Sistema Ferro-Carbono, Notas de estudo de Engenharia Naval
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Sistema Ferro-Carbono, Notas de estudo de Engenharia Naval

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O SISTEMA FERRO-CARBONO

Introdução à Ciência dos Materiais Prof. Carlão

O SISTEMA FERRO-CARBONO

Introdução à Ciência dos Materiais Prof. Carlão

Conceitos Básicos Componente: são metais puros e/ou compostos que compõem uma liga. Por exemplo, em um latão cobre-zinco, os componentes são o cobre (Cu) e o zinco (Zn).

Solvente: é o elemento ou composto que está presente em maior quantidade (concentração). Também chamado de átomos hospedeiros. Soluto: é o elemento ou composto que está em menor concentração. Limite de solubilidade: é a concentração máxima, em uma dada temperatura, de átomos de soluto que pode se dissolver no solvente para formar uma solução sólida. Solução sólida: está solução se forma quando, à medida que os átomos do soluto são adicionados ao material hospedeiro (solvente), a estrutura cristalina é mantida, e nenhuma nova estrutura é formada.

Fase: é uma porção homogênea de um sistema que possui características físicas e químicas uniformes. Exemplo: xarope água-açúcar e açúcar sólido.

Sistema: (1) é um corpo especifico de material que está sendo considerado. (2) é uma série de possíveis ligas que consistem nos mesmos componentes.

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DIAGRAMA Fe-C

                                                                                                                                                                                                                       

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• À temperatura ambiente a forma estável, chamada ferrita, ou ferro α, tem uma estrutura cristalina CCC. A ferrita experimenta uma transformação polimórfica à austenita CFC, ou ferro γ, a 912oC (1674oF). Esta austenita persiste até 1394oC (2541oF), temperatura na qual a austenita CFC se reverte de volta para a fase CCC conhecida como ferrita δ, que finalmente se funde a 1538oC(2800oF).

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DIAGRAMA DE FASES FERRO/CARBETO DE FERRO

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Mistura eutética, do grego eutektos, "facilmente fundida", é uma mistura de 2 ou mais sólidos, (como uma liga metálica), na qual o ponto de fusão é o mais baixo possível, e todos seus constituintes cristalizam simultaneamente a partir do líquido.

• Uma das misturas eutéticas mais conhecida é a solda para componentes eletrônicos, feita de estanho e chumbo onde o ponto de fusão desta é menor que o de seus componentes isolados (183 °C, contra 232 °C e 327 °C, respectivamente), e sendo, por isso, chamado ponto eutético.

• Há também outras misturas eutéticas usadas em metalurgia, mesmo não-metálicas (para formar escória) e na indústria do vidro (na qual os componentes acrescentados, como o carbonato de sódio, são chamados “fundentes").

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• Um aço eutetóide tem 0,77% de carbono e na sua estrutura granular tem somente perlita

Um aço eutético é uma liga c/ 4,3% de carbono

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Diagrama de equilíbrio Fe-C

• Ligas de aços – 0 a 2,11 % de C • Ligas de Ferros Fundidos – acima de 2,11% a 6,7% de C

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Eutetóide • Quando a solução acima do ponto de transformação é

contínua, ao invés de líquido, uma transformação análoga eutetóide pode ocorrer. Por exemplo, no sistema ferro-carbono, a fase austenita pode sofrer uma transformação eutetóide para produzir ferrita e cementita, muitas vezes em estruturas lamelares, tais como perlita e bainita. Este ponto eutetóide ocorre em 727 ° C (1341°F) e cerca de 0,83% de carbono

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Região peritética

• Transformações peritéticas também são semelhantes às reações eutéticas. Aqui, uma das fases líquida e sólida de proporções fixas reagem a uma temperatura fixa e produzem uma única fase sólida. Dado que as formas sólido produzidas na interface entre os dois reagentes, eles podem formar uma barreira de difusão e, geralmente, provocam tais reações para continuar muito mais lentamente do que as transformações eutética ou eutetóide. Devido a isso, quando uma composição peritética solidifica não mostram a estrutura lamelar, que encontra-se com a solidificação eutética.

• Tal transformação existe no sistema ferro-carbono, como visto perto do canto superior esquerdo da figura. Assemelha-se a um eutético invertido, com a fase δ combinando com o líquido para produzir austenita pura em 1495 ° C (2723 ° F) e 0,17% de carbono

• Líquido + sólido α → sólido β

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Diagrama de equilíbrio Fe-C • Ponto S: eutetóide - Aço • Ponto C:– eutético - ferro fundido • Ferrita: ferro comercialmente puro (C <

0,008%), pouco resistente, mole e dúctil

• Fe3C carboneto de ferro - 6,7% C • Aço hipoeutetóide 0,008 - 0,77% C • Aço hipereutetóide 0,77 - 2,11%C • Fe Fundido hipoeutético 2,11-4,3%C • Fe Fundido hipereutético > 4,3%C

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Diagrama de equilíbrio Fe-C Fe3C, Fe e grafita (carbono na forma lamelar)

• Austenita: solução sólida de C no Fe gama. Boa resistência e apreciável tenacidade

• Cementita: Carbono na forma Fe3C (carboneto de ferro, 6,7% de C). Muito duro.

