O diagrama de fases ferro-carbono

O diagrama de fases ferro-carbono

Os diagramas de fase são ferramentas muito importantes no estudo de ligas para soluções de muitos problemas práticos em metalurgia. Esses diagramas definem as regiões de estabilidade de uma fase que pode existir em um sistema de liga sob a condição de pressão atmosférica constante. Para um sistema binário, as coordenadas desses diagramas são temperatura e composição. As inter-relações entre as fases, a temperatura e a composição em um sistema de liga são normalmente apresentadas pelo diagrama de fases apenas em condições de equilíbrio. Tais condições ocorrem durante baixas taxas de aquecimento e resfriamento das ligas, quando a cinética de transformações não desempenha um papel importante.

Na sua forma mais simples, o ferro e os aços são ligas de ferro (Fe) e carbono (C). Existem três tipos de ligas ferrosas. Essas ligas consistem em (i) ferro com um teor de C inferior a 0,0008% à temperatura ambiente, (ii) aços com teor de C variando de 0,008% a 2,14% (normalmente inferior a 1%) e com uma microestrutura consistindo de ferrita e cementita ) e (iii) ferro fundido com teor de C variando de 2,14% a 6,7% (normalmente inferior a 4,5%). O estudo da constituição e estrutura do ferro e dos aços começa com o diagrama de fases ferro-carbono (Fe-C) (Fig. 1). O diagrama de fases Fe-C também é usado como base para o entendimento dos processos de tratamento térmico.





Muitas das características básicas do sistema Fe-C influenciam o comportamento até mesmo das ligas de ferro e aços mais complexas. Por exemplo, as fases encontradas no sistema binário simples Fe-C persistem em aços complexos, mas é necessário examinar os efeitos dos elementos de liga na formação e nas propriedades dessas fases. O diagrama Fe-C fornece uma base valiosa sobre a qual o conhecimento de aços carbono e ligas simples pode ser construído.

Fig 1 Diagrama de fase de carbono do ferro

C é uma impureza intersticial em Fe. Ele forma uma solução sólida com fases alfa, gama e delta de ferro. A solubilidade máxima de C em ferro alfa é de 0,025% a 727 graus C. O ferro cúbico de corpo centrado (BCC) tem posições intersticiais relativamente pequenas. A solubilidade máxima de C no ferro gama cúbico de face centrada (FCC) é de 2,14% a 1148 graus C. O ferro FCC tem posições intersticiais maiores. As propriedades mecânicas das ligas ferro-carbono (ferro e aços) dependem de sua microestrutura, ou seja, de como as diferentes fases são misturadas.

O diagrama de fases ferro-carbono na Fig. 2 mostra dois diagramas a saber:(i) o diagrama ferro-grafite estável (linhas vermelhas), (ii) e o diagrama metaestável Fe-Fe3C. A cementita é metaestável, e o verdadeiro equilíbrio deve ser entre ferro e grafite (C). Embora a grafite ocorra extensivamente em ferros fundidos, geralmente é difícil obter esta fase de equilíbrio em aços. A condição estável geralmente leva muito tempo para se desenvolver, especialmente na faixa de baixa temperatura e baixo carbono. Assim, o diagrama de equilíbrio normal que geralmente é usado é o diagrama metaestável Fe-Fe3C porque é relevante para o comportamento da maioria dos aços na prática.

Os detalhes dos diagramas de fase estável e metaestável do sistema Fe-C, especialmente no lado rico em Fe, são conhecidos muito melhor do que qualquer outro sistema binário com complexidade semelhante. No entanto, ainda existem áreas substanciais onde o diagrama de fases não foi bem estabelecido, como nas faixas de temperatura, composição e pressão não relacionadas diretamente à fabricação de ferro e aço.



