Aços e ferros fundidos - chiaverini, Notas de estudo de Engenharia Mecânica
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Este é um livro tradicional. Foi a primeira obra brasileira a falar de forma tão ampla e direta sobre tratamentos térmicos e seleção de materiais. TAGS: Mecânica Materiais / Metalurgia / Aços / Ferros Fundidos
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ÍNDICE PREFÁCIO DA PRIMEIRA EDIÇÃO... 15 PREFÁCIO DA SEXTA EDIÇÃO .. 7 INTRODUÇÃO ... ' 19 |-— DEFINIÇÕES, DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO FERRO-CARBONO. EFEITOS DOS ELEMENTOS DE LIGA SOBRE AS LINHAS DE TRANSFORMAÇÃO . 2” 1 Definições .. 21 2. Alotropia do ferro puro n 3. Diagrama de equilíbrio Fe-C 23 3.1. Transformações que ocorrem entre O e 2,11% de carbono . 25 . 3.2. Alguns aspectos do fenômeno de solidificação dos aços. 3 4. Propriedades dos constituintes dos aços e sus influência sobre os caracte- rísticos mecânicos destes . 32 5. Efeito do esfriamento e do aquecimento sobre a posição das linhas de trans- formação. . 35 6. Efeito dos elementos de liga sobre o diagrama de equilíbrio Fe-C 36 — EFEITO DA VELOCIDADE DE ESFRIAMENTO SOBRE A TRANSFORMAÇÃO DA AUS- TENITA. DIAGRAMA “TRANSFORMAÇÃO TEMPO TEMPERATURA" .. 4 1. Efeito da velocidade de esfriamento sobre a transformação da austenita.... 41 2. Transformação isotérmica. Curva TTT ou em C (também chamada em SJ. 42 3. Constituintes resultantes da transformação da austenita e seus característicos 45 4. Curvas TTT pera aços hipoeutetóides é hipereutetóides.. . 48 5. Transformação em resfriamento contínuo as 6. Efeito da secção da peça... 50 W — FATORES QUE AFETAM A POSIÇÃO DAS CURVAS DO DIAGRAMA TTT. ENDU- RECIBILIDADE OU TEMPERABILIDADE .. 53 1. Fatores que influem na posição de-curvas TTT. 53 2. Austenita retida ou residual. 82 3. Endurecibilidade ou temperabilidade e3 4. Avaliação da temperabilidade 84 5. Medida da temperabilidade 65 +5.1. Método de Grossmann. 65 “5.2. Método de Jominy 87 5.3. Ensaio “SAC”. 72 6. Fatores que afetam a temperabilidade 72 7. Importância prática da temperabilidade. Faixas de temperabilidade . 74 8. Novo método de traçado de curvas de resfriamento. n | — TRATAMENTO TÉRMICO DOS AÇOS. RECOZIMENTO, NORMALIZAÇÃO, TÊMPERA E REVENIDO; COALESCIMENTO 8 1. Introdução. 2. Fatores de influência nos tratamentos térmicas AÇOSE FERROS FUNDIDOS 2.1. Aquecimento. az 2.2. Tempo à temperatura de aquecimento 83 2.3. Resfriamento. as 2.4: Atmosfera do forno 86 3.4 Recozimento . 87 3.1. Recozimento total ou pierio. 82 3.2, Recozimento isotérmico ou cíclico. E 3. Recozimento para alívio de tensões 92 4. Recozimento em caixa . E 3.5. Esferoidização 93 “4. Normalização 93 5, Têmperô.... 95 6. Revenido 99 6.1. Fragilidade de revenido. 102 6.2. Transformação da austenita retida . 103 7. Coalescimento.... V — TÊMPERA SUPERFICIAL .. Introdução . Têmpera por chama . 107 Têmpera por indução. 109 Outros métodos de têmpera superfícia Revenido dos aços temperados superficialmente. Aços recomendados na têmpera superficial Conclusões NOM AL ví — AUSTÊMPERA, MARTÊMPERA E OUTROS TRATAMENTOS TÉRMICOS. 1 Austêmpera . 2, Martêmpera . 3. Endurecimento por precipitação. 'W — TRATAMENTOS TERMO-QUÍMICOS: CEMENTAÇÃO, NITRETAÇÃO, CIANETAÇÃO : E CARBO-NITRETRAÇÃO.. a 1, Definições 2 Cementação. Considerações gerais sobre a cementação. Cementação a alta temperatura .. Rleações fundamentais na cementação Processos de cementação 2.4.1. Cementação sólida ou em caixa. 2.4.2. Cementação a gás 2.4.3. Cementação líquida 2.5. Cementação sob vácuo... 2.6. Tratamentos térmicos na cementação. 3, Nitretação.. 3. Nitretação a gás. Nitretação líquida ou em banho de saí 3.3. Outros processos de nitretação líquida 3.4. lonitretação . 4. Cianetação. 5. Carbonitretação . 5.1. Nitrocarbonetação ferrítica 5.2. Sulfocarbonitretação gasosa. 1.8. - Boretação..... VII — PRÁTICA DOS TRATAMENTOS TÉRMICOS... 1. Generalidades. 2.1. Ferramentas e dispositivos manuais... 2.2: Meios de resfriamento 150 2.3, Côndições de aqueciment 151 2.4. Preservação da superfície .. 151 2.5. Avaliação da temperatura . 152 Atmosforas controladas - AÇOS E FERROS FUNDIDOS 9 IX — AÇOS-CARSONO E AÇOS-LIGA. CLASSIFICAÇÃO, PROPRIEDADES MEGÂNICAS E FATORES DE QUE DEPENDEM , 159 1. Sistemas de classificação dos aços .. . 159 2. Impurezas normais dos aços-carbono e inclusões não-metáficas. . 161 3. Propriedades mecânicas dos aços-carbono. . 166 4. Importância e limitações dos aços-carbono . 168 5. Aços-liga; efeitos dós elementos de liga; propriedades mecêni an 5.1. Tendência da distribuição dos elementos de liga nos.dgos recazidos 171 5.2. Efeito dos elementos de liga sobre a ferrita 172 5.3. Efeito dos elementos de liga nos carbonetos 3 5.4. Efeito dos elementos de liga na forma de inclusões não-metálicas .. 173 5.5. Efeito dos elementos de liga na forma de compostos inter-metálicos 174 5.6. Efeito dos elementos de liga na forma de partículas disparsas.. 6. Efeito dos elementos de liga na formação da austenita e na sua transformação 174 7. Efeito dos elementos de liga na faixa de temperaturas de formação da martensita . 175 8. Eleito dos elementos de liga no revenido . 176 9. Recapitulação dos efeitos dos elementos de liga nos aços . 176 10. Classificação dos aços-carbono e dos aços-liga.. . 184 10.1. Classificação de acordo com a composição química . . 185 10.2. Classificação de acordo com a estrutura. 10.3. Classificação de acordo com a aplicação 185 185 X — AÇOS PARA FUNDIÇÃO... 1. Introdução... 2. Considerações a respeito do projeto . 2.1. Forma da peça... 2.2. Escolha das espessuras das paredes 23. Espessura de membros e nervuras. 2.4. Prevenção de defeitos causados pela contração . 2.5. Condições de vazamento e moldagem. 3. Tipos de aços para fundição. 3.1. Aços-carbono para fundiçã 3,2. Aços-liga para fundição 3.3. Áçosiga para fundição com mais de um elemento de liga 4. Tratamentos térmicos dos aços para fundição . 5. Soldabilidade dos aços para fundição.. XI — AÇOS ESTRUTURAIS. 1. Introdução... 2. Aços-carbono para estruturas . 3. Aços de alia resistência e baixo teor em liga. 3.1. Tipos de aços de alta resistência e baixo teor em liga. 3.2. Aplicações 4. Conclusões. XI] — AÇOS PARA TRILHOS .. XI — AÇOS PARA CHAPAS. Introdução ... Tipos de chapas . Aços para chapas Problemas de fabricação Propriedades das chapas de aço Defeitos das chapas de aço. Tratamentos das chapas. Chapas e tiras de aço de baixo carbono modificado. Revestimentos de chapas de aço 10. Chapas grossas de aço.. sendo dito — XIV — AÇOS PARA TUBOS... 1. Introdução... 2. Tipos de tubos e aços para tubos AÇOS E FERROS FUNDIDOS XV — AÇOS PARA ARAMES E FIOS 247 1. Introdução 247 2. Tipos de arames; aços e tratamentos correspondentes 250 3. Aplicações 255 XVI — We MOLAS. rodução 1, 257 2. Fabricação e composição química. 258 3. Molas helicoidais .. 266 4, Molas semi-elípticas 268 5. Conclusões 270 6. Aços altemativos para mola: 273 XVIt — AÇOS DE USINAGEM FÁCIL.. ..273 1. Introdução... 273 2. Fatores metalúrgicos que influenciam a usinabilidade. 274 3. Tipos de aços de usinagém fácil... 275 3.1. Tipos com inclusões não metálicas . 275 3.2, Tipos com introdução de chumbo. 279 3.3. Outras adições... 279 XViil — AÇOS PARA -CEMENTAÇÃO 1. Seleção do aço ... 