UERJ
CAMPUS REGIONAL DE RESENDE
ENGENHARIA DE PRODUÇ ÃO
Ê NFASE EM PRODUÇ ÃO MECÂNICA
CAPÍTULO 4: DIAGRAMA FE-C
DEPARTAMENTO DE MECÂNICA
MATERIAIS DE CONSTRUÇ ÃO MECÂNICA IV
PROF. ALEXANDRE ALVARENGA PALMEIRA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DO RIO DE JANEIRO
Estrada Resende Riachuelo s/n. - Morada da Colina
Resende — RJ - CEP: 27.523-000
Tel.: (024) 354-0194 ou 354-7851 e Fax: (024) 354-7875
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Segunda-feira, 24 de Novembro de 2003
ENGENHARIA DE PRODUÇ ÃO
MATERIAIS DE CONSTRUÇ ÃO MECÂNICA IV
Alexandre Alvarenga Palmeira, MSc
SUMÁRIO
I-
INTRODUÇÃO ...................................................................................................................1
II- DEFINIÇÕES DE MATERIAIS .....................................................................................2
III- DIAGRAMAS DE EQUILÍBRIO....................................................................................4
III.1 CONCEITOS BÁSICOS .............................................................................................4
III.2 CONDIÇÕ ES DE EQUILÍBRIO................................................................................. 6
III.2.1 Lei ou Regra das Fases de Gibbs............................................................... 6
III.2.2 Energia Livre ...................................................................................................... 6
III.3 CONSTRUÇÃO DOS DIAGRAMAS DE EQUILÍBRIO ....................................... 6
III.4 TIPOS DE DIAGRAMAS DE EQUILÍBRIO ........................................................... 7
III.4.1 Diagrama Unário ............................................................................................... 7
III.4.2 Diagramas Binários ........................................................................................ 8
III.5 SISTEMAS DE EQUILÍBRIO....................................................................................11
III.5.1 Sistemas Isomorfos ........................................................................................11
III.5.2 Sistemas Eutéticos ...................................................................................... 13
III.5.3 Sistemas Eutectoide .................................................................................... 14
III.5.4 Diagrama de Equilíbrio Fe-C ........................................................................16
III.6 Influência da Temperatura ..................................................................................20
III.7 Influência dos Elementos de Ligas ...................................................................20
III.7.1 Influência do Carborno................................................................................... 21
III.7.2 Influência do Silício........................................................................................ 22
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Alexandre Alvarenga Palmeira, MSc
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 4- 1: Diagrama unário esquemático. ................................................................ 8
Figura 4- 2: Diagrama binário esquemático. ...............................................................9
Figura 4- 3: (a) Solução sólida substitucional. (b) Solução sólida interticial.
.........................................................................................................................................10
Figura 4- 4: Inclusões de óxido de cobre (Cu2O) em cobre de alta pureza
(99,26%) laminado a frio e recozido a 800oC.................................................10
Figura 4- 5: (a) Diagrama Isomorfo. (b) Resfriamento de uma liga de
composição Co (35% Ni).......................................................................................... 12
Figura 4- 6: Microestrutura esquemática resultante do resfriamento de
uma liga contendo 35% Ni. ..................................................................................... 13
Figura 4- 7: Diagrama Pb-Sn.......................................................................................... 14
Figura 4- 8: Região eutectoide do diagrama de equilíbrio Fe-C.......................... 15
Figura 4- 9: (a) Sistema eutectóide completo. (b) Sistema eutectóide
dividido em dois diagramas simples, um isomorfo e um eutético.............. 15
Figura 4- 10: Diagrama de equilíbiro Fe-C. .................................................................16
Figura 4- 11: Diagrama de equilíbiro Fe-C....................................................................18
Figura 4- 12: Representação esquemática da solidificação e esfriamento
lento dos aços dos ferros fundidos brancos com seus respectivos
microconstituintes.................................................................................................... 19
Figura 4- 13: Propriedades mecânicas dos aços em função do teor de
carbono. ....................................................................................................................... 22
ii
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I-
INTRODUÇ ÃO
O perfeito conhecimento dos diagramas de equilíbrio das ligas metálicas é de vital
importância, pois proporciona o conhecimentos de várias transformações, a escolha das
ligas, noções sobre as propriedades e, principalmente, o bom êxito dos tratamentos
térmicos.
