Diagrama de Equilibrio Fe-C

UFPA CT CCEM DISCIPLINA: Metalografia e Tratamentos Trmicos

DIAGRAMA DE EQUILBRIO E DE TRANFORMAO 1 Introduo J 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 equilbrio da liga Fe-C. 2 Diagrama de equilbrio da liga Fe-C.

Figura 01 Diagrama de fases Fe-Fe3C Neste diagrama pode ser visto as trs transformaes invariantes que as ligas formadas por ferro e carbono podem sofrer e que so: TRANSFORMAO PERITTICA; TRANSFORMAO EUTTICA; TRANSFORMAO EUTETIDE.


2.1 TRANSFORMAO PERITTICA.

Figura 02 Esquema ilustrativo de parte do diagrama Fe-Fe3C onde ocorre a transformao Perittica. Os pontos J (mxima solubilidade de carbono na ferrita ), I (perittico) e B possuem as seguintes coordenadas: Ponto: J ( 0,10 %C ; 1.492 C ); Ponto: I ( 0,18 %C ; 1.492 C ); Ponto: B ( 0,51 %C ; 1.492 C ). A transformao PERITTICA consiste no seguinte:

L

+

T S1 C

S2

Definio Geral.

L0 , 51%C

+

0 ,1%C

1.492 C

0 ,18%C

Definio para Liga Fe-C.

Ferrita

Austenita


2.2 TRANSFORMAO EUTTICA.

Figura 03 - Esquema ilustrativo de parte do diagrama Fe-Fe3C onde ocorre a transformao Euttica. Os pontos E (mxima solubilidade de carbono na austenita), C (euttico) e F possuem as seguintes coordenadas: Ponto: E ( 2,11 %C ; 1.147 C ); Ponto: C ( 4,30 %C ; 1.147 C ); Ponto: F ( 6,67 %C ; 1.147 C ). A transformao euttica consiste no seguinte:

LL4 , 3%C

T C

( S 1 + S2 )(

Definio Geral.

1.492 C

2 , 06%C

+ Fe 3 C )6 , 7%C

Definio para Liga Fe-C.

Ledeburita Primria A e a Fe3C, so ditas Pro Eutticas quando ocorrem a temperaturas superiores a euttica.


2.3 TRANSFORMAO EUTETIDE.

Figura 04 - Esquema ilustrativo de parte do diagrama Fe-Fe3C onde ocorre a transformao Eutetoide. Os pontos P (mxima solubilidade de carbono na ferrita), S (eutetoide) e F possuem as seguintes coordenadas: Ponto: P ( 0,025 %C ; 727 C ) Ponto: S ( 0,800 %C ; 727 C ) Ponto: K ( 6,670 %C ; 727 C ) A transformao eutetide consiste no seguinte:

S10 , 8%C

T C

( S 2 + S3 )

Definio Geral.

727 C (

0 , 025%C

+ Fe3C ) Definio para Liga Fe-C.6 , 7%C

Austenita

Perlita

A e a Fe3C, so ditas Pro Eutetides quando ocorrem a temperaturas superiores a eutetide.


Figura 05 Parte do Diagrama de Equilbrio Fe-Fe3C, referente aos aos C.C. hipo eutetide, no qual ilustra-se as transformaes em uma liga com 0,54%C. Ao lado a ilustrao das etapas das transformaes, at a formao da Perlita e da ferrita. A Figura 05, acima ilustra os trs (03) estgios da formao da estrutura de um ao hipo eutetide resfriado lentamente. 3. CLASSIFICAO DA LIGA FE-C. Quando propomos a classificao as ligas Fe-C, podemos faze-lo nos referindo a dois (02) aspectos, que so: 3.1 A transformao invariante que lhes for peculiar. * No caso dos aos. Segundo a transformao eutetide: Aos Hipo Eutetide (0,025 0,8)%C; Aos Eutetide (0,8)%C; Aos Hiper Eutetide (0,8 2,06)%C. ** No caso dos FoFo. Segundo a transformao Euttica - FoFo Hipo Euttico (2,06 4,3)%C; - FoFo Euttico (4,3)%C; - FoFo Hiper Euttico (4,3 6,7)%C.


3.2 O Teor de Carbono. Quando ligamos Fe e C, podemos produzir quatro (04) produtos siderrgicos, que so:

Figura 06 Esquema de parte do Diagrama Fe- Fe3C com indicaes de duas das trs Transformaes Invariantes do Sistema Fe-C a) O Ferro comercialmente puro ( X1 ) %C ( 0,00 a 0,008 )

Obtido por eletrolise, tendo sua aplicao industrial basicamente devido a sua resistncia a corroso e conhecido por Ferro ARMCO, derivado do nome do fabricante AMERICAN ROLLING MILL CO. atravs dos fornos SM Bsico, sob patente. Elementos Fe ARMCO Fe Eletroltico %C 0,012 0,006 %Mn 0,017 %P 0,005 0,005 %S 0,025 0,004 %Si 0,015

O Fe ARMCO tem como propriedades mecnicas o seguinte:

R = ( 28 32 ) kg / mm2

A = ( 25 35 ) %


b) As Ligas Endurecveis por Precipitao b1 Ligas Ferrosa Sist Fe-Fe3C ( X2 ): % C ( 0,008 a 0,025 )

Esta possibilidade no exclusiva do sistema Fe C, pois existem muitos sistemas binrios com solubilidade limitada de um componente no outro, de tal sorte que a linha PQ do diagrama Fe-Fe3C muito comum e possuem um grande significado prtico, pois tornam possvel o endurecimento por precipitao ou envelhecimento. Um dos processos mais importante de endurecimento dos metais. Muito usado em ligas no ferrosas, como por exemplo, ligas de Al e de Mg. A precipitao, como as transformaes de fase, nucleada nos contornos de gro e outras imperfeies no interior do material, i.., tomos de contorno de gro so mais energizados do que os tomos de interior: tomos do contorno de gro necessitam de menos energia adicional para romper as ligaes do que tomos do interior. Os tomos dos contornos de gro no so os nicos pontos de tomos com mais energia, os tomos prximos aos defeitos de ponto e de linha, tambm possuem energia extra, vindo a servir como ponto de nucleao de reao. Quanto menor ( < ) a temperatura mais importante so estes locais.

Solubilidade de C, no Fe-. As curvas do tipo da figura 07, semelhante as curvas PQ do diagrama FeFe3-C, so chamadas de Linha Solvus, curva que define a composio de equilbrio de [], para uma dada temperatura. Figura 07 Esquema ilustrando uma Linha Solvus para uma liga hipottica. Nestas ligas onde se desenvolve os tratamentos de solubilizao e envelhecimento.


Figura 08 Esquema ilustrando a hiptes de Cristal de Fe3C em contato Com um cristal de .

Figura 09 - Curva Hipottica de Energia livre a 600C para o sistema / Fe3C.

Figura 10 Evoluo da quantidade de Precipitados em funo do tempo para a temperatura de 76 oC, a partir de uma soluo saturada de uma liga Fe-C com 0,018%C. A curva da Figura 10 mostra que o processo de precipitao termina muito lentamente devido a perda contnua de soluto pelo solvente. to, definido tempo de incubao e representa o tempo necessrio para a formao de ncleos estveis e visveis. Figura 11 Variao da Dureza durante o tratamento de Envelhecimento. A Figura 11 apresenta a curva de endurecimento por precipitao de uma liga diluda Fe-C, com 0,015%, submetida a envelhecimento na 0 temperatura de 90 C. A curva apresentar um mximo.


b2 Ligas No Ferrosas Sist Al-Cu ( X2 ): % Cu

( 94,35 a 98,20 )

Na Figura 12 pode ser visto o sistema Al-Cu, no qual encontra-se indicado a faixa de teor de cobre que agregado ao Al forma as ligas deste sistema que so susceptveis de sofrerem endurecimento por precipitao.

Figura 12 Diagrama Al-Cu. Figura 13 esquema ilustrativo de uma operao de Solubilizao e precipitao. Procedimento: solubilizar, resfriar rpido, reaquecer abaixo da temperatura solvus.


4 Diagrama de transformao isotrmica da Austenita []. O estudo das transformaes que ocorrem nas ligas Fe-C, antes de 1.930, baseava-se no diagrama de equilbrio mesta estvel Fe-Fe3C. Aps 1.930, Bain e Davenport, United States Steel Corporation Research Laboratory , propuseram o diagrama T.T.T. tempo, temperatura, transformao, estudando a transformao da Austenita [] a temperaturas constantes.

Figura 14 - Diagrama T.T.T para um Ao Eutetoide:[A] Esquemtico com indicao dos produtos de transformao da Austenita [], que podem ser obtidos em um ao com 0,89%C e 0,29%Mn. Austenitizado 8900C.


Figura 14 - Diagrama T.T.T para um Ao Eutetoide:[A] Esquemtico com indicao dos produtos de transformao da Austenita [], que podem ser obtidos em um ao com 0,89%C e 0,29%Mn. Austenitizado 8900C. TG: 4-5. Ampliao das fotomicrografias originais: 2.500X.

Como vemos os produtos da transformao da Austenita [], podem ser os seguintes: Perlita (727 a 650) C Sorbita (650 a 600) C Troostita (600 a 500) C Bainita Sup. (500 a 400) C Bainita Inf. (400 a 300) C Martensita (300 a 50) C Obs: As temperaturas so apenas de orientao.

4.1 Linha de transformao da Austenita [], em martensita. Aps os trabalhos de Bain e Davenport, comprova-se que a transformao da Austenita [] em martensita, independia da velocidade de resfriamento, como ocorre na formao da perlita. Por ser independente do tempo esta transformao, a temperatura de incio e de fim da transformao pode ser representada por uma linha horizontal no diagrama T.T.T.


