Disciplina : Metalurgia Física- MFI Professores: Guilherme Ourique Verran - Dr. Eng. Metalúrgica. Aula 05 - Solidificação e Equilíbrio

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1 Disciplina : - MFI Professores: Guilherme Ourique Verran - Dr. Eng. Metalúrgica Aula 05 - Solidificação e Equilíbrio Desenvolvimento das Microestruturas sob condições de Equilíbrio e de Não Equilíbrio Diagrama Fe-C Evolução da estrutura para um Sistema Isomorfo (Cu- Ni) resfriando sob Condições de Equilíbrio Estrutura policristalina e monofásica 1

2 Evolução da estrutura para um Sistema Isomorfo (Cu- Ni) resfriando sob Condições de Não Equilíbrio Ocorrência de gradientes de concentração ao longo dos grãos Zoneamento ( Coring ) Segregação Forma de eliminação Tratamento Térmico (Homogeneização) Representação esquemática do resfriamento sob Condições de Equilíbrio para uma liga Pb-Sn com composição C 1. Estrutura Policristalina e Monofásica a temperatura ambiente % de Soluto não excede ao limite de máxima solubilidade sólida 2

3 Representação esquemática do resfriamento sob Condições de Equilíbrio para uma liga Pb-Sn com composição C 2. Estrutura Policristalina e Polifásica a temperatura ambiente % de Soluto excede ao limite de máxima solubilidade sólida Ao longo do resfriamento as partículas da fase β vão crescer Representação esquemática do resfriamento sob Condições de Equilíbrio para uma liga Pb-Sn com composição Eutética (C 3 ) Na temperatura eutética (183 0 C) a fase líquida se transforma em uma estrutura formada por lamelas de α e β. 3

4 Um microconstituinte Micrografia de uma liga Pb-Sn com composição eutética, formada por lamelas de solução sólida α rica em Pb (escuras) e lamelas de solução sólida β rica em Sn (claras), aumento 375x. Representação esquemática da formação da estrutura eutética para o sistema Sn-Pb. O processo de redistribuição do Sn e do Pb ocorre por difusão no líquido à frente da interface eutético-líquido. 4

5 Representação esquemática do resfriamento sob Condições de Equilíbrio para uma liga Pb-Sn que cruza a isoterma eutética (C 4 ) Na temperatura ambiente a liga é constituída por grãos da fase primária α e grãos do eutético (α + β) Dois microconstituintes Micrografia de uma liga Sn-Pb com composição hipoeutética 50Pb-50Sn, mostrando fase α primária rica em Pb(regiões escuras) em uma estrutura eutética lamelar(lamelas claras de β rica em Sn e lamelas escuras de α rica em Pb), aumento 400x. 5

6 Utilização dos D.E. no entendimento dos diferentes tipos de solidificação de metais e/ou ligas T Solidificação de Metais Puros L T B T A Linha Liquidus Linha Solidus T e α α + L e β + L β Solidificação Monofásica Liga com grande T Solidificação Monofásica Liga com pequeno T α + β A B Solidificação Polifásica Ocorrência de reação eutética C 1 C 2 C e T = T liquidus T sólidus Intervalo de Solidificação Disciplina : - MFI Professor: Guilherme Ourique Verran - Dr. Eng. Metalúrgica Aula 04.b: Estudo do Diagrama Fe-C 6

7 O Sistema Fe-C Base fundamental para estudo e entendimento dos materiais estruturais mais utilizados em Metalurgia: os chamados Metais Ferrosos Pode-se classificar os materiais ferrosos quanto ao teor de C presente em dois grandes grupos de materiais metálicos: Aços : ligas Fe-C com teores de C até 2,11 % ( nos aços ao C comuns o teor de C normalmente vai até 1,0-1,2%. Ferros Fundidos : ligas Fe-C com teores de C acima de 2,11% (na prática entre 2,5 a 4,5 % C). Aços Ferros Fundidos 7

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9 Importância do Diagrama Fe-C como ferramenta didática no estudo da Transformações de Fases Solidificação Sólido-Liquido No Estado Sólido Aços Intervalo de Solidificação Ferros Fundidos Eutéticos Ligas com diferentes modelos de solidificação Diferenças na aptidão ao processo de Fundição Reações Invariantes Peritética Eutetóide Eutética Fe γ Fe α + Fe 3 C Fe L Fe γ + Fe 3 C Transformação Alotrópica ou Polimórfica a C Fe α Fe γ (CCC) (CFC) 9

