analise dos materiais

CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA – CEFET–SPÁREA ELETROMECÂNICA

Folha:

1 de 15

Data:

04/02/00

Disciplina: Tecnologia MecânicaProfessor:

CarusoPropriedades Fundamentais dos Materiais e Diagramas de Equilíbrio

SUMÁRIO

1 ESTRUTURAS CRISTALINAS .................................................................................................................... 2

1.1 DISPOSIÇÃO DOS ÁTOMOS ........................................................................................................................ 21.1.1 ESTRUTURA CÚBICA CENTRADA.......................................................................................................... 21.1.2 ESTRUTURA CÚBICA DE FACES CENTRADAS........................................................................................ 21.1.3 ESTRUTURA HEXAGONAL..................................................................................................................... 31.2 MOVIMENTOS DOS ÁTOMOS ..................................................................................................................... 31.3 CRESCIMENTO E DESENVOLVIMENTO DOS CRISTAIS ............................................................................. 31.4 ENDURECIMENTO ...................................................................................................................................... 3

2 ESTRUTURA DAS LIGAS METÁLICAS ................................................................................................... 3

2.1 CARACTERÍSTICAS DA L IGAS ................................................................................................................... 42.2 COMPARAÇÃO COM OS METAIS PUROS................................................................................................... 5

3 ANÁLISE TÉRMICA ..................................................................................................................................... 5

3.1 CURVAS DE RESFRIAMENTO ..................................................................................................................... 53.1.1 METAIS PUROS...................................................................................................................................... 53.1.2 LIGAS METÁLICAS ................................................................................................................................ 63.2 DIAGRAMAS DE EQUILÍBRIO ..................................................................................................................... 63.2.1 NENHUMA SOLUBILIDADE NO ESTADO SÓLIDO, SISTEMA ISOMORFO................................................. 73.2.2 SOLUBILIDADE COMPLETA DOS COMPONENTES NO ESTADO SÓLIDO.................................................. 83.2.3 SOLUBILIDADE PARCIAL DOS COMPONENTES NO ESTADO SÓLIDO ..................................................... 83.2.4 NENHUMA SOLUBILIDADE ENTRE OS COMPONENTES NO ESTADO SÓLIDO......................................... 9

4 LIGAS DE FERRO CARBONO ................................................................................................................... 9

4.1 GENERALIDADES ....................................................................................................................................... 94.2 O CARBONO ............................................................................................................................................... 94.3 O FERRO .................................................................................................................................................. 104.3.1 FORMAS ALOTRÓPICAS...................................................................................................................... 104.3.2 PONTOS CRÍTICOS...............................................................................................................................114.4 DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO .................................................................................................................... 114.4.1 TIPOS DE CRISTAIS ............................................................................................................................. 114.4.2 ESTRUTURAS FUNDAMENTAIS ............................................................................................................ 12

5 PRINCIPAIS TRATAMENTOS TÉRMICOS .......................................................................................... 14

6 ÍNDICE DE TABELAS ................................................................................................................................ 14

7 ÍNDICE DE FIGURAS ................................................................................................................................. 15

8 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ........................................................................................................ 15


Folha:

2 de 15

Propriedades Fundamentais dos Materiais e Diagramas de EquilíbrioProfessor:

Caruso

1 Estruturas CristalinasOs materiais se obtêm geralmente por fusão e, portanto, sua estrutura é constituída porcristais que se formam durante a solidificação do metal líquido.� Os cristais se formam instantaneamente, iniciando-se em vários pontos do líquido (deno-

minados 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 dasposições que tomam os átomos durante a solidificação.A forma dos cristais, sua posição e tamanho dependem da natureza do metal, e para ummesmo metal, dos tratamentos térmicos a que se tenha submetido, bem como a forma derealizá-los.

1.1 Disposição dos ÁtomosPor ser até o presente impossível de se observar os átomos, estes são considerados con-vencionalmente como sólidos esféricos; nos cristais elementares, os átomos podem estarsituados em três disposições características: cúbica de corpo centrado, cúbica de face cen-trada e hexagonal.

