DiagramaFeC

8/7/2019 DiagramaFeC

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MATERIAIS DE CONSTRUO MECNICA I (EM304)1 Semestre

2005/06

AOS

1. Diagrama de Equilbrio das ligas Fe-C

F. Jorge Lino Alves


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SUMRIO

1. O diagrama de equilbrio ferro - carbono

1.1 Formas alotrpicas do ferro1.2 Solubilidade do carbono no ferro. Fases ricas em carbono: carbonetos

de ferro e grafite. Diagrama estvel e metaestvel

1.3 Linhas de temperatura crticas

1.4 Definio de estruturas em arrefecimento lento das ligas Fe-C

1.5 Mecanismos de endurecimento e efeitos nas propriedades mecnicasdo ao

1.5.1. Controle da quantidade de carbonetos1.5.2. Controle dos elementos de liga

1.5.3. Controle da velocidade de arrefecimento


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O ao o metal mais utilizado por 2 razes:

baixo custo

excelentes propriedades mecnicas

Os utilizadores de ao enfrentam em geral 2 questes

fundamentais: escolha do ao

tratamento do ao

Para tirar o mximo partido dum ao, necessrio conhecer as suaspropriedades em funo da sua composio e as modificaesprovocadas pelos diversos tratamentos.


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PRODUO DO AO


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Produo do ao:

A matria prima (minrio deferro ou sucata, dependendodo processo) convertida emao lquido.

Processo com minrio deferro alto forno Processo com sucata forno de arco elctrico.

O ao fundido vazado emcontnuo (ou em lingotes) produtos semi-acabados:

brames - seco rectangularpara produtos em chapa.

blooms - seco quadradapara perfis.


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PelletsPellets

Alto FornoAlto Forno

CarvoCarvo

ConversoresConversores Vazamento contnuoVazamento contnuo

SlabsSlabs

TransporteTransporte

Laminagem quenteLaminagem quente

Laminagem a FrioLaminagem a FrioRevestimentoRevestimento


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Vazamento Contnuo


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Linha de Laminagem a Quente

Pr reduo

1 enrolamento

Linha de reduo final

Linha de arrefecimento

Enroladores

Fornos de reaquecimento


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Transporte Lule

Aquecimentodos slabs

Enrolador

Recozimento

Enrolamento

Laminagem a Frio

Decapagem

Fluxo de Produo


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Propriedades & Processos, ao HSLA/C-Mn

Re=Strckgrns

mnestemp

Re=Strckgrns

Deformation

Re=Strckgrns

Slutvalstemperatur

Re=Strckgrns

Kylningshastighet

Re=Strckgrns

Haspeltemperatur

Slagseghet

Temperatur

CMn steelHSLA

Roughing mill

Coil-box

ArefecimentoBobine

Acabamento

Yield Point Yield Point Yield Point Yield Point

Temperature Deformation

Yield Point Thoughness

Slab Temp Final Rolling Temp Cooling Rate Coiling Temp

Reaquecimento


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Linha de Decapagem

Armazem

Soldadura

Decapagem

lavagem

Secagem


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Linha de laminado a quente

1909

2000


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Linha de Laminagem a Quente


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Distribuio da ProduoSSAB

2002

Laminado a quente1 285

Laminado a Frio531

Reves. Metal.328

Prlacado

209

Total 2 353 kton


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O ao obtm-se por afinao da gusa branca em cuja operao se reduz apercentagem de C de 3.5 a menos de 1%. Esta operao consisteessencialmente num conjunto de oxidaes parciais produzidas por:

Aco de uma corrente de ar que atravessa a massa de gusa lquida(afinao por ar);

Aco de um xido de Fe (minrio ou sucata) num forno de soleira(afinao por soleira) ou no forno elctrico (afinao elctrica).

A eliminao do C realizada por uma oxidao em que o C se transforma

em xido de C e em gs carbnico.

A aco do O2 sente-se tambm sobre outros constituintes da gusa, tais comoo Mn, Si e o P, que tambm se oxidam e eliminam quer parcialmente quer

completamente.