O diagrama de equilíbrio fornece informações de qualquer liga, tais como início e
fim de solidificação ou fusão, fases em equilíbrio a determinadas temperaturas,
composição química destas fases, variação das quantidades relativas das fases com a
temperatura, constituintes, etc. É, portanto, um resumo dos históricos térmicos de todas as
ligas dos mesmos componentes.
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II-
DEFINIÇ Õ ES DE MATERIAIS
Porém, antes de iniciar-mos, o estudo do diagrama de equilíbrio da liga Fe-C, faz-se
necessário o conhecimento de algumas definições que nos servirão de base para todo
estudo que virá a seguir. Sendo assim, as seguintes definições são de vital importância
para que tenhamos a mesma base de conhecimento técnico.
−
Aço: Aços são ligas a base de ferro deformáveis no estado sólido (F. Oeters, Metallurgy
of Steelmaking, VDEh, 1989). De forma geral, ligas com menos de 2,1% (em peso)
de carbono.
−
Aço-carbono → liga ferro-carbono contendo até 2,11% de carbono, além de certos
elementos residuais, resultantes processos de fabricação (Mn, Si, P e S);
−
Aço-liga → aço-carbono que contém outros elementos de liga ou apresenta os
elementos residuais em teores acima dos que são considerados normais.
Dentre as ligas de ferro-carbono, os ferros fundidos constituem um grupo de
importância fundamental para a industria, não só devido às características inerentes ao
próprio material, como também pelo fato de, mediante a introdução de elementos de liga, a
aplicação de tratamentos térmicos adequados e pelo desenvolvimento do ferro fundido
nodular, que possui propriedades que se compara a de um aço carbono. Segundo
Chiaverini, pelo conhecimento do diagrama de equilíbrio Fe-C, costuma-se definir, como:
−
Ferros Fundidos: é a liga ferro-carbono-silício, de teores de carbono acima de
2,11 %, em quantidade superior à que é retida em solução sólida
na austenita, de modo a resultar carbono parcialmente livre, na
forma de veios ou lamelas de grafita.
Dentro da denominação geral de “ferro fundido”, podem ser distinguidos os
seguintes tipos de liga:
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−
Ferro Fundido Cinzento: liga ferro-carbono-silício, com teor de carbono acima de
2,0% e silício presente em teores de 1,20% a 3,00%; a
quantidade de carbono é de tal ordem que, juntamente o
teor de silício, promove a formação parcial de carbono
livre, na forma de lamelas ou veios de grafita;
−
Ferro Fundido Branco: liga ferro-carbono-silício, com teor de silício menor que o
cinzento e que, devido ao silício em menor quantidade e às
condições de fabricação, apresenta o carbono quase que
inteiramente combinado, resultando numa fratura de
coloração clara;
−
Ferro Fundido Mesclado: liga ferro-carbono-silício, caracterizada por composição e
condições de fabricação de tal ordem que resulta uma
fratura de coloração mista entre branca e cinzenta;
−
Ferro Fundido Maleável: liga ferro-carbono-silício caracterizada por apresentar
grafita na forma de “nódulos” (em vez de “veios”),
devido
a
um
tratamento
térmico
especial
(“maleabilização”) a que se submete um ferro fundido
branco;
−
Ferro Fundido Nodular: liga ferro-carbono-silício caracterizada por a apresentar
grafita na forma esferoidal, resultante de um tratamento
realizado ao material ainda no estado líquido
(“nodulização”).