283 1.1. Meio de resfriamento 283 1.2) Tipo e grau de tensões . 283 2. Aços pera cemêntação . 285 2.1. Aços-carbono para cementação.. 285 2.2. Açosiga de baixo teor em liga . 286 2.3. Aços-liga de alto teor em liga. 286 3. Seleção do tratamento térmico .... 288 XIX — AÇOS PARA NITRETAÇÃO.. .. 289 1. Introdução... 289 2. Aços para nitretação . 289 XX — AÇOS PARA FERRAMENTAS E MATRIZES . 293 1. Introdução .. 293 2. Característicos fundamentais dos aços para ferramentas e matrizes 293 2.1. Dureza à temp: ambiente . 293 2.2. Resistência ao 293 3 Temperabilida: 294 2%. Tenacidade. . 294 2.5. Resistência . 294 26. Qureza a quente | 295 2.7. Tamanho de grão . . 295 2.8. Usinabilidade . . 296 3. Condições que permitem atingir os requisitos exigidos nos aços para ferramentas e matrizes .. . 3.1. Composição química . 296 3.2. Tratamento térmico, . 298 4. Classificação e seleção dos aços para ferramentas e matrizes . . 299 5. Aços temperáveis em água... , 302 5.1. Tratamentos térmicos dos aços temperáveis em água . 303 5.2. Aplicações dos aços temperáveis em água. . 306 6. Aços resistentes ao choque . 307 6.1. Aplicações dos aços resistentes ao choque . 309 7. Aços-fartamenta para moldes. .312 7.1. Aplicações dos aços-ferramentas para moides .315 Aços-ferramenta para fins especiais .316 8.1. Aços-farramenta tipo ” fi . 316 Ea rea à to et 4 AÇOSE FERROS FUNDIDOS “ 8.2. Aços ao tungstênio para acabamento... 8.3. Aços de alto carbono e baixo teor em liga 8.4. Aços semi-tópidos . 8.5. Aços grafíticos. 9. Aços para trabalho a frio 10. Aços para trabalho a quente. n- agos rápidos... Composição dos aços rápidos . Propriadades dos aços rápidos Estrutura, curvas de transformação isotérmica é tratamentos térmi- cos dos aços rápidos... 11.3.1, Tratamentos térmicos dos aços rápidos 348 11.3.2. Tratamento sub-zero . 11.3.3. Têmpeta para formação de bainita. 11.34. Nitretação dos aços rápidos 11.4. Aços rápidos fundidos... 17.5. Revestimentos duros em aços para ferramentas . XXI — AÇOS RESISTENTES AO DESGASTE ... 1. Introdução... 2. Aços-manganês austeníticos. 2.1. Tratamento térmico dos aços Hadfield 2.2. Adição de outros elementos de liga nos aços Hadfield 2.3. Característicos gerais dos aços-manganês tipo Hadfield . 3. Aços carbono-croma XXU — AÇOS RESISTENTES À CORROSÃO .... 1. Introdução 1.1. Corrosão atmosférics 1.2. Corrosão no solo.. 1.3. Corrosão na água doce . 1.4. Corrosão em água salgada. Principios da proteção à corrosão. Contribuição do cromo .. Fatores de que depende a passividade dos aços resistentes à corrosão. 4.1. Composição química 4.2. Condições de oxidação . 4.3. Suscetibilidade à corrosão localizada 4.4. Suscetibilidade à corrosão intergranular . 4.5. Outros fatores 5. Classificação e constituição dos aços inoxidáveis 5.1. Efeito do cromo 5.2. Efeito do níquel. 6. Aços inoxidáveis martensíticos. 6.1. Propriedades a aplicações. 08 6.2. Tratamentos térmicos. dos aços irá 7. aços inoxidáveis ferríticos 7.4. Propriedades e aplicações dos aços inoxidáveis ferríticos 7.2. Tiatamentos térmicos dos aços inoxidáveis ferríticos. B. Aços austeníticos .... dé... 8.1. Propriedades e empregos dos aços Inoxidáveis austeníticos . 8.2. Tretamentos térmicos dos aços inoxidáveis austaníticos 8.2.1. Solubilização . 8.2.2. Alívio de tensões. 8.2.3. Estabilização . 8.2.4. Tratamentos termo-químicos 9. Aços inoxidáveis endurecíveis por precipitaç: 10, Aços nitrônicos ... 11. Peças fundidas de aços resistentes à corrosão 12. Novos desenvolvimentos no campo dos aços inoxidáveis . ron inoxidáveis martensíticos idáveis martensítico: Xxill — AÇOS RESISTENTES AQ CALOR... 1. Introdução Wo 12 AÇOS E FERROS FUNDIDOS Resistência à corrosão e à oxidação a altas temperaturas . 491 Resistência à fluência ... Expansão térmica... 1.4. Estabilidade estrutural Elementos de liga nos aços resistentes ao calor Tipquas aços resistentes ao calar... AçoMndidos resistentes ao calor . Conefi 1. 1. 1. viva 404 405 407 414 415 sr XxIv — AÇÕS PARA FINS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS. 1. Introdução... 419 1.1. Magnetismo 419 12. Intensidade de um campo magnética ou força magnetizante 420 1.3. Intensidade de magnetização e indução magnética . 420 1.4. Intensidade de saturação 420 1.5. Pormeabilidade 42 1.6. Suscetibilidade. 42 2. Propriedades magnéticas da ma 42 21. Domínios ferromagnéticos 423 22. Curva de magnetização. 423 2.3. Característicos das curvas de magnetização 426 2.4, Arisotropia dos meterisis magnético; 426 2.5. Efeito de inclusões, fissuras e constituintes não-magnéticos 426 2.8. Influência da temperatura nas propriedades ferromagnéticas 426 2.7. Magnetoestricção 428 3. Metais e ligas pera a indústria elétrica . 429 3.1. Materiais imagneticamente moles . 430 3.2. Materiais com permeabilidade constante 435 3.3. Materiais para imãs permanentes... 437 XXV — AÇOS ULTRA-RESISTENTES E AÇOS CRIOGÊNICOS... 1. Introdução. ... 443 2. Aços ultra-resistentes . 443 2.1. Aços “maraging . 446 2.2. Conclusões. . 448 3. Aços criogênicos . . 449 3.1. Temperatura de transição... . 449 XXVI — AÇOS SINTERIZADOS. . 457 1. Introdução... . 457 2. Produção de peças sinterizadas de ferro e aço. . 457 2.1. Seleção de matéria prima . 457 22. Compressão. 23. Sinterização... 24. Recompressão ou calibragem 2.5. Acabamento... . 459 2.6, AMermativas do processo de fabricação de peças de ferro e aço...... 480 2.7. Forjado sinterizado.. . 461 .B. Considerações sobre O projeto de peças sinterizadas de aço.......... 464 a. Tipos de ferro 6 aço sinterizados, suas propriedades e eplicações .. . 465 XXVI — FERROS FUNDIDOS - GENERALIDADES... an 1. Introdução «am 2. Definições «am 3. Diagrama de equilíbrio Fe-C para a feixa correspondente aos ferros fundidos 472 4. Diagrama de equilibrio Fe-C-Si. 476 5. Fatores que influem na estrutura do ferro fundido . 478 5.1. Composição química.. .478 5.2. Velocidade de resfriamento . . 480 8 Componentes estruturais dos ferros fundidos . 482 7. Fatores outros que influem nos característicos de grafitização dos ferros fun- didos ... » 482 AÇOS E FERROS FUNDIDOS 13 XXVII — FERROS FUNDIDOS BRANCOS. 1. Introdução... 2. Efeito das elementos de liga 3. Tratamentos térmicos... 4. Aplicações típicas do ferro fundido branco ou coquilhado . XXIX — FERROS FUNDIDOS CINZENTOS... Introdução Classificação dos ferros fundidos cinzentos . Propriedades dos farros fundidos cinzento: Aplicações do ferro fundido cinzento .. Elementos de liga nos ferros fundidos cinzentos. Ferros fundidos ligados. 5.1. Efeitos dos elementos de liga. 5.2. Ferros fundidos cinzentos de baixo teor em liga. 5.3. Ferros fundidos de alto teor em liga Tratamentos térmicos dos ferros fundidos cinzentos 6.1. Alivio de tensões ou envelhecimento artificial . Recozimento... Normalização... Têmpera e revenidi Tratamentos isotérmicos 8.6, Endurecimento superficial. nbuin posa natim XXX — FERROS FUNDIDOS MALEÁVEIS.. 1. Introdução... 2. Processos de méleabilização .. 2.1. Maleabilização por descarbonetação 525 2.2, Maleabilização por grafitização 527 3. Propriedade do ferro fundido maleável 528 4. Maltável porlítico 529 5. Outros característicos dos ferros fundidos maleávei 532 8 Aplicações do ferro fundido maleável... XXX! — FERRO FUNDIDO DE GRAFITA COMPACTADA, 1. Introdução 2. Propriedades XXXi — FERROS FUNDIDOS DÚCTEIS OU NODULARES .... 