Processos Metalúrgicos

PROF.: KAIO DUTRA

AULA 6 – LIGAS FERROAS E DIAGRAMA DE FASES

Ligas FerrosasAs◦ ligas ferrosas são, em princípio,divididas em dois grupos:

Aços,◦ com teores de carbono até 2,11%;

Ferros◦ fundidos, com teores de carbonoacima de 2,11%.

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Ligas FerrosasConsiderando,◦ entretanto, os elementos de ligaque podem estar presentes e as estruturas quecaracterizam alguns tipos desses materiais, osgrupos acima considerados, com as respectivasdefinições, compreendem as seguintes ligas:Para◦ os aços:

Aço◦ -carbono: liga ferro-carbono contendo geralmentede 0,008% até cerca de 2,11% de carbono, além decertos elementos residuais, resultantes dos processosde fabricação (Mn, Si, Pe S);Aço◦ -liga: aço-carbono que contém outros elementosde liga ou apresenta os elementos residuais em teoresacima dos que são considerados normais.

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Ligas Ferrosas◦Para os ferros fundidos:

◦ Ferro fundido cinzento: liga ferro-carbono-silício, com teor de carbono acima de2,11% e silício presente em teores de1,20% a 3,00%; a quantidade de carbono éde tal ordem que, conjuntamente com orelativamente elevado teor de silício,promove a formação parcial de carbonolivre, na forma de lamelas ou "veios" degrafita. Nessas condições, o ferro fundidocinzento apresenta fratura com coloraçãoescura;

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Ligas FerrosasPara◦ os ferros fundidos:

Ferro◦ fundido branco: liga ferro-carbono-silício, com teor de silício menor que ocinzento e que, devido ao silício em menorquantidade e às condições de fabricação,apresenta o carbono quase queinteiramente combinado, resultando numafratura de coloração clara

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Ligas FerrosasPara◦ os ferros fundidos:

Ferro◦ fundido maleável: liga ferro-carbono-silício caracterizada por apresentar grafitana forma de "nódulos" (em vez de "veiosdevido a um tratamento térmico especial("maleabilização') a que se submete umferro fundido branco;

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Ligas Ferrosas◦Para os ferros fundidos:

◦ ferro fundido nodular: liga ferro-carbono-silício caracterizada por apresentar grafitana forma esferoidal, resultante de umtratamento realizado no material ainda noestado líquido ("nodulização').

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Diagrama de FasesMuitas◦ das informações sobre ocontrole da estrutura das fases de umsistema específico são mostradas demaneira conveniente e concisa no queé chamado de Diagrama de Fases.

◦O Diagrama de Fases é na realidadeum mapa que mostra as fases emequilíbrio para determinadascondições termodinâmicas ecomposições químicas.

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Diagrama de Fases◦A figura ao lado apresenta umdiagrama de fases binários. Para estecaso, é possível observar a existênciade duas fases sólida (α) e líquida.

◦O equilíbrio entre estas fases estãoseparados por linhas denominadas:linha líquidos e linha sólidos.

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15001400

1300

1200

1100

Ni puro80% Ni

50% Ni

20% NiCu

puro

Tempo

Tem

per

atu

ra (

C)

15001400

1300

1200

1100Tem

per

atu

ra (

C)

20 40 60 80 100%

Solidus

Liquidus

Líquido (L)

1455 C

1084 C

L+

Composição (%p Ni)

Curvas de Resfriamento Diagrama Isomorfo

0

19:13

Diagrama de Fases

Diagrama de FasesPara◦ que haja transformação da fase líquida paraa fase sólida a estrutura passa por um processosde mudança de fase, conforme mostrado nafigura.

◦ A fase sólida é inicialmente formada com 49% deNi, composição esta que vai decaído conforme oprocessos de solidificação vai ocorrendo. Omesmo ocorre para a fase líquida, que inicia com35% de Ni e finaliza com 23% de Ni.Conforme◦ o processo de mudança de fase ocorre,a fase sólida vai formando-se e a fase líquida vaisendo reduzida, esta proporção entre vases podeser calculada pelas proporções entres as linhasem um determinada temperatura.