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III-
DIAGRAMAS DE EQUILÍBRIO
III.1
CONCEITOS BÁSICOS
De forma a compreender-mos perfeitamente os diagramas de equilíbrio, faz-se
necessário que alguns conceitos da química básica, sejam aplicados. Conceitos estes que
passamos a descrever:
−
Solução: é a mistura física e quimicamente homogênea de dois ou mais corpos, sendo
“solvente” o corpo que se encontra em excesso e “soluto” outro.
−
Sistemas: conjunto que se estuda isoladamente.
Sistema Homogêneo → um sistema é homogêneo, quando é constituído por
uma massa onde todos os seus pontos são
quimicamente homogêneos, isto é, tendo as mesmas
propriedades em todos os pontos. Ex.: um bloco de
gelo, uma porção d'água, uma solução de açúcar, etc.;
Sistema Heterogêneo → é o sistema formado por um certo número de sistemas
homogêneos distintos, ou é um único corpo que não
tenha as mesmas propriedades em todos os pontos.
Ex.: uma mistura de água e gelo; uma solução de
cloreto de sódio contendo este sal em excesso, etc..
−
Fase: toda matéria quimicamente homogênea e fisicamente no mesmo estado, e
perfeitamente distinguível. Ex.: gelo + água + vapor = 3 fases; solução de
cloreto de sódio = 1 fase; quando a solução contiver sal em excesso = 2 fases.
−
Componentes: substâncias que definem as fases.
−
Variáveis: condições que se impõem ao sistema.
−
Variância ou Grau de Liberdade: número de variáveis que pode ser alterado sem
variar o número de fases.
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III.2
III.2.1
CONDIÇ Õ ES DE EQUILÍBRIO
Lei ou Regra das Fases de Gibbs
Gibbs deduziu uma relação entre o número de fases (F) que podem coexistir em
equilíbrio em um dado sistema, o número mínimo de componentes (C) que podem ser
usados para formar o sistema, o número de variáveis externar (E) – temperatura e pressão –
e os graus de liberdade (V), ou seja, o número de variáveis – temperatura, pressão e
composição – que podem ser alteradas independentemente e arbitrariamente, sem variar o
número de fases presentes. Esta relação pode apresentada sob a forma da equação:
V =C −F +E
(4. 1)
Onde: V → variância;
C → número de componentes;
F → número de fases;
E → número de variáveis externas.
Tal relação é conhecida como a lei ou a regra das fases de Gibbs.
III.2.2
Energia Livre
Quanto menor for a energia livre de um sistema, maior é a sua estabilidade. Então,
a condição de equilíbrio é a de mínima energia livre. A satisfação dessa condição é que
determina as fases que podem existir a uma dada temperatura e a uma dada composição.
Para uma dada composição podem ocorrer reações causadas por variação de
temperatura de maneira a existirem sempre as fases mais estáveis. A energia de ativação
dessas reações é obtida da diminuição de energia livre do material cedida ao passar ao
estado mais estável.
III.3
CONSTRUÇ ÃO DOS DIAGRAMAS DE EQUILÍBRIO
A construção dos diagramas consiste, simplesmente, em determinar pontos críticos
das varias ligas dos mesmos componentes, localizá-los num único gráfico, e uni-los
adequadamente por linhas. O gráfico resultante sintetiza o comportamento térmico no
resfriamento ou aquecimento lento de qualquer liga e é conhecido como diagrama de
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equilíbrio físico-químico, térmico, constitucional ou de fases. É comumente referido
simplesmente como diagrama de equilíbrio.
São utilizadas as seguintes técnicas na elaboração dos diagramas de equilíbrio:
−
−
−
−
Análise Térmica: analisa o efeito calorífico das transformações, é a mais utilizada;
Dilatometria;
Resistência Elétrica;
Metalografia.
