as estruturas cristalinas do ferro€¦ · · 2014-10-15interstícios e carbono nas redes do...
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As Estruturas Cristalinas do Ferro
• O Ferro apresenta diferentes estruturas cristalinas,
dependendo da temperatura – alotropia
• De Tamb até 912oC
Cúbica de corpo centrado
Ferrita ou a-Ferro
• De 912oC até 1394oC
Cúbica de face centrada
Austenita ou g-Ferro
• Temperatura de fusão: 1538oC
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O Conceito de Ligas Metálicas
Metal Puro 99,99999%
Impurezas Elementos de liga
Solução sólida Segunda fase
Não há formação de novas estruturas O soluto está uniformemente distribuído na rede
Solutos que não
queremos
Solutos que
queremos
Um novo
composto
Solvente
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Interstícios e Carbono nas Redes do Ferro
• Rintccc = 0,019 nm
• Rintcfc = 0,051 nm
• Rcarbono = 0,077 nm
• Assim, o átomo de carbono é maior
do que o interstício e fica sob
compressão.
A presença de carbono distorce a
rede, contribuindo para endurecer o
material.
A concentração máxima de carbono
na ferrita é muito baixa (0,022 wt%)
Como o interstício central da cfc é
cerca de 2,7X maior, a concentração
máxima de carbono na austenita é
muito maior (2,11 wt%)
Átomo de soluto
ocupando um
interstício na rede
da Ferrita
Átomo de soluto
ocupando um
interstício na rede
da Austenita
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Diagrama Eutetóide – Ferro Carbono
• Diagrama semelhante a um eutético, no qual ocorre uma
transição tipo eutética no estado sólido.
T(°C) L
g (austenita)
g + Fe3C
a + Fe3C
g + L
400
800
1200
1600
0.77
4.30 2.11
727°C
1148°C
912°C
1394°C
1538°C
1 2 3 4 5 6 6.7 Concentração (wt% C)
Cementita
(Fe3C)
(Fe)
a + g
a + g
0.77
0.022
g a
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Diag. Fe-C - Características básicas
• Fases do Ferro puro
Tamb - 912°C => Fe na forma de Ferrita (a-Fe, CCC)
912°C-1394°C => Fe na forma de Austenita (g-Fe, CFC)
1394°C-1538°C => Fe na forma de Delta Ferrita (-Fe,CCC)
• Solubilidade do C em Fe
Na fase a - máximo de 0.022%
Na fase g - máximo de 2.11%
• Cementita - Fe3C
Composto estável que se forma quando a solubilidade máxima de carbono é excedida nas fases a e g .
Contém 6.7 wt% C {massa(1C)/massa (3Fe + 1C)}
É dura e quebradiça. A resistência de aços é aumentada pela sua presença.
158
Diag. Fe-C - Características básicas
• Reação eutética
A 1148°C ocorre a reação
L (4.3% C) <=> g (2.11% C) + Fe3C (6.7% C)
• Reação eutetóide
A 727°C ocorre a reação
g (0.77% C) <=> a (0.022% C) + Fe3C (6.7% C)
que é extremamente importante no tratamento térmico de aços.
• Classificação de ligas ferrosas
0-0.008 wt% C - Ferro puro
0.008-2.11 wt% C - aços (na prática < 1.2 wt%)
2.11-6.7 wt% C - ferros fundidos (na prática < 4.5 wt%)
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Evolução microestrutural
• Composição eutetóide
g g
g g
g
g + Fe3C
0.77 wt% C
a + g 727°C
a
Inicialmente, temos apenas a fase g.
A uma temperatura imediatamente
abaixo da eutetóide toda a fase g se
transforma em perlita (ferrita + Fe3C) de
acordo com a reação eutetóide.
Estas duas fases tem concentrações de
carbono muito diferentes. Esta reação é
rápida. Não há tempo para haver grande
difusão de carbono. As fases se
organizam como lamelas alternadas de
ferrita e cementita.
Perlita
(a + Fe3C)
160
Composição Eutetóide
• Forma-se 100% de Perlita
Nome derivado da estrutura da madre
pérola observada ao microscópio.
Consiste na mistura das fases ferrita e
cementita. Formada pelo crescimento
cooperativo destas fases.
Apresenta propriedades intermediárias
entre a ferrita e a cementita dependendo
do tamanho e espaçamento das lamelas
de cementita.
Frações de ferrita e cementita dentro da
perlita, à temperatura ambiente.
