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Solidificação dos Ferros Fundidos

Diagrama Fe-C

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Diagrama Fe-C

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Solidificação dos Ferros Fundidos

• Ligas Fe-C líquidas com baixo teor de carbono (<3,5%) são microscopicamente homogêneos. !

• Ligas Fe-C com alto teor de carbono (>3,5%) são um sistema coloidal com microgrupos de carbono em solução. !

• A natureza deste grupos ainda não está clara. Acredita-se que são aglomerados de Fe3C ou Cn. !

• Como a energia de nucleação para o Fe3C é m e n o r d o q u e a d a g r a f i t a , é termodinamicamente possível que estes aglomerados ricos em C existam como aglomerados de Fe3C. !

• Outros pesquisadores consideram que os aglomerados de Cn são estáveis. Possuem tamanho entre 1 a 20 µm, estão em equilíbrio dinâmico e se difundem no banho. !

• Medições de viscosidade mostram uma correlação entre viscosidade e teor de carbono. Esta correlação pode ser explicada devido à diminuição da distância interatômica.

Diagrama Fe-C

Variação da distância entre vizinhos mais próximos (r1) e do número de vizinhos mais próximos (N1) de acordo com %C

Observations from x-ray, neutron diffraction, and sound velocity measurements on liquid binary iron-carbon alloys attemperatures approximately 20 °C (35 °F) above the liquidus indicate that for up to 1.8% C the distance between nearestiron neighbors rI, as well as the number of nearest neighbors NI in the first coordination sphere, increases (Fig. 1). Above1.8% C, the distance remains constant, while the number of nearest neighbors continues to grow. Above 3.5% and up to5.5% C, both the distance and the number of neighbors remain constant. Above 3.5% C, short-range order regions rich incarbon exist in the melt. This means that the melt becomes more dense with the addition of carbon. A maximum packingdensity is reached at 3% C, and it remains constant at higher carbon concentrations. The excess carbon forms carbon-richregions (nonhomogeneities) in the melt.

Fig. 1 Variation of distance between nearest neighbors (rI) and the number of nearest neighbors (NI) as afunction of the percentage of carbon in the iron-carbon alloy. Source: Ref 1.

Viscosity measurements (Fig. 2) show a correlation between viscosity and percentage of carbon. This correlation can befurther explained in terms of increased viscosity as the interatomic distance becomes smaller.

Fig. 2 Viscosity of iron-carbon alloys as a function of carbon concentration at a temperature | 20° aboveliquidus. Source: Ref 2.

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▪A formação dos aglomerados (C6)n, facilitam a formação das fases eutéticas, sendo maior a facilidade de formação de Fe3C, que necessita de menor energia de formação.

!▪Há uma temperatura crítica para a formação de grafita ou Fe3C.

!▪Alguns elementos químicos promovem a transformação dos aglomerados (C6)n em Fe3C.

Diagrama Fe-C

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Influência de alguns elementos nas temperaturas eutéticas estável e metaestável

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Influência do teor de silício na composição eutética

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Influência de alguns elementos nas temperaturas eutéticas estável e metaestável

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Isopleta a 2,5% Si do Diagrama Fe-C-Si

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O Diagrama Fe-Carbono Equivalente

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O Diagrama Fe-Carbono Equivalente

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CEL = 14.45 – 0.0089·TL

%C = 0.0178·TES – 0.0084·TLA – 6.51

Diagrama Fe-C

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ZONA ACOPLADA

▪A zona acoplada é definida como uma faixa de temperaturas (abaixo da temperatura eutética) e de composição dentro da qual as fases eutéticas podem crescer a partir do banho em velocidades iguais.

▪Elas podem se apresentar de forma simétrica ou assimétrica.

▪Em eutéticos do gênero facetado / não-facetado, como é o caso dos ferros fundidos com grafita, a zona acoplada é assimétrica, como mostra a Figura (b).

