DIAGRAMA DE FERRO-CARBONO

Objetivos de Aprendizado

    • Para um dado diagrama de ferro-carbono.
    • Especificar se a liga é hipereutetóide ou hipoeutetóide.
    • Identificar a fase proeutetóide.
    • Calcular as frações mássicas das fases ferrita total, ferrita eutetóide, ferrita proeutetoide e da perlita.

O sistema ferro-carbono

    • Ferro e carbono: é o sistema de liga binário mais importante.
    • Os aços e ferros fundidos são os principais materiais utilizados e ambos são essencialmente ligas de ferro e carbono.
    • Nesta aula será abordada o estudo do diagrama de fases desse sistema e ao desenvolvimento de várias das possíveis microestrutura.

O diagrama das fases

    • O ferro puro antes se fundir experimenta duas alterações na sua estrutura cristalina.
    • Estrutura Fase
    • 1.Ferro a temperatura ambiente ccc ferrita ()
    • 2.Ferro a temperatura de 912°C cfc austenita() *
    • 3.Ferro a temperatura de 1538°C ccc ferro 
    • * Obs: Essa austenita persiste até 1394°C, pois a partir desta temperatura a estrutura volta a ser ccc.

CÉLULAS UNITÁRIAS

  • Menor grupo de átomos que formam o padrão repetitivo. Unidade estrutura básica.

  • Na maioria são paralelepípedos ou prismas com três conjuntos de faces paralelas.

  • A CÉLULA UNITÁRIA representa a simetria da estrutura cristalina.

  • O que determina o tipo de célula unitária é basicamente o diâmetro atômico.

ESTRUTURA CÚBICA DE CORPO CENTRADO

  • Apresenta átomos localizados nos oito vértices e um no centro da célula unitária cúbica.

ESTRUTURA CRISTALINA CÚBICA DE FACES CENTRADAS

  • Apresenta átomos localizados em cada vértice e nos centros das faces do cubo.

O diagrama das fases Fe-C

Diagrama Fe-Fe3C

  • As linhas do diagrama Fe-Fe3C são denominadas pela letra A (do Francês arrêt, prisão).

  • Quando a letra c for adicionada significa que se refere às condições de aquecimento (do Francês, chauffage, aquecimento).

Diagrama Fe-Fe3C

  • Acm: limite do campo de estabilidade da austenita com o campo de estabilidade das fases +Fe3C.

Diagrama Fe-Fe3C

  • A1: limite dos campos de estabilidade + e +Fe3C e o campo +Fe3C.

Diagrama Fe-Fe3C

  • A3: limite do campo de estabilidade  e o campo +.

O diagrama das fases

    • As ligas de ferro carbono utilizados possuem no máximo 6,7% de carbono, portanto só irá trabalhar com o diagrama até 6,7% de C.
    • O carbono é uma impureza intersticial no ferro e forma uma solução sólida tanto com a ferrita e também com austenita.
    • Na ferrita, com estrutura CCC, somente pequenas concentrações de carbono são solúveis.
    • Obs: A solubilidade máxima de carbono é de 0,022%p a uma temperatura de 727°C.

A ferrita ou ferro 

    • A fase ferrita, em particular, é relativamente macia, pode ser tornada magnética a temperaturas abaixo de 768°C e possui uma densidade de 7,88g/cm³.

A austenita ou ferro 

    • Quando ligada somente ao carbono, não é estável a uma temperatura inferior a 727°C.
    • A solubilidade máxima do carbono na austenita é de 2,14%p e ocorre a 1147°C.
    • A austenita é não-magnética.
    • Veja a fotomicrografia da austenita ou ferro .

A ferrita 

    • Obs: Antes de falar da cementita é bom lembrar que a ferrita  é virtualmente a mesma que a ferrita , exceto pela faixa de temperatura que cada uma existe. Como esta é estável somente a temperaturas elevadas, ela não possui importância tecnológica.

A cementita (Fe3C)

    • A cementita se forma quando o limite de solubilidade para o carbono na ferrita  é excedido a temperaturas abaixo de 727°C.
    • Mecanicamente, a cementita é muito dura e frágil, portanto a resistência de alguns aços é aumentada substancialmente pela sua presença.

A cementita (Fe3C)

  • Fase intermetálica com composição de 6,71 %pC.

  • A cementita apresenta estrutura ortorômbica com 12 átomos de ferro e 4 átomos de carbono.

A Perlita

    • A microestrutra para um aço eutetóide que é resfriado lentamente através da temperatura eutetóide consiste em camadas alternadas ou lamelas composta de duas fases ( + Fe3C ).
    • Sempre é formada no sistema Ferro-carbono.
    • Pode formar a perlita grosseira e a perlita fina.
    • A perlita grosseira forma-se a temperaturas mais altas.
    • A perlita fina forma-se a temperatura mais baixas.

A Perlita

    • Fotomicrografia de um aço eutetóide mostrando a microestrutura perlita.

BAINITA

    • Bainita: estrutura formada a partir da austêmpera austenita resfriamento rápido bainita (estrutura de agulhas)
    • Objetivo: obter peças com alta tenacidade e resistência à fadiga, ex. molas de qualquer natureza.

