Diagrama De Fases Ferro-carbono.pdf 293c9

MATERIAIS . Prof.HEINZ SCHAAF

DIAGRAMA DE FASE Fe-Fe3C

1


Diagramas de fase ou equilibro IMPORTÂNCIA: - Dá informações sobre microestrutura e propriedades mecânicas em função da temperatura e composição - Permite a visualização da solidificação e fusão - Prediz as transformações de fases - Dá informações sobre outros fenômenos 2

1


Diagramas de fase ou equilibro Os diagramas de fases (também chamados de diagrama de equilíbrio) relacionam temperatura, composição química e quantidade das fases em equilíbrio. Um diagrama de fases e um “mapa” que mostra quais fases são as mais estáveis nas diferentes composições, temperaturas e pressões. A microestrutura dos materiais pode ser relacionada diretamente com o diagrama de fases. 3


Diagramas de fase ou equilibro Existe uma relação direta entre as propriedades dos materiais e as suas microestruturas.

4

2


Limite de solubilidade SOLUBILIDADE COMPLETA SOLUBILIDADE INCOMPLETA INSOLUBILIDADE LIMITE DE SOLUBILIDADE: e a concentração máxima de átomos de soluto que pode dissolver-se no solvente, a uma dada temperatura, para formar uma solução solida.

5


Limite de solubilidade Quando o limite de solubilidade e ultraado forma-se uma segunda fase com composição distinta

6

3


Fses FASE E A PORCAO HOMOGENEA DE UM SISTEMA QUE TEM CARACTERISTICAS FISICAS E QUIMICAS DEFINIDAS Todo metal puro e uma considerado uma fase Uma fase e identificada pela composição química e Microestrutura

7


Fses A interação de 2 ou mais fases em um material permite a obtenção de propriedades Diferentes E possível alterar as propriedades do material alterando a forma e distribuição das fases

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4


Diagramas de fase ou equilibro 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

-

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 9


Fases de equilíbrio e fases metaestáveis Fases de equilíbrio: suas propriedades ou características não mudam com o tempo. Geralmente são representadas nos diagramas por letras gregas Fases metaestáveis: suas propriedades ou características mudam lentamente com o tempo, ou seja, o estado de equilíbrio não e nunca alcançado. No entanto, não ha mudanças muito perceptíveis com o tempo na microestrutura das fases metaestáveis.

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5


Diagrama de equilíbrio para sistemas binários e isomorfos Isomorfo :quando a solubilidade é completa (Exemplo: Sistema Cu-Ni)

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Interpretação do diagrama de equilíbrio 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 12

6


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

13


Sistema Cu-Ni determinação das fases presentes e da composição química das fases Ex: o centro do grão mais rico do elemento com o elemento

A distribuição dos 2 elementos no grão não é uniforme.

14

7


Regra da alavanca É usada para se determinar as proporções das fases em equilíbrio em um campo de duas fases

15


Regra da alavanca

16

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Regra das fases

P+F=C+N P = numero de fases presentes C = numero de componentes do sistema N = numero de variáveis além da composição p.ex., temperatura, pressão F = numero de graus de liberdade numero de variáveis que pode ser alterado de forma independente sem alterar o numero de fases existente no sistema 17


Regra das fases A regra das fases representa um critério para o numero de fases que coexistirão num sistema no equilíbrio. Exemplo sistema Cu-Ag

18

9


Desenvolvimento da microestrutura A microestrutura só segue o diagrama de equilíbrio para velocidades de solidificação lentas Na pratica, não ha tempo para a difusão completa e as microestruturas não são exatamente iguais as do Equilíbrio O grau de afastamento do equilíbrio dependera da taxa de resfriamento Como consequência da solidificação fora do equilíbrio tem-se a segregação (a distribuição dos 2 elementos no grão não e uniforme. 19


Solidificação de um metal puro

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Desenvolvimento da microestrutura A microestrutura só segue o diagrama de equilíbrio para velocidades de solidificação lentas Na pratica, não ha tempo para a difusão completa e as microestruturas não são exatamente iguais as do Equilíbrio O grau de afastamento do equilíbrio dependera da taxa de resfriamento Como consequência da solidificação fora do equilíbrio tem-se a segregação (a distribuição dos 2 elementos no grão não e uniforme. 21

Solubilidade MATERIAIS . Prof.HEINZ SCHAAF

É dada pela linha solvus

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Solubilidade MATERIAIS . Prof.HEINZ SCHAAF

É dada pela linha solvus

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Sistemas Eutéticos binarios MATERIAIS . Prof.HEINZ SCHAAF

