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 cbica de

corpo centrado (CCC), denominada ferrita alfa ().

A estrutura CCC do ferro (ferrita ) estvel at 912C. Nesta temperatura a estrutura CCC sofre uma transformao alotrpica para a estrutura cbica de faces

centradas (CFC), denominada ferro gama () ou austenita.

A austenita (CFC) estvel entre 912 e 1394 C. Na temperatura de 1394C

ocorre uma nova transformao alotrpica na qual a estrutura CFC da austenita

transforma-se novamente em CCC, denominada de ferrita delta ().

A ferrita delta () CCC estvel at a temperatura de 1538C, que a temperatura de fuso do Fe puro.

Acima de 1538C a estrutura cristalina CCC da ferrita torna-se amorfa, sem ordenao cristalina, caracterizando o estado lquido.

O ferro lquido (L) estvel at a temperatura de 2880C, 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 estvel, que mostra o

equilbrio entre o Fe e a grafita, e o diagrama Fe-Fe3C, metaestvel, que apresenta o

equilbrio entre o ferro e a cementita (Fe3C). Em virtude das velocidades de

resfriamento vigentes no processamento dos aos serem elevadas em relao as

condies de equilbrio, o diagrama empregado com ferramenta para o estudo de

aos ao carbono e ferros fundidos brancos o diagrama Fe - Fe3C.

A figura 1 apresenta os diagramas Fe-C estvel (equilbrio Ferro - Grafita) e o

diagrama metaestvel Fe-Fe3C (equilbrio Ferro - Cementita) sobrepostos.

Diagrama Fe-C

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Figura 1- Sobreposio dos diagramas diagrama Fe-C e Fe-Fe3C

Diagrama Fe-C

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Diagrama Fe-C

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Consideraes sobre o diagrama Fe-Fe3C

Os aos para construo mecnica no so ligas binrias Fe-C. Estes aos

apresentam quantidades residuais de P, S, Mn e Si, decorrentes do processo de

elaborao. Entretanto o diagrama Fe-Fe3C extensivamente empregado em estudos

envolvendo aos ao carbono e aos baixa-liga.

O teor de 2,11% de C considerado como sendo a separao terica entre aos

e ferros fundidos, ou seja, para teores at 2,11% temos os aos, acima deste, os

ferros fundidos.

As reaes relevantes no diagrama Fe-Fe3C so, no resfriamento,:

Reao perittica - (0,17%C / 1495C) L (lquido) + (ferrita delta) (austenita),

Reao euttica- (4,3% de C / 1148C): L (lquido) (austenita) + Fe3C (cementita)

Reao eutetide - (0,77% de C / 727C): (austenita) (ferrita) + Fe3C (cementita)

O produto da reao eutetide uma mistura mecnica de duas fases (ferrita e

cementita) denominada perlita.

Aos eutetides apresentam 0,77% de C.

Aos hipoeutetides % de C inferior a 0,77% Aos hipereutetides % de C superior a 0,77%

O campo bifsico ( + ) denominado ZONA CRTICA.

Diagrama Fe-C

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RESFRIAMENTO LENTO DOS AOS HIPOEUTETIDES

Para a temperatura ambiente e C0 = 0,30% de C, temos:

% (ferrita) = 100.07,63,07,6

= 95,5% de (ferrita)

% Fe3C (cementita) = 100.07,603,0

= 4,5% de Fe3C (cementita)

A quantidade de gros de perlita ser: ( a quantidade de gros de austenita que4

sofreu a transformao eutetide)

% perlita = 100.022,077,0

022,03,0

= 37,2% de perlita (e 62,8% de gros de ferrita)

Diagrama Fe-C

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RESFRIAMENTO LENTO DE UM AO EUTETIDE

Para a temperatura ambiente, (0,77% de C) temos:

% (ferrita) = 100.07,677,07,6

= 88,5% de (ferrita)

% Fe3C (cementita) = 100.07,6077,0

= 11,5% de Fe3C (cementita)

A quantidade de gros com o constituinte perlita ser de 100%. (que a quantidade

de gros de austenita que sofreu a reao eutetide)

Diagrama Fe-C

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RESFRIAMENTO LENTO DOS AOS HIPEREUTETIDES

Para a temperatura ambiente e C1 = 1,2% de C, temos:

% (ferrita) = 100.07,62,17,6

= 82,1% de (ferrita)