▪Neste caso, a zona acoplada não inclui a c o m p o s i ç ã o e u t é t i c a e m q u a l q u e r temperatura abaixo da temperatura eutética

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Diagrama Fe-C

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ZONA ACOPLADA

Solidificação dos Ferros Fundidos

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Growth of Eutectic in Cast Iron

Coupled Zone in Cast Iron

The degree and type of eutectic growth that occurs in cast iron can be determined by using tools such as growth ratecurves to locate coupled zone regions, isothermal time-temperature diagrams to gage susceptibility to carbide formation,and growth rate-composition plots to ascertain parameters that affect both directional and multidirectional solidification.As shown in Fig. 14 in the article "Solidification of Eutectics" in this Volume, the coupled growth region of the eutecticin cast iron is asymmetric. It is possible to construct a theoretical coupled zone for gray iron from the condition of equalgrowth rate of the austenite (�) and graphite (Gr) phases (Ref 22). First one must consider the growth rate curves for � andGr in the Fe-C system (Fig. 9). For FG iron, the growth rate of austenite, R�, and that of graphite along the [1010]direction, RGr[1010], intersect; therefore, a coupled zone can be constructed. For SG iron, where the predominant growthdirection is along [0001], the two rates, R� and RGr[0001], do not intersect, which means that coupled growth isimpossible.

Fig. 9 Suggested growth rate curves for austenite and graphite in the iron-carbon-silicon alloys. (a) Austenite-

FG eutectic. (b) Austenite-SG eutectic. (c) Different graphite growth rates in lamellar growth. RGr [1010]determines the lamellar habits of graphite flakes, while RGr [0001] gives the rate of thickening for the flake.

Growth of Eutectic in Cast Iron

Coupled Zone in Cast Iron

The degree and type of eutectic growth that occurs in cast iron can be determined by using tools such as growth ratecurves to locate coupled zone regions, isothermal time-temperature diagrams to gage susceptibility to carbide formation,and growth rate-composition plots to ascertain parameters that affect both directional and multidirectional solidification.As shown in Fig. 14 in the article "Solidification of Eutectics" in this Volume, the coupled growth region of the eutecticin cast iron is asymmetric. It is possible to construct a theoretical coupled zone for gray iron from the condition of equalgrowth rate of the austenite (�) and graphite (Gr) phases (Ref 22). First one must consider the growth rate curves for � andGr in the Fe-C system (Fig. 9). For FG iron, the growth rate of austenite, R�, and that of graphite along the [1010]direction, RGr[1010], intersect; therefore, a coupled zone can be constructed. For SG iron, where the predominant growthdirection is along [0001], the two rates, R� and RGr[0001], do not intersect, which means that coupled growth isimpossible.

Fig. 9 Suggested growth rate curves for austenite and graphite in the iron-carbon-silicon alloys. (a) Austenite-

FG eutectic. (b) Austenite-SG eutectic. (c) Different graphite growth rates in lamellar growth. RGr [1010]determines the lamellar habits of graphite flakes, while RGr [0001] gives the rate of thickening for the flake.

Growth of Eutectic in Cast Iron

Coupled Zone in Cast Iron

The degree and type of eutectic growth that occurs in cast iron can be determined by using tools such as growth ratecurves to locate coupled zone regions, isothermal time-temperature diagrams to gage susceptibility to carbide formation,and growth rate-composition plots to ascertain parameters that affect both directional and multidirectional solidification.As shown in Fig. 14 in the article "Solidification of Eutectics" in this Volume, the coupled growth region of the eutecticin cast iron is asymmetric. It is possible to construct a theoretical coupled zone for gray iron from the condition of equalgrowth rate of the austenite (�) and graphite (Gr) phases (Ref 22). First one must consider the growth rate curves for � andGr in the Fe-C system (Fig. 9). For FG iron, the growth rate of austenite, R�, and that of graphite along the [1010]direction, RGr[1010], intersect; therefore, a coupled zone can be constructed. For SG iron, where the predominant growthdirection is along [0001], the two rates, R� and RGr[0001], do not intersect, which means that coupled growth isimpossible.

