Ciência dos Materiais Experimental - Microestrutura Metálica

Ciência dos Materiais Experimental - Microestrutura Metálica

1. Objetivos

A experiência teve como objetivos a análise das microestruturas de diversas amostras de metais, todas embutidas em baquelite, identificando a morfologia dos grãos e as fases presentes em cada microestrutura a fim de determinar a constituição dos materiais analisados com base no diagrama de equilíbrio.

2. Diagrama de Equilíbrio Fe-C

(Fonte: William D. Callister Jr.; “Ciência e Engenharia de Materiais – Uma Introdução”, 5a edição, pág. 189, fig. 9.22)

Figura 1: Diagrama de fases ferro – carbeto de ferro

3. Procedimento Experimental

Várias amostras de materiais, a maioria embutidas em baquelite, foram analisadas através de microscópios óticos, e para cada amostra analisada fez-se um croqui das microestruturas. As amostras 1, 2 e 3, são aços hipoeutetóides, observadas com vários aumentos, onde com um aumento de 1000x pôde-se observar as fases perlita e ferrita, sendo que a fase perlita era notada se formando nos contornos de grão. Então, analisou-se a Amostra 4, um aço eutetóide, e novamente com um aumento de 1000x constata-se desta vez que somente se encontrava a fase perlita. A Amostra 5, um aço hipereutetóide, foi analisada logo após da mesma forma e notou-se duas fases, a perlita e a cementita. Em seguida, a Amostra 6, um aço temperado, observou-se apenas a fase martensita. Na Aamostra 10, um ferro fundido cinzento, pode-se observar as fases perlita, ferrita e grafita. Na seqüencia analisou-se a Amostra 13, um ferro fundido nodular que apresentava as fases ferrita, perlita e nódulos de grafita. A próxima amostra analisada foi uma placa de alumínio fundido, onde se pode notar as dendritas, estrutura comum em peças brutas de fundição.

4. Resultados e Discussão

  • Aço hipoeutetóide:

As amostras 1, 2 e 3 se referem a aços hipoeutetóides, ou seja, são uma liga de ferro-carbono com composição inferior a 0,8% de carbono. A formação de suas microestruturas está representada na FIGURA 2 e será discutida a seguir:

(Fonte: William D. Callister Jr.; “Ciência e Engenharia de Materiais – Uma Introdução”, 5a edição, pág. 192, fig. 9.27)

FIGURA 2: Representação esquemática das microestruturas para uma liga ferro-carbono com composição hipoeutetóide

Considere uma liga ferro-carbono com uma composição entre 0,022 e 0,8% de carbono (uma liga hipoeutetóide). Essa liga é então resfriada lentamente desde a região da fase γ até a região das fases α e Fe3C. No ponto “c”, a microestrutura consiste inteiramente em grãos da fase γ. Ao resfriar até o ponto “d” dentro da região das fases α e γ, essas duas fases passarão a compor a microestrutura; sendo que as pequenas partículas de α se formarão ao longo dos contornos dos grãos de γ.

Contorno de grão é o contorno que separa dois pequenos grãos ou cristais que possuem diferentes orientações cristalográficas em materiais policristalinos. Devido aos átomos estarem ligados de maneira menos regular ao longo de um contorno de grão e pela presença de irregularidades em sua superfície, a energia livre de um contorno de grão é muito alta, portanto essa região é menos estável que a parte interior de um grão. É por isso que as partículas de α começam a se formar nos contornos de grãos e não em suas regiões internas, pois a tendência é sempre minimizar a energia livre.

Enquanto se resfria a liga do ponto “d” até o ponto “e” podemos observar que a fase ferrita (α) torna-se ligeiramente mais rica em carbono. Por outro lado, o aumento na composição de carbono da fase austenita (γ) é muito maior a medida que a temperatura é reduzida. Durante esse resfriamento as partículas de α crescerão em tamanho.

A medida que a temperatura é abaixada para imediatamente abaixo da temperatura eutetóide, no ponto “f”, toda a fase γ se transformará em perlita, e a fase α que existia no ponto “e” não sofrerá alteração. Assim a fase α presente na perlita é chamada de ferrita eutetóide, enquanto aquela que foi formada em temperaturas acima da eutetóide é conhecida por ferrita proeutetóide.

Croqui Amostras 1, 2 e 3

Analisando-a em um microscópio ótico com um aumento de 1000x pudemos observar as presenças da perlita e da ferrita proeutetóide conforme era o esperado. A perlita se apresentou na forma de lamelas de cementita (Fe3C, regiões escuras) e de ferrita eutetóide (regiões claras), e em pequenas porções isoladas, separadas por ferrita proeutetóide.

