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DISCIPLINA: Metalografia e Tratamentos Térmicos DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO E DE TRANFORMAÇÃO
1 – Introdução
Já conhecemos alguns dos constituintes que podem ser encontrados nas ligas Fe-C.
Agora vamos determinar onde, como e quando se formam. Vamos estudar o diagrama de equilíbrio da liga Fe-C.
2 – Diagrama de equilíbrio da liga Fe-C.
Figura 01 – Diagrama de fases Fe-Fe 3 C
Neste diagrama pode ser visto as três transformações invariantes que as ligas formadas por ferro e carbono podem sofrer e que são:
TRANSFORMAÇÃO PERITÉTICA; TRANSFORMAÇÃO EUTÉTICA; TRANSFORMAÇÃO EUTETÓIDE.
DISCIPLINA: Metalografia e Tratamentos Térmicos 2.1 – TRANSFORMAÇÃO PERITÉTICA.
Figura 02 – Esquema ilustrativo de parte do diagrama Fe-Fe 3 C onde ocorre a transformação Peritética.
Os pontos J (máxima solubilidade de carbono na ferrita δ), I (peritético) e B possuem as seguintes coordenadas:
Ponto: J ( 0,10 %C ; 1.492 ºC ); Ponto: I ( 0,18 %C ; 1.492 ºC ); Ponto: B ( 0,51 %C ; 1.492 ºC ).
A transformação PERITÉTICA consiste no seguinte:
L + S 1 ←←←← T ^ º C^ →→→→ S 2 Definição Geral.
C
L
0 , 51 %
0 , 1 % C
δδδδ ←←←←^1.^492 º C →→→→
0 , 18 % C
γγγγ Definição para Liga Fe-C.
Ferrita δ Austenita
DISCIPLINA: Metalografia e Tratamentos Térmicos 2.3 – TRANSFORMAÇÃO EUTETÓIDE.
Figura 04 - Esquema ilustrativo de parte do diagrama Fe-Fe 3 C onde ocorre a transformação Eutetoide.
Os pontos P (máxima solubilidade de carbono na ferrita), S (eutetoide) e F possuem as seguintes coordenadas:
Ponto: P ( 0,025 %C ; 727 ºC ) Ponto: S ( 0,800 %C ; 727 ºC ) Ponto: K ( 6,670 %C ; 727 ºC )
A transformação eutetóide consiste no seguinte:
S 1 ←←←← T ^ º C^ →→→→ ( S 2 + S 3 ) Definição Geral.
0 , 8 % C
γγγγ ←←←←^727 º^ C →→→→ (
0 , 025 % C
C
Fe C
6 , 7 %
3 )^ Definição para Liga Fe-C.
Austenita Perlita
A αααα e a Fe 3 C, são ditas Pro Eutetóides quando ocorrem a temperaturas
superiores a eutetóide.
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Figura 05 – Parte do Diagrama de Equilíbrio Fe-Fe 3 C, referente aos aços C.C. hipo eutetóide, no qual ilustra-se as transformações em uma liga com 0,54%C. Ao lado a ilustração das etapas das transformações, até a formação da Perlita e da ferrita.
A Figura 05, acima ilustra os três (03) estágios da formação da estrutura de um aço hipo eutetóide resfriado lentamente.
3. CLASSIFICAÇÃO DA LIGA FE-C.
Quando propomos a classificação as ligas Fe-C, podemos faze-lo nos referindo a dois (02) aspectos, que são:
3.1 – A transformação invariante que lhes for peculiar.
*** No caso dos aços.** Segundo a transformação eutetóide:
Aços Hipo Eutetóide (0,025 – 0,8)%C; Aços Eutetóide (0,8)%C; Aços Hiper Eutetóide (0,8 – 2,06)%C.
**** No caso dos FoFo.** Segundo a transformação Eutética
- FoFo Hipo Eutético (2,06 – 4,3)%C;
- FoFo Eutético (4,3)%C;
- FoFo Hiper Eutético (4,3 – 6,7)%C.