��

��

��

��

Figura 1 – Disposição cúbicacentrada (ou cúbica de corpo

centrado)

Figura 2 – Disposição cúbica deface centrada

Figura 3 – Disposição hexagonal

1.1.1 Estrutura Cúbica CentradaNa estrutura cúbica centrada (figura 1), os átomos, em número de nove, encontram-se dis-postos de maneira tal que formam um cubo, no centro do qual existe um átomo. Os seguin-tes 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 CentradasApresenta um total de 14 átomos (figura 2), um átomo em cada vértice do cubo e um átomono centro de cada uma das seis faces, não possuindo qualquer átomo no centro do cubo..


Folha:

3 de 15


Caruso

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 HexagonalConsta de 17 átomos, 14 deles delimitando um prisma hexagonal e outros três nos centrosde cada um dos prismas romboidais em que se pode decompor o prisma (figura 3). É ca-racterística do cádmio, cobalto, magnésio, titânio e do zinco (geralmente metais frágeis)

1.2 Movimentos dos ÁtomosOs vértices das estruturas cristalinas são posições de equilíbrio dos átomos, que (teorica-mente) se mantém imóveis à temperatura de –273,15ºC., ou seja, sua energia cinética émínima Ao variarmos a temperatura, os átomos são deslocados da sua posição de equilí-brio, desenvolvendo uma trajetória ao redor daquela posição, dependente da quantidade deenergia 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 asdimensões 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 grandeque os átomos adquirem um certo grau de liberdade, tomando posições diferentes dasoriginais (equilíbrio), tendo-se o fenômeno da fusão.

1.3 Crescimento e Desenvolvimento dos CristaisOs cristais, que iniciam sua formação nos centros de cristalização, podem desenvolver-seregularmente por causa da tensão superficial do líquido que os envolve, assim como poratrito interno e por interferências entre diferentes cristais que se originam durante seu cres-cimento.Em conseqüência, cessa o desenvolvimento do cristal antes que tenha tomado uma formageométrica 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 EndurecimentoOs métodos de conformação mecânica executados a frio provocam a ruptura dos cristais edeformam a rede cristalina e como conseqüência delas, o material se endurece, tornando-sefrágil, aparecendo então tensões internas, sempre perigosas pois não são equilibradas. Estefenômeno de endurecimento, denominado encruamento, pode ser eliminado por tratamentotérmico de recozimento, que consiste em regenerar os grãos, reconstituir a estrutura cristali-na original e anular as tensões internas.

2 Estrutura das Ligas MetálicasEntende-se por liga metálica um agregado cristalino de dois ou mais metais. São obtidasatravés da fusão dos vários componentes em um único cadinho, deixando-se esfriar a solu-ção1 líquida.Ao passar do estado líquido ao sólido, os componentes podem unir-se entre si de três for-mas distintas:� por mistura2 simples

1 Solução: todo o sistema homogêneo com mais de um composto.2 Mistura: associação de duas ou mais substâncias em proporções arbitrárias, separáveis por meios mecânicosou físicos


Folha:

4 de 15


Caruso

� por combinação química3

� por solução sólida4

Tem-se então que as ligas podem apresentar-se como cristais simples, cristais de compos-tos químicos e cristais de soluções sólidas.a) Cristais simples

São formados por componentes "A" e "B" cristalizados separada e simultaneamente. Aliga, chamada eutética5, é formada por uma mistura de cristais, cada um dos cristais deum só componente. As ligas são chamadas eutéticas pois o seu ponto de fusão é o maisbaixo, fundindo-se a uma temperatura mais baixa que a do componente de mais baixoponto de fusão. As ligas eutéticas têm poucas aplicações práticas por possuírem caracte-rísticas mecânicas pobres.

b) Cristais de compostos químicosSão formados por um composto químico bem definido. Cada cristal é formado pelo com-posto químico (AB), não sendo possível distinguir os componentes originais.