III.4
TIPOS DE DIAGRAMAS DE EQUILÍBRIO
Os diagramas de equilíbrio se classificam em unários (de um componente)
binários e de ordem superior (ternários, quaternários, etc.). Dentre os vários tipos, os
diagramas binários são os mais usados e, freqüentemente, são subdivididos em várias
classes, de acordo com a transformação invariante de fase que contenham.
III.4.1
Diagrama Unário
O estudo dos sistemas de um só componente está subordinado às variáveis
temperatura e pressão, uma vez que a concentração, evidentemente, é invariável.
A forma geral do diagrama unário está esquematizada na Figura 4- 1, a seguir. O
equilíbrio de uma única fase é representado por uma área ou domínio de fase. Nestes
domínios, o sistema é bivariante, ou seja, V = 2. Isto significa que a pressão e a
temperatura podem ser alteradas, independentemente e arbitrariamente, contanto que não
modifiquem o número de fases do sistema.
O equilíbrio entre as duas fases é representado por linhas ou curvas. Isto pode ser
facilmente deduzido da regra das fases. O sistema é aí univariante, ou seja, V = 1. Note-se
ainda que as três fases só podem coexistir em equilíbrio para temperatura e pressão
determinadas, definindo um ponto no diagrama, denominado ponto tríplice. Neste ponto o
sistema é invariante já que V = 0.
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Figura 4- 1: Diagrama unário esquemático.
III.4.2
Diagramas Binários
Um diagrama de fase completo de um sistema binário, representando o efeito da
variação dos três fatores externamente controláveis – pressão, temperatura e composição –
requer o uso de um modelo tridimensional.
Como normalmente as operações metalúrgicas são realizadas a pressão atmosférica,
utiliza-se, por conveniência, um diagrama bidimensional temperatura & composição,
denominado condensado. Esse diagrama é simplesmente uma seção do diagrama
tridimensional, tomando a pressão constante de uma atmosfera. Neste caso, o número de
variáveis fica reduzido a dois, e a lei de Gibbs tem a forma:
V =C −F +1
(4. 2)
Pois, um grau de liberdade foi usado para especificar a pressão. Sob estas
circunstâncias, a coexistência de três fases em um diagrama binário produz uma condição
invariante (V = 0), enquanto a coexistência de duas fases produz uma condição bivariante
(V = 2).(Erro! Indicador não definido.)
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A representação do diagrama binário condensado é feita normalmente tomando-se a
ordenada como temperatura e a abscissa como concentração dos dois componentes A e B,
onde B varia de 0% a 100% e A varia, de 100% a 0% no sentido da esquerda para a
direita. Conforme pode ser observado na Figura 4- 2, a seguir.
Figura 4- 2: Diagrama binário esquemático.
Os materiais formados por dois componentes podem ser constituídos: de uma
solução sólida com um componente completamente miscível no outro; e de uma mistura
dos componentes, com ausência ou parcialidade de solubilidade, mas sem reações
químicas envolvidas; e ainda pela presença de novos compostos. Logo, podemos ter as
configurações de arranjos entre os materiais:
–
soluções sólidas Substitucionais: os átomos de impureza estão localizados em
posições normalmente ocupadas pelos átomos do
cristal matriz. Eles “substituem” os átomos do
cristal matriz, são chamados impurezas
substitucionais, conforme representado na Figura
4- 3(a).
–
soluções sólidas Intersticiais: os átomos de impureza estão localizados nos interstícios
da estrutura cristalina matriz. São chamados impurezas
intersticiais. Estas impurezas normalmente tem um
pequeno tamanho quando comparadas aos átomos da
matriz, conforme representado na Figura 4- 3(b).
–
Precipitados: É o caso dos óxidos e de outras partículas como sulfetos e fosfetos, por
exemplo. Elas são decorrentes de reações de oxi-redução entre o
oxigênio do ar com os metais componentes da mistura, ou advém de
reações entre componentes da matéria-prima utilizada (por exemplo, o
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enxofre que está presente no coque que por sua vez é utilizado na
fabricação do aço) com os componentes da mistura. Conforme
apresentado na Figura 4- 4.