% Fe3C (cementita) = 100.07,602,1

= 17,9% de Fe3C (cementita)

A quantidade de gros com o constituinte perlita ser:

% perlita = 100.77,07,62,17,6

= 92,7% de perlita (e 7,3% de cementita em contorno de

gro)

Diagrama Fe-C

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PROPRIEDADES DAS FASES E CONSTITUINTES PRESENTES EM AOS AO

CARBONO

AUSTENITA (do nome do metalurgista ingls Robert Austen) - Consiste em uma soluo slida intersticial de C (com at 2,11%) no ferro CFC. Em aos ao carbono

e aos baixa liga s estvel acima de 727C. Apresenta resistncia mecnica em

torno de 150 MPa e elevada ductilidade e tenacidade. A austenita no

magntica.

FERRITA (do latim "ferrum")- Consiste em uma soluo slida intersticial de C (com at 0,022%) no ferro CCC. A ferrita magntica e apresenta baixa resistncia

mecnica, cerca de 300 MPa, excelente tenacidade e elevada ductilidade.

CEMENTITA (do latim "caementum")- Denominao do carboneto de ferro Fe3C contendo 6,7% de C e estrutura cristalina ortorrmbica. Apresenta elevada dureza,

baixa resistncia, baixa ductilidade e baixa tenacidade.

PERLITA (nome derivado da estrutura da madre prola observada ao microscpio)- Consiste na mistura mecnica das fases ferrita (88,5% em peso) e cementita

(11,5% em peso) formada pelo crescimento cooperativo destas fases. Apresenta

propriedades intermedirias entre a ferrita e a cementita dependendo do tamanho

e espaamento das lamelas de cementita.

Propriedades mecnicas de alguns constituintes dos aos ao carbono

Constituinte Limite de

resistncia

[kgf/mm2]

Alongamento

[%]

Dureza Brinell

[HB]

FERRITA 35 40 90

PERLITA 75 10 250 - 300

CEMENTITA 3 0 650

Propriedades mecnicas de aos ao carbono resfriados lentamente (normalizados) em

funo do teor de carbono (Metals Handbook, v. 4 ASM1981)

Ao

SAE

Limite de

resistncia

[MPa]

Limite de

escoamento

[MPa]

Alongamento

em 50 mm

[%]

Reduo

de rea

[%]

Dureza

Brinell

[kgf/mm2]

Resistncia

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

Diagrama Fe-C

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Lista de exerccios - Diagrama Fe-Fe3C

1- O carbono forma soluo slida intersticial tanto na estrutura CCC da ferrita () quanto na estrutura CFC da austenita (). Explicar porque a solubilidade de C na austenita (2,11% C) muito maior que na ferrita (0,022% C) se o fator de

empacotamento atmico da austenita (CFC) maior que da ferrita (CCC).

2- Calcular as quantidades (% em peso) das fases ferrita e cementita presentes na

temperatura ambiente para os aos SAE 1020 (0,20%C), SAE 1080 (0,77 %C) e SAE

1095 (0,95 %C) .

3- Para os aos da questo anterior, calcular a quantidade (% em peso) do

constituinte perlita presente na temperatura ambiente.

4- Qual a diferena entre fase e constituinte?

5- Em um ao hipoeutetide contendo 0,40% de C calcular:

A- A quantidade de ferrita pr-eutetide formada. B- A quantidade do constituinte perlita. C- A quantidade total de ferrita. D- A quantidade de ferrita contida na perlita (ferrita do eutetide). E- Explique a diferena entre a ferrita pr-eutetide e a ferrita eutetide da

perlita. Existem diferenas de composio ou estrutura cristalina?

6- Em um ao hipereutetide contendo 1,5% de C calcular:

A- A quantidade de cementita pr-eutetide 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 eutetide).

7- A maior parte dos diagramas de fases estudados so construdos considerando

condies termodinmicas de equilbrio, ou seja, as fases citadas so as mais

estveis (apresentam os menores valores de energia livre). Est implcito nisso que

no so consideradas as condies cinticas para a formao destas fases, ou seja, a

formao das fases estveis pode demorar desde alguns minutos ou at vrios anos.

Assim, o que dever ocorrer com a microestrutura de um ao SAE 1050 (0,50% C) se

este for aquecido a 950C, mantido nesta temperatura por 1h e resfriado em gua.

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