c) Cristais em solução sólidaOs cristais são formados por uma solução sólida de componentes puros, ou de compo-nente puro e um composto químico dos componentes.De acordo com as proporções existentes, podemos ter: "A" dissolvido em "B", "B" dissol-vido em "A", "A" ou "B" dissolvidos num composto químico "AB".Neste caso, tendo-se componentes com pontos de fusão diferentes, um deles, o de com-posto químico próprio, permanece dissolvido no estado sólido, como era no estado líqui-do.Devido à sua origem, as soluções sólidas são de estrutura mais homogênea e de caracte-rísticas melhores que as ligas eutéticas ou os metais puros.

�

�

��

��

Figura 4 – Cristais Simples Figura 5 – Cristais de compostosquímicos

Figura 6 – Cristais em soluçãosólida

2.1 Características da LigasAs características de uma liga dependem muito da concentração de seus componentes e davelocidade de esfriamento.

3 Combinação química: Ligação estável de dois ou mais átomos, em proporções definidas constituindo umasubstância com propriedades físicas e químicas características.4 Assim chamada por analogia à solução líquida, quando os componentes são miscíveis entre si, inclusive emestado sólido5 Liga eutética: mistura de componentes sólidos que, ao fundir-se, fica em equilíbrio com um líquido da mesmacomposição que a sua, e cuja temperatura de fusão é um mínimo na curva, ou na superfície de fusão do siste-ma.


Folha:

5 de 15


Caruso

� As concentrações se escolhem de modo a evitar-se a formação de estruturas eutéticas ese obtenham soluções sólidas homogêneas.

� A velocidade de resfriamento é decisiva, pois uma variação da mesma consegue-se daliga 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 ca-racterísticas finais da liga a média das propriedades de cada um dos componentes.

2.2 Comparação com os Metais PurosAs ligas têm muitas vantagens em comparação com os metais puros, com algumas des-vantagens:

Tabela 1 - Comparação entre propriedades de ligas e metais puros

Vantagens DesvantagensMaior dureza Menos dúcteisMaior resistência à tração Menos maleáveisMelhor resistência à corrosão Menor condutividade elétricaTemperatura de fusão inferior a pelo menos um dos componentes Menor condutividade térmicaMaior economia

3 Análise TérmicaA análise térmica tem como objetivo determinar os pontos críticos, ou seja, as temperaturasde transformação do estado físico ou de estrutura cristalina de um material metálico.

3.1 Curvas de ResfriamentoAs curvas de resfriamento, que são a base da análise térmica, indicam as variações detemperatura com o tempo.Se se deseja esfriar por si um material metálico, em ambiente de pressão e temperaturaconstante, haverá um equilíbrio térmico, de acordo com a lei exponencial:

T = k � et

onde: T � temperatura do materialt � tempok � constante que depende do material

A curva de resfriamento é pois a representação gráfica desta equação. Para traçá-la, proce-de-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 forno4. Lê-se a temperatura a intervalos constantes de tempo;5. Traça-se os pontos do diagrama temperatura-tempo

3.1.1 Metais PurosTratando-se de metais puros, a curva toma a forma representada na figura 7. Partindo-se doPonto "A", em que a massa está completamente líquida, o metal se esfria rapidamente se-gundo uma lei exponencial. Chegando ao ponto "B", correspondente à temperatura de soli-dificação, Ts = Tf, se observa que a temperatura ao invés de diminuir, permanece constantedurante um certo tempo.Quando toda a massa solidificou-se, a temperatura volta descer, mais lentamente até alcan-çar a temperatura ambiente.


Folha:

6 de 15


Caruso

� O super-resfriamento ocorre devido à inércia, ou seja quando se inicia a solidificação emum líquido, o calor cedido faz aumentar a temperatura até alcançar a de solidificação, quepermanecerá inalterada durante toda a solidificação.

