As Estruturas Cristalinas do Ferro

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1 As Estruturas Cristalinas do Ferro 153 O Ferro apresenta diferentes estruturas cristalinas, dependendo da temperatura alotropia De T amb até 912 o C Cúbica de corpo centrado Ferrita ou a-ferro De 912 o C até 1394 o C Cúbica de face centrada Austenita ou -Ferro Temperatura de fusão: 1538 o C

2 O Conceito de Lias Metálicas 154 Solvente Metal Puro 99,99999% Solutos que queremos Solutos que não queremos Impurezas Elementos de lia Solução sólida Seunda fase Não há formação de novas estruturas O soluto está uniformemente distribuído na rede Um novo composto

3 155 Interstícios e Carbono nas Redes do Ferro Átomo de soluto ocupando um interstício na rede da Ferrita Átomo de soluto ocupando um interstício na rede da Austenita R int ccc = 0,019 nm R int cfc = 0,051 nm R carbono = 0,077 nm Assim, o átomo de carbono é maior do que o interstício e fica sob compressão. A presença de carbono distorce a rede, contribuindo para endurecer o material. A concentração máxima de carbono na ferrita é muito baixa (0,022 wt%) Como o interstício central da cfc é cerca de 2,7X maior, a concentração máxima de carbono na austenita é muito maior (2,11 wt%)

4 Diarama Eutetóide Ferro Carbono 156 Diarama semelhante a um eutético, no qual ocorre uma transição tipo eutética no estado sólido. a a T( C) C 1394 C (austenita) 912 C + L C L + Fe 3 C a C a + Fe 3 C Cementita (Fe 3 C) 400 (Fe) Concentração (wt% C)

5 Dia. Fe-C - Características básicas 157 Fases do Ferro puro Tamb C => Fe na forma de Ferrita (a-fe, CCC) 912 C-1394 C => Fe na forma de Austenita (-Fe, CFC) 1394 C-1538 C => Fe na forma de Delta Ferrita ( -Fe,CCC) Solubilidade do C em Fe Na fase a - máximo de 0.022% Na fase - máximo de 2.11% Cementita - Fe 3 C Composto estável que se forma quando a solubilidade máxima de carbono é excedida nas fases a e. Contém 6.7 wt% C {massa(1c)/massa (3Fe + 1C)} É dura e quebradiça. A resistência de aços é aumentada pela sua presença.

6 Dia. Fe-C - Características básicas 158 Reação eutética A 1148 C ocorre a reação L (4.3% C) <=> (2.11% C) + Fe 3 C (6.7% C) Reação eutetóide A 727 C ocorre a reação (0.77% C) <=> a (0.022% C) + Fe 3 C (6.7% C) que é extremamente importante no tratamento térmico de aços. Classificação de lias ferrosas wt% C - Ferro puro wt% C - aços (na prática < 1.2 wt%) wt% C - ferros fundidos (na prática < 4.5 wt%)

7 Evolução microestrutural 159 Composição eutetóide a a C + Fe 3 C Inicialmente, temos apenas a fase. A uma temperatura imediatamente abaixo da eutetóide toda a fase se transforma em perlita (ferrita + Fe 3 C) de acordo com a reação eutetóide. Estas duas fases tem concentrações de carbono muito diferentes. Esta reação é rápida. Não há tempo para haver rande difusão de carbono. As fases se oranizam como lamelas alternadas de ferrita e cementita wt% C Perlita (a + Fe 3 C)

8 Composição Eutetóide 160 Forma-se 100% de Perlita Nome derivado da estrutura da madre pérola observada ao microscópio. Consiste na mistura das fases ferrita e cementita. Formada pelo crescimento cooperativo destas fases. Apresenta propriedades intermediárias entre a ferrita e a cementita dependendo do tamanho e espaçamento das lamelas de cementita. Frações de ferrita e cementita dentro da perlita, à temperatura ambiente. W a 6,7 0,77 6,7 0 0,885 88,5% W Fe C 1 W 0,115 11,5% 3 a

9 Evolução microestrutural (cont.) 161 Composição hipo-eutetóide a a + a + Fe 3 C 727 C a + Fe 3 C a a a pro-eutetóide perlita Inicialmente, temos apenas a fase. Em seuida começa a surir fase a nas fronteiras de rão da fase. A uma temperatura imediatamente acima da eutétoide a fase a já cresceu, ocupando completamente as fronteiras da fase. A concentração da fase a é wt% C. A concentração da fase é 0.77 wt% C, eutetóide. A uma temperatura imediatamente abaixo da eutetóide toda a fase se transforma em perlita (ferrita eutetóide + Fe 3 C). A fase a, que não muda, é denominada ferrita pro-eutetóide. C 0