BAINITA

    • Bainita: estrutura de agulhas

BAINITA

    • Tem a mesma composição que a perlita (ferrita+cementita);
    • O que muda é a estrutura;
    • Ocorre a uma temperatura entre 215°C a 540°C;
    • Possui um formato de agulha;
    • Bainita superior (formada acima de 300°C) e a bainita inferior (abaixo de 300°C);
    • dureza e resistência a tração maiores que a perlita, pois suas partículas de ferrita e cementita são menores. Valores médios de 550 a 375 HB;
    • Sua principal característica é a maior tenacidade, quando comparada a martensita.

BAINITA

    • Limitações:
    • Faixa dureza limita-se a 40~50HRC;
    • Profundidade endurecimento < que na têmpera;
    • Teor mínimo de C=0,5%;
    • Requer bom controle de tempo/temperatura assim como a composição do aço;

Ponto eutético

    • As regiões bifásicas estão identificadas no diagrama, portanto pode ser observado que existe um eutético para o sistema ferro-carboneto de ferro localizado a 4,30%p C e 1147°C.
    • REAÇÃO EUTÉTICA
    • O líquido se solidifica para formar as fases austenita e cementita
    • AQUECIMENTO
    • RESFRIAMENTO

REAÇÕES DO SISTEMA Fe-C

  • Eutético austenita+Fe3C

    • Localizado a 4,30%pC e 1147°C

Ponto eutetóide

    • Pode ser observado que existe um ponto invariante eutetóide para uma composição de 0,76%p C e a uma temperatura de 727°C.
    • REAÇÃO EUTETÓIDE
    • Mediante resfriamento, a fase , sólida, se transforma em ferro  e em cementita.
    • AQUECIMENTO
    • RESFRIAMENTO

REAÇÕES DO SISTEMA Fe-C

  • Ponto invariante eutetóide.

    • Localizado à 0,76%pC e 727°C
    • Extremamente importantes para os tratamentos térmicos dos aços.

Ligas Hipoeutetóides

  • Ligas com composições entre 0,022 e 0,76%pC (significa literalmente menos do que o eutetóide).

  • Apresenta a ferrita como fase Proeutetóide.

  • Durante o resfriamento a composição da ferrita se altera muito pouco (linha M N), tornando-se ligeiramente mais rica em carbono.

  • Durante o resfriamento a variação da composição química da austenita é mais dramática (linha M O).

  • Após a reação eutetóide a ferrita Proeutetóide não sofre nenhuma alteração.

LIGAS HIPOEUTETÓIDES

  • A ferrita formada no campo  +  é chamada de ferrita proeutetóide (ferrita na matriz).

  • A ferrita presente nas lamelas é chamada de ferrita eutetóide (ferrita na perlita).

Microestrutura Eutetóide

  • Resfriamento lento visando manter o equilíbrio.

  • Liga com 0,76%pC

    • Representação esquemática das microestruturas para uma liga de Fe-C de composição eutetóide (0,76%C) acima e abaixo da temperatura eutetóide.

Ligas Hipereutetóides

  • Ligas com composições entre 0,76 e 2,14%pC (significa literalmente mais do que o eutetóide).

  • Apresenta a cementita como fase Proeutetóide.

  • Durante o resfriamento a composição da cementita não se altera (fase intermediária Fe3C, 6,70%pC).

  • Durante o resfriamento a variação da composição química da austenita se moverá ao longo da linha P O.

  • Após a reação eutetóide a cementita Proeutetóide não sofre nenhuma alteração.

LIGAS HIPEREUTETÓIDES

  • A microestrutura é constituída de cementita proeutetóide e perlita.

  • A cementita aparece clara na micrografia, dessa forma, é difícil diferenciar as ligas

  • hipo e hiper eutetóides somente

  • pela microestrutura.

  • OBS:

    • Cementita na matriz: cementita proeutetóide
    • Cementita na perlita: cementita eutetóide

Desenvolvimento das microestruturas em ligas Fe-C

    • Algumas das várias microestruturas que podem ser produzidas em ligas de aço e também suas relações com o diagrama de fases serão aqui discutidas.
    • Veremos que a microestrutura que se desenvolve depende tanto do teor de carbono como do tratamento térmico, porém nossa discussão ficará restrita ao resfriamento muito lento de aços, para o equilíbrio é mantido continuamente.
    • Vale lembrar que uma exploração mais detalhada sobre a influência do tratamento térmico será realizada num outro tópico.

QUANTIDADES RELATIVAS ENTRE A FASE PROEUTETÓIDE E PERLITA

  • As quantidades das fases proeutetóide e perlita são dadas pela regra das alavancas.

  • LIGAS HIPOEUTETÓIDES

Exercícios para determinar as frações das fases

Exercícios para determinar as frações das fases

Exercícios para determinar as frações das fases

Exercícios para determinar as frações das fases

  • 1º) Para uma liga composta por 99,50% Fe – 0,50% C,

  • d) Determine as frações de ferrita total e cementita, a uma temperatura ambiente (a solubilidade de carbono na ferrita à temperatura ambiente pode ser considerada nula);

LIGAS HIPEREUTETÓIDES

  • As quantidades das fases proeutetóide e perlita são dadas pela regra das alavancas.

  • LIGAS HIPEREUTETÓIDES

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