1 DIAGRAMA Fe-C DIAGRAMA Fe-Fe 3 C ALOTROPIA DO FERRO PURO Na temperatura ambiente, o ferro puro apresenta estrutura cristalina cúbica de corpo centrado (CCC), denominada ferrita alfa (α). A estrutura CCC do ferro (ferrita α) é estável até 912 C. Nesta temperatura a estrutura CCC sofre uma transformação alotrópica para a estrutura cúbica de faces centradas (CFC), denominada ferro gama (γ) ou austenita. A austenita (CFC) é estável entre 912 e 1394 C. Na temperatura de 1394 C ocorre uma nova transformação alotrópica na qual a estrutura CFC da austenita transforma-se novamente em CCC, denominada de ferrita delta (δ). A ferrita delta (δ) CCC é estável até a temperatura de 1538 C, que é a temperatura de fusão do Fe puro. Acima de 1538 C a estrutura cristalina CCC da ferrita δ torna-se amorfa, sem ordenação cristalina, caracterizando o estado líquido. O ferro líquido (L) é estável até a temperatura de 2880 C, temperatura na qual este passa para fase vapor. DIAGRAMAS Fe-C e Fe-Fe 3 C Existem dois tipos de diagramas Fe-C, o diagrama Fe-C estável, que mostra o equilíbrio entre o Fe e a grafita, e o diagrama Fe-Fe 3 C, metaestável, que apresenta o equilíbrio entre o ferro e a cementita (Fe 3 C). Em virtude das velocidades de resfriamento vigentes no processamento dos aços serem elevadas em relação as condições de equilíbrio, o diagrama empregado com ferramenta para o estudo de aços ao carbono e ferros fundidos brancos é o diagrama Fe - Fe 3 C. A figura 1 apresenta os diagramas Fe-C estável (equilíbrio Ferro - Grafita) e o diagrama metaestável Fe-Fe 3 C (equilíbrio Ferro - Cementita) sobrepostos.
2 Figura 1- Sobreposição dos diagramas diagrama Fe-C e Fe-Fe 3 C
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4 Considerações sobre o diagrama Fe-Fe 3 C Os aços para construção mecânica não são ligas binárias Fe-C. Estes aços apresentam quantidades residuais de P, S, Mn e Si, decorrentes do processo de elaboração. Entretanto o diagrama Fe-Fe 3 C é extensivamente empregado em estudos envolvendo aços ao carbono e aços baixa-liga. O teor de 2,11% de C é considerado como sendo a separação teórica entre aços e ferros fundidos, ou seja, para teores até 2,11% temos os aços, acima deste, os ferros fundidos. As reações relevantes no diagrama Fe-Fe 3 C são, no resfriamento,: Reação peritética - (0,17%C / 1495ºC) L (líquido) + δ (ferrita delta) γ (austenita), Reação eutética- (4,3% de C / 1148 C): L (líquido) γ (austenita) + Fe 3 C (cementita) Reação eutetóide - (0,77% de C / 727 C): γ (austenita) α (ferrita) + Fe 3 C (cementita) O produto da reação eutetóide é uma mistura mecânica de duas fases (ferrita e cementita) denominada perlita. Aços eutetóides apresentam 0,77% de C. Aços hipoeutetóides % de C inferior a 0,77% Aços hipereutetóides % de C superior a 0,77% O campo bifásico (α + γ) é denominado ZONA CRÍTICA.
