5 diagrama ferro carbono

1. DIAGRAMA
DE FASES
FERRO – CARBONO

2. DIAGRAMA DE FASES
Fases – porção da matéria que se diferencia de outra
em termos de estrutura ou composição, é fisicamente
homogênea e perfeitamente distinguível.


Diagramas de fases,
representações gráficas
das fases presentes em
um sistema em função
da temperatura, pressão
e composição.

3. DIAGRAMA DE FASES

4. SISTEMA FERRO-CARBONO
Sistema de liga binário mais importante, sendo os materiais mais
utilizados pelo homem.

O diagrama de equilíbrio Fe-C permite uma melhor compreensão
desses materiais e dos tratamentos térmicos a que são submetidos
normalmente.

Os diagramas de equilíbrio mostram as estruturas que se formam sob
condições de resfriamento LENTO.

Os diagramas de fases não indicam o tempo necessário para que uma
transformação ocorra

As taxas de resfriamento encontradas na prática provocam o
SURGIMENTO DE ESTRUTURAS ADICIONAIS, não previstas nestes
diagramas.

5. DIAGRAMA FERRO - CARBONO (FexC)

6. O DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO FERRO -CARBONO
Representa ligas com teor de carbono de até 6,7%p.

FASES SÓLIDAS PRESENTES:
FERRITA: solução de carbono em FERRO- (CCC). Apresenta
solubilidade de 0,008%p de C a temperatura ambiente e de no máximo ,
0,02%p a 727 ºC, é estável até 912 ºC
AUSTENITA: solução de carbono em FERRO-γ (CFC). Consegue
dissolver um teor de C muito mais alto do que a ferrita (até 2,11%p a
1148 ºC). Não-magnético.
CEMENTITA: (Fe
3C) composto intermediário, o CARBETO DE FERRO,
é representado por uma linha vertical passando pela composição de
6,7%p C. É muito DURO e FRÁGIL.
FERRO-δ: solução de carbono em ferro com estrutura CCC, existente a
altas temperaturas.
PERLITA: Consiste na mistura mecânica da das fases ferrítica
(88,5%) e cementita (11,5%) em peso, apresenta fases
intermediárias entre a ferrita e cementita.

7. DIAGRAMA FERRO - CARBONO (FexC)

8. As ligas ferrosas são, em princípio, divididas em três grupos:

1 FERRO COMERCIALMENTE PURO : %C < 0,008%p.
2 AÇOS, com teores de carbono até 2,11%;
3 FERRO FUNDIDO; com teores de carbono acima de 2,11%
e raramente superiores a 4,3%.

Considerando, entretanto, os elementos de liga que podem estar
presentes e as estruturas que caracterizam alguns tipos desses materiais.
Os aços compreende:
2.1 Aço-carbono: liga de ferro-carbono contendo geralmente de 0,008%
até cerca de 2,11% de carbono, além de certos elementos residuais,
resultantes dos processos de fabricação (Mn, Si, P e S);

22 Aço-liga: aço carbono que contém outros elementos de liga ou
apresentam os elementos residuais em teores acima do que são
considerados normais:
LIGAS FERROSAS

9. 3.1 Ferro fundido cinzento: liga ferro-carbono-silício, com teores de
carbono acima de 2,11% e silício em teores de 1,2 a 3,0%; a quantidade
elevada de silício promovem a formação parcial de carbono livre, na
forma de lamelas ou “veios” de grafita. Nessas condições, o ferro fundido
apresenta fraturas de coloração escuras (dando origem a sua
denominação);

3.2 Ferro fundido branco: liga ferro-carbono-silício, com teores de
carbono menor que o cinzento e que, devido ao silício em menor
quantidade e as condições de fabricação, apresenta carvão quase que
inteiramente combinado resultando uma fraturas de coloração clara
(dando origem a sua denominação);

3.3 Ferro fundido mesclado: liga ferro-carbono-silício, caracterizado
pela composição e condições de fabricação de tal ordem que resulta em
uma fratura de coloração mista entre branca e cinzenta (dando origem a
sua denominação).

LIGAS FERROSAS

10. 3.4 Ferro fundido maleável: liga ferro-carbono-silício caracterizado por
apresentar grafita na forma de “nódulos” (em vez de “veios”), devido a um
tratamento térmico especial (maleabilização) a que se submeteu um ferro
fundido branco;

3.5 Ferro fundido nodular: liga ferro-carbono-silício caracterizado por
apresentar grafita na forma de esferoidal, resultante de um tratamento
realizado no material ainda no estado líquido (“nodulização”).


