5iagrama ferro carbono

DIAGRAMA

DE FASES

FERRO – CARBONO

DIAGRAMA DE FASES

Fases – porção da matéria que se diferencia de outra

em termos de estrutura ou composição, é fisicamente

homogênea e perfeitamente distinguível.

Diagramas de fases,

representações gráficas

das fases presentes em

um sistema em função

da temperatura, pressão

e composição.

DIAGRAMA DE FASES

SISTEMA FERRO-CARBONO

Sistema de liga binário mais importante, sendo os materiais mais utilizados pelo homem.

O diagrama de equilíbrio Fe-C permite uma melhor compreensão desses materiais e dos tratamentos térmicos a que são submetidos normalmente.

Os diagramas de equilíbrio mostram as estruturas que se formam sob condições de resfriamento LENTO.

Os diagramas de fases não indicam o tempo necessário para que uma transformação ocorra

As taxas de resfriamento encontradas na prática provocam o SURGIMENTO DE ESTRUTURAS ADICIONAIS, não previstas nestes diagramas.

DIAGRAMA FERRO - CARBONO (FexC)

O DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO FERRO-CARBONO

Representa ligas com teor de carbono de até 6,7%p.

FASES SÓLIDAS PRESENTES:

FERRITA: solução de carbono em FERRO- (CCC). Apresenta

solubilidade de 0,008%p de C a temperatura ambiente e de no máximo ,

0,02%p a 727 ºC, é estável até 912 ºC

AUSTENITA: solução de carbono em FERRO-γ (CFC). Consegue

dissolver um teor de C muito mais alto do que a ferrita (até 2,11%p a

1148 ºC). Não-magnético.

CEMENTITA: (Fe3C) composto intermediário, o CARBETO DE FERRO,

é representado por uma linha vertical passando pela composição de

6,7%p C. É muito DURO e FRÁGIL.

FERRO-δ: solução de carbono em ferro com estrutura CCC, existente a

altas temperaturas.

PERLITA: Consiste na mistura mecânica da das fases ferrítica

(88,5%) e cementita (11,5%) em peso, apresenta fases

intermediárias entre a ferrita e cementita.

DIAGRAMA FERRO - CARBONO (FexC)

As ligas ferrosas são, em princípio, divididas em três grupos:

1 FERRO COMERCIALMENTE PURO: %C < 0,008%p.

2 AÇOS, com teores de carbono até 2,11%;

3 FERRO FUNDIDO; com teores de carbono acima de 2,11%

e raramente superiores a 4,3%.

Considerando, entretanto, os elementos de liga que podem estar

presentes e as estruturas que caracterizam alguns tipos desses materiais.

Os aços compreende:

2.1 Aço-carbono: liga de ferro-carbono contendo geralmente de 0,008%

até cerca de 2,11% de carbono, além de certos elementos residuais,

resultantes dos processos de fabricação (Mn, Si, P e S);

22 Aço-liga: aço carbono que contém outros elementos de liga ou

apresentam os elementos residuais em teores acima do que são

considerados normais:

LIGAS FERROSAS

3.1 Ferro fundido cinzento: liga ferro-carbono-silício, com teores de

carbono acima de 2,11% e silício em teores de 1,2 a 3,0%; a quantidade

elevada de silício promovem a formação parcial de carbono livre, na

forma de lamelas ou “veios” de grafita. Nessas condições, o ferro fundido

apresenta fraturas de coloração escuras (dando origem a sua

denominação);

3.2 Ferro fundido branco: liga ferro-carbono-silício, com teores de

carbono menor que o cinzento e que, devido ao silício em menor

quantidade e as condições de fabricação, apresenta carvão quase que

inteiramente combinado resultando uma fraturas de coloração clara

(dando origem a sua denominação);

3.3 Ferro fundido mesclado: liga ferro-carbono-silício, caracterizado

pela composição e condições de fabricação de tal ordem que resulta em

uma fratura de coloração mista entre branca e cinzenta (dando origem a

sua denominação).

LIGAS FERROSAS

3.4 Ferro fundido maleável: liga ferro-carbono-silício caracterizado por

apresentar grafita na forma de “nódulos” (em vez de “veios”), devido a um

tratamento térmico especial (maleabilização) a que se submeteu um ferro

fundido branco;

3.5 Ferro fundido nodular: liga ferro-carbono-silício caracterizado por

apresentar grafita na forma de esferoidal, resultante de um tratamento

realizado no material ainda no estado líquido (“nodulização”).

