aula 1 - diagrama de fe-c

Prof.: Juvenil Nunes de Oliveira Jr.

E-mail: [email protected]

Laboratório de Engenharia Mecânica II

1 Introdução

Juvenil Júnior © 2013. Todos os direitos reservados

A compreensão dos diagramas de fases para sistemas de ligas

é extremamente importante, pois existe uma forte correlação entre

a microestrutura e as propriedades mecânicas, e o

desenvolvimento da microestrutura de uma liga está relacionado às

características do seu diagrama de fases.

Chumbo-estanho com composição eutetóide. 375X

Chumbo-estanho com 50%Sn e 50%Pb. 400X Austenita. 325X


1 Introdução

Fase -> Uma fase pode ser definida como uma porção

homogênea de um sistema que possui características físicas e

químicas uniformes.

Todo material puro é considerado como uma faze, da mesma

forma que também são todas as soluções sólida, líquidas e gasosas.

1 Introdução

Muitas vezes, as propriedades físicas e, em particular, o

comportamento mecânico de um material, dependem da

microestrutura. A microestrutura está sujeita a uma observação

direta através de um microscópio.

Nas ligas metálicas, a microestrutura é caracterizada pelo

número de fases presentes, pelas suas proporções e pela maneira

pela qual elas estão distribuídas ou arranjadas.

A microestrutura de uma liga depende de tais variáveis, tais

como os elementos de ligas presentes, as suas concentrações, e o

tratamento térmico.


2 Diagrama Fe-C

Composição (%C)

Tem

per

atu

ra (

°C)

Tem

per

atu

ra (

°F)


2 Diagrama Fe-C

O ferro puro, ao ser aquecido, apresenta duas mudanças de

estrutura cristalina antes de fundir.

À temperatura ambiente, a forma estável, chamada de ferrita,

ou ferro 𝛼, possui uma estrutura cristalina CCC.

A 912°C, a ferrita sofre uma transformação polimórfica para

austenita, ou ferro 𝛾, que possui estrutura cristalina CFC.

Esta austenita persiste até 1394°C, em cuja temperatura a

austenita CFC reverte novamente a uma fase CCC, conhecida como

ferrita 𝛿, e finalmente se funde a 1538°C



2 Diagrama Fe-C

O eixo do diagrama se estende apenas até 6,70%C, nessa

concentração, se forma o composto intermediário carbeto ferro, ou

cementita (𝑭𝒆𝟑𝑪).

Ferrita 𝛼. 90X Austenita. 325X

Fotomicrografias

Carbono

Ferro

Carbono

Ferro

2 Diagrama Fe-C

Estão presentes as seguintes fases:

• Ferrita α: solução sólida intersticial de carbono no ferro α

(solubilidade máxima 0,03% em massa a 723°C). O ferro α é CCC.

• Ferrita δ: solução sólida intersticial de carbono no ferro δ

(solubilidade máxima 0,1% em massa a 1493°C). O ferro δ é CCC.


2 Diagrama Fe-C

• Austenita 𝜸: solução sólida intersticial de carbono no ferro 𝛾

(solubilidade máxima 2,1% em massa a 1147°C). O ferro 𝛾 é CFC.

• Cementita ou carboneto de ferro 𝑭𝒆𝟑𝑪: a sua composição

corresponde a um teor de 6,67% em massa de carbono. Este

carboneto é um composto intersticial de malha ortorrômbica.


2 Diagrama Fe-C

FERRO = FERRITA CCC; Temp. “existência”= até 912 °C; Fase Magnética até 768 °C (temperatura de Curie); Solubilidade máx do C= 0,02% a 727 °C;

FERRO 𝛾 = AUSTENITA CFC (tem + posições intersticiais) Temp. “existência”= 912 - 1394°C Fase Não-Magnética Solubilidade máx de C= 2,14% a 1148°C

FERRO 𝜹= FERRITA δ CCC; Temp. “existência”= acima de 1394°C Fase Não-Magnética; É a mesma que a ferrita a. Como é estável somente a altas temperaturas não apresenta interesse comercial

CFC CCC


2 Diagrama Fe-C

Aço: geralmente 0,008% até 2,14%C.

Ferro Fundido: teores acima de 2,14%C.


2.3 Reação Eutetóide

A 727°C chama-se ao constituinte eutetóide 0,76%C, de Perlita. No

ponto eutetóide, a austenita com 0,76% de C, origina ferrita e Fe3C

(cementita) através de um resfriamento lento.

Reação eutetóide



Reação eutetóide: um sólido dando origem a dois sólidos

na forma lamelar.

As mudanças de fases eutetóides descritas acima, são

muito importantes, sendo fundamentais no tratamento

térmico dos aços.

