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9. Diagramas de 9. Diagramas de fase em condições fase em condições de equilíbrio de equilíbrio - Definições e conceitos básicos: identificação das fases, limite de solubilidade, microestrutura das fases - Diagramas de equilíbrio binários isomorfos e eutéticos - Reações eutetóides e peritéticas

9. Diagramas de fase em condições de equilíbrio - Definições e conceitos básicos: identificação das fases, limite de solubilidade, microestrutura das fases

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9. Diagramas de fase 9. Diagramas de fase em condições de em condições de equilíbrioequilíbrio

- Definições e conceitos básicos: identificação das fases, limite de solubilidade, microestrutura das fases

-  Diagramas de equilíbrio binários isomorfos e eutéticos

-   Reações eutetóides e peritéticas

- Sistema Fe-C e microestruturas que se formam no resfriamento lento

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DIAGRAMA DE FASE OU DIAGRAMA DE FASE OU DE EQUILIBRIODE EQUILIBRIO

1. IMPORTÂNCIA:1. IMPORTÂNCIA:

- - Dá informações sobre microestrutura e Dá informações sobre microestrutura e propriedades mecânicas em função da propriedades mecânicas em função da temperatura e composiçãotemperatura e composição

- Permite a visualização da solidificação e - Permite a visualização da solidificação e fusãofusão

- Prediz as transformações de fases- Prediz as transformações de fases

- Dá informações sobre outros fenômenos- Dá informações sobre outros fenômenos

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2. LIMITE DE SOLUBILIDADE2. LIMITE DE SOLUBILIDADE

SOLUBILIDADE COMPLETASOLUBILIDADE COMPLETA SOLUBILIDADE INCOMPLETA SOLUBILIDADE INCOMPLETA INSOLUBILIDADEINSOLUBILIDADE

LIMITE DE SOLUBILIDADE: é a concentração máxima de átomos de soluto que pode dissolver-se no solvente, a uma

dada temperatura, para formar uma solução sólida. Quando o limite de solubilidade é ultrapassado forma-Quando o limite de solubilidade é ultrapassado forma-

se uma segunda fase com composição distintase uma segunda fase com composição distinta

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3. FASES3. FASES

FASE É A PORÇÃO HOMOGÊNEA DE UM SISTEMA FASE É A PORÇÃO HOMOGÊNEA DE UM SISTEMA QUE TEM CARACTERÍSTICAS FÍSICAS E QUE TEM CARACTERÍSTICAS FÍSICAS E QUÍMICAS DEFINIDASQUÍMICAS DEFINIDAS

Todo metal puro e uma considerado uma fase

Uma fase é identificada pela composição Uma fase é identificada pela composição química e microestruturaquímica e microestrutura

A interação de 2 ou mais fases em um material A interação de 2 ou mais fases em um material permite a obtenção de propriedades diferentespermite a obtenção de propriedades diferentes

É possível alterar as propriedades do material É possível alterar as propriedades do material alterando a forma e distribuição das fasesalterando a forma e distribuição das fases

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4. DIAGRAMA DE FASES OU DE 4. DIAGRAMA DE FASES OU DE EQUILÍBRIOEQUILÍBRIO

É COMO UM MAPA PARA A DETERMINAÇÃO É COMO UM MAPA PARA A DETERMINAÇÃO DAS FASES PRESENTES, PARA QUALQUER DAS FASES PRESENTES, PARA QUALQUER TEMPERATURA E COMPOSIÇÃO, DESDE QUE TEMPERATURA E COMPOSIÇÃO, DESDE QUE A LIGA ESTEJA EM EQUILÍBRIOA LIGA ESTEJA EM EQUILÍBRIO

- Termodinamicamente o equilíbrio é descrito em - Termodinamicamente o equilíbrio é descrito em termos de energia livretermos de energia livre

- Um sistema está em equilíbrio quando a energia livre - Um sistema está em equilíbrio quando a energia livre é mínimaé mínima

O equilíbrio de fases é o reflexo da constância das características das fases com o tempo

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4. FASES DE EQUILÍBRIO E 4. FASES DE EQUILÍBRIO E FASES METAESTÁVEISFASES METAESTÁVEIS

Fases de equilíbrio:Fases de equilíbrio: suas propriedades ou suas propriedades ou características não mudam com o tempo. características não mudam com o tempo.

