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Ferro ou ferro puro, é o elemento químico de número atômico 56, o qual praticamente não tem aplicação na indústria.

O aço é uma liga de ferro e carbono, sendo os limites de carbono situados entre 0,008% e 2,06%. Entretanto devido aos processos de obtenção, o aço contém em sua composição os seguintes elementos: Silício (Si), Manganês (Mn), Fósforo (P) e Enxofre (S), os quais, dentro dos percentuais normais, pouco interferem no diagrama de equilíbrio.

O ferro fundido, também é uma liga de ferro e carbono, sendo o limite mínimo de carbono considerado a partir de 2,06%, isto é, logo após o limite máximo do aço.

O limite máximo do Carbono no ferro fundido é considerado como 6,67%, porém, a maioria das ligas apresenta carbono na faixa entre 2,1% e aproximadamente 4,5%.

Um fato que deve ser levado em consideração é que os aços deixam de ser uma liga Fe-C para serem enriquecidos com outros elementos químicos em sua composição. Nestas condições podemos considerar dois tipos fundamentais de aços: aços carbono e aços liga.

Independente destes dois tipos, os aços ainda se classificam em outras categorias: aços para construção mecânica, aços para beneficiamento, aços para cementação, aços para ferramentas (aços rápido, para trabalhos a quente e para trabalho a frio) e os aços inoxidáveis (ferríticos, martensíticos, austeníticos, etc).

Normalmente os aços são especificados por uma série de normas: ASTM, SAE, DIN, AISI, ABNT, etc.

Os ferros fundidos também se dividem em diversos tipos como: cinzento, mesclado, branco, nodular, maleável, etc. Também são especificados e classificados de acordo com uma série de normas: SAE, ISO, ASTM, DIN, etc.

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O diagrama de equilíbrio, trata da liga Fe-C para teores de carbono de zero até 6,7% C. O valor de 6,7% de carbono é representado, porque o carbono forma com o ferro o composto químico Fe3C (cementita), que contém aproximadamente 6,7% de carbono. Acima deste percentual pouco se conhece, e além disto, as ligas acima de 4,5% de carbono apresentam pouco ou nenhuma aplicação industrial.

O diagrama meta estável Fe-Fe3C, está baseado na liga Fe-C, mas permite também, que se tenha uma idéia das seqüências das transformações de fase de ligas complexas. Lembramos, que os aços na maioria das aplicações industriais, possuem outros elementos químicos em sua composição.

O ferro fundido também tem como base não uma liga binária Fe-C, mas uma liga ternária de ferro, carbono e silício, sendo que o silício provoca alterações no diagrama

Fe-Fe3C, dependendo do seu percentual.

Para melhor entendimento dos fenômenos que alteram a microestrutura dos aços e ferros fundidos, pode-se analisar as transformações do ferro e a ação do carbono sobre essas transformações, tendo-se por base o diagrama de equilíbrio Fe-Fe3C.

Figura 12 – Diagrama de Equilíbrio Ferro-Cementita

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Diagrama de Equilíbrio Ferro-Cementita

Observando-se o diagrama, veremos que na linha base ou linha abscissa, estão gravados da esquerda para a direita, os percentuais de carbono entre zero a 6,7%. O ponto 6,7% corresponde a um teor de 100% do microconstituinte cementita. A fórmula da cementita é Fe3C, que é composta por 3 átomos de ferro e 1 átomo de carbono. O peso atômico do ferro é 56 g/mol e do carbono 12 g/mol.

56 X 3 = 168 (peso atômico de 3 átomos de ferro)

Têm-se portanto: 12 X 1 = 12 (peso atômico de 1 átomo de carbono) 168 + 12 = 180 (peso atômico total) 180 – 168 = 12 que dividido por 180 é igual a 0,067 ou em porcentagem 6,7%

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Na linha vertical do ponto zero ou linha ordenada, estão marcadas as temperaturas de 500ºC até 1600ºC. Entre este sistema de coordenadas, estão as linhas que, indicam o estado em que se encontra um aço em cada momento de temperatura para qualquer percentual de carbono.

A parte superior do diagrama, constituída pelas linhas ABCD (linha liquidus) e AECF (linha solidus), corresponde ao intervalo em que ocorrem a passagem do estado líquido para o sólido. Abaixo da linha solidus do diagrama, corresponde as reações que ocorrem no estado sólido. Entre GSE e PSK tem-se a zona crítica onde ocorrem as principais tranformações no estado sólido para os aços.

Iniciaremos as explicações com o ferro puro, que corresponde ao ponto 0% de carbono. Inicialmente, com a temperatura de 500ºC no ponto 0%, nada ocorre; sabemos que, nas temperaturas mais baixas, teremos o ferro alfa, que é cúbico de corpo centrado e magnético na temperatura ambiente até 768ºC. Ao atingir 768°C, o ferro perde seu magnetismo pois ocorreu uma redisposição dos elétrons, não ocorrendo alteração alotrópica, continuando o reticulado cristalino como ferro alfa (C) não magnético. Contudo, marca-se este ponto no diagrama com a letra "M", e dá-se o nome de ponto "A2," (O ferro puro não passa na temperatura de transformação "A1").

