PROF.: KAIO DUTRA AULA 6 – LIGAS FERROAS E DIAGRAMA DE FASES

Processos Metalúrgicos

PROF.: KAIO DUTRA

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%.

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

Ligas Ferrosas

◦Para os ferros fundidos:

◦ Ferro fundido cinzento: liga ferro-carbono-silício, 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;

Ligas Ferrosas

Para

◦ os ferros fundidos:

Ferro

◦ fundido branco: liga ferro-carbono-silício, 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

Ligas Ferrosas

Para

◦ os ferros fundidos:

Ferro

◦ fundido maleável: liga ferro-carbono-silício 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;

Ligas Ferrosas

◦Para os ferros fundidos:

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.

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.

1500 1400 1300 1200 1100 Ni puro 80% Ni 50% Ni 20% Ni Cu puro Tempo Tem pe ra tu ra (̊C) 1500 1400 1300 1200 1100 Te m p er at u ra (̊ C)

20 40 60 80 100 %

Solidus

Liquidus

Líquido (L)



1455 ̊̊C

1084 ̊C L+

Composição (%p Ni)

Curvas de Resfriamento Diagrama Isomorfo

0

19:13

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

20 30 40 50 TE M PE R A TU R A ( ⁰C)

COMPOSIÇÃO (%p Ni)

1290 12501265 1220 1180            

+L

L  a b c d e ~46 L (35%p Ni)

 (46%p Ni)

~43

 (43%p Ni)

~32%

L (32%p Ni)

           

 (35%p Ni)

~24

L (24%p Ni)

35  (35%p Ni)

L 35%p Ni

19:13

Diagrama de Fases

Regra da Alavanca

C_L C₀ C_

0 T (°C)

%B

T₀

L



L + 

C_ - C_L C₀ - C_L

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 Fe₃C.

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Te m p er at u ra , ̊ C

Composição, %p C

1 2 3 4 5 6 6,7*

0 1600 1400 1200 1000 800 600 400 C D E F S P K 4,30 L

2,14 Solidus _{1148 ̊C}

γ + L _{L + Fe}

3C

0,76

A₃

A_cm

γ

 727 ̊C

A₁

 + γ

γ + Fe₃C

 + Fe₃C

Diagrama de Equilíbrio Fe-C

Diagrama de Equilíbrio Fe-C

◦O diagrama mostra um "eutético" (ponto C) a 1.148°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".

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%;

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%.

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); A B C D → → →L (FUSÃO) tempo Temper atu ra, ° C

Transformações do Fe PURO

912 1394 1538

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 Fe₃C é um carboneto contendo 6,67% de carbono, muito duro e frágil, esse constituinte é denominado cementita (do latim "caementum’).

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 transformar-se em ferro alfa que transformar-se transformar-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.

γ

γ + Fe₃C

 + Fe₃C

727 ̊C

TEMP ERA TURA, ̊C 1,0 2,0 400 500 600 700 800 900 1000 1100 0,76 6,7 γ γ γ _γ γ γ γ _γ γ γ γ _γ γ REAÇÃO EUTETÓIDE C₀

 C_Fe3C = 6,7

 pró  + γ

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).

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Diagrama de Equilíbrio Fe-C

◦ 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 Fe₃C 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,

Diagrama de Equilíbrio Fe-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.

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 + γ

γ

γ + Fe₃C

 + Fe₃C

 727 ̊C

Fe₃C  TEMPERAT URA (̊ C) 1,0 2,0 400 500 600 700 800 900 1000 1100

COMPOSIÇÃO, %p C

0,76

REAÇÃO EUTETÓIDE

6,7

C_Fe3C=6,7 C_=0,022

PERLITA

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 Fe₃C ou cementita.

 + γ γ

γ + Fe₃C

 + Fe₃C

727 ̊C

◦ À temperatura de 727°C (linha A1), as fases que estão em equilíbrio serão, portanto: de

um lado o Fe₃C e do outro a austenita com

0,77% de carbono, a qual se transforma imediatamente em perlita ao atingir e ultra-passar 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).

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Diagrama de Equilíbrio Fe-C

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

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.

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120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 60 50 40 30 20 10 LIMITE DE RESIS TÊN CIA À TR AÇ ÃO ( kgf /mm 2 ) ALONG AMENT O (%)

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2

DU REZA BRI NELL 240 220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 Alongamento

Limite de resistência à tração

Dureza Brinell

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 Fe₃C que

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.

Diagrama de Equilíbrio Fe-C

Reações dos Ferros Fundidos

Assim,

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.

Diagrama de Equilíbrio Fe-C

Reações dos Ferros Fundidos

No

◦ caso de um ferro fundido hipereutético

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 Fe₃C, em Fe e C, este último na forma de grafita. Por essa razão, o silício é freqüentemente chamado de elemento "grafitizante‘’.

Diagrama de Equilíbrio Fe-C

Ligas Fe-C-Si

Diferentemente

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.