Fig 2 Diagrama de ferro-carbono mostrando fases estáveis ​​e metaestáveis

Existem algumas fases metalúrgicas importantes e micro constituintes no sistema ferro-carbono. No sistema Fe-Fe3C, o carbono é uma impureza intersticial em Fe. Ele forma uma solução sólida com fases alfa (ferrita alfa), gama (austenita) e delta (ferrita delta) de ferro. Estas são fases importantes no diagrama de fases Fe - Fe3C. Entre os campos monofásicos, encontram-se regiões com misturas de duas fases, como ferrita e cementita, austenita e cementita, e ferrita e austenita. Nas temperaturas mais altas, o campo de fase líquida pode ser encontrado e abaixo disso estão os dois campos de fase líquido e austenita, líquido e cementita e líquido e ferrita. No tratamento térmico de aços, a fase líquida é sempre evitada. No ponto eutético (4,26 % C), a liga líquida no resfriamento é convertida diretamente em austenita e cementita sem qualquer campo bifásico. Da mesma forma, no ponto eutetóide (0,76% C), a fase austenita no resfriamento é convertida diretamente em ferrita e cementita sem qualquer campo bifásico. Alguns limites importantes em campos monofásicos receberam nomes especiais que facilitam a compreensão do diagrama.

As principais fases de ferro e aço em equilíbrio são as seguintes fases.

• Fase de ferrite ou alfa-ferro - É uma forma estável de ferro à temperatura ambiente. É uma fase de baixa temperatura relativamente macia e é uma fase de equilíbrio estável. Ele se transforma em austenita FCC (fase gama) a 910 graus C. A ferrita é um constituinte comum em aços e possui uma estrutura BCC, que é menos densamente compactada do que a estrutura FCC. É macio e bastante dúctil. É magnético abaixo de 768 graus C. Tem baixa resistência e boa tenacidade.
• Austenita ou fase de ferro gama – Austenita é uma fase de alta temperatura. É uma solução sólida de C no ferro FCC. Portanto, tem uma estrutura FCC, que é uma estrutura compactada. É uma fase não magnética e dúctil. Ele se transforma em ferrita delta BCC a 1394 graus C. Não é estável abaixo da temperatura eutética (727 graus C), a menos que seja resfriado rapidamente. A austenita tem boa resistência e tenacidade.
• Fase de ferrita delta - É uma solução sólida de C em ferro CCC. É estável apenas em temperaturas superiores a 1.394 graus C. Ele derrete a 1.538 graus C. Possui propriedades paramagnéticas.
• Cementita – É Fe3C ou carboneto de ferro. É um composto intermetálico de Fe e C. Possui uma estrutura ortorrômbica complexa e é uma fase metaestável. É uma fase dura e frágil. Tem baixa resistência à tração, boa resistência à compressão e baixa tenacidade. Ele se decompõe (muito lentamente, em vários anos) em ferrita alfa e C (grafite) na faixa de temperatura de 650 graus C a 700 graus C.

Ao comparar a austenita com a ferrita, a solubilidade do carbono é maior na austenita com um valor máximo de 2,14% a 1148 graus C. Esta alta solubilidade do carbono na austenita é extremamente importante no tratamento térmico, quando o tratamento de solução na austenita seguido de têmpera rápida à temperatura ambiente permite a formação de uma solução sólida supersaturada de carbono em ferro. A fase ferrita é restrita com uma solubilidade máxima de carbono de 0,025% a 727°C. Como a faixa de carbono disponível em aços comuns é de 0,05% a 1,5%, a ferrita é normalmente associada à cementita em uma ou outra forma. Da mesma forma, a fase delta é muito restrita e está na faixa de temperatura entre 1394 graus C e 1538 graus C/ Desaparece completamente quando o teor de carbono atinge 0,5%.

Liga de composição eutetóide (0,76 % C) quando resfriada lentamente, forma perlita, que é uma estrutura em camadas de duas fases, alfa-ferrita e cementita. A perlita é a mistura da fase ferrita-cementita. Tem uma aparência característica e pode ser tratado como uma entidade microestrutural ou microconstituinte. É um agregado de lamelas alternadas de ferrita e cementita que se degenera (esferoidiza ou engrossa) em partículas de cementita dispersas com uma matriz de ferrita após manutenção prolongada abaixo de 727°C. É um eutetóide e tem uma estrutura CCC. É uma solução parcialmente solúvel de Fe e C. Mecanicamente, a perlita tem propriedades intermediárias a ferrita macia e dúctil e cementita dura e quebradiça. Possui alta resistência e baixa tenacidade.

