Processos Metalúrgicos PROF.: KAIO DUTRA

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1 Processos Metalúrgicos AULA 6 LIGAS FERROAS E DIAGRAMA DE FASES PROF.: KAIO DUTRA

2 Ligas Ferrosas As ligas ferrosas são, em princípio, divididas em dois grupos: Aços, com teores de carbono até 2,11%; Ferros fundidos, com teores de carbono acima de 2,11%.

3 Ligas Ferrosas Considerando, entretanto, os elementos de liga que podem estar presentes e as estruturas que caracterizam alguns tipos desses materiais, os grupos acima considerados, com as respectivas definições, compreendem as seguintes ligas: Para os aços: Aço-carbono: liga 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, Pe S); Aço-liga: aço-carbono que contém outros elementos de liga ou apresenta os elementos residuais em teores acima dos que são considerados normais.

4 Ligas Ferrosas Para os ferros fundidos: Ferro fundido cinzento: liga ferro-carbonosilício, com teor de carbono acima de 2,11% e silício presente em teores de 1,20% a 3,00%; a quantidade de carbono é de tal ordem que, conjuntamente com o relativamente elevado teor de silício, promove a formação parcial de carbono livre, na forma de lamelas ou "veios" de grafita. Nessas condições, o ferro fundido cinzento apresenta fratura com coloração escura;

5 Ligas Ferrosas Para os ferros fundidos: Ferro fundido branco: liga ferro-carbonosilício, 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

6 Ligas Ferrosas Para os ferros fundidos: Ferro fundido maleável: liga ferro-carbonosilício 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;

7 Ligas Ferrosas Para os ferros fundidos: ferro fundido nodular: liga ferro-carbonosilício caracterizada por apresentar grafita na forma esferoidal, resultante de um tratamento realizado no material ainda no estado líquido ("nodulização').

8 Diagrama de Fases Muitas das informações sobre o controle da estrutura das fases de um sistema específico são mostradas de maneira conveniente e concisa no que é chamado de Diagrama de Fases. O Diagrama de Fases é na realidade um mapa que mostra as fases em equilíbrio para determinadas condições termodinâmicas e composições químicas.

9 Diagrama de Fases A figura ao lado apresenta um diagrama de fases binários. Para este caso, é possível observar a existência de duas fases sólida (α) e líquida. O equilíbrio entre estas fases estão separados por linhas denominadas: linha líquidos e linha sólidos.

10 Temperatura ( C) Temperatura ( C) 19:13 Diagrama de Fases Curvas de Resfriamento Ni puro 20% 50% 80% Cu Ni Ni Ni puro Tempo Diagrama Isomorfo Líquido (L) 1455 C Liquidus L+ Solidus C Composição (%p Ni) %

11 Diagrama de Fases Para que haja transformação da fase líquida para a fase sólida a estrutura passa por um processos de mudança de fase, conforme mostrado na figura. A fase sólida é inicialmente formada com 49% de Ni, composição esta que vai decaído conforme o processos de solidificação vai ocorrendo. O mesmo ocorre para a fase líquida, que inicia com 35% de Ni e finaliza com 23% de Ni. Conforme o processo de mudança de fase ocorre, a fase sólida vai formando-se e a fase líquida vai sendo reduzida, esta proporção entre vases pode ser calculada pelas proporções entres as linhas em um determinada temperatura.

12 TEMPERATURA (⁰C) 19:13 Diagrama de Fases (46%p Ni) L (35%p Ni) L c d L 35%p Ni b a e ~32% +L 20 ~ ~43 ~4650 (35%p Ni) COMPOSIÇÃO (%p Ni) (43%p Ni) L (32%p Ni) L (24%p Ni) (35%p Ni)

13 Diagrama de Fases Regra da Alavanca T ( C) L C 0 - C L C - C L %α C C α C C 0 L L 100 T 0 L + C %L C α α C C 0 L C L C 0 C %B

14 Temperatura, C Diagrama de Equilíbrio Fe-C Diagrama fases também pode ser chamado de "equilíbrio estável" porque, na realidade, ocorrem modificações com o tempo que afastam as reações do equilíbrio estável. Como se vê pela figura, o diagrama abrange uma faixa de teores de carbono relativamente estreita, de 0 a 6,7%, teor este último que corresponde à composição química do carboneto de ferro Fe 3 C A B 912 G A 3 S + P 0,76 Q A cm E + L C L + Fe 3 C 2,14 Solidus 4, C + Fe 3 C A 1 + Fe 3 C ,7* Composição, %p C L 727 C D F K

15 Diagrama de Equilíbrio Fe-C O diagrama estudado poderia ser considerado como um diagrama Fe- Fe 3 C e quando se diz que o mesmo é de equilíbrio metaestável é porque pode ocorrer eventualmente decomposição do Fe 3 C em ferro e carbono, este último na forma de grafita.