A melhor compreensão das propriedades desses matérias e dos
tratamentos térmico a que comumente são submetidos, obtém-se com o
estudo do diagrama de equilíbrio ferro-carbono.
O diagrama é chamado de “equilíbrio metaestável” por que, na
realidade, ocorrem modificações ao longo do tempo.

LIGAS FERROSAS

11. O DIAGRAMA DE FASES FERRO - CARBETO DE FERRO
(Fe-Fe
3C)
Temperatura,
º
C

Composição, %p C
1 2 3 4 5 6 6,7 0
1600
1400
1200
1000
800
600
400
L
Fe
3C
γ + L
L + Fe
3C
 + Fe
3C
γ + Fe
3C
γ, austenita
 + γ

δ
4,30 2,14
0,76
912 ºC
1394 ºC
1538 ºC
727 ºC
A
B
C
D
E
1148 ºC
F
G
S P
N
J
K
Solidus
A
1
A
3
Q
0,022
AÇOS
0,08 ≤ %C ≤ 2,11
FERROS FUNDIDOS
%C ≥ 2,11
Fe

12. O diagrama deveria ser
Fe-Fe
3C e quando se diz que ele
é metaestável é porque pode
ocorrer eventualmente
decomposição da Fe
3C em ferro
e carbono, este último na forma
de grafita.
O diagrama abrange a
faixa completa das ligas FeC
comerciais: “aços”, entre 0 e
2,1% de carbono e ferro fundido,
com carbono acima de 2,11%.

Diagrama Metaestável
O diagrama abrange uma faixa de teor de carbono relativamente
estreita, de 0 a 6,7% , teor este último correspondente a composição do
carboneto de ferro (Fe
3C).

13. O diagrama mostra um “eutético” – ponto C – a 1148
o
C que
corresponde a um teor de carbono de 4,3%.

Diagrama Metaestável
Por outro lado, na faixa
correspondente aos aços, o
ponto S – a 0,77%C e á
temperatura de 727
o
C – tem
características semelhantes ao
ponto C, eutético na faixa dos
ferros fundidos. Por essa razão,
o ponto S é chamado “eutetóide”.

14. Em função desses dois pontos, costuma-se agrupar, teoricamente,
os aços e ferros fundidos da seguinte maneira:
Aço eutetóide com teor de carbono correspondente ao ponto eutetóide
0,77%;
Aço hipoeutetóide com teor de carbono entre 0 e 0,77%;


Diagrama Metaestável
Aço hipereutetóide - com teor de
carbono entre 0,77 e 2,11%;
Ferro fundido eutético com teor de
carbono correspondente ao ponto
eutético 4,30%;
Ferro fundido hipoeutético com teor
de carbono entre 2,11% e 4,30%;
Ferro fundido hipereutético com teor
de carbono acima de 4,30%.

15. O ponto A correspondente ao ponto de fusão do ferro puro –
1538
o
C e o ponto D, impreciso, ao ponto de fusão do Fe
3C;

Diagrama Metaestável
Na parte superior esquerda do
diagrama, numa parte estreita, ocorre
uma reação especial chamada
“peritética”, na passagem do estado
líquido para o sólido, em torno de
1495
o
C, que não apresenta
importância sob o ponto de vista
prático. Nesse trecho, ao solidificar, o
ferro adquire a estrutura cúbica
centrada – chamada de δ(delta),
passando pouco depois para a
estrutura cúbica de face centrada γ
(gama) que caracteriza o ferro a alta
temperatura.

16. A 912
o
C, há a passagem da forma cúbica de face centrada para cubo
de corpo centrado até a temperatura ambiente, na forma alotrópica α (alfa);
Na faixa de temperaturas em que o ferro está na forma alotrópica gama, ele
tem capacidade de dissolver o carbono presente;
Entretanto, essa solubilidade do
carbono do ferro gama não é
ilimitada; ela é máxima a 1148
o
C e
corresponde a um teor de carbono
no ferro gama decrescente; assim
a 727
o
C, a máxima quantidade de
carbono que pode ser mantido em
solução sólida no ferro gama é
0,77%, esse fato é indicado pelas
linhas JE e Acm, esta última
representando, portanto, a máxima
solubilidade do carbono ou do
Fe
3C no ferro gama, nas condições
de equilíbrio;
Diagrama Metaestável

