8. Diagramas de fase em condições de equilíbrio
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8. Diagramas de fase 8. Diagramas de fase em condições de em condições de equilíbrioequilíbrio
- Definições e conceitos básicos: identificação das fases, limite de solubilidade, microestrutura das fases
- Diagramas de equilíbrio binários isomorfos e eutéticos
- Reações eutetóides e peritéticas
- Sistema Fe-C e microestruturas que se formam no resfriamento lento
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SOLIDIFICAÇÃOSOLIDIFICAÇÃO TODO O PROCESSO DE TODO O PROCESSO DE
FABRICAÇÃO DE PEÇAS METÁLICAS FABRICAÇÃO DE PEÇAS METÁLICAS TEM INÍCO EM UM PROCESSO DE TEM INÍCO EM UM PROCESSO DE SOLIDIFICAÇÃOSOLIDIFICAÇÃO
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RS DIAGRAMA DE FASE OU DIAGRAMA DE FASE OU
DE EQUILIBRIODE EQUILIBRIO1.1. IMPORTÂNCIA:IMPORTÂNCIA:- Permite a visualização da fusão e - Permite a visualização da fusão e
solidificaçãosolidificação- Prediz as transformações de fases Prediz as transformações de fases - Dá informações sobre Dá informações sobre microestruturamicroestrutura
e propriedades mecânicas em função e propriedades mecânicas em função da temperatura e composiçãoda temperatura e composição
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RS 2. SOLUBILIDADE DO SOLUTO E 2. SOLUBILIDADE DO SOLUTO E
FASESFASES SOLUBILIDADE COMPLETASOLUBILIDADE COMPLETA SOLUBILIDADE INCOMPLETA SOLUBILIDADE INCOMPLETA INSOLUBILIDADEINSOLUBILIDADE
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-Quando o limite de solubilidade é ultrapassado forma-se uma segunda fase com composição distintase uma segunda fase com composição distinta
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3. FASES3. FASES
FASE É A PORÇÃO HOMOGÊNEA DE UM SISTEMA FASE É A PORÇÃO HOMOGÊNEA DE UM SISTEMA QUE TEM CARACTERÍSTICAS FÍSICAS E QUÍMICAS QUE TEM CARACTERÍSTICAS FÍSICAS E QUÍMICAS DEFINIDASDEFINIDAS
Todo metal puro e uma considerado uma fase Uma fase é identificada pela composição Uma fase é identificada pela composição
química e microestruturaquímica e microestrutura A interação de 2 ou mais fases em um material A interação de 2 ou mais fases em um material
permite a obtenção de propriedades diferentespermite a obtenção de propriedades diferentes É possível alterar as propriedades do material É possível alterar as propriedades do material
alterando a forma e distribuição das fasesalterando a forma e distribuição das fases
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RS 4. DIAGRAMA DE FASES OU DE 4. DIAGRAMA DE FASES OU DE
EQUILÍBRIOEQUILÍBRIO É COMO UM MAPA PARA A DETERMINAÇÃO É COMO UM MAPA PARA A DETERMINAÇÃO
DAS FASES PRESENTES, PARA QUALQUER DAS FASES PRESENTES, PARA QUALQUER TEMPERATURA E COMPOSIÇÃO, DESDE QUE A TEMPERATURA E COMPOSIÇÃO, DESDE QUE A LIGA ESTEJA EM EQUILÍBRIOLIGA ESTEJA EM EQUILÍBRIO
- Termodinamicamente o equilíbrio é descrito em - Termodinamicamente o equilíbrio é descrito em termos de energia livre (G)termos de energia livre (G)
- Um sistema está em equilíbrio quando a energia livre - Um sistema está em equilíbrio quando a energia livre é mínimaé mínima
O equilíbrio de fases é o reflexo da constância das características das fases com o tempo
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RS FUSÃO E ENERGIA LIVRE FUSÃO E ENERGIA LIVRE
(G)(G)
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RS 4. FASES DE EQUILÍBRIO E 4. FASES DE EQUILÍBRIO E
FASES METAESTÁVEISFASES METAESTÁVEIS Fases de equilíbrio:Fases de equilíbrio: suas propriedades ou suas propriedades ou
características não mudam com o tempo. características não mudam com o tempo. Geralmente são representadas nos diagramas por letras
gregas
Fases metaestáveis:Fases metaestáveis: suas propriedades ou suas propriedades ou características mudam lentamente com o tempo, características mudam lentamente com o tempo, ou seja, o estado de equilíbrio não é nunca ou seja, o estado de equilíbrio não é nunca alcançado. No entanto, não há mudanças muito alcançado. No entanto, não há mudanças muito perceptíveis com o tempo na microestrutura das perceptíveis com o tempo na microestrutura das fases metaestáveis.fases metaestáveis.