16 Diagrama de Equilíbrio Fe-C O diagrama mostra um "eutético" (ponto C) a C e correspondente a um teor de carbono de 4,30%. Por outro lado, na faixa correspondente aos aços, o ponto S a 0,77%C e à temperatura de 727 C tem características semelhantes ao ponto C, eutético na faixa dos ferros fundidos. Por essa razão, ponto S é chamado "eutetóide".

17 Diagrama de Equilíbrio Fe-C 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 ou seja, 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%;

18 Diagrama de Equilíbrio Fe-C Em função desses dois pontos, costuma se agrupar, teoricamente, os aços e ferros fundidos da seguinte maneira: Ferro fundido eutético: com teor de carbono correspondente ao ponto eutético ou seja 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%.

19 Temperatura, C Diagrama de Equilíbrio Fe-C Alotropia do Ferro Analisando o diagrama para o ferro puro, nesse trecho, ao solidificar, o ferro adquire estrutura cubica de corpo centrado, chamada, nesse caso, de δ (delta), passando, entretanto, quase a seguir, à estrutura cubica de face centrada ϒ (gama) que caracteriza o ferro a alta temperatura. A 912 C, há a passagem da forma cúbica de face centrada para cubo de corpo centrado até a temperatura ambiente, na forma alotrópica α (alfa); Fe- δ (CCC) Fe- (CFC) Fe- (CCC) A Transformações do Fe PURO B C L (FUSÃO) D tempo

20 Diagrama de Equilíbrio Fe-C 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, essa zona é denominada austenítica. Esta austenita (nome derivado do metalurgista inglês Roberts Austen) é um constituinte estrutural de boa resistência mecânica e apreciável tenacidade e não magnético. O Fe 3 C é um carboneto contendo 6,67% de carbono, muito duro e frágil, esse constituinte é denominado cementita (do latim "caementum ).

21 TEMPERATURA, C Diagrama de Equilíbrio Fe-C Reações dos Aços Hipoeuteóides No caso de um aço hipoeutetóide entre 0,008% e 0,77% de carbono, o ferro gama da austenita começa a transformarse em ferro alfa que se separa, visto que ele não pode manter em solução solida senão quantidades irrisórias de carbono. Assim a composição estrutural da liga vai se modificando à medida que cai a temperatura. De um lado, tem-se ferro puro alfa separando-se continuamente e do outro lado a austenita, cujo teor de carbono vai aumentando, em direção ao ponto S. REAÇÃO EUTETÓIDE Fe 3 C + Fe 3 C 727 C C =0,022 C Fe3C = 6,7 C 0 1,0 2,0 0,76 COMPOSIÇÃO, %p C 6,7 pró Perlita

22 Diagrama de Equilíbrio Fe-C Reações dos Aços Hipoeuteóides No instante que a liga atinge a temperatura correspondente a 727 C têm-se, em equilíbrio, dois constituintes estruturais: ferro puro na forma alotrópica alfa e uma solução sólida de 0,77% de carbono no ferro gama (ou seja, austenita com 0,77% de C).

23 Diagrama de Equilíbrio Fe-C Reações dos Aços Hipoeuteóides Nesse momento, todo o ferro gama remanescente transforma-se bruscamente em ferro alfa. A transformação é, contudo, tão repentina que não há tempo suficiente para que ocorra uma separação nítida entre o carbono (na forma de Fe 3 C ou cementita) e o ferro, na forma alotrópica alfa. Este processo resulta um constituinte de forma lamelar, denominado Perlita, formado por lâminas muito delgadas e muito próximas umas das outras, de ferro alfa e Fe3C, dispostas alternadamente. Desta forma, os aços hipoeutetóides, com teor de carbono entre 0,008% e 0,77%, apresentam, à temperatura ambiente, uma estrutura composta de ferrita e perlita,

24 TEMPERATURA ( C) Diagrama de Equilíbrio Fe-C Reações dos Aços Eutetóides Ao resfriar-se lentamente um aço com a composição exatamente eutotóide (0,77%C), a única transformação que ocorre é no ponto S, quando a austenita passa bruscamente a perlita. REAÇÃO EUTETÓIDE Fe 3 C + C 727 C =0,022 + Fe 3 C 1,0 2,0 0,76 COMPOSIÇÃO, %p C 6,7 C Fe3C =6,7 PERLITA Fe 3 C

25 TEMPERATURA, C Diagrama de Equilíbrio Fe-C Reações dos Aços Hipereutetóides Para os aços hipereutetóides, entre 0,77 e 2,11% de carbono as reações que ocorrem podem ser assim explicadas: a austenita, ao atravessar a linha SE ou Acm, de máxima solubilidade do carbono no ferro gama, começa a expulsar o excesso de carbono que não pode ser mantido em solução. Em conseqüência, numa temperatura intermediária entre Acm e A1, haverá em equilíbrio duas fases: uma, representada pela austenita que vai se empobrecendo em carbono e outra, pelo carbono paulatinamente expulso, na forma de Fe 3 C ou cementita. REAÇÃO EUTETÓIDE Fe 3 C C 0 + Fe 3 C 727 C 1,0 2,0 0,76 6,7 Fe 3 C pró COMPOSIÇÃO, %p C Perlita

26 Diagrama de Equilíbrio Fe-C Reações dos Aços Hipereutetóides À temperatura de 727 C (linha A1), as fases que estão em equilíbrio serão, portanto: de um lado o Fe 3 C e do outro a austenita com 0,77% de carbono, a qual se transforma imediatamente em perlita ao atingir e ultrapassar a linha A1. A estrutura correspondente, que permanece até a temperatura ambiente, como nos casos anteriores, é perlita mais cementita; esta última vai localizar-se nos contornos dos grãos. esque- maticamente indica. Assim, em resumo, para os aços, têm-se as seguintes estruturas, à temperatura ambiente (ou abaixo da linha Au).

