Unidade Tematica5

Metalurgia da Soldadura II-V-1

Ligas e Diagramas de Fases

Índice Temático V TEMAS:

1. Ligas e diagramas de fase

2. Diagramas de equilíbrio de ligas binárias

3. Diagramas de equilíbrio de ligas ternárias

4. ligas de ferro-carbono

5. Diagramas de equilíbrio das ligas ferro-carbono

6. Actividades / avaliação



OBJECTIVOS No final desta unidade temática, o formando deve estar apto a: • Distinguir soluções sólidas, agregados e compostos. • Caracterizar liga metálica. • Definir elementos de liga. • Caracterizar a solidificação de uma liga em função da sua constituição. • Caracterizar os diferentes pontos de um diagrama de equilíbrio de fases. • Calcular, a partir de um diagrama de fases, a quantidade presente em cada fase. • Identificar e caracterizar as diferentes ligas ferro carbono. • Identificar as diferenças entre um sistema de equilíbrio estável e metaestável. • Caracterizar elementos de liga / resistência / dureza LIGAS E DIAGRAMAS DE FASE A indústria metalomecânica geralmente não utiliza os metais puros, mas combinações de um elemento metálico maioritário com vários elementos. A estas combinações, feitas em percentagens convenientes, de acordo com a sua utilização prática, chamamos ligas metálicas. Uma liga metálica é, portanto, uma mistura íntima de dois ou mais elementos, em que pelo menos um deles é metálico. À porção da liga com as mesmas propriedades físicas e químicas, chama-se fase. As ligas têm propriedades metálicas e são normalmente obtidas pela fusão conjunta dos elementos que as constituem. Aos elementos que fazem parte de uma liga chamamos componentes destas. De acordo com o número de componentes, as ligas podem classificar-se em binárias (2 elementos), ternárias (3 elementos), etc. No estado líquido, os elementos de uma liga formam, geralmente, soluções. Quando se verifica a solidificação da liga, os seus elementos podem associar-se de forma diversa, apresentando-se sob a forma de soluções sólidas, agregados e compostos químicos. Soluções sólidas Uma solução sólida é uma mistura homogénea de dois ou mais componentes, cujos átomos formam uma rede cristalina. No caso de uma liga binária, a solução sólida é formada por um solvente e um soluto, em que os respectivos átomos podem apresentar dois tipos de disposição: de substituição ou intersticial. Na solução sólida de substituição, os átomos do soluto (de dimensão semelhante à dos átomos do solvente) podem substituir os átomos do solvente na rede cristalina, como acontece na solução sólida do cobre no níquel, Fig. 1(a).

ligas metálicas

Fase

Componentes de uma liga

Ligas binárias

Solução sólida de substituição



a) b) Fig. 1 Soluções sólidas primárias: a) substitucionais, b) intersticiais Na solução sólida intersticial, os átomos do soluto intercalam-se nos espaços inter-atómicos do componente solvente, como acontece na solução sólida de carbono no ferro, Fig. 1(b). Neste caso, acima de 910 ºC o ferro adquire o reticulado cúbico de face centrada (Ferro gama), que se caracteriza por um vazio no centro da malha. Os átomos de carbono, que são menores que os do ferro, penetram nesse vazio originando a solução intersticial de carbono no ferro. No tipo de célula cristalina de Ferro alfa, o reticulado é cúbico centrado, com intervalos muito pequenos entre os átomos, o que torna muito difícil a inserção dos átomos de carbono. Deste facto resulta a fraca solubilidade do carbono no Ferro alfa. Agregados Neste caso, a estrutura da liga não é homogénea, mas constituída por uma mistura dos cristais componentes em proporções bem definidas. Como exemplos, podemos indicar a perlite (ferrite + cementite) ou a ledeburite (solução sólida de carbono no Ferro gama + cementite), que adiante estudaremos. Compostos químicos Durante o arrefecimento da liga, verificam-se reacções químicas entre os componentes, dando origem a compostos químicos. É o caso da cementite (Fe3C). DIAGRAMAS DE EQUILÍBRIO DE LIGAS BINÁRIAS O arrefecimento de uma liga é acompanhado de modificações estruturais, que temos todo o interesse em conhecer, já que as suas propriedades tecnológicas estão estreitamente ligadas à estrutura. Os diagramas de equilíbrio permitem-nos formar uma ideia da estrutura das diversas ligas em função da composição química e, a partir daí, inferir quais as suas principais propriedades. Sabemos que a solidificação de um metal puro é realizada a temperatura constante. Ao contrário, a solidificação de uma liga verifica-se num intervalo de duas temperaturas. Essas temperaturas, de início e fim da solidificação, variam com a composição da liga. Na Fig. 2(a), podemos observar as "curvas" de arrefecimento correspondentes a diferentes percentagens dos componentes A e B de uma liga metálica.

Solução sólida intersticial

Solidificação



a) b)

Fig. 2 Traçado do diagrama de equilíbrio de uma liga binária No caso ilustrado, os dois componentes podem ser misturados em qualquer proporção (ligas de solubilidade ilimitada), mantendo-se intimamente ligados, tanto no estado líquido como no sólido, formando uma solução sólida. Nota-se que as "curvas" a e b correspondem, respectivamente, aos metais A e B puros, em que a solidificação se realiza entre duas temperaturas. Por exemplo, para a liga b, constituída por 80% de metal A e 20% de B, a solidificação tem início à temperatura correspondente ao ponto 2 e termina à temperatura correspondente ao ponto 6 (valores obtidos experimentalmente). Processo geral do traçado de um diagrama de equilíbrio Unindo os vários pontos correspondentes às temperaturas de início da solidificação, resulta a linha 1' 2' 3' 4' 5' , da Fig. 2(b), que indica o início da solidificação de todas as ligas representadas no diagrama. A esta linha chamamos linha de liquidus, acima da qual todas as ligas de A e B estão no estado liquido. Unindo os vários pontos correspondentes às temperaturas de fim de solidificação, obtém-se a linha 1' 6' 7' 8' 5', que marca o fim da solidificação de todas as ligas representadas no diagrama. A esta linha chamamos linha de solidus, abaixo da qual todas as ligas de A e B se encontram no estado sólido. Entre as linhas liquidus e solidus, as ligas encontram-se numa fase pastosa, onde existem líquido e sólido. A Fig. 2(b) representa o diagrama de equilíbrio das ligas formadas pelos metais A e B. Pelo processo exposto, podemos traçar o diagrama de equilíbrio de qualquer sistema de ligas binárias. Note-se que a configuração dos diagramas de equilíbrio depende do comportamento dos componentes de liga durante a solidificação que, como sabemos, pode originar soluções sólidas, agregados e compostos químicos. Ligas cujos componentes são totalmente solúveis, tanto no estado líquido como no estado sólido A liga, neste caso, corresponde à solução sólida e o diagrama de equilíbrio tem a configuração representada na Fig. 2(b). Atenda-se agora à Fig. 3, onde tA e tB representam, respectivamente, as temperaturas de fusão dos metais A e B.