Reação eutética: Liquido α + β Neste caso a solidificação processa-se como num metal puro, no entanto o produto e 2 fases solidas distintas. Microestrutura do eutético: LAMELAR camadas alternadas de fase α e β. 24

12


Sistemas Eutéticos binarios Ocorre desta forma porque e a de menor percurso para a difusão

Eutético : ponto onde o equilíbrio é invariante, portanto o equilíbrio entre três fases ocorre a uma determinada temperatura e as composições das três fases são fixas. 25


Sistemas Eutéticos binarios Líquido α + β

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Hipoeutético e Hipereutético HIPOEUTETICO: composição menor que o EUTETICO HIPEREUTETICO: composição maior que o EUTETICO

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Microestrutura de uma liga de Sn-Pb Hipoeutético Região preta e a fase primaria α rica em Pb ƒÞ Lamelas são constituídas de fase α rica em Pb e fase β rica em Sn

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Diagrama de equilíbrio tendo fases intermediarias REACAO EUTETOIDE: δ ---- є + γ ( a diferença do eutético e que uma fase solida, ao invés de uma liquida, transforma-se em duas outras fases solidas. REACAO PERITETICA: Envolve três fases em equilíbrio δ + Liquido ---- є Uma fase solida mais uma fase liquida transforma-se numa outra fase solida


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30

15



Eutético eutetóide e peritético

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32

16



c

DIAGRAMA DE FASE Fe-Fe3C

S

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34

17


DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO FERRO - CARBONO O diagrama se refere a uma liga Fe C pura. Na prática a presença de elementos residuais decorrentes do processo de obtenção do aço podem causar variações no diagrama.

O diagrama é definido para valores de carbono até 6,7 %. Pouco se conhece acima deste valor. Na prática as ligas que apresentam valores de teor de carbono acima de 4,5 % apresentam pouca ou nenhuma importância comercial.

O diagrama de equilíbrio Fe - C é na verdade um diagrama Fe - Fe3C ( carboneto de ferro ) que corresponde ao teor de carbono de 6,7 %.

PROCESSO DE SOLIDIFICAÇÃO DO FERRO 1534 ºC


1380 ºC

LÍQUIDO

A

B

Curva de Resfriamento C

910 ºC

D E

768 ºC

F

Temperatura ambiente

18

Diagrama Ferro - Carbono ( Fe - C ) 1600

Temperatura ( ºC )


A

B

Linha Líquidus

Líquido

1400

1200

D

C

F

E

Austenita 1000

Sólido

G

Austenita + Cementita 800

Linha Sólidus

S P

K

600 Austenita + Ferrita

400 Ferrita

Ferrita + Cementita

200

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

6,7

Teor de Carbono ( % )


DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO Fe - C

Elementos básicos do diagrama: 1 - Linha “líquidus” : Linha que indica a separação das fases líquido e sólido ( segmento ABCD ). 2 - Ponto “C”: Ponto eutético 3 - Ponto “S”: Ponto eutetóide

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Linhas do Diagrama Ferro Carbono Linha AE = transformação de líquido em AUSTENITA MATERIAIS . Prof.HEINZ SCHAAF

Linha GS = transformação de AUSTENITA em AUSTENITA + FERRITA Linha SE = transformação de AUSTENITA Em AUSTENITA +CEMENTITA

Linhas do Diagrama Ferro Carbono Linha PS = transformação de AUSTENITA + FERRITA em FERRITA + CEMENTITA MATERIAIS . Prof.HEINZ SCHAAF

Linha SK = transformação de AUSTENITA + CEMENTITA em FERRITA + CEMENTITA

Ponto C = Ponto Eutético

Ponto S = Ponto Eutetóide

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Ferrita δ (Delta) Solução sólida intersticial de carbono no ferro CCC com solubilidade máxima de 0,09% a 1485º C (não há interesse comercial neste material) Ferrita α (Alfa) Solução sólida intersticial de carbono no ferro CCC com solubilidade máxima de 0,02% a 723º C Austenita Solução sólida intersticial de carbono no ferro CFC com solubilidade máxima de 2,08% a 1148º C Cementita Carboneto de Ferro (composto intermetálico – 3 átomos de ferro para 1 de carbono) Martenstia Bainita



FASES SÓLIDAS NO DIAGRAMA Fe-Fe3C

Aços hipoeutetóides (C<0,8%)

Aço eutetóide (C= 0,8%)

Aços hipereutetóides (C>0,8%)

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MATERIAIS . Prof.HEINZ SCHAAF MATERIAIS . Prof.HEINZ SCHAAF

