Diagrama de Equilíbrio Ferro Carbono com Explicação [Diagrama de Fase]

Neste artigo, discutiremos sobre o diagrama de equilíbrio de ferro e carbono , usos do diagrama de equilíbrio, tipos de diagrama de equilíbrio ferro carbono e várias fases e termos associados ao diagrama de fases ferro carbono.

O que são diagramas de fase?

Diagramas de fase são representações gráficas das fases presentes em uma liga sob várias condições de temperatura, pressão e composição química.

A solidificação de ligas metálicas é claramente compreendida por meio de diagramas de equilíbrio. São representações gráficas de mudanças de estado devido a variações de temperatura e concentração. Como este diagrama indica a natureza e constituição das ligas e a quantidade e composição das fases em um determinado sistema, também é conhecido como diagrama de constituição ou diagrama de fases.

Características e usos do diagrama de equilíbrio

Equilíbrio implica que as mudanças que ocorrem em um sistema como resultado do processo em uma direção são totalmente compensadas por mudanças devido à reversão do processo no sistema. Portanto, é considerada como uma condição dinâmica de equilíbrio entre movimentos atômicos onde a resultante é zero.

As taxas de mudanças de temperatura ou de composição foram extremamente lentas durante o trabalho experimental, de modo que a liga “ficaria em repouso” antes que uma variável, como a temperatura, fosse novamente alterada. A condição, portanto, é de descanso e não de mudança.

O diagrama de equilíbrio indica o seguinte:

1. Temperatura na qual a liga sólida começará a fundir e terminará de fundir.

2. Possíveis mudanças de fase que ocorrerão como resultado da alteração da composição ou temperatura.

Que diagrama de equilíbrio representa?

O diagrama descreve as condições adequadas para que duas ou mais fases existam em equilíbrio. Por exemplo, o diagrama de fases da água descreve um ponto (ponto triplo) onde a água pode coexistir em três fases diferentes ao mesmo tempo. Isso acontece logo acima da temperatura de congelamento (0,01°C) e 0,006 atm.

Usos do diagrama de equilíbrio na metalurgia

• Desenvolvimento das novas ligas com base nos requisitos de aplicação.
• Produção dessas ligas.
• Desenvolvimento e implementação de procedimentos adequados de tratamento térmico para melhorar as propriedades químicas, físicas e mecânicas dessas novas ligas.
• Solução de problemas que surgem durante o uso dessas novas ligas, melhorando a previsibilidade do produto.

Diagrama de Equilíbrio Ferro Carbono

O diagrama de equilíbrio de carbono do ferro (também chamado de diagrama de fases ferro-carbono) é uma representação gráfica dos respectivos estados microestruturais da liga ferro-carbono (Fe-C) dependendo da temperatura e do teor de carbono.

O diagrama de fases ferro-carbono é comumente usado para entender completamente as várias fases do aço e do ferro fundido. O aço e o ferro fundido são ligas de ferro e carbono. Além disso, ambas as ligas contêm oligoelementos em pequenas quantidades.

O gráfico é bastante complexo, mas como estamos limitando nossa investigação ao Fe3C, veremos apenas até 6,67% em peso de carbono.

Tipos de diagrama de equilíbrio ferro carbono

O diagrama binário de equilíbrio de carbono do ferro é a base do aço e do ferro fundido. Trata-se de transformações que ocorrem em ligas com composição de ferro puro a cementita (6,67 por cento de carbono). Existem duas versões do diagrama de equilíbrio ferro carbono:

1. Sistema ferro-cementita. 2. Sistema ferro-grafite.


Esses dois sistemas dependem da taxa de resfriamento. O resfriamento rápido produz cementita e o sistema é conhecido como sistema Ferro-cementita . Neste sistema, as estruturas formadas nas fases solidificadas não atingem o equilíbrio suficientemente completo. Portanto, o sistema de ferro-cimento é um metaestável 1.

Enquanto o resfriamento lento produz grafite e o sistema é conhecido como sistema Ferro-grafite . As estruturas que se formam na fase solidificada atingem o equilíbrio suficientemente completo. Portanto, este é um estável 1.

Tipos de liga ferrosa no diagrama de equilíbrio de ferro-carbono

A escala de porcentagem de peso no eixo X do diagrama de fases de carbono do ferro varia de 0% para 6,67% Carbono. O metal é simplesmente conhecido como ferro ou ferro puro até um teor máximo de carbono de 0,008 por cento em peso de carbono. À temperatura ambiente, existe na ferrite Estado.

Aço é uma liga de ferro-carbono com um teor de carbono que varia de 0,008 a 2,14 por cento. As classes de aço dentro dessa faixa são conhecidas como aço de baixo carbono (ou aço macio), aço carbono médio , e aço de alto carbono .