17. As linhas JE e ECF corresponde a linha “solidus” do diagrama ;
Diagrama Metaestável
- O carbono afeta, a temperatura
de transformação alotrópica gama-
alfa: a partir de 0% de carbono,
essa temperatura de saturação
decresce paulatinamente, até que
para 0,77% ela se situa a 727
o
C.
Abaixo de 727
o
C, não poderá
existir, sob qualquer hipótese, nas
condições de equilíbrio, ou seja em
resfriamento muito lento, ferro na
forma alotrópica gama; tal fato é
indicado pela linha PSK ou A
1;

18. Entre teores de carbono de 0 a 0,77% ocorre não apenas o
abaixamento da temperatura de transformação alotrópica gama-alfa,
como esta transformação é paulatina, ou seja, se dá em duas etapas:
começa na linha GS ou A
3 e termina na linha PS ou A
1. Somente a 727
o
C
ela é instantânea;
Diagrama Metaestável

19. A solubilidade do carbono no ferro alfa não é nula; cerca de
0,008% de carbono dissolve-se a temperatura ambiente, e a 727
o
C, a
solubilidade aumenta para 0,02%; de 727
o
C para cima, decresce
novamente a solubilidade do carbono até que a 912
o
C torna-se nula.
Nesse instante, o ferro alfa
passa a gama, que pode
manter em solução sólida o
carbono em teores bem mais
elevados, como se viu; os
fatos acima estão indicados
pelas linhas QP e PG. Pode-
se chamar a liga Fe-C com
carbono até 0,008% no
máximo de ferro
comercialmente puro;

Diagrama Metaestável

20. Acima de 2,11% de carbono, na faixa dos ferros fundidos, duas
linhas predominam na fase sólida: a linha ECF “solidus” e a linha SK,
indicados por A
1, abaixo do qual não pode existir ferro na forma alotrópica
gama;

A solução sólida do carbono no
ferro gama chama-se
“austenita”; portanto na zona
limitada pelas linhas JE, ES, SG
e GNJ só existe austenita; esta
zona é determinada
“austenítica”; esta austenita
(nome do metalurgico inglês
Roberts Austen) é uma
constituinte estrutural de boa
resistência mecânica e
apreciável tenacidade e não-
magnético;
Diagrama Metaestável

21. Na zona limitada pelas linhas SE (Acm), ECF e SK (A
1) existe
simultaneamente austenita e carbono, este último na forma de Fe
3C,
devido a solubilidade do carbono no ferro gama ser limitada;
O Fe
3C é um carboneto
contendo 6,67% de carbono,
muito duro (na escala Mohs
ocuparia aproximadamente o
lugar do feldspato) é frágil,
esse constituinte é
denominado “cementita”.
As linhas que marcam
o início e o fim das
transformações chama-se
linhas e transformações e elas
limitam zonas chamadas zonas
críticas.

Diagrama Metaestável

22. O DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO FERRO -CARBONO
Temperatura,
º
C

Composição, %p C
1 2 3 4 5 6 6,7 0
1600
1400
1200
1000
800
600
400
C
D
E
F
S
P K
4,30
L
2,14
1148 ºC Solidus
γ + L L + Fe
3C
0,7
6
A
3
γ, austenita
, ferrita
0,022
727 ºC A
1
Fe
3C,
cementita
 + γ
γ + Fe
3C
 + Fe
3C
AUSTENITA
• CFC
• Não-magnética
CEMENTITA
• Frágil
• Resistente FERRITA
• CCC
• Boa plasticidade
REAÇÃO EUTÉTICA (1148ºC)
L(4,3%p) (2,14%p) +
Fe
3C(6,7%p)
%p C(Fe
3C) = m
C/(m
C + m
Fe)
= 12(12 + 3 x 55,8) = 6,7
REAÇÃO EUTETÓIDE (727 ºC)
(0,76%p) (0,022%p) +
Fe
3C(6,7%p)
A
B
G
Q
1394 ºC
1538 ºC
912 ºC
Fe- (CCC)
Fe-γ (CFC)
Fe-δ (CCC)
Q
G
B
A
→
→
→L
(FUSÂO)
tempo
Temperatura,
º
C

Transformações do Fe PURO

23. AÇO EUTETÓIDE
 + γ
γ
γ
γ γ
γ + Fe
3C
 + Fe
3C

727 ºC
Fe
3C

Temperatura (
º
C)

1,0 2,0
400
500
600
700
800
900
1000
1100
Composição, %p C
AÇO EUTETÓIDE
(0,76%p C)
0,76
REAÇÃO
EUTETÓIDE
6,7
C
Fe3C = 6,7 C
 = 0,022
PERLITA

24. AÇO EUTETÓIDE: PERLITA
PERLITA
Cementita
Ferrita

25. Desenvolvimento das microestruturas em ligas Fe-C
C C
Fe
3C



C
C
C
C
C
γ
Direção do
crescimento da
perlita
Fe
3C
Mecanismo de formação da PERLITA a partir da AUSTENITA:

26. AÇO HIPOEUTETÓIDE
 + γ
γ
γ + Fe
3C
 + Fe
3C

727 ºC
Temperatura (
º
C)

1,0 2,0
400
500
600
700
800
900
1000
1100
Composição, %p C
AÇO
HIPOEUTETÓIDE
(<0,76%p C)
6,7
PERLITA = Fe
3C +
-eutetóide
γ γ
γ
γ
γ γ
γ
γ
γ
γ
γ
γ
γ
 pró-eutetóide
REAÇÃO
EUTETÓIDE
C
0

27. AÇO HIPOEUTETÓIDE: PERLITA + FERRITA PRÓ -
EUTETÓIDE
Aço hipoeutetóide com 0,38 %C. Ferrita pró-eutetóide
(grãos claros) e perlita (grão lamelares)
PERLITA
FERRITA PRÓ-
EUTETÓIDE

28. AÇO HIPEREUTETÓIDE
 + γ
γ
γ + Fe
3C
 + Fe
3C

727 ºC
Temperatura (
º
C)

1,0 2,0
400
500
600
700
800
900
1000
1100
Composição, %p C
AÇO
HIPEREUTETÓIDE
(>0,76%p C)
0,76
6,7
PERLITA =  +
Fe
3C-eutetóide
γ γ
γ
γ
REAÇÃO
EUTETÓIDE
C
0
γ
γ
γ
γ
γ
Fe
3C pró-eutetóide
γ γ
γ
γ

29. AÇO HIPEREUTETÓIDE: PERLITA + CEMENTITA PRÓ -
EUTETÓIDE
Aço hipereutetóide com 1,4
%C. Perlita (grão lamelares)
e cementita pró-eutetóide
(rede clara nos contornos da
perlita)
Essa rede de cementita,
dura e frágil, REDUZ A
TENACIDADE material,
favorecendo a propagação
de trincas.
PERLITA
CEMENTITA
PRÓ-EUTETÓIDE

30. Desenvolvimento das microestruturas em ligas Fe-C
Microconstituintes e fases formadas durante o resfriamento em CONDIÇÕES DE
EQUILÍBRIO

AÇO %p C Microconstituintes Fases
HIPOEUTETÓIDE < 0,76 FERRITA PRÓ-EUTETÓIDE +
PERLITA
FERRITA () e
CEMENTITA (Fe
3C)
EUTETÓIDE = 0,76 PERLITA FERRITA () e
CEMENTITA (Fe
3C)
HIPEREUTETÓIDE > 0,76 CEMENTITA PRÓ-EUTETÓIDE
+ PERLITA
FERRITA () e
CEMENTITA (Fe
3C)

31. FIM

32. REAÇÕES NA FAIXA DE COMPOSIÇÃO DOS FERROS
FUNDIDOS
Fe
3C, cementita
Temperatura,
º
C

Composição, %p C
1 2 3 4 5 6 6,7 0
1600
1400
1200
1000
800
600
400
L
Fe
3C
 + Fe
3C
γ + Fe
3C
γ + L
L + Fe
3C
γ, austenita
 + γ

δ
4,30 2,14
0,76
0,022
912 ºC
1394 ºC
1538 ºC
727 ºC
γ + Fe
3C
L + Fe
3C
γ + L
L
1148 ºC 4,3 %p C
1148 ºC
resfriamento
aquecimento
L(4,30 %p C) γ(2,11 %p C) + Fe
3C( 6,7 %p C)
REAÇÃO EUTÉTICA DOS FERROS FUNDIDOS (a 1148 ºC)

33. REAÇÕES NA FAIXA DE COMPOSIÇÃO DOS AÇOS
Fe
3C, cementita
Temperatura,
º
C

Composição, %p C
1 2 3 4 5 6 6,7 0
1600
1400
1200
1000
800
600
400
L
Fe
3C
 + Fe
3C
γ + Fe
3C
γ + L
L + Fe
3C
γ, austenita
 + γ

δ
4,30 2,14
0,76
0,022
912 ºC
1394 ºC
1538 ºC
727 ºC
 + Fe
3C

0,76 727 ºC
γ + Fe
3C
 + Fe
3C
  + γ
γ
0,022
resfriamento
aquecimento
γ(0,76 %p C) (0,022 %p C) + Fe
3C( 6,7 %p C)
REAÇÃO EUTETÓIDE DOS AÇOS (a 727 ºC)