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Diagrama de equilíbrio Fe-C

• Em resumo, a austenita existente acima da linha A1 pode se transformar em ferrita + perlita, somente perlita ou perlita + cementita.

• Isto ocorre se houver tempo suficiente para permitir o equilíbrio.

• Devido a isto os aços tem suas propriedades modificadas.

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MICROESTRUTURA DO AÇO EUTETÓIDE RESFRIADO LENTAMENTE

Somente Perlita

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MICROESTRUTURA DOS AÇOS BAIXO TEOR DE CARBONO

Ferrita Perlita

AÇO COM ~0,2%C

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MICROESTRUTURA DOS AÇOS MÉDIO TEOR DE CARBONO RESFRIADOS LENTAMENTE

Ferrita Perlita

AÇO COM ~ 0,45%C

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FERRITA 90x AUSTENITA 325x

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MICROESTRUTURAS / EUTETÓIDE

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AÇOS EUTETÓIDES- PERLITA

500 X

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AÇOS HIPOEUTETÓIDE

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AÇOS HIPOEUTETÓIDE

AISI 1038 , 635X

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Aço 1020 Aço 1045 Aço 1070

Ferrita + perlita Perlita

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AÇOS HIPEREUTETÓIDE

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1,4% C

1000x

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MICROESTRUTURAS /HIPOEUTETÓIDE Supondo resfriamento lento para manter o equilíbrio

� Teor de Carbono = 0,002- 0,76 % � Estrutura

Ferrita + Perlita � As quantidades de ferrita e perlita variam

conforme a % de carbono.

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MICROESTRUTURAS /HIPEREUTETÓIDE Supondo resfriamento lento para manter o equilíbrio

• Teor de Carbono = 0,76 - 2,11% • Estrutura Cementita + Perlita • As quantidades de cementita e

perlita variam conforme a % de carbono.

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PROPRIEDADES MICROESTRUTURAIS

• FERRITA (Fe-α) – dúctil, baixa resistência mecânica, macia.

• AUSTENITA (Fe-γ) - média resistência mecânica, média ductilidade, média dureza.

• CEMENTITA (Fe3C) - dura, resistente.

• PERLITA (Fe-α + Fe3C) – alta resistência mecânica, dureza, baixa ductilidade. 88% ferrita, 12% cementita

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FERRÍTICO

• Aço inoxidável ferrítico consistindo essencialmente em, em % em peso, 0,0050 a 0,0500 de C, 10,00 a 18,00 de Cr, até 0,50 de Si, até 0,50 de Mn, mais de 0,040, mas não mais de 0,200 de P, ate 0,030 de S, até 0,60 de Ni, 0,005 a 0,200 de Al sol., E de resíduos a 0,050 de B, o restante sendo Fe e impurezas, os teores e C, Cr, P, A1 sol.

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FERRÍTICO • Após resfriamento rápido de alta temperatura eles mostram

uma estrutura macia e tenaz, altamente homogênea, conhecida com ferrítica.

• Contém de 16 a 30% de Cromo.

• Não podem ser endurecidos por tratamento térmico e são basicamente usados nas condições de recozido.

• Possuem uma maior resistência à corrosão que os aços martensíticos devido ao maior teor de cromo.

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FERRÍTICO • Possuem boas propriedades físicas e mecânicas e são

efetivamente resistentes à corrosão atmosférica e a soluções fortemente oxidantes.

• São ferromagnéticos.

• As aplicações principais são aquelas que exigem boa resistência à corrosão, ótima aparência superficial e requisitos mecânicos moderados.

• Apresentam, tendência ao crescimento de grão após soldagem, particularmente para seções de grande espessura, experimentando certas formas de fragilidade.

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FERRÍTICO

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AUSTENÍTICOS • Não endurecível por esfriamento rápido de alta temperatura porém, é

endurecível  por trabalho a frio.

•  Como tem boa característica inoxidável, muito usado em peças que necessitem de  resistência à corrosão ou em equipamentos químicos.

•  Usado também como resistente ao calor devido a boa resistência a oxidação e  amolecimento em altas temperaturas.

•  Requer atenção no que diz respeito ao aquecimento excessivo devido ao não  refinamento de grão por tratamento térmico.

•  Na condição solubilizado, a maioria não são magnéticos, porém no trabalho a frio,  além de aumentar a dureza obtém-se leve sensibilidade magnética.

•  No caso do AISI 304, no aquecimento acima de 600ºC, tende a ocorrer corrosão  no contorno de grão. Logo, para estas aplicações, sugere-se os aços com baixos  teores Carbono (AFP 304L, AFP 316L).