%5,88885,007,6
77,07,6
aW %5,11115,01
3 aWW CFe
161
Evolução microestrutural (cont.)
• Composição hipo-eutetóide
Inicialmente, temos apenas a fase g.
Em seguida começa a surgir fase a
nas fronteiras de grão da fase g.
A uma temperatura imediatamente
acima da eutétoide a fase a já cresceu,
ocupando completamente as fronteiras
da fase g. A concentração da fase a é
0.022 wt% C. A concentração da
fase g é 0.77 wt% C, eutetóide.
A uma temperatura imediatamente
abaixo da eutetóide toda a fase g se
transforma em perlita (ferrita
eutetóide + Fe3C). A fase a, que não
muda, é denominada
ferrita pro-eutetóide.
g
a
g + Fe3C
a + g 727°C
g g
g g
g
g
a a
g g
g g
a
a + Fe3C
a pro-eutetóide
perlita
C0
162
• Considerando uma composição de
0,38 wt% de C, à temperatura ambiente
• A fração de perlita corresponde à
fração de austenita na temperatura
eutetóide, que se transforma
totalmente em perlita.
• Portanto, a fração de ferrita pró-
eutetóide é
Composição Hipo-eutetóide
%3,94943,007,6
38,07,6
aW %7,5057,01
3 aWW CFe
%9,47479,0022,077,0
022,03,0
perlitaW
%1,52521,01 perlitaWWpróa
apró
apró
apró
163
Evolução microestrutural (cont.)
• Composição hiper-eutetóide
Inicialmente, temos apenas a fase g.
Em seguida começa a surgir fase Fe3C
nas fronteiras de grão da fase g. A
concentração da Fe3C é constante igual
a 6.7 wt% C. A concentração da
austenita cai com a temperatura
seguindo a linha que separa o campo
g+Fe3C do campo g. A uma temperatura
imediatamente acima da eutetóide a
concentração da fase g é 0.77 wt% C,
eutétóide.
A uma temperatura imediatamente
abaixo da eutetóide toda a fase g se
transforma em perlita. A fase Fe3C ,
que não muda, é denominada
cementita pro-eutetóide.
a
g + Fe3C
a + g 727°C
g g
g g g g
g g
a + Fe3C
Fe3C pro-eutetóide
perlita
C1
Fe3C
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• Considerando uma composição de
1,2 wt% de C, à temperatura ambiente
• A fração de perlita corresponde à fração
de austenita na temperatura eutetóide,
que se transforma totalmente em perlita.
• Portanto, a fração de cementita pró-
eutetóide é
• que ocupa os contornos de grão da
perlita.
Composição Hiper-eutetóide
%1,82821,007,6
2,17,6
aW %9,17179,01
3 aWW CFe
%7,92927,077,07,6
2,17,6
perlitaW
%3,7073,013
perlitaCFe WWpró
Fe3Cpró
165
Exemplos de microestruturas
Aço hipo-eutetóide com 0.38 wt% C,
composto por ferrita pro-eutetóide (fase
clara) e perlita [fase com lamelas claras
(ferrita) e escuras (cementita)]. 635x.
Aço hiper-eutetóide com 1.20 wt% C,
composto por cementita pro-eutetóide (fase
clara) e perlita [fase com lamelas escuras
(ferrita) e claras (cementita)]. 1000x.
166
Proporções das fases
C0 C1
6.7 0.77 0.022
T U V X
Concentração de Carbono (wt%)
Wp T
T + U
C0 0.022
0.77 0.022
Fração de perlita
Wa ' U
T + U0.77 C0
0.77 0.022
Fração de ferrita pro-eutetóide
Wp X
V + X6.7 C1
6.7 0.77
Fração de perlita
Fração de cementita pro-eutetóide
WFe3
C V
V + X
C1 0.77
6.7 0.77
Hipo-eutetóide – C0 Hiper-eutetóide – C1
Fração de ferrita total Fração de cementita total
022,07,6
7,6 0
+++
++
C
XVUT
XVUW
totala022,07,6
022,01
3
+++
++
C
XVUT
VUTW
totalCFe
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Glossário
• Austenita = g-Fe = fase g
• Ferrita = a-Fe = fase a
• Cementita = Fe3C (6.7 wt% C em Fe)
• Perlita = Ferrita e Cementita em lamelas alternadas
• Hipo = menor que - Hiper = maior que
• Ferrita pro-eutetóide = Ferrita que se forma a T >Teutetóide
p/composição hipo-eutetóide (<0.77 wt%C)
• Cementita pro-eutetóide = Cementita que se forma a
T >Teutetóide p/composição hiper-eutetóide.