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RS SOLIDIFICAÇÃO DE UM SOLIDIFICAÇÃO DE UM
METAL PUROMETAL PURO
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RS SOLIDIFICAÇÃO DE UMA LIGA SOLIDIFICAÇÃO DE UMA LIGA
BINÁRIABINÁRIA
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CONSTRUÇÃO DOS CONSTRUÇÃO DOS DIAGRAMAS DE FASE A DIAGRAMAS DE FASE A PARTIR DAS CURVAS PARTIR DAS CURVAS TÉRMICASTÉRMICAS
São obtidas curvas térmicas para diferentes teores de soluto
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4.1. DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO 4.1. DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO PARA SISTEMAS BINÁRIOS E PARA SISTEMAS BINÁRIOS E ISOMÓRFOSISOMÓRFOS Isomorfo Isomorfo quando a solubilidade é quando a solubilidade é
completa (Exemplo: Sistema Cu-Ni)completa (Exemplo: Sistema Cu-Ni)
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CURVA DE SOLIDIFICAÇÃO CURVA DE SOLIDIFICAÇÃO PARA UMA LIGA BINÁRIA PARA UMA LIGA BINÁRIA ISOMORFAISOMORFA
Remoção do calor latente de fusão
Curva de solidificação
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INTERPRETAÇÃO DO DIAGRAMA INTERPRETAÇÃO DO DIAGRAMA DE EQUILÍBRIODE EQUILÍBRIO
(CONSTITUIÇÃO DA LIGA)(CONSTITUIÇÃO DA LIGA)
- - Fases presentesFases presentes localiza-se a temperatura e localiza-se a temperatura e composição desejada e verifica-se o número de fases presentescomposição desejada e verifica-se o número de fases presentes
- Composição química das fases- Composição química das fases usa-se o método usa-se o método da da linha de conecçãolinha de conecção (isotérma) (isotérma)
Para um sistema monofásico a composição é a mesma da liga
- Percentagem das fases- Percentagem das fases (quantidades (quantidades relativas das fases)relativas das fases) regra das alavancasregra das alavancas
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SISTEMA Cu-NiSISTEMA Cu-NiDETERMINAÇÃO DAS FASES DETERMINAÇÃO DAS FASES
PRESENTES E DA COMPOSIÇÃO PRESENTES E DA COMPOSIÇÃO QUÍMICA DAS FASESQUÍMICA DAS FASES
Comp. Liq= 32% de Ni e 68% de CuComp. Sol. = 45% de Ni e 55% de Cu
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SISTEMA Cu-NiSISTEMA Cu-NiDeterminação das quantidades Determinação das quantidades relativas das fasesrelativas das fases
Composição das fasesComposição das fases
Percentagem das Percentagem das fasesfases
Fase líquidaFase líquida
Fase sólidaFase sólida
Comp. Liq= 31,4% Ni e 68,9%CuComp. Sol. = 42,5,4 %Ni e %57,5Cu
L = S R+S
S = R R+S
L = C-C0
C-CL
L = Co-CL
C-CL
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Mudança na composição das Mudança na composição das fases durante o processo de fases durante o processo de solidificaçãosolidificaçãoEx: o centro do grão mais rico do elemento com o elemento de maior ponto de fusão)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.
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Mudança na composição das Mudança na composição das fases durante o processo de fases durante o processo de solidificaçãosolidificação
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RS DESENVOLVIMENTO DA DESENVOLVIMENTO DA
MICROESTRUTURAMICROESTRUTURA A microestrutura só segue o diagrama de A microestrutura só segue o diagrama de
equilíbrio para velocidades de solidificação lentasequilíbrio para velocidades de solidificação lentas Na prática, não há tempo para a difusão Na prática, não há tempo para a difusão
completa e as microestruturas não são completa e as microestruturas não são exatamente iguais às do equilíbrioexatamente iguais às do equilíbrio
O grau de afastamento do equilíbrio dependerá O grau de afastamento do equilíbrio dependerá da taxa de resfriamentoda taxa de resfriamento
Como conseqüência da solidificação fora do Como conseqüência da solidificação fora do equilíbrio tem-se a segregação (a distribuição dos equilíbrio tem-se a segregação (a distribuição dos 2 elementos no grão não é uniforme).2 elementos no grão não é uniforme).