DISCIPLINA: Metalografia e Tratamentos Térmicos b) As Ligas Endurecíveis por Precipitação
b 1 – Ligas Ferrosa – Sist Fe-Fe 3 C ( X 2 ) : % C ( 0,008 a 0,025 )
Esta possibilidade não é exclusiva do sistema Fe – C, pois existem muitos sistemas binários com solubilidade limitada de um componente no outro, de tal sorte que a linha PQ do diagrama Fe-Fe 3 C é muito comum e possuem um grande significado prático, pois tornam possível o endurecimento por precipitação ou envelhecimento. Um dos processos mais importante de endurecimento dos metais. Muito usado em ligas não ferrosas, como por exemplo, ligas de Al e de Mg.
A precipitação, como as transformações de fase, é nucleada nos contornos de grão e outras imperfeições no interior do material, i.é., átomos de contorno de grão são mais energizados do que os átomos de interior:
Átomos do contorno de grão necessitam de menos energia adicional para romper as ligações do que átomos do interior.
Os átomos dos contornos de grão não são os únicos pontos de átomos com mais energia, os átomos próximos aos defeitos de ponto e de linha, também possuem energia extra, vindo a servir como ponto de nucleação de reação.
Quanto menor ( < ) a temperatura mais importante são estes locais.
Solubilidade de C, no Fe- αααα.
As curvas do tipo da figura 07, semelhante as curvas PQ do diagrama Fe- Fe 3 -C, são chamadas de Linha Solvus, curva que define a composição de
equilíbrio de [ αααα ], para uma dada temperatura.
Figura 07 – Esquema ilustrando uma Linha Solvus para uma liga hipotética.
Nestas ligas é onde se desenvolve os tratamentos de solubilização e envelhecimento.
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Figura 08 – Esquema ilustrando a hipótes de Cristal de Fe 3 C em contato
Com um cristal de αααα.
Figura 09 - Curva Hipotética de Energia livre a 600ºC para o sistema α/ Fe 3 C.
Figura 10 – Evolução da quantidade de Precipitados em função do tempo para a temperatura de 76 oC, a partir de uma solução saturada de uma liga Fe-C com 0,018%C.
A curva da Figura 10 mostra que o processo de precipitação termina muito lentamente devido a perda contínua de soluto pelo solvente. to, é definido tempo de incubação e representa o tempo necessário para a formação de núcleos estáveis e visíveis.
Figura 11 – Variação da Dureza durante o tratamento de Envelhecimento.
A Figura 11 apresenta a curva de endurecimento por precipitação de uma liga diluída Fe-C, com 0,015%, submetida a envelhecimento na temperatura de 90^0 C. A curva apresentar um máximo.
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4 – Diagrama de transformação isotérmica da Austenita [ γγγγ ].
O estudo das transformações que ocorrem nas ligas Fe-C, antes de 1.930, baseava-se no diagrama de equilíbrio mesta estável Fe-Fe 3 C. Após 1.930, Bain e Davenport, United States Steel Corporation Research Laboratory , propuseram o diagrama T.T.T. – tempo, temperatura,
transformação, estudando a transformação da Austenita [ γγγγ ] a temperaturas
constantes.
Figura 14 - Diagrama T.T.T para um Aço Eutetoide:[A] Esquemático com
indicação dos produtos de transformação da Austenita [ γγγγ ], que podem ser
obtidos em um aço com 0,89%C e 0,29%Mn. Austenitizado à 890^0 C.
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Figura 14 - Diagrama T.T.T para um Aço Eutetoide:[A] Esquemático com indicação dos produtos de transformação da Austenita
[ γγγγ ], que podem ser obtidos em
um aço com 0,89%C e 0,29%Mn. Austenitizado à 8900 C. TG: 4-5. Ampliação das fotomicrografias originais: 2.500X.
Como vemos os produtos da transformação da Austenita
[ γγγγ ], podem ser os seguintes:
Perlita – (727 a 650) ºC Sorbita – (650 a 600) ºC Troostita – (600 a 500) ºC Bainita Sup. – (500 a 400) ºC Bainita Inf. – (400 a 300) ºC Martensita – (300 a 50) ºC
Obs: As temperaturas são apenas de orientação.
4.1 – Linha de transformação da Austenita [ γγγγ ], em martensita.