Continuando o aquecimento, ao atingir 910°C, a estrutura cristalina transforma-se de cúbica de corpo centrado, para a disposição cúbica de face centrada (Ponto G), isto é, a estrutura cristalina do ferro alfa, transforma-se em estrutura cristalina de ferro gama. O ponto de temperatura de 910ºC, assinalado pela letra "G", denomina-se "ponto A3".

Nos aços o aspecto da austenita (solução sólida de carbono no ferro gama) ao microscópio é o de pequenos cristais sobrepostos, diferindo dos grãos de ferrita (solução sólida de carbono no ferro alfa), como podemos observar abaixo.

FerritaAustenita

Figura 13 - Diferença entre as estruturas ferrítica e austenítica

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Seguindo-se com o aumento da temperatura, nada mais ocorre antes de atingirmos os 1390ºC, a não ser, uma maior vibração atômica e um crescimento dos grãos austeníticos. Porém, ao chegarmos à temperatura de 1390ºC, a estrutura cristalina de face centrada, retorna novamente para o reticulado de corpo centrado, isto é, a estrutura cristalina do ferro gama, transforma-se em estrutura cristalina de ferro delta (δ).

Neste ponto assinala-se a letra "N" e dá-se o nome de ponto de transformação "A4". A estrutura cristalina do ferro delta, permanece até os 1538ºC, quando então o ferro se funde e perde as disposições cristalinas. Marca-se este ponto do diagrama com a letra "A".

Resfriando-se o ferro desde o estado líquido, apresentar-se-ão as mesmas transformações ao inverso, exatamente nos mesmos pontos como citado anteriormente.

O ferro puro quase não tem aplicação industrial, mas as suas transformações alotrópicas, servem de referência para as transformações de todos os outros tipos de ferros e aços como veremos a seguir.

Antes de prosseguirmos com outros exemplos de transformações de fase em ligas binárias ferro-carbono, analisemos melhor o diagrama de equilíbrio.

As curvas ou linhas "ABCD" e "AECF", correspondentes às passagens entre estado líquido e sólido, possuem uma semelhança com as linhas "GSE" e "PSK", correspondentes às transformações que ocorrem no estado sólido.

O ponto "C", na parte superior do diagrama, a 1147ºC, indica o mais baixo ponto de fusão ou solidificação de uma liga com 4,3% de carbono, chamada de liga "eutética".

Por sua vez, o ponto "S", na parte inferior do diagrama, a 723ºC, indica o ponto mais baixo de uma transformação sólida de uma liga com 0,8% de carbono chamada de liga "eutetóide" em face a semelhança do ponto "C".

Portanto, todas as ligas de ferros fundidos compreendidos entre 2,06% e 4,3% de carbono, são chamadas de "hipoeutéticas" e as de carbono superior a 4,3% de "hipereutéticas". Da mesma forma todos os aços com teor de carbono entre 0,008% e 0,8% C, são chamados de "hipoeutetóides" e os com teor de carbono entre 0,8% até 2,06%, são chamados de "hipereutetóides".

Prosseguindo com as explicações sobre o diagrama de equilíbrio Fe-Fe3C, consideremos como exemplo, o resfriamento de um aço hipoeutetóide com 0,35% de carbono em sua composição. Acompanhar no diagrama de equilíbrio reduzido (abaixo).

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Figura 14 – Diagrama de Equilíbrio Ferro-Cementita (campo dos aços)

Acima da linha "AC", linha de líquidus, o aço com 0,35% carbono estará totalmente líquido. Ao cruzar a linha "AC” inicia-se a formação dos primeiros cristais sólidos de ferro delta em meio à massa líquida.

Estes cristais sólidos aumentam gradativamente em quantidade e em tamanho, até o aço atingir a linha "AE", linha de sólidus. Ao cruzar a linha "AE", o aço então, estará inteiramente solidificado na estrutura gama ou "austenita" e assim permanecerá até atingir limite superior da zona crítica na linha "GS" ou linha "A3".

Até este momento toda a austenita conterá 0,35% de carbono dissolvido no ferro gama, e se apresentará estrutura cristalina cúbica de face centrada.

Ao ultrapassar a linha "A3", o ferro gama começa a se transformar gradativamente em ferrita.

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Como ferrita (ferro alfa) só pode manter em solução uma quantidade mínima carbono, o carbono excedente vai enriquecendo a austenita remanescente.

A medida que o resfriamento prossegue mais átomos de carbono se difundem e mais ferrita vai se formando nos contornos de grãos da austenita prévia, enquanto que o carbono excedente enriquece cada vez mais a austenita restante.

A variação do teor de carbono na austenita é dada pela linha de solubilidade GS e na ferrita pela linha GP (linha solvus).

crítica, entre as linhas "A3" e "A1"

Como exemplo, supomos um ponto "X1" a uma determinada temperatura desta zona

A exata composição de ferrita e austenita desta fase em equilíbrio: correspondente a esse ponto, é dada pela intersecção de uma linha horizontal que passe por este ponto X1, com as linhas "GP" de um lado, determinando o teor de carbono na ferrita, e "GS” do outro lado, com o teor de carbono na austenita.

Continuando, no decorrer do processo com resfriamento lento, ao atingir a linha "PS" à 723ºC, linha crítica inferior ou linha "A1" o aço apresenta uma certa quantidade de ferro alfa, ou ferrita, com 0,025% C e de uma certa quantidade de austenita com teor de carbono igual a 0,8%. A ferrita assim formada situa-se no contorno dos grãos da austenita.

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