10 Fe α (CCC) Solução Sólida Intersticial Existe um buraco relativamente grande no centro da célula unitária do Fe (CFC) no qual o C entra formando uma SSI de Fe Fe γ (CFC) Átomos de C entram nos interstícios do reticulado cristalino do Fe No Fe (CCC) os interstícios entre átomos são muito pequenos a solubilidade do C no Fe (CCC) é muito pequena. Relação entre Estrutura Cristalina e Solubilidade Sólida Relações: Transformações de Fases Equilíbrio Difusão Reações ou Transformações no Equilíbrio Envolvem Difusão Necessitam de tempo para sua ocorrência Reações ou Transformações no Equilíbrio Estável Resfriamentos Lentos ou Longos Ciclos de Aquecimento 10

11 Aços Estabilidade de Fases e Equilíbrio Equilíbrio Estável Equilíbrio Estável Equilíbrio Metaestável Equilíbrio Metaestável Decomposição da Austenita Reações Martensítica ou Bainítica Fases (ou microconstituintes) Estáveis Microconstituintes Metaestáveis Ferrita - Perlita Cementita Martensita - Bainita Aços Comuns( ao Carbono) Região do Diagrama Fe-C relativa aos aços mostrando linhas de resfriamento para diferentes composições 11

12 Aços Resfriamento de um Aço de composição Eutetóide (1080) sob condições de equilíbrio. À C ocorre a reação eutetóide (decomposição da austenita) Fe γ Fe α + Fe 3 C Envolve a difusão de carbono Micrografia mostrando estrutura 100% perlítica resultante da decomposição eutetóide de um aço

13 Mecanismo de formação de um estrutura perlítica resultante da decomposição eutetóide de um aço. Resfriamento de um Aço de composição Hipoeutetóide (1020) sob condições de equilíbrio. Abaixo da linha A 3 ocorre formação de Ferrita Pró-Eutetóide À C a Austenita restante sofre reação eutetóide, formando a perlita. Estrutura Resultante: combinação de grãos de ferrita pró-eutetóide e perlita 13

14 Micrografia mostrando estrutura de um aço hipoeutetóide formada por grãos de perlita e ferrita pró-eutetóide. Resfriamento de um Aço de composição Hipereutetóide sob condições de equilíbrio. Abaixo da linha A cm ocorre formação de Cementita Pró- Eutetóide À C a Austenita restante sofre reação eutetóide, formando a perlita. Estrutura Resultante: combinação de grãos de perlita e cementita pró-eutetóide 14

15 Micrografia mostrando estrutura de um aço hipereutetóide formada por grãos de perlita com cementita pró-eutetóide. Esboço do Diagrama Fe-C mostrando as faixas de temperaturas usuais dos diferentes processamentos 15

16 Ferros Fundidos Equilíbrio Estável Equilíbrio Metaestável Fe-C Fe- Fe 3 C Solidificação de acordo com o Equilíbrio Estável Sistema Fe-C Presença de C na forma livre (Grafita) Solidificação de acordo com o Equilíbrio Metaestável Sistema Fe-Fe 3 C Todo o C na forma combinada (Carboneto de Fe) Ferros Fundidos Fe-C Fe-Fe 3 C Ferros Fundidos Cinzentos (com Grafita Livre) Ferros Fundidos Brancos Fe-C e Fe-Fe 3 C Ferros Fundidos Mesclados Ferros Fundidos com Grafita Livre Ferros Fundidos Cizentos Grafita Lamelar Ferros Fundidos Nodulares Grafita Esferoidal Ferros Fundidos Vermiculares Grafita Compacta 16

17 Diagrama Duplo Fe-C para Ferros Fundidos L L + Grafita Temperatura ( 0 C) L + Feγ Temperatura abaixo da qual pode solidificar o eutético Austenita-Grafita Temperatura abaixo da qual pode solidificar o eutético Austenita-Cementita ,0 3,2 3,4 3,6 3,8 4,0 4,2 4,4 Carbono Equivalente (%) L + Fe 3 C 17