1. Introdução .. 2. Processo de fabricação do ferto nodular 537 3. Tiatamentos-térmicos do ferro nodular . 539 3.1. Alívio de tensões . 539 3.2. Recozimento 539 3.3. Normalização. 540 3.4, Têmpera 6 revenido 540 3.5. Austêmpeta. 540 3.6. Tómpera superficial 540 4. Especificações é propriedades do ferro fundido nodutar 540 5. Ferro fundido nodular ligado 5.1. Aplicações... BIBLIOGRAFIA ÍNDICE ANALÍTICO .... DEFINIÇÕES. DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO FERRO-CARBONO. EFEITOS DOS ELEMENTOS DE LIGA SOBRE AS LINHAS DE TRANSFORMAÇÃO 1. Definições — O aço é uma liga de natureza retativamente complexa e sua defi- nição não é simples, visto que, a rigor os aços comerciais não são ligas binárias: de fato, apesar dos seus principais elementos de liga serem o ferro e o carbona, eles con- têm sempre outros elementos secundários, presentes devido aos processos de fabrica- gão. Nessas condições, a definição adotada nesta obra é a seguinte: “Aço é a liga ferro-carbono contendo geralmente 0,008% até aproximadamente 2,11% de car- bono, além de certos elementos residuais, resultantes dos processos de fabricação”. O limite inferior a 0,008% corresponde à máxima solubilidade do carbono no fer- ro à temperatura ambiente e o limite superior 2,11% correspondente à máxima quanti- dade de carbono que se dissolve no ferro e que ocorre a 1148ºC(*). Essa quantidade máxima de 2,0% (ou 2,11% conforme se verifica no diagrama de equilíbrio) depende, por outro lado, da presença ou não nos aços de elementos de liga ou da presença dos elementos residuais em teores superiores aos normais. Nessas condições será necessário, para se ter uma definição mais precisa, considerar dois ti- pos fundamentais de aço: — Aço-carbono ou “liga ferro-carbono contendo geralmente 0,008% até cerca de 2,1% de car- bono, além de certos elemêntos residuais resultantes dos processos de fabricação”; — eço-liga ou "aço-cerbano que contém outros elementos de liga ou apresenta os elementos residuais em teores acima dos que são considerados normais”. 2. Alotropia de ferro puro — O ferro é um metal que se caracteriza por apresentar várias fases alotrópicas. (fig. 1). A temperatura ou ponto de fusão do ferro é 1538ºC; abaixo dessa temperatura, o ferro cristaliza de acordo com um reticulado cúbico centra- do e a forma alotrópica correspondente é chamada “delta”. Essa forma persiste estável até que se alcance a temperatura de cerca de 1394º€; nesse instante, ocorre uma re- disposição espontânea dos átomos e forma-se um novo reticulado — o cúbico de face centrada que corresponde à forma alotrópica do ferro chamada de “gama'. Declinando mais a temperatura a cerca de 912º€, ocorre nova transformação alotrópica, com novo rearranjo atômico, voltando o reticulado a readquirir a forma cúbica centrada; essa for- ma alotrópica é chamada “alfa”, Abaixo de 912ºC, não ocorre mais qualquer rearranjo atômico. Não surge, pois, nenhuma nova forma alotrópica. Entretanto, a cerca de 770ºC (*) O valor de 2,11% adotado para timite de solubilidade da carbono no ferro é de conformidade com o diagrama de equilíbrio Fe-C da obra “Metallography, Structure and Phase Diagrams”, volume 8, do Metals Handbook. 22 AÇOS E FERROS FUNDIDOS verifica-se uma outra transformação, ou seja o ferro começa a comportar-se ferromag- neticamente. À temperatura de 770ºC corresponde o ponto chamado de “ponto Curie” e a transformação ocorre devido não a um rearranjo atômico, mas sim a um rearranjo dos “spins” (*) dos elétrons de cada átomo. Quando a esse fenômeno se considerava corresponder uma nova forma alotrópica, o ferro era chamado de “beta”. A cada transformação alotrópica corresponde um desprendimento de calor laten- te de fusão, como aliás ocorre quando o ferro líquido solidifica. Assim, durante a solifi- cação e por ocasião das transformações alotrópicas, verificam-se mudanças de energia que causam descontinuidade nas curvas de resfriamento e aquecimento, que são tra- duzidas graficamente quer como uma “parada” a uma temperatura constante, quer co- mo uma modificação na inclinação da curva (fig. 1). Como essas paradas foram deter- minadas pelo francês Le Chatelier em primeiro lugar a terminologia original continua sendo usada para indicá-las. A ocorrência de uma parada é indicada pela letra “A” (do francês “arrêt”"). Se a transformação ocorrer no resfriamento utiliza-se como índice a letra “r” frefroidissement"); se ocorrer durante o aquecimento, o índice é a letra “c” (chauffage”). A rigor os pontos Ac e Ár não coincidem exatamente, a não ser que as Ferro D ESFRIAMENTO Liquido po tttmeto AL jdo Salidificação 1838 Liquido = Satigo as ue 5 my so g5E« tnão magnético) TEMPERATURA tro dra foão mognético) imogostizo) oc Ta TEMPERATURA AMBIENTE rEMPO Fig. 1 — Representação esquemática das transformações alotrópicas do ferro, mostrando-se, à direita, curvas de resfriamento e aquecimento com a nomenclatura usualmente empregada para indicar os vários pontos em que ocorrem as transformações e as várias fases presentes. (*) Os elétrons possuem um movimento magnético é podem ser visualizados com piões girando em torho de um eixo que passa pelo seu centra Visto que uma carga elérrica girante cria um campo ele- tromagnático, os elétrons podem ser imaginados como pequenos imãs e concebidos como piões que giram; eles podem gitar para a esquerda ou para a direita: diz-se então que possusm “spin” positivo du negativo. DEFINIÇÕES, DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO FERRO-CARBONO 23 velocidades de resfriamento e aquecimento sejam extremamente ou infinitamente len- tas, então, ter-se-ia uma única'temperatura de equilíbrio e Ac e Ar coincidiriam com Ae tfig. 1). A faurg 1 indica também as transfórmações correspondentes ao “ponto Curie”. É importante assinalar, desde já, que a forma alotrópica gamá de ferro tem capa- cidade de dissolver uma apreciável quantidade de carbono, ao passo que o mesmo não ocorre com a forma alotrópica alfa, que só pode manter em solução quantidades míni- mas ou desprezíveis de carbono, como aliás se verá mais adiante. 