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Por outro lado, tambm o Fe oxidado parcialmente, o que indesejvel por doismotivos:

1. Reduz o rendimento da operao;

2. A presena do FeO diminui as propriedades mecnicas do ao.

Torna-se ento necessrio que aps as oxidaes parciais se realize uma reduo doFeO formado. neste perodo de reduo do FeO que se poder eliminar o S, cujocontedo se mantm praticamente inaltervel durante a oxidao.

OXIDAO + REDUO AFINAO DA GUSA

Oxidao Eliminao do C e O2 (Si, P, Mn)

Reduo Qualidade do ao (adio de ferromangans, utiliza-se tambm o Si)


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P Torna o ao quebradio no estado frio

< 0.12%

S Torna o ao quebradio no estado quente

Controle do teor em Gases do ao O, N, H

O Desoxidao

N e H - Tratamento em vazio

Aos sem liga

Si < 0.5%

Mn < 1.5%


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O que um Ao ?

uma liga Ferro-Carbnica cujo teor em Carbonovaria entre 0.03% e 2.06%, contendo Si, Mn, P e S.

Pode possuir elementos de liga (aos ligados)variando o C entre aqueles limites.


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Como Evitar ?

ParagensParagensRejeieRejeiess

AjustamentosAjustamentos

AtrasosAtrasos


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FERRO - AO


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Ferro puro, ferrite, austenite

O ferro puro apresenta 3variedades alotrpicasestveis em gamas de

temperaturasdeterminadas:

Ferro Ferro Ferro

Pontos detransformao doferro; curva (t)


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Para alm dos fenmenos trmicos na mudana de estrutura cristalina, htambm variaes de volume.

Variao do parmetro a da redecristalina do ferro em funo da

temperatura

Densidade do ferro em funo datemperatura


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Estrutura CCC

a = 0,2866 nm

Estvel para temp. < 911 C

Solubilidade de C no Fe < 0,006%,

temp. ambiente

% de interstcios = 32%

N total de tomos por malha = 2

Os tomos de Fe tocam-se segundo asdiagonais de direco

Cada tomo tem 8 vizinhos mais prximos

Ferro , Ferrite


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Ferro , Austenite Estrutura CFC

a = 0,3647 nm

Estvel entre 911C e 1403C

Solubilidade de C no Fe < 2,1%

% de interstcios = 26%

N total de tomos por malha = 4

Estrutura muito deformvel

Os tomos de Fe tocam-se segundo as direces

Planos de mxima densidade atmica 111


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Vazios intersticiais na estrutura CFC

Na austenite um espao octaedral pode acomodar um tomo com um raio de

0,052 nm. Um vazio tetraedral acomoda um tomo de raio 0,028 nm (raio atmicodo C = 0,07 nm).

Assim, na austenite os tomos de C localizam-se em vazios octadricos, os demaiores dimenses.


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Vazios intersticiais na estrutura CCC

Na ferrite os espaos intersticiais so menores. Um vazio tetradrico aloja

um tomo de raio 0,035 nm e um octadrico um tomo de raio 0,019 nm.Os espaos octadricos no so simtricos, pelo que a incluso de um tomo nesses locaisorigina deformaes de malha importantes. Mas os tomos de C inserem-se nos espaosoctadricos pois assim a energia do cristal no aumentar de forma acentuada: d-se uma

deformao provocada pelo afastamento de apenas 2 tomos.


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Diagramas de equilbrio

O estado de equilbrio termodinmico das ligas metlicas estudado por intermdio do diagrama de equilbrio ou de

fases. Excluindo o estado lquido, distingue-se 2 tipos defases:

Solues slidas (insero e substituio)

Compostos definidos (AxBy)

cujos domnios de estabilidade so fornecidos pelodiagrama de equilbrio.


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A determinao dos diagramas de equilbrio pode ser feitapor exemplo poranlise trmica:

O ajustamento da composio dos cristais composio dada pelo diagrama um problema de difuso para o qual preciso um longo tempo.

Os diagramas sero vlidos, ento, apenas se o arrefecimento for feitomuito lentamente.