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SOLUBILIDADESOLUBILIDADE
É dada pela linha solvus
LINHA SOLVUS
()
()
+ LINHA SOLVUS
+ l l +
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SISTEMAS EUTÉTICOS BINÁRIOSSISTEMAS EUTÉTICOS BINÁRIOS
Reação eutética:Reação eutética:Líquido Líquido + +
Neste caso a solidificação processa-se como Neste caso a solidificação processa-se como num metal puro, no entanto o produto é 2 num metal puro, no entanto o produto é 2 fases sólidas distintas.fases sólidas distintas.
Microestrutura do eutético:Microestrutura do eutético:LAMELAR LAMELAR camadas alternadas de fase camadas alternadas de fase e e . . Ocorre desta forma porque é a de menor Ocorre desta forma porque é a de menor
percurso para a difusãopercurso para a difusão
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REAÇÃO EUTÉTICAREAÇÃO EUTÉTICALíquido +
LINHA SOLVUS
() + ()
Indica solubilidade
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RS HIPOEUTÉTICO E HIPOEUTÉTICO E
HIPEREUTÉTICOHIPEREUTÉTICO HIPOEUTÉTICOHIPOEUTÉTICO
COMPOSIÇÃO MENOR QUE O COMPOSIÇÃO MENOR QUE O EUTÉTICOEUTÉTICO
HIPEREUTÉTICO HIPEREUTÉTICO COMPOSIÇÃO MAIOR QUE O COMPOSIÇÃO MAIOR QUE O EUTÉTICOEUTÉTICO
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MICROESTRUTURA DE MICROESTRUTURA DE UMA LIGA DE Sn-Pb UMA LIGA DE Sn-Pb HIPOEUTÉTICAHIPOEUTÉTICA
Região preta é a Região preta é a fase primária fase primária rica em Pbrica em Pb
Lamelas são Lamelas são constituídas de constituídas de fase fase rica em Pb rica em Pb e fase e fase rica em rica em Sn Sn
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REAÇÃO EUTETÓIDE: REAÇÃO EUTETÓIDE: + +
( a diferença do eutético é que uma fase sólida, ao ( a diferença do eutético é que uma fase sólida, ao invés de uma líquida, transforma-se em duas outras invés de uma líquida, transforma-se em duas outras fases sólidas.fases sólidas.
REAÇÃO PERITÉTICA: REAÇÃO PERITÉTICA: Envolve três fases em equilíbrioEnvolve três fases em equilíbrio + Líquido + Líquido
Uma fase sólida mais uma fase líquida transforma-se Uma fase sólida mais uma fase líquida transforma-se numa outra fase sólidanuma outra fase sólida
DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO TENDO FASES INTERMEDIÁRIASTENDO FASES INTERMEDIÁRIAS
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PERITÉTICO E EUTÉTICOPERITÉTICO E EUTÉTICO
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PERITÉTICOPERITÉTICOEnvolve 3 fases em equilíbrio
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PERITÉTICO DUPLOPERITÉTICO DUPLO
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RS EUTÉTICO, EUTETÓIDE E EUTÉTICO, EUTETÓIDE E
PERITÉTICOPERITÉTICO
Ponto de fusão congruente
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RS REAÇÃO MONOTÉTICA E REAÇÃO MONOTÉTICA E
EUTÉTICAEUTÉTICADois líquidos imiscíveis formam uma fase sólida e uma fase líquida (MONOTÉTICA)
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GRÁFICO ESQUEMÁTICO: GRÁFICO ESQUEMÁTICO: PONTO DE FUSÃO E PONTO DE FUSÃO E TRANSFORMAÇÕES TRANSFORMAÇÕES ALOTRÓPICASALOTRÓPICAS
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Sistema Fe-C ou Fe-FeSistema Fe-C ou Fe-Fe33C e C e microestruturasmicroestruturas que se que se formam no formam no resfriamento resfriamento lentolento
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DIAGRAMA DE FASE Fe-FeDIAGRAMA DE FASE Fe-Fe33CCTRANSFORMAÇÃO ALOTRÓPICATRANSFORMAÇÃO ALOTRÓPICA
+Fe3C
+ll+Fe3C
+Fe3CCCC
CFC
CCC
+
+l
As fases As fases , , e e são soluções sólidas são soluções sólidas com Carbono intersticialcom Carbono intersticial
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FERRO PUROFERRO PURO FERRO FERRO = FERRITA = FERRITA FERRO FERRO = AUSTENITA = AUSTENITA FERRO FERRO = FERRITA = FERRITA TF= 1534 TF= 1534 CC
