Compreendendo o Diagrama de Fases Ferro-Carbono: Insights Essenciais para Metalurgia

Diagramas de fases são ferramentas muito importantes no estudo de ligas para solução de muitos problemas práticos em metalurgia. Definem regiões de estabilidade de uma fase que pode existir em um sistema de liga sob pressão atmosférica constante. Para sistema binário, coordenadas são temperatura e composição. Inter-relacionamentos entre fases, temperatura e composição em sistema de liga normalmente apresentados por diagrama de fases apenas sob condições de equilíbrio. Tais condições ocorrem durante taxas lentas de aquecimento e resfriamento das ligas, quando cinética de transformações não desempenha papel importante.

Em sua forma mais simples, ferro e aços são ligas de ferro (Fe) e carbono (C). Três tipos de ligas ferrosas: (i) ferro com teor de C < 0,0008% à temperatura ambiente; (ii) aços com C de 0,008% a 2,14% (normalmente <1%) e microestrutura consistindo ferrita e cementita; (iii) ferro fundido com C de 2,14% a 6,7% (normalmente <4,5%). Estudo da constituição e estrutura de ferro e aços começa com diagrama de fases ferro-carbono (Fe-C) (Figura 1). Diagrama Fe-C também usado como base para entender processos de tratamento térmico.

Muitas características básicas do sistema Fe-C influenciam comportamento das ligas de ferro e aços mais complexas. Ex: fases encontradas no sistema binário simples Fe-C persistem em aços complexos, mas é necessário examinar efeitos que elementos de liga têm na formação e propriedades dessas fases. Diagrama Fe-C fornece base valiosa sobre a qual conhecimento de aços carbono e ligas pode ser construído.

O diagrama de fases ferro-carbono na Figura 2 mostra na verdade dois diagramas: (i) diagrama estável ferro-grafita (linhas vermelhas), (ii) diagrama metaestável Fe-Fe3C. Cementita é metaestável; equilíbrio verdadeiro é entre ferro e grafita (C). Embora grafita ocorra extensivamente em ferros fundidos, geralmente difícil obter esta fase de equilíbrio em aços. Condição estável geralmente leva muito tempo para se desenvolver, especialmente em baixas temperaturas e teores de carbono. Por isso, diagrama de equilíbrio normal geralmente usado é o metaestável Fe-Fe3C pois é relevante ao comportamento da maioria dos aços na prática.

Detalhes dos diagramas estável e metaestável do sistema Fe-C, especialmente no lado rico em Fe, são conhecidos muito melhor que qualquer outro sistema binário com complexidade similar. Porém ainda há áreas substanciais onde diagrama não foi bem estabelecido, como em faixas de temperatura, composição e pressão não relacionadas diretamente à produção de ferro e aço.

Fases e Microconstituintes Importantes no Sistema Ferro-Carbono

No sistema Fe-Fe3C, carbono é impureza intersticial no Fe. Forma solução sólida com fases alfa (ferrita alfa), gama (austenita) e delta (ferrita delta) do ferro. Fases importantes no diagrama Fe-Fe3C. Entre campos monofásicos, regiões com misturas de duas fases: ferrita + cementita, austenita + cementita, ferrita + austenita. Nas temperaturas mais altas, campo de fase líquida; abaixo, campos bifásicos: líquido + austenita, líquido + cementita, líquido + ferrita. No tratamento térmico de aços, fase líquida sempre evitada. No ponto eutético (4,26% C), liga líquida ao resfriar converte diretamente em austenita e cementita sem campo bifásico. Similarmente, no ponto eutetoide (0,76% C), fase austenita ao resfriar converte diretamente em ferrita e cementita sem campo bifásico. Algumas fronteiras importantes em campos monofásicos têm nomes especiais que facilitam entendimento.

Principais Fases do Ferro e Aços em Equilíbrio

• Ferrita ou fase ferro-alfa — Forma estável do ferro à temperatura ambiente. Fase de baixa temperatura relativamente mole e fase de equilíbrio estável. Transforma em austenita FCC (fase gama) a 910 °C. Ferrita é constituinte comum em aços, estrutura CCC (cúbica de corpo centrado), menos densamente empacotada que FCC. Mole, bastante dúctil. Magnética abaixo de 768 °C. Baixa resistência e boa tenacidade.
• Austenita ou fase ferro-gama — Fase de alta temperatura. Solução sólida de C em ferro FCC. Estrutura FCC, compacta. Não magnética e dúctil. Transforma em ferrita delta CCC a 1394 °C. Não estável abaixo da temperatura eutética (727 °C) a menos que resfriada rapidamente. Austenita tem boa resistência e tenacidade.
• Ferrita delta — Solução sólida de C em ferro CCC. Estável apenas acima de 1394 °C. Funde a 1538 °C. Propriedades paramagnéticas.
• Cementita — Fe3C ou carboneto de ferro. Composto intermetálico de Fe e C. Estrutura ortorrômbica complexa, fase metaestável. Fase dura, frágil. Baixa resistência à tração, boa resistência à compressão, baixa tenacidade. Decompõe-se (muito lentamente, em vários anos) em ferrita alfa e C (grafita) na faixa 650-700 °C.

