8. Diagramas de fase em condições de equilíbrio – Ferro Revisado: Prof. Adalberto Fonte: Costa, E. M

2 SOLIDIFICAÇÃO b TODO O PROCESSO DE FABRICAÇÃO DE PEÇAS METÁLICAS TEM INÍCO EM UM PROCESSO DE SOLIDIFICAÇÃO

Diagrama de fases 3

4 DIAGRAMA DE FASE OU DE EQUILIBRIO 1. IMPORTÂNCIA: - Permite a visualização da fusão e solidificação - Prediz as transformações de fases - Dá informações sobre microestrutura e propriedades mecânicas em função da temperatura e composição

5 2. SOLUBILIDADE DO SOLUTO E FASES b SOLUBILIDADE COMPLETA b SOLUBILIDADE INCOMPLETA b INSOLUBILIDADE  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-se uma segunda fase com composição distinta

6 3. FASES FASE É A PORÇÃO HOMOGÊNEA DE UM SISTEMA QUE TEM CARACTERÍSTICAS FÍSICAS E QUÍMICAS DEFINIDAS Todo metal puro e uma considerado uma fase b Uma fase é identificada pela composição química e microestrutura b A interação de 2 ou mais fases em um material permite a obtenção de propriedades diferentes b É possível alterar as propriedades do material alterando a forma e distribuição das fases

7 4. DIAGRAMA DE FASES OU DE EQUILÍBRIO b É COMO UM MAPA PARA A DETERMINAÇÃO DAS FASES PRESENTES, PARA QUALQUER TEMPERATURA E COMPOSIÇÃO, DESDE QUE A LIGA ESTEJA EM EQUILÍBRIO - Termodinamicamente o equilíbrio é descrito em termos de energia livre (G) - Um sistema está em equilíbrio quando a energia livre é mínima O equilíbrio de fases é o reflexo da constância das características das fases com o tempo

8 4. FASES DE EQUILÍBRIO E FASES METAESTÁVEIS b Fases de equilíbrio: suas propriedades ou características não mudam com o tempo. Geralmente são representadas nos diagramas por letras gregas b Fases metaestáveis: suas propriedades ou características mudam lentamente com o tempo, ou seja, o estado de equilíbrio não é nunca alcançado. No entanto, não há mudanças muito perceptíveis com o tempo na microestrutura das fases metaestáveis.

9 SOLIDIFICAÇÃO DE UM METAL PURO

10 SOLIDIFICAÇÃO DE UMA LIGA BINÁRIA

11 CONSTRUÇÃO DOS DIAGRAMAS DE FASE A PARTIR DAS CURVAS TÉRMICAS São obtidas curvas térmicas para diferentes teores de soluto

DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO PARA SISTEMAS BINÁRIOS E ISOMÓRFOS b Isomorfo quando a solubilidade é completa (Exemplo: Sistema Cu-Ni)

13 CURVA DE SOLIDIFICAÇÃO PARA UMA LIGA BINÁRIA ISOMORFA Remoção do calor latente de fusão Curva de solidificação

14 INTERPRETAÇÃO DO DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO (CONSTITUIÇÃO DA LIGA) - Fases presentes localiza-se a temperatura e composição desejada e verifica-se o número de fases presentes - Composição química das fases usa-se o método da linha de conecção (isotérma) Para um sistema monofásico a composição é a mesma da liga - Percentagem das fases (quantidades relativas das fases) regra das alavancas

15 SISTEMA Cu-Ni DETERMINAÇÃO DAS FASES PRESENTES E DA COMPOSIÇÃO QUÍMICA DAS FASES Comp. Liq= 32% de Ni e 68% de Cu Comp. Sol. = 45% de Ni e 55% de Cu B

16 Mudança na composição das fases durante o processo de solidificação b Ex: o centro do grão mais rico do elemento com o elemento de maior ponto de fusão) centro do grão A distribuição dos 2 elementos no grão não é uniforme.

17 Mudança na composição das fases durante o processo de solidificação

18 DESENVOLVIMENTO DA MICROESTRUTURA  A microestrutura só segue o diagrama de equilíbrio para velocidades de solidificação lentas  Na prática, não há tempo para a difusão completa e as microestruturas não são exatamente iguais às do equilíbrio  O grau de afastamento do equilíbrio dependerá da taxa de resfriamento  Como conseqüência da solidificação fora do equilíbrio tem-se a segregação (a distribuição dos 2 elementos no grão não é uniforme).