Linha liquidus

Linha solidus



Fig. 3 Diagrama de equilíbrio de ligas binárias em que os dois componentes são solúveis, tanto no estado líquido como no estado sólido Vamos interpretar o diagrama de equilíbrio representado, examinando, por exemplo, o processo de cristalização da liga constituída por 70% de metal A e 30% de metal B. Para isso tome-se a recta A que passa pela referida composição e que se chama linha de composição ou característica. Como sabemos, acima de liquidus a liga está no estado líquido; é o que acontece, por exemplo, à temperatura txo. Quando a temperatura desce para tx', à qual corresponde o ponto x na linha característica, inicia-se o processo de cristalização, formando-se os primeiros cristais da solução sólida do metal B no metal A. Para se conhecer a composição desses primeiros cristais, tira-se uma horizontal passando pelo ponto x, que intersecta a linha solidus no ponto y. Projectando esse ponto na recta das concentrações obtemos o ponto y', correspondente à composição procurada e que, para o caso presente, é 26% de A e 74% de B. O líquido tem, a esta temperatura, a composição de 70% de A e 30% de B. Continuando o arrefecimento, vejamos o que se passa, por exemplo, à temperatura tx1. Para tal procede-se da forma seguinte: tira-se a horizontal que passa por x1 e que nos dá o ponto y1 na linha solidus. A projecção deste ponto na recta das concentrações dá-nos o ponto y'1, correspondente à composição procurada e que para o caso presente é 40% de A e 60% de B. A determinação da composição da parte líquida da liga, à mesma temperatura tx1, é obtida de forma idêntica, mas agora em relação à linha liquidus, isto é: projecta-se o ponto z1 (ponto de intersecção da horizontal que passa por x1 com a linha liquidus) na recta das concentrações, obtendo-se o ponto z'1, correspondente à composição procurada que é 83% de A e 17% de B. Continuando o arrefecimento, a liga atinge tx2 à qual corresponde, na linha característica, o ponto x2 pertencente à linha solidus. Neste momento está completa a solidificação da liga, que poderá apresentar ainda uma pequeníssima quantidade de líquido, já que o ponto x2 é um ponto de "fronteira". A composição desse líquido é dada pelo ponto z'2 (projecção de z2 na recta das concentrações) e corresponde a 94% de A e 6% de B.

Linha característica

Cálculo da composição da liga



A composição da parte sólida, praticamente toda a liga, é dada pela projecção de x2 que corresponde à composição do líquido original - 70% de A e 30% de B. Estudo quantitativo dos componentes da liga Acabamos de ver que, de acordo com a temperatura, a liga passa por três fases: líquida, pastosa e sólida. Em relação à fase pastosa, sabemos que a parte da massa total da liga é líquida e a parte restante sólida. Queremos agora conhecer quais as percentagens de líquido e de sólido que constituem a massa total da liga, a uma dada temperatura. Para tal aplica-se a “regra da alavanca”. Por exemplo, para a liga que temos vindo a estudar, constituída por 70% de A e 30% de B e à temperatura x1, Fig. 4, tira-se uma paralela ao eixo das concentrações que intersecta as linhas liquidus e solidus, respectivamente, nos pontos z1 e y1.

Fig. 4 Pormenor da Fig. 3 A quantidade relativa de líquido, em percentagem é dada por:

x y

z y

1 1

1 1

⋅

⋅ Equação 1

Note-se que o numerador da fracção representa a distância (horizontal) da linha característica à linha solidus e o denominador a distância (horizontal) entre a linha liquidus e a linha solidus.

Fig. 5 Representação gráfica da regra da alavanca

Fases da liga



A quantidade relativa de sólido será dada por:

x z

z y

1 1

1 1

⋅

⋅ Equação 2

Notar que neste caso o numerador da fracção representa a "distância" da linha característica à linha liquidus. Concretizando numericamente e atendendo à Fig. 4, temos:

434083y.z

137083zx

304070yx

11

11

11

=−=

=−=⋅

=−=⋅

Então, a percentagem relativa de líquido é:

30

43100 69 8⋅ = . %

A percentagem relativa do sólido será:

13

43100 30 2⋅ = . %

Cuja soma dá, como é evidente, 100%. Para qualquer outro ponto entre x e x2 procede-se de forma análoga. Porém, para aprendermos melhor os diversos tipos de estrutura possíveis numa liga, vamos considerar agora casos simples de tal modo que os casos complexos resultarão de uma justaposição de dois ou mais deles. Começamos por considerar apenas pares de metais completamente miscíveis ou solúveis no estado líquido, isto é, haverá só uma fase líquida – L. Teremos então: 1º Sistemas formados por dois metais completamente solúveis no estado sólido O seu diagrama será o da figura seguinte, onde há uma região com uma fase líquida (L), outra com uma fase sólida (S) e outra com duas fases: uma líquida e uma sólida (S + L).



Nesta altura já sabemos o que é o “liquidus”, o sólidus e a composição de todas as fases qualquer que seja o ponto do diagrama considerado. Agora apenas vamos verificar como se solidifica uma liga deste tipo. Seja então uma liga na situação representada pelo ponto X. Quando ela arrefece, chega um momento em que toca o liquidus no ponto b0; aí precipita cristais de composição a0 – sobre o solidus - isto é, mais ricos em A, de tal modo que o líquido se enriquece em B. Supondo então que a solidificação se vai dar agora sempre em condições de equilíbrio, durante ela, a fase sólida percorrerá o “solidus” de a0 a an e a fase líquida o líquidus de b0 a bn, enquanto a liga total percorre o caminho de b0 a an. Nestas condições, a liga sólida terá uma estrutura homogénea do tipo solução sólida. Para que se dê, porém, esta solidificação nas condições de equilíbrio é necessário uma forte difusão dentro dos cristais em crescimento porque a composição das diversas camadas de material solidificado vai sendo cada vez mais pobre em A e apenas à custa da difusão se poderão homogeneizar os diversos cristais, à medida que a solidificação prossegue, para que realmente o ponto representativo da fase sólida percorra o caminho referido. Ora como sabemos, a difusão no estado sólido é muito lenta, isto é, salvo um arrefecimento extraordinariamente lento que na prática não é realizável, a nova camada de composição a1 que se sobrepõe ao primeiro núcleo a0 ficará mais ou menos diferenciada dele e a composição total da fase sólida

neste momento será intermédia entre a0 e a1, isto é, será '1a .