10 Composição Hipo-eutetóide 162 Considerando uma composição de 0,38 wt% de C, à temperatura ambiente W a 6,7 0,38 6,7 0 0,943 94,3% W Fe C 1 W 0,057 5,7% 3 a A fração de perlita corresponde à fração de austenita na temperatura eutetóide, que se transforma totalmente em perlita. W perlita 0,3 0,022 0,479 47,9% 0,77 0,022 a pró a pró Portanto, a fração de ferrita próeutetóide é 1 W 0,521 Wa pró perlita 52,1% a pró

11 Evolução microestrutural (cont.) 163 Composição hiper-eutetóide a a + + Fe 3 C a + Fe 3 C Fe 3 C pro-eutetóide C C perlita Fe 3 C Inicialmente, temos apenas a fase. Em seuida começa a surir fase Fe 3 C nas fronteiras de rão da fase. A concentração da Fe 3 C é constante iual a 6.7 wt% C. A concentração da austenita cai com a temperatura seuindo a linha que separa o campo +Fe 3 C do campo. A uma temperatura imediatamente acima da eutetóide a concentração da fase é 0.77 wt% C, eutétóide. A uma temperatura imediatamente abaixo da eutetóide toda a fase se transforma em perlita. A fase Fe 3 C, que não muda, é denominada cementita pro-eutetóide.

12 Composição Hiper-eutetóide 164 Considerando uma composição de 1,2 wt% de C, à temperatura ambiente W a 6,7 1,2 6,7 0 0,821 82,1% W Fe C A fração de perlita corresponde à fração de austenita na temperatura eutetóide, que se transforma totalmente em perlita. W perlita 6,7 1,2 6,7 0,77 0,927 92,7% Portanto, a fração de cementita próeutetóide é W 1 W 0,073 Fe 3C pró perlita que ocupa os contornos de rão da perlita. 1 W 0,179 17,9% 3 a Fe 3 C pró 7,3%

13 Exemplos de microestruturas 165 Aço hipo-eutetóide com 0.38 wt% C, composto por ferrita pro-eutetóide (fase clara) e perlita [fase com lamelas claras (ferrita) e escuras (cementita)]. 635x. Aço hiper-eutetóide com 1.20 wt% C, composto por cementita pro-eutetóide (fase clara) e perlita [fase com lamelas escuras (ferrita) e claras (cementita)]. 1000x.

14 Proporções das fases 166 T U V X Concentração de Carbono (wt%) 6.7 C 0 C 1 Hipo-eutetóide C 0 Hiper-eutetóide C 1 Fração de ferrita total Wa total U + V + X T + U + V + X 6,7 C0 6,7 0,022 Fração de ferrita pro-eutetóide W a' U T + U 0.77 C Fração de perlita T W p T + U C Fração de cementita total W Fe C T + U + V 3 total T + U + V + X Fração de cementita pro-eutetóide V W Fe3 C V + X C Fração de perlita X W p V + X 6.7 C C1 0,022 6,7 0,022

15 Glossário 167 Austenita = -Fe = fase Ferrita = a-fe = fase a Cementita = Fe 3 C (6.7 wt% C em Fe) Perlita = Ferrita e Cementita em lamelas alternadas Hipo = menor que - Hiper = maior que Ferrita pro-eutetóide = Ferrita que se forma a T >T eutetóide p/composição hipo-eutetóide (<0.77 wt%c) Cementita pro-eutetóide = Cementita que se forma a T >T eutetóide p/composição hiper-eutetóide.

16 Exemplos de Aplicações de Aços 168

17 Empreo dos Aços 169 Samsun WF andares e 17 horas de incendio

18 Empreo dos Aços (cont.) 170

19 Aços Carbono 171 A resistência aumenta com o teor de Carbono. A ductilidade diminui com o teor de Carbono. Oxidam-se facilmente. Suas propriedades deterioram-se a baixas e altas temperaturas. São os mais usados e de mais baixo custo.

