Prof.: Juvenil Nunes de Oliveira Jr.
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Laboratório de Engenharia Mecânica II
1 Introdução
Juvenil Júnior © 2013. Todos os direitos reservados
A compreensão dos diagramas de fases para sistemas de ligas
é extremamente importante, pois existe uma forte correlação entre
a microestrutura e as propriedades mecânicas, e o
desenvolvimento da microestrutura de uma liga está relacionado às
características do seu diagrama de fases.
Chumbo-estanho com composição eutetóide. 375X
Chumbo-estanho com 50%Sn e 50%Pb. 400X Austenita. 325X
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1 Introdução
Fase -> Uma fase pode ser definida como uma porção
homogênea de um sistema que possui características físicas e
químicas uniformes.
Todo material puro é considerado como uma faze, da mesma
forma que também são todas as soluções sólida, líquidas e gasosas.
1 Introdução
Muitas vezes, as propriedades físicas e, em particular, o
comportamento mecânico de um material, dependem da
microestrutura. A microestrutura está sujeita a uma observação
direta através de um microscópio.
Nas ligas metálicas, a microestrutura é caracterizada pelo
número de fases presentes, pelas suas proporções e pela maneira
pela qual elas estão distribuídas ou arranjadas.
A microestrutura de uma liga depende de tais variáveis, tais
como os elementos de ligas presentes, as suas concentrações, e o
tratamento térmico.
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2 Diagrama Fe-C
Composição (%C)
Tem
per
atu
ra (
°C)
Tem
per
atu
ra (
°F)
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2 Diagrama Fe-C
O ferro puro, ao ser aquecido, apresenta duas mudanças de
estrutura cristalina antes de fundir.
À temperatura ambiente, a forma estável, chamada de ferrita,
ou ferro 𝛼, possui uma estrutura cristalina CCC.
A 912°C, a ferrita sofre uma transformação polimórfica para
austenita, ou ferro 𝛾, que possui estrutura cristalina CFC.
Esta austenita persiste até 1394°C, em cuja temperatura a
austenita CFC reverte novamente a uma fase CCC, conhecida como
ferrita 𝛿, e finalmente se funde a 1538°C
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2 Diagrama Fe-C
O eixo do diagrama se estende apenas até 6,70%C, nessa
concentração, se forma o composto intermediário carbeto ferro, ou
cementita (𝑭𝒆𝟑𝑪).
Ferrita 𝛼. 90X Austenita. 325X
Fotomicrografias
Carbono
Ferro
Carbono
Ferro
2 Diagrama Fe-C
Estão presentes as seguintes fases:
• Ferrita α: solução sólida intersticial de carbono no ferro α
(solubilidade máxima 0,03% em massa a 723°C). O ferro α é CCC.
• Ferrita δ: solução sólida intersticial de carbono no ferro δ
(solubilidade máxima 0,1% em massa a 1493°C). O ferro δ é CCC.
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2 Diagrama Fe-C
• Austenita 𝜸: solução sólida intersticial de carbono no ferro 𝛾
(solubilidade máxima 2,1% em massa a 1147°C). O ferro 𝛾 é CFC.
• Cementita ou carboneto de ferro 𝑭𝒆𝟑𝑪: a sua composição
corresponde a um teor de 6,67% em massa de carbono. Este
carboneto é um composto intersticial de malha ortorrômbica.
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2 Diagrama Fe-C
FERRO = FERRITA CCC; Temp. “existência”= até 912 °C; Fase Magnética até 768 °C (temperatura de Curie); Solubilidade máx do C= 0,02% a 727 °C;
FERRO 𝛾 = AUSTENITA CFC (tem + posições intersticiais) Temp. “existência”= 912 - 1394°C Fase Não-Magnética Solubilidade máx de C= 2,14% a 1148°C
FERRO 𝜹= FERRITA δ CCC; Temp. “existência”= acima de 1394°C Fase Não-Magnética; É a mesma que a ferrita a. Como é estável somente a altas temperaturas não apresenta interesse comercial
CFC CCC
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2 Diagrama Fe-C
Aço: geralmente 0,008% até 2,14%C.