Conclusões: a) Na prática, o ponto representativo da fase sólida não descreverá o “solidus” mas

uma curva um pouco diferente: ''n

'n

'3

'2

'11 a,a,.....,a,a,a,a

b) A temperatura final de solidificação não será a correspondente ao an, de acordo com o diagrama de equilíbrio, mas sim uma mais baixa – a correspondente a

''na .

c) Os cristais da liga final não serão homogéneos mas sim formados por zonas, mais ou menos concêntricas, com composição variável do centro para a periferia, isto é, serão do tipo zonado (geralmente dendrites zonadas).

Como caso particular deste tipo de sistemas, temos o aparecimento de um mínimo de temperatura - caso da liga Au-Cu (um máximo de temperatura é muito raro). Neste caso há uma concentração a que corresponde a solidificação a T constante. Exemplos: Ligas Ag - Au e Cu - Au



2º Sistemas formados por dois metais completamente insolúveis no estado sólido. Agora, o tipo de diagrama será o seguinte:

Aqui aplica-se a lei de Raoult que diz: o ponto fusão de uma substância pura, baixa com as adições sucessivas de outras substâncias quando as duas são solúveis no estado líquido e insolúveis no estado sólido. Portanto, as soluções no estado líquido, quer de A quer de B têm pontos de fusão cada vez mais baixos à medida que o teor do outro elemento aumenta; assim traçando as duas curvas: 1-2, que parta de A, e 3-4, partindo de B, elas intersectar-se-ão num ponto, que referenciamos por E e que não é mais que um ponto eutéctico, como veremos. Aqui teremos de considerar as seguintes regiões: L (uma fase líquida), A+L e B+L (uma fase líquida e uma fase sólida) e A+B (duas fases sólidas). Também já sabemos qual é o líquidus e o solidus. Vejamos então a estrutura da liga sólida. Teremos de considerar dois tipos de ligas: X ou Z, isto é, de composição diferente da do ponto eutético e Y de composição igual ao ponto eutético. Liga do tipo X: Quando a temperatura baixa e se atinge o “liquidus” em a0 vai começar a precipitar a



fase sólida que, neste caso, é constituída por cristais do metal A puro; à medida que o arrefecimento prossegue, vão-se precipitando mais cristais e os primeiros vão aumentando de tamanho por crescimento; quando o ponto E é atingido a fase L começa a dar origem a cristais de A e de B, isto é, dá-se a reacção L → A + B que já sabemos ser uma reacção eutética. Antes do eutético começar a precipitar, tínhamos então um líquido contendo, e envolvendo portanto, uma certa quantidade de cristais de metal A; é portanto, à volta destes cristais primeiramente precipitados – por isso eles se chamam cristais primários ou constituintes primários da estrutura – que se vai precipitar a mistura eutética que se caracteriza, no estado sólido por uma mistura relativamente homogénea (a uma escala maior que a considerada para definir as fases homogéneas, isto é, esta mistura corresponde a duas fases: dentro de certa medida, está para as soluções sólidas – uma fase – como as emulsões coloidais – duas fases – estão para as soluções líquidas – uma fase) a que se chama constituinte secundário deste tipo de estrutura. Liga do tipo Y: É evidente que a este tipo de liga correspondem as seguintes conclusões: a) Solidifica a temperatura constante. b) Tem apenas a estrutura do tipo do constituinte secundário a que no caso anterior

nos referimos. Se ao ponto E correspondem percentagens de A e B aproximadamente iguais, os dois metais depositam-se em camadas alternadas formando uma estrutura lamelar a que se chama também perlítica. Se, porém, um metal tem grande predominância sobre o outro obtém-se uma estrutura do tipo nodular, acicular ou gráfica, todas correspondendo a pequenos grãos de um metal dispersos numa matriz do metal mais abundante.

Fig. 6 Diferentes estruturas Uma liga diz-se hipereutética se a sua concentração no metal B é superior à do ponto E e hipoeutética se for inferior. Evidentemente que em princípio o metal B é um qualquer dos dois; no entanto, nesta classificação considera-se que A é o metal principal da liga e B o elemento adicionado. 3º Sistema formado por dois metais apenas parcialmente solúveis no estado sólido Trata-se, evidentemente, de um sistema a que corresponde um diagrama misto do 1º e 2º considerados e com a forma seguinte:



Neste caso é evidente o seguinte:

a) As ligas de composição em A superior a a0 ou inferior a '0a solidificam-se como

se se trata-se de um sistema do 1º tipo (isto pelo que se refere até à temperatura TE; daqui para baixo, veremos adiante o que se dá). Portanto, o que então se disse deve ser aqui considerado, nomeadamente a estrutura de cristais zonados.

b) Todas as ligas de concentração em A entre a0 e '0a solidificar-se-ão como se se

tratasse de um sistema do 2º tipo, tendo em conta que agora os cristais primários não são de metal puro mas sim de uma solução sólida e, portanto, apresentando, no caso geral, a estrutura zonada. A estrutura eutéctica - constituinte secundário – será análoga à do 2º tipo, podendo ser perlítica (se ao ponto E corresponder uma percentagem da fase α - solução sólida de B em A, semelhante à percentagem da fase β - solução sólida de A em B; notar que pode a percentagem de A não ser igual à de B), nodular, acicular ou gráfica.

Vejamos o que acontece abaixo da temperatura E em que todas as ligas estão já no estado sólido. Há vários casos a considerar: • Se a composição da liga cai entre A e 6 ou entre 7 e B, nada de especial há a

considerar: mantém-se sempre a fase α ou a fase β.

• Se a composição da liga se situa entre 6 e a0 (ou 7 e '0a ), ao atingir-se a linha 6-

2 (ou 7-5) a fase α (ou β) satura-se em B (ou em A) e parte deste metal precipita arrastando algum metal A (ou B) em solução, isto é, precipita de α (ou de β) a fase β (com a composição a2) (ou α): entra-se na região a duas fases (α e β) – vidé ponto X da liga de composição a1 – em que a composição e percentagem de cada fase, conforme a temperatura, serão dadas pelas regras atrás referidas.

Como neste caso se trata de uma fase sólida precipitando-se de outra fase sólida, a estrutura tenderá a ser do tipo Widmanstatten.

• Se a liga cai entre a0 e '0a , ao arrefecer-se abaixo de TE, quer a composição

das duas fases, quer as percentagens que lhe correspondem, irão variando de acordo com a forma das curvas 2-6 e 5-7, como é evidente.

Aqui convém frisar o seguinte: respeitando estas transformações devidas ao arrefecimento para além de TE, a transformações no estado sólido, elas estão ligadas ao fenómeno da difusão neste caso, o qual, por ser muito vagaroso, exige um arrefecimento muito lento para terem lugar em condições de equilíbrio.