Quando o teor de carbono excede 2,14 por cento, alcançamos o ferro fundido palco. O ferro fundido é extremamente duro, mas sua fragilidade limita severamente suas aplicações e métodos de conformação.

SISTEMA DE FERRO-CEMENTITA

Se uma série de curvas de aquecimento tempo-temperatura são feitas para aços com diferentes teores de carbono e os pontos críticos correspondentes traçados, um diagrama semelhante ao da Fig. 2.14 seria obtido. Este diagrama, que se aplica apenas sob condições de resfriamento lento, é conhecido como um diagrama de fases ferro-carbono parcial . Ao consultar este diagrama, pode-se observar prontamente as temperaturas de têmpera adequadas para qualquer aço carbono. Os pontos críticos na Fig. 2.14 na linha PSK são indicados por A1, os da linha GS por A3 e os da linha SE por Acm

Diagrama de equilíbrio de ferro-carbono com explicação

Austenita

Austenita , solução sólida de carbono e outros constituintes em uma forma particular de ferro conhecida como ferro γ (gama). Tomemos o exemplo de um pedaço de aço carbono 0,20% que foi aquecido a uma temperatura em torno de 850°C. Acima do ponto Ar3 (linha GS) este aço é uma solução sólida (tipo intersticial) de carbono em ferro gama e é chamado de austenita . Tem uma rede cúbica de face centrada e não é magnética.

A austenita simples pode conter até cerca de 2% de carbono a uma temperatura de 1130°C. Ao resfriar este aço os átomos de ferro começam a formar uma rede cúbica de corpo centrado abaixo do ponto Ar3 (linha GS). Essa nova estrutura que está sendo formada é chamada de ferrita ou ferro alfa e é uma solução sólida de carbono em ferro alfa contendo até 0,008 por cento de carbono à temperatura ambiente.

À medida que o aço é resfriado até Ar1, (linha PSK), é formada ferrita adicional. Na linha Arı a austenita remanescente é transformada em uma nova estrutura chamada perlita . O nome perlita é devido ao seu brilho perolado. Consiste em placas alternadas de ferrita e cementita e contém cerca de 87% de ferrita. A perlita pode ter uma estrutura lamelar ou granular fina a grossa. Esta é uma substância forte e pode ser cortada razoavelmente bem com ferramentas de corte, ou seja, o constituinte da perlita no aço é usinável.

Aço Eutetóide

À medida que o teor de carbono do aço aumenta acima de 0,20 por cento, a temperatura na qual a ferrita é rejeitada pela primeira vez da austenita cai até que, em cerca de 0,80 por cento de carbono (ponto S), nenhuma ferrita livre seja rejeitada da austenita. Este aço é chamado de aço eutetóide e é 100% perlita .

Eutetóide Ponto

O que é o ponto eutetóide?

O ponto eutetóide em qualquer metal, como dito anteriormente, é a temperatura mais baixa na qual ocorrem mudanças em uma solução sólida.

Se o teor de carbono do aço for maior que o eutetóide (0,8 por cento de carbono), uma nova linha é observada no diagrama de fases de carbono do ferro denotada por Acm (linha S). A linha indica a temperatura na qual o carboneto de ferro é rejeitado pela primeira vez da austenita em vez da ferrita.

O carboneto de ferro (Fe3C) é conhecido como cementita . É extremamente duro, quebradiço e aparece como placas paralelas (camadas lamelares), como partículas arredondadas (esferóides) ou como envelopes ao redor dos grãos de perlita. No ponto C, a mistura eutética contendo 4,3% de carbono é conhecida como ledeburite . Isso raramente é visto em ligas resfriadas lentamente, uma vez que se decompõe, devido à sua natureza instável, para outras fases durante o resfriamento após a solidificação.

Hipoeutetóide e hipereutetóide

Aços contendo menos de 0,80% de carbono são chamados de hipoeutetóides e aqueles que contêm mais de 0,8% de carbono são chamados de hipereutetóides aços. Esta terminologia aplica-se apenas a aços lisos e de baixa liga. Com aços de alta liga a composição eutetóide é alterada e a estrutura pode até não existir.

Deve-se primeiro salientar que o diagrama de equilíbrio normal realmente representa o equilíbrio metaestável entre ferro e carboneto de ferro (cementita). A cementita é metaestável, e o verdadeiro equilíbrio deve ser entre ferro e grafite.

Embora o grafite ocorra extensivamente em ferros fundidos (2-4% em peso C), geralmente é difícil obter essa fase de equilíbrio em aços (0,03-1,5% em peso C). Portanto, o equilíbrio metaestável entre ferro e carboneto de ferro deve ser considerado, pois é relevante para o comportamento da maioria dos aços na prática.