3. Diagrama de equilíbrio Fe-C — É imprescindível para o conhecimento perfeito dos aços, o estudo do seu diagrama de equilíbrio. A figura 2 mostra o diagrama da liga binária Fe-C. para teores de carbono até 6,7%. Esse diagrama é geralmente repre- sentado até 6,7% de carbono, porque este elemento forma com o ferro o composto FesC que contém, aproximadamente, 6,7% de carbona. Por outro, lado, pouco ou nada se conhece acima desse teor; na realidade, acima de 4,0% a 4,5% de carbono, essas ligas apresentam pequena ou nenhuma importância comercial, 1600 D a T Liquido + Feô Ê 1538 — 0,53% / 4 009% 4 1394 | Líquido YZ Liquido 4) ratio — Líquido f ! % 4 . “on Austanita . f 200 “e Ca 2s%c ' Austanita trari y a. º 1000 E Ferrita f —s G| Austenita | Austenita + Fes , | 912 —— — "5 0,60 %c Temperatura Curie 770º S- 0,77 HC «oo | Forsita [7 tree) I— Farrode Fo G — sos | A | -=———— — Equilibria Ferro -Gratita Equilibrio FasC Temperatura, ºC 209 o + o o u o 40 «ss so eo 67 % Carbono Fig. 2 — Diagrama de equilibrio Fe-C 24 AÇOS E FERROS FUNDIDOS As considerações iniciais a serem feitas sobre o diagrama Fe-C são as seguintes: — O referido diagrama corresponde a liga binária Fe-C apenas: os aços comer- ciais, entretanto, não são de fato ligas binárias, pois neles estão presentes sempre ele- mentos residuais devido aos processos de fabricação, tais como fósforo, enxofre, silício e manganês. A presença desses elementos nos teores normais pouco afeta, contudo, o diagrama Fe-C. — À parte superior do diagrama, em torno do ponto A, mostra uma reação de natureza especial, chamada peritética, a qual entretanto, não apresenta qualquer impor- tância comercial. — O diagrama equilíbrio Fe-C é de fato, um diagrama Fe-Fes€, visto que a extremida- de direita do mesmo corresponde a 6,7% de carbono que é a composição do carbone- to de ferro Fes€. Por outro lado, não se trata a rigor de diagrama de equilíbrio estável. De fato, se assim fosse, não deveria ocorrer qualquer mudança de fase com o tempo; verificou-se, entretanto, que, mesmo em ligas Fe-C relativamente puras (isto é, com bai- xo teor de elementos residuais) mantidas durante anos a temperaturas elevadas (da or- dem de 700ºC) o FesC pode-se decompor em ferro e carbono, este último na forma de grafita?. Rigorosamente, pois, o diagrama da figura 2 deve ser considerado de egui- líbrio metaestável; O equilíbrio estável Fe-grafita no diagrama da figura 2 é representado pelas linha pontilhadas, logo acima das linhas PSK, SE e ECF. — O ponto A corresponde ao ponto de fusão do ferro puro, isto é, 1538ºC e o ponto 2, ainda impreciso, ao ponto de fusão do FesC. — A parte superior do diagrama, constituída pelas linhas AC, CD, AE e ECF cor- responde às reações que ocorrem na passagem do estado líquido ao Sólido; examinan- do-se agora a parte inferior do diagrama, constituída pelas linhas GS, SE e PSK, verifica-se sua semelhança com a porção superior. Essa parte do diagrama corresponde às rea- ções que ocorrem no estado sólido. — O ponto €, na porção superior do diagrama, a 1148ºC, indica a presença de um figa eutética, com 4,3% de carbono que é, portanto, a de mais baixo ponto de fusão ou solidificação. - — Existe correspondência visível entre os pontos € e S, este último da porção inferior do diagrama. Por esse motivo, o ponto S é chamado ponto eutetóide. Como se vê, S corresponde a 0,77% de carbono; as ligas com essa composição são chamadas eutetóides. — O ferro puro, como se sabe, apresenta-se até 912ºC sob a forma alotrópica alfa (a) e a partir de 912º€C até 1394ºC no estado alotrópico gama ty). Essas formas alotrópicas se caracterizam por possuirem reticulados cristalinos diferentes: o ferro a, reticulado cúbico de corpo centrado e o ferro y, reticulado cúbico de face centrada. À principal consequência desse fato, de grande importância prática nos tratamentos tér- micos das ligas ferro-carbono, é a seguinte: o ferro gama pode manter em solução o carbono, ao passo que o ferro alfa não(*). A solução sólida do carbono do ferro y é charada austenita. Esse constituinte, portanto, no diagrama de equilíbrio Fe-C, somente aparece a temperaturas elevadas. — Entretanto, a solubilidade do carbono no ferro gama não é limitada. Ela é máxi- ma a 1148ºC e corresponde a 2,11% de carbono. À medida que cai a temperatura a partir de 1148ºC€, a quantidade de carbono solúvel no ferro gama torna-se cada vez me- nor, até que a 727ºC€ ela é de apenas 0,77%. No diagrama da figura 2 esse fato é indi- cado pela linha SECF. Assim, na faixa compreendida entre a linha SECF e a linha SK estão presentes duas fases: ferro gama e carbono, o primeiro sob a forma de austenita e o segundo sob a forma de carboneto de ferro (chamado de cementita). — Por outro lado, o carbono afeta a temperatura de transformação alotrópica ga- ("Na realidade, o ferro alfã pode manter em solução uma pequena quantidade de carbono 10,008% à temperatura ambiente), tão pequena, entretanto, que pode ser desprezada em primeira aproximação. DEFINIÇÕES. DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO FERRO-CARBONO 25 ma-alfa no resfriamento te, portanto, a temperatura de existência da austenita): o au- mento de carbono, a partir de 0%, abaixa paulatinamente a temperatura dessa trans- formação até que, para 0,77 de carbono, ela é de 727ºC. Abaixo de 727ºC, nas condi- ções de esfriamento muito lento para o diagrama normal Fe-C, em nenhuma hipótese, existirá ferro gama ou austenita, No diagrama da figura 2, tal fato é indicado pela linha PSK, Entre teores de carbono muito baixos e 0,77% de carbono (ponto S) não só ocorre abaixamento da temperatura de transformação alotrópica gama-alfa, como também se verifica a existência simultânea das duas fases — gama ou austenita e alfa. Isso signifi- ca que, para os teores de carbono muito baixos até 0,77% de carbono, a transformação gama-alfa, com a queda de temperatura, é paulatina e não instantânea e somente a 727ºC ela se processa instantaneamente. A linha GS marca, portanto, o início da trans- formação do ferro gama em ferro-alfa e a linha PS o seu fim: entre GS e PS existem simultaneamente as duas fases gama e alfa. — O teor de 2,11% de carbono, correspondente ao ponto E, é adotado com sepa- ração teórica entre os dois principais produtos siderúrgicos: aços — teores carbono até 2,11%; ferros fundidos — teores de carbono acima de 211%. — A solubilidade do carbono em ferro alfa não é de fato nula. À temperatura am- biente, cerca de 0,008% de carbono se dissolve no ferro alfa e essa quantidade au- menta com a temperatura até que a727ºC, 0,02% de carbono podem se dissolver no ferro alta, Dessa temperatura até 912ºC, há decréscimo novamente da solubilidade só- lida do carbono no ferro alfa. Esses fatos são representados no gráfico da figura 2 pela linha OP e PG. Devido a essa solubilidade sólida do carbono no ferro alfa, costuma-se muitas vezes considerar como aços as ligas de ferro-carbono com carbono de 0,008% até aproximadamente 2,11%. Até 0,008% de carbono, o produto siderúrgico seria cha- mado ferro comercialmente puro. — À linha GS que, no resfriamento, indica o início da passagem do ferro gama a ferro aifa é representada pela letra A3; a linha PSK, abaixo da qual não pode existir ferro gama, é representada por Ai; a linha ES, indicativa da solubilidade máxima do car- bono no tado gama, é representada por Acm. Essas linhas são chamadas também linhas de transformação, porque ao serem atingidas, quer no esfriamento, quero aquecimen- to, têm início ou terminam importantes transformações estruturais no estado sólido. A zona limitada por essas linhas é, por esffa mesma razão, chamada de zona crítica (*). — Em resumo: entre as linhas AG, GS, SE e EA, a fase sólida que está presente é austenita; entre as linhas GQ, GP e PQ, a fase sólida presente é ferro alfa (também chamado ferrita); entre as linhas GS, GP e PS de um lado e SE, ECF e SK de outro, existe mais de uma fase sólida em processo de transformação; e abaixo da linha PSK até a temperatura ambiente, estão presentes as fases sólidas resultantes das transtor- mações verificadas na zona crítica e formadas em caráter definitivo. Como se processam essas transformações e quais as fases, resultantes no caso das ligas até 2,11% de carbono? Esse estudo é facilitado, ampliando-se, no diagrama da figura 2, a escala da zona correspondente aos aços (fig. 3). 