Ferro Fundido: teores acima de 2,14%C.
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2.3 Reação Eutetóide
A 727°C chama-se ao constituinte eutetóide 0,76%C, de Perlita. No
ponto eutetóide, a austenita com 0,76% de C, origina ferrita e Fe3C
(cementita) através de um resfriamento lento.
Reação eutetóide
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2.3 Reação Eutetóide
Reação eutetóide: um sólido dando origem a dois sólidos
na forma lamelar.
As mudanças de fases eutetóides descritas acima, são
muito importantes, sendo fundamentais no tratamento
térmico dos aços.
𝛾 0,76%𝐶 ⇌ 𝐹𝑒(0,022%𝐶) + 𝐹𝑒3𝐶(6,7%𝐶)
𝑆ó𝑙𝑖𝑑𝑜 ⇌ 𝑆ó𝑙𝑖𝑑𝑜1 + 𝑆ó𝑙𝑖𝑑𝑜2
Resfriamento
Aquecimento
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2.3 Reação Eutetóide
Desenvolvimento da Microestrutura nas ligas Fe-C
No ponto (a) – a liga é composta inteiramente pela fase austenita.
Com o resfriamento da liga, não irão ocorrer mudanças até que a temperatura eutetóide (727°C) seja atingida.
Ao se cruzar essa temperatura para o ponto (b), a austenita se transforma de acordo com a equação mostrada anteriormente.
A estrutura formada é chamada de Perlita.
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2.3 Reação Eutetóide
Fotomicrografia de aço eutetóide mostrando a microestrutura da perlita, que consiste em camadas alternadas de ferrita (a fase clara) e 𝐹𝑒3𝐶 (camadas finas, a maioria das quais aparece escura).
Ampliação de 500x.
Perlita Forma Lamelar
Ferrita
Cementita
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2.3 Reação Eutetóide
Formação da Perlita:
Contorno de grão da austenita
Direção do crescimento da perlita
Difusão de Carbono
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2.3 Reação Eutetóide
Hipoeutetóide Hipereutetóide
Perl
ita
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2.3 Reação Eutetóide
Ligas Hipoeutetóides
Todas as ligas que apresentam menos de 0,76%C são chamadas de Hipoeutetóides.
O resfriamento de uma liga com essa composição pode ser representado pela figura ao lado.
No ponto (c) a 875°C, temos somente Austenita, ao se resfriar até o ponto (d), aproximadamente 775°C, duas fases irão coexistir, 𝛼 + 𝛾.
A maioria das pequenas partículas irá se formar ao longo dos contornos de grão originais de 𝛾.
Eutetóide Proeutetóide
Perlita
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2.3 Reação Eutetóide
Ligas Hipoeutetóides (Cont.) O resfriamento do ponto (d) até o
ponto (e), irá produzir uma proporção maior da fase .
Quando a temperatura é reduzida para uma temperatura imediatamente abaixo da eutetóide, até o ponto (f), toda a fase 𝛾 que estava presente, se transformará em perlita.
Assim, a fase ferrita estará presente tanto na perlita quanto na fase que se formou enquanto se resfriava.
A ferrita que está presente na perlita é chamada de ferrita eutetóide, enquanto a outra parte, é denominada ferrita proeutetóide (significando pré-, ou antes)
Eutetóide Proeutetóide
Perlita
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2.3 Reação Eutetóide
Fotomicrografia de um aço com 0,38%C que possui uma microestrutura composta por perlita e ferrita proeutetóide. Ampliação de 625x.
Ferrita Proeutetóide
Perlita (forma lamelar)
2.3 Reação Eutetóide
Ligas Hipereutetóides
Transformações e microestruturas análogas resultam para as ligas hipereutetóides, aquelas que contêm entre 0,76 e 2,14 %C.
