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Microestrutura (fases)Microestrutura (fases)Parte 5Parte 5

DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe - C

Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS

DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C

FerrosFamília dos açosFamília dos ferros fundidosSoluções sólidas:

Ferro δAustenita γFerrita α

Composto estequiométrico:

Cementita Fe3C

Reações:peritéticaeutéticaeutetóide

2



fofosaçosFe



Aços Ligas ferro-carbono com teor de carbono até 2,11% em peso

OBSERVAÇÕES

Produtos siderúrgicos comuns: aços e ferros fundidos

Aço comum ao carbono: carbono é o principal elemento de liga. Contém apenas impurezas em concentrações residuais e um pouco de manganês

Aço-liga: mais elementos liga são adicionados intencionalmente em concentrações específicas

As propriedades variam com o teor de carbono. A medida que aumenta:Aumenta a resistência à tração até 1% de Carbono, decrescendo para

teores mais elevadosA dureza aumenta continuamenteDiminui a ductilidade

Ferro Existe na natureza na forma de óxidos, nos minérios de ferroÉ extraído por meio de aquecimento em presença de coque ou carvão de madeira, em fornos adequados nos quais o ferro é reduzido e ligado ao carbono

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Ferro fundido Produtos obtidos por fusão com mais de 2,11% em peso de carbono

OBSERVAÇÕESProdutos siderúrgicos comuns: aços e ferros fundidos

A medida que se aumenta o teor de carbono, menores são as temperaturas necessárias para a fusão do material, até 4,3% de carbono

Como os FoFos fundem cerca de 300°C abaixo dos aços seu custo deprodução é menor

Em geral, os ferros fundidos são

frágeis, que só resistem bem à compressão



Ferro puro Transformações de fases: antes da temperatura de fusão, o ferro muda duas vezes de estrutura cristalina

Fe - CCC

Fe - CCC

Fe - CFC

Fe - líquido

910°C

1400°C

1540°C

Eixo esquerdo do diagrama:

Ferrita ou ferro-α: estável na temp. ambiente

estrutura CCC

Austenita ou ferro-γ: estável entre 910°C e 1400°C

estrutura CFC

Ferro-δ: estável entre 1400°C e 1540°C

estrutura CCC

Transformação polimórfica do ferro

Cementita ouCarbeto de Ferro

Composto intermetálico estequiométrico

Com 6,67% em peso de Carbono – Fe3C

Eixo direito do diagrama:

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DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe CCarbono impureza intersticial

forma solução sólida com o ferro

α

γ

δ

Ferro - δ: solução sólida de C no Fe CCC

Ferro - γ (austenita): solução sólida de C no Fe CFC

Ferro - α (ferrita): solução sólida de C no Fe CCC

Soluções sólidas



Ferro - δ: solução sólida de C no Fe CCC

É virtualmente a mesma ferrita-α, apenas ocorrendo em uma faixa mais elevada de temperatura – não tem importância tecnológica

Ferro - γ (austenita): solução sólida de C no Fe CFC

Máxima solubilidade – em 1147°C – 2,14% em peso de C

Na faixa em que é estável, a austenita é mole e dúctil

Ferro - α (ferrita): solução sólida de C no Fe CCC

Máxima solubilidade – em 727°C – 0,022% em peso de C

Material mole e dúctil

Na pureza em que é encontrada, seu limite de resistência é inferior a 32Kgf/mm2

Características das Soluções sólidas

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DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe CSolubilidade das Soluções sólidas

A solubilidade limitada pode ser explicada pela forma e tamanho das posições intersticiais nas estruturas cristalinas CCC e CFC

Na estrutura cristalina CCC – as posições intersticiais tornam difícil a acomodação dos átomos de carbono

Na estrutura cristalina CFC – as posições intersticiais são maiores

A solubilidade na austenita é cerca de 100 vezes maiores do que a máxima solubilidade na ferrita



Exemplo 8: Calcule o tamanho dos sítios intersticiais do átomo de carbono em δ, α, e γ. Para estes resultados explique a diferença da máxima solubilidade do carbono em cada fase. Os raios atômicos são mostrados na Tabela.

Átomo Estrutura Raio (nm)cristalina

Fe α 0,124Fe γ 0,129Fe δ 0,127C 0,071

Tamanho dos átomos do aço, dependendo da estrutura cristalina

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Exemplo 8: Calcule o tamanho dos sítios intersticiais do átomo de carbono em δ, α, e γ. Para estes resultados explique a diferença da máxima solubilidade do carbono em cada fase. Os raios atômicos são mostrados na Tabela.

Células unitárias do aço CFC e CCC, incluindo os sítios intersticiais do carbono



Exemplo 8: Calcule o tamanho dos sítios intersticiais do átomo de carbono em δ, α, e γ.

(RFe+rintersticial)2=(a0/4)2 + (a0/2)2

= (5/16) a02

= (5/16) (4RFe/3½)

RFe+rintersticial = 5½RFe /3½

rintersticial = 0,291RFe

FeCCC maior sítio intersticial 1/2, 0, 1/4

RFe/rinterstício= ?

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Exemplo 8: Calcule o tamanho dos sítios intersticiais do átomo de carbono em δ, α, e γ.

FeCFC maior sítio intersticial 1/2, 0, 0

RFe/rinterstício= ?

2RFe+2rintersticial=a0

= 4RFe/2½

RFe+rintersticial = 2½RFe

rintersticial = 0,414RFe

Reações:Peritética: δ + L → γtemperatura peritética: 1495°Ccomposição peritética: 0,25%Cponto peritético: 1495°C e 0,25%C

Eutética: L → γ + Fe3Ctemperatura eutética: 1148°Ccomposição eutética: 4,3%Cponto eutético: 1148°C e 4,3%C

Eutetóide: γ → α + Fe3Ctemperatura eutetóide: 727°Ccomposição eutetóide: 0,77 %Cponto eutetóide: 727°C e 0,77%C



8



6,67

Reação eutetóide: γ 0,77%C →α 0,02%C + Fe3C 6,67%Ca 727°C



Grão e estrutura da perlita (a) redistribuição do carbono no aço, (b) micrografia da perlita lamelar.