3º A - Sistemas eutectoides Se no caso anterior (caso geral dos sistemas eutécticos; o caso 2º pode considerar-se um caso limite do 3º - é aquele a que correspondem os campos das soluções sólidas tornarem-se nulos) a fase L fosse uma fase sólida, γ, o sistema seria do tipo eutectoide, com já sabemos.

Aqui diz-se tudo o que se expôs para o caso eutéctico havendo apenas a fazer as seguintes considerações: a) Neste caso, como os cristais primários resultam da precipitação de uma fase

sólida do seio de outra fase sólida, essa precipitação vai dar-se principalmente nos pontos mais favoráveis, isto é, nos limites de grão. O crescimento destes primeiros núcleos tenderá a realizar-se ao longo desses mesmos limites, enquanto no caso hipoeutéctico se dava livremente por se encontrar o núcleo no seio de uma fase líquida, isto é, as dendrites primárias da precipitação de uma liga hipoeutectoide serão muito mais irregulares que as correspondentes às ligas hipoeutécticas. Outra diferença entre estes dois tipos de dendrites é a seguinte: No caso hipoeutectóide, como se trata de uma precipitação em fase sólida ela está condicionada pelo fenómeno de difusão no estado sólido, tal como o fenómeno da homogeneização das estruturas zonadas, isto é, neste caso a tendência para este tipo de estrutura é muito menor visto as velocidades de precipitação e homogeneização dos grãos serem bastante mais semelhantes.

O que se disse para as estruturas hipoeutectoides, repete-se para as hipereutectoides, como é evidente, isto é, os grãos do constituinte primário são dendrites mais irregulares que os correspondentes das misturas hipereutéticas e só raramente mostrarão estrutura zonada. b) Pelo que se refere às misturas eutectoides, a sua precipitação, por tratar-se de

fases sólidas, terá muito maior tendência para a estrutura lamelar que para as estruturas nodular, acicular e gráficas, isto é, em qualquer hipótese de proporção das fases α e β, é sempre uma estrutura perlítica que se apresenta, à excepção de circunstâncias muito especiais.

De uma maneira geral, esta estrutura lamelar é bastante mais regular neste caso que no eutéctico, quer quanto à forma das lamelas, quer quanto às distâncias entre elas. 4º - Sistemas peritécticos Como vimos já, a estes sistemas corresponde, no arrefecimento, uma reacção isotérmica em que uma fase líquida reage com uma sólida para dar outra fase sólida.



O diagrama correspondente será então do seguinte tipo:

Fig. 7 Sistema peritéctico

Os sistemas de composições entre A e a0 e entre '0a e B solidificar-se-ão como já é

conhecido (tipo 1).

Consideremos então um sistema X (y) de composição entre a0 e '0a : ao atingir-se o

ponto X0 (Y0) sobre o liquidus o sistema começa a solidificar como no 1º caso; ao atingir-se o ponto X1 (Y1) é que começa a reacção peritéctica: neste ponto, a fase

líquida, que terá a composição '0a , começa a reagir com a fase sólida α, de

composição a0, para dar a composição ap da fase β; no caso do ponto X (Y), como há excesso de α (de L), o sistema no fim da reacção entrará na região α + β (β + L) e ficará com estas duas fases (e continuará a solidificar como no 1º caso até que, atingindo o ponto Y2, ficará todo na fase β; há a notar aqui o seguinte, que tem importância na interpretação das observações metalográficas: os cristais da fase β obtidos por reacção peritéctica são homogéneos, enquanto os obtidos depois por precipitação, como se explicou em relação ao sistema 1º, serão zonados). O que se acaba de referir diz respeito a uma solidificação em condições de equilíbrio, o que não se dará senão para arrefecimentos tão lentos que não são normalmente praticáveis. Nas condições reais, a liga X que deveria solidificar-se completamente à temperatura Tp da reacção peritéctica, apresentar-se-à do seguinte modo: a) Precipitação do constituinte primário α zonado. b) Reacção de L com α: esta reacção dar-se-à na superfície de α entre estes

cristais e o líquido que os envolve, formando-se um envolvimento de α por uma película de β com a composição ap, que isolando os cristais α tornam a continuação da reacção muito lenta – praticamente impelida – por ficar sujeita à difusão no estado sólido.

c) Ficando L, de composição '0a , isolando de α pelo envolvimento de βp

homogéneo, passa a solidificar com o líquido em excesso em relação a α no caso da liga Y, isto é, formando fase β zonada, que não deveria existir neste caso.

Notar que no caso da liga Y dá-se um facto semelhante no seguinte ponto: enquanto para a liga X, por causa do envolvimento, aparece a fase β zonada quando não devia aparecer, no caso da liga Y, pela mesma razão, aparecerão cristais α que não deviam aparecer, e a fase β zonada será em maior quantidade que a prevista pelo



diagrama de equilíbrio. Notar a seguinte diferença entre as estruturas de ligas com um eutéctico e com um peritéctico: no primeiro caso, o constituinte secundário é uma mistura de duas fases, enquanto no segundo é uma única fase. 4º A. Sistemas peritectoides São sistemas análogos ao do caso anterior, apenas com a diferença de a fase L ser sólida também. Estes sistemas estão para os peritécticos como os eutectoides estavam para os eutécticos. Portanto, o que se disse em 4º, tendo em conta o que se disse em 3ºA, tem aplicação aqui. 5º Fases intermediárias. Compostos intermetálicos Como já vimos, chamam-se fases primárias ou soluções sólidas primárias àquelas soluções sólidas em que a rede cristalina do dissolvente se mantém. Todas as soluções sólidas de que até aqui se têm tratado são deste tipo, como se verifica pelo facto de elas serem sempre limitadas por uma das verticais correspondentes a um ou outro metal puro. Como também já sabemos, chamam-se fases intermediárias àquelas em que a estrutura da rede cristalina é diferente das de qualquer dos metais em presença. Podem constituir soluções sólidas secundárias ou compostos intermetálicos. O que interessa aqui referir principalmente é o seguinte: quando um composto intermetálico ocorre, pelo ponto de abcissa correspondente à sua composição tira-se uma paralela ao eixo das ordenadas de tal modo que o diagrama fica dividido em dois, um à esquerda e outro à direita dessa composição. Deste modo, o estudo destes diagramas fica muito simplificado porque cada um daqueles dois deve ser considerado como um diagrama independente e, portanto, mais simples que o total. Exemplo: No diagrama complexo apresentado na Fig. 8 aparece o composto AxBy; por este facto, passámos a ter dois diagramas: o correspondente às ligas entre A e AxBy e o correspondente às ligas entre AxBy e B. Pelo que se refere à interpretação dos diagramas nada mais há a dizer em relação à formação de compostos intermetálicos (evidentemente que as soluções primárias do solvente AxBy são secundárias, isto é, constituem fases intermediárias dos metais A e B e como estes são os elementos mais importantes, chamar-lhes-emos fases intermediárias; no entanto, deve ter-se em conta que nessas soluções a rede cristalina é a mesma do composto intermetálico).