FERRO PURO FERRO PURO FERRO α = FERRITA FERRO γ = AUSTENITA FERRO δ = FERRITA δ TF= 1534 °C As fases α, γ e δ são soluções sólidas com Carbono intersticial Importância comercial: imãs 44

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Ferro Puro /Formas Alotrópicas FERRO α = FERRITA Estrutura= ccc Temperatura “existência”= até 912 °C Fase Magnética até 768 °C (temperatura de Curie) Solubilidade máx do Carbono= 0,002% a 727 °C É mole e dúctil

FERRO γ = AUSTENITA Estrutura= cfc (tem + posições intersticiais) Temperatura “existência”= 912 1394°C Fase Não-Magnética Solubilidade máx do Carbono= 2,14% a 1147 °C É mais dura 45


Ferro Puro /Formas Alotrópicas FERRITA

AUSTENITA

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Ferro Puro /Formas Alotrópicas

47


Ferro Puro /Formas Alotrópicas FERRO δ = FERRITA δ Estrutura= ccc Temperatura “existência”= acima de 1394°C Fase Não-Magnética É a mesma que a ferrita α Como é estável somente a altas temperaturas não tem interesse comercial

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Sistema Fe-Fe3C Ferro Puro= até 0,002% de Carbono Aço= 0,002 até 2,06% de Carbono Ferro Fundido= 2,1-4,5% de Carbono Fe3C (CEMENTITA)= Forma-se quando o limite de solubilidade do carbono é ultraado (6,7% de C)

49


CEMENTITA (Fe3C) Forma-se quando o limite de solubilidade do carbono é ultraado (6,7% de C) É dura e frágil é um composto intermetálico metaestável, embora a velocidade de decomposição em ferro α e C seja muito lenta A adição de Si acelera a decomposição da cementita para formar grafita

50

25


DIAGRAMA FERRO-CARBONO


PONTOS IMPORTANTES DO SISTEMA Fe-Fe3C (EUTÉTICO) PONTO C LIGA EUTÉTICA é o ponto mais baixo de fusão Líquido FASE γ (austenita) + cementita - Temperatura= 1147 °C - Teor de Carbono= 4,3% As ligas de Ferro fundido de 2,06-4,3% de C são chamadas de ligas hipoeutéticas As ligas de Ferro fundido acima de 4,3% de C são chamadas de ligas hipereutéticas 52

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PONTOS IMPORTANTES DO SISTEMA Fe-Fe3C (EUTETÓIDE) PONTO S LIGA EUTETÓIDE é o ponto de mais baixo de transformação sólida Austenita

FASE α (FERRITA) + Cementita

- Temperatura= 723

°C

- Teor de Carbono= 0,8 % Aços com 0,002-0,8% de C são chamadas de aços hipoeutetóide Aços com 0,8-2,06% de C são chamadas de aços hipereutetóides 53

MICROESTRUTURAS / EUTETÓIDE MATERIAIS . Prof.HEINZ SCHAAF

Supondo resfriamento lento para manter o equilíbrio

É similar ao eutético Consiste de lamelas alternadas de fase α (ferrita) e Fe3C (cementita) chamada de

PERLITA FERRITA lamelas + espessas e claras CEMENTITA lamelas + finas e escuras Propriedades mecânicas da perlita – intermediária entre ferrita (mole e dúctil) e 54 cementita (dura e frágil)

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MICROESTRUTURAS /EUTETÓIDE MATERIAIS . Prof.HEINZ SCHAAF

Supondo resfriamento fora do equilíbrio

EFEITOS DO NÃO-EQUILÍBRIO Ocorrências de fases ou transformações em temperaturas diferentes daquela prevista no diagrama Existência a temperatura ambiente de fases que não aparecem no diagrama

55


MICROESTRUTURAS / EUTETÓIDE

56

28



FORMAÇÃO DA PERLITA EUTETÓIDE

58

29


Transformação nos aços hipoeutetóides a) Nucleação e crescimento da ferrita nos contornos de grão da austenita b) Crescimento da ferrita c) Crescimento de perlita a partir da austenita residual d) Microestrutura de um aço 0,4% C resfriado lentamente.