3.1.2 Ligas MetálicasA passagem de líquido para sólido das ligas não se verifica a temperatura constante, massim, um intervalo de solidificação e a curva de resfriamento apresenta um tramo menos in-clinado em relação ao eixo dos tempos (figura 8).Somente ligas eutéticas solidificam-se a temperatura constante e a sua curva de resfria-mento é semelhante a dos metais puros.

��

��

��

��

��

�

�

�

��

��

��

Figura 7 – Curva de resfriamento de metal puro

��

��

��

��

��

��

��

Figura 8 – Curva de resfriamento de liga

3.2 Diagramas de Equilíbrio6

Os diagramas de equilíbrio indicam as variações de estado ou de estruturas sofridas poruma liga, ao variar a temperatura e as proporções dos componentes, ou seja, determinam aposição 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 nafigura 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 pro-porções do componente "B", obtendo-se os intervalos de solidificação e uma curva final como componente "B" puro.Sobre as retas verticais correspondentes às diferentes proporções, plotam-se as temperatu-ras 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 "LIQUI-DUS".

6 O nome "diagrama de equilíbrio" é devido ao fato de que as linhas o formam representam posições de equilí-brio entre as fases presentes.


Folha:

7 de 15


Caruso

� Unindo-se entre si os pontos de final de solidificação, obtém-se uma linha abaixo da qualtodas as ligas apresentam-se em estado sólido. Esta linha é denominada "SOLIDUS"

� Entre as duas regiões tem-se líquido e sólido.

��

��

��

��

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 fasedesaparece.

Os diagramas de equilíbrio têm várias configurações, segundo a ação mútua dos compo-nentes. Em se tratando de ligas binárias, podemos ter1. 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 IsomorfoOs elementos puros "A" e "B" dissolvidos um no outro na fase líquida (figura 10), se sepa-ram completamente durante a solidificação e cristalizam-se formando uma mescla hetero-gênea de cristais "A" e "B" puros, intimamente unidos entre si.


Folha:

8 de 15


Caruso

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 sedenominam hipoeutéticas, apresentando fundo de estrutura eutética e cristais do metal puro"A"; à direita, são chamadas hipereutéticas apresentando estrutura eutética ao fundo e cris-tais do metal puro "B". A proporção de eutético igual a 100% na liga eutética diminui linear-mente ao nos deslocarmos à esquerda e à direita, anulando-se nas proporções dos metaispuros.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 SólidoNão há a formação de eutético dada à completa solubilidade de ambos os elementos, inclu-sive no estado sólido [figura 9, (b)].Como mostra o diagrama, a temperatura de fusão vai diminuindo conforme se aumenta aproporção do elemento mais fusível.Na região compreendida entre as linhas SOLIDUS e LIQUIDUS, existe uma mescla de líqui-do e cristais mistos formados existe uma mescla de líquido ("A" + "B") e cristais mistos for-mados 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 SólidoA figura 11 representa o caso em que ambos os elementos são parcialmente solúveis entresi 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".


Folha:

9 de 15


Caruso

No ponto "E" é formada a soluçãoeutética que não é constituída decristais de "A" e "B" puros, mas poruma mistura das soluções sólidas �e �.

3.2.4 Nenhuma Solubilidade En-tre os Componentes no Es-tado Sólido

Na figura 12, temos um compostoquímico intermetálico "C" e dois eu-téticos, "E" e "F" entre o referidocomposto 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 diagramadividido em duas partes: ("A" + "C") e ("C" + "B").O diagrama ("A" + "C") possui um eutético "E" que solidifica a uma temperatura TE, e deforma análoga, o diagrama ("C" + "B") apresenta um eutético "F" de ponto de fusão TF.Como segundo elemento dos eutéticos, atua o composto "C".