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AUSTENÍTICOS • Os aços inoxidáveis apresentam uma boa resistência a corrosão,

porém, em alguns casos outras características além da resistência à corrosão são necessários, para a utilização dos mesmos em determinadas aplicações; acrescentamos então outros elementos de liga para que o aço inoxidável adquira essas características.

• Uma grande melhoria em muitas propriedades é conseguira com a introdução de Ni como elemento de liga. Consegue-se uma mudança na estrutura, transformando ligas ferríticas em ligas austeníticas (estrutura de alta resistência e tenacidade).

• Os aços inoxidáveis austeníticos são conhecidos pela sua excelente resistência à corrosão em muitos meios agressivos.

• Outros elementos como molibdênio, titânio e nióbio, se adicionados podem melhorar a resistência a corrosão e minimizar a corrosão intergranular por estabilização dos carbonetos presentes.

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AUSTENÍTICO • Dos três grupos, estes aços são os que apresentam maior resistência à

corrosão. Eles combinam baixo limite de escoamento com alta resistência a tração e bom alongamento, oferecendo as melhores propriedades para trabalho a frio.

• Não podem ser endurecido por tratamento térmico, mas suas resistência a tração e dureza podem ser aumentadas por encruamento.

• Não são ferromagnéticos.

• Eles possuem uma ampla faixa de propriedades mecânicas, oferecendo boa ductilidade e resistência a altas e/ou baixíssimas temperaturas, além de boa trabalhabilidade e soldabilidade.

• Existem também aços inoxidáveis duplex (com dois tipos de estrutura convivendo), porém como são aços muito especiais eles não serão discutidos.

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AUSTENÍTICO

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AUSTENÍTICO

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MARTENSÍTICO • Estes aços, após resfriamento rápido de alta temperatura, mostram uma

estrutura caracterizando alta dureza e fragilidade, denominada Martensítica.

• Contém de 12 a 17% de Cromo e O, l a O, 5% de carbono (em certos casos até 1% de carbono) e podem atingir diversos graus de dureza pela variação das condições de aquecimento e resfriamento (tratamento térmico).

• São dificilmente atacados pela corrosão atmosférica no estado temperado e se destacam pela dureza.

• São ferromagnéticos.

• Apresentam trabalhabilidade inferior as demais classes e soldabilidade pior, especialmente com carbono mais elevado, devido a formação de martensita no resfriamento.

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MARTENSÍTICO • Capacidade de endurecimento ao se esfriar rapidamente de altas temperaturas

 (transformação martensítica).

• O revenimento em temperatura adequada  possibilita a obtensão de uma faixa larga de dureza, resistência, deformabilidade e  tenacidade.

•  Boa resistência à oxidação em meio atmosférico, sem perder dureza até 500°C,  podedo assim, ser utilizado como resistente ao calor.

• Boa resistência à soluções como ácido nítrico em temperatura ambiente porém  corrosivo em soluções redutoras com ácido sulfurico e clorídrico. A resistência  diminui com o aumento de quantidade e elementos como Carbono, Enxofre e  Fósforo.

•  Necessita de atenção quando soldado, pois a trincar devido à capacidade de  endurecimento por têmpera.

• Tanto em condições de recozido, temperado e revenido apresentam sensibilidade  magnética (ferromagnético)

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MARTENSÍTICO

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CEMENTITA Cementita ou carboneto de ferro (Fe3C) e

estrutura em forma de cristal ortorrômbico. • Contém 6,67% de carbono e 93,33% de ferro. • É um material duro e quebradiço e, apesar de ser

comumente classificado como cerâmica em sua forma pura, é mais utilizado na metalurgia.

• É formado diretamente pelo derretimento do ferro fundido branco.

• É um composto intermetálico com baixa velocidade de decomposição em ferro α.

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MICRO CONSTI- TUINTE

DUREZA BRINELL

LRT/ MPa

ALONG. EM 2”

%

α PERLITA

Fe3C

90 250-300

650

350 850 30

40 10 0

PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS MICROCONSTITUINTES DOS AÇOS

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EFEITO DO TEOR DE CARBONO %C σE

MPa LTR MPa

ALONG EM 2”

DUREZA BRINELL

0,01 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4

125 250 310 350 365 365 360 350

285 415 525 670 805 755 715 695

47 37 30 23 15 22 24 19

90 115 145 190 220 195 200 215

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EFEITO DO TEOR DE CARBONO

Introdução à Ciência dos Materiais Prof. Carlão

EFEITO DE ELEMENTOS DE LIGA

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EFEITO DE ELEMENTOS DE LIGA

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Perguntas 1. Qual a classificação dos aços quanto o teor de

carbono? 2. Quais as microestruturas encontradas no diagrama Fe-

C? 3. Qual a diferença de um aço para um ferro fundido? 4. Para os aços eutetóide, hipoeutetóide e

hipereutetóide, aquecido até 1200ºC, ao serem resfriados lentamente qual a fase que se obtém?

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