Os croquis dessas amostras (aumento de 200x) estão representados a seguir:

Figura 3: Amostras 1, 2 e 3 (Aços Hipoeutéticos)

  • Aço eutetóide:

A amostra 4 se refere a um aço eutetóide, ou seja, é uma liga ferro-carbono cujo teor de carbono é igual a 0,8%. A formação de suas microestruturas está representada na FIGURA 4 e será discutida a seguir:

(Fonte: William D. Callister Jr.; “Ciência e Engenharia de Materiais – Uma Introdução”, 5a edição, pág. 191, fig. 9.24)

FIGURA 4: Representação esquemática das microestruturas para uma liga ferro-carbono com composição eutetóide

Considere uma liga com composição eutetóide, ou seja, com 0,8% de carbono. A medida que ela é resfriada lentamente dentro da região da fase γ, desde o ponto “a”, sua microestrutura é composta apenas pela fase austenita (γ). Ao cruzar a linha da temperatura eutetóide (723 oC) e até o ponto “b’, a austenita é transformada em perlita. Essa microestrutura consiste em camadas alternadas compostas pelas fases α e Fe3C, que se formam simultaneamente durante a transformação, que deve ocorrer durante um resfriamento lento através da temperatura eutetóide. A perlita existe como grãos, freqüentemente chamados de “colônias”, dentro de cada colônia, as camadas estão orientadas essencialmente na mesma direção, a qual varia de uma colônia para outra.

Croqui Amostra 4:

Analisando esta amostra em um microscópio ótico com um aumento de 1000x, se pode observar que ela é constituída em sua totalidade por perlita, onde as camadas mais claras são ferrita e as camadas mais escuras são cementita. O teor de carbono dessa amostra é de 0,8%.

O croqui dessa amostra (aumento de 200x) está representado a seguir:

Figura 5: Amostra 4 (Aço Eutético)

  • Aço hipereutetóide:

A amostra 5 se refere a um aço hipereutetóide, ou seja, uma liga de ferro-carbono cujo teor de carbono está entre 0,8 e 2%. A formação de suas microestruturas está representada na FIGURA 6 e será discutida a seguir:

(Fonte: William D. Callister Jr.; “Ciência e Engenharia de Materiais – Uma Introdução”, 5a edição, pág. 194, fig. 9.30)

FIGURA 6: Representação esquemática das microestruturas para uma liga ferro-carbono com composição hipereutetóide

Considere uma liga ferro-carbono com uma composição entre 0,8 e 2% de carbono (uma liga hipereutetóide). Essa liga é resfriada lentamente desde a região da fase γ até a região das fases α e Fe3C. No ponto “g” somente a fase γ está presente, portanto a microestrutura apresenta apenas os grãos da fase γ. Com o resfriamento para dentro da região das fases γ e Fe3C, no ponto “h”, a fase cementita (Fe3C) começará a se formar ao longo dos contornos dos grãos da fase γ, pois é uma região de baixa estabilidade.

Durante o resfriamento, dentro dessa região, a composição da cementita permanecerá constante (6,7% de carbono), enquanto o teor de carbono da fase austenita irá diminuir. Neste tempo as partículas de cementita aumentarão de tamanho.

A medida que a temperatura é reduzida através da eutetóide até o ponto “i”, dentro da região das fases α e Fe3C, toda a austenita será convertida em perlita, e a cementita já formada não sofrerá alterações. Assim a microestrutura resultante consistirá em perlita, constituída por lamelas de ferrita e cementita eutetóide, e cementita proeutetóide (aquela que já estava formada).

Croqui Amostra 5:

Analisando esta amostra em um microscópio ótico, com um aumento de 1000x, se pode observar as presenças da perlita (com camadas alternadas de ferrita e cementita eutetóide) em porções separadas por veios de cementita proeutetóide.