𝛾 0,76%𝐶 ⇌ 𝐹𝑒(0,022%𝐶) + 𝐹𝑒3𝐶(6,7%𝐶)

𝑆ó𝑙𝑖𝑑𝑜 ⇌ 𝑆ó𝑙𝑖𝑑𝑜1 + 𝑆ó𝑙𝑖𝑑𝑜2

Resfriamento

Aquecimento



Desenvolvimento da Microestrutura nas ligas Fe-C

No ponto (a) – a liga é composta inteiramente pela fase austenita.

Com o resfriamento da liga, não irão ocorrer mudanças até que a temperatura eutetóide (727°C) seja atingida.

Ao se cruzar essa temperatura para o ponto (b), a austenita se transforma de acordo com a equação mostrada anteriormente.

A estrutura formada é chamada de Perlita.



Fotomicrografia de aço eutetóide mostrando a microestrutura da perlita, que consiste em camadas alternadas de ferrita (a fase clara) e 𝐹𝑒3𝐶 (camadas finas, a maioria das quais aparece escura).

Ampliação de 500x.

Perlita Forma Lamelar

Ferrita

Cementita



Formação da Perlita:

Contorno de grão da austenita

Direção do crescimento da perlita

Difusão de Carbono



Hipoeutetóide Hipereutetóide

Perl

ita



Ligas Hipoeutetóides

Todas as ligas que apresentam menos de 0,76%C são chamadas de Hipoeutetóides.

O resfriamento de uma liga com essa composição pode ser representado pela figura ao lado.

No ponto (c) a 875°C, temos somente Austenita, ao se resfriar até o ponto (d), aproximadamente 775°C, duas fases irão coexistir, 𝛼 + 𝛾.

A maioria das pequenas partículas irá se formar ao longo dos contornos de grão originais de 𝛾.

Eutetóide Proeutetóide

Perlita



Ligas Hipoeutetóides (Cont.) O resfriamento do ponto (d) até o

ponto (e), irá produzir uma proporção maior da fase .

Quando a temperatura é reduzida para uma temperatura imediatamente abaixo da eutetóide, até o ponto (f), toda a fase 𝛾 que estava presente, se transformará em perlita.

Assim, a fase ferrita estará presente tanto na perlita quanto na fase que se formou enquanto se resfriava.

A ferrita que está presente na perlita é chamada de ferrita eutetóide, enquanto a outra parte, é denominada ferrita proeutetóide (significando pré-, ou antes)

Eutetóide Proeutetóide

Perlita




Fotomicrografia de um aço com 0,38%C que possui uma microestrutura composta por perlita e ferrita proeutetóide. Ampliação de 625x.

Ferrita Proeutetóide

Perlita (forma lamelar)


Ligas Hipereutetóides

Transformações e microestruturas análogas resultam para as ligas hipereutetóides, aquelas que contêm entre 0,76 e 2,14 %C.

No ponto (g), apenas a fase 𝛾 está presente. Com o resfriamento, temos as fases 𝛾 + 𝐹𝑒3𝐶, ponto (h), nesta fase a cementita começará a se formar ao longo dos contornos de grãos iniciais da fase 𝛾.

Esta cementita é chamada de cementita proeutetóide – aquela que se forma antes da reação eutetóide.

Perlita

𝐹𝑒3𝐶 Proeutetóide

𝐹𝑒3𝐶 Eutetóide



Ligas Hipereutetóides

Na medida que a temperatura é reduzida, passando pela eutetóide até o ponto (i), toda a austenita remanescente e de composição eutetóide é convertida em perlita.

Desta forma, a microestrutura resultante consiste em perlita e cementita proeutetóide.

Perlita

𝐹𝑒3𝐶 Eutetóide

𝐹𝑒3𝐶 Proeutetóide




Fotomicrografia de um aço com 1,4%p C que possui uma microestrutura composta por uma rede de cementita proeutetóide branca que envolve as colônias de perlita. Ampliação de 1000x.

Cementita Proeutetóide

Perlita


Resumindo:

Aços < 0,76 %C Aço Hipoeutetóide

Aços = 0,76 %C Aço Eutetóide

Aços > 0,76 %C Aço Hipereutetóide

Reação Eutetóide um sólido dando origem a outros dois

sólidos na forma lamelar. A estrutura formada é chamada de

Perlita.

Linha Eutetóide linha formada pela temperatura de 727°C


2.4 Reação Eutética

A 1147°C chama-se ao constituinte eutético 4,30%C, de

Ledeburita.

Reação eutética


2.4 Reação eutética

Reação eutética: Um líquido de composição eutética

(4,3%p C) se solidifica sob resfriamento lento, que

quando cruza a temperatura de 1147°C, para formar as

fases Austenita e Cementita. O resfriamento subsequente

promoverá as transformações de fase adicionais.