Geralmente são representadas nos diagramas por letras gregas

Fases metaestáveis:Fases metaestáveis: suas propriedades ou suas propriedades ou características mudam lentamente com o características mudam lentamente com o tempo, ou seja, o estado de equilíbrio não é tempo, ou seja, o estado de equilíbrio não é nunca alcançado. No entanto, não há mudanças nunca alcançado. No entanto, não há mudanças muito perceptíveis com o tempo na muito perceptíveis com o tempo na microestrutura das fases metaestáveis.microestrutura das fases metaestáveis.

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4.1. DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO 4.1. DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO PARA SISTEMAS BINÁRIOS E PARA SISTEMAS BINÁRIOS E ISOMÓRFOSISOMÓRFOS

Isomorfo Isomorfo quando a solubilidade é quando a solubilidade é completa (Exemplo: Sistema Cu-Ni)completa (Exemplo: Sistema Cu-Ni)

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SOLUÇÃO SÓLIDA COM SOLUÇÃO SÓLIDA COM GAP DE MISCIBILIDADEGAP DE MISCIBILIDADE

Gap de miscibilidade

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INTERPRETAÇÃO DO DIAGRAMA INTERPRETAÇÃO DO DIAGRAMA DE EQUILÍBRIODE EQUILÍBRIO

- - Fases presentesFases presentes localiza-se a temperatura e localiza-se a temperatura e composição desejada e verifica-se o número de fases presentescomposição desejada e verifica-se o número de fases presentes

- Composição química das fases- Composição química das fases usa-se o usa-se o método da método da linha de conecçãolinha de conecção (isotérma) (isotérma)

Para um sistema monofásico a composição é a mesma da liga

- Percentagem das fases- Percentagem das fases (quantidades (quantidades relativas das fases)relativas das fases) regra das alavancasregra das alavancas

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SISTEMA Cu-NiSISTEMA Cu-NiDETERMINAÇÃO DAS FASES DETERMINAÇÃO DAS FASES

PRESENTES E DA COMPOSIÇÃO PRESENTES E DA COMPOSIÇÃO QUÍMICA DAS FASESQUÍMICA DAS FASES

Comp. Liq= 32% de Ni e 68% de CuComp. Sol. = 45% de Ni e 55% de Cu

B

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SISTEMA Cu-NiSISTEMA Cu-NiDeterminação das quantidades Determinação das quantidades relativas das fasesrelativas das fases

Composição das fasesComposição das fases

Percentagem das Percentagem das fasesfases

Fase líquidaFase líquida

Fase sólidaFase sólida

Comp. Liq= 31,4% Ni e 68,9%CuComp. Sol. = 42,5,4 %Ni e %57,5Cu

L = S R+S

S = R R+S

L = C-C0

C-CL

L = Co-CL

C-CL

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DESENVOLVIMENTO DA DESENVOLVIMENTO DA MICROESTRUTURAMICROESTRUTURA

A microestrutura só segue o diagrama de A microestrutura só segue o diagrama de equilíbrio para velocidades de solidificação equilíbrio para velocidades de solidificação lentaslentas

Na prática, não há tempo para a difusão Na prática, não há tempo para a difusão completa e as microestruturas não são completa e as microestruturas não são exatamente iguais às do equilíbrioexatamente iguais às do equilíbrio

O grau de afastamento do equilíbrio dependerá O grau de afastamento do equilíbrio dependerá da taxa de resfriamentoda taxa de resfriamento

Como conseqüência da solidificação fora do Como conseqüência da solidificação fora do equilíbrio tem-se a segregação (a distribuição equilíbrio tem-se a segregação (a distribuição dos 2 elementos no grão não é uniforme.dos 2 elementos no grão não é uniforme.

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Mudança na composição das Mudança na composição das fases durante o processo de fases durante o processo de solidificaçãosolidificaçãoEx: o centro do grão mais rico do elemento com o elemento de maior ponto de fusão)Ex: o centro do grão mais rico do elemento com o elemento de maior ponto de fusão)

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Curva de solidificação e Curva de solidificação e Remoção do calor latente de Remoção do calor latente de fusãofusão

Remoção do calor latente de fusão

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FORMAÇÃO DA FORMAÇÃO DA MICROESTRUTURAMICROESTRUTURA

A distribuição dos 2 elementos no grão não é uniforme, sendo neste caso o centro do grão mais rico do elemento com o elemento de menor ponto de fusão

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RS SOLUBILIDADESOLUBILIDADE

É dada pela linha solvus

LINHA SOLVUS

()()

+ LINHA SOLVUS

+ ll +

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SISTEMAS EUTÉTICOS BINÁRIOSSISTEMAS EUTÉTICOS BINÁRIOS

Reação eutética:Reação eutética:

Líquido Líquido + + Neste caso a solidificação processa-se Neste caso a solidificação processa-se

como num metal puro, no entanto o como num metal puro, no entanto o produto é 2 fases sólidas distintas.produto é 2 fases sólidas distintas.