Fig. 9 Suggested growth rate curves for austenite and graphite in the iron-carbon-silicon alloys. (a) Austenite-

FG eutectic. (b) Austenite-SG eutectic. (c) Different graphite growth rates in lamellar growth. RGr [1010]determines the lamellar habits of graphite flakes, while RGr [0001] gives the rate of thickening for the flake.

Growth of Eutectic in Cast Iron

Coupled Zone in Cast Iron

The degree and type of eutectic growth that occurs in cast iron can be determined by using tools such as growth ratecurves to locate coupled zone regions, isothermal time-temperature diagrams to gage susceptibility to carbide formation,and growth rate-composition plots to ascertain parameters that affect both directional and multidirectional solidification.As shown in Fig. 14 in the article "Solidification of Eutectics" in this Volume, the coupled growth region of the eutecticin cast iron is asymmetric. It is possible to construct a theoretical coupled zone for gray iron from the condition of equalgrowth rate of the austenite (�) and graphite (Gr) phases (Ref 22). First one must consider the growth rate curves for � andGr in the Fe-C system (Fig. 9). For FG iron, the growth rate of austenite, R�, and that of graphite along the [1010]direction, RGr[1010], intersect; therefore, a coupled zone can be constructed. For SG iron, where the predominant growthdirection is along [0001], the two rates, R� and RGr[0001], do not intersect, which means that coupled growth isimpossible.

Fig. 9 Suggested growth rate curves for austenite and graphite in the iron-carbon-silicon alloys. (a) Austenite-

FG eutectic. (b) Austenite-SG eutectic. (c) Different graphite growth rates in lamellar growth. RGr [1010]determines the lamellar habits of graphite flakes, while RGr [0001] gives the rate of thickening for the flake.

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Construção da zona acoplada a partir das velocidades de crescimento das fases austenita e grafita em diferentes níveis de superaquecimento.

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▪A solidificação de uma liga de composição eutética dentro da zona acoplada ocorre da seguinte maneira:

▪ (i) O material sofre um super-resfriamento até que atinja o ponto A, onde ocorre a formação de dendritas de austenita.

▪ (ii) Com a formação e crescimento das dendritas de austenita ocorre a segregação de carbono e o líquido remanescente atinge a composição do ponto B, dentro da zona acoplada.

▪ (iii) Em B, ocorre a nucleação da grafita e o crescimento do eutético. O crescimento rápido das células eutéticas libera calor latente de solidificação suficiente para elevar a temperatura de solidificação até o ponto C, no limite da zona acoplada, bloqueando o crescimento dendrítico.

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A solidificação de uma liga de composição hipoeutética dentro da zona acoplada ocorre da seguinte maneira:

▪ (i) A solidificação inicia-se com a precipitação da austenita a partir do líquido, no ponto 1.

▪ (ii) Austenita com menor teor de carbono cresce na direção do líquido e a composição do líquido segue a linha liquidas

▪ (iii) O crescimento das dendritas provoca a segregação do carbono para o líquido. No ponto 2, o aumento de carbono para o líquido promove a formação da grafita.

▪ (iv) A formação da grafita traz o líquido para o ponto 3, na região da zona acoplada, onde ocorre o crescimento eutético.

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A solidificação de uma liga de composição hipereutética dentro da zona acoplada ocorre da

seguinte maneira:

▪ (i) A solidificação inicia-se com a precipitação da grafita a partir do líquido, no ponto A.

▪ (ii) A composição do líquido acompanha a linha liquidus até abaixo da temperatura do eutético (TE).

▪Em volta da grafita o líquido está empobrecido de carbono e a austenita irá nuclear junto à grafita no ponto B.

▪Como a composição do líquido está fora da zona acoplada, as dendritas de austenita poderão se formar e crescer.

▪ (iii) O crescimento das dendritas provoca a segregação do carbono para o líquido. Com a entrada do líquido dentro da faixa de composições da zona acoplada onde ocorre a formação do eutético

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