9. Diagramas de fase em condições de equilíbrio
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9. Diagramas de fase 9. 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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DIAGRAMA DE FASE OU DIAGRAMA DE FASE OU DE EQUILIBRIODE EQUILIBRIO
1. IMPORTÂNCIA:1. IMPORTÂNCIA:
- - Dá informações sobre microestrutura e Dá informações sobre microestrutura e propriedades mecânicas em função da propriedades mecânicas em função da temperatura e composiçãotemperatura e composição
- Permite a visualização da solidificação e - Permite a visualização da solidificação e fusãofusão
- Prediz as transformações de fases- Prediz as transformações de fases
- Dá informações sobre outros fenômenos- Dá informações sobre outros fenômenos
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2. LIMITE DE SOLUBILIDADE2. LIMITE DE SOLUBILIDADE
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 QUE TEM CARACTERÍSTICAS FÍSICAS E QUÍMICAS DEFINIDASQUÍMICAS DEFINIDAS
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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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 TEMPERATURA E COMPOSIÇÃO, DESDE QUE A LIGA ESTEJA EM EQUILÍBRIOA LIGA ESTEJA EM EQUILÍBRIO
- Termodinamicamente o equilíbrio é descrito em - Termodinamicamente o equilíbrio é descrito em termos de energia livretermos de energia livre
- 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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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 características mudam lentamente com o tempo, ou seja, o estado de equilíbrio não é tempo, ou seja, o estado de equilíbrio não é nunca alcançado. No entanto, não há mudanças nunca alcançado. No entanto, não há mudanças muito perceptíveis com o tempo na muito perceptíveis com o tempo na microestrutura das fases metaestáveis.microestrutura das fases metaestáveis.
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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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SOLUÇÃO SÓLIDA COM SOLUÇÃO SÓLIDA COM GAP DE MISCIBILIDADEGAP DE MISCIBILIDADE
Gap de miscibilidade
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INTERPRETAÇÃO DO DIAGRAMA INTERPRETAÇÃO DO DIAGRAMA DE EQUILÍBRIODE EQUILÍBRIO
- - 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 usa-se o método da método 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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DESENVOLVIMENTO DA DESENVOLVIMENTO DA MICROESTRUTURAMICROESTRUTURA
A microestrutura só segue o diagrama de A microestrutura só segue o diagrama de equilíbrio para velocidades de solidificação equilíbrio para velocidades de solidificação lentaslentas
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 equilíbrio tem-se a segregação (a distribuição dos 2 elementos no grão não é uniforme.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 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)
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Curva de solidificação e Curva de solidificação e Remoção do calor latente de Remoção do calor latente de fusãofusão
Remoção do calor latente de fusão
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FORMAÇÃO DA FORMAÇÃO DA MICROESTRUTURAMICROESTRUTURA
A distribuição dos 2 elementos no grão não é uniforme, sendo neste caso o centro do grão mais rico do elemento com o elemento de menor ponto de fusão
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RS SOLUBILIDADESOLUBILIDADE
É dada pela linha solvus
LINHA SOLVUS
()()
+ LINHA SOLVUS
+ ll +
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SISTEMAS EUTÉTICOS BINÁRIOSSISTEMAS EUTÉTICOS BINÁRIOS
Reação eutética:Reação eutética:
Líquido Líquido + + Neste caso a solidificação processa-se Neste caso a solidificação processa-se
como num metal puro, no entanto o como num metal puro, no entanto o produto é 2 fases sólidas distintas.produto é 2 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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RS REAÇÃO EUTÉTICAREAÇÃO EUTÉTICA
Líquido +
LINHA SOLVUS
() + ()
Indica solubilidade
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HIPOEUTÉTICO E HIPOEUTÉTICO E HIPEREUTÉTICOHIPEREUTÉTICO
HIPOEUTÉTICOHIPOEUTÉTICO COMPOSIÇÃO MENOR COMPOSIÇÃO MENOR QUE O EUTÉTICOQUE O EUTÉTICO
HIPEREUTÉTICO HIPEREUTÉTICO COMPOSIÇÃO MAIOR COMPOSIÇÃO MAIOR QUE O EUTÉTICOQUE O EUTÉTICO
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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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RS PERITÉTICO E EUTÉTICOPERITÉTICO E EUTÉTICO
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RS PERITÉTICOPERITÉTICO
Envolve 3 fases em equilíbrio
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RS PERITÉTICO DUPLOPERITÉTICO DUPLO
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EUTÉTICO, EUTETÓIDE E EUTÉTICO, EUTETÓIDE E PERITÉTICOPERITÉTICO
Ponto de fusão congruente
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REAÇÃO MONOTÉTICA E REAÇÃO MONOTÉTICA E EUTÉTICAEUTÉTICA
Dois líquidos imiscíveis formam uma fase sólida e uma fase líquida (MONOTÉTICA)
EUTÉTICA
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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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RS 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
+Fe3CAÇO FOFO
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Ferro Puro /Formas Ferro Puro /Formas AlotrópicasAlotrópicas
FERRO 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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Ferro Puro /Formas Ferro Puro /Formas AlotrópicasAlotrópicas
FERRITA AUSTENITA
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Ferro Puro /Formas Ferro Puro /Formas AlotrópicasAlotrópicas
FERRO 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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RS 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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RS 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 sistema ortorrômbico (com Cristaliza no sistema 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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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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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 hipoeutetóideaços hipoeutetóide 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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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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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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MICROESTRUTURA DOS MICROESTRUTURA DOS AÇOS BAIXO TEOR DE AÇOS BAIXO TEOR DE CARBONOCARBONO
Ferrita Perlita
AÇO COM ~0,2%C
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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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