DIAGRAMA FERRO-CARBONO

INTRODUÇÃO

Diagrama de fases é um gráfico que representa os estados que possuem a matéria, sendo eles, no diagrama, sólido e líquido. Este gráfico está em função da temperatura e composição.

A mudança de estados acontece de acordo com a temperatura da matéria e se houver uma alteração na composição da mesma, a temperatura que ocorre a mudança de estado também é alterada. Sabendo disso o diagrama de fases nos fornece informações valiosas sobre os fenômenos da fusão, fundição, cristalização e outros.

Este trabalho irá abordar o diagrama de fases do sistema ferro-carbono, já que este diagrama é o mais estudado na atualidade, devido à grande importância dos aços na indústria e na construção civil.

1. CONCEITOS BÁSICOS

Antes da análise e interpretação do diagrama de fases, especificamente o ferro-carbono, é necessário saber alguns conceitos básicos.

Componente – é usado com frequência, e refere-se aos compostos ou metais puros que compõem uma liga. Por exemplo: Em um latão de cobre-zinco, os componentes são o Cu e o Zn.

Soluto e Solvente – Conceito muito comum; soluto refere-se ao elemento em menor quantidade presente na liga, enquanto solvente é o elemento com maior concentração.

Sistema – Pode ter dois significados. Primeiro, sistema pode significar um corpo específico de material sob consideração (por exemplo, uma panela de fundição com algum metal fundido). Pode ainda se referir a série de ligas constituídas pelo mesmo componentes (por exemplo, sistema ferro-carbono).

Limite de solubilidade – Para cada sistema de liga existe uma concentração máxima de soluto, em função da temperatura, que pode ser dissolvida no solvente e se tornar uma solução sólida. A adição de átomos de soluto acima deste limite resulta na formação de uma outra solução sólida.

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O gráfico acima ilustra bem esse conceito, com uma mistura de dois componentes, água e açúcar. Em um estado inicial, quando se adiciona açúcar na água, forma-se uma solução monofásica, chamado aqui de xarope de açúcar. Conforme vai se adicionando o açúcar, a concentração da solução aumenta, até que esta alcança seu limite de solubilidade. Neste instante, a solução não é capaz de dissolver qualquer açúcar adicional, e as adições seguintes se sedimentam no fundo do recipiente, uma solução líquida mais açúcar sólido.

Esse limite depende da temperatura da água, e é mostrado pela linha quase vertical presente no gráfico.

Fase – Uma fase pode ser definida como uma porção homogênea de um sistema que possui características químicas uniformes. Por exemplo, no gráfico acima, há duas fases, uma só de solução líquida e outra de açúcar sólido.

Equilíbrio – Em um sentido macroscópico, isso significa que as características do sistema não mudam com o passar do tempo, e sim persistem indefinidamente, ou seja, é estável.

1. DIAGRAMA FERRO-CARBONO

O sistema ferro-carbono é um sistema de liga binária, ou seja, com dois componentes presentes em sua constituição. É possivelmente o mais importante e o mais estudado entre todas as ligas metálicas. Isso se explica pelo fato de que os principais materiais estruturais presentes na atualidade, são essencialmente ligas de ferro-carbono, além destas apresentarem interessantes transformações no estado sólido.

        A análise deste diagrama permite a compreensão da razão da variação do teor de carbono resultam na obtenção de diferentes propriedades, possibilitando a fabricação de aços de acordo com as propriedades desejadas.

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Uma parte do diagrama de fases ferro-carbono está representado no gráfico.

 O ferro puro experimenta duas alterações em sua estrutura cristalina antes de se fundir. Na temperatura ambiente, há a forma estável conhecida por ferrita, ou ferro α que apresenta uma estrutura cúbica de corpo centrado (CCC). O ferro α apresenta uma transformação polimórfica para austenita, com estrutura cúbica de face centrada (chamado de ferro γ), na temperatura de 912ºC. Essa estrutura de austenítica perdura até a temperatura de 1394ºC, onde há uma nova transformação para uma fase de estrutura de CCC, conhecida por ferrita δ, finalmente há a fusão do ferro puro na temperatura de 1538ºC. O ferro α é o que confere propriedades magnéticas para os metais, e é um material macio e dúctil.

O ferro puro apresenta teor máximo de carbono na temperatura de 727ºC, com teor de 0,022% de C.

A austenita é uma estrutura não estável em temperaturas inferiores a 727ºC. A limite de solubilidade do Carbono, ou seja, o teor de carbono máximo é de 2,14º, em uma temperatura de 1147ºC. A austenita é muito importante para os tratamentos térmicos, sendo utilizada como ponto de partida. Não é magnética. É mais dura, ou seja, sua presença aumenta a dureza do material.

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A ferrita δ é basicamente a ferrita α, em uma faixa de temperatura diferente, sendo estável apenas em temperatura elevadas. Não apresenta nenhuma importância na área de materiais.

A cementita é um elemento interessante, pois ela é a responsável por aumentar a resistência de alguns aços. Ela se forma quando o limite de solubilidade do carbono para a ferrita α é ultrapassado, em temperaturas menores que a de 727ºC. Ela também coexiste com a austenita, na faixa de temperatura entre 727ºC até 1147ºC.

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1. PONTOS IMPORTANTES NO DIAGRAMA FERRO CARBONO

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Uma reação eutetóide ocorre quando uma fase sólida passa para duas fases sólidas em uma mesma temperatura.

Uma reação peritética envolve três fases em equilíbrio. Nessa reação, mediante aquecimento, uma fase sólida se transforma em uma fase líquida e numa outra fase sólida

Já uma reação eutética ocorre quando uma fase líquida passa para duas fases sólidas.

1. FORMAÇÃO DE MICROESTRUTURAS

As microestruturas que se desenvolvem nas ligas de ferro-carbono dependem tanto do teor de carbono como do tratamento térmico.

As microestruturas mais famosas num sistema ferro-carbono são austenita, a perlita e a martensita. A austenita já foi discutida neste trabalho por ser uma microestrutura presente no diagrama, as duas últimas são estruturas metaestáveis e por isso não aparecem no diagrama ferro-carbono, já que não são estruturas que se encontram em equilíbrio.