Metalurgia - Diagrama De Fases 1k124w
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- Words: 3,158
- Pages: 75
Diagramas de fases
Metalurgia II
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Índice • • • • • • •
Introdução Regra das fases Diagramas binários Regras das alavancas Diagrama binário eutético Diagrama binário peritético Estruturas longe das condições de equilíbrio Metalurgia II
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Diagramas de fases Introdução Os diagramas de equilíbrio são gráficos que mostram as fases presentes num material em equilíbrio com o seu ambiente. Indica o número de fases presentes, suas composições e a percentagem de cada fase, em função da temperatura, da pressão e da composição global do material. Embora a maioria dos materiais de engenharia exista em condição metastável, isto é, fora de equilíbrio, qualquer modificação espontânea se dará em direção ao equilíbrio e muitas informações úteis sobre mudanças de fase em tais materiais podem ser deduzidas a partir dos diagramas de equilíbrio adequados. Metalurgia II
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Diagramas de fases
Diagrama de fases, de constituição ou de equilíbrio, é a representação gráfica de um sistema de ligas, por meio da qual os estados físicos e os constituintes estruturais em suas quantidades relativas são conhecidos, em função da composição, temperatura e sob pressão atmosférica, permitindo com isso prever o comportamento do metal na solidificação, fusão, tratamentos térmicos, processos de difusão.
Metalurgia II
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Diagramas de fases Diagrama simplificado da água
Metalurgia II
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Diagramas de fases Diagrama pressão – temperatura para o ferro
Metalurgia II
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Metalurgia II
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Diagramas de fases A Regra das Fases Através de considerações termodinâmicas, Gibbs deduziu uma relação entre o número de fases (P) que podem coexistir em equilíbrio em um dado sistema, o número mínimo de componentes (C) que podem ser usados para formar o sistema e os graus de liberdade (F). A relação pode ser apresentada sob a forma de equação: P+F= C+2 que é conhecida como a regra das Fases de Gibbs. Nesta equação, os graus de liberdade são definidos como o número de variáveis (temperatura, pressão e composição) que podem sofrer variações, independentemente, sem alterar o número de fases em equilíbrio. Metalurgia II
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Diagramas de fases Para os sistemas unários ou mono-componentes, apenas a temperatura e a pressão podem ser alteradas. As coordenadas dos diagramas de equilíbrio unários são, portanto, pressão (abscissa) e temperatura (ordenada). A forma genérica do diagrama unário pode ser deduzida da regra das fases. Como o número de componentes é um e o número de fases é dois, haverá um grau de liberdade, pois: F+P-C=2 ou F+2-1=2, portanto F=1 Existe, portanto, um grau de liberdade: definida uma temperatura, haverá apenas uma pressão para a qual as duas fases estarão em equilíbrio. Portanto, o equilíbrio de duas fases é uma linha ou curva num diagrama unário. Metalurgia II
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Diagramas de fases
Se as fases sólida, líquida e gasosa estiverem em equilíbrio, verifica-se que o número de componentes ainda é um, o número de fases é três; portanto, não existe nenhum grau de liberdade (F=C+2-P → F=1+2-3=0). Conclusão: as três fases só podem coexistir em equilíbrio numa temperatura e pressão determinadas. Estes valores definem um ponto único no diagrama, denominado ponto tríplice. Metalurgia II
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Diagramas de fases Sistemas de dois componentes – solubilidade no estado sólido Dois componentes são completamente solúveis um no outro se o estado de equilíbrio de qualquer combinação dos dois é uma fase única: (a) água líquida e álcool são solúveis um no outro em qualquer proporção, à temperatura ambiente; formam um líquido homogêneo, monofásico; (b) cobre e níquel são também solúveis um no outro em todas as proporções, tanto no estado líquido como no sólido.
Átomos ou moléculas de um componente podem se acomodar na estrutura do outro componente. Metalurgia II
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Diagramas de fases Sistemas de dois componentes – solubilidade no estado sólido Solução sólida pode ser: Substitucional (o átomo do soluto pode substituir um átomo do solvente) e que podem ser formadas em todas as proporções de ambos os componentes e são usualmente formadas entre dois tipos de átomos que tenham aproximadamente o mesmo tamanho.
