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DIAGRAMAS DE FASES DOS AÇOS E FERROS FUNDIDOSDIAGRAMAS DE FASES DOS AÇOS E FERROS FUNDIDOSwww.em.pucrs.br/nuclemat Prof. Carlos A. dos SantosProf. Carlos A. dos Santos NÚCLEO DE ENGENHARIA DE MATERIAIS METÁLICOS

Bibliografia:VAN VLACK, L. H., Princípios de Ciência e

Tecnologia dos Materiais, McGrall- Hill, 1998CALLISTER, W.D., Engenharia e Ciência dos

Materiais. Uma Introdução, McGrall- Hill, 1998SMITHS, W., Hashemi, J., Fundamentos de Ciência e

Engenharia de Materiais, McGrall- Hill, 1998REED-HILL, Physical Metallurgy, McGrall- Hill, 1998

DIAGRAMA deDIAGRAMA de

EQUILEQUILÍÍBRIO BRIO FeFe--CC

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SISTEMA SISTEMA FeFe--CementitaCementita

Peritético

Eutético

Eutetóide

γγ

δδ

δ δ ++ γγ

LiqLiq ++ δδ1538o

1495o

1394o

912o

727o

Tamb

α+γα+γαα

0,008%

0,0218% 0,77%

2,11%

0,53%0,17%

0,09%

γγ + LiqLiq FeFe C +C + LiqLiq33 1148o

4,3%

Linha Liquidus Linha LiquidusLinha Solidus

3γγ ++ FeFe CC33

αα ++ FeFe CC3

4,3%2,11%0,77%0% 6,67% C

Aços Ferros Fundidos Branco

LLííquidoquido

Linha de aparecimentodos primeiros cristais sólidos

na formadendrítica

A3 ACM

A1

LEDEBURITA(γ + Fe3 C)

LEDEBURITA( Perlita+ Fe3 C )

γ Fe C3

100%Fe C3

γ α 3+ Fe C

L + δ γ

3L + Feγ C

dos primeiros sólidos daLinha de aparecimento

cementita não dendrítica

α+ Perlita( α + Fe C )3

HipoeutetóideFe3C + Perlita

( α + Fe C )3

HipereutetóidePerlita+

Ledeburita

HipoeutéticoFe3C +

Ledeburita

Hipereutético

HB ≅ 80

Material Dúctil80 < HB < 240

100 % Perlita( α + Fe C )3

Eutetóide

Material Duro240 < HB <300

Material Muito Duro300 < HB <450

Material Hiper Duro450 < HB < 550

HB ≅ 550

100 % Ledeburita( Perlita + Fe C )3

Eutético

Ledeburita( Fe3C + γ )

Ledeburita( Fe3C + γ )

T (oC)

727o

Peritético

Eutético

Eutetóide

γγ

δδ

δ δ ++ γγ

LiqLiq ++ δδ1538o1538o

1495o1495o

1394o1394o

912o912o

727o727o

Tamb

α+γα+γαα

0,008%

0,0218% 0,77%

2,11%

0,53%0,17%

0,09%

γγ + LiqLiqγγ + LiqLiq FeFe C +C + LiqLiq33FeFe C +C + LiqLiq33 1148o1148o

4,3%

Linha Liquidus Linha LiquidusLinha Solidus

3γγ ++ FeFe CC33γγ ++ FeFe CC33

αα ++ FeFe CC3αα ++ FeFe CC3

4,3%2,11%0,77%0% 6,67% C

Aços Ferros Fundidos Branco Aços Ferros Fundidos Branco

LLííquidoquido

Linha de aparecimentodos primeiros cristais sólidos

na formadendrítica

Linha de aparecimentodos primeiros cristais sólidos

na formadendrítica

A3A3 ACMACM

A1

A1

LEDEBURITA(γ + Fe3 C)

LEDEBURITA(γ + Fe3 C)

LEDEBURITA( Perlita+ Fe3 C )

LEDEBURITA( Perlita+ Fe3 C )( Perlita+ Fe3 C )