Após os trabalhos de Bain e Davenport, comprova-se que a transformação da
Austenita [ γγγγ ] em martensita, independia da velocidade de resfriamento,
como ocorre na formação da perlita.
Por ser independente do tempo esta transformação, a temperatura de início e de fim da transformação pode ser representada por uma linha horizontal no diagrama T.T.T.
DISCIPLINA: Metalografia e Tratamentos Térmicos Dois dos arranjos cristalográficos com os quais a Austenita pode ser apresentada.
Austenita ( γγγγ )
Figura 16 – A distribuição dos átomos de Fe e de C obedece, segundo a figura, o arranjo octaédrico, cujo centro é ocupado por um átomo de C, como na cementita.
Figura 17 – Cristal elementar de austenita, com os átomos de ferro gama nos vértices e nos centros das faces de um cubo ( rede cúbica de faces centradas) e átomos de carbono nos centros das aresta
Figura 18 - O parâmetro da rede depende da temperatura e da existência de C dissolvido. a]– Temperatura ambiente com C; b]– Temperatura Variando sem C.
O Valor de 3,56 Å , seria o valor do
parâmetro do Fe- γγγγ a emperatura ambiente
se fosse possível obtê-lo.
Figura 18C – Célula unitária CFC do Fe- γγγγ com
um átomo de C no maior vazio intersticial
situado na aresta de uma célula cúbica.
DISCIPLINA: Metalografia e Tratamentos Térmicos 4.2 – Tipos de Diagrama T.T.T
As curvas do diagrama T.T.T. podem ocupar posições diferentes em função da composição química dos aços em vista, em vista disso podemos agrupá-los em quatro (04) tipos, que são:
- Diagrama T.T.T. para Aços C. Eutetóides; ** Diagrama T.T.T. para Aços C. Hipoeutetóides; *** Diagrama T.T.T. para Aços C. Hipereutetóides; **** Diagrama T.T.T para Aços Ligas.
*** Diagrama T.T.T. para Aços C. Eutetóides**
Figura 19 – Diagrama TTT de um Aço Eutetoide com % C = 0,89%; % Mn = 0,29%.
DISCIPLINA: Metalografia e Tratamentos Térmicos ***** Diagrama T.T.T para Aços Ligas.**
Figura 22 –Diagrama TTT típicos para Aços Ligados.
Tipo I: Aços ao Cr e ao Ni. Tipo II: Aços ao Cr-Ni e Cr-Mo de baixa liga. Tipo III: Aços ao Cr-Ni, Cr-Mo e Cr-Ni-Mo de alta liga. Tipo IV: Aços complexos de têmpera ao ar para ferramentas.
HISTERESES DOS PONTOS CRÍTICO DO SISTEMA FE-FE 3 C.
As transformações observadas e descritas segundo orientação dos Diagramas de Equilíbrio devem, sempre, serem entendidas que ocorrem em Velocidades de Transformações muito lentas. Entretanto, sempre que se aquece ou se resfria uma liga do sistema Fe-Fe 3 C as temperaturas onde ocorrem estas transformações mudam para mais ou
DISCIPLINA: Metalografia e Tratamentos Térmicos para menos conforme for o sentido operacional. Daí se ter, em alguns diagramas deste sistema as letras A; AC [Chauffages = aquecimento]; AR [Refroidissement = resfriamento].
As diferenças entre estes pontos crescem em função das velocidade de aquecimento ou de resfriamento.
Figura 23 – Influência da Velocidade de Resfriamento sobre a posição dos Pontos Críticos do sistema Fe-Fe 3 C.
COMPARAÇÕES ENTRE A ESTRUTURA DA AUSTENITA E DA
MARTENSITA
[A] [B]
Figura 24 – [A] Célula unitária CFC do Fe- γγγγ com um átomo de C no
maior vazio intersticial situado na aresta de uma célula cúbica; [B]
Estrutura Austenitica; 200X. Ataque eletrolítico com Ac. Oxálico 10%. A estrutura corresponde a deformações mecânicas na rede cristalina.
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Figura 27 – Variação da Dureza para Aços Carbono Em função da Velocidade de Resfriamento e do Teor de carbono.
A Região do sombreada no gráfico indica possível perda de Dureza devido a presença de Austenita Retida, que mais macia que a Martensita.
