1. Diagrama Fe-C
Marcelo F. Moreira
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DIAGRAMA Fe-C
DIAGRAMA Fe-Fe3C
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-Fe3C
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-Fe3C, metaestável, que apresenta o
equilíbrio entre o ferro e a cementita (Fe3C). 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 - Fe3C.
A figura 1 apresenta os diagramas Fe-C estável (equilíbrio Ferro - Grafita) e o
diagrama metaestável Fe-Fe3C (equilíbrio Ferro - Cementita) sobrepostos.
4. Diagrama Fe-C
Marcelo F. Moreira
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Considerações sobre o diagrama Fe-Fe3C
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-Fe3C 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-Fe3C 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) + Fe3C (cementita)
Reação eutetóide - (0,77% de C / 727°C):
γ (austenita) → α (ferrita) + Fe3C (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.
5. Diagrama Fe-C
Marcelo F. Moreira
5
RESFRIAMENTO LENTO DOS AÇOS HIPOEUTETÓIDES
Para a temperatura ambiente e C0 = 0,30% de C, temos:
% α (ferrita) = 100.
07,6
3,07,6
−
−
= 95,5% de α (ferrita)
% Fe3C (cementita) = 100.
07,6
03,0
−
−
= 4,5% de Fe3C (cementita)
A quantidade de grãos de perlita será: (é a quantidade de grãos de austenita que4
sofreu a transformação eutetóide)
% perlita = 100.
022,077,0
022,03,0
−
−
= 37,2% de perlita (e 62,8% de grãos de ferrita)
6. Diagrama Fe-C
Marcelo F. Moreira
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RESFRIAMENTO LENTO DE UM AÇO EUTETÓIDE
Para a temperatura ambiente, (0,77% de C) temos:
% α (ferrita) = 100.
07,6
77,07,6
−
−
= 88,5% de α (ferrita)
% Fe3C (cementita) = 100.
07,6
077,0
−
−
= 11,5% de Fe3C (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)
7. Diagrama Fe-C
Marcelo F. Moreira
7
RESFRIAMENTO LENTO DOS AÇOS HIPEREUTETÓIDES
Para a temperatura ambiente e C1 = 1,2% de C, temos:
% α (ferrita) = 100.
07,6
2,17,6
−
−
= 82,1% de α (ferrita)
% Fe3C (cementita) = 100.
07,6
02,1
−
−
= 17,9% de Fe3C (cementita)
A quantidade de grãos com o constituinte perlita será:
% perlita = 100.
77,07,6
2,17,6
−
−
= 92,7% de perlita (e 7,3% de cementita em contorno de
grão)
8. Diagrama Fe-C
Marcelo F. Moreira
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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 Fe3C
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
resistência
[kgf/mm2
]
Alongamento
[%]
Dureza Brinell
[HB]
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
SAE
Limite de
resistência
[MPa]
Limite de
escoamento
[MPa]
Alongamento
em 50 mm
[%]
Redução
de área
[%]
Dureza
Brinell
[kgf/mm2
]
Resistência
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
9. Diagrama Fe-C
Marcelo F. Moreira
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Lista de exercícios - Diagrama Fe-Fe3C
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.