γ Fe C3Fe C3

100%Fe C3100%Fe C3

γ α 3+ Fe Cγ α 3+ Fe Cγ α 3+ Fe 3+ Fe C

L + δ γL + δ γL + δ γ

3L + Feγ C3L + Feγ C3L + Feγ CL + Feγ C

dos primeiros sólidos daLinha de aparecimento

cementita não dendríticados primeiros sólidos daLinha de aparecimento

cementita não dendrítica

Linha de aparecimento

cementita não dendrítica

α+ Perlita( α + Fe C )3

Hipoeutetóideα+ Perlita

( α + Fe C )3( α + Fe C )3

HipoeutetóideFe3C + Perlita

( α + Fe C )3

HipereutetóideFe3C + Perlita

( α + Fe C )3( α + Fe C )3

HipereutetóidePerlita+

Ledeburita

HipoeutéticoPerlita+

LedeburitaLedeburita

HipoeutéticoFe3C +

Ledeburita

HipereutéticoFe3C +

LedeburitaLedeburita

Hipereutético

HB ≅ 80

Material Dúctil80 < HB < 240

100 % Perlita( α + Fe C )3

Eutetóide100 % Perlita

( α + Fe C )3( α + Fe C )3

Eutetóide

Material Duro240 < HB <300

Material Muito Duro300 < HB <450

Material Hiper Duro450 < HB < 550

HB ≅ 550

100 % Ledeburita( Perlita + Fe C )3

Eutético100 % Ledeburita

( Perlita + Fe C )3

Eutético

Ledeburita( Fe3C + γ )

Ledeburita( Fe3C + γ )

T (oC)

727o727o

Diâmetro Atômico FE Diâmetro Atômico FE : 2,481 A : 2,481 A Diâmetro Atômico C : 0,385 ADiâmetro Atômico C : 0,385 A

Ferro Ferro γγ –– AUSTENITAAUSTENITAmetalurgista Inglês metalurgista Inglês RobertsRoberts AustenAusten

Ferro Ferro αα –– FERRITAFERRITAdo do latinlatin FerrumFerrum

FeFe33C C –– CEMENTITACEMENTITAdo do latinlatin CaementumCaementum (Carboneto de (Carboneto de FeFe))

PERLITA PERLITA –– Estrutura lamelar de Estrutura lamelar de αα + Fe+ Fe33CCestrutura de madrepérolaestrutura de madrepérola

Estruturas CristalinasEstruturas Cristalinas

Expansão

Contração

Estrutura do FeEstrutura do Fe33CC

Célula UnitáriaProporção Fe : C de 3 : 1

12 átomos de Fe e 4 átomos de C

Estrutura Ortorrômbica

Cementita

Estrutura Cúbica de Corpo Centrado - CCC

Empacotamento atômico

Ferrita δ

Célula UnitáriaFator de Empacotamento = 0,682 átomos C.U. – a = 4.R / √3

Empacotamento atômico

Estrutura Cúbica de Face Centrada - CFC

Austenita

Célula UnitáriaFator de Empacotamento = 0,744 átomos C.U. – a = 2.R./ √2

Estrutura Cúbica de Corpo Centrado - CCC

Ferrita αEmpacotamento atômico

Célula UnitáriaFator de Empacotamento = 0,68

2 átomos C.U. – a = 4.R / √2

Diâmetro Atômico FE Diâmetro Atômico FE : 2,481 A : 2,481 A Diâmetro Atômico C : 0,385 ADiâmetro Atômico C : 0,385 A

Ferro Ferro γγ –– AUSTENITAAUSTENITAmetalurgista Inglês metalurgista Inglês RobertsRoberts AustenAusten

Ferro Ferro αα –– FERRITAFERRITAdo do latinlatin FerrumFerrum

FeFe33C C –– CEMENTITACEMENTITAdo do latinlatin CaementumCaementum (Carboneto de (Carboneto de FeFe))

PERLITA PERLITA –– Estrutura lamelar de Estrutura lamelar de αα + Fe+ Fe33CCestrutura de madrepérolaestrutura de madrepérola

Estruturas CristalinasEstruturas CristalinasEstruturas CristalinasEstruturas Cristalinas