MICROESTRUTURAS /HIPOEUTETÓIDE MATERIAIS . Prof.HEINZ SCHAAF

Supondo resfriamento lento para manter o equilíbrio Teor de Carbono = 0,002- 0,8 % Estrutura Ferrita + Perlita As quantidades de ferrita e perlita variam conforme a % de carbono e podem ser determinadas pela regra das alavancas Partes claras = pró eutetóide ferrita

60

30

Supondo resfriamento lento para manter o equilíbrio Teor de Carbono = 0,82,06 % Estrutura cementita+

Perlita As quantidades de cementita e perlita variam conforme a % de carbono e podem ser determinadas pela regra das alavancas Partes claras = pró eutetóide cementita 61



MICROESTRUTURAS /HIPEREUTETÓIDE

31


Desenvolvimento da microestrutura em sistemas eutéticos, fora da composição eutética

32


MATERIAIS . Prof.HEINZ SCHAAF CEMENTITA

Aço 1,4C hipereutético PERLITA

33



34



Ferrita

35



Descarbonetação

36



Martensita SAE8640 Aumento 200X

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Resfriamento fora do equilíbrio EFEITOS DO NÃO-EQUILÍBRIO Ocorrências de fases ou transformações em temperaturas diferentes daquela prevista no diagrama Existência a temperatura ambiente de fases que não aparecem no diagrama Cinética das transformações equação de Arrhenius: r=A exp-Q/RT 75


TRANSFORMAÇÕES DE FASE

o

o

COM DIFUSÃO Sem variação no número e composição de fases Ex: solidificação metal puro e transformação alotrópica Com variação no número e composição de fases Ex: Transformação eutética, eutetóide...

o

SEM DIFUSÃO Ocorre com formação de fase metaestável Ex: transformação martensítica

A maioria das transformações de fase no estado sólido não ocorre instantaneamente, 76 ou seja, são dependentes do tempo

38


CURVAS TTT As curvas TTT estabelecem a temperatura e o tempo em que ocorre uma determinada transformação Só tem validade para transformações a temperatura constante

77


CURVAS TTT

início

final

78

39


Ex 1: CURVA TTT PARA AÇO EUTETÓIDE Temperatur a de austenitiza ção

Martensita

γ

α+Fe3C ↓ Perlita

a martensita não envolve difusão, a sua formação ocorre instantaneamente (independente do tempo, por isso na curva TTT a mesma corresponde a uma reta).79


-Como

CURVAS TTT MICROESTRUTURAS /EUTETÓIDE

80

40


Como vemos os produtos da transformação da Austenita [g], podem ser os seguintes:

Perlita – (727 a 650) ºC Sorbita – (650 a 600) ºC Troostita – (600 a 500) ºC Bainita Sup. – (500 a 400) ºC Bainita Inf. – (400 a 300) ºC Martensita – (300 a 50) ºC


81

82

41



83

84

42


RESFRIAMENTO A TEMPERATURA CONSTANTE

85

EX 2: CURVAS TTT PARA AÇO EUTETÓIDE COM MATERIAIS . Prof.HEINZ SCHAAF

AS DUREZAS ESPECIFICADAS DAS MICROESTRUTURAS Perlita grossa ~86-97HRB Perlita fina ~20-30HRC Troostita ~30-40HRC Bainita superior ~40-45 HRC Bainita inferior~50-60 HRC Martensita 63-67 HRC

86

43


CURVAS TTT /RESFRIAMENTO CONTÍNUO MICROESTRUTURAS /EUTETÓIDE A (FORNO)= Perlita grossa B (AR)= Perlita + fina (+ dura que a anterior) C(AR SOPRADO)= Perlita + fina que a anterior D (ÓLEO)= Perlita + martensita E (ÁGUA)= Martensita

No resfriamento contínuo, as curvas TTT deslocam-se um pouco para a direita e para baixo

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CURVAS TTT MATERIAIS . Prof.HEINZ SCHAAF

MICROESTRUTURAS /HIPOEUTETÓIDE E HIPEREUTETÓIDE

0,35% C

0,9 %C

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44


MICROESTRUTURAS RESULTANTES DO RESFRIAMENTO RÁPIDO -

-

MARTENSITA A martensita se forma quando o resfriamento for rápido o suficiente de forma a evitar a difusão do carbono, ficando o mesmo retido em solução. Como conseqüência disso, ocorre a transformação polimórfica mostrada ao lado. Como a martensita não envolve difusão, a sua formação ocorre instantaneamente (independente do tempo).