Fig. 8 Exemplo de um diagrama de equilíbrio complexo Tudo o que fica dito permite desde já definir as diversas fases sólidas que ocorram no diagrama complexo apresentado na figura anterior. A – metal A não apresentando formas alotrópicas. B – metal B apresentando duas formas alotrópicas: Bα abaixo da temperatura Tt e Bα acima daquela temperatura. AxBy – composto intermetálico α - solução primária de AxBy em A. β - solução primária de AxBy no metal B na forma alotrópica β (o composto AxBy apresenta-se totalmente insolúvel na forma α de B; isto podia no entanto não ser assim e haver uma fase de solução de AxBy em Bα constituindo uma fase βα junto à vertical B e abaixo de Tt). γ - fase intermédia – solução sólida secundária constituída por uma solução entre A e AxBy. δ – fase intermédia constituída por uma solução de A em AxBy. δ

’ – fase intermédia constituída por uma solução de B (seja por exemplo Bα) em AxBy. ε - fase intermédia constituída por uma solução entre B (seja por exemplo Bα) e AxBy. 5 – O caso de dois metais não completamente solúveis um no outro no estado líquido é de relativa pouca importância em metalurgia (há pares de metais que apresentam uma zona com duas fases líquidas, mas geralmente nas suas ligas não interessam ou não interessa a zona das mesmas com as duas fases líquidas. Vamos porém considerar os dois casos mais interessantes. 1º Sistemas monotéticos O diagrama que lhes corresponde é o seguinte:



Fig. 9 Diagrama de um sistema monotético Para todas as ligas hipomonotéticas (à esquerda do ponto E) tudo se passa como nos sistemas eutécticos mas aqui, ao solidificar-se a mistura monotética - constituinte secundário - a estrutura mais usual é o aparecimento de glóbulos de L1 no meio da matriz α. Para exemplificar, vejamos a solidificação total da liga X: • De X0 a X1 teremos a precipitação da fase α como se disse em 4-1º (cristais

zonados). • Em X1, temos a fase líquida de composição monotética E que se desdobra em α

e L1 estando esta sob a forma de glóbulos no seio do α secundário. • Terminada a reacção monotética a fase α percorre a linha 2-3 e L1 a 5-6 até que

o ponto eutético E1 aparece. Aqui, L1 desdobra-se em cristais α e β e a solidificação termina a temperatura constante.

Se a liga é hipermonotética, como em Y, ao atingir-se a linha E-4-5, da fase líquida L precipita a fase L1 até se atingir a isotérmica correspondente a E. Daqui para diante, ou há uma forte emulsão e o diagrama pode ser mais ou menos seguido, com a decomposição de L em α e L1 seguindo-se depois a solidificação de L1, como se disse atrás, ou L1 e L2 mantêm-se separados, segundo as densidades e a precipitação ocorre em cada liquído independentemente do outro à parte o que se possa passar na superfície de separação onde há contacto entre os dois líquidos. A curva E-4-5 significa: acima de T4 os líquidos são completamente miscíveis (se T4 estivesse acima do ponto de ebulição, isso corresponderia a não haver nunca miscibilidade completa, pelo menos à pressão considerada); abaixo de T4 e para as composições entre E-4 e 5-4, o líquido desdobra-se em dois, cada um com uma composição que já sabemos calcular, dispondo-se no recipiente de fusão separados de acordo com as suas densidades (por vezes a temperaturas elevadas formam uma emulsão homogénea). Como caso particular deste tipo de sistema temos os líquidos praticamente completamente insolúveis, isto é, o liquidus é uma paralela às abcissas.



Fig. 10 Líquidos praticamente insolúveis Exemplos de ligas deste tipo: Tipo geral: Cu-Pb ; Mn-Pb ; Mn-Ag ; Zn – Tl Miscibilidade quase nula no estado líquido: Al-Na ; Bi-Fe ; Al-K ; Bi-Si 2º Sistemas sintécticos Como já sabemos, serão do seguinte tipo:

Fig. 11 Sistema sintéctico Nada de especial há aqui a dizer a não ser que no campo de concentrações entre a0

e '0a , se não houver uma emulsão, os líquidos solidificam-se separadamente, isto é,

não formam liga. Encontram-se reacções sintécticas nos seguintes sistemas: Cd-Ca ; Zn-K ; Ni-Mg 6 – Estivemos a considerar os diagramas de equilíbrio, isto é, uma descrição geométrica do que se passa com uma liga quando ela é arrefecida ou aquecida, supondo que todas as alterações se dão nas condições de equilíbrio. Como sabemos, porém, a realização das condições de equilíbrio é muito difícil e as diversas transformações dar-se-ão quase sempre segundo esquemas metaestáveis, dando origem, por vezes, a estruturas também metaestáveis. Os casos mais importantes de metaestabilidade nestas transformações são os



seguintes: 1º Os derivados à não homogeneização da fase sólida: dão origem às estruturas zonadas e baixam a curva real do “solidus”. 2º Os derivados aos fenómenos de sobresolubilização e sobrefusão. Estes fenómenos, como dissemos, embora teoricamente ocorrendo sempre, só são considerados em casos especiais em que a sua extensão altera sensivelmente os diagramas e a composição de certas estruturas. As suas consequências mais importantes, durante o arrefecimento, são as seguintes: baixam as curvas “liquidus” (ou de transformação em fase sólida) e baixam a temperatura das reacções isotérmicas alterando a composição teórica das estruturas eutécticas (ou eutectóides, etc). Exemplificando: Na figura junta observam-se as consequências da adição de 0,1% de Na a uma liga de Al e Si com uma percentagem de silício entre 11,6% e 20% - o liquidus referente às ligas hipereutécticas baixou para a linha ponteada e, consequentemente o ponto eutéctico (e a reacção eutéctica) viu a sua temperatura baixada e a sua composição enriquecida em Si. A estrutura, como já sabemos, tornou-se mais fina.