Figura 4- 3: (a) Solução sólida substitucional. (b) Solução sólida interticial.
Figura 4- 4: Inclusões de óxido de cobre (Cu2O) em cobre de alta pureza (99,26%)
laminado a frio e recozido a 800oC.
Estas diferenças de comportamento devem-se a:
i.
diferença de tamanho superior a 15% entre os átomos dos dois componentes;
ii. diferença de estrutura cristalina;
iii. diferença apreciável de eletronegatividade;
iv. diferentes valências.
Logo podemos classificar os diagramas binários como:
i.
aqueles que apresentam solubilidade total em todas as proporções nos estados líquido e
sólido (sistemas isomorfos);
ii. aqueles que apresentam solubilidade total em todas as proporções no estado líquido,
mas cuja solubilidade é nula ou restrita no estado sólido (sistemas eutéticos, eutetóides,
peritéticos e peritetóides);
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iii. aqueles que apresentam solubilidade limitada nos estados líquido e sólido (sistemas
monotéticos e sintéticos).
III.5
SISTEMAS DE EQUILÍBRIO
De forma a compreendermos melhor o diagrama Fe-C, levaremos em conta, de
forma mais aprofundada, apenas os seguintes sistemas: isomorfo, eutético e eutectóide.
III.5.1
Sistemas Isomorfos(Erro! Indicador não definido.)
São sistemas em que os componentes formam soluções sólidas em todas as
proporções, ou seja, formam ligas monofásicas. Ex.: Cu-Ni, Au-Ag, Au-Pt. Cuja reação
característica é da pela equação (4. 3), a seguir:
L→S
(4. 3)
A Figura 4- 5(a), a seguir, apresenta um diagrama isomorfo simples onde os pontos
TCu e TNi representam as temperaturas de fusão dos componentes Cu e Ni
respectivamente. O diagrama é formado por uma região de uma única fase líquida, uma
região de uma única fase sólida, representada por α , e uma região de duas fases (líquido
L + sólido α ). As curvas que separam as regiões de uma fase da região de duas fases são
as linhas líquidus e sólidus. Estas indicam que há uma diferença fundamental de
comportamento na solidificação de um metal puro e de uma solução sólida. Enquanto que
o primeiro se solidifica a uma única e definida temperatura, a liga da solução sólida inicia a
solidificação em uma temperatura entre os pontos de fusão de seus componentes e não o
faz isotermicamente, ou seja, solidifica-se dentro de um intervalo de temperaturas (faixa 23 da Figura 4- 5(b)), para uma composição C0 da liga.
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(a)
(b)
Figura 4- 5: (a) Diagrama Isomorfo. (b) Resfriamento de uma liga de
composição Co (35% Ni).
ANÁLISE TÉ RMICA
Considere-se a solidificação da liga de composição C0 (Figura 4- 5(b)). No ponto 1
ela apresenta-se completamente na fase líquida, com composição química idêntica à da
liga. No ponto 2 inicia-se a solidificação da solução sólida de composição 2b, que é a
composição desta fase para que a mesma esteja em equilíbrio com o líquido na temperatura
correspondente T2. A medida que o resfriamento prossegue, continua a solidificar-se a,
cuja composição média segue a linha sólidus e a composição média do líquido
remanescente segue a linha liquidus.
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Em B tem-se sólido α de composição Cα em equilíbrio com líquido de composição
CL. Continuando o resfriamento até o ponto 3, tem-se que a última porção de líquido
presente terá a composição 3a e a composição global do sólido a coincidirá com a da liga.
Em qualquer temperatura inferior ao ponto 3 (ponto 4, p. ex.), o material estará
completamente solidificado na forma a, de composição C0. A Figura 4- 6, a seguir,
apresenta, de forma esquemática, a microestrutura resultante do resfriamento de uma liga
contendo 65% Cu + 35% Ni.