As ligas hipo-eutetóides contêm ferrita pró-eutetóide (formada acima da temperatura eutetóide) juntamente com a perlita eutetóide que contém ferrita eutetóide e cementita. Ligas hiper-eutetóides contêm cementita pró-eutetóide (formada acima da temperatura eutetóide junto com perlita que contém ferrita e cementita eutetóide.

No caso de solidificação fora do equilíbrio do sistema Fe-C, alguns tipos adicionais de microestruturas também podem ser formados. Algumas dessas microestruturas são apresentadas a seguir.

• Bainita – É uma fase entre a perlita e a martensita. É um microconstituinte metaestável duro e consiste em uma mistura não lamelar de ferrita e cementita em escala extremamente fina. A bainita superior é formada em temperaturas mais altas e tem uma aparência emplumada. A bainita inferior é formada em temperaturas mais baixas e tem uma aparência acicular. A dureza da bainita aumenta com a diminuição da temperatura de sua formação. Tem boa resistência e tenacidade.
• Martensita – É uma forma muito dura de estrutura cristalina de aço. É nomeado após o metalúrgico alemão Adolf Martens. É formado por resfriamento rápido e é duro e quebradiço. É uma forma tetragonal de corpo centrado (BCT) de ferro na qual algum carbono é dissolvido. Ele é formado durante a têmpera, quando a rede cúbica de face centrada da austenita é distorcida na estrutura tetragonal centrada no corpo sem a perda de seus átomos de carbono contidos em cementita e ferrita. É uma solução supersaturada de átomos de C em ferrita. É uma fase metaestável dura. Tem morfologia de ripas quando C é inferior a 0,6%, morfologia de placa quando C é superior a 1% e mistura dos intermediários. Tem alta resistência e dureza e baixa tenacidade.
• Sorbita / troostita - Estruturas do estágio de perlita inferior com flocos muito finos são chamadas de sorbita e troostita. São as estruturas de transformação do estágio de perlita que correspondem às crescentes taxas de resfriamento. No entanto, altera a proporção da estrutura e a formação de perlita em relação à distância do floco. A estrutura não pode ser vista ao microscópio óptico.
• Ferrita de Widmanstatten – Obtém-se quando o aço carbono plano hipoeutetóide é resfriado rapidamente a uma temperatura acima da temperatura A3. Devido ao resfriamento rápido, há pouco tempo disponível para os cristais de ferrita nuclearem não apenas no contorno de grão, mas também dentro dos grandes grãos de austenita. Eles crescem rapidamente em alguma direção de cristal preferida dentro do grão e, assim, tornam-se alongados. A estrutura está na forma de agulhas (ripas) ou placas que tendem a se alinhar na mesma direção dentro de um grão.

Existem muitas temperaturas e pontos críticos no diagrama Ferro-C que são importantes tanto do ponto de vista básico quanto prático. Estas são as temperaturas em que durante o resfriamento, ou aquecimento, se produzem nelas as transformações de fase bem como magnéticas. As temperaturas nas quais as transformações ocorrem no estado sólido são chamadas de temperaturas críticas, ou pontos críticos. As principais temperaturas e pontos críticos são dados abaixo.