No ponto (g), apenas a fase 𝛾 está presente. Com o resfriamento, temos as fases 𝛾 + 𝐹𝑒3𝐶, ponto (h), nesta fase a cementita começará a se formar ao longo dos contornos de grãos iniciais da fase 𝛾.
Esta cementita é chamada de cementita proeutetóide – aquela que se forma antes da reação eutetóide.
Perlita
𝐹𝑒3𝐶 Proeutetóide
𝐹𝑒3𝐶 Eutetóide
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2.3 Reação Eutetóide
Ligas Hipereutetóides
Na medida que a temperatura é reduzida, passando pela eutetóide até o ponto (i), toda a austenita remanescente e de composição eutetóide é convertida em perlita.
Desta forma, a microestrutura resultante consiste em perlita e cementita proeutetóide.
Perlita
𝐹𝑒3𝐶 Eutetóide
𝐹𝑒3𝐶 Proeutetóide
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2.3 Reação Eutetóide
Fotomicrografia de um aço com 1,4%p C que possui uma microestrutura composta por uma rede de cementita proeutetóide branca que envolve as colônias de perlita. Ampliação de 1000x.
Cementita Proeutetóide
Perlita
2.3 Reação Eutetóide
Resumindo:
Aços < 0,76 %C Aço Hipoeutetóide
Aços = 0,76 %C Aço Eutetóide
Aços > 0,76 %C Aço Hipereutetóide
Reação Eutetóide um sólido dando origem a outros dois
sólidos na forma lamelar. A estrutura formada é chamada de
Perlita.
Linha Eutetóide linha formada pela temperatura de 727°C
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2.4 Reação Eutética
A 1147°C chama-se ao constituinte eutético 4,30%C, de
Ledeburita.
Reação eutética
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2.4 Reação eutética
Reação eutética: Um líquido de composição eutética
(4,3%p C) se solidifica sob resfriamento lento, que
quando cruza a temperatura de 1147°C, para formar as
fases Austenita e Cementita. O resfriamento subsequente
promoverá as transformações de fase adicionais.
𝐿í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 4,3%𝐶 ⇌ 𝛿(2,14%𝐶) + 𝐹𝑒3𝐶(6,7%𝐶)
𝐿í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 ⇌ 𝑆ó𝑙𝑖𝑑𝑜1 + 𝑆ó𝑙𝑖𝑑𝑜2
Resfriamento
Aquecimento
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2.4 Reação eutética
Um líquido de
Hipoeutética Hipereutética
Led
ebu
rita
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2.4 Reação eutética
Ferro Fundido Branco Hipoeutético
Ferro Fundido Branco Hipereutético
Ferro Fundido Branco Eutético (Ledeburita)
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2.4 Reação Eutética
Resumindo:
Ferro Fundido < 4,3 %C Ferro Fundido Hipoeutético
Ferro Fundido = 4,3 %C Ferro Fundido Eutético (Ledeburita)
Ferro Fundido > 4,3 %C Ferro Fundido Hipereutético
Reação Eutetética um líquido dando origem a outros dois
sólidos. A estrutura formada é chamada de Ledeburita.
Linha Eutetética linha formada pela temperatura de
1147°C
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5 Regra da Alavanca
As quantidades relativas, como fração ou como
porcentagem, das fases presentes em equilíbrio podem ser
calculadas com o auxílio dos diagramas de fases.
Regra da Alavanca
% 𝑑𝑜 𝑀𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙 = 𝐵𝑟𝑎ç𝑜 𝑂𝑝𝑜𝑠𝑡𝑜
𝐵𝑟𝑎ç𝑜 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙× 100
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5 Regra da Alavanca
Exemplo: Determinar a composição das fases existentes, em
um Aço com 0,3% C à temperatura ambiente.