Figura 4- 6: Microestrutura esquemática resultante do resfriamento de uma
liga contendo 35% Ni.
III.5.2
Sistemas Euté ticos
Ocorrem em sistemas que apresentam solubilidade parcial entre os componentes ao
formarem soluções sólidas. Ex.: Cd-Zn, Sn-Pb, Sn-Bi.. Cuja reação característica é da
pela equação (4. 3), a seguir:
L ↔α + β
(4. 4)
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Figura 4- 7: Diagrama Pb-Sn.
♦ Características das ligas eutéticas
− Possui ponto de fusão definido;
− O ponto de fusão da liga é inferior ao ponto de fusão dos elementos que a constitui;
− Possui composição química definida;
− Possui micro estrutura característica (lamelar).
III.5.3
Sistemas Eutectoide
São caracterizados pela reação eutetóide, isto é, a decomposição isotérmica de uma
fase sólida em duas outras fases sólidas durante o resfriamento e a reação inversa no
aquecimento. Ou seja, esta transformação ocorre toda no estado sólido em sistemas que
apresentam solubilidade total em temperaturas elevadas, mas quando a temperatura
decresce a solubilidade é parcial entre os componentes ao formarem soluções sólidas,
conforme pode ser observado na Figura 4- 8, a seguir
. Ex.: Fe-C, Cu-Zn, Cu-Sn. Cuja reação característica é da pela equação (4. 3), a seguir:
γ ↔α + β
(4. 5)
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Figura 4- 8: Região eutectoide do diagrama de equilíbrio Fe-C.
Um diagrama esquemático para um sistema eutetóide está representado na Figura
4- 9, a seguir. Pode-se interpretá-lo simplesmente como a combinação de dois diagramas
simples, um isomorfo e outro eutético. Todas as considerações feitas sobre sistemas
eutéticos são extensivas aos sistemas eutetóides.
Figura 4- 9: (a) Sistema eutectóide completo. (b) Sistema eutectóide dividido
em dois diagramas simples, um isomorfo e um eutético.
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III.5.4
Diagrama de Equilíbrio Fe-C
Diagrama válido para Fe-C sem elemento de liga, resfriado ou aquecido lentamente.
Equilíbrio metaestável → modificações no tempo → decomposição do Fe3C (Fe + C)
Figura 4- 10: Diagrama de equilíbiro Fe-C.
i)
Formas Alotrópicas do Fe puro
-
Feδ, estrutura Cúbico de Corpo Centrado, paramagnético, 1.400°C ≤ T ≤ 1.539°C;
-
Austenita
-
Feγ,
estrutura
Cúbico
de
Face
Centrada,
não-magnético,
910°C ≤ T≤ 1.400°C;
-
Ferrita - Feα, estrutura CCC: paramagnético (Feβ), 768°C ≤ T ≤ 910°C,
ferromagnético, T ≤ 768°C (Ferro puro).
ii)
-
Reações
Peritética: L0 ,5 + δ 0 ,1 ↔
γ 0 ,18
{
(T = 1.492ºC);
Austenita( 0 ,18% deC )
16
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-
Eutética: L4 ,3 ↔ γ 2 ,0 + Fe3 C( 6 ,67% deC ) (T = 1.130ºC); eutético (ponto C ) 4,30% C.
144424443
Ledeburita( 4 ,3% deC )
-
Eutectóica: γ 0 ,8 ↔ α 0 ,025 + Fe3 C ( 6 ,67% deC ) (T = 723ºC); eutectóide (ponto S) 0,77%C.