171
Aços Carbono
• A resistência aumenta com o teor de Carbono.
• A ductilidade diminui com o teor de Carbono.
• Oxidam-se facilmente.
• Suas propriedades deterioram-se a baixas e altas
temperaturas.
• São os mais usados e de mais baixo custo.
172
Aços Baixo Carbono
• Concentração de carbono: < 0,3 wt%
• Estrutura é usualmente ferrítica e perlítica.
• Baixa fração de perlita
• São fáceis de conformar e soldar
• Têm baixa resistência, alta ductilidade e tenacidade.
• Aplicações:
Chapas automobilísticas, perfis estruturais, placas para
produção de tubos, construção civil, latas de folhas de
flandres.
PerlitadeCdeExemplo %34022,077,0
022,028,0%28,0
174
Aços Médio Carbono
• Concentração de carbono: 0,3-0,6 wt%.
• Apresentam a melhor combinação de tenacidade e
ductilidade e resistência mecânica.
• Fração intermediária de perlita.
• São aços que têm inúmeras aplicações em construção:
Rodas e equipamentos ferroviários, engrenagens,
virabrequins e outras peças de máquinas que necessitam de
elevadas resistências mecânica e ao desgaste, mas de menor
tenacidade e ductilidade do que o baixo carbono.
PerlitadeCdeExemplo %64022,077,0
022,055,0%55,0
176
Aços Alto Carbono
• Concentração de carbono: 0,6-1,2 wt%
• Apresentam baixa conformabilidade e tenacidade
• Alta fração de perlita
• Apresentam elevada resistência ao desgaste, mantendo
bom fio de corte.
• Aplicações
Talhadeiras, folhas de serrote, martelos e facas.
PerlitadeCdeExemplo %84022,077,0
022,065,0%65,0
179
Aços para Automóveis
• O desenvolvimento de aços de alta resistência para a
indústria automobilística tem por objetivo atender a
três das principais demandas desse setor:
Redução de peso,
Economia de combustível ,
Aumento da segurança do usuário.
• Para isso, utilizam-se aços com outros elementos de
liga e que sofrem tratamentos térmicos diferentes do
resfriamento lento associado aos diagramas de
equilíbrio apresentados até agora.
180
Tratamentos Térmicos e Fases Metaestáveis
• As fases mostradas nos diagramas só são formadas se o
resfriamento for lento.
É necessário dispor de tempo para que os átomos de
carbono se movam através da rede do ferro. Difusão.
• Caso o resfriamento seja rápido, fases de não
equilíbrio, metaestáveis, se formam.
Ex: Martensita – fase formada a partir do resfriamento
abrupto da austenita. Fase extremamente dura.
• Ao resfriamento abrupto se dá o nome de têmpera (em
inglês quenching).
181
Tipos de Aços
Codigo Tipo de Aço
Mild Mild Steel ( Aço Carbono)
BH Bake Hardenable (Aço Envelhecível)
IF Interstitial Free ( Aço livre de intersticiais)
HSLA ( ARBL) High Strength Low Alloy (Alta Resistencia Baixa Liga)
DP Dual Phase ( Aço Bifásico)
CP Complex Phase ( Aço Complexo)
Mart Martensitic (Martensítico)
TRIP Transformation Induced Plasticity ( Plasticidade
induzida por transformação)
http://www.worldautosteel.org/Projects/LCA-Study.aspx
182
Propriedades Mecânicas e Microestrutura
Limite de Resistência (MPa)
Alo
ngam
ento
%
IF
ISOTRÓPICO
BAKE HARDENABLE
TRIP DUAL PHASE HSLA MARTENSÍTICO
183
Vantagens dos Aços Avançados
• Advanced High-Strength Steel (AHSS)
Aços Avançados de Alta Resistência
21 a 25% redução no peso do “ body-in-white”
(monobloco)
9 % redução no peso total sem passageiros (curb weight)
5,1% redução de consumo de combustível
5,7% redução de emissões do ciclo de vida (CO2)
pouco ou nenhum aumento no custo de manufatura
184
Uso de Aços Avançados em Automóveis
• Os diferentes tipos de aços têm aplicação nos diversos
componentes das estruturas dos automóveis.
Proporções em peso dos
diversos tipos de aço e
localização na estrutura
de um automóvel.