4 Ligas de Ferro Carbono

4.1 GeneralidadesComo ligas de ferro carbono (FeC) compreen-dem os aços comuns e os ferros fundidos. Oproduto comercialmente denominado de Ferro,é na realidade aço doce (com teor < 0,1%C). Oferro puro somente pode ser obtido por eletróli-se, sendo por esse motivo denominado ferroeletrolítico, e possui menos de 0,0008%C.A estrutura cristalina das ligas de FeC varia,ainda depois de solidificado, de acordo com atemperatura e a velocidade de resfriamento.As propriedades físicas e mecânicas das ligasde FeC estão diretamente ligadas com a estru-tura existente a cada momento.

4.2 O CarbonoPertencendo ao grupo dos não-metais, é encontrado em abundância na Natureza, sob aforma 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 propor-ção de 0,02%, na forma de CO2, podendo ser encontrado ainda sob a forma cristalina (dia-mante) ou amorfa (grafite). Nos materiais à base de ferro, pode ser encontrado na formalivre, como grafite, ou combinado em forma de carboneto (cementita - Fe3C).

Tabela 2 – Propriedades físico-químicas do Carbono

Número atômico 6Número de massa 12Peso atômico 12,011 g/molDensidade 2,62

��

��

��

��

�

� � � �

��

� �

� �

��

� �

�

�

�

�

��

Figura 11 – Diagrama de equilíbrio de liga bináriacom solubilidade parcial entre os componentes

��

��

��

��

� � � � � �

��

� � �

��

�

� � � � �

� � ��

Figura 12 – Diagrama de equilíbrio de ligametálica binária sem solubilidade entre os

componentes


Folha:

10 de 15


Caruso

Tabela 2 – Propriedades físico-químicas do Carbono

Estado natural sólidoPonto de fusão 4100 KPonto de ebulição 4470 KCalor específico 0,71 J/(g.K)Grupo da tabela periódica 14 (IVA)Forma cristalina hexagonalRaio atômico 97x10-10 mEletronegatividade 2,55

De acordo com a forma que se apresenta, as ligas industriais de FeC podem ser divididasem 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 manga-nês, 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, aocontrário, favorece a formação de cementita.

4.3 O FerroÉ conhecido desde aproximadamente 2.500 anos a. C. existe na superfície terrestre na pro-porção de 5%, não sendo encontrado na forma livre, mas sim sob a forma de óxidos ou car-bonatos principalmente.A uma temperatura de 768ºC, o ferro torna-se não magnético, como conseqüência da agita-ção térmica que destrói a orientação dos elétrons.

Tabela 3 – Propriedades físico-químicas do Ferro

Número atômico 26Número de massa 56Peso atômico 55,847 g/molDensidade 7,86Estado natural sólidoPonto de fusão 1809 KPonto de ebulição 3135 KCalor específico 0,44 J/(g.K)Grupo da tabela periódica 8 (VII)Forma cristalina cúbica de corpo centradoRaio atômico 1,72x10-10 mEletronegatividade 1,83

4.3.1 Formas Alotrópicas 7

O ferro pode se apresentar em quatro formas alotrópicos, onde a estrutura se transforma atemperatura constante.

7 Alotropia é o fenômeno que consiste em poder um elemento químico cristalizar em mais de um sistema crista-lino e ter, por isso, diferentes propriedades físicas.


Folha:

11 de 15


Caruso

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 jáque 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 pe-

quenas 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. Nãoé magnético e seu interesse prático é quase nulo devido à alta temperatura em que seforma. Dissolve uma pequena quantidade de carbono (0,1%) a 1500ºC, formando a solu-ção sólida �.

4.3.2 Pontos CríticosOs pontos críticos se designam pela sigla Ac se correspondem ao período de aquecimento epor Ar se por ocasião do resfriamento. Para o ferro, temos:

Tabela 5 – Pontos críticos do elemento Ferro

Ferro � � ferro � Ac2 = 768ºC Ar2 = 768ºCFerro � � ferro � Ac3 = 910ºC Ar3 = 898ºCFerro � � ferro Ac4 = 1401ºC Ar4 = 1401ºC

4.4 Diagrama de EquilíbrioO diagrama de equilíbrio das ligas FeC se limita a uma proporção de 6,67%C pois uma con-centração maior não tem interesse prático.As linhas mostradas no diagrama representam as posições dos pontos críticos teóricos, istoé, 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 maisbaixas do que ao se aquecer.