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Regras de interpretao e de leitura

Domnios bifsicos:

Regra dos segmentos inversos

%1

=NP

MP100

%2 =MN

MP 100


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Estudo duma reaco eutctica


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Estudo dumareaco

eutectide


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Diagramas de equilbrio Fe-C

Diagrama das ligas Fe-C (metaestvel)


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Diagrama de equilbrio Fe-C

Esto presentes as seguintes fases:

Ferrite : soluo slida de insero de carbono no ferro (solubilidade mxima 0,03% em massa a 723C). O ferro CCC.

Ferrite : soluo slida de insero de carbono no ferro (solubilidade mxima 0,1% em massa a 1493C). O ferro CCC.

Austenite : soluo slida de insero de carbono no ferro (solubilidade mxima 2,1% em massa a 1147C). O ferro CFC.

Cementite ou carboneto de ferro Fe3C: a sua composiocorresponde a um teor de 6,67% em massa de carbono. Estecarboneto um composto intersticial de malha ortorrmbica..


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Constituio

dos aos

Estado

Recozido

Estado


Recozido


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Ao Construo

F10 (0.45% C)

Estado Natural

Ao Construo

F10 (0.45% C)

Estado Natural

Ao Carbono Ferr.

Combatente (0.55% C)

Estado Natural


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Ao Rpido

Ark Superior (0.75% C)

Estado Recozido

Ao ao C Ferr.

Fagersta 20 (1.05% C)

Estado Recozido

Ao Ferr. Trabalho a Frio

RL 200 (2.10% C)

Estado Recozido


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Ao ao C

Linhas de fluxo

Ao Inoxidvel Austentico


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Ferro Fundido Cinzento

Lamelar

Ferro Fundido Nodular Ferro Branco


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Transformao eutectide perlticaExceptuando os aos com menos de 0,03%C, todas as ligas ferrosas contmem propores variveis o constituinte eutectide perlite.

A perlite um agregado eutectide obtido pela transformao isotrmica daaustenite (E) segundo:

(E') E'

(S' 1 )+Fe3C

Para a temperatura E, para todas as ligas tais que %C>0,03%, a austenitetem o mesmo teor em carbono (0,86%: E).

A perlite um constituinte bifsico, cujas fraces mssicas so:

massa Fe3C eut.

massa perlite

=0,86-0,03

6,67-0,03

= 0,13;massa eut.

massa perlite

= 0,87


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Transformao eutectide perltica

O agregado em geral lamelar, formado por lamelas alternadas de Fe3C e de. A fase nucleante a cementite. A germinao recproca e faz-se a partirdas juntas de gro da fase -me: o crescimento cooperativo e faz-se semrelao cristalogrfica com a fase -me. Faz intervir a difuso do carbono.

Com um tratamento trmico trmico apropriado possvel obter directamenteou a partir duma perlite lamelar uma perlite globular: formada por glbulos deFe3C numa matriz ferrtica estado menos duro e maisestado menos duro e mais deformveldeformvel.

Parmetro importante

EspaamentoInterlamelar.


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Transformao eutectide perltica

Se a %C < 0.25 Tamanho de gro ferrtico condiciona E

0.25 < %C < 0.8 Espao interlamelar condiciona E

E = 2.18 (S-1/2) 0.40 (P-1/2) 2.88 (d-1/2) + 52.3 (MPa) (Krauss pag. 123)

S Espao interlamelar mdio

P Tamanho das colnias de perlite

d Tamanho de gro austentico


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Influncia da veloc. arrefecimento nos pontos de transformao

As transformaes no aquecimento e no arrefecimento so diferentes.

Em geral a histerese no aquecimento pequena e Ac uma boaaproximao de Ae, enquanto Ar depende muito da velocidade dearrefecimento e pode afastar-se muito de Ae.

Uma consequncia a impossibilidade de usar os valores numricos dodiagrama para determinar as fraces mssicas das fases formadas.


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Influncia da veloc. arrefecimento nos pontos de transformao

A dilatometria absoluta ou diferencial permite a determinao da posio dospontos crticos. Na segunda tcnica compara-se em cada instante a dilatao

dum provete do ao com um provete de referncia (pyros). A curva registada :

prov. pyros( )= f() ( : dilatao)A interpretao destes registos baseia-se no facto da transformao se darcom uma contraco e inversamente com uma dilatao, e que


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Influncia da veloc. de arrefecimento sobre a microestrutura

O diagrama de equilbrio permite determinar a natureza dos constituintes mas nopermite prever a morfologia que define a microestrutura do metal. Esta

microestrutura que depende das condies de germinao e crescimento fixadapelas condies de arrefecimento.