Metalurgia II
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Diagramas de fases Sistemas de dois componentes – solubilidade no estado sólido Intersticial (o átomo do soluto pode ocupar uma posição intersticial entre átomos do solvente). As soluções sólidas intersticiais se formam usualmente entre átomos de tamanhos bastante diferentes. Para metais, os quatro mais importantes átomos de soluto intersticial são o carbono (C), nitrogênio (N), oxigênio (O) e o hidrogênio (H).
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Diagramas de fases Sistemas de dois componentes – solubilidade no estado sólido Regras de Hume-Rothery para se prever a existência de solubilidade em soluções sólidas metálicas: 1- Tamanho atômico: Quando maior for a diferença entre os tamanhos dos átomos do soluto e do solvente, menor é a faixa de soluções. 2- Estrutura cristalina: o tipo de estrutura cristalina deve ser o mesmo. 3- Valência química: o metal de menor valência (soluto) provavelmente se dissolverá no metal de maior valência (solvente) (ligas Cu, Ag e Au com metais de maior valência). 4 - Eletronegatividade: as eletronegatividades devem ser quase iguais; quanto mais eletropositivo for um componente e mais eletronegativo o outro, maior será a tendência à formação de compostos entre eles e menor será a solubilidade. Metalurgia II
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Diagramas de fases Diagramas Binários Um par de elementos puros ou de compostos puros pode ser misturado segundo um número infinito de proporções diferentes. Para cada composição global, o estado de equilíbrio (o número de fases presentes, suas composições e as proporções relativas de cada fase) é uma função da temperatura e da pressão. A maior parte das operações usadas no processamento dos materiais é feita à pressão atmosférica ou a uma pressão próxima desta. Portanto, freqüentemente, a pressão não é uma variável significativa. Metalurgia II
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Diagramas de fases
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Diagramas de fases
Regra da Alavanca: Quantidade Relativa de Fases Os diagramas de equilíbrio, além de especificarem : i - quais as fases presentes a uma dada temperatura; ii - suas composições; permitem também calcular as quantidades relativas de cada fase presente, à temperatura considerada.
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Diagramas de fases Regra da Alavanca: Quantidade Relativa de Fases
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Diagramas de fases Regra da Alavanca: Quantidade Relativa de Fases
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Diagramas de fases Regra da Alavanca: Quantidade Relativa de Fases
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Diagramas de fases Regra da Alavanca: Quantidade Relativa de Fases
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Diagramas de fases Regra da Alavanca: Quantidade Relativa de Fases
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Diagramas de fases Regra da Alavanca: Quantidade Relativa de Fases
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Diagramas de fases Regra da Alavanca: Quantidade Relativa de Fases
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Diagramas de fases Análise Térmica Os diagramas de equilíbrio podem ser interpretados, e também determinados, através das curvas de resfriamento de diferentes composições.
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Diagramas de fases
O Diagrama Eutético Binário Um dos tipos de diagramas de equilíbrio que podem existir quando há apenas uma solubilidade limitada no estado sólido é o diagrama eutético binário.
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Diagramas de fases Diagrama Eutético Binário Diagrama de equilíbrio binário hipotético para os elementos A e B que são completamente solúveis em todas as proporções no estado líquido, mas apenas parcialmente solúveis no estado sólido. TA e TB são os pontos de fusão de A puro e B puro; Te éa temperatura eutética.