ExpansãoExpansão

ContraçãoContração

Estrutura do FeEstrutura do Fe33CC

Célula UnitáriaProporção Fe : C de 3 : 1

12 átomos de Fe e 4 átomos de C

Estrutura Ortorrômbica

Cementita

Estrutura do FeEstrutura do Fe33CCEstrutura do FeEstrutura do Fe33CC

Célula UnitáriaProporção Fe : C de 3 : 1

Célula UnitáriaProporção Fe : C de 3 : 1

12 átomos de Fe e 4 átomos de C

Estrutura Ortorrômbica

Estrutura Ortorrômbica

Cementita

Estrutura Cúbica de Corpo Centrado - CCC

Empacotamento atômico

Ferrita δ

Célula UnitáriaFator de Empacotamento = 0,682 átomos C.U. – a = 4.R / √3

Estrutura Cúbica de Corpo Centrado - CCC

Estrutura Cúbica de Corpo Centrado - CCC

Estrutura Cúbica de Corpo Centrado - CCC

Empacotamento atômico Empacotamento atômico

Ferrita δ

Célula UnitáriaFator de Empacotamento = 0,682 átomos C.U. – a = 4.R / √3

Célula UnitáriaFator de Empacotamento = 0,682 átomos C.U. – a = 4.R / √3

Empacotamento atômico

Estrutura Cúbica de Face Centrada - CFC

Austenita

Célula UnitáriaFator de Empacotamento = 0,744 átomos C.U. – a = 2.R./ √2

Empacotamento atômico Empacotamento atômico

Estrutura Cúbica de Face Centrada - CFC

Estrutura Cúbica de Face Centrada - CFC

Estrutura Cúbica de Face Centrada - CFC

Austenita

Célula UnitáriaFator de Empacotamento = 0,744 átomos C.U. – a = 2.R./ √2

Célula UnitáriaFator de Empacotamento = 0,744 átomos C.U. – a = 2.R./ √2

Estrutura Cúbica de Corpo Centrado - CCC

Ferrita αEmpacotamento atômico

Célula UnitáriaFator de Empacotamento = 0,68

2 átomos C.U. – a = 4.R / √2

Estrutura Cúbica de Corpo Centrado - CCC

Estrutura Cúbica de Corpo Centrado - CCC

Estrutura Cúbica de Corpo Centrado - CCC

Ferrita αEmpacotamento atômico

Ferrita αEmpacotamento atômico

Célula UnitáriaFator de Empacotamento = 0,68

2 átomos C.U. – a = 4.R / √2

Célula UnitáriaFator de Empacotamento = 0,68

Célula UnitáriaFator de Empacotamento = 0,68

2 átomos C.U. – a = 4.R / √2

2

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Transformação eutética é aquela que parte de um líquido monofásico e homogêneo (L) para um sólido composto de duas fases.

L → γ + Fe3C [ líquido → austenita + Fe3C ]

Transformação peritética é aquela em que uma solução sólida e um líquido homogêneo (L) reagem a uma temperatura específica formando uma solução sólida monofásica de características distintas daquela que a originou:

δ + L → γ [ sólido (ferrita-delta) + líquido → sólido (austenita )]

Transformação eutetóide é aquela em que uma solução sólida se transforma em duas soluções sólidas distintas daquela que a originou:

γ → α + Fe3C [ sólido (austenita) → sólido (ferrita-gama) + sólido (cementita )]

TransformaTransformaçções Invariantes no Sistema ões Invariantes no Sistema FeFe--C:C:

Coeficiente de RedistribuiCoeficiente de Redistribuiçção:ão:L

So C

Ck =

T

%

Solidus Liquidus

Cs CL

Tko < 1

soluto

Co ⇒ CSCS < Co

Regra da Alavanca:Regra da Alavanca:

T

%

Solidus Liquidus

Cs CLT

Co

SL

So

SL

oL

CCCCLiq

CCCCSol

−−

=

−−

=

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InterstInterstíícios Octacios Octaéédricos e Tetradricos e Tetraéédricos nas estruturas CCC e CFC:dricos nas estruturas CCC e CFC:

Regiões prováveis para alojar o C em solução sólida intersticial na matriz do Fe

3

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Aços

α + PerlitaHipoeutetóide

Fe3C + PerlitaHipereutetóide

100 % Perlita( α + Fe3C )

Eutetóide

γγ + LiqLiq

γγ

δδ

ααα + γα + γ

Linha Liquidus

Linha Solidus

γγ + Fe+ Fe33CC

αα + Fe+ Fe33CC

LLííquidoquido

A1

δ + γδ + γ

LiqLiq + + δδ

A3 Acm

2,11%

0,53%0,17%0,09%

0,02%

0,008% 2,11%0,77%

1538o

1495o

1394o

912o

727o

T amb0%

T (oC)

γ

Ledeburita( Fe3C + γ )

Austenita

Ferrita α

Ferrita δ

Ledeburita( Fe3C + α )

Perlita

CONSIDERANDO SOMENTE OS AÇOS ( até 2,1% C ):CONSIDERANDO SOMENTE OS AÇOS ( até 2,1% C ):