4.4.1 Tipos de CristaisSegundo seja a temperatura e o conteúdo de carbono, pode apresentar cristais de com-postos químicos e cristais de solução sólida.

4.4.1.1 Cristais de Compostos QuímicosO 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 asligas 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 resfriamentolento. Se se separa da solução sólida ferrita, denomina-se cementita terciária.


Folha:

12 de 15


Caruso

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 temperaturascompreendidas entre 1147o e 1480oC.

� Os cristais de ferrita são constituídos de solução sólida de Fe3C em ferro �. Se formamao 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 duranteo resfriamento lento de ligas com C � 0,1%, a temperaturas compreendidas entre 1530o e1410oC.

Como já se indicou, ao variar a temperatura, o ferro puro se transforma em seus formasalotrópicos. Estas transformações modificam a capacidade do ferro dissolver o carbono epor isso, teremos a formação ou decomposição de soluções sólidas ou o aparecimento deestruturas eutéticas, dependendo do teor de carbono e da temperatura.

4.4.2 Estruturas FundamentaisO 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 AustenitaÉ uma solução sólida de Fe3C em ferro, instável ao resfriar-se. Ocupa uma grande região dodiagrama acima dos 721ºC.Ela existe nos aços, para conteúdo de carbono até cerca de 2%. Com esta concentração e àtemperatura de 1140ºC, a austenita está saturada de Fe3C.Para os ferros fundidos a temperatura superior de 721ºC pode-se encontrar de forma sim-ples, ou na forma de eutético com a cementita primária. A austenita é formada por grão po-liédricos de distintos tamanhos e contorno retilíneo irregular. Não é observada nos aços car-bono à temperatura ambiente, qualquer que seja a velocidade de resfriamento. Nos açoscom altos teores de Ni, Co e Mn pode ser observada claramente posto que estes elementosretardam a transformação, atuando como estabilizantes.Ao baixar a temperatura, decresce a solubilidade do carboneto de ferro no ferro � separan-do-se da austenita uma certa quantidade de cementita denominada secundária para se dife-renciar 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 desceabaixo da linha E’S (linha de saturação da austenita). A cementita secundária que se formadurante o resfriamento, situa-se ao longo das bordas dos grãos de austenita, delimitandoclaramente o seu contorno. Este fenômeno permite conhecer, a frio, o tamanho dos grãosda austenita, ainda que esta tenha desaparecido.Nos ferros fundidos, a separação da cementita secundária da austenita acontece abaixo de1147ºC.

4.4.2.2 Ferrita

É uma solução sólida de Fe3C em ferro � ou �. Dada a pouca solubilidade do carboneto noferro �, 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 longodas bordas dos grãos de ferrita. A separação da cementita terciária inicia quando a tempe-ratura da liga decresce abaixo da linha MN (linha de saturação da ferrita).


Folha:

13 de 15


Caruso

��

��

� ��

��

�

Figura 13 – Diagrama de equilíbrio do FeC

4.4.2.3 PerlitaÉ 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 nota-damente a solubilidade da cementita no ferro, então a austenita se decompõe, e se trans-forma numa estrutura que por sua forma característica é denominada perlita. Tal estruturaformada de estratos alternados de ferrita e cementita secundária tem características estrutu-rais semelhantes à da estrutura eutética, porém como provém de componentes sólidos, éconsiderada um eutetóide. A perlita se apresenta quase sempre na forma de estrutura la-melar e mais raramente granular ou globular; é formada por uma mistura de cristais escurosde ferrita e cristais brancos de cementita. A perlita existente nos ferros fundidos provém datransformação da austenita que existia a 721oC.O aço com baixíssimo teor de carbono se caracteriza por grãos claros de ferrita, de formapoliédrica irregular, com os lados ligeiramente curvos. Aumentando a proporção de carbono,aparece uma nova estrutura, a perlita lamelar em quantidades crescentes com a concentra-ção 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 per-lita, com o aumento proporcional de cementita secundária. A quantidade de perlita, máxima


Folha:

14 de 15


Caruso

com 0,87%C, decresce linearmente à direita e esquerda do eutetóide para anular-se com0,04%C e 4,3%C.