Morris Cohen, props que se completasse o diagrama T.T.T com duas (02) horizontais. Ms , Para representar o incio de formao da Austenita []; Mf , Para representar o fim desta transformao. Ms = 500 - 350x(%C) - 40x(%Mn) - 35x(%V) - 20x(%Cr) - 17 x (%Ni) -10x(%Mo) - 5x(%W) + 15 (%Co) + 30x(%Al). O Carbono o elemento que mais influencia para diminuir a temperatura de transformao da Austenita em Martensita. O Cobre; o Molibdnio e o Tungstnio os que menos influem. O Alumnio e o Cobalto elevam a temperatura. O Silcio no interfere.

Figura 15 - Temperatura de Transformao da Austenita, segundo o teor de carbono dos aos C.C.


Dois dos arranjos cristalogrficos com os quais a Austenita pode ser apresentada. Austenita ( ) Figura 16 A distribuio dos tomos de Fe e de C obedece, segundo a figura, o arranjo octadrico, cujo centro ocupado por um tomo de C, como na cementita.

Figura 17 Cristal elementar de austenita, com os tomos de ferro gama nos vrtices e nos centros das faces de um cubo ( rede cbica de faces centradas) e tomos de carbono nos centros das aresta

Figura 18 - O parmetro da rede depende da temperatura e da existncia de C dissolvido. a] Temperatura ambiente com C; b] Temperatura Variando sem C.

O Valor de 3,56 , seria o valor do parmetro do Fe- a emperatura ambiente se fosse possvel obt-lo.

um tomo de C no maior vazio intersticial situado na aresta de uma clula cbica.

Figura 18C Clula unitria CFC do Fe- com


4.2 Tipos de Diagrama T.T.T As curvas do diagrama T.T.T. podem ocupar posies diferentes em funo da composio qumica dos aos em vista, em vista disso podemos agrup-los em quatro (04) tipos, que so: * ** *** **** Diagrama T.T.T. para Aos C. Eutetides; Diagrama T.T.T. para Aos C. Hipoeutetides; Diagrama T.T.T. para Aos C. Hipereutetides; Diagrama T.T.T para Aos Ligas. * Diagrama T.T.T. para Aos C. Eutetides

Figura 19 Diagrama TTT de um Ao Eutetoide com % C = 0,89%; % Mn = 0,29%.


** Diagrama T.T.T. para Aos C. Hipoeutetides

Figura 20 Diagrama TTT de um Ao Hipo eutetoide com % C = 0,35 %; % Mn = 0,37 %.

*** Diagrama T.T.T. para Aos C. Hipereutetides

Figura 21 Diagrama TTT de um Ao Hiper Eutetoide com 1,12%C; 0,35% Mn.


*** Diagrama T.T.T para Aos Ligas.

Figura 22 Diagrama TTT tpicos para Aos Ligados. Tipo I: Aos ao Cr e ao Ni. Tipo II: Aos ao Cr-Ni e Cr-Mo de baixa liga. Tipo III: Aos ao Cr-Ni, Cr-Mo e Cr-Ni-Mo de alta liga. Tipo IV: Aos complexos de tmpera ao ar para ferramentas.

HISTERESES DOS PONTOS CRTICO DO SISTEMA FE-FE3C. As transformaes observadas e descritas segundo orientao dos Diagramas de Equilbrio devem, sempre, serem entendidas que ocorrem em Velocidades de Transformaes muito lentas. Entretanto, sempre que se aquece ou se resfria uma liga do sistema Fe-Fe3C as temperaturas onde ocorrem estas transformaes mudam para mais ou


para menos conforme for o sentido operacional. Da se ter, em alguns diagramas deste sistema as letras A; AC [Chauffages = aquecimento]; AR [Refroidissement = resfriamento]. As diferenas entre estes pontos crescem em funo das velocidade de aquecimento ou de resfriamento.

Figura 23 Influncia da Velocidade de Resfriamento sobre a posio dos Pontos Crticos do sistema Fe-Fe3C. COMPARAES ENTRE A ESTRUTURA DA AUSTENITA E DA MARTENSITA

[A] [B] Figura 24 [A] Clula unitria CFC do Fe- com um tomo de C no maior vazio intersticial situado na aresta de uma clula cbica; [B] Estrutura Austenitica; 200X. Ataque eletroltico com Ac. Oxlico 10%. A estrutura corresponde a deformaes mecnicas na rede cristalina.


[A] [B] [C] Figura 25 [A] Clula unitria CCC do Fe-; [B] Clula unitria TCC tetragonal de corpo centrado; [C] Cristal elementar da Martensita, com os tomos de Ferro nos vrtices e no centro de paraleleppedo [tetragonal] e com os tomos de C no centro das arestas e das faces.

Figura 26 Estrutura Martenstica sobre um fundo de Austenita. Ao Temperado de 1.200 0C em gua. 0,3%C. 1.000X.

O Grfico da Figura 27, apresenta curvas de resfriamento para Aos Carbono que evoluem segundo o teor de Carbono


Figura 27 Variao da Dureza para Aos Carbono Em funo da Velocidade de Resfriamento e do Teor de carbono. A Regio do sombreada no grfico indica possvel perda de Dureza devido a presena de Austenita Retida, que mais macia que a Martensita.

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