Sistema de grafite de ferro

SISTEMA DE FERRO-GRAFITE

Já foi dito que o carboneto de ferro ou cementita é metaestável, embora em condições normais tenda a persistir indefinidamente. Quando a cementita se decompõe, ela se decompõe de acordo com a reação:

Fe3C <——–> 3Fe + C

Na fase estável, carbono livre ou grafite ocorre em vez da fase conhecida como cementita . Após um pequeno grau de super-resfriamento, a grafite é formada quando o ferro fundido solidifica do estado líquido. O resfriamento lento promove a grafitização . O resfriamento rápido suprime parcial ou completamente a grafitização e leva à formação de cementita.

Um sistema ferro-grafite (como linha pontilhada) é mostrado na Fig. 2.14. O caso de uma liga de carbono contendo 3,5% de carbono em peso é tomado como ilustração

No ponto 1 a liga está no estado líquido. No ponto 2 da linha de resfriamento, a reação que ocorre pode ser expressa como:

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> Entre os pontos 2 e 3, o excesso de carbono na austenita é precipitado como grafite livre e não como cementita. No ponto 3, ocorre a reação eutetóide. Isso é expresso como:

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O mecanismo de transformação eutetóide deve transformar uma única fase sólida em duas outras, ambas com composições diferentes da original.

Tomando a decomposição eutetóide do ferro como exemplo, a austenita contendo 0,8% C se transforma em ferrita (ferro contendo quase nenhum carbono) e cementita (Fe3C, contendo 25 at% de carbono). Portanto, os átomos de carbono devem se difundir para formar Fe3C, deixando a ferrita. Núcleos de pequenas placas de ferrita e cementita se formam nos contornos de grão da austenita, e a difusão de carbono ocorre em uma escala muito local logo à frente da interface (esquema abaixo).

Assim, as placas crescem, consumindo a austenita à medida que avançam, para formar a perlita. O processo de grafitização é controlado pela variação da taxa de resfriamento e pela adequada liga da matriz metálica.

Termos usados ​​no Diagrama de Equilíbrio Ferro Carbono

Ponto Eutético

O ponto eutetóide em qualquer metal é a temperatura mais baixa na qual ocorrem mudanças em soluções sólidas.

Reações eutéticas ocorrem nesses pontos, onde uma fase líquida congela em uma mistura de duas fases sólidas. Isso ocorre quando uma liga líquida de composição eutética é resfriada até sua temperatura eutética.

As ligas eutéticas são as ligas que se formam neste ponto. Ligas nos lados esquerdo e direito deste ponto são conhecidas como ligas hipoeutéticas e ligas hipereutéticas ('hipo' em grego significa menor que, 'hiper' significa maior que).

Austenita

Austenita, solução sólida de carbono e outros constituintes em uma forma particular de ferro conhecida como ferro γ (gama).

Esta fase é uma solução sólida de carbono em FCC Fe com uma solubilidade máxima de 2,14% C. Em aquecimento adicional, converte-se em ferrita BCC a 1395°C. A γ-austenita é instável em temperaturas abaixo da temperatura eutética (727°C), a menos que seja resfriada rapidamente.

Alpha Iron ou Ferrite

Existente em baixas temperaturas e baixo teor de carbono, a α-ferrita é uma solução sólida de carbono em BCC Fe. Esta fase é estável à temperatura ambiente. No gráfico, pode ser visto como uma lasca na borda esquerda com o eixo Y no lado esquerdo e A2 no lado direito. Esta fase é magnética abaixo de 768°C.

Tem um teor máximo de carbono de 0,022% e se transformará em γ-austenita a 912°C, conforme mostrado no gráfico.

Cementita

A cementita, uma fase metaestável desta liga com composição fixa de Fe3C, é uma fase metaestável desta liga. À temperatura ambiente, decompõe-se extremamente lentamente em ferro e carbono (grafite).

Esse tempo de decomposição é longo e levará muito mais tempo do que a vida útil da aplicação à temperatura ambiente. Outros fatores, como altas temperaturas e a adição de certos elementos de liga, podem influenciar essa decomposição promovendo a formação de grafite.

A cementita é dura e quebradiça, tornando-a ideal para reforço de aço. Suas propriedades mecânicas são determinadas por sua microestrutura, que é determinada pela forma como é misturada com a ferrita.

Tentamos cobrir todos os termos relacionados ao diagrama de fases ferro-carbono, incluindo as várias fases e termos usados ​​nele para entender melhor. Espero que você tenha gostado deste artigo sobre diagrama de equilíbrio de carbono do ferro . Por favor, dê sua opinião no comentário abaixo.