Fig. 12 Abaixamento da curva real do solidus Estes fenómenos, no caso da solidificação, como já sabemos, podem evitar-se inoculando no líquido cristais da fase a precipitar. 3º Os derivados da formação de compostos metaestáveis. É o caso da liga Fe-C que em equilíbrio estável se compõe de soluções de grafite no Ferro – ferros fundidos cinzentos– e que no caso metaestável (caso mais vulgar) se compõe de soluções de cementite CFe3 no ferro. Diagramas de equilíbrio de ligas ternárias Nos sistemas ternários, isto é, formados por três elementos, as variáveis necessárias para definir cada fase (continuando a considerar a pressão constante) serão três: a temperatura, a concentração de um elemento e a concentração de outro elemento (a concentração do terceiro fica definida pela diferença da soma das dos outros dois para a totalidade), isto é, a representação gráfica é agora apenas possível no espaço a três dimensões. Para esta representação costuma utilizar-se três processos:



1º As normais coordenadas cartesianas com T no lugar da ordenada normalmente referenciada por Z. 2º Considerar os metais puros nos vértices de um triângulo equilátero cujos lados representarão as ligas binárias dos três metais considerados dois a dois. As temperaturas serão consideradas sobre uma perpendicular ao plano daquele triângulo, constituindo a representação total um prisma de base triangular. 3º Considerar as ligas de dois metais, que em princípio serão os mais importantes, para uma concentração fixa do terceiro metal. Consideram-se então os casos de maior interesse industrial. Assim, reduz-se o estudo do diagrama de três componentes ao caso do das ligas binárias. Isto compreende-se pela dificuldade que há na representação e interpretação das figuras a três dimensões no espaço dimensional do papel e por também não ser prático a utilização de sólidos. Como o 2º caso é muitas vezes considerado, vamos observá-lo mais detalhadamente: 1º Nos vértices temos então os três metais puros: A, B e C.

2º Nos segmentos AB ( BC e AC ) temos as ligas binárias correspondentes, que muitas vezes se rebatem, como a Fig. 13 representa.

Fig. 13 Representação de uma liga ternária Um ponto qualquer P da liga ternária terá por composição, em cada metal, os segmentos, medidos em partes do lado do triângulo, que são determinados nos mesmos por paralelas tiradas de P aos lados que se opõem a cada vértice e por esses mesmos lados. Isto é, as composições da liga P serão:

Composição em A: AC

CP

AB

BP '11 =

Composição em B: BC

CP

AB

AP '22 =

Composição em C: AC

AP

BC

BP 3'3 =



Notar que 1AB

PPAPBPCCCAPPP 2121

CBA321 =++

=++∴=

Porque AB = BC = AC 3º Se duas ligas P1 e P2 se compõem para dar outra, esta liga final P ficará contida na recta que une P1 com P2 definindo-se a sua composição exacta de acordo com a regra da alavanca. Exemplificando: Seja a% de P1 e b% de P2 para dar P. P ficará em tal posição que

dividirá 21PP proporcionalmente a a e b, isto é, 100xPP

PPa

21

2= e 100xPP

PPb

21

1=

4º O inverso de 3º será: se P se decompõe em duas ligas ou fases P1 e P2, P, P1 e P2 ficarão obrigatoriamente em linha recta e as percentagens das composições P1 e P2 calculam-se facilmente com as regras já dadas. 5º Se uma liga se compõe de três composições P1, P2 e P3 o seu ponto representativo cairá dentro do triângulo de vértices P1, P2 e P3 e ficará colocado de tal modo que constituirá o centro de gravidade do triângulo P1, P2 e P3, supondo que as únicas massas existentes estão concentradas nos vértices e são iguais aos pesos (ou percentagens) em que entram cada uma daquelas composições. Na prática, o ponto P pode determinar-se também tendo em conta todo o A, B e C presentes, calculando as percentagens gerais de cada um e fazendo uma construção inspirada no que se deixou dito em 2º. Exemplo: Seja 20% da liga P1 (10,70,20) ; 30% de P2 (20,40,40) e 50% de P3 (40,20,40). A liga P terá a composição: P (0,20x10+0,30x20+0,50x40 ; 0,20x70+0,30x40+0,50x20 ; 0,20x20+0,30x40+0,50x40) = P (28; 36; 36) Portanto, P será a intersecção da paralela por A1 a BC, com a paralela por B1 a AC e com a paralela por C1 a AB (duas paralelas bastavam; a terceira serve de verificação).



A1, B1 e C1 são tais que

28,0AB

BA1 = 36,0CB

CB1 = 36,0AC

AC1 =

6º De igual modo, se uma liga se decompõe em três composições, essas três ligas formarão um triângulo que a conterá e a percentagem de cada uma será determinada pela consideração da regra da alavanca em duas vezes sucessivas, conforme se exemplifica.

Seja P a decompor-se em P1, P2 e P3. Primeiramente decompõe-se P em P2 e '2P , o

que dá, pela regra da alavanca:

%100x

PP

PP

'22

'2 de P2 e %100x

PP

PP

'22

2 de '2P

Agora vamos decompor a composição '2P nas composições desejadas P1 e P3,

aplicando outra vez a regra da alavanca:

%100xPP

PPx

PP

PP

31

3'2

'22

2 de P1 e %100xPP

PPx

PP

PP

31

'21

'22

2 de P3

7º Muitas vezes estes diagramas representam-se fazendo acompanhar o triângulo base dos diagramas das ligas binárias dos metais puros, como já tivemos ocasião de dizer, e inscrevendo dentro do triângulo linhas de nível da superfície “liquidus”, isto é, a projecção na base das intersecções do “liquidus” com planos isotérmicos (planos



paralelos à base) distanciados, normalmente de 100 ºC. A isto corresponde a figura junta relativa ao sistema SiO2 – Al2O3 – CaO, de grande importância para a metalurgia (interessa aos refractários e às escórias).

Fig. 14 Diagrama ternário do sistema SiO2, CaO, Al2O3 Muitas vezes considera-se apenas o plano isotérmico correspondente à temperatura ambiente, indicando-se o campo de existência das diversas fases nessas condições. Nota: Analogamente ao considerado nos sistemas binários, teremos aqui a superfície “liquidus”, isto é, uma superfície tal que para todas as temperaturas superiores a ela todo o sistema está em estado líquido, e a superfície “solidus”, isto é, uma superfície tal que para todas as temperaturas inferiores a ela, todo o sistema está no estado sólido. Entre estas duas superfícies, haverá líquido e sólido. 8º Consideremos um sistema ternário em que se manifesta completa insolubilidade no estado sólido entre os três metais. A figura que lhe corresponde é a seguinte:

Fig. 15 Sistema ternário com completa insolubilidade no estado sólido entre os três metais Vejamos como se solidifica uma liga representada pelo ponto X: com o arrefecimento, a vertical baixa por X toca no “liquidus” no ponto X0; aqui são precipitados cristais de A puro e o líquido descreve a linha X0Y, que é a intersecção do plano contendo a vertical A e a vertical X com o “liquidus”. Ao atingir-se a intersecção das superfícies AE1, EE2, e BE1EE3, começa a precipitar o eutético de A e B, isto é, E1 e o líquido segue a referida intersecção até atingir o eutéctico ternário E em que se acaba a solidificação a temperatura constante com a deposição



alternada dos elementos A, B e C. A estrutura de uma liga destas constituir-se-à de cristais primários de A envoltos em eutéctico de A, B e, finalmente, de um eutéctico ternário envolvendo o conjunto anterior. 9º A um sistema de completa solubilidade entre os três metais no estado sólido corresponde a figura junta.