Comparando austenita com ferrita, solubilidade de carbono é maior na austenita com máximo 2,14% a 1148 °C. Alta solubilidade é extremamente importante no tratamento térmico: tratamento de solução em austenita seguido de têmpera rápida permite formação de solução sólida supersaturada de carbono em ferro. Fase ferrita restrita com solubilidade máxima de 0,025% a 727 °C. Como faixa de carbono em aços comuns é 0,05% a 1,5%, ferrita normalmente associada a cementita de uma ou outra forma. Fase delta muito restrita, faixa 1394-1538 °C; desaparece completamente quando teor de C atinge 0,5%.

Liga de composição eutetoide (0,76% C) resfriada lentamente forma perlita, estrutura em camadas de duas fases: alfa-ferrita e cementita. Perlita = mistura de fases ferrita-cementita. Aparência característica, pode ser tratada como entidade microestrutural ou microconstituinte. Agregado de lamelas alternadas de ferrita e cementita que degenera (esferoidiza ou aglomera) em partículas de cementita dispersas em matriz de ferrita após manutenção prolongada abaixo de 727 °C. É eutetoide e tem estrutura CCC. Solução parcialmente solúvel de Fe e C. Mecanicamente, propriedades intermediárias entre ferrita mole/dúctil e cementita dura/frágil. Alta resistência, baixa tenacidade.

Ligas hipoeutetoides contêm ferrita proeutetoide (formada acima da temperatura eutetoide) junto com perlita eutetoide contendo ferrita eutetoide e cementita. Ligas hipereutetoides contêm cementita proeutetoide (formada acima da temperatura eutetoide) junto com perlita contendo ferrita eutetoide e cementita.

Microestruturas em Solidificação Não-Equilíbrio

• Bainita — Fase entre perlita e martensita. Microconstituinte metaestável duro, mistura não lamelar de ferrita e cementita em escala extremamente fina. Bainita superior formada em temperaturas mais altas, aparência penugenta. Bainita inferior em temperaturas mais baixas, aparência acicular. Dureza aumenta com diminuição da temperatura de formação. Boa resistência e tenacidade.
• Martensita — Forma muito dura de estrutura cristalina do aço. Nomeada pelo metalurgista alemão Adolf Martens. Formada por resfriamento rápido, dura e frágil. Forma tetragonal de corpo centrado (CTC) de ferro onde algum carbono dissolvido. Formada durante têmpera, quando rede cúbica de face centrada da austenita distorce em estrutura tetragonal de corpo centrado sem perda de átomos de carbono para cementita e ferrita. Solução supersaturada de átomos de C em ferrita. Fase metaestável dura. Morfologia em lâmina quando C < 0,6%, em placas quando C > 1%, mistura entre eles. Alta resistência e dureza, baixa tenacidade.
• Sorbita / Troostita — Estruturas do estágio inferior de perlita com flocos muito finos. Estruturas de transformação do estágio de perlita correspondendo a taxas de resfriamento crescentes. Muda razão de estrutura e formação de perlita quanto a distância de flocos. Estrutura não visível sob microscópio óptico.
• Ferrita de Widmanstätten — Obtida quando aço carbono hipoeutetoide resfriado rapidamente de temperatura acima de A3. Devido ao resfriamento rápido, pouco tempo para cristais de ferrita nuclearem não só na fronteira de grão mas também dentro de grãos grandes de austenita. Crescem rapidamente em direção cristalográfica preferida dentro do grão, tornando-se alongados. Estrutura em agulhas (lâminas) ou placas que tendem a alinhar na mesma direção dentro de um grão.

Temperaturas e Pontos Críticos no Diagrama Fe-C

Muitas temperaturas e pontos críticos importantes do ponto de vista básico e prático. Temperaturas onde durante resfriamento ou aquecimento ocorrem transformações de fase e magnéticas. Temperaturas onde transformações ocorrem no estado sólido = temperaturas críticas ou pontos críticos.