Caso dum ao com 0,4%C:

i d ilb i C


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Influncia da veloc. de arrefecimento sobre a microestrutura

O espao inter-lamelar, , na perlite, depende tambm da velocidade de

arrefecimento, V; diminui com V (para aumentar a velocidade de difuso, oespao entre as lamelas reduz-se; a distncia que o C percorre para sedistribuir entre a ferrite e a cementite diminui).

Em resumo: O aumento da velocidade de arrefecimento conduz a estruturas com mais

perlite (aos hipo) e cada vez mais finas, tanto dos gros ferrticos (poligonaisequiaxiais poligonais irregulares aciculares) como da perlite o que se

traduz num aumento da tenso limite de elasticidade.

O controlo da velocidade de arrefecimento ento um meio de controlar amicroestrutura dos aos.

Di d ilb i F C


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Relao entre a microestrutura e as propriedades mecnicas

Os aos hipoeutectoides no ligados so as ligas ferrosas mais utilizadas. No

estado ferrtico-perltico, fornecem as solues mais correntes em construometlica (pontes, vigas, chapas para carroaria,...)

As propriedades mecnicas deste tipo de ao dependem de:

Fraces mssicas, determinadas pelo diagrama de equilbrio,

Parmetros microestruturais: tamanho de gro d da ferrite e espaointer-lamelar da perlite, que dependem da velocidade dearrefecimento a partir do estado austentico.

Di d ilb i F C


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Caractersticas mecnicas dos constituintes dos aos no estado recozido

Ferrite Perlite Cementiter (MPa) 300 850Dureza 80 HB 180 HB 700 a 800 HV

A% 40 15

Influncia dos parmetros microestruturais

e Tenacidade ao choqueSe d Se


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Diagrama de equilbrio Fe C


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Influncia da % de C sobre as caractersticas de traco



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Influncia da % de C sobre as caractersticas de tenacidade

ao choque



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Influncia da microestrutura sobre as caractersticas de

traco



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Influncia da microestrutura sobre as caractersticas de

tenacidade ao choque

Estruturas microgrficas que surgem com o aumento da Veloc (V)


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Estruturas microgrficas que surgem com o aumento da Veloc. (V)

Austenite Perlite grosseiraPerlite fina

Perlite muito finaV

Bainite superiorBainite inferior

Martensite Sem difuso

Transf. atrmica

Com difuso Transf. isotrmicas

Com o aumento de V, vo-se formando estruturas menos deacordo com o diagrama de equilbrio Fe-C



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Transformao baintica - Bainite superiorA ferrite forma-se em ripas, e carbonetos de ferro precipitam entre essas

ripas paralelamente a estas. A presena inter-ripas dos carbonetosfrgeis d ms propriedades de tenacidade bainite superior.

Ao 4360,

transformado a495C ( 750)

Microscopia electrnica Microscopia ptica

B

M



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Transformao baintica - Bainite inferiorA ferrite cada vez mais acicular. A difuso do C tambm se torna difcil. Asagulhas de ferrite esto sobre-saturadas em C. Os carbonetos de ferro precipitam no interior das agulhas sob a forma de pequenas placas muito finas,semi-coerentes com a matriz ferrtica. H um endurecimento por precipitaodando um bom compromisso entre o limite elstico e a tenacidade.

Ao 4360,transformado

a 300C(750)

M

B

Microscopia electrnica

Microscopia ptica



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Transformao bainticaA dureza das estruturas bainticas dos aos resulta da combinao dos efeitos de:

1. Finura do gro da ferrite baintica2. Elevado n e grande disperso de finos carbonetos3. Tenses internas resultantes da dilatao que acompanha quer a

precipitao de ferrite quer a precipitao de carbonetos

4. Elevada densidade de deslocaes relacionada com as tenses resultantesda transformao por corte e provavelmente com a prpria existncia doscarbonetos precipitados

5. Carbono dissolvido na ferrite baintica (normalmente sobressaturada, em

maior ou menor grau)A contribuio de cada um destes factores para a dureza final da bainitedepende, em larga medida da composio do ao, nomeadamente do seuteor em C e da temperatura de transformao.