Fig. 16 Sistema ternário com completa solubilidade no estado sólido entre os três metais Da solidificação de qualquer composição resultará sempre uma mesma fase sólida (solução sólida). Consideremos a liga X. Ao atingir-se o ponto X0 há que considerar o plano isotérmico que passa por ele. Seja a figura seguinte:

Temos aqui três regiões:

(1) – Uma fase líquida. (2) – Uma fase sólida. (3) – Uma fase líquida e outra fase sólida.

A solidificação agora é um pouco arbitrária; apenas podemos afirmar que o ponto correspondente à primeira solidificação ficará sobre a linha c-d, o que aliás acontecerá para qualquer posição de X0 sobre a linha a-b. 10º Consideremos o caso intermédio entre os dois anteriores: solubilidade parcial no estado sólido. A representação geométrica torna-se agora bastante mais complexa.



Fig. 17 Sistema ternário com solubilidade parcial no estado sólido entre os três metais Reconhece-se, no entanto, as regiões referentes a uma fase sólida (junto às verticais A, B e C); as regiões a duas fases (as que na base do prisma determinam faixas adjacentes aos lados do triângulo base – (1), (2) e (3)); e a região a três fases, que fica interior àquelas (4). Uma decomposição deste diagrama torna-o mais explícito. As fases presentes são: α - solução sólida de B e C em A β – solução sólida de A e C em B γ – solução sólida de A e B em C A representação deste sistema apenas no plano isotérmico correspondente à temperatura ambiente será:



Fig. 18 Decomposição do sistema da Fig. 17 11º Consideremos agora o caso da existência de um ou dois compostos intermetálicos formados apenas por 2 elementos. Teremos, então, uma ou outra na figura seguinte (um composto D, dois compostos D e E).

Fig. 19 a) Um composto b) Dois compostos



Como no caso das ligas binárias, os compostos dividem os diagramas em outros diagramas mais simples. No caso de um composto, temos os diagramas ACD e ABD que podem ser considerados independentemente. No caso de dois compostos, os diagramas parciais serão: ADE, ABD e CED. As fases contidas neste último caso serão: α - Solução sólida de D e E em A α’ - Solução sólida de B e D em A β - Solução sólida de A e D em B δ - Solução sólida de A e B em D

δ’ - Solução sólida de A e E em D δ’’ - Solução sólida de C e E em D ε - Solução sólida de A e D em E ε’ - Solução sólida de C e D em E γ - Solução sólida de D e E em C

12º Pode considerar-se ainda um sistema com a formação de um composto ternário, isto é, cujo ponto representativo caia no interior do triângulo. LIGAS DE FERRO-CARBONO Os materiais ferrosos são ligas metálicas de ferro e carbono em que aparecem associados outros elementos como o silício, o manganês, o fósforo, o enxofre e outros. De acordo com a percentagem de carbono, estas ligas dividem-se em ferros fundidos, quando a percentagem de carbono é superior a 2,06%, e aços, para percentagens inferiores. Diga-se, desde já, que nos aços a percentagem de carbono raramente ultrapassa 1,4%. Já sabemos como, através do alto-forno, se obtém a gusa. Esta gusa de primeira fusão não possui qualidades mecânicas e técnicas que lhe permitam a utilização no fabrico de peças para a indústria. Assim, salvo raras excepções, a gusa obtida no alto-forno terá de ser "beneficiada" e por isso a maior parte é destinada à produção de aço. Modificar as propriedades dos materiais implica mudanças na sua estrutura interna, e, se nos propomos melhorar as qualidades da gusa do alto-forno, teremos de compreender as consequentes modificações estruturais. Por outro lado, para se compreender e proceder com critério aos tratamentos é fundamental saber que transformações se verificam nas ligas de ferro carbono durante o aquecimento e o arrefecimento, já que estes tratamentos consistem precisamente nestas operações. Por tudo isto, torna-se essencial o estudo do diagrama de equilíbrio das ligas ferro-carbono. DEFINIÇÃO DE LIGA FERRO-CARBONO



O ferro aparece na natureza em geral combinado e extrai-se a partir de formas oxidadas, com óxidos de outros elementos associados (fósforo, silício e manganês). ELEMENTOS DE LIGA As ligas de ferro industriais têm sempre em menor ou maior quantidade carbono, silício, manganês, fósforo e enxofre (associado ao coque) além de outros elementos como o crómio, níquel, molibdénio, tungsténio, etc., que são adicionados com o fim de conferir propriedades especiais, ou se encontram presentes em teores muito baixos como impurezas. Elemento de liga mais importante CARBONO Ligas com teores até 2% de carbono em peso AÇOS Ligas com teores acima de 2% FERROS FUNDIDOS ALOTROPIA DO FERRO Para compreensão dos fenómenos que alteram a microestrutura dos produtos siderúrgicos devemos examinar as transformações alotrópicas do metal Ferro e a acção do Carbono sobre essas transformações. As alterações alotrópicas ocorrem de acordo com a temperatura as quais são: Até 910 ºC a estrutura cristalina cúbica de corpo centrado (Ferro alfa). Entre 910 e 1390 ºC - estrutura cristalina cúbica de faces centradas (Ferro gama). Entre 1390 ºC e a temperatura de fusão a estrutura é cúbica de corpo centrado (Ferro delta).

DIAGRAMAS DE EQUILÍBRIO DAS LIGAS FERRO-CARBONO SISTEMAS ESTÁVEL E METAESTÁVEL Nas ligas metálicas ferro-carbono, o carbono pode apresentar-se sob a forma livre (grafite), ou sob a forma de composto químico, o carboneto de ferro (Fe3C), conhecido como cementite. Consequentemente, o diagrama de equilíbrio destas ligas compreende dois sistemas: • O sistema estável ferro-carbono (Fe-C) com o carbono na forma de grafite,

representado na Fig. 20 por linhas interrompidas; • O sistema metaestável ferro-cementite (Fe-Fe3C) representado por linhas

contínuas.

