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Microestrutura (fases)Microestrutura (fases)Parte 5Parte 5
DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe - C
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C
FerrosFamília dos açosFamília dos ferros fundidosSoluções sólidas:
Ferro δAustenita γFerrita α
Composto estequiométrico:
Cementita Fe3C
Reações:peritéticaeutéticaeutetóide
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Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C
fofosaçosFe
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C
Aços Ligas ferro-carbono com teor de carbono até 2,11% em peso
OBSERVAÇÕES
Produtos siderúrgicos comuns: aços e ferros fundidos
Aço comum ao carbono: carbono é o principal elemento de liga. Contém apenas impurezas em concentrações residuais e um pouco de manganês
Aço-liga: mais elementos liga são adicionados intencionalmente em concentrações específicas
As propriedades variam com o teor de carbono. A medida que aumenta:Aumenta a resistência à tração até 1% de Carbono, decrescendo para
teores mais elevadosA dureza aumenta continuamenteDiminui a ductilidade
Ferro Existe na natureza na forma de óxidos, nos minérios de ferroÉ extraído por meio de aquecimento em presença de coque ou carvão de madeira, em fornos adequados nos quais o ferro é reduzido e ligado ao carbono
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Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C
Ferro fundido Produtos obtidos por fusão com mais de 2,11% em peso de carbono
OBSERVAÇÕESProdutos siderúrgicos comuns: aços e ferros fundidos
A medida que se aumenta o teor de carbono, menores são as temperaturas necessárias para a fusão do material, até 4,3% de carbono
Como os FoFos fundem cerca de 300°C abaixo dos aços seu custo deprodução é menor
Em geral, os ferros fundidos são
frágeis, que só resistem bem à compressão
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DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C
Ferro puro Transformações de fases: antes da temperatura de fusão, o ferro muda duas vezes de estrutura cristalina
Fe - CCC
Fe - CCC
Fe - CFC
Fe - líquido
910°C
1400°C
1540°C
Eixo esquerdo do diagrama:
Ferrita ou ferro-α: estável na temp. ambiente
estrutura CCC
Austenita ou ferro-γ: estável entre 910°C e 1400°C
estrutura CFC
Ferro-δ: estável entre 1400°C e 1540°C
estrutura CCC
Transformação polimórfica do ferro
Cementita ouCarbeto de Ferro
Composto intermetálico estequiométrico
Com 6,67% em peso de Carbono – Fe3C
Eixo direito do diagrama:
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Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe CCarbono impureza intersticial
forma solução sólida com o ferro
α
γ
δ
Ferro - δ: solução sólida de C no Fe CCC
Ferro - γ (austenita): solução sólida de C no Fe CFC
Ferro - α (ferrita): solução sólida de C no Fe CCC
Soluções sólidas
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C
Ferro - δ: solução sólida de C no Fe CCC
É virtualmente a mesma ferrita-α, apenas ocorrendo em uma faixa mais elevada de temperatura – não tem importância tecnológica
Ferro - γ (austenita): solução sólida de C no Fe CFC
Máxima solubilidade – em 1147°C – 2,14% em peso de C
Na faixa em que é estável, a austenita é mole e dúctil
Ferro - α (ferrita): solução sólida de C no Fe CCC
Máxima solubilidade – em 727°C – 0,022% em peso de C
Material mole e dúctil
Na pureza em que é encontrada, seu limite de resistência é inferior a 32Kgf/mm2
Características das Soluções sólidas
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Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe CSolubilidade das Soluções sólidas
A solubilidade limitada pode ser explicada pela forma e tamanho das posições intersticiais nas estruturas cristalinas CCC e CFC
Na estrutura cristalina CCC – as posições intersticiais tornam difícil a acomodação dos átomos de carbono
Na estrutura cristalina CFC – as posições intersticiais são maiores
A solubilidade na austenita é cerca de 100 vezes maiores do que a máxima solubilidade na ferrita
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe CSolubilidade das Soluções sólidas
Exemplo 8: Calcule o tamanho dos sítios intersticiais do átomo de carbono em δ, α, e γ. Para estes resultados explique a diferença da máxima solubilidade do carbono em cada fase. Os raios atômicos são mostrados na Tabela.
Átomo Estrutura Raio (nm)cristalina
Fe α 0,124Fe γ 0,129Fe δ 0,127C 0,071
Tamanho dos átomos do aço, dependendo da estrutura cristalina
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Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe CSolubilidade das Soluções sólidas
Exemplo 8: Calcule o tamanho dos sítios intersticiais do átomo de carbono em δ, α, e γ. Para estes resultados explique a diferença da máxima solubilidade do carbono em cada fase. Os raios atômicos são mostrados na Tabela.