19 SOLUBILIDADE É dada pela linha solvus LINHA SOLVUS ()() ()()  +  LINHA SOLVUS  + l l + 

20 SISTEMAS EUTÉTICOS BINÁRIOS Reação eutética: Líquido  +  b Neste caso a solidificação processa-se como num metal puro, no entanto o produto é 2 fases sólidas distintas. Microestrutura do eutético: LAMELAR camadas alternadas de fase  e . Ocorre desta forma porque é a de menor percurso para a difusão

21 REAÇÃO EUTÉTICA Líquido  +  LINHA SOLVUS ()()  +  ()() Indica solubilidade

22 HIPOEUTÉTICO E HIPEREUTÉTICO b HIPOEUTÉTICO COMPOSIÇÃO MENOR QUE O EUTÉTICO b HIPEREUTÉTICO COMPOSIÇÃO MAIOR QUE O EUTÉTICO

23 Sistema Fe-C ou Fe-Fe 3 C e microestruturas que se formam no resfriamento lento

24 DIAGRAMA DE FASE Fe-Fe 3 C TRANSFORMAÇÃO ALOTRÓPICA  +Fe 3 C  +l l+Fe 3 C  +Fe 3 C CCC CFC CCC  +   +l As fases ,  e  são soluções sólidas com Carbono intersticial

25 FERRO PURO b FERRO  = FERRITA b FERRO  = AUSTENITA b FERRO  = FERRITA  b TF= 1534  C b Nas ligas ferrosas as fases ,  e  FORMAM soluções sólidas com Carbono intersticial CARBONO

26 DIAGRAMA DE FASE Fe-Fe 3 C TRANSFORMAÇÔES  +l l+Fe 3 C  +l PERITÉTICA  +l   EUTÉTICA l   +Fe 3 C EUTETÓIDE   +Fe 3 C AÇO FOFO

Reação eutética 27

Reação peritética 28

29 Ferro Puro /Formas Alotrópicas FERRO  = FERRITA b Estrutura= ccc b Temperatura “existência”= até 912  C b Fase Magnética até 768  C (temperatura de Curie) b Solubilidade máx do Carbono= 0,02% a 727  C FERRO  = AUSTENITA b Estrutura= cfc (tem + posições intersticiais) b Temperatura “existência”=  C b Fase Não-Magnética b Solubilidade máx do Carbono= 2,14% a 1148  C

30 Ferro Puro /Formas Alotrópicas FERRITAAUSTENITA

31 Ferro Puro /Formas Alotrópicas FERRO  = FERRITA  b Estrutura= ccc b Temperatura “existência”= acima de 1394  C b Fase Não-Magnética b É a mesma que a ferrita  b Como é estável somente a altas temperaturas não apresenta interesse comercial

32 Sistema Fe-Fe 3 C b Ferro Puro= até 0,02% de Carbono b Aço= 0,02 até 2,06% de Carbono b Ferro Fundido= 2,1-4,5% de Carbono b Fe 3 C (CEMENTITA)= Forma-se quando o limite de solubilidade do carbono é ultrapassado (6,7% de C)

33 CEMENTITA (Fe 3 C)  Forma-se quando o limite de solubilidade do carbono é ultrapassado (6,7% de C)  É dura e frágil  Cristaliza no sitema ortorrômbico (com 12 átomos de Fe e 4 de C por célula unitária)  é um composto intermetálico metaestável, embora a velocidade de decomposição em ferro  e C seja muito lenta  A adição de Si acelera a decomposição da cementita para formar grafita

34 MICROESTRUTURA DOS AÇOS BAIXO TEOR DE CARBONO FerritaPerlita AÇO COM ~0,2%C

35 MICROESTRUTURA DOS AÇOS MÉDIO TEOR DE CARBONO RESFRIADOS LENTAMENTE FerritaPerlita AÇO COM ~0,45%C

36 É uma solução sólida de carbono em ferro gama. Somente é estável as temperaturas superiores a 723 ºC, desdobrando-se por reação eutetóide, a temperaturas inferiores, em ferrita e cementita. Austenita

Ferrita b Este constituinte está formado por uma solução sólida de inserção de carbono em ferro alfa. É o constituinte mais mole dos aços porém é o mais tenaz e o mais maleável. b A ferrita apresenta-se nos aços como constituinte e misturada com a cementita para formar parte da perlita. 37

Perlita  Formada por uma mistura eutetóide de duas fases, ferrita e cementita, produzida a 723 ºC quando a composição é de 0,8 %. Sua estrutura está constituída por lâminas alternadas de ferrita e cementita, sendo a espessura das lâminas de ferrita superior ao das de cementita, estas últimas ficam em relevo depois do ataque com ácido nítrico. 38

Cementita b É o constituinte que aparece em fundições e aços. É o carboneto de ferro, de fórmula Fe3C. É muito frágil e duro, apresentando mais de 840 Vickers, e é muito resistente ao cisalhamento. Em baixas temperaturas é ferromagnético e perde esta propriedade a 212 ºC (ponto de Curie). 39

40

41 FIM