A)
- Ponto d: 
100% de Líquido (50% de B e 50% de A)
- Ponto d: 
100% de Líquido (60% de B e 40% de A)
(II)
5) Uma prata de lei é uma liga contendo 90% de prata e 10% de cobre. Ela foi aquecida nas temperaturas de 600, 800 e 1.100 ºC. Dado o diagrama determine as fases presentes e suas proporções em cada temperatura. 
Solução:
A 600 ºC, fases “α” e “β” (aplicando a regra da alavanca)
% (α) = 93,6%
% (β) = 100 – 93,6 = 6,4%
b) A 800 ºC (fases “α” + “L”)
% (α) = 88,3%
% (L) = 100 – 88,3 = 11,7 %
c) A 1.100 ºC (fase “L”)
100% de Líquido
6) Para uma liga de solda com 40% de estanho e 60% de chumbo a 150 ºC, conforme o diagrama de fases abaixo, calcule: 
As fases presentes
A proporção de cada fase.
Solução:
Fases Presentes a 150 ºC : “α” e “β”
% α = x 100= 65,9%
 % β = 100 – 65,9 = 34,1%
7) Dado o diagrama Fe-C abaixo, determine:
A porcentagem de “C” na liga eutética e eutetóide
A temperatura eutética e eutetóide 
A reação eutética e eutetóide
Solução:
Liga Eutética: 4,30 %C 
 Liga Eutetóide: 0,76%C
b) Temperatura Eutética: 1.147 ºC
 Temperatura Eutetóide: 727 ºC
c) Reação Eutética: L = γ + Fe3C 
 Reação Eutetóide: γ = α + Fe3C 
(
)
(
)
(
)
L
L
C
C
C
C
S
R
S
W
-
-
=
+
=
a
a
0
(
)
(
)
(
)
L
L
C
C
C
C
S
R
R
W
-
-
=
+
=
a
a
0
(
)
(
)
%
75
0
,
31
0
,
43
0
,
34
0
,
43
=
-
-
=
L
W
(
)
(
)
%
25
0
,
31
0
,
43
0
,
31
0
,
34
=
-
-
=
a
W