Microestrutura do eutético:Microestrutura do eutético:

LAMELAR LAMELAR camadas alternadas de fase camadas alternadas de fase e e . .

Ocorre desta forma porque é a de menor Ocorre desta forma porque é a de menor percurso para a difusãopercurso para a difusão

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RS REAÇÃO EUTÉTICAREAÇÃO EUTÉTICA

Líquido +

LINHA SOLVUS

() + ()

Indica solubilidade

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HIPOEUTÉTICO E HIPOEUTÉTICO E HIPEREUTÉTICOHIPEREUTÉTICO

HIPOEUTÉTICOHIPOEUTÉTICO COMPOSIÇÃO MENOR COMPOSIÇÃO MENOR QUE O EUTÉTICOQUE O EUTÉTICO

HIPEREUTÉTICO HIPEREUTÉTICO COMPOSIÇÃO MAIOR COMPOSIÇÃO MAIOR QUE O EUTÉTICOQUE O EUTÉTICO

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MICROESTRUTURA DE MICROESTRUTURA DE UMA LIGA DE Sn-Pb UMA LIGA DE Sn-Pb HIPOEUTÉTICAHIPOEUTÉTICA

Região preta é a Região preta é a fase primária fase primária rica em Pbrica em Pb

Lamelas são Lamelas são constituídas de constituídas de fase fase rica em Pb rica em Pb e fase e fase rica em rica em Sn Sn

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REAÇÃO EUTETÓIDE: REAÇÃO EUTETÓIDE:

+ +

( a diferença do eutético é que uma fase sólida, ao ( a diferença do eutético é que uma fase sólida, ao invés de uma líquida, transforma-se em duas outras invés de uma líquida, transforma-se em duas outras fases sólidas.fases sólidas.

REAÇÃO PERITÉTICA: REAÇÃO PERITÉTICA: Envolve três fases em equilíbrioEnvolve três fases em equilíbrio

+ Líquido + Líquido

Uma fase sólida mais uma fase líquida transforma-se Uma fase sólida mais uma fase líquida transforma-se numa outra fase sólidanuma outra fase sólida

DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO TENDO FASES INTERMEDIÁRIASTENDO FASES INTERMEDIÁRIAS

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RS PERITÉTICO E EUTÉTICOPERITÉTICO E EUTÉTICO

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RS PERITÉTICOPERITÉTICO

Envolve 3 fases em equilíbrio

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RS PERITÉTICO DUPLOPERITÉTICO DUPLO

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EUTÉTICO, EUTETÓIDE E EUTÉTICO, EUTETÓIDE E PERITÉTICOPERITÉTICO

Ponto de fusão congruente

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REAÇÃO MONOTÉTICA E REAÇÃO MONOTÉTICA E EUTÉTICAEUTÉTICA

Dois líquidos imiscíveis formam uma fase sólida e uma fase líquida (MONOTÉTICA)

EUTÉTICA

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GRÁFICO ESQUEMÁTICO: GRÁFICO ESQUEMÁTICO: PONTO DE FUSÃO E PONTO DE FUSÃO E TRANSFORMAÇÕES TRANSFORMAÇÕES ALOTRÓPICASALOTRÓPICAS

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Sistema Fe-C ou Fe-FeSistema Fe-C ou Fe-Fe33C e C e

microestruturasmicroestruturas que se que se formam no formam no resfriamento resfriamento lentolento

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DIAGRAMA DE FASE Fe-FeDIAGRAMA DE FASE Fe-Fe33CCTRANSFORMAÇÃO ALOTRÓPICATRANSFORMAÇÃO ALOTRÓPICA

+Fe3C

+ll+Fe3C

+Fe3CCCC

CFC

CCC

+

+l

As fases As fases , , e e são soluções sólidas são soluções sólidas com Carbono intersticialcom Carbono intersticial

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RS FERRO PUROFERRO PURO

FERRO FERRO = FERRITA = FERRITA FERRO FERRO = AUSTENITA = AUSTENITA FERRO FERRO = FERRITA = FERRITA TF= 1534 TF= 1534 CC

Nas ligas ferrosas as fases Nas ligas ferrosas as fases , , e e FORMAM soluções sólidas com Carbono FORMAM soluções sólidas com Carbono intersticialintersticial