%𝛼 = 𝐵𝑟𝑎ç𝑜 𝑜𝑝𝑜𝑠𝑡𝑜
𝐵𝑟𝑎ç𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙× 100 =
0,76 − 0,3
0,76 − 0,022× 100 = 62,3
%𝑃𝑒 = 𝐵𝑟𝑎ç𝑜 𝑜𝑝𝑜𝑠𝑡𝑜
𝐵𝑟𝑎ç𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙× 100 =
0,3 − 0,022
0,76 − 0,022× 100 = 37,7
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5 Regra da Alavanca
Exemplo: Determinar a composição das fases existentes, em
um Aço 1020 à temperatura ambiente. Qual é a quantidade em
massa de cada fase, se a massa total é de 100g.
%𝛼 = 𝐵𝑟𝑎ç𝑜 𝑜𝑝𝑜𝑠𝑡𝑜
𝐵𝑟𝑎ç𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙× 100 =
0,76 − 0,2
0,76 − 0,022× 100 = 75,9
%𝑃𝑒 = 𝐵𝑟𝑎ç𝑜 𝑜𝑝𝑜𝑠𝑡𝑜
𝐵𝑟𝑎ç𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙× 100 =
0,2 − 0,022
0,76 − 0,022× 100 = 24,1
Em 100g de Aço 1200, temos:
𝑴𝜶 = 𝟕𝟓, 𝟗𝒈
𝑴𝑷𝒆 = 𝟐𝟒, 𝟏𝒈
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5 Regra da Alavanca
Exemplo: Em uma liga com 5% de carbono à 1000°C,
determinar as fases existentes, a composição de cada fase e a
quantidade de cada fase, se a massa total for de 5kg.
𝐶𝑜𝑚𝑝𝑜𝑠𝑖çã𝑜: 𝛾 = 1,7%𝐶
𝐹𝑒3𝐶 = 6,67%𝐶
𝐹𝑎𝑠𝑒𝑠: 𝐴𝑢𝑠𝑡𝑒𝑛𝑖𝑡𝑎 + 𝐶𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑖𝑡𝑎
%𝛾 = 𝐵𝑟𝑎ç𝑜 𝑜𝑝𝑜𝑠𝑡𝑜
𝐵𝑟𝑎ç𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙× 100 =
6,7 − 5
6,7 − 1,7× 100 = 34
%𝐹𝑒3𝐶 = 𝐵𝑟𝑎ç𝑜 𝑜𝑝𝑜𝑠𝑡𝑜
𝐵𝑟𝑎ç𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙× 100 =
5 − 1,7
6,7 − 1,7× 100 = 66
𝑀𝛾 = 1,70 𝑘𝑔
𝑀𝐹𝑒3𝐶 = 3,30 𝑘𝑔
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5 Regra da Alavanca
Exemplo: Em uma liga com 1,2%C à temperatura ambiente,
determinar as fases existentes e quantidade de cada fase.
%𝛼 = 𝐵𝑟𝑎ç𝑜 𝑜𝑝𝑜𝑠𝑡𝑜
𝐵𝑟𝑎ç𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙× 100 =
6,7 − 1,2
6,7 − 0,022× 100 = 82,4
%𝑃𝑒 = 𝐵𝑟𝑎ç𝑜 𝑜𝑝𝑜𝑠𝑡𝑜
𝐵𝑟𝑎ç𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙× 100 =
6,7 − 1,2
6,7 − 0,76× 100 = 92,6
%𝐹𝑒3𝐶 = 𝐵𝑟𝑎ç𝑜 𝑜𝑝𝑜𝑠𝑡𝑜
𝐵𝑟𝑎ç𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙× 100 =
1,2 − 0,022
6,7 − 0,022× 100 = 17,6
A quantidade de grãos com o constituinte perlita será:
92,6%Pe e 7,4%𝐹𝑒3𝐶 encontrado no contorno dos grãos
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