Células unitárias do aço CFC e CCC, incluindo os sítios intersticiais do carbono
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe CSolubilidade das Soluções sólidas
Exemplo 8: Calcule o tamanho dos sítios intersticiais do átomo de carbono em δ, α, e γ.
(RFe+rintersticial)2=(a0/4)2 + (a0/2)2
= (5/16) a02
= (5/16) (4RFe/3½)
RFe+rintersticial = 5½RFe /3½
rintersticial = 0,291RFe
FeCCC maior sítio intersticial 1/2, 0, 1/4
RFe/rinterstício= ?
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Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe CSolubilidade das Soluções sólidas
Exemplo 8: Calcule o tamanho dos sítios intersticiais do átomo de carbono em δ, α, e γ.
FeCFC maior sítio intersticial 1/2, 0, 0
RFe/rinterstício= ?
2RFe+2rintersticial=a0
= 4RFe/2½
RFe+rintersticial = 2½RFe
rintersticial = 0,414RFe
Reações:Peritética: δ + L → γtemperatura peritética: 1495°Ccomposição peritética: 0,25%Cponto peritético: 1495°C e 0,25%C
Eutética: L → γ + Fe3Ctemperatura eutética: 1148°Ccomposição eutética: 4,3%Cponto eutético: 1148°C e 4,3%C
Eutetóide: γ → α + Fe3Ctemperatura eutetóide: 727°Ccomposição eutetóide: 0,77 %Cponto eutetóide: 727°C e 0,77%C
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DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C
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DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C
6,67
Reação eutetóide: γ 0,77%C →α 0,02%C + Fe3C 6,67%Ca 727°C
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C
Grão e estrutura da perlita (a) redistribuição do carbono no aço, (b) micrografia da perlita lamelar.
Reação eutetóide: γ 0,77%C →α 0,02%C + Fe3C 6,67%C
PERLITA
PERLITA: microestrutura bifásica resultantes da transformação da austenita com composição eutetóide. Consiste de camadas alternadas de ferrita e cementitarelativamente finas
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DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C
Exemplo 9: Calcule o percentual de cementita e ferrita na perlita, quando de sua formação a 727°C.
0,020,77
6,67
Regra da alavanca
%7,88100*02,067,677,067,6% =
−−
=α
%3,11100*02,067,602,077,0% 3 =
−−
=CFe
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DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C
Reação eutetóide: γ 0,77%C →α 0,02%C + Fe3C 6,67%C
PERLITA
0% PERLITA a 727°C
γ → α + Fe3C
0% 0%
0% PERLITA a 727°C
γ → α + Fe3C
0% 0%
100% PERLITA a 727°C
γ → α + Fe3C
100% 100%
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DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe CDesenvolvimento das Microestruturas em Ligas ferro-carbono
Aço de composição eutetóide
Formação da perlita
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DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe CDesenvolvimento das Microestruturas em Ligas ferro-carbono
Aço de composição eutetóide
100% perlita
Eutetóide: γ → α + Fe3C
Microestrutura de um aço 100% perlítico
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DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe CDesenvolvimento das Microestruturas em Ligas ferro-carbono
Aço de composição
hipoeutetóide
Microestrutura de perlita e ferrita pró-euteóide. Aço contendo 0,38% de C.
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DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe CDesenvolvimento das Microestruturas em Ligas ferro-carbono
Aço de composição
hipereutetóide
Microestrutura de perlita e cementita pró-euteóide. Aço contendo 1,4% de C
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DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C
Exemplo 10: Para uma liga FeC com 0,01%C determine as fases presentes, proporção e composição de cada fase para as temperaturas de 1000°C, 727°C e 400°C.Desenhe a microestrutura esperada.
B
A
C
B - 727°C
Fases Presentes: α
Composição das Fases:α 0,01% C
Proporção das Fases:
% α = 100% α
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C
Exemplo 10: Para uma liga FeC com 0,01%C determine as fases presentes, proporção e composição de cada fase para as temperaturas de 1000°C, 727°C e 400°C.Desenhe a microestrutura esperada.
B
A
C
C - 400°C
Proporção das Fases:
% α = 6,67-0,01 *100 = 99,85%6,67
% Fe3C = 0,01 *100= 0,15%6,67
Fases Presentes: α
Fe3C
Composição das Fases:α 0,0001% CFe3C 6,67% C
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α
αα
α
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DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C
Exemplo 10: Para uma liga FeC com 0,01%C determine as fases presentes, proporção e composição de cada fase para as temperaturas de 1000°C, 727°C e 400°C.Desenhe a microestrutura esperada.
B
A
C
γγ
γγ
Fe3C
α
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DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C
Exemplo 11: Para uma liga FeC com 0,25%C determine as fases presentes, proporção e composição de cada fase para as temperaturas de 1000°C, 800°C, 730°C e 720°C.Desenhe a microestrutura esperada.