144424443
Perlita( 0 ,8% deC )
-
Aço eutectóide → com teor de carbono correspondente ao ponto eutetóide ou seja,
0,77%;
-
Aço hipo-eutectóide → com teor de carbono entre 0 e 0,77%;
-
Aço hiper-eutectóide → com teor de carbono entre 0,77% e 2,11%;
-
Ferro fundido eutético → com teor de carbono correspondente ao ponto eutético ou
seja 4,30%;
-
Ferro fundido hipo-eutético → com teor da carbono entre 2,11% e 4,30%;
-
Ferro fundido hiper-eutético → com teor de carbono acima de 4,30%.
iii)
Pontos Críticos
− Ponto A → ponto de fusão do ferro puro – 1.538°C;
− Ponto D → ponto de fusão do Fe3C – impreciso;
− Ponto C → ponto da reação eutética;
− Ponto S → ponto da reação eutectóide.
iv)
Linhas Críticas
− Linha Solidus;
− Linha Liquidus;
− Linha Acm* → linhas de mudança de fase → solubilidade da Fe3C na austenita;
− Linha A3 → linhas de mudança de fase → solubilidade da ferrita na austenita;
− Linha A1 → linhas de mudança de fase → austenita em ferrita+perlita;
As linhas que marcam o início e o fim das transformações chamam-se linhas de
transformação e elas limitam zonas chamadas Zonas Críticas.
*
As iniciais A são do francês "arrêt"; a terminologia original é francesa, pois foi Le Châtelier um dos
pioneiros estudiosos da matéria.
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Figura 4- 11: Diagrama de equilíbiro Fe-C.
v)
-
Fases
Ferrita - δ: Solução Sólida Intersticial de C no Feδ (estrutura CCC), solubilidade
máxima de C de 0,1% a 1.492ºC;
-
Autenita - γ: Solução Sólida Intersticial de C no Feγ (estrutura CFC);
-
Ferrita - α: Solução Sólida Intersticial de C no Feα (estrutura CCC);
-
Cementita - Fe3C: Composto intermetálico de Fe e C (carboneto de ferro) com 6,67%
de C, com estrutura ortorrômbica.
vi)
Constituinte
Cada uma das fases isoladas ou agregadas que compõem a estrutura de uma liga
metálica.
-
Ferrita;
-
Autenita;
-
Cementita;
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-
Perlita: constituinte de forma lamelar, formado por lâminas muito delgadas e muito
próximas
umas
das
outras,
de
ferro
alfa
e
Fe3C,
dispostas
alternadamente. Suas propriedades são intermediárias entre as do ferro puro
(pouco resistente, mole e muito dúctil) e a cementita (muito resistente, muito
dura e muito frágil).
-
Ledeburita: agregado mecânico de austenita+cementita(T > 723ºC) e a austenita
transforma-se em perlita para T < 723ºC.
Figura 4- 12: Representação esquemática da solidificação e esfriamento lento dos aços
dos ferros fundidos brancos com seus respectivos microconstituintes.
OBS.: Essas estruturas, ledeburita, correspondem aos ferros fundidos brancos, em que não
existe qualquer carbono na forma livre de grafita. Tais ferros fundidos são de
relativamente pouco uso comercial, devido á sua grande dureza e fragilidade e
baixa usinabilidade.
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III.6
Influência da Temperatura
A posição das linhas A3, A2 e Acm (Figura 4-6 e Figura 4-7) corresponde a
resfriamento lento. Para aquecimento lento, as mesmas reações que levam às modificações
estruturais ocorrem em sentido inverso. Entretanto, a posição das linhas é diferente,
ficando as mesmas ligeiramente deslocadas para cima.
Outro fator que apresenta elevada influência sobre as reações que levam às
modificações estruturais é a velocidade de aquecimento e resfriamento. Este fator será
estudado mais profundamente no próximo capítulo.
III.7
Influência dos Elementos de Ligas
As
propriedades
das
ligas
ferro-carbono
são
influenciadas
pelas
suas
estruturas. Estas dependem das reações que ocorrem no diagrama de equilíbrio, onde os
elementos de liga atuam diretamente nas linhas de transformação, na faixa austenítica e na
temperatura e composição do eutetóide, no caso dos aços, e na capacidade grafitizante ou
estabilizadora da cementita.