Nas ligas ferrosas as fases Nas ligas ferrosas as fases , , e e FORMAM soluções sólidas com Carbono FORMAM soluções sólidas com Carbono intersticialintersticial
CARBONO
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DIAGRAMA DE FASE Fe-FeDIAGRAMA DE FASE Fe-Fe33CCTRANSFORMAÇÔESTRANSFORMAÇÔES
+ll+Fe3C
+l
PERITÉTICA +l EUTÉTICA
l +Fe3C
EUTETÓIDE +Fe3C
AÇO FOFO
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RS Ferro Puro /Formas Ferro Puro /Formas
AlotrópicasAlotrópicasFERRO FERRO = FERRITA = FERRITA
Estrutura= cccEstrutura= ccc Temperatura Temperatura
“existência”= até “existência”= até 912 912 CC
Fase Magnética até Fase Magnética até 768 768 C (temperatura C (temperatura de Curie)de Curie)
Solubilidade máx do Solubilidade máx do Carbono= 0,02% a Carbono= 0,02% a 727 727 CC
FERRO FERRO = AUSTENITA = AUSTENITA
Estrutura= cfc (tem Estrutura= cfc (tem + posições + posições intersticiais)intersticiais)
Temperatura Temperatura “existência”= 912 -“existência”= 912 -13941394CC
Fase Não-MagnéticaFase Não-Magnética Solubilidade máx do Solubilidade máx do
Carbono= 2,14% a Carbono= 2,14% a 1148 1148CC
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RS Ferro Puro /Formas Ferro Puro /Formas
AlotrópicasAlotrópicas
FERRITA AUSTENITA
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RS Ferro Puro /Formas Ferro Puro /Formas
AlotrópicasAlotrópicasFERRO FERRO = FERRITA = FERRITA Estrutura= ccc Estrutura= ccc Temperatura “existência”= acima de Temperatura “existência”= acima de
13941394CC Fase Não-MagnéticaFase Não-Magnética É a mesma que a ferrita É a mesma que a ferrita Como é estável somente a altas Como é estável somente a altas
temperaturas não apresenta interesse temperaturas não apresenta interesse comercialcomercial
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Sistema Fe-FeSistema Fe-Fe33CC Ferro Puro=Ferro Puro= até 0,02% de Carbono até 0,02% de Carbono Aço=Aço= 0,02 até 2,06% de Carbono 0,02 até 2,06% de Carbono Ferro Fundido=Ferro Fundido= 2,1-4,5% de 2,1-4,5% de
CarbonoCarbono FeFe33C (CEMENTITA)=C (CEMENTITA)= Forma-se Forma-se
quando o limite de solubilidade do quando o limite de solubilidade do carbono é ultrapassado (6,7% de carbono é ultrapassado (6,7% de C)C)
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CEMENTITA (FeCEMENTITA (Fe33C)C) Forma-se quando o limite de Forma-se quando o limite de
solubilidade do carbono é ultrapassado solubilidade do carbono é ultrapassado (6,7% de C)(6,7% de C)
É dura e frágilÉ dura e frágil Cristaliza no sitema ortorrômbico (com Cristaliza no sitema ortorrômbico (com
12 átomos de Fe e 4 de C por célula 12 átomos de Fe e 4 de C por célula unitária)unitária)
é um composto intermetálico é um composto intermetálico metaestável, embora a velocidade de metaestável, embora a velocidade de decomposição em ferro decomposição em ferro e C e C seja muito seja muito lentalenta
A adição de Si acelera a decomposição A adição de Si acelera a decomposição da cementita para formar grafitada cementita para formar grafita
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RS PONTOS IMPORTANTES DO SISTEMA PONTOS IMPORTANTES DO SISTEMA
Fe-FeFe-Fe33C (EUTÉTICO)C (EUTÉTICO)
LIGA EUTÉTICALIGA EUTÉTICA: corresponde à liga : corresponde à liga de de mais baixo de mais baixo de fusãofusão
Líquido Líquido FASE FASE ( (austenita) + austenita) + cementitacementita
- Temperatura= 1148 - Temperatura= 1148 CC- Teor de Carbono= 4,3%- Teor de Carbono= 4,3% As ligas de Ferro fundido de 2,1-4,3% de As ligas de Ferro fundido de 2,1-4,3% de
C são chamadas de ligas hipoeutéticasC são chamadas de ligas hipoeutéticas As ligas de Ferro fundido acima de 4,3% As ligas de Ferro fundido acima de 4,3%
de C são chamadas de ligas de C são chamadas de ligas hipereutéticashipereutéticas