CARBONO

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DIAGRAMA DE FASE Fe-FeDIAGRAMA DE FASE Fe-Fe33CCTRANSFORMAÇÔESTRANSFORMAÇÔES

+ll+Fe3C

+l

PERITÉTICA

+l EUTÉTICA

l +Fe3C

EUTETÓIDE

+Fe3CAÇO FOFO

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Ferro Puro /Formas Ferro Puro /Formas AlotrópicasAlotrópicas

FERRO FERRO = FERRITA = FERRITA

Estrutura= cccEstrutura= ccc Temperatura Temperatura

“existência”= até “existência”= até 912 912 CC

Fase Magnética até Fase Magnética até 768 768 C (temperatura C (temperatura de Curie)de Curie)

Solubilidade máx do Solubilidade máx do Carbono= 0,02% a Carbono= 0,02% a 727 727 CC

FERRO FERRO = AUSTENITA = AUSTENITA

Estrutura= cfc (tem Estrutura= cfc (tem + posições + posições intersticiais)intersticiais)

Temperatura Temperatura “existência”= 912 -“existência”= 912 -13941394CC

Fase Não-MagnéticaFase Não-Magnética Solubilidade máx do Solubilidade máx do

Carbono= 2,14% a Carbono= 2,14% a 1148 1148CC

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Ferro Puro /Formas Ferro Puro /Formas AlotrópicasAlotrópicas

FERRITA AUSTENITA

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Ferro Puro /Formas Ferro Puro /Formas AlotrópicasAlotrópicas

FERRO FERRO = FERRITA = FERRITA Estrutura= ccc Estrutura= ccc Temperatura “existência”= acima de Temperatura “existência”= acima de

13941394CC Fase Não-MagnéticaFase Não-Magnética É a mesma que a ferrita É a mesma que a ferrita Como é estável somente a altas Como é estável somente a altas

temperaturas não apresenta interesse temperaturas não apresenta interesse comercialcomercial

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RS Sistema Fe-FeSistema Fe-Fe33CC

Ferro Puro=Ferro Puro= até 0,02% de Carbono até 0,02% de Carbono Aço=Aço= 0,02 até 2,06% de Carbono 0,02 até 2,06% de Carbono Ferro Fundido=Ferro Fundido= 2,1-4,5% de 2,1-4,5% de

CarbonoCarbono FeFe33C (CEMENTITA)=C (CEMENTITA)= Forma-se Forma-se

quando o limite de solubilidade do quando o limite de solubilidade do carbono é ultrapassado (6,7% de carbono é ultrapassado (6,7% de C)C)

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RS CEMENTITA (FeCEMENTITA (Fe33C)C)

Forma-se quando o limite de Forma-se quando o limite de solubilidade do carbono é ultrapassado solubilidade do carbono é ultrapassado (6,7% de C)(6,7% de C)

É dura e frágilÉ dura e frágil Cristaliza no sistema ortorrômbico (com Cristaliza no sistema ortorrômbico (com

12 átomos de Fe e 4 de C por célula 12 átomos de Fe e 4 de C por célula unitária)unitária)

é um composto intermetálico é um composto intermetálico metaestável, embora a velocidade de metaestável, embora a velocidade de decomposição em ferro decomposição em ferro e C e C seja muito seja muito lentalenta

A adição de Si acelera a decomposição A adição de Si acelera a decomposição da cementita para formar grafitada cementita para formar grafita

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PONTOS IMPORTANTES DO SISTEMA PONTOS IMPORTANTES DO SISTEMA Fe-FeFe-Fe33C (EUTÉTICO)C (EUTÉTICO)

LIGA EUTÉTICALIGA EUTÉTICA: corresponde à liga : corresponde à liga de de mais baixo de mais baixo de fusãofusão

Líquido Líquido FASE FASE ( (austenita) + austenita) + cementitacementita

- Temperatura= 1148 - Temperatura= 1148 CC- Teor de Carbono= 4,3%- Teor de Carbono= 4,3% As ligas de Ferro fundido de 2,1-4,3% de As ligas de Ferro fundido de 2,1-4,3% de

C são chamadas de ligas hipoeutéticasC são chamadas de ligas hipoeutéticas As ligas de Ferro fundido acima de 4,3% As ligas de Ferro fundido acima de 4,3%

de C são chamadas de ligas de C são chamadas de ligas hipereutéticashipereutéticas

