5 diagrama ferro carbono

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5 diagrama ferro carbono

  1. 1. DIAGRAMA DE FASES FERRO – CARBONO
  2. 2. 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.
  3. 3. DIAGRAMA DE FASES
  4. 4. 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.
  5. 5. DIAGRAMA FERRO - CARBONO (FexC)
  6. 6. 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.
  7. 7. DIAGRAMA FERRO - CARBONO (FexC)
  8. 8. 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
  9. 9. 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
  10. 10. 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
  11. 11. O DIAGRAMA DE FASES FERRO - CARBETO DE FERRO (Fe-Fe3C) Temperatura,ºC Composição, %p C 1 2 3 4 5 6 6,70 1600 1400 1200 1000 800 600 400 L Fe3C γ + L L + Fe3C  + Fe3C γ + Fe3C γ, austenita  + γ  δ 4,302,14 0,76 912 ºC 1394 ºC 1538 ºC 727 ºC A B C D E 1148 ºC F G SP N J K Solidus A1 A3 Q 0,022 AÇOS 0,08 ≤ %C ≤ 2,11 FERROS FUNDIDOS %C ≥ 2,11 Fe
  12. 12. 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).
  13. 13. O diagrama mostra um “eutético” – ponto C – a 1148o C que corresponde a um teor de carbono de 4,3%. Diagrama Metaestável 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”.
  14. 14. 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%; Diagrama Metaestável 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%.
  15. 15. O ponto A correspondente ao ponto de fusão do ferro puro – 1538oC e o ponto D, impreciso, ao ponto de fusão do Fe3C; Diagrama Metaestável 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.
  16. 16. 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; Diagrama Metaestável
  17. 17. As linhas JE e ECF corresponde a linha “solidus” do diagrama ; Diagrama Metaestável - 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;
  18. 18. 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; Diagrama Metaestável
  19. 19. 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; Diagrama Metaestável
  20. 20. 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; Diagrama Metaestável
  21. 21. 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. Diagrama Metaestável
  22. 22. O DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO FERRO-CARBONO Temperatura,ºC Composição, %p C 1 2 3 4 5 6 6,70 1600 1400 1200 1000 800 600 400 C D E F S P K 4,30 L 2,14 1148 ºCSolidus γ + L L + Fe3C 0,7 6 A3 γ, austenita , ferrita 0,022 727 ºCA1 Fe3C, cementita  + γ γ + Fe3C  + Fe3C AUSTENITA • CFC • Não-magnética CEMENTITA • Frágil • ResistenteFERRITA • 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 Temperatura,ºC Transformações do Fe PURO
  23. 23. AÇO EUTETÓIDE  + γ γ γ γγ γ + Fe3C  + Fe3C  727 ºC Fe3C  Temperatura(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 = 6,7C = 0,022 PERLITA
  24. 24. AÇO EUTETÓIDE: PERLITA PERLITA Cementita Ferrita
  25. 25. Desenvolvimento das microestruturas em ligas Fe-C CC Fe3C    C C C C C γ Direção do crescimento da perlita Fe3C  Mecanismo de formação da PERLITA a partir da AUSTENITA:
  26. 26. AÇO HIPOEUTETÓIDE  + γ γ γ + Fe3C  + Fe3C  727 ºC Temperatura(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 γγ γ γ γγ γ γ γ γ γ γ γ  pró-eutetóide REAÇÃO EUTETÓIDE C0
  27. 27. 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
  28. 28. AÇO HIPEREUTETÓIDE  + γ γ γ + Fe3C  + Fe3C  727 ºC Temperatura(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 γγ γ γ REAÇÃO EUTETÓIDE C0 γ γ γ γ γ Fe3C pró-eutetóide γγ γ γ
  29. 29. 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
  30. 30. 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)
  31. 31. FIM
  32. 32. REAÇÕES NA FAIXA DE COMPOSIÇÃO DOS FERROS FUNDIDOS Fe3C, cementita Temperatura,ºC Composição, %p C 1 2 3 4 5 6 6,70 1600 1400 1200 1000 800 600 400 L Fe3C  + Fe3C γ + Fe3C γ + L L + Fe3C γ, austenita  + γ  δ 4,302,14 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)
  33. 33. REAÇÕES NA FAIXA DE COMPOSIÇÃO DOS AÇOS Fe3C, cementita Temperatura,ºC Composição, %p C 1 2 3 4 5 6 6,70 1600 1400 1200 1000 800 600 400 L Fe3C  + Fe3C γ + Fe3C γ + L L + Fe3C γ, austenita  + γ  δ 4,302,14 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)

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