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Diagramas de fases Diagrama Eutético Binário – Liga chumbo-estanho
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Diagramas de fases Diagrama Eutético Binário – Liga chumbo-estanho
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Diagramas de fases Diagrama Eutético Binário – Liga chumbo-estanho
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Diagramas de fases Diagrama Eutético Binário – Liga chumbo-estanho
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Diagramas de fases Diagrama Eutético Binário – Liga chumbo-estanho
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Diagramas de fases Diagrama Eutético Binário – Liga chumbo-estanho
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Diagramas de fases Diagrama Eutético Binário – Liga chumbo-estanho
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Diagramas de fases Diagrama Eutético Binário – Liga chumbo-estanho
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Diagramas de fases Diagrama Eutético Binário – Liga chumbo-estanho
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Diagramas de fases Diagrama Eutético Binário – Liga chumbo-estanho
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Diagramas de fases Curva de resfriamento Pb-Sn
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Diagramas de fases
Calculo das fases presentes Regra das alavancas
Liquido
Sólido
A
B 0
10
20
30
40
50 Metalurgia II
60
70
80
90
100 39
Diagramas de fases Calculo das fases presentes Regra das alavancas Liquido A
B
C D
Sólido
X
Y 0
10
20
30
40
50
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60
70
80
90
100
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Diagramas de fases Diagrama Eutético Al-Si
Líquido
660 ºC
Ponto Eutético
Líquido +α
Líquido +ß
577 ºC 1,65%
12,5%
α+ß
α
ß
0
1
2
3
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Diagramas de fases Diagrama Peritético
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Diagramas de fases Diagrama Peritético
Reação peritética no ponto P onde α+L →β Metalurgia II
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Diagramas de fases Reação peritética Reação eutetóide
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Diagramas de fases Reações Invariantes Os diagramas de equilíbrio dos sistemas binários reais usualmente não são diagramas de solução sólida, eutéticos ou peritéticos simples. Ao contrário, são diagramas compostos, contendo uma série de regiões de duas fases e uma série de reações invariantes. As reações invariantes mais comuns receberam nomes específicos e são de dois tipos gerais: 1 - No resfriamento, uma fase se separa em duas outras fases. Eutética: Líquido →α+β 2 - No resfriamento, duas fases reagem para produzir uma terceira fase, distinta das duas iniciais. Peritética: Líquido + α →β Metalurgia II
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Diagramas de fases Estruturas Longe das Condições de Equilíbrio Introdução Muitas transformações de fase que ocorrem em materiais de engenharia, durante o processo de solidificação, não produzem estruturas em equilíbrio termodinâmico, sendo denominadas transformações de fase fora de equilíbrio. As microestruturas que resultam dessas transformações podem ser indesejáveis, ou, ao contrário, podem apresentar propriedades tecnológicas interessantes. Assim, por meio do conhecimento e do controle das transformações de fase fora de equilíbrio pode-se atuar sobre as propriedades tecnológicas dos materiais sólidos. Metalurgia II
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Diagramas de fases Estruturas Longe das Condições de Equilíbrio Os diagramas de fases em condições de equilíbrio tratam da situação em que o resfriamento ocorre muito lentamente, representando uma situação para a qual o equilíbrio entre as fases é continuamente mantido. Quando uma liga binária fundida se solidifica em condições de equilíbrio, ando por uma região que contenha sólido e líquido, as composições das fases líquida e sólida e as quantidades relativas de cada uma das fases devem se reajustar continuamente, à medida que a temperatura decresce. Estes reajustamentos são realizados por difusão dos átomos de ambos os elementos nas duas fases. Metalurgia II
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Diagramas de fases
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Diagramas de fases
Estruturas Longe das Condições de Equilíbrio
As estruturas fora de equilíbrio são geralmente produzidas por um resfriamento tão rápido do material que não há tempo ou energia térmica suficientes para que os átomos se redistribuam em uma configuração de equilíbrio. Como a velocidade de difusão no estado sólido tende a ser baixa, é necessário um tempo excessivamente longo para eliminar os gradientes de composição.
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Diagramas de fases Estruturas Longe das Condições de Equilíbrio Microestruturas Longe do Equilíbrio: liga alumínio (Al)-silício (Si) Parte do diagrama de equilíbrio alumínio-silício mostra a transformação eutética de equilíbrio (resfriamento lento) e a transformação eutética longe do equilíbrio (resfriamento rápido). No resfriamento lento, forma-se somente a mistura eutética α + β . No resfriamento muito rápido forma-se α primário e uma mistura eutética α + β com maior teor de β . Se a composição inicial possuir 14% (em peso) de Si, mesmo com o resfriamento rápido somente se formará a mistura eutética.
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Diagramas de fases - FeC Estruturas Longe das Condições de Equilíbrio O Sistema Ferro-Carbono: O Diagrama Binário Fe-Fe3C
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Diagramas de fases - FeC Diagrama de equilíbrio ferro carbono As transformações responsáveis pela formação dos constituintes das ligas ferro-carbono, onde os ferros
fundidos
se
incluem,
é
estudada
e
analisada, a partir do diagrama de equilíbrio ferrocarbono.