A presença de elementos de liga provenientes do processo de fabricação (Mn e Si) e
os que são propositadamente adicionados para alterar as propriedades dos aços (Ni, Cr,
Mo, W, Ti etc.) atuam diferentemente nas duas formas alotrópicas que caracterizam o ferro
e, por essa razão, na posição das linhas de transformação, ou seja, na zona crítica e na zona
austenítica. Os efeitos em particular de alguns elementos sobre o campo austenítico são os
seguintes:
− Mn, Ni e Co alargam a faixa de temperaturas para austenita estável;
− Si, Cr, Mo, Ti, entre outros, estreitam a faixa de temperaturas de austenita estável.
− Os elementos de liga influem igualmente sobre a temperatura e a composição do
eutetóide, o que, evidentemente, significa deslocar as linhas de transformação.
− A maioria dos elementos de liga - Ti, W, Mo, Si, Ni, Mn, Cr, uns mais do que os outros
tende a deslocar o eutetóide para a esquerda, ou seja, diminui o seu teor de carbono.
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ENGENHARIA DE PRODUÇ ÃO
MATERIAIS DE CONSTRUÇ ÃO MECÂNICA IV
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− Quanto à temperatura do eutetóide, com exceção do Mn e do Ni, que diminuem essa
temperatura, os outros elementos mais comuns (Cr, W, Si, Mo e Ti) tendem a aumentála.
− Na faixa de composições correspondentes aos ferros fundidos, o efeito mais importante
é o do silício. A tendência grafitizante desse elemento altera totalmente as propriedades
desses materiais.
− Outros elementos podem atuar em sentido contrário, em particular o manganês, que é
um dos mais importantes estabilizadores da cementita, ou seja, dificulta ou impede a
sua decomposição.
Influência do Carborno
III.7.1
Como se pode observar (Figura 4-6), o carbono cria uma faixa de temperaturas
onde as duas formas alotrópicas alfa e gama podem existir. Da mesma maneira, atuam
certos elementos de liga. Além deste fato o aumento do teor de carbono leva a mudanças
nas propriedades dos aços, conforme é mostrado na Figura 4-9, essas mudanças são
provenientes de mudanças na microestrutura dos aços.
O carbono livre nos ferros fundidos desempenha um papel importante, porque os
conceitos de variação de propriedades mecânicas em função do teor de carbono, que se
aplicam nos aços, não podem ser aplicados com o mesmo sentido nos ferros
fundidos. Pois, à medida que o teor de carbono aumenta, os ferros fundidos tomam-se
mais moles, menos resistentes e mais usináveis. Entretanto, sua ductilidade, qualquer que
seja o teor de carbono, é praticamente nula, devido à presença de carbono livre, em veios
de grafita.
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Figura 4- 13: Propriedades mecânicas dos aços em função do teor de carbono.
III.7.2
Influência do Silício
Os ferros fundidos mais usados são os cinzentos, caracterizados pela presença de
silício, geralmente em teores superiores a 2,0%. A presença desse elemento, além de
outros fatores a serem posteriormente considerados, produz uma decomposição do Fe3C,
em Fe e C, este último na forma de grafita. Por essa razão, o silício é freqüentemente
chamado elemento "grafitizante". A forma e a distribuição dos veios de grafita variam, o
que levou associações técnicas, como a ASTM (American Society for Testing Material) e a
AFS (American Foundrymen's Society) a promover a sua classificação em cinco tipos:
a) Irregular desorientada;
b) Em roseta;
c) Desigual irregular;
d) Interdendrítica desorientada;
e) Interdendrítica orientada;
que conferem propriedades diferentes aos vários tipos. de ferros fundidos cinzentos.
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