B
A
CD
Fases Presentes: γ
Composição das Fases:γ 0,25% C
A - 1000°C
Proporção das Fases:
% γ = 100% γ
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DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C
Exemplo 11: Para uma liga FeC com 0,25%C determine as fases presentes, proporção e composição de cada fase para as temperaturas de 1000°C, 800°C, 730°C e 720°C.Desenhe a microestrutura esperada.
B
A
CD
B - 800°C
Proporção das Fases:
% α = 0,5-0,25 *100 = 51, 5%0,5-0,015
% γ = 0,25-0,015 *100= 48,5%0,5-0,015
Fases Presentes: α
γ
Composição das Fases:α 0,015% Cγ 0,5% C
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DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C
Exemplo 11: Para uma liga FeC com 0,25%C determine as fases presentes, proporção e composição de cada fase para as temperaturas de 1000°C, 800°C, 730°C e 720°C.Desenhe a microestrutura esperada.
B
A
CD
C - 730°C
Proporção das Fases:
% α = 0,75-0,25 *100 = 68,4%0,75-0,019
% γ = 0,25-0,019 *100= 31,6%0,75-0,019
Fases Presentes: α
γ
Composição das Fases:α 0,019% Cγ 0,75% C
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DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C
Exemplo 11: Para uma liga FeC com 0,25%C determine as fases presentes, proporção e composição de cada fase para as temperaturas de 1000°C, 800°C, 730°C e 720°C.Desenhe a microestrutura esperada.
B
A
CD
D - 720°C
Proporção das Fases:
% α = 6,67-0,25 *100 = 96,5%6,67-0,019
% Fe3C = 0,25-0,019 *100= 3,5%6,67-0,019
Fases Presentes: α
Fe3C
Composição das Fases:α 0,019% CFe3C 6,67% C
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DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C
Exemplo 12: Para uma liga FeC com 1,25%C determine as fases presentes, proporção e composição de cada fase para as temperaturas de 1000°C, 800°C, 730°C e 720°C. Desenhe a microestrutura esperada.
B
A
CD
Fases Presentes: γ
Composição das Fases:γ 1,25% C
A - 1000°C
Proporção das Fases:
% γ = 100% γ
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DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C
Exemplo 12: Para uma liga FeC com 1,25%C determine as fases presentes, proporção e composição de cada fase para as temperaturas de 1000°C, 800°C, 730°C e 720°C. Desenhe a microestrutura esperada.
B
A
CD
B - 800°C
Proporção das Fases:
% γ = 6,67-1,25 *100 = 97,3%6,67-1
% Fe3C = 1,25-1 *100= 2,7%6,67-1
Fases Presentes: γ
Fe3C
Composição das Fases:γ 1% CFe3C 6,67% C
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DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C
Exemplo 12: Para uma liga FeC com 1,25%C determine as fases presentes, proporção e composição de cada fase para as temperaturas de 1000°C, 800°C, 730°C e 720°C. Desenhe a microestrutura esperada.
B
A
CD
C - 730°C
Proporção das Fases:
% γ = 6,67-1,25 *100 = 92,3%6,67-0,80
% Fe3C = 1,25-0,8 *100= 7,7%6,67-0,80
Fases Presentes: γ
Fe3C
Composição das Fases:γ 0,80% CFe3C 6,67% C
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DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C
Exemplo 12: Para uma liga FeC com 1,25%C determine as fases presentes, proporção e composição de cada fase para as temperaturas de 1000°C, 800°C, 730°C e 720°C. Desenhe a microestrutura esperada.
B
A
CD
D - 720°C
Proporção das Fases:
% α = 6,67-1,25 *100 = 81,5%6,67-0,019
% Fe3C = 1,25-0,019 *100= 18,5%6,67-0,019
Fases Presentes: α
Fe3C
Composição das Fases:α 0,019% CFe3C 6,67% C
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DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe CResfriamento fora das condições de equilíbrio
Condições de equilíbrio: resfriamento muito lento com tempo suficiente para que as reações previstas no Diagrama de fases ocorram
Na maioria das vezes, as taxas são muito lentas e nem sempre necessárias
Em muitas ocasiões não desejáveis condições fora do equilíbrio. Podem ocorrer:1) mudanças ou transformações de fases em temperaturas não
previstas pelas curvas dos diagramas de fases2) existência, à temperatura ambiente, de fases fora do equilíbrio que
não aparecem no diagrama de fases
Ex.: MARTENSITA ⇒ Fase formada como resultado da transformação de uma baixa difusão no estado sólido, através de um tratamento térmico (têmpera)
⇒ Fase metaestável TCC formada por Fe supersaturado com C.
Célula unitária da martensita – tetragonal de corpo centrado – comparada com uma célula unitária da austenita – cúbica de face centrada