𝐿í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 4,3%𝐶 ⇌ 𝛿(2,14%𝐶) + 𝐹𝑒3𝐶(6,7%𝐶)

𝐿í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 ⇌ 𝑆ó𝑙𝑖𝑑𝑜1 + 𝑆ó𝑙𝑖𝑑𝑜2

Resfriamento

Aquecimento



Um líquido de

Hipoeutética Hipereutética

Led

ebu

rita



Ferro Fundido Branco Hipoeutético

Ferro Fundido Branco Hipereutético

Ferro Fundido Branco Eutético (Ledeburita)


2.4 Reação Eutética

Resumindo:

Ferro Fundido < 4,3 %C Ferro Fundido Hipoeutético

Ferro Fundido = 4,3 %C Ferro Fundido Eutético (Ledeburita)

Ferro Fundido > 4,3 %C Ferro Fundido Hipereutético

Reação Eutetética um líquido dando origem a outros dois

sólidos. A estrutura formada é chamada de Ledeburita.

Linha Eutetética linha formada pela temperatura de

1147°C


5 Regra da Alavanca

As quantidades relativas, como fração ou como

porcentagem, das fases presentes em equilíbrio podem ser

calculadas com o auxílio dos diagramas de fases.

Regra da Alavanca

% 𝑑𝑜 𝑀𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙 = 𝐵𝑟𝑎ç𝑜 𝑂𝑝𝑜𝑠𝑡𝑜

𝐵𝑟𝑎ç𝑜 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙× 100


5 Regra da Alavanca

Exemplo: Determinar a composição das fases existentes, em

um Aço com 0,3% C à temperatura ambiente.

%𝛼 = 𝐵𝑟𝑎ç𝑜 𝑜𝑝𝑜𝑠𝑡𝑜

𝐵𝑟𝑎ç𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙× 100 =

0,76 − 0,3

0,76 − 0,022× 100 = 62,3

%𝑃𝑒 = 𝐵𝑟𝑎ç𝑜 𝑜𝑝𝑜𝑠𝑡𝑜


0,3 − 0,022

0,76 − 0,022× 100 = 37,7


5 Regra da Alavanca

Exemplo: Determinar a composição das fases existentes, em

um Aço 1020 à temperatura ambiente. Qual é a quantidade em

massa de cada fase, se a massa total é de 100g.



0,76 − 0,2

0,76 − 0,022× 100 = 75,9



0,2 − 0,022

0,76 − 0,022× 100 = 24,1

Em 100g de Aço 1200, temos:

𝑴𝜶 = 𝟕𝟓, 𝟗𝒈

𝑴𝑷𝒆 = 𝟐𝟒, 𝟏𝒈


5 Regra da Alavanca

Exemplo: Em uma liga com 5% de carbono à 1000°C,

determinar as fases existentes, a composição de cada fase e a

quantidade de cada fase, se a massa total for de 5kg.

𝐶𝑜𝑚𝑝𝑜𝑠𝑖çã𝑜: 𝛾 = 1,7%𝐶

𝐹𝑒3𝐶 = 6,67%𝐶

𝐹𝑎𝑠𝑒𝑠: 𝐴𝑢𝑠𝑡𝑒𝑛𝑖𝑡𝑎 + 𝐶𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑖𝑡𝑎

%𝛾 = 𝐵𝑟𝑎ç𝑜 𝑜𝑝𝑜𝑠𝑡𝑜


6,7 − 5

6,7 − 1,7× 100 = 34

%𝐹𝑒3𝐶 = 𝐵𝑟𝑎ç𝑜 𝑜𝑝𝑜𝑠𝑡𝑜


5 − 1,7

6,7 − 1,7× 100 = 66

𝑀𝛾 = 1,70 𝑘𝑔

𝑀𝐹𝑒3𝐶 = 3,30 𝑘𝑔


5 Regra da Alavanca


5 Regra da Alavanca

Exemplo: Em uma liga com 1,2%C à temperatura ambiente,

determinar as fases existentes e quantidade de cada fase.



6,7 − 1,2

6,7 − 0,022× 100 = 82,4



6,7 − 1,2

6,7 − 0,76× 100 = 92,6

%𝐹𝑒3𝐶 = 𝐵𝑟𝑎ç𝑜 𝑜𝑝𝑜𝑠𝑡𝑜


1,2 − 0,022

6,7 − 0,022× 100 = 17,6

A quantidade de grãos com o constituinte perlita será:

92,6%Pe e 7,4%𝐹𝑒3𝐶 encontrado no contorno dos grãos


aula 1 - diagrama de fe-c

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