A melhor compreensão das propriedades desses matérias e dos

tratamentos térmico a que comumente são submetidos, obtém-se com o

estudo do diagrama de equilíbrio ferro-carbono.

O diagrama é chamado de “equilíbrio metaestável” por que, na

realidade, ocorrem modificações ao longo do tempo.

LIGAS FERROSAS

O DIAGRAMA DE FASES FERRO - CARBETO DE FERRO

(Fe-Fe3C) Tem

pera

tura

, ºC

Composição, %p C

1 2 3 4 5 6 6,7 0

1600

1400

1200

1000

800

600

400

L

Fe3C

γ + L

L + Fe3C

+ Fe3C

γ + Fe3C

γ, austenita

+ γ

δ

4,30 2,14

0,76

912 ºC

1394 ºC

1538 ºC

727 ºC

A B

C

D

E

1148 ºC F

G

S P

N

J

K

Solidus

A1

A3

Q

0,022

AÇOS 0,08 ≤ %C ≤ 2,11

FERROS FUNDIDOS %C ≥ 2,11 F

e

O diagrama deveria ser

Fe-Fe3C e quando se diz que ele

é metaestável é porque pode

ocorrer eventualmente

decomposição da Fe3C em ferro

e carbono, este último na forma

de grafita.

O diagrama abrange a

faixa completa das ligas FeC

comerciais: “aços”, entre 0 e

2,1% de carbono e ferro fundido,

com carbono acima de 2,11%.

Diagrama Metaestável

O diagrama abrange uma faixa de teor de carbono relativamente

estreita, de 0 a 6,7% , teor este último correspondente a composição do

carboneto de ferro (Fe3C).

O diagrama mostra um “eutético” – ponto C – a 1148o C que

corresponde a um teor de carbono de 4,3%.


Por outro lado, na faixa

correspondente aos aços, o

ponto S – a 0,77%C e á

temperatura de 727oC – tem

características semelhantes ao

ponto C, eutético na faixa dos

ferros fundidos. Por essa razão,

o ponto S é chamado “eutetóide”.

Em função desses dois pontos, costuma-se agrupar, teoricamente,

os aços e ferros fundidos da seguinte maneira:

Aço eutetóide com teor de carbono correspondente ao ponto eutetóide

0,77%;

Aço hipoeutetóide com teor de carbono entre 0 e 0,77%;


Aço hipereutetóide - com teor de

carbono entre 0,77 e 2,11%;

Ferro fundido eutético com teor de

carbono correspondente ao ponto

eutético 4,30%;

Ferro fundido hipoeutético com teor

de carbono entre 2,11% e 4,30%;

Ferro fundido hipereutético com teor

de carbono acima de 4,30%.

O ponto A correspondente ao ponto de fusão do ferro puro –

1538oC e o ponto D, impreciso, ao ponto de fusão do Fe3C;


Na parte superior esquerda do

diagrama, numa parte estreita, ocorre

uma reação especial chamada

“peritética”, na passagem do estado

líquido para o sólido, em torno de

1495oC, que não apresenta

importância sob o ponto de vista

prático. Nesse trecho, ao solidificar, o

ferro adquire a estrutura cúbica

centrada – chamada de δ(delta),

passando pouco depois para a

estrutura cúbica de face centrada γ

(gama) que caracteriza o ferro a alta

temperatura.

A 912oC, há a passagem da forma cúbica de face centrada para cubo

de corpo centrado até a temperatura ambiente, na forma alotrópica α (alfa);

Na faixa de temperaturas em que o ferro está na forma alotrópica gama, ele

tem capacidade de dissolver o carbono presente;

Entretanto, essa solubilidade do

carbono do ferro gama não é

ilimitada; ela é máxima a 1148oC e

corresponde a um teor de carbono

no ferro gama decrescente; assim

a 727oC, a máxima quantidade de

carbono que pode ser mantido em

solução sólida no ferro gama é

0,77%, esse fato é indicado pelas

linhas JE e Acm, esta última

representando, portanto, a máxima

solubilidade do carbono ou do

Fe3C no ferro gama, nas condições

de equilíbrio;


As linhas JE e ECF corresponde a linha “solidus” do diagrama ;


- O carbono afeta, a temperatura

de transformação alotrópica gama-

alfa: a partir de 0% de carbono,

essa temperatura de saturação

decresce paulatinamente, até que

para 0,77% ela se situa a 727oC.