RESFRIAMENTO LENTO DOS AÇOS HIPOEUTETÓIDES Diagrama Fe-C 5 Para a temperatura ambiente e C 0 = 0,30% de C, temos:,3 % α (ferrita) =. 100 = 95,5% de α (ferrita) 0,3 0 % Fe 3 C (cementita) =. 100 = 4,5% de Fe 3 C (cementita) A quantidade de grãos de perlita será: (é a quantidade de grãos de austenita que4 sofreu a transformação eutetóide) 0,3 0,022 % perlita =. 100 = 37,2% de perlita (e 62,8% de grãos de ferrita) 0,77 0,022
RESFRIAMENTO LENTO DE UM AÇO EUTETÓIDE Diagrama Fe-C 6 Para a temperatura ambiente, (0,77% de C) temos:,77 % α (ferrita) =. 100 = 88,5% de α (ferrita) 0,77 0 % Fe 3 C (cementita) =. 100 = 11,5% de Fe 3 C (cementita) A quantidade de grãos com o constituinte perlita será de 100%. (que é a quantidade de grãos de austenita que sofreu a reação eutetóide)
RESFRIAMENTO LENTO DOS AÇOS HIPEREUTETÓIDES Diagrama Fe-C 7 Para a temperatura ambiente e C 1 = 1,2% de C, temos: 6,7 1,2 % α (ferrita) =. 100 = 82,1% de α (ferrita) 1,2 0 % Fe 3 C (cementita) =. 100 = 17,9% de Fe 3 C (cementita) A quantidade de grãos com o constituinte perlita será: 6,7 1,2 % perlita =. 100 = 92,7% de perlita (e 7,3% de cementita em contorno de,77 grão)
8 PROPRIEDADES DAS FASES E CONSTITUINTES PRESENTES EM AÇOS AO CARBONO AUSTENITA (do nome do metalurgista inglês Robert Austen) - Consiste em uma solução sólida intersticial de C (com até 2,11%) no ferro CFC. Em aços ao carbono e aços baixa liga só é estável acima de 727 C. Apresenta resistência mecânica em torno de 150 MPa e elevada ductilidade e tenacidade. A austenita não é magnética. FERRITA (do latim "ferrum")- Consiste em uma solução sólida intersticial de C (com até 0,022%) no ferro CCC. A ferrita é magnética e apresenta baixa resistência mecânica, cerca de 300 MPa, excelente tenacidade e elevada ductilidade. CEMENTITA (do latim "caementum")- Denominação do carboneto de ferro Fe 3 C contendo 6,7% de C e estrutura cristalina ortorrômbica. Apresenta elevada dureza, baixa resistência, baixa ductilidade e baixa tenacidade. PERLITA (nome derivado da estrutura da madre pérola observada ao microscópio)- Consiste na mistura mecânica das fases ferrita (88,5% em peso) e cementita (11,5% em peso) formada pelo crescimento cooperativo destas fases. Apresenta propriedades intermediárias entre a ferrita e a cementita dependendo do tamanho e espaçamento das lamelas de cementita. Propriedades mecânicas de alguns constituintes dos aços ao carbono Constituinte Limite de Alongamento Dureza Brinell resistência [%] [HB] [kgf/mm 2 ] FERRITA 35 40 90 PERLITA 75 10 250-300 CEMENTITA 3 0 650 Propriedades mecânicas de aços ao carbono resfriados lentamente (normalizados) em função do teor de carbono (Metals Handbook, v. 4 ASM1981) Aço Limite de Limite de Alongamento Redução Dureza Resistência SAE resistência [MPa] escoamento [MPa] em 50 mm [%] de área [%] Brinell [kgf/mm 2 ] ao impacto [J] 1015 425 325 37 70 121 116 1020 440 345 36 68 131 118 1022 485 360 34 68 143 117 1030 520 345 32 61 149 94 1040 590 375 28 55 170 65 1050 750 425 20 39 217 27 1060 775 420 18 37 229 13 1080 1010 525 11 21 293 7 1095 1015 500 9,5 14 293 5
Lista de exercícios - Diagrama Fe-Fe 3 C Diagrama Fe-C 9 1- O carbono forma solução sólida intersticial tanto na estrutura CCC da ferrita (α) quanto na estrutura CFC da austenita (γ). Explicar porque a solubilidade de C na austenita (2,11% C) é muito maior que na ferrita (0,022% C) se o fator de empacotamento atômico da austenita (CFC) é maior que da ferrita (CCC). 2- Calcular as quantidades (% em peso) das fases ferrita e cementita presentes na temperatura ambiente para os aços SAE 1020 (0,20%C), SAE 1080 (0,77 %C) e SAE 1095 (0,95 %C). 3- Para os aços da questão anterior, calcular a quantidade (% em peso) do constituinte perlita presente na temperatura ambiente. 4- Qual a diferença entre fase e constituinte? 5- Em um aço hipoeutetóide contendo 0,40% de C calcular: A- A quantidade de ferrita pró-eutetóide formada. B- A quantidade do constituinte perlita. C- A quantidade total de ferrita. D- A quantidade de ferrita contida na perlita (ferrita do eutetóide). E- Explique a diferença entre a ferrita pró-eutetóide e a ferrita eutetóide da perlita. Existem diferenças de composição ou estrutura cristalina? 6- Em um aço hipereutetóide contendo 1,5% de C calcular: A- A quantidade de cementita pró-eutetóide formada. B- A quantidade do constituinte perlita. C- A quantidade de ferrita contida na perlita. D- A quantidade total de cementita. E- A quantidade de cementita contida na perlita (cementita do eutetóide). 7- A maior parte dos diagramas de fases estudados são construídos considerando condições termodinâmicas de equilíbrio, ou seja, as fases citadas são as mais estáveis (apresentam os menores valores de energia livre). Está implícito nisso que não são consideradas as condições cinéticas para a formação destas fases, ou seja, a formação das fases estáveis pode demorar desde alguns minutos ou até vários anos. Assim, o que deverá ocorrer com a microestrutura de um aço SAE 1050 (0,50% C) se este for aquecido a 950ºC, mantido nesta temperatura por 1h e resfriado em água.
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