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20 30 40 50

TEM

PER

ATU

RA

(⁰C

)

COMPOSIÇÃO (%p Ni)

1290

12501265

1220

1180

+L

L

a

b

cd

e

~46

L (35%p Ni)

(46%p Ni)

~43

(43%p Ni)

~32%

L (32%p Ni)

(35%p Ni)

~24

L (24%p Ni)

35 (35%p Ni)

L35%p Ni

19:13

Diagrama de Fases

Diagrama de FasesRegra da Alavanca

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CL C0 C0

T (°C)

%B

T0

L

L +

C - CL

C0 - CL

100CC

CC%α

Lα

L0

100CC

CC%L

Lα

0α

Diagrama de Equilíbrio Fe-CDiagrama◦ fases também pode serchamado de "equilíbrio estável"porque, na realidade, ocorremmodificações com o tempo queafastam as reações do equilíbrioestável.Como◦ se vê pela figura, o diagramaabrange uma faixa de teores decarbono relativamente estreita, de0 a 6,7%, teor este último quecorresponde à composição químicado carboneto de ferro Fe3C.

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Tem

per

atu

ra,

C

Composição, %p C1 2 3 4 5 6 6,7*0

1600

1400

1200

1000

800

600

400

CD

EF

S

P K

4,30

L

2,14 1148 CSolidus

γ + L L + Fe3C

0,76

A3

Acm

γ

727 C

A1 + γ

γ + Fe3C

+ Fe3C

A

B

Q

1394

1538

912G

Diagrama de Equilíbrio Fe-C◦O diagrama estudado poderia serconsiderado como um diagrama Fe-Fe3C e quando se diz que o mesmo éde equilíbrio metaestável é porquepode ocorrer eventualmentedecomposição do Fe3C em ferro ecarbono, este último na forma degrafita.

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Diagrama de Equilíbrio Fe-C◦O diagrama mostra um "eutético"(ponto C) a 1.148°C e correspondentea um teor de carbono de 4,30%.Por◦ outro lado, na faixacorrespondente aos aços, o ponto S a0,77%C e à temperatura de 727°C temcaracterísticas semelhantes ao pontoC, eutético na faixa dos ferrosfundidos. Por essa razão, ponto S échamado "eutetóide".

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Diagrama de Equilíbrio Fe-C◦Em função desses dois pontos,costuma se agrupar, teoricamente,os aços e ferros fundidos daseguinte maneira:◦ Aço eutetóide: com teor de carbono

correspondente ao ponto eutetóideou seja, 0,77%;

◦ Aço hipoeutetóide: com teor decarbono entre 0 e 0,77%;

◦ Aço hipereutetóide: com teor decarbono entre 0,77% e 2,11%;

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Diagrama de Equilíbrio Fe-CEm◦ função desses dois pontos,costuma se agrupar, teoricamente,os aços e ferros fundidos daseguinte maneira:

Ferro◦ fundido eutético: com teor decarbono correspondente ao pontoeutético ou seja 4,30%;Ferro◦ fundido hipoeutético, com teorde carbono entre 2,11% e 4,30%;Ferro◦ fundido hipereutético: com teorde carbono acima de 4,30%.

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Diagrama de Equilíbrio Fe-CAlotropia do Ferro

Analisando◦ o diagrama para oferro puro, nesse trecho, aosolidificar, o ferro adquireestrutura cubica de corpocentrado, chamada, nesse caso,de δ (delta), passando,entretanto, quase a seguir, àestrutura cubica de face centradaϒ (gama) que caracteriza o ferro aalta temperatura. A 912°C, há apassagem da forma cúbica de facecentrada para cubo de corpocentrado até a temperaturaambiente, na forma alotrópica α(alfa);

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A

B

C

D

→

→

→L (FUSÃO)

tempo

Tem

pe

ratu

ra,

°C

Transformações do Fe PURO

912

1394

1538

Fe- (CCC)

Fe- γ (CFC)

Fe- δ (CCC)

Diagrama de Equilíbrio Fe-C◦ A solução sólida do carbono no ferro gama

chama-se austenita; portanto, na zonalimitada pelas linhas JE, ES, SG e GNJ só existeaustenita, essa zona é denominadaaustenítica. Esta austenita (nome derivado dometalurgista inglês Roberts Austen) é umconstituinte estrutural de boa resistênciamecânica e apreciável tenacidade e nãomagnético.

◦ O Fe3C é um carboneto contendo 6,67% decarbono, muito duro e frágil, esse constituinteé denominado cementita (do latim"caementum’).

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Diagrama de Equilíbrio Fe-CReações dos Aços Hipoeuteóides

No◦ caso de um aço hipoeutetóideentre 0,008% e 0,77% decarbono, o ferro gama daaustenita começa a transformar-se em ferro alfa que se separa,visto que ele não pode manterem solução solida senãoquantidades irrisórias decarbono. Assim a composiçãoestrutural da liga vai semodificando à medida que cai atemperatura.De◦ um lado, tem-se ferro puroalfa separando-se continuamentee do outro lado a austenita, cujoteor de carbono vai aumentando,em direção ao ponto S.