27 Diagrama de Equilíbrio Fe-C Reações dos Aços Assim, em resumo, para os aços, têm-se as seguintes estruturas, à temperatura ambiente (ou abaixo da linha A1): Ferro comercialmente puro "ferrita", mole, dúctil, e pouco resistente; Aços hipoeutetóides: ferrita mais perlita, cuja resistência e dureza vão aumentando e cuja ductilidade vai diminuindo, à medida que se caminha em direção ao teor 0,77% de carbono; Aços hipereutetóides: perlita mais cementita, a quantidade desta nos contornos dos grãos, aumenta à medida que se caminha para teores mais elevados de carbono; essa estrutura é dura, resistente e pouco dúctil, características que se acentuam à medida que aumenta o teor de carbono.

28 DUREZA BRINELL LIMITE DE RESISTÊNCIA À TRAÇÃO (kgf/mm 2 ) ALONGAMENTO (%) Diagrama de Equilíbrio Fe-C Reações dos Aços Em função dessas propriedades das estruturas, os aços têm suas propriedades modificadas, à medida que o teor de carbono aumenta, conforme mostra o gráfico Limite de resistência à tração Alongamento Dureza Brinell ,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 %p C

29 Diagrama de Equilíbrio Fe-C Reações dos Ferros Fundidos No ponto C, estão em equilíbrio duas fases: de um lado, à esquerda, a austenita com 2,11% de carbono, o máximo que pode ser mantido em solução sólida, do outro lado, à direita, o Fe 3 C que corresponde à extremidade do diagrama. Esse eutético, austenita mais cementita, é chamado ledeburita. Sua constituição estrutural corresponde a um fundo de cementita, com 6,67% de carbono e cristais dendríticos de austenita.

30 Diagrama de Equilíbrio Fe-C Reações dos Ferros Fundidos Verifica-se que, ultrapassada a linha solidus ECF, ocorre uma diminuição gradativa do teor de carbono da austenita, cuja composição acompanha a inclinação da linha Acm, até que, ao atingir-se a temperatura 727 C (ponto S), correspondente a 0,77% de carbono, na linha A1, essa austenita se transforma repentinamente em perlita.

31 Diagrama de Equilíbrio Fe-C Reações dos Ferros Fundidos Assim, ao ultrapassar a linha A1, a ledeburita será constituída de glóbulos de perlita sobre um fundo de cementita.

32 Diagrama de Equilíbrio Fe-C Reações dos Ferros Fundidos No caso de um ferro fundido hipoeutético (entre 2,11% e 4,30% de carbono), na faixa de temperaturas entre as linhas "solidus" e A1, estão em equilíbrio as fases seguintes: de um lado, a austenita que se empobrece paulatinamente de carbono até, ao atingir a linha A1, transformar-se em perlita; do outro lado, a ledeburita, constituída agora de globulos de perlita sobre um fundo de cementita.

33 Diagrama de Equilíbrio Fe-C Reações dos Ferros Fundidos No caso de um ferro fundido hipereutético (entre 4,30% e 6,67% de carbono), entre as linhas "solidus" e a linha A1, nada ocorre com a cementita separada durante o resfriamento na fase líquida. Mas a ledeburita sofre transformações, porque a sua austenita tem o teor de carbono decrescendo paulatinamente, à medida que, no resfriamento, se aproxima da linha A1 onde ela, a austenita, se transforma em perlita. Assim, abaixo de A1, até a temperatura ambiente a estrutura dos ferros fundidos hipereutéticos é constituída de cristais alongados de cementita e um fundo de ledeburita (glóbulos de perlita mais cementita).

34 Diagrama de Equilíbrio Fe-C Ligas Fe-C-Si Os ferros fundidos mais usados são os cinzentos, caracterizados pela presença de silício, geralmente em teores superiores a 2,0%. A presença desse elemento produz uma decomposição do Fe 3 C, em Fe e C, este último na forma de grafita. Por essa razão, o silício é freqüentemente chamado de elemento "grafitizante.

35 Diagrama de Equilíbrio Fe-C Ligas Fe-C-Si Diferentemente dos aços, à medida que o teor de carbono aumenta, estas ligas 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.

36 Diagrama de Equilíbrio Fe-C Fatores que influenciam na posição das linhas de transformação do diagrama de equilíbrio Fe-C: Velocidade do aquecimento ou resfriamento; Presença de elementos de liga.