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912 Co

727 Co

C

C

CC

CCC

CC

C

C

C C C CC

CC

C

CC CC C C

C

C CC

C

γ

γγ

γγ

γ

γ

RESFRIAMENTO DE UM AÇO EUTETÓIDERESFRIAMENTO DE UM AÇO EUTETÓIDEDECOMPOSIÇÃO DA AUSTENITADECOMPOSIÇÃO DA AUSTENITA

γ + α

γ

α

α + Fe C3

+ Fe C3γ

0,77%C

zoomzoom

DIFUSÃODIFUSÃODO CDO C

Enriquecido com 6,67% de C

Empobrecido para 0,0218% de C

Empobrecido para 0,0218% de C

6,67% de C = Fe C6,67% de C = Fe C33

0,0218% de C = 0,0218% de C = αα

CementitaCementita

FerritaFerrita

PerlitaPerlita

4

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α

γγ

γγ

γγ

γ

γ

%C na primeira Ferrita

Pto 1

Ponto 1Ponto 1

%C na Austenita(Ex. 1040 = 0,4%C)

Formação deFerrita no contorno

de grão

RESFRIAMENTO DE UM AÇO HIPOEUTETÓIDERESFRIAMENTO DE UM AÇO HIPOEUTETÓIDE

Pto 2 - Temperatura TPonto 2Ponto 2

%C na Ferritana temperatura T

%C na Austenitana temperatura T

Ponto 3Ponto 3

0,77%C0,77%C

0,77%C0,77%C0,77%C0,77%C

Pto 4 - T = 726 Co Ponto 4Ponto 4

PerlitaPerlita

FerritaFerrita

C é expulso doC é expulso docontorno para o centrocontorno para o centro

C continua a C continua a migrar para o migrar para o centrocentro

Núcleo do grãoNúcleo do grãoenriquecido comenriquecido com0,77% de C0,77% de C

912 Co

727 Co0,77%C0,77%C

Pto 3 - T = 728 Co

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α

γγ

γγ

γγ

γ

γ

Ponto 1Ponto 1Formação de

Cementita no contornode grão (6,67%C)

RESFRIAMENTO DE UM AÇO HIPEREUTETÓIDERESFRIAMENTO DE UM AÇO HIPEREUTETÓIDE

Ponto 2Ponto 2

%C na Austenitana temperatura T

Ponto 3Ponto 3

0,77%C0,77%C

0,77%C0,77%C0,77%C0,77%C

Pto 4 - T = 726 Co

C é expulso doC é expulso docentro para o contornocentro para o contorno

C continua a C continua a migrar para o migrar para o contornocontorno

Núcleo do grãoNúcleo do grãoempobrecido comempobrecido com0,77% de C0,77% de C

Pto 1

Pto 2 - Temperatura T

Pto 3 - T = 728 Co

Ponto 4Ponto 4

PerlitaPerlita

CementitaCementita

912 Co

727 Co0,77%C0,77%C

2,11 %C2,11 %C

1148 C1148 Coo

%C na Austenita(Ex. 1,3%C)

5

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850_trans_nucleo_100x45% Ferrita-Pró (clara ) e 55% Perlita (escura)

850_trans_nucleo_500xFerrita-Pró nos CG e Perlita nos núcleos

920_long_periferia_60min_100xmatriz Ferrita-Pro (clara) e pouca Perlita (escura)

920_long_periferia_60min_500xGrãos de Ferrita e Perlitas isoladas

SAE 1010 SAE 1045 SAE 1080

850_trans_nucleo_500xmatriz Perlita e pouca Cementita-Pró nos C.G.

850_trans_nucleo_1000xCementita-Pró nos CG e Perlita nos núcleos

Microestruturas de AMicroestruturas de AÇÇOSOS--CARBONO NormalizadosCARBONO Normalizados

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CC

CC

CCCCCC

CCCC

CCCC

CC

CC

CC CC CCCCCCCC

CCCC

CCCC CCCC CC CC

CCCC CC

CC

CC

Ponto 1

DifusãoDifusãoC nos CG em TC nos CG em TEE

CEMENTITACEMENTITA

912 Co

727 Co0,77%C0,77%C

2,11 %C2,11 %C1148 Co

α

γ 4,3%C4,3%C

γ + Fe C3

α + Fe C 3

Líquido

+ Fe C3LL + γ

LIQUIDO

Ponto 1 Ponto 1 -- 1147 C1147 Coo

Ponto 2 Ponto 2 -- TT

% C na Austenita % C na Austenita na temperatura Tna temperatura T

Ponto 3 Ponto 3 -- 726 C726 Co

Ponto 3

Perlita

Eutético Eutético FeFe--C:C:

LEDEBURITALEDEBURITA--γγ

Abaixo TE

Enriquecido com 6,67% de C

Empobrecido para 2,11% de C

LEDEBURITALEDEBURITA--PP

AUSTENITAAUSTENITA

RESFRIAMENTO DE UM FoFo BRANCO EUTÉTICO:RESFRIAMENTO DE UM FoFo BRANCO EUTÉTICO:

Ponto 2

6

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LIQUIDOPonto 1 Ponto 1 -- Formação dos Formação dos primeiros cristais sólidos primeiros cristais sólidos de Austenitade Austenita

P.ex.: Fe P.ex.: Fe -- 3,5 %C3,5 %C

Ponto 4 Ponto 4 -- 728 C728 C o

4,3%C4,3%C

912 Co

727 Co

0,77%C0,77%C

2,11 %C2,11 %C1148 C o

α

γ

γ + Fe C 3

α + Fe C 3

Líquido

+ Fe C 3LL + γ

%C na Austenitaem solidificação

%C no líquido remanescente

Ponto 3 Ponto 3 -- 1147 C1147 C o%C na Austenita no resfriamento

PtoPto 2 2 -- Temperatura TTemperatura T

Ponto 2Ponto 2

Dendritas de Austenita

Ponto 3Ponto 3

γLedeburita(Fe C + γ)3

Hipoeutético:Hipoeutético:

Líquidoremanescente

Ponto 4Ponto 4

RESFRIAMENTO DE UM FoFo BRANCO HIPOEUTÉTICO:RESFRIAMENTO DE UM FoFo BRANCO HIPOEUTÉTICO:

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Agulhas de Cementita

Ponto 2Ponto 2

Líquidoremanescente

%C no líquidoremanescente

4,3%C4,3%C

912 Co

727 Co

0,77%C0,77%C

2,11 %C2,11 %C1148 Co

α

γ

γ + Fe C 3

α + Fe C 3

Líquido

+ Fe C3LL + γ

LIQUIDO

%C na Austenita no resfriamento

Ponto 1 Ponto 1 -- Formação Formação dos primeiros cristais dos primeiros cristais sólidos de Cementitasólidos de Cementita

PtoPto 2 2 -- Temperatura TTemperatura T

PtoPto 3 3 -- 1147 C1147 Coo

Ponto 3Ponto 3

Fe C3

Ledeburita(Fe C + γ)3

Hipereutético:Hipereutético:

Ponto 4Ponto 4

RESFRIAMENTO DE UM FoFo BRANCO HIPEREUTÉTICO:RESFRIAMENTO DE UM FoFo BRANCO HIPEREUTÉTICO:

7

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RESUMO DO DIAGRAMA FeRESUMO DO DIAGRAMA Fe--Fe CFe CNo diagrama ignorouNo diagrama ignorou--se o peritético por questões didáticasse o peritético por questões didáticas

33

4,3%C4,3%C

912 Co

727 Co0,77%C0,77%C

2,11 %C2,11 %C 1148 Co

α

γγ + Fe C3

α + Fe C3

Líquido+ Fe C3LL + γ

Fe C3Fe

AÇOS FERROS FUNDIDOS BRANCO

EutetóideEutetóide100% Perlita100% Perlita( )( )+ Fe Cα 3

HipoeutetóideHipoeutetóideαα + Perlita+ Perlita

( )( )+ Fe Cα 3

HipereutetóideHipereutetóideFe C + PerlitaFe C + Perlita( )( )+ Fe Cα 3

3

EutéticoEutético100% Ledeburita100% Ledeburita

+ Fe Cα 3Fe C + Perlita( )

3

HipoeutéticoHipoeutéticoPerlita + Perlita +

LedeburitaLedeburita

HipereutéticoHipereutéticoFe C + LedeburitaFe C + Ledeburita33

Linha que define o aparecimento da CEMENTITA

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RESUMO DO DIAGRAMA FeRESUMO DO DIAGRAMA Fe--Fe CFe CNo diagrama ignorouNo diagrama ignorou--se o peritético por questões didáticasse o peritético por questões didáticas

33

4,3%C4,3%C

912 Co

727 Co0,77%C0,77%C

2,11 %C2,11 %C 1148 Co

α

γγ + Fe C3

α + Fe C3

Líquido+ Fe C3LL + γ

Fe C3Fe

AÇOS FERROS FUNDIDOS BRANCO

EutetóideEutetóide100% Perlita100% Perlita( )( )+ Fe Cα 3

EutéticoEutético100% Ledeburita100% Ledeburita

+ Fe Cα 3

Fe C + Perlita( )

3

Material Muito Duro300 < HB < 450

Material Hiper Duro450 < HB < 550

Material Ductíl100 < HB < 240

Material Duro240 < HB < 300

Dados de dureza para condições normais de solidificação

HB ≅ 550HB ≅ 80

Linha que define o aparecimento da CEMENTITA