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PONTOS IMPORTANTES DO PONTOS IMPORTANTES DO SISTEMA Fe-FeSISTEMA Fe-Fe33C (EUTETÓIDE)C (EUTETÓIDE)

LIGA EUTETÓIDE LIGA EUTETÓIDE corresponde à corresponde à liga de mais baixa temperatura de liga de mais baixa temperatura de transformação sólidatransformação sólida

AustenitaAustenita FASE FASE (FERRITA) + (FERRITA) + CementitaCementita

- - Temperatura= 725 Temperatura= 725 CC- Teor de Carbono= 0,8 %- Teor de Carbono= 0,8 % Aços com 0,02-0,8% de C são chamadas de Aços com 0,02-0,8% de C são chamadas de

aços hipoeutetóideaços hipoeutetóide Aços com 0,8-2,1% de C são chamadas de Aços com 0,8-2,1% de C são chamadas de

aços hipereutetóidesaços hipereutetóides

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MICROESTRUTURAS / MICROESTRUTURAS / EUTETÓIDEEUTETÓIDE Supondo resfriamento lento para manter o Supondo resfriamento lento para manter o equilíbrioequilíbrio

É similar ao eutético É similar ao eutético Consiste de lamelas alternadas de fase Consiste de lamelas alternadas de fase

(ferrita) e Fe(ferrita) e Fe33C (cementita) C (cementita) chamadachamada de de

PERLITAPERLITA FERRITA FERRITA lamelas + espessas e lamelas + espessas e

clarasclaras CEMENTITA CEMENTITA lamelas + finas e lamelas + finas e

escurasescuras Propriedades mecânicas da perlita Propriedades mecânicas da perlita

• intermediária entre ferrita (mole e dúctil) e intermediária entre ferrita (mole e dúctil) e cementita (dura e frágil)cementita (dura e frágil)

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MICROESTRUTURAS / MICROESTRUTURAS / EUTETÓIDEEUTETÓIDE

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MICROESTRUTURA DO AÇO MICROESTRUTURA DO AÇO EUTETÓIDE RESFRIADO EUTETÓIDE RESFRIADO LENTAMENTELENTAMENTE

Somente Perlita

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MICROESTRUTURAS MICROESTRUTURAS /HIPOEUTETÓIDE/HIPOEUTETÓIDE Supondo resfriamento lento para manter o Supondo resfriamento lento para manter o equilíbrioequilíbrio

Teor de Carbono = Teor de Carbono = 0,002- 0,8 %0,002- 0,8 %

Estrutura Estrutura

Ferrita + PerlitaFerrita + Perlita As quantidades de As quantidades de

ferrita e perlita variam ferrita e perlita variam conforme a conforme a

% de carbono e podem % de carbono e podem ser determinadas pela ser determinadas pela regra das alavancasregra das alavancas

Partes claras Partes claras pró pró eutetóide ferritaeutetóide ferrita

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Ele

ani M

aria

da

Cos

ta -

DE

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MICROESTRUTURA DOS MICROESTRUTURA DOS AÇOS BAIXO TEOR DE AÇOS BAIXO TEOR DE CARBONOCARBONO

Ferrita Perlita

AÇO COM ~0,2%C

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Ele

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MICROESTRUTURA DOS AÇOS MÉDIO MICROESTRUTURA DOS AÇOS MÉDIO TEOR DE CARBONO RESFRIADOS TEOR DE CARBONO RESFRIADOS LENTAMENTELENTAMENTE

Ferrita Perlita

AÇO COM ~0,45%C

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Ele

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MICROESTRUTURAS MICROESTRUTURAS /HIPEREUTETÓIDE/HIPEREUTETÓIDE Supondo resfriamento lento para manter o Supondo resfriamento lento para manter o equilíbrioequilíbrio

Teor de Carbono = Teor de Carbono = 0,8-2,06 %0,8-2,06 %

Estrutura Estrutura

cementita+ cementita+ PerlitaPerlita

As quantidades de As quantidades de cementita e perlita cementita e perlita variam conforme a % variam conforme a % de carbono e podem de carbono e podem ser determinadas pela ser determinadas pela regra das alavancasregra das alavancas

Partes claras Partes claras pró eutetóide pró eutetóide cementitacementita

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ALGUNS DIAGRAMASALGUNS DIAGRAMAS

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Micrografia da Liga Al-Micrografia da Liga Al-3,5%Cu no Estado Bruto 3,5%Cu no Estado Bruto de Fusãode Fusão

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