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RS PONTOS IMPORTANTES DO PONTOS IMPORTANTES DO
SISTEMA Fe-FeSISTEMA Fe-Fe33C (EUTETÓIDE)C (EUTETÓIDE) LIGA EUTETÓIDE LIGA EUTETÓIDE corresponde à corresponde à
liga de mais baixa temperatura de liga de mais baixa temperatura de transformação sólidatransformação sólida
AustenitaAustenita FASE FASE (FERRITA) + (FERRITA) + CementitaCementita
- - Temperatura= 725 Temperatura= 725 CC- Teor de Carbono= 0,8 %- Teor de Carbono= 0,8 % Aços com 0,02-0,8% de C são chamadas de Aços com 0,02-0,8% de C são chamadas de
aços hipoeutetóidesaços hipoeutetóides Aços com 0,8-2,1% de C são chamadas de Aços com 0,8-2,1% de C são chamadas de
aços hipereutetóidesaços hipereutetóides
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RS
MICROESTRUTURAS / MICROESTRUTURAS / EUTETÓIDEEUTETÓIDE Supondo resfriamento lento para manter o Supondo resfriamento lento para manter o equilíbrioequilíbrio
É similar ao eutético É similar ao eutético Consiste de lamelas alternadas de fase Consiste de lamelas alternadas de fase
(ferrita) e Fe(ferrita) e Fe33C (cementita) C (cementita) chamadachamada de de PERLITAPERLITA
FERRITA FERRITA lamelas + espessas e lamelas + espessas e clarasclaras
CEMENTITA CEMENTITA lamelas + finas e lamelas + finas e escurasescuras
Propriedades mecânicas da perlita Propriedades mecânicas da perlita
• intermediária entre ferrita (mole e dúctil) e intermediária entre ferrita (mole e dúctil) e cementita (dura e frágil)cementita (dura e frágil)
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MICROESTRUTURAS / MICROESTRUTURAS / EUTETÓIDEEUTETÓIDE
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RS MICROESTRUTURA DO AÇO MICROESTRUTURA DO AÇO
EUTETÓIDE RESFRIADO EUTETÓIDE RESFRIADO LENTAMENTELENTAMENTE
Somente Perlita
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MICROESTRUTURAS MICROESTRUTURAS /HIPOEUTETÓIDE/HIPOEUTETÓIDE Supondo resfriamento lento para manter o Supondo resfriamento lento para manter o equilíbrioequilíbrio
Teor de Carbono = Teor de Carbono = 0,002- 0,8 %0,002- 0,8 %
Estrutura Estrutura Ferrita + PerlitaFerrita + Perlita
As quantidades de As quantidades de ferrita e perlita variam ferrita e perlita variam conforme a conforme a
% de carbono e podem % de carbono e podem ser determinadas pela ser determinadas pela regra das alavancasregra das alavancas
Partes claras Partes claras pró pró eutetóide ferritaeutetóide ferrita
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RS MICROESTRUTURA DOS MICROESTRUTURA DOS
AÇOS BAIXO TEOR DE AÇOS BAIXO TEOR DE CARBONOCARBONO
Ferrita Perlita
AÇO COM ~0,2%C
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RS MICROESTRUTURA DOS AÇOS MÉDIO MICROESTRUTURA DOS AÇOS MÉDIO
TEOR DE CARBONO RESFRIADOS TEOR DE CARBONO RESFRIADOS LENTAMENTELENTAMENTE
Ferrita Perlita
AÇO COM ~0,45%C
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MICROESTRUTURAS MICROESTRUTURAS /HIPEREUTETÓIDE/HIPEREUTETÓIDE Supondo resfriamento lento para manter o Supondo resfriamento lento para manter o equilíbrioequilíbrio
Teor de Carbono = Teor de Carbono = 0,8-2,06 %0,8-2,06 %
Estrutura Estrutura
cementita+ cementita+ PerlitaPerlita
As quantidades de As quantidades de cementita e perlita cementita e perlita variam conforme a % variam conforme a % de carbono e podem de carbono e podem ser determinadas pela ser determinadas pela regra das alavancasregra das alavancas
Partes claras Partes claras pró eutetóide pró eutetóide cementitacementita
ALGUNS DIAGRAMASALGUNS DIAGRAMAS
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Micrografia da Liga Al-Micrografia da Liga Al-3,5%Cu no Estado Bruto 3,5%Cu no Estado Bruto de Fusãode Fusão
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Sistema Mg-PbSistema Mg-Pb