O croqui dessa amostra (aumento de 200x) está representado a seguir:

Figura 7: Amostra 5 (Aço Eutético)

  • Aço temperado:

Croqui Amostra 6:

Analisando esta amostra em um microscópio ótico, com um aumento de 1000x, pôde-se observar a presença da martensita. Ela é formada quando uma liga de ferro-carbono austenitizada, ou seja, está presente em sua microestrutura apenas a fase austenita (γ); é resfriada rapidamente até uma temperatura relativamente baixa. Ela é uma estrutura monofásica que não se encontra em equilíbrio, resultante de uma transformação sem difusão da austenita. A transformação da austenita em martensita só ocorre em taxas de resfriamento elevadas o suficiente para prevenir a difusão do carbono. Qualquer difusão que porventura venha a ocorrer resultará na formação das fases ferrita e cementita. Ao compararmos as energias livre das fases α e Fe3C verificamos que a martensita possui uma energia livre maior que as das duas fases previstas pelo diagrama ferro-carbono, por isso, sob condições de equilíbrio as fases α e Fe3C se formarão; por serem mais estáveis. Na formação da martensita, a austenita, que possui célula cúbica de face centrada, experimenta uma transformação polimórfica, com célula tetragonal de corpo centrado. Esta célula unitária consiste em um cubo de corpo centrado que foi alongado ao longo de uma das suas dimensões. Esta estrutura é diferente daquela que a ferrita possui (célula cúbica de corpo centrado). Todos os átomos de carbono permanecem como impurezas intersticiais na martensita. Uma vez que a transformação martensítica não envolve difusão, ela ocorre quase instantaneamente; os grãos de martensita nucleiam e crescem a uma taxa muito rápida, e, portanto, independente do tempo.

Algumas regiões mais escuras que a martensita; pequenos quadrados negros; também foram observados, e foram identificados como impurezas contidas no aço, que após seu resfriamento rápido não de difundiram pela liga e ficaram concentradas em pequenas regiões.

O croqui dessa amostra (aumento de 200x) está representado a seguir:

Figura 8: Amostra 6 (Aço Temperado)

  • Ferro fundido cinzento:

Croqui Amostra 10:

A amostra 10 foi submetida a um aumento de 1000x e foi observado que a mesma possuía flocos de grafita (semelhantes aos flocos de milhos), circuncidados por uma matriz de ferrita e perlita. Estas características indicam que se trata de ferro fundido cinzento. Os ferros fundidos formam uma classe de ligas ferrosas que possui teores de carbono acima de 2,14%p; na prática, contudo, a maioria dos ferros fundidos contém entre 3 e 4,5%p C e, além disso, outros elementos da liga.

A cementita (Fe3C) é um composto metaestável, e sob algumas circunstâncias pode-se fazer com que ela se dissocie ou se decomponha para formar ferrita α e grafita, de acordo com a reação:

Fe3C  3Fe (α) + C (grafita)

Dessa forma o diagrama de equilíbrio verdadeiro para o ferro e o carbono não é aquele normalmente apresentado, mas sim aquele que está apresentado na FIGURA 9. Os dois diagramas são virtualmente idênticos no lado rico em ferro, contudo a figura se estende até 100%p C, de tal modo que a fase rica em carbono é a grafita, em vez de cementita a 6,7 %p C.

(Fonte: William D. Callister Jr.; “Ciência e Engenharia de Materiais – Uma Introdução”, 5a edição, pág. 253, fig. 12.5)

Figura 9: O verdadeiro diagrama de fases ferro-carbono em condições de equilíbrio com a grafita, em lugar da cementita, como uma fase estável.

Esta tendência de formar grafita é regulada pela composição e pela taxa de resfriamento. A formação de grafita é promovida pela presença de silício em concentrações maiores do que 1%p. Ainda, taxas mais lentas de resfriamento durante a solidificação favorecem a grafitização.

Os ferros fundidos cinzentos apresentam teores de carbono entre 2,5 e 4%p, 1% e 3%p, respectivamente. Devido a presença dos flocos de grafita citados anteriormente, uma superfície fraturada apresenta aparência acinzentada, daí seu nome. Vale ressaltar que também é possível encontrar ferro fundido cinzento com microestruturas diferentes daquela observada que podem ser geradas por um tratamento apropriado. Como exemplo pode ser citado que a redução do teor de silício ou o aumento na taxa de resfriamento pode prevenir a completa dissociação de cementita para formar grafita. Sob essas circunstâncias a microestrutura consiste em grafita encerrada numa matriz de perlita.

O croqui dessa amostra (aumento de 200x) está representado a seguir:

Figura 10: Amostra 10 (Ferro Fundido Cinzento)

  • Ferro fundido nodular:

Amostra 13:

A amostra 13 foi submetida a um aumento de 200x e foi observada a presença de grafita, assim como na amostra 10, porém no formato de nódulos (ou partículas com forma de esferas) e não de flocos, circuncidados por uma matriz de ferrita. As características indicam que se trata de ferro nodular ou ferro dúctil, onde ocorreu a adição de uma pequena quantidade de magnésio e/ou de césio ao aço cinzento antes da fundição produzindo a diferente microestrutura e o conjunto de propriedades mecânicas muito diferentes. A fase matriz que circunda as partículas consiste ou em perlita ou em ferrita, dependendo do tratamento térmico; ela é normalmente perlita para uma peça no estado bruto de fusão.A maior ductilidade dos ferros nodulares se deve á melhor distribuição das tensões aplicadas, sendo que isso não ocorre para a estrutura lamelar dos veios de grafita.