Os elementos de liga

As transformações

A grafite e a cementite



Fig. 20 Diagrama de equilíbrio binário Fe-C Como se observa na Fig. 20, na zona correspondente aos aços (até 2,06% de Carbono), os dois diagramas são praticamente coincidentes. O nosso estudo vai incidir somente sobre o sistema metaestável ferro-cementite cujo diagrama de equilíbrio compreende as estruturas dos aços e ferros fundidos brancos. O SISTEMA METAESTÁVEL O diagrama está representado na Fig. 20 por linhas contínuas e no seu traçado consideram-se velocidades de arrefecimento e aquecimento muito pequenas. No eixo das ordenadas representam-se as temperaturas em graus centígrados (ºC) e no das abcissas as percentagens de carbono (%C). Por baixo estão indicadas as percentagens de cementite (Fe3C). Repare que a cementite pura (100%) tem 6,67% de carbono. Nas ligas com mais de 6,67% de carbono, este elemento não metálico aparece sob a forma de grafite, não interessando para o nosso estudo, até porque estas ligas não têm aplicação prática. No diagrama, o ponto A corresponde à temperatura de solidificação do ferro e o ponto D à temperatura de solidificação da cementite. Em relação às temperaturas, o diagrama pode considerar-se dividido em duas partes:

O diagrama

As temperaturas



• A superior corresponde à cristalização primária que começa na linha liquidus ACD e termina na solidus AECFD;

• A inferior, desde solidus até o arrefecimento completo, envolve os processos de cristalização secundária das ligas. Esta cristalização secundária verifica-se entre solidus e a linha GPSK.

Relativamente à composição das ligas o diagrama divide-se em três zonas: • Zona de ferro puro até 0.03% de carbono. • Zona dos aços de 0.03 a 2.06% de carbono. • Zona de ferro fundido de 2.06 a 6.67% de carbono. Acima da linha liquidus ACD, todas as ligas estão no estado líquido. Ao atingir a linha solidus AECFD termina a cristalização primária e abaixo desta verifica-se a cristalização secundária das ligas. A transformação que ocorre na zona crítica durante o arrefecimento pode ser visto na Fig. 21.

Fig. 21 Diagrama de equilíbrio simplificado das ligas de ferro carbono

A cristalização



A solubilidade do carbono no ferro gama é limitada e depende da temperatura. A 1147 ºC a solubilidade é máxima e corresponde a 2% de C; a temperaturas mais baixas, a solubilidade decresce segundo a curva SE', sendo apenas de 0,8 a 723 ºC (ponto E'). A linha SE' assinala, pois, para os aços com teores de carbono entre 0,8 e 2 % o início da precipitação do carbono que exceder o máximo que o ferro gama pode manter em solução sólida, na forma de Fe3C. A precipitação ocorre nos contornos dos grãos de austenite (fase γ na Fig. 20) para onde o carbono em excesso se dirige por difusão. Forma-se assim uma orla de carboneto em torno de cada grão de austenite. Ocasionalmente pode ocorrer também uma precipitação de carboneto no interior dos grãos de austenite, ao longo de certos planos cristalográficos. O carboneto de ferro, Fe3C, quando isolado, é designado, na terminologia metalográfica, por cementite. Enquanto o arrefecimento continua, a precipitação prossegue gradualmente até à temperatura de 723ºC, e, em consequência, o teor de carbono da austenite remanescente diminui gradualmente até 0,8 % de Carbono. Ao atingir a referida temperatura, o ferro gama existente na austenite adquire uma nova forma alotrópica: ferro alfa. Como porém, a solubilidade do carbono no ferro alfa é muito pequena, dá-se nesse momento a separação daquele componente na forma de carboneto. Os dois constituintes tomam então uma disposição particular, em lamelas ou camadas muito finas e alternadas, que tomam o nome de perlite. Do que acaba de ser exposto, entende-se que os aços com mais de 0,8% de carbono, arrefecidos lentamente, são constituídos, abaixo da zona crítica, por grãos de perlite envolvidos por uma camada de cementite. Esta camada é evidentemente menos espessa para aços com teor de carbono pouco acima de 0,8 % e é inexistente nos aços com teor de carbono de 0,8 %, os quais são por isso constituídos só por grãos de perlite. Para os aços com teores inferiores a 0,8% a transformação do ferro gama em ferro alfa desdobra-se em duas fases: uma gradual e outra brusca e completa obtendo-se uma estrutura de ferrite nos limites de grão da austenite entre as temperaturas de 910 e 723 ºC e perlite e ferrite limites de grão abaixo de 723 ºC até à temperatura ambiente. Deste modo, as estruturas finais dos aços são de três tipos: Perlite - aço eutetóide, com 0.8% de Carbono Ferrite + perlite - aços hipoeutetóides, de 0.03 a 0.8%C Perlite + cementite II - Aços hipereutetóides, de 0.8 a 2.06%C O diagrama de equilíbrio Fe-C analisado anteriormente indica as ligas possíveis, as fases presentes a determinada temperatura e as temperaturas de transformação no estado de equilíbrio, não mencionando os tempos necessários para as transformações nem a possibilidade de se obter um estado de equilíbrio para uma determinada velocidade de arrefecimento, ou seja, não considera o factor tempo que é considerado nos diagramas de transformação da austenite no arrefecimento (curvas T.T.T.-Transformação-Tempo-Temperatura). Por este motivo a utilização destes gráficos é muito útil para a escolha dos parâmetros de um tratamento térmico a efectuar. Refira-se que cada diagrama T.T.T. é característico de um determinado aço variando mesmo de um vazamento para o outro.

Solubilidade

Precipitação

Cementite

A perlite

As estruturas finais



Existem dois tipos de diagramas T.T.T.: um de arrefecimento isotérmico e outro de arrefecimento contínuo.



ACTIVIDADES / AVALIAÇÃO Exercício 1: Como sabe uma liga é uma mistura de 2 ou mais elementos. Com base nesta definição defina uma liga metálica? ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ Exercício 2: Diga como é constituída uma liga binária e qual a disposição em que se podem apresentar os respectivos átomos? ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ Exercício 3: Com base no diagrama de equilíbrio da figura seguinte, a uma temperatura de 900 ºC e uma composição de 20 % de prata, determine qual ou quais as fases presentes, a respectiva composição química e a percentagem de cada fase.

Diagrama de equilíbrio de uma liga Cu-Ag



Exercício 4: Utilizando o diagrama de equilíbrio ferro-carbono, diga que estruturas apresenta um aço carbono com 0,4% de carbono às seguintes temperaturas.

a) 1000 ºC b) 400 ºC c) 750 ºC

____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ Exercício 5: Consultando o diagrama ferro-carbono, indique como são constituídos os aços hipoeutectóides e hipereutectóides? ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________

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