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γ

γ + Fe3C

+ Fe3C

727 C

TEM

PER

ATU

RA

, C

1,0 2,0400

500

600

700

800

900

1000

1100

COMPOSIÇÃO, %p C0,76

6,7

γγ

γ γ

γγ

γ γ

γγ

γ γ

γ

REAÇÃO EUTETÓIDE

C0

CFe3C = 6,7

Perlita

pró

+ γ

C=0,022

No◦ instante que a liga atinge atemperatura correspondente a 727°Ctêm-se, em equilíbrio, doisconstituintes estruturais: ferro puro naforma alotrópica alfa e uma soluçãosólida de 0,77% de carbono no ferrogama (ou seja, austenita com 0,77% deC).

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Diagrama de Equilíbrio Fe-CReações dos Aços Hipoeuteóides

◦ Nesse momento, todo o ferro gamaremanescente transforma-se bruscamente emferro alfa. A transformação é, contudo, tãorepentina que não há tempo suficiente para queocorra uma separação nítida entre o carbono (naforma de Fe3C ou cementita) e o ferro, na formaalotrópica alfa. Este processo resulta umconstituinte de forma lamelar, denominadoPerlita, formado por lâminas muito delgadas emuito próximas umas das outras, de ferro alfa eFe3C, dispostas alternadamente.

◦ Desta forma, os aços hipoeutetóides, com teor decarbono entre 0,008% e 0,77%, apresentam, àtemperatura ambiente, uma estrutura compostade ferrita e perlita,

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Diagrama de Equilíbrio Fe-CReações dos Aços Hipoeuteóides

Diagrama de Equilíbrio Fe-CReações dos Aços Eutetóides

Ao◦ resfriar-selentamente um açocom a composiçãoexatamente eutotóide(0,77%C), a únicatransformação queocorre é no ponto S,quando a austenitapassa bruscamente aperlita.

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+ γ

γ

γ + Fe3C

+ Fe3C

727 C

Fe3C

TEM

PER

ATU

RA

(C

)1,0 2,0

400

500

600

700

800

900

1000

1100

COMPOSIÇÃO, %p C0,76

REAÇÃO EUTETÓIDE

6,7

CFe3C=6,7C=0,022

PERLITA

γ

γγ

Diagrama de Equilíbrio Fe-CReações dos Aços Hipereutetóides

Para◦ os aços hipereutetóides, entre0,77 e 2,11% de carbono asreações que ocorrem podem serassim explicadas: a austenita, aoatravessar a linha SE ou Acm, demáxima solubilidade do carbonono ferro gama, começa a expulsaro excesso de carbono que nãopode ser mantido em solução.Em◦ conseqüência, numatemperatura intermediária entreAcm e A1, haverá em equilíbrioduas fases: uma, representada pelaaustenita que vai seempobrecendo em carbono eoutra, pelo carbonopaulatinamente expulso, na formade Fe3C ou cementita.

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+ γ

γγ + Fe3C

+ Fe3C

727 C

TEM

PER

ATU

RA

, C1,0 2,0

400

500

600

700

800

900

1000

1100

COMPOSIÇÃO, %p C

6,7

REAÇÃO EUTETÓIDE

C0

γγ

γ γ

γ

γγ

γ γ

γγ

γ γ

0,76

Perlita

Fe3C pró

◦ À temperatura de 727°C (linha A1), as fasesque estão em equilíbrio serão, portanto: deum lado o Fe3C e do outro a austenita com0,77% de carbono, a qual se transformaimediatamente em perlita ao atingir e ultra-passar a linha A1. A estrutura correspondente,que permanece até a temperatura ambiente,como nos casos anteriores, é perlita maiscementita; esta última vai localizar-se noscontornos dos grãos.

◦ esque- maticamente indica. Assim, emresumo, para os aços, têm-se as seguintesestruturas, à temperatura ambiente (ouabaixo da linha Au).

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Diagrama de Equilíbrio Fe-CReações dos Aços Hipereutetóides

Diagrama de Equilíbrio Fe-CReações dos Aços

Assim,◦ em resumo, para os aços, têm-se as seguintes estruturas,à temperatura ambiente (ou abaixo da linha A1):

Ferro◦ comercialmente puro "ferrita", mole, dúctil, e pouco resistente;Aços◦ hipoeutetóides: ferrita mais perlita, cuja resistência e dureza vãoaumentando e cuja ductilidade vai diminuindo, à medida que se caminhaem direção ao teor 0,77% de carbono;Aços◦ hipereutetóides: perlita mais cementita, a quantidade desta noscontornos dos grãos, aumenta à medida que se caminha para teores maiselevados de carbono; essa estrutura é dura, resistente e pouco dúctil,características que se acentuam à medida que aumenta o teor decarbono.