O croqui dessa amostra (aumento de 200x) está representado a seguir:

Figura 11: Amostra 13 (Ferro Fundido Nodular)

  • Alumínio:

Alumínio fundido (placa):

Na amostra do alumínio fundido em placa, observado em um microscópio ótico com um aumento de 500x, a estrutura que mais chama atenção possui forma de ramos de árvores, a estrutura dendrítica. Ela se dá quando um metal começa a se solidificar quando ele está no estado de fusão, ocorrendo a formação de pequenos cristais em todos os pontos onde o metal em fusão atinge a temperatura de solidificação. Estes novos cristais assim formados desenvolvem-se pela solidificação de novas partículas sobre eles, efetuando-se a deposição segundo direções preferenciais denominados eixos de cristalização. Cada eixo atingindo certo desenvolvimento passa a emitir outros, até toda a massa se tornar sólida. Ao conjunto de cada eixo principal se dá o nome de dendrita, devido à semelhança com a ramificação de árvores. O crescimento da dendrita é limitado pelo encontro de seus eixos com os das dendritas vizinhas, formando as linhas de solidificação. Terminando a solidificação, cada dendrita constitui um pequeno cristal de contornos irregulares. A dendrita é um grão primário em formação.

O croqui dessa amostra (aumento de 200x) está representado a seguir:

Figura 12: Amostra Al (Alumínio Fundido)

5. Conclusão

A partir da análise das microestruturas de diferentes amostras através de microscópios óticos, discutiu-se como foi obtida cada microestrutura e seus princípios de formação.

Sabe-se que as amostras 1, 2 e 3 eram aços hipoeutetóides com composições inferiores a 0,8% de carbono, e é possível obter as quantidades das fases presentes, perlita e ferrita proeutetóide, através de uma estimativa visual.

A amostra 4 caracterizou um aço eutetóide, cuja liga ferro-carbono tem teor de carbono igual a 0,8%, ou seja, uma composição eutetóide, composta totalmente por perlita, onde as camadas mais claras são ferrita e as mais escuras, cementita.

Já a amostra 5 apresentou um aço hipereutetóide, uma liga ferro-carbono cujo teor de carbono está entre 0,8% e 2%, na qual se pôde observar a presença de perlita, composta por camadas alternadas de ferrita e cementita eutetóide, e separada por veios de cementita proeutetóide.

Na amostra 6 , pôde-se observar a presença da martensita, a qual é formada pelo rápido resfriamento da fase austenita até uma temperatura relativamente baixa, gerando uma estrutura monofásica que não se encontra em equilíbrio, resultante da transformação sem difusão da austenita.

A presença de flocos de grafita circuncidados por uma matriz de ferrita e perlita caracterizou a amostra 10 como um ferro fundido cinzento, formado de ligas ferrosas com teores de carbono acima de 2,14%.

Também foi observado a presença de grafita na amostra 13, porém, esta se encontrava no formato de nódulos circuncidados por matriz de ferrita, indicando que se tratava de ferro fundido nodular ou ferro dúctil.

A estrutura dendrítica foi visualisada na amostra de alumínio fundido. Ela se formou durante o processo de solidificação, sendo um grão primário em formação.

Tais microestruturas observadas nas amostras estavam de acordo com as apresentadas na literatura, de onde pode-se concluir sobre cada amostra analisada.

Os aumentos dos croquis foram padronizados a 200x, porém as amostras foram observadas em aumentos de 50x a 1000x, sendo que na maioria dos casos as estruturas das fases foram observadas a aumentos maiores que 500x, e a descrição foi feita a partir de aumentos de 1000x permitindo uma melhor analise.

6. Bibliografia

  1. William D. Callister, Jr.; Ciência e Engenharia de Materiais – Uma Introdução; Livros Técnicos Científicos Editora; 5a edição; Rio de Janeiro; 2000.

  2. Van Vlack, L.H.; Princípios de Ciência dos Materiais; Editora Edgard Blucher Ltda; São Paulo; 1970.

  3. Colpaert, H.; Metalografia dos Produtos Siderúrgicos; EDUSP-SP.

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