• Temperatura A0 — Temperatura de Curie quando mudança magnética para não magnética da cementita ocorre no aquecimento. Estrutura pode desenvolver defeitos: discordâncias, falhas, vacâncias. Cementita metálica e ferromagnética com Curie ~210 °C. Quando ligada, solutos metálicos substituem sítios de ferro; átomos menores como boro substituem carbono em sítios intersticiais.
• Temperatura A1 — Temperatura (727 °C) onde transformação eutetoide ocorre. Nesta temperatura perlita muda para austenita no aquecimento e vice-versa.
• Temperatura A2 — Temperatura de Curie da ferrita (768 °C), onde ferrita ferromagnética no aquecimento muda para paramagnética. Nenhuma mudança de microestrutura envolvida.
• Temperatura A3 — Temperatura onde ferrita começa a formar a partir de austenita no resfriamento de aço hipoeutetoide ou últimos vestígios de ferrita livre mudam para austenita no aquecimento. Temperatura correspondente à fronteira gama + alfa / gama para aço hipoeutetoide, função do teor de carbono, diminui de 910 °C a 0% C para 727 °C a 0,76% C. Também chamada temperatura crítica superior de aços hipoeutetoides. Intervalo entre A1 e A3 = faixa crítica onde austenita existe em equilíbrio com ferrita.
• Temperatura Acm — Em aço hipereutetoide, temperatura onde cementita proeutetoide começa a formar (no resfriamento) a partir de austenita. Representa temperatura da fronteira gama/gama + Fe3C, função do carbono. Linha Acm ilustra que solubilidade sólida de carbono na austenita diminui rapidamente de máximo 2,14% a 1148 °C para 0,76% a 727 °C, devido à maior estabilidade da cementita em temperaturas mais baixas. Carbono extra precipita da austenita como cementita proeutetoide em aços hipereutetoides (também chamada cementita secundária em ferros fundidos). Separação de cementita da austenita (no resfriamento) acompanhada de evolução de calor.
• Temperatura A4 — Temperatura onde austenita transforma em ferro delta. Valor mínimo 1394 °C (ferro puro). Temperatura aumenta com aumento do % de carbono.
• Temperatura Ms — Temperatura onde transformação de austenita para martensita começa durante resfriamento.
• Temperatura Mf — Temperatura onde formação de martensita termina durante resfriamento. Todas mudanças, exceto formação de martensita, ocorrem em temperaturas mais baixas durante resfriamento que durante aquecimento e dependem da taxa de mudança de temperatura.

Transformações de Fases

Transformação Austenita-Ferrita

Sob equilíbrio, ferrita proeutetoide forma em ligas Fe-C com até 0,76% C. Reação ocorre a 910 °C no ferro puro, mas entre 910 °C e 727 °C em ligas Fe-C. Porém, por têmpera do estado austenítico para temperaturas abaixo da eutetoide, ferrita pode formar até 600 °C. Mudanças morfológicas pronunciadas à medida que temperatura de transformação abaixa, aplicando-se em geral a fases hipo e hipereutetoides, embora com variações devido à cristalografia precisa.

Transformação Austenita-Cementita

Diferentes morfologias de cementita formadas em temperaturas de transformação progressivamente mais baixas. Desenvolvimento inicial de alotriomorfos de fronteira de grão muito similar ao de ferrita; crescimento de placas laterais ou cementita de Widmanstätten segue mesmo padrão. Alotriomorfo tem forma que não reflete simetria cristalina interna pois nuclea em superfícies de grão de austenita, formando camadas que seguem contornos de fronteira. Placas de cementita mais rigorosamente cristalográficas, apesar de relação de orientação com austenita mais complexa. Como no caso de ferrita, maioria das placas laterais origina-se de alotriomorfos de fronteira, mas na reação de cementita mais placas nucleiam em fronteiras de maclas na austenita.

Reação Austenita-Perlita

Perlita é microestrutura mais familiar no diagrama Fe-C. Descoberta por Sorby há mais de um século, assumiu corretamente ser mistura lamelar de ferro e carboneto de ferro. Constituinte muito comum em grande variedade de aços, contribuição substancial à resistência. Estruturas eutetoides lamelares deste tipo difundidas na metalurgia de aços. Têm muito em comum com reações de precipitação celular. Ambos tipos ocorrem por nucleação e crescimento, logo controlados por difusão. Núcleos de perlita ocorrem em fronteiras de grão de austenita, mas podem associar-se a ferrita e cementita proeutetoides. Em aços comerciais, nódulos de perlita podem nuclear em inclusões.