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Diagrama de Equilíbrio Fe-CReações dos Aços

Em◦ função dessaspropriedades dasestruturas, os aços têmsuas propriedadesmodificadas, à medidaque o teor de carbonoaumenta, conformemostra o gráfico.

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120

110

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

60

50

40

30

20

10

LIM

ITE

DE

RES

ISTÊ

NC

IA À

TR

AÇ

ÃO

(kg

f/m

m2)

ALO

NG

AM

ENTO

(%

)

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2

DU

REZ

A B

RIN

ELL

240

220

200

180

160

140

120

100

80

60

40

20Alongamento

Limite de resistência à tração

Dureza Brinell

%p C

Diagrama de Equilíbrio Fe-CReações dos Ferros Fundidos

◦ No ponto C, estão em equilíbrio duasfases: de um lado, à esquerda, a austenitacom 2,11% de carbono, o máximo quepode ser mantido em solução sólida, dooutro lado, à direita, o Fe3C quecorresponde à extremidade do diagrama.Esse eutético, austenita mais cementita, échamado ledeburita. Sua constituiçãoestrutural corresponde a um fundo decementita, com 6,67% de carbono ecristais dendríticos de austenita.

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Diagrama de Equilíbrio Fe-CReações dos Ferros Fundidos

Verifica◦ -se que, ultrapassada a linhasolidus ECF, ocorre uma diminuiçãogradativa do teor de carbono daaustenita, cuja composiçãoacompanha a inclinação da linha Acm,até que, ao atingir-se a temperatura727°C (ponto S), correspondente a0,77% de carbono, na linha A1, essaaustenita se transformarepentinamente em perlita.

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Diagrama de Equilíbrio Fe-CReações dos Ferros Fundidos

Assim,◦ ao ultrapassar a linha A1, aledeburita será constituída de glóbulosde perlita sobre um fundo decementita.

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Diagrama de Equilíbrio Fe-CReações dos Ferros Fundidos

No◦ caso de um ferro fundidohipoeutético (entre 2,11% e 4,30% decarbono), na faixa de temperaturas entreas linhas "solidus" e A1, estão emequilíbrio as fases seguintes: de um lado,a austenita que se empobrecepaulatinamente de carbono até, aoatingir a linha A1, transformar-se emperlita; do outro lado, a ledeburita,constituída agora de globulos de perlitasobre um fundo de cementita.

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Diagrama de Equilíbrio Fe-CReações dos Ferros Fundidos

No◦ caso de um ferro fundido hipereutético(entre 4,30% e 6,67% de carbono), entre aslinhas "solidus" e a linha A1, nada ocorre coma cementita separada durante o resfriamentona fase líquida. Mas a ledeburita sofretransformações, porque a sua austenita tem oteor de carbono decrescendo paulatinamente,à medida que, no resfriamento, se aproximada linha A1 onde ela, a austenita, setransforma em perlita. Assim, abaixo de A1,até a temperatura ambiente a estrutura dosferros fundidos hipereutéticos é constituídade cristais alongados de cementita e umfundo de ledeburita (glóbulos de perlita maiscementita).

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Diagrama de Equilíbrio Fe-CLigas Fe-C-Si

Os◦ ferros fundidos mais usados são oscinzentos, caracterizados pelapresença de silício, geralmente emteores superiores a 2,0%.

◦A presença desse elemento produzuma decomposição do Fe3C, em Fe eC, este último na forma de grafita. Poressa razão, o silício é freqüentementechamado de elemento "grafitizante‘’.

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Diagrama de Equilíbrio Fe-CLigas Fe-C-Si

Diferentemente◦ dos aços, à medida que o teor de carbonoaumenta, estas ligas tomam-se mais moles, menos resistentes emais usináveis. Entretanto, sua ductilidade, qualquer que seja oteor de carbono, é praticamente nula, devido à presença decarbono livre, em veios de grafita.

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Diagrama de Equilíbrio Fe-CFatores◦ que influenciam na posição das linhas de transformaçãodo diagrama de equilíbrio Fe-C:

Velocidade◦ do aquecimento ou resfriamento;

Presença◦ de elementos de liga.

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