Abaixo de 727oC, não poderá

existir, sob qualquer hipótese, nas

condições de equilíbrio, ou seja em

resfriamento muito lento, ferro na

forma alotrópica gama; tal fato é

indicado pela linha PSK ou A1;

Entre teores de carbono de 0 a 0,77% ocorre não apenas o

abaixamento da temperatura de transformação alotrópica gama-alfa,

como esta transformação é paulatina, ou seja, se dá em duas etapas:

começa na linha GS ou A3 e termina na linha PS ou A1. Somente a 727oC

ela é instantânea;


A solubilidade do carbono no ferro alfa não é nula; cerca de

0,008% de carbono dissolve-se a temperatura ambiente, e a 727oC, a

solubilidade aumenta para 0,02%; de 727oC para cima, decresce

novamente a solubilidade do carbono até que a 912oC torna-se nula.

Nesse instante, o ferro alfa

passa a gama, que pode

manter em solução sólida o

carbono em teores bem mais

elevados, como se viu; os

fatos acima estão indicados

pelas linhas QP e PG. Pode-

se chamar a liga Fe-C com

carbono até 0,008% no

máximo de ferro

comercialmente puro;


Acima de 2,11% de carbono, na faixa dos ferros fundidos, duas

linhas predominam na fase sólida: a linha ECF “solidus” e a linha SK,

indicados por A1, abaixo do qual não pode existir ferro na forma alotrópica

gama;

A solução sólida do carbono no

ferro gama chama-se

“austenita”; portanto na zona

limitada pelas linhas JE, ES, SG

e GNJ só existe austenita; esta

zona é determinada

“austenítica”; esta austenita

(nome do metalurgico inglês

Roberts Austen) é uma

constituinte estrutural de boa

resistência mecânica e

apreciável tenacidade e não-

magnético;


Na zona limitada pelas linhas SE (Acm), ECF e SK (A1) existe

simultaneamente austenita e carbono, este último na forma de Fe3C,

devido a solubilidade do carbono no ferro gama ser limitada;

O Fe3C é um carboneto

contendo 6,67% de carbono,

muito duro (na escala Mohs

ocuparia aproximadamente o

lugar do feldspato) é frágil,

esse constituinte é

denominado “cementita”.

As linhas que marcam

o início e o fim das

transformações chama-se

linhas e transformações e elas

limitam zonas chamadas zonas

críticas.


O DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO FERRO-CARBONO

Tem

pera

tura

,ºC

Composição, %p C

1 2 3 4 5 6 6,7 0

1600

1400

1200

1000

800

600

400

C D

E F

S

P K

4,30

L

2,14 1148 ºC Solidus

γ + L L + Fe3C

0,7

6

A3

γ, austenita

, ferrita 0,022

727 ºC A1

Fe3C,

cementita + γ

γ + Fe3C

+ Fe3C

AUSTENITA

• CFC

• Não-magnética

CEMENTITA

• Frágil

• Resistente FERRITA

• CCC

• Boa plasticidade

REAÇÃO EUTÉTICA (1148ºC)

L(4,3%p) (2,14%p) +

Fe3C(6,7%p)

%p C(Fe3C) = mC/(mC + mFe)

= 12(12 + 3 x 55,8) = 6,7

REAÇÃO EUTETÓIDE (727ºC)

(0,76%p) (0,022%p) +

Fe3C(6,7%p)

A

B

G

Q

1394 ºC

1538 ºC

912 ºC

Fe- (CCC)

Fe-γ (CFC)

Fe-δ (CCC)

Q

G

B A

→

→

→L

(FUSÂO)

tempo

Tem

pera

tura

, ºC

Transformações do Fe PURO

AÇO EUTETÓIDE

+ γ

γ

γ γ γ

γ + Fe3C

+ Fe3C

727 ºC

Fe3C

Tem

pe

ratu

ra (

ºC)

1,0 2,0 400

500

600

700

800

900

1000

1100

Composição, %p C

AÇO EUTETÓIDE

(0,76%p C)

0,76

REAÇÃO

EUTETÓIDE

6,7

CFe3C = 6,7 C = 0,022

PERLITA

AÇO EUTETÓIDE: PERLITA

PERLITA

Cementita

Ferrita

Desenvolvimento das microestruturas em ligas Fe-C

C C

Fe3C

C C

C

C

C

γ

Direção do

crescimento da

perlita

Fe3C

Mecanismo de formação da PERLITA a partir da AUSTENITA:

AÇO HIPOEUTETÓIDE

+ γ

γ

γ + Fe3C

+ Fe3C

727 ºC

Tem

pera

tura

(ºC

)

1,0 2,0 400

500

600

700

800

900

1000

1100

Composição, %p C

AÇO

HIPOEUTETÓIDE

(<0,76%p C)

6,7

PERLITA = Fe3C +

-eutetóide

γ γ

γ γ

γ γ

γ γ

γ γ

γ γ

γ

pró-eutetóide

REAÇÃO

EUTETÓIDE

C0

AÇO HIPOEUTETÓIDE: PERLITA + FERRITA PRÓ-

EUTETÓIDE

Aço hipoeutetóide com 0,38 %C. Ferrita pró-eutetóide

(grãos claros) e perlita (grão lamelares)

PERLITA

FERRITA PRÓ-

EUTETÓIDE

AÇO HIPEREUTETÓIDE

+ γ

γ

γ + Fe3C

+ Fe3C

727 ºC

Tem

pe

ratu

ra (

ºC)

1,0 2,0 400

500

600

700

800

900

1000

1100

Composição, %p C

AÇO

HIPEREUTETÓIDE

(>0,76%p C)

0,76

6,7

PERLITA = +

Fe3C-eutetóide

γ γ

γ γ

REAÇÃO

EUTETÓIDE

C0

γ γ

γ γ

γ

Fe3C pró-eutetóide

γ γ

γ γ

AÇO HIPEREUTETÓIDE: PERLITA + CEMENTITA PRÓ-

EUTETÓIDE

Aço hipereutetóide com 1,4

%C. Perlita (grão lamelares)

e cementita pró-eutetóide

(rede clara nos contornos da

perlita)

Essa rede de cementita,

dura e frágil, REDUZ A

TENACIDADE material,

favorecendo a propagação

de trincas.

PERLITA

CEMENTITA

PRÓ-EUTETÓIDE

Desenvolvimento das microestruturas em ligas Fe-C

Microconstituintes e fases formadas durante o resfriamento em CONDIÇÕES DE

EQUILÍBRIO

AÇO %p C Microconstituintes Fases

HIPOEUTETÓIDE < 0,76 FERRITA PRÓ-EUTETÓIDE +

PERLITA

FERRITA () e

CEMENTITA (Fe3C)

EUTETÓIDE = 0,76 PERLITA FERRITA () e

CEMENTITA (Fe3C)

HIPEREUTETÓIDE > 0,76 CEMENTITA PRÓ-EUTETÓIDE

+ PERLITA

FERRITA () e

CEMENTITA (Fe3C)

REAÇÕES NA FAIXA DE COMPOSIÇÃO DOS FERROS

FUNDIDOS

Fe3C, cementita

Tem

pera

tura

, ºC

Composição, %p C

1 2 3 4 5 6 6,7 0

1600

1400

1200

1000

800

600

400

L

Fe3C

+ Fe3C

γ + Fe3C

γ + L

L + Fe3C γ, austenita

+ γ

δ

4,30 2,14

0,76

0,022 912 ºC

1394 ºC

1538 ºC

727 ºC

γ + Fe3C

L + Fe3C γ + L

L

1148 ºC 4,3 %p C

1148 ºC

resfriamento

aquecimento L(4,30 %p C) γ(2,11 %p C) + Fe3C( 6,7 %p C)

REAÇÃO EUTÉTICA DOS FERROS FUNDIDOS (a 1148 ºC)

REAÇÕES NA FAIXA DE COMPOSIÇÃO DOS AÇOS

Fe3C, cementita

Tem

pera

tura

, ºC

Composição, %p C

1 2 3 4 5 6 6,7 0

1600

1400

1200

1000

800

600

400

L

Fe3C

+ Fe3C

γ + Fe3C

γ + L

L + Fe3C γ, austenita

+ γ

δ

4,30 2,14

0,76

0,022 912 ºC

1394 ºC

1538 ºC

727 ºC

+ Fe3C

0,76 727 ºC

γ + Fe3C

+ Fe3C

+ γ

γ

0,022

resfriamento

aquecimento γ(0,76 %p C) (0,022 %p C) + Fe3C( 6,7 %p C)

REAÇÃO EUTETÓIDE DOS AÇOS (a 727 ºC)

5iagrama ferro carbono

Engineering

Transcript of 5iagrama ferro carbono