20 Aços Baixo Carbono 172 Concentração de carbono: < 0,3 wt% Estrutura é usualmente ferrítica e perlítica. Baixa fração de perlita 0,28 0,022 Exemplo 0,28% de C 34% 0,77 0,022 São fáceis de conformar e soldar Têm baixa resistência, alta ductilidade e tenacidade. Aplicações: Perlita Chapas automobilísticas, perfis estruturais, placas para produção de tubos, construção civil, latas de folhas de flandres. de

21 Microestruturas 173 0,28 0,022 Exemplo 0,28% de C 34% 0,77 0,022 de Perlita

22 Aços Médio Carbono 174 Concentração de carbono: 0,3-0,6 wt%. Apresentam a melhor combinação de tenacidade e ductilidade e resistência mecânica. Fração intermediária de perlita. 0,55 0,022 Exemplo 0,55% de C 64% 0,77 0,022 de Perlita São aços que têm inúmeras aplicações em construção: Rodas e equipamentos ferroviários, enrenaens, virabrequins e outras peças de máquinas que necessitam de elevadas resistências mecânica e ao desaste, mas de menor tenacidade e ductilidade do que o baixo carbono.

23 Microestruturas 175 0,55 0,022 Exemplo 0,55% de C 64% 0,77 0,022 de Perlita

24 Aços Alto Carbono 176 Concentração de carbono: 0,6-1,2 wt% Apresentam baixa conformabilidade e tenacidade Alta fração de perlita 0,65 0,022 Exemplo 0,65% de C 84% 0,77 0,022 Apresentam elevada resistência ao desaste, mantendo bom fio de corte. Aplicações Perlita Talhadeiras, folhas de serrote, martelos e facas. de

25 Microestrutura 177 0,65 0,022 Exemplo 0,65% de C 84% 0,77 0,022 de Perlita

26 178 Aços Especiais para a Indústria Automobilística

27 Aços para Automóveis 179 O desenvolvimento de aços de alta resistência para a indústria automobilística tem por objetivo atender a três das principais demandas desse setor: Redução de peso, Economia de combustível, Aumento da seurança do usuário. Para isso, utilizam-se aços com outros elementos de lia e que sofrem tratamentos térmicos diferentes do resfriamento lento associado aos diaramas de equilíbrio apresentados até aora.

28 Tratamentos Térmicos e Fases Metaestáveis 180 As fases mostradas nos diaramas só são formadas se o resfriamento for lento. É necessário dispor de tempo para que os átomos de carbono se movam através da rede do ferro. Difusão. Caso o resfriamento seja rápido, fases de não equilíbrio, metaestáveis, se formam. Ex: Martensita fase formada a partir do resfriamento abrupto da austenita. Fase extremamente dura. Ao resfriamento abrupto se dá o nome de têmpera (em inlês quenchin).

29 Tipos de Aços 181 Codio Mild BH IF HSLA ( ARBL) DP CP Mart TRIP Mild Steel ( Aço Carbono) Tipo de Aço Bake Hardenable (Aço Envelhecível) Interstitial Free ( Aço livre de intersticiais) Hih Strenth Low Alloy (Alta Resistencia Baixa Lia) Dual Phase ( Aço Bifásico) Complex Phase ( Aço Complexo) Martensitic (Martensítico) Transformation Induced Plasticity ( Plasticidade induzida por transformação)

30 Alonamento % 182 Propriedades Mecânicas e Microestrutura IF ISOTRÓPICO BAKE HARDENABLE Limite de Resistência (MPa) HSLA DUAL PHASE TRIP MARTENSÍTICO

31 Vantaens dos Aços Avançados 183 Advanced Hih-Strenth Steel (AHSS) Aços Avançados de Alta Resistência 21 a 25% redução no peso do body-in-white (monobloco) 9 % redução no peso total sem passaeiros (curb weiht) 5,1% redução de consumo de combustível 5,7% redução de emissões do ciclo de vida (CO 2 ) pouco ou nenhum aumento no custo de manufatura

32 184 Uso de Aços Avançados em Automóveis Os diferentes tipos de aços têm aplicação nos diversos componentes das estruturas dos automóveis. Proporções em peso dos diversos tipos de aço e localização na estrutura de um automóvel.

33 Aplicação de Aços TRIP 185 Aços TRIP são particularmente uteis para proteção de impacto lateral. A medida que o material se deforma e absorve a eneria de impacto, também se torna mais resistente e endurece prevenindo o colapso total das seções laterais proteendo os passaeiros.