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s u u s c og c s que su ge co o u e o d Ve oc. (V)

Ao de MolasRAM 208 (0.55%C)



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g q g ( )

Transformao MartensticaAo contrrio das transformaes vistas anteriormente, as transformaesmartensticas caracterizam-se por pura e simples ausncia de difuso (com

um arrefecimento muito intenso, por ex. gua fria, suprime-se a movimentaoatmica.

No caso dos aos, a possibilidade de endurecer o ao por transformaomartenstica sujeita a 2 condies indispensveis:

Condio metalrgica:

Existncia dum domnio austentico () Existncia da transformao ()

Condio trmica:

Possibilidade de arrefecer o ao a uma veloc. suficiente a partir do estadoaustentico de maneira a provocar a formao de constituintes fora de equilbrio,

nomeadamente a martensite.



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g q g ( )

Transformao Martenstica

A difuso no intervindo na transformaomartenstica, a martensite tem por

conseguinte a mesma composio que aaustenite inicial (que pode ser diferente dado ao se a austenitizao for parcial).

Em particular a martensite est

sobressaturada em carbono em relao auma ferrite de equilbrio.

A martensite tem uma estrutura cristalinaquadrtica ou tetragonal centrada na qualos tomos de carbono em insero ocupampreferencialmente os interstcios z. Arelao c/a da malha dependeessencialmente do teor em carbono.

Malha de martensite tomo de C (interstcio z)

A martensite um constituinte dedureza elevada.

Esta dureza devida a uma fortedensidade de deslocaesassociada a um caso extremo de

endurecimento por soluo slidade insero do carbono.



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g q g ( )

Transformao MartensticaA martensite obtida por corte complexo da rede de austenite, i.e., pormovimento cooperativo dos tomos todos numa certa direco de pequena

distncia. Aparece escala microgrfica sob a forma de pequenas placas ou deagulhas.

Os germes de corte soinduzidos pelas concentraeslocais de tenses.

A formao duma agulha de

martensite est associada auma micro-relevo



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Porqu que a martensite est cheiade deslocaes e maclas?

A deformao da rede causa a rotaodo cristal inicial.

No entanto a fase me que est voltaobriga a unidade de martensite aacomodar-se ou deformar-se demaneira a ficar dentro das fronteiras

iniciais. Na fig. (c) a martensite deforma-se por

deslizamento e na (d) por maclagem.Quanto maior for a % de C maior a

deformao.



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Morfologia da martensite:

%C>1: placa agulhas grandes e pequenas

orientadas aleatoriamente visveis no microscpio ptico

%C


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Ao Moldes Plstico

PM300 (0.33% C)

Estado Tratado

Ao Molas

RAM 208 (0.55% C)

Estado Tratado

Ao Construo Ligado

FR3 (0.34% C)

Estado Tratado



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Transformao MartensticaTemperaturas Ms e Mf

A austenite comea a transformar-se em martensite a uma temperatura Ms(martensite start). A temperatura Mf (martensite finish) corresponde ao fim datransformao AM. Se a temperatura do banho i de tmpera tal queMs>i>Mf, a transformao martenstica incompleta. A austenite no

transformada em martensite a austenite residual res.



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A dureza da martensitedepende principalmente doteor em carbono da austeniteque a origina.



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Para aos cujos teores em carbono e elementos de liga so suficientemente

elevados, o ponto Mf encontra-se nitidamente abaixo da temperatura ambiente.Depois da tmpera pode ento haver uma quantidade de austenite residual maisou menos importante.

A presena de res

pode ter influncia sobre:

Caractersticas mecnicas: diminuio de R, E, H Estabilidade dimensional: a transformao res M pode ter lugar por

encruamento (ex: pista de rolamentos de um rolamento)

Pode-se diminuir a percentagem de res por:

Tratamento criognico (frio) volta de -80 at -120C (mais prximo de Mf),

Revenido aps tmpera

DiagramaFeC

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