AUSTENITA Cúbico de face centrada

TRANSFORMAÇÃO ALOTRÓPICA COM AUMENTO DE VOLUME, que leva à concentração de tensões

MARTENSITA

89


MICROESTRUTURAS MARTENSITA - É uma solução sólida supersaturada de carbono (não se forma por difusão) - Forma de agulhas - É dura e frágil (dureza: 63-67 Rc) - Tem estrutura tetragonal cúbica (é uma fase metaestável, por isso não aparece no diagrama)

MARTENSITA REVENIDA - É obtida pelo reaquecimento da martensita (fase alfa + cementita) - A dureza cai - Os carbonetos precipitam - Forma de agulhas escuras 90

45


MARTENSITA (dureza: 63-67 Rc) Martensita no titânio

Martensita nos aços

A transf. Martensítica ocorre c/ aumento de volume 91


MARTENSITA REVENIDA

92

46


Fotomicrografia de uma liga de memória de forma (69%Cu-26%Zn-5%Al), mostrando as agulhas de martensita numa matriz de austenita

93


PERLITA Perlita fina: FERRITA

20-30 Rc Perlita grossa: 86-97 RB

94

47


MICROESTRUTURAS BAINITA - Ocorre a uma temperatura inferior a do joelho - Forma de agulhas que só podem ser vista com microscópio eletrônico Dureza: bainita superior 40-45 Rc e bainita acidular 50-60 Rc ESFEROIDITA - É obtida pelo reaquecimento (abaixo do eutetóide) da perlita ou bainita, durante um tempo bastante longo TROOSTITA - os carbonetos precipitam de forma globular (forma escura) - Tem baixa dureza (30-40 Rc) 95


Microestrutura da Bainita contendo finíssimas agulhas das fases

96

48


TRANSFORMAÇÕES AUSTENITA

Resf. lento Perlita (∝ + Fe3C) + a fase próeutetóide

Resf. Rápido Resf. moderado (Têmpera) Bainita

Martensita (fase tetragonal)

(∝ + Fe3C)

reaquecimento Ferrita ou cementita

Martensita Revenida (∝ + Fe3C) 97


FATORES QUE AFETAM A POSIÇÃO DAS CURVAS TTT Teor de carbono Tamanho do grão da austenita Composição química (elementos de liga)

98

49


TEOR DE CARBONO Quanto menor o teor de carbono (abaixo do eutetóide) mais difícil de se obter estrutura martensítica

99


COMPOSIÇÃO QUÍMICA/ELEMENTOS DE LIGA Quanto maior o teor e o número dos elementos de liga, mais numerosas e complexas são as reações Todos os elementos de liga (exceto o Cobalto) deslocam as curvas para a direita, retardando as transformações Facilitam a formação da martensita *** Conseqüência: em determinados aços pode-se obter martensita mesmo com resfriamento lento 100

50


EFEITO DA COMPOSIÇÃO QUÍMICA/ELEMENTOS DE LIGA NAS CURVAS TTT AISI 1335 AISI 5140

Mesmo teor de carbono mas com diferentes elementos 101 de liga


COMPOSIÇÃO QUÍMICA/ELEMENTOS DE LIGA AISI 4340

neste aço é possível obter bainita por resfriamento contínuo

102

51


COMPOSIÇÃO QUÍMICA/ELEMENTOS DE LIGA AISI 1321 cementado

as linhas Mi e Mf são

abaixadas. Neste aço a formação da martensita não se finaliza, levando a se ter austenita residual a temperatura ambiente.

103


TAMANHO DE GRÃO DA AUSTENITA Quanto maior o tamanho de grão mais para a direita deslocam-se as curvas TTT Tamanho de grão grande dificulta a formação da perlita, já que a mesma inicia-se no contorno de grão Então, tamanho de grão grande favorece a formação da martensita 104

52


TAMANHO DE GRÃO DA AUSTENITA No entanto deve-se evitar tamanho de grão da austenita muito grande porque: Diminui a tenacidade Gera tensões residuais É mais fácil de empenar É mais fácil de ocorrer fissuras

105


HOMOGENEIDADE DA AUSTENITA Quanto homogênea a austenita mais para a direita deslocam-se as curvas TTT Os carbonetos residuais ou regiões ricas em C atuam como núcleos para a formação da perlita Então, uma maior homogeneidade favorece a formação da martensita 106

53


Fotomicrografia de um aço inoxidável AISI 304 contendo 1,75% de Boro, bruto de fusão. A matriz colorida corresponde à austenita, enquanto as fases brancas a boreto de cromo. 150X.

107


Micrografias de Metais

Aço hipoeutetóide (0,4%C) normalizado

54


Aço hipereutetóide (1,0%C) normalizado

Aço eutetóide (0,8%C)

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Aço hipoeutetóide temperado (martensita)

Microestrutura bruta de fundição, dureza de 33 HRc. Aumento: 100X

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MATERIAIS . Prof.HEINZ SCHAAF Microestrutura bruta de fundição, dureza de 33 HRc. Aumento: 1000X.

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