Reação eutetóide: γ 0,77%C →α 0,02%C + Fe3C 6,67%C

PERLITA

PERLITA: microestrutura bifásica resultantes da transformação da austenita com composição eutetóide. Consiste de camadas alternadas de ferrita e cementitarelativamente finas

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Exemplo 9: Calcule o percentual de cementita e ferrita na perlita, quando de sua formação a 727°C.

0,020,77

6,67

Regra da alavanca

%7,88100*02,067,677,067,6% =

−−

=α

%3,11100*02,067,602,077,0% 3 =

−−

=CFe



Reação eutetóide: γ 0,77%C →α 0,02%C + Fe3C 6,67%C

PERLITA

0% PERLITA a 727°C

γ → α + Fe3C

0% 0%

0% PERLITA a 727°C

γ → α + Fe3C

0% 0%

100% PERLITA a 727°C

γ → α + Fe3C

100% 100%

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DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe CDesenvolvimento das Microestruturas em Ligas ferro-carbono

Aço de composição eutetóide

Formação da perlita



Aço de composição eutetóide

100% perlita

Eutetóide: γ → α + Fe3C

Microestrutura de um aço 100% perlítico

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Aço de composição

hipoeutetóide

Microestrutura de perlita e ferrita pró-euteóide. Aço contendo 0,38% de C.



Aço de composição

hipereutetóide

Microestrutura de perlita e cementita pró-euteóide. Aço contendo 1,4% de C

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Exemplo 10: Para uma liga FeC com 0,01%C determine as fases presentes, proporção e composição de cada fase para as temperaturas de 1000°C, 727°C e 400°C.Desenhe a microestrutura esperada.

B

A

C

B - 727°C

Fases Presentes: α

Composição das Fases:α 0,01% C

Proporção das Fases:

% α = 100% α




B

A

C

C - 400°C


% α = 6,67-0,01 *100 = 99,85%6,67

% Fe3C = 0,01 *100= 0,15%6,67

Fases Presentes: α

Fe3C

Composição das Fases:α 0,0001% CFe3C 6,67% C

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α

αα

α




B

A

C

γγ

γγ

Fe3C

α



Exemplo 11: Para uma liga FeC com 0,25%C determine as fases presentes, proporção e composição de cada fase para as temperaturas de 1000°C, 800°C, 730°C e 720°C.Desenhe a microestrutura esperada.

B

A

CD

Fases Presentes: γ

Composição das Fases:γ 0,25% C

A - 1000°C


% γ = 100% γ

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B

A

CD

B - 800°C


% α = 0,5-0,25 *100 = 51, 5%0,5-0,015

% γ = 0,25-0,015 *100= 48,5%0,5-0,015

Fases Presentes: α

γ

Composição das Fases:α 0,015% Cγ 0,5% C




B

A

CD

C - 730°C


% α = 0,75-0,25 *100 = 68,4%0,75-0,019

% γ = 0,25-0,019 *100= 31,6%0,75-0,019

Fases Presentes: α

γ

Composição das Fases:α 0,019% Cγ 0,75% C

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B

A

CD

D - 720°C


% α = 6,67-0,25 *100 = 96,5%6,67-0,019

% Fe3C = 0,25-0,019 *100= 3,5%6,67-0,019

Fases Presentes: α

Fe3C




Exemplo 12: Para uma liga FeC com 1,25%C determine as fases presentes, proporção e composição de cada fase para as temperaturas de 1000°C, 800°C, 730°C e 720°C. Desenhe a microestrutura esperada.

B

A

CD

Fases Presentes: γ

Composição das Fases:γ 1,25% C

A - 1000°C


% γ = 100% γ

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B

A

CD

B - 800°C


% γ = 6,67-1,25 *100 = 97,3%6,67-1

% Fe3C = 1,25-1 *100= 2,7%6,67-1

Fases Presentes: γ

Fe3C

Composição das Fases:γ 1% CFe3C 6,67% C




B

A

CD

C - 730°C


% γ = 6,67-1,25 *100 = 92,3%6,67-0,80

% Fe3C = 1,25-0,8 *100= 7,7%6,67-0,80

Fases Presentes: γ

Fe3C

Composição das Fases:γ 0,80% CFe3C 6,67% C

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B

A

CD

D - 720°C


% α = 6,67-1,25 *100 = 81,5%6,67-0,019

% Fe3C = 1,25-0,019 *100= 18,5%6,67-0,019

Fases Presentes: α

Fe3C



DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe CResfriamento fora das condições de equilíbrio

Condições de equilíbrio: resfriamento muito lento com tempo suficiente para que as reações previstas no Diagrama de fases ocorram

Na maioria das vezes, as taxas são muito lentas e nem sempre necessárias

Em muitas ocasiões não desejáveis condições fora do equilíbrio. Podem ocorrer:1) mudanças ou transformações de fases em temperaturas não

previstas pelas curvas dos diagramas de fases2) existência, à temperatura ambiente, de fases fora do equilíbrio que

não aparecem no diagrama de fases

Ex.: MARTENSITA ⇒ Fase formada como resultado da transformação de uma baixa difusão no estado sólido, através de um tratamento térmico (têmpera)

⇒ Fase metaestável TCC formada por Fe supersaturado com C.

Célula unitária da martensita – tetragonal de corpo centrado – comparada com uma célula unitária da austenita – cúbica de face centrada

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