• Temperatura A0 – É a temperatura Curie quando ocorre a mudança magnética para não magnética da cementita no aquecimento. A estrutura pode desenvolver defeitos como deslocamentos, falhas e vacâncias. A cementita é metálica e ferromagnética com uma temperatura Curie de cerca de 210 graus C. Quando ligada, os solutos metálicos substituem os sítios de ferro; átomos menores, como o boro, substituem o carbono nos locais intersticiais.
• Temperatura A1 – É a temperatura (727°C) quando ocorre a transformação eutetóide. A esta temperatura a perlita muda para austenita no aquecimento e vice-versa
• Temperatura A2 – É chamada de temperatura de Curie da ferrita (768 graus C), onde a ferrita ferromagnética no aquecimento muda para paramagnética. A esta temperatura nenhuma mudança na microestrutura está envolvida
• Temperatura A3 – É a temperatura na qual a ferrita começa a se formar a partir de austenita, no resfriamento do aço hipo-eutetóide ou os últimos vestígios de ferrita livre mudam para austenita, no aquecimento. Assim, é a temperatura correspondente ao limite de fase gama + alfa / gama para o aço hipo-eutetóide e é uma função do teor de carbono do aço, pois diminui de 910 graus C a 0 % C para 727 graus C a 0,76 % C Também é chamada de temperatura crítica superior dos aços hipoeutetóides. O intervalo de temperatura entre as temperaturas A1 e A3 é chamado de faixa crítica na qual a austenita existe em equilíbrio com a ferrita.
• Temperatura Acm – É a temperatura, em um aço hiper-eutetóide, na qual a cementita pró-eutetóide apenas começa a se formar (no resfriamento) a partir da austenita. Representa a temperatura do limite de fase gama/gama + Fe3C e é uma função do carbono. A linha Acm ilustra que a solubilidade sólida do carbono na austenita diminui muito rapidamente de um máximo de 2,14% a 1148°C para um máximo de 0,76% a 727°C, devido à maior estabilidade da cementita em temperaturas mais baixas. O carbono extra precipita da austenita como cementita pró-eutetóide em aços hipereutetóides (também chamada de cementita secundária em ferros fundidos). A separação da cementita da austenita (no resfriamento) também é acompanhada com a evolução do calor.
• Temperatura A4 – É a temperatura na qual a austenita se transforma em ferro delta. O valor mais baixo para esta temperatura é 1394 graus C, que é no caso de ferro puro. Essa temperatura aumenta à medida que a porcentagem de carbono aumenta.
• Temperatura Ms – É a temperatura na qual a transformação da austenita em martensita começa durante o resfriamento.
• Temperatura Mf – É a temperatura na qual termina a formação da martensita durante o resfriamento. Todas as mudanças, exceto a formação de martensita, ocorrem em temperaturas mais baixas durante o resfriamento do que durante o aquecimento e dependem da taxa de mudança de temperatura.

Transformação de austenita-ferrita – Sob condições de equilíbrio, a ferrita pró-eutetóide é formada em ligas ferro-carbono contendo até 0,76% de carbono. A reação ocorre a 910°C em ferro puro, mas ocorre entre 910°C e 727°C em ligas ferro-carbono. No entanto, extinguindo do estado austenítico para temperaturas abaixo da temperatura eutetóide, a ferrita pode ser formada até temperaturas tão baixas quanto 600 graus C. Existem mudanças morfológicas pronunciadas à medida que a temperatura de transformação é reduzida, que normalmente se aplica em geral aos hipo-eutetóides e fases hiper-eutetóides, embora em cada caso haja variações devido à cristalografia precisa das fases envolvidas. Por exemplo, os mesmos princípios se aplicam à formação de cementita de austenita, mas não é difícil distinguir morfologicamente ferrita de cementita.

Transformação de austenita-cimento – Existem diferentes morfologias de cementita que se formam a temperaturas de transformação progressivamente mais baixas. O desenvolvimento inicial de alotriomorfos de contorno de grão é muito semelhante ao da ferrita e o crescimento das placas laterais ou cementita de Widmanstatten segue o mesmo padrão. O alotriomorfo tem uma forma que não reflete sua simetria cristalina interna. Isso ocorre porque ele tende a nuclear nas superfícies dos grãos de austenita, formando camadas que seguem os contornos dos contornos de grão. As placas de cementita são mais rigorosamente cristalográficas na forma, apesar de a relação de orientação com a austenita ser mais complexa. Como no caso da ferrita, a maioria das placas laterais originam-se de alotriomorfos de contorno de grão, mas na reação de cementita mais placas laterais nucleam em contornos gêmeos em austenita.

Reação austenita-perlita – A perlita é a microestrutura mais familiar no diagrama de fases de carbono do ferro. Foi descoberto por Sorby há mais de um século, que corretamente assumiu que era uma mistura lamelar de ferro e carboneto de ferro. É um constituinte muito comum de uma grande variedade de aços, onde fornece uma contribuição substancial para a resistência. Estruturas eutetóides lamelares deste tipo são difundidas na metalurgia dos aços. Essas estruturas têm muito em comum com as reações de precipitação celular. Ambos os tipos de reação ocorrem por nucleação e crescimento e, portanto, são controlados por difusão. Núcleos de perlita ocorrem em contornos de grão de austenita, mas é claro que eles também podem estar associados tanto com ferrita pró-eutetóide quanto com cementita. Em aços comerciais, nódulos de perlita podem nuclear em inclusões.