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Diagramas de fases - FeC
O diagrama de fase a seguir não é um diagrama de equilíbrio completo, pois é representado somente até 6,7% de carbono, porque forma com o ferro o composto Fe3C que contém 6,67% de carbono. Ligas com mais de 4,0 a 4,5% de carbono, apresentam pouco ou nenhum interesse comercial, devido à alta
dureza e fragilidade que elas apresentam.
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Diagramas de fases - FeC Esse diagrama não é um diagrama de equilíbrio verdadeiro, pois a cementita não é uma fase de equilíbrio. A grafita é mais estável que a cementita e sob condições adequadas, a cementita se decompõe, formando grafita. Em aços comuns essa decomposição nunca é observada, porque a nucleação da cementita no ferro supersaturado de carbono ocorre mais facilmente que a nucleação da grafita. Metalurgia II
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Diagramas de fases - FeC
O diagrama ferro-carbono se caracteriza por três pontos principais:
Ponto peritético com 0,16% de carbono a 1493 0C; Ponto eutético com 4,3% de carbono a 1147 0C; Ponto eutetóide com 0,8% de carbono a 723 0C.
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Ponto Peritético
Ponto Eutético
Ponto Eutetóide
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Diagramas de fases - FeC
A transformação peritética ocorre a temperaturas elevadas e em aços de baixo teor de carbono. Todas as composições desta fase am, em seguida, pelo campo monofásico CFC. Assim, os efeitos sobre a estrutura à temperatura ambiente são secundários e normalmente são desprezados.
Metalurgia II
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Diagramas de fases - FeC
A solução sólida cúbica de face centrada CFC, ou fase
(gama), é chamada de austenita. Todas as ligas contendo menos que 2,06% de C am pela região austenítica no resfriamento. As ligas contendo menos que 2,06% de carbono são arbitrariamente chamadas de aços (maioria dos aços contém menos que 1,0% de carbono). Metalurgia II
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Diagramas de fases - FeC Alotropia do ferro puro 1- Temperatura de Fusão a 15380C
2- Entre 15380C a 13940C, o ferro solidifica de acordo com o reticulado CCC (ferro delta - ). 3- A 13940C o ferro delta () sofre uma redisposição
espontânea e forma-se um novo reticulado CFC, (ferro gama - ) que permanece estável até 9120C. 4- A 9120C o ferro sofre uma nova transformação, com um novo rearranjo atômico CCC, (ferro alfa - ), não havendo mais transformações até a temperatura ambiente. Metalurgia II
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Diagramas de fases - FeC Constituintes das ligas ferro-carbono metaestáveis Ferrita ou ferro alfa (): Estrutura CCC menores espaçamentos interatômicos e pronunciadamente alongados, não podem acomodar com
facilidade os átomos de carbono solubilidade de carbono é cerca de 0,008% a temperatura ambiente, e 0,23% a 727 0C.
Ferrita mole e dúctil, com limite de resistência abaixo de 32 Kgf/mm2 e dureza Brinell em torno de 90 HB. Metalurgia II
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Diagramas de fases - FeC
Ferro puro – grãos de ferrita. Metalurgia II
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Diagramas de fases - FeC Austenita ou ferro gama (): forma estável do ferro
puro entre 910 ºC e 14000C. Estrutura CFC, com espaços interatomicos maiores, mas são menores que o átomo de carbono, de forma que a dissolução de carbono na austenita introduz deformações na estrutura, impedindo que todos os interstícios
sejam
preenchidos
simultaneamente,
ficando a solubilidade máxima de carbono em 2,0% em peso (8,7% em átomos). Metalurgia II
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Diagramas de fases - FeC
Metalurgia II
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Diagramas de fases - FeC
Ferrita delta ou ferro delta (): acima de 1400 0C, a austenita deixa de ser a forma mais estável, voltando a estrutura ser CCC. Este constituinte não apresenta importância no estudo dos aços.
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Diagramas de fases - FeC
Cementita ou carbeto de ferro: é o excesso de carbono
em relação ao limite de solubilidade formando uma segunda fase. Possui reticulado ortorrômbico com 12 átomos de ferro e
4 de carbono por célula, correspondendo isso a 6.67% de carbono. Dada a proporção de átomos de ferro e carbono de 3
para 1 no reticulado cristalino é usualmente representada como Fe3C. Metalurgia II
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Diagramas de fases - FeC
Comparado a ferrita e austenita, a cementita é muita dura