371, Transformações que ocorrem entre O e 2,11% de carbono — Os aços com 0,77% de carbono são chamados eutetóides: os que apresentam carbono abaixo de 0,77% são chamados hipoeutetóides e os que apresentam carbono entre 0,77% e 2.11% são chamados hipereutetóides. (*) A maioria das obras de metalurgia faz distinção ente as linhas de transformação para esfriamento lento é para aquecimento lento porque de fato, sobretudo em torno da “transformação eutetóide”, verifica-se um deslocamento das linhas 43, A é A.m para cima da posição média de equilíbrio no ca- so de aquecimento, e para baixo no caso de esfriamento, como está indicado na figura 12. 26 AÇOS E FERROS FUNDIDOS x . Y 1 meo Touidal T A Liquido + Fes] ef Loss 6 | Liquido a00%d | f o Li 1400 ri Lo Ts E u Fe +Austenito ben Liquido + humana g Soy; qui + ri ig HH] | Pa | | 1200 à | [De r-zos% ! 1. Avatenita Ee E a tás? I tr, 1600 | 1 ? Ferrita + Austanita | nels Jbmporatura Curis -770º +Fs, € A es to L 3 o . jeto E K “ e (Fo + I VI 400 |L Farr Fes e 1 Po 1 | +— 1 | — FERRO / TITO 4 1 1 l pl, o 02 ]05 o» os 10 nelis us 16 zo Br es ze X tos %> A IRES) % Carbono Fig. 3 — Diagrama: de equilíbrio Fe-C para teores de carbono entre 0% e 2,11% Considere-se o esfriamento de um aço hipoeutetóide com 0,3 de carbono por exem- plo. Ao atravessar a linha “solidus”, ele está inteiramente solidificado, na forma de uma solução sólida perfeita — austenita — e assim permanecerá até atingir o limite superior da zona crítica, linha As, no ponto xa. Essa austenita conterá 0,3% de carbono dissolvi- dos no ferro gama e se apresentará na forma de cristais com reticulados cúbico de face centrada. -Se fosse possível seu exame ao microscópio, este consituinte se mostraria parecido com o ferro puro. Ão atingir o ponto x3 O ferro gama começa a se transformar em ferro alfa, o qual, como não pode manter em po senão um teor mínimo de carbono, se separa ocasionando, em conseglência, im enriquecimento de carbono na austenita remanescente. Para que ocorra nova mudança desta austenita não transfor- iii DEFINIÇÕES. DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO FERRO-CARBONO 2 mada será, portanto, necessário um rebaixamento ulterior de temperatura. Suponha-se que se tenha atingido o ponto x. Nesse ponto, mais ferro gama terá se transformado em alfa, que se separa ocasionando ainda maior enriquecimento de carbono da auste- nita remanescente. A exata composição das duas fases em equilíbrio, à temperatura correspondente ao ponto xz é dada pela intersecção da horizontal, passando por xz com as linhas GP de um lado GS de outro. Vê-se claramente que o ferro alfa (ou ferrita) separado apresenta uma pequena porcentagem de carbono, ao passo que a austenita restante se enriquece paulatinamente de carbono. A medida que o esfriamento prossegue, separa-se cada vez mais ferrita, cuja com- posição percorre a linha GP e a austenita restante se enriquece de carbono, percorrendo alinha GS. À 727º€, no ponto x; da linha inferior A; da zona crítica, o aço consistirá de uma certa'quantidade de ferro alfa ou ferrita e de uma certa quantidade de austenita residual com teor de carbono igual a 0,77%. Em outras palavras, a 727º€, o aço com 0,3% de carbono, apresentará a máxima quantidade de ferrita que poderia se separar e o restante será constituído de austenita com 0,77% de carbono. Nesse instante, en- tretanto, o ferro gama da austenita passa a ferro alfa, pois abaixo de 727º€C não pode mais existir ferro na forma alotrópica gama.: A transformação da austenita remanescente em ferro alfa ao ser atingida a tem- peratura de 727º€ é brusca e repentina, de modo que os constituintes que resultam da transformação — ferro alfa ou ferrita de um lado e carbono na forma de FesC do outro — não têm tempo de assumirem posições perfeitamente distintas: a ferrita e o FesC (cementita) que nessas condições se formam, dispõem-se de um modo caracte- rístico, aparentemente em lâminas extremamente delgadas, distribuídas alternadamen- te, muito próximas umas das outras e perceptíveis ao microscópio somente mediante grandes ampliações. Origina-se assim um novo constituinte de forma lamelar típica, chamado periita (fig. 4). Abaixo de 727ºC€, até a temperatura, prosseguindo-se no esfriamento lento, não se nota mais qualquer alteração estrutural. Em resumo, os aços hipoeutetóides ou com teor de carbono até 0,77% são constituídos à temperatura ambiente de ferrita e perlita (fig. 5). Haverá tanto maior quantidade de ferrita quanto menos carbono o aço contiver e tanto maior quantidade de perlita quanto mais se aproximar o aço do ponto eutetóide. Aliás, para se estimar a constituição estrutural dessa liga com 0,3% de carbono, basta- rá aplicar a conhecida “regra da alavanca”: % de ferrita (chamada proeutetóide) = 100 X 9:77 — 0:30 = 610% 0,77 —- 0 % de perita = 100 x A30—O = 39,0% 0,77- 0 A liga com teor de carbono entre O e O ou o ferro comercialmente puro, após a solidificação apresentará a solução sólida austenita até atingir a linha de transforma- ção As. Até a linha GP o ferro comercialmente puro será constituído de austenita e da linha GP até a temperatura ambiente de ferrita. Suponha-se, agora, o esfriamento de um aço hipereutetóide por exemplo com 1,3% de carbono. Esse aço também será exclusivamente constituído de austenita, depois dé atravessar a linha “solidus”, até atingir o limite superior da zona crítica, Jinha Açm, no ponto y3. Essa linha, como se viu, marca o limite da solubilidade sólida do carbono no ferro gama. Portanto, ao ser atravessada, começa a haver separação de carbono, na forma de Fes€ (cemnentita) com 8,7% de carbono; essa cementita vai se localizar nos contor- nos dos grãos de austenita. Esta, em consequência, se empobrece de carbono, e para que haja ulterior separação de FesC é necessário um abaixamento de temperatura, A uma temperatura correspondente ao ponto y» (fig. 3), as fases em equilíbrio são cementita (ponto y”2) e austenita com a composição correspondente ac ponto y”2. 28 AÇOS E FERROS FUNDIDOS À medida, pois, que o esfriamento prossegue, verifica-se contínua separação da cementita e a austenita restante percorre a linha ES empobrecendo-se constantemente em carbono. Fig. 4 — Aspecto micrográfico da perita. Ataque com reativo de nital em aço eutetóide esfriado lentamente. Ampliação: 1.000 vezes. Nota-se a estrutura lamelar, as linhas escuras representando a cementita e as linhas brancas a ferrita, a qual, na realidade, é uma fase contínua no fundo. Com pequenas ampliações, da ordem de 100 ou 200 vezes, a presença do constituinte perlita é evidenciada por uma área escura, visto que a constituição lamelar não é visível com esses aumentos. Fig. 5 — Aspecto microgrático de um aço hipoeutetóide estriado lentamente. Ataque: reativo de nital. Ampliação: 200 vezes. Às áreas brancas são de ferrita e as áreas escuras são de perlita, cuja estrutura lamelar não é evidenciada por se tratar de ampliação relativamente pequena. DEFINIÇÕES. DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO FERRO-CARBONO 29 Ao atingir-se, no esfriamento, a temperatura de 727ºC, tem-se de um lado FesC e de outro austenita com composição equivalente ao ponto eutetóide, isto é, 0,77% de carbono. Neste momento, todo o ferro gama passa brusca e repentinamente a alfa A a austenita restante adquire a forma lamelar da perlita. Assim, abaixo de 727ºC, até a temperatura ambiente, os aços hipereutetóides serão constituídos de periita e cementita (fig. 6). Fig. 6 — Aspecto micrográfico de um aço hinereutetóide esfriado lentamente. Ataque: reativo de picral. Ampliação: 200 vezes. A cementita está disposta em torno dos grãos de perlita, formando uma rede. Também aqui, aplicando-se a “regra da alavanca”, ter-se-á a composição estrutu- ral seguinte: % de cementita (chamada proeutetóide) = 100 X 430 — 0,77 90% 6,67 — 0,77 % de perita = 100 x 8.67 — 130 910% 6,67 — 0,77 Finalmente um aço eutetóide, depois de inteiramente solidificado, não sofrerá qual- quer transformação até atingir a temperatura de 727ºC, momento em que toda a aus- tenita passará bruscamente a perlita. Nessas condições, um aço com composição cor- respondente exatamente à do ponto eutetóide será constituído à temperatura ambiente exclusivamente de perita (fig. 4). A composição estrutural da perlita, determinada pela “regra da alavanca”, é a seguinte: % de ferrita = 100 x 8:67 — 0.77 — ga,5% 687-0 % de cementita = 100 X 077 O — 5% 667-0 Em resumo, a constituição estrutural à temperatura ambiente das ligas ferro-car- bono de 0% até 2,11% de carbono, esfriadas lentamente a partir de temperaturas acima da zona crítica, é a seguinte: — ferro comercialmente puro — ferrita — agos hipoeutetóides (até 0,77% de C) — ferrita e perlita — aços eutetóides (0,77% de C) — perlita — agos hipereuter íides (0,77 a 211% C) — perlita e cementita 30 AÇOS E FERROS FUNDIDOS Os aços hipoeutetóides apresentarão tanto maior quantidade de ferrita quanto me- nos carbono contiverem e os aços hipereutetóides tanto maior quantidade de cementi- ta quanto mais se aproximarem do teor 2,11% de carbono. As figuras 7 e 8 mostram alguns outros aspectos micrográficos de ligas Fe-C. A primeira (fig. 7) refere-se a ferro comercialmente puro e a segunda (fig. 8) a aço hipoeu- tetóide com aproximadamente 0,3% de carbono. Fig. 7 — Aspecto micrográfico de ferro comercialmente puro. Ataque: reativo de água régia. Ampliação: 200 vezes, Fig. 8 — Aspecto micrográfico de aço hipoeutetóide com aproximadamente 0,3% de carbono: Ataque: reativo de nital. Ampliação: 200 vezes. DEFINIÇÕES. DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO FERRO-CARBONO 3a 3.2. Alguns aspectos do fenômeno de solidificação dos aços — Considere-se, por exemplo, um aço com 0,5% C em processo de solidificação? (fig. 9). Ao resfriar esse aço a partir do estado líquido, ele encontrará a linha liquidus no ponto L, quando come- gam a se formar cristais mistos sólidos, cuja composição corresponde ao ponto S, na linha solídus. Nesse ponto, tem-se, pois, em equilíbrio com os cristais mistos sólidos formados, um resíduo líquido de composição L. Se a temperatura baixar mais — até Mh por exemplo — separar-se-ão novas quantidades de cristais mistos sólidos, com com- posição variando entre S e S; ao passo que no líquido remanescente a composição pas- sará de £ a Li, valendo, em particular, a relação: quantidade de cristais mistos . Mili quantidade de massa líquida MS Nesse ponto intervém um fenômeno complexo de difusão estudado, entre outros, por Roozebgom, Giolitti, Fick, Mehl, Kirkwood, Kirkaldy. A difusão depende da mobilidade atômica, sendo, pois, muito mais rápida nas so- luções líquidas do que nas sólidas, pois enquanto nas primeiras ela se dá em um perio- do de tempo curto, nas soluções sólidas ela exige um tempo muito maior e os seus efeitos são, na realidade, limitados a pequenas distâncias. Por outro lado, a mobilidade atômica e, portanto, a difusão são funções da temperatura. Assim, no caso da liga Fe-C em exame (fig. 9), a difusão dependerá, além da tem- peratura, da duração ou da velocidade de resfriamento. Admitindo que esta seja sufi- cientemente lenta, os resíduos líquidos, devido à maior mobilidade atômica, terão tem- po de colocar-se em equilíbrio entre si e com as zonas periféricas dos cristais mistos de composição $,, e de assumirem uma concentração uniforme um pouco superior ao ponto L;. À massa solidificada, entretanto, será constituída de uma série contínua de cristais-mistos cuja concentração. varia de aproximadamente S; nas camadas periféri- cas até S em direção ao centro dos cristais. Nestes, a difusão mais lenta fará com que o deslocamento ou migração do carbono da parte externa para a interna se dê com a velocidade menor do que a própria solidificação, de modo que, enquanto as camadas externas readquirirão rapidamente o carbono migrado em direção à parte interna, as ca- madas internas não conseguirão atingir a concentração S1, a não ser que se parasse a solidificação. ” L 8 N a Ss; G A Mo Fig. 9 — Esquema de solidificação de uma liga texemplo indicado: liga Fe-C com 0,5% C). 32 AÇOS E FERROS FUNDIDOS Continuando o resfriamento, repetem-se os mesmos fenômenos; assim o último resíduo que solidifica deveria ter a concentração L, e a massa solidificada a composi- gão S,. Na realidade, porém, a concentração média do carbono na massa cristalina será menor; portanto a reta MM, — correspondente à liga em exame — encontrará a linha solidus a uma temperatura inferior à real (ponto S',) e a concentração em carbono do último resíduo líquido será maior (ponte £,). Assim, pois, os cristais mistos, além de apresentarem concentração de carbono crescente à medida que a temperatura cai, apresentarão concentrações decrescentes da periferia para o centro; as concentrações periféricas são as correspondentes à linha SS,e as concentrações dos núcleos centrais serão representadas pela linha SS”,, resul- tando, então, para a composição média dos cristais a linha SS',. Em resumo, os últimos cristais terão justamente a composição média S”, e o último resíduo solidificado a com- posição A. Resulta, de tudo isso, que os cristais separados a temperaturas decrescentes se- rão constituídos de estrias de composição, de espessura decrescente com o abaixa- mento da temperatura. 4. Propriedades dos constituintes dos aços e sua influência sobre os característi- cos mecânicos destes — Os constituintes básicos dos aços são, pois, austenita, ferrita, cementita e perlita. A austenita (do nome do metalurgista inglês Roberts-Austen), nos aços-carbono comuns, só é estável acima de 727ºC; consta de uma solução sólida de carbono no ferro gama e apresenta uma estrutura de grãos poligonais irregulares; possui boa resis- tência mecânica e apreciável tenacidade; é não magnética. A ferrita (do latim “ferrum”) é ferro no estado alotrópico alfa, contendo em solu- gão traços de carbono; apresenta também uma estrutura de grãos poligonais irregula- res; possui baixa dureza e baixa resistência à tração, cerca de 28 kgf/mm? (270 MPa), mas excelente resistência ao choque e elevado alongamento. A cementita (do latim “caementum”) é o carboneto de ferro FesC contendo 8,67% de carbona; muito dura (na escala Moh's ocuparia aproximadamente o lugar do feldspa- to), quebradiça, é responsável pela elevada dureza e resistência dos aços de alto carbo- no, assim como pela sua menor ductilidade. Possui estrutura cristalina ortorômbica. A perlita (nome devido à “nuance” de cores de madrepérola que esse constituinte frequentemente apresenta ao microscópio) é a mistura mecânica de 88,5% de ferrita e 11,5% de cementita, na forma de lâminas finas (de espessura raramente superior a um milésimo de milímetro) dispostas alternadamente. As propriedades mecânicas da perlita são, portanto, intermediárias entre as da ferrita e da cementita, dependendo, en- tretanto, do tamanho das partículas de cementita. Sua resistência à tração é, em média, 75 kgfimm” (740 MPa). A proporção de perlita num aço cresce de 0% para ferro até 100% para aço eutetóide (0,77% de carbono), de modo que um aço com 0,5% de car- bono, por exemplo, apresentará cerca de 65,0% de perlita. À transformação da austenita em perlita contendo ferrita e cementita é típica de muitas reações no interior de sólidos, ou seja começa nos contornos dos grãos e pros- segue em direção ao seu centro, o que é de se esperar pois os átomos nos contornos dos grãos apresentam maiores energias que os átomos dentro dos grãos. Diga-se de passagem, que os contornos dos grãos não são as únicas localizações de átomos de energia mais elevada, pois os átomos em torno dos defeitos “em ponto” u “em linha” apresentam também energia extra e podem servir de localização para a nucleação de reações (*). Por outro lado, as propriedades da perlita dependem muito da espessura de suas (*) Por nucleação designa-se o fenômeno correspondente ao inícia de farmação de núcieos, ou seja das primeiras partículas estáveis capazes de iniciar a recristalização de uma fase ou o crescimento de uma nova fase, DEFINIÇÕES, DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO FERRO-CARBONO 33 tamelas e esta, por sua vez, da velocidade de sua formação. A sua espessura é, entre- tanto, limitada pela distância através da qual o carbono, no tempo disponível, se difunde. Outro fato importante a ressaltar é q seguinte: num aço hipoeutetóide, com teor de carbono, portanto, inferior a 0,77%, o resultado do resfriamento lento é, como-se viu, a formação de uma certa quantidade de ferrita (chamada primária ou proeutetóide) até qua a austenita remanescente se transforme em perlita. Assim a estrutura resultan- te contém quantidades de ferrita e perlita que podem ser previstas, A distribuição des- ses microconstituintes depende do tamanho de grão de austenita, porque a nucleação da territa primária ocorre nos contornos dos grãos. O mesmo pode ser dito em relação à cementita primária, se 0 aço for hipereutetóide. A ferrita forma um “rendilhado” nos contornos de grãos de austenita, em cujo interior se forma a perita. Se o resfriamento, entretanto, se acelerar, de modo a se atingir uma temperatura mais baixa antés que ocorra nucleação da ferrita primária, a perlita pode se formar até com teores de carbono da ordem de 0,4%, o que pode ser compreendido pelo exame da fig. 10. De fato, considere-se um aço com teor de carbono dado pela reta S, sendo na figura, E o ponto eutetóide. Acima de T;, a fase estável é a austenita: de T; a Tg existe equilíbrio entre a austenita e ferrita; entre Ta e Te: a cementita é menos estável do que a austenita e, portanto, não pode nuclear a partir dela; assim, forma-se ferrita até que a composição da austenita cruze a linha EC”, linha essa que define as condições para a cementita estar em equilíbrio com a austenita. Se a temperatura estiver abaixo de Te, a cementita pode nuclear imediatamente e então se forma a perlita, a qual, desse modo, terá mais ferrita e menos cementita do que rigorosamente deveria ter (ou -seja do que a perita eutetóide que teoricamente deveria ter-se formado) e será mais mole. Temperatoro Fig. 10 — Limite para formação da perlita. Devido aos característicos mecânicos dos constituintes dos aços, as proprieda- des mecânicas destes quando estriados lentamente, variam de acordo com a proporção daqueles constituintes. Assim, ferro comercialmente puro, constituído só de ferrita, apresenta-se mole, dúctil, pouco resistente à tração e com alta resistência ao choque; à medida que o teor de carbono cresce, aumentam os valores representativos da resis- tência mecânica, isto é, O limite de escoamento, o limite de resistência à tração e a du- reza, ao passo que caem os valores relativos à ductilidade, como alongamento, estric- ção e resistência ao choque, A Tabela 1º dá valores obtidos para algumas propriedades mecânicas, em função do teor de carbono de aços ne estado-recozido, isto é, esfriados lentamente de temperaturas acima da zona crítica. 3 AÇOS E FERROS FUNDIDOS TABELA 1 Propriedades mecânicas de aços esfriados lentamente em função do teor de carbono Limito de Limite de escoamento resistência | Alongamento | poricção Dureza Carbono à tração em 2 ba Brno kgtimem? | MPa | kotimm? | mpa 0,01 125 | 125 | 285 | 275 47 n so 0,20 250 | 250 | 41,5 | 405 37 sa 115 0.40 310 | 300 | 525 | 515 30 as 145 0,80 350 | 340 | 670 | 660 23 33 190 0,80 365 | 355 | 80,5 | 785 15 22 220 1.00 365 | 355 | 755 | 745 22 26 195 1.20 360 | 350 | 71,5 | 705 2 39 200 1,40 350 | 340 | 69,5 | 685 19 25 215 Postos em gráficos os valores do limite de resistência à tração, do alongamento e da dureza Brinell que são os dados mais representativos das propriedades mecânicas dos metais, pode-se obter três curvas médias, como está indicado na figura 11, que nos mostra, de um modo mais nítido, a influência do teor de carbono sobre as propriedades mecânicas dos aços esfriados lentamente. Verifica-se que as curvas de dureza Brinell e de resistência à tração são aproximadamente paralelas. Evidentemente, as três curvas podem sofrer deslocamentos sensíveis para valores superiores e inferiores, pois outros fatores, além do teor de carbono, entram em jogo também. Esse fato é indicado na figu- ra 11 pelas áreas achuradas. so 200] katima? É mo) É to É “ro à la ê x z 3 Rs s El ae Ê FR á wa a —- É E jêo Ê ê 2 5 z x el q z ao! oa 5 az da dE o 15 1Z TA : TEOR DE CARBONO, % Fig. 11 — Influência do teor de carbono sobre es propriedades de aços-carbono esfriados lentamente. DEFINIÇÕES. DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO FERRO-CARBONO 3 A curva relativa aos limites de resistência à tração mostra que os máximos valo- res para essa propriedade obtêm-se logo acima da composição eutetóide, permanecen- do os mesmos a seguir praticamente constantes e podendo mesmo sofrer uma certa queda. Tal fata compreende-se facilmente, pois basta lembrar que, devido aos seus ca- racterísticos próprios, a estrutura perlítica é a mais resistente das que os aços esfriados lentamente apresentam; havendo cementita envolvendo grãos de perlita e sendo a ce- mentita um constituinte de grande dureza, é de esperar que haja um aumento da resis- tência nos aços hipereutetóides; esse aumento, entretanto, não é muito sensível, como a curva mostra, visto que a própria alta dureza e consequentemente excessiva fragilida- de de cementita podem, após uma certa quantidade, afetar desfavoravelmente a resis- tência mecânica do aço. Devido à influência do carbono sobre a dureza do aço, costuma-se considerar os seguintes tipos de aços-carbono: — aços doces — com carbono entre 0,15% e 0,25% — aços meio-duros — com carbono entre 0,25% e 0,50% — aços duros — com carbono entre 0,50% e 1,40% Alguns autores subdividem ainda essa classificação: — aço extradoce — com carbono inferior a 0,15% — aço doce — com carbono entre 0,15% e 0,30% — aço meio-doce — com carbano entre 0,30% e 0,40% — aço meio-duro — com carbono entre 0,40% e 0,60% — aço extraduro — com carbono entre 0,70% é 1,20% 5. Efeito do esfriamento e do aquecimento sobre a posição das linhas de transtor- mação — Os diagramas vistos (figs. 2 e 3) e as transformações que foram analisadas são para esfriamento lento; para aquecimento lento, as mesmas transformações ocor- rem em sentido inverso; entretanto, a posição das linhas críticas é ligeiramente diferen- te À figura 12 mostra os deslocamentos que ocorrem às temperaturas prováveis de equi- Vbrio, nas condições práticas de aquecimento e esfriamento. As designações A, e 4, são, como se viu, originadas de: c = “chauffage”, para ciclos normais de aquecimento. r = “refroidissement”, para ciclos normais de esfriamento. seo dh seo p 4 080 ft th q hr vo f- ANNE fer Eos NA % Aro AN A za As Ra HW Me, ODE EDDSSEW YE 4 Topo A==0|— 4 zoo IT dar, o qe O 26 8 0 da “ea X coróeno Fig. 12 — Influência do aquecimento é estriamento sobre as temperaturas de transformação na liga Fe-C. 36 AÇOS E FERROS FUNDIDOS 6. Efeito dos elementos de liga sobre o diagrama de equilíbrio Fe-C — Como se viu, o ferro existe em duas formas alotrópicas — alfa e gama — estáveis em diferentes faixas de temperaturas. Essas formas se caracterizam por poderem manter em solução sólida, dentro de ampla faixa de teores, vários elementos de liga que podem participar da composição dos aços. As diferentes solubilidades dos vários elementos de liga nes- sas duas formas alotrópicas do ferro levam a modificações nas faixas de temperaturas em que ocorrem as transformações estruturais dos aços. Se no ferro puro, a mudança de alfa à gama ocorre em uma única temperatura (912ºC), a presença de qualquer ele- mento adicional — como, aliás, já se viu para o caso do carbono — cria uma faixa de temperatura mais ou menos estreita, na qual ambas as formas alotrópicas podem coe- xistir em equilíbrio. Esta circunstância origina tipos característicos de modificações nas temperaturas de transformação das ligas de ferro, o que está ilustrado na fig. 13 que mostra os possíveis tipos de diagramas de equilíbrio das ligas de ferro? se A +é ciquido € ea “a ê q k 4, x x meo Ar meo nm . Ar A Sel 2a >» ns As x nro B-4 Fig. 13 — Dois tipos possíveis — A e B — e as correspondentes subdivisões | e II de diagramas de equilíbrio para ligas de ferro, DEFINIÇÕES. DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO FERRO-CARBONO 37 Os diagramas da figura dividem os elementos de liga em dois grupos: tipo A, cor- respondentes aos elementos estabilizadores da austenita e o tipo B, correspondentes aos estabilizadores da ferrita. Por exemplo, um elemento de liga estabilizador da auste- nita tenderá a aumentar a faixa de temperaturas na qual a austenita é estável. Dentro dos tipos A e B, pode-se considerar a seguinte classificação dos elemen- tos de liga: Tipo-A-! — os elementos de liga alargam a faixa de temperaturas para austenita estável, abaixando a transformação alfa-gama e aumentando a temperatura de trans- formação gama-delta. Exemplos: manganês, níquel, cobalto. Tipo-A-ff — mesmo que na divisão |, porém os compostos ricos em ferro (ou as soluções sólidas no elemento de liga) tornam-se estáveis, a composição avançando so- bre as fases alfa ou delta. Exemplos: carbono, cobre, zinco, nitrogênio. Tipo-B-! — os elementos de liga estreitam a faixa de temperaturas da austenita estável até torná-la inexistente. A zona austenítica é totalmente circundada por um campo de duas fases: “alfa mais gama” ou “gama mais delta”, o qual não é interrompido por compostos intermetálicos(*) ou soluções sólidas nos elementos de liga. Exemplos: silf- cio, cromo, molibdênio, fósforo, vanádio, titânio, alumínio. Tipo-B-ll — mesma que na divisão |, porém com o aparecimento de compostos intermetálicos ou constituintes outros que soluções sólidas de ferro alfa e ferro gama, interrompendo a “lupa” com sua zona envolvente de duas fases. Exemplos: tântalo, zir- cônio, boro, enxofre, nióbio. Desses elementos de liga, o cromo tem um comportamento especial, pois se até 7a 8% abaixa a faixa de temperatura de transformação alfa-gama, com aumentos ulte- riores verifica-se o contrário. Entretanto, o abaixamento da temperatura de transtforma- ção gama-delta na faixa de 8% Cr é mais rápido do que o da transformação alfa-gama, podendo-se, pois, de fato afirmar que o cromo estreita uniformemente a faixa de estabi- lidade da austenita(**). Os efeitos de alguns elementos de liga sobre as linhas de transformação do dia- grama de equilíbrio Fe-C estão indicados nas figuras 14 e 15. De fato, a ação dos elementos de liga sobre as linhas de transformação pode ser encarada sob os três aspectos seguintes: — efeito sobre a composição do eutetóide; — efeito sobre a temperatura do eutetóide; —. efeito sobre o campo austenítico. Os dois primeiros efeitos estão sintetizados na figura 14, onde se vê que todos os elementos de liga analisados!” tendem a diminuir o teor de carbono do eutetóide, ao passo que somente o níquel e o manganês tendem a diminuir a temperatura do eu- tetóide, todos os outros apresentando tendência oposta. O terceiro efeito — sobre o campo austenítico — está sintetizado na figura 15, pela ação dos elementos manganês, cromo, molibdênio e silício? Verifica-se que o manganês, em teores crescentes, abaixa a temperatura do eute- tóide, além de diminuir o seu teor de carbono; um teor adequado de manganês poderá, por exemplo, produzir estrutura inteiramente perlítica somente com cerca de 0,3% de carbono, O cromo, molibdênio e silício comportam-se de modo contrário ao manganês (*) “Composto intermetálico” é “um composto de dois ou mais metais com estrutura cristalina carac- terística 8 que pode apresentar uma composição definida ou uma faixa de composições correspon- dente a uma solução sólida”, (**) A análise dos diagramas apresentados na Fig. 13 deve ser feita com grande cuidado, principal- mente porque a maioria dos aços, quando aquecidos e esfriados, de fato se transformam a temperatu- ras muito afastadas das de equilíbrio, devido a suas velocidades de reação muito lentas nas proximida- des dessas temperaturas. Além disso, é difícil predizer, a partir de qualquer diagrama de equilíbrio, as estruturas resultantes, o que é um inconveniente pois o conhecimento realmente valioso em relação aos sistemas de ligas é o relacionado com suas estruturas. 38 AÇOS E FERROS FUNDIDOS o Ma y;. oO 2 a 8 8 mw te ste tir Já de elemento de fi Fig. 14 — Influência dos elementos de liga sobre o teor de carbono e a temperatura do eutetóide. ASPO | Meo Ao Laço st00 = o E GE a Ca) ao = g SR RA 06 49 16 E 24 TE To O GE AS RETO TO 75 7O 06 Tê a Gortbomo Fig. 15 — Efeito de certos elementos de liga sobre o campo austenítico,
No meu celular aparece uma mensagem que o Google japonês parou
vlw cara .. só faltou os elementos pré-textuais (contra-capa, prefácio, etc... ), isso ajuda o povo da pós
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