4.4.2.4 LedeburitaÉ uma estrutura eutética de austenita saturada de Fe3C e de cementita primária. Se forma a1147oC com uma concentração de carbono de 4,3%.Abaixo de 1147oC, ao diminuir-se a solubilidade do carbono no ferro �, se separa, da auste-nita eutética, cementita secundária que se deposita nas bordas dos grãos. Em conseqüên-cia, a austenita será cada vez mais pobre de Fe3C à medida que diminui a temperatura. A721oC, 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 secundá-ria, separada da austenita no intervalo de temperatura compreendido entre 1147o e 721oC eperlita 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 le-deburita (perlita + cementita primária). À esquerda desta concentração, a quantidade de le-deburita decresce linearmente, anulando-se com 2%C; a perlita e a cementita secundáriacrescem proporcionalmente. À direita da concentração eutética, a quantidade de ledeburitadiminui linearmente ao crescer a proporção de carbono.

5 Principais Tratamentos TérmicosDenominamos tratamentos térmicos ao conjunto de operações de aquecimento e resfria-mento necessárias para modificar a estrutura cristalina de um aço, com o objetivo de confe-rir determinadas propriedades mecânicas ou tecnológicas.Os principais tratamentos térmicos são:� têmpera� revenido ou revenimento� recozimentos� normalização� cementação8

� nitretação8

O tratamento térmico de têmpera seguido de revenimento é denominado beneficiamento.

6 Índice de TabelasFigura 1 – Disposição cúbica centrada (ou cúbica de corpo centrado) ...................................2Figura 2 – Disposição cúbica de face centrada .......................................................................2Figura 3 – Disposição hexagonal.............................................................................................2Figura 4 – Cristais Simples ......................................................................................................4Figura 5 – Cristais de compostos químicos .............................................................................4Figura 6 – Cristais em solução sólida ......................................................................................4Figura 7 – Curva de resfriamento de metal puro .....................................................................6Figura 8 – Curva de resfriamento de liga.................................................................................6Figura 9 – Construção de diagrama de equilíbrio....................................................................7Figura 10 – Diagrama de equilíbrio de liga binária com formação de eutético ........................8Figura 11 – Diagrama de equilíbrio de liga binária com solubilidade parcial entre os

componentes .................................................................................................................... 9

8 Tratamento termo-químico


Folha:

15 de 15


Caruso

Figura 12 – Diagrama de equilíbrio de liga metálica binária sem solubilidade entre oscomponentes .................................................................................................................... 9

Figura 13 – Diagrama de equilíbrio do FeC...........................................................................13

7 Índice de FigurasTabela 1 - Comparação entre propriedades de ligas e metais puros ......................................5Tabela 2 – Propriedades físico-químicas do Carbono.............................................................9Tabela 3 – Propriedades físico-químicas do Ferro ................................................................10Tabela 4 – Formas alotrópicos do Ferro................................................................................11Tabela 5 – Pontos críticos do elemento Ferro .......................................................................11

8 Referências Bibliográficas1. METALS HANDBOOK – American Society for Metals2. LIMA PEREIRA, R. – Noções Sobre Diagramas de Equilíbrio de Fases Aplicadas aos

Sistemas Metálicos – Escola de Engenharia de São Carlos – EESC – Universidade deSão Paulo

3. COLPAERT, H. – Metalografia dos Produtos Siderúrgicos Comuns – Editora EdgarBlücher Ltda

4. COSTA E SILVA, A. L. e MEI, P. R. – Aços e Ligas Especiais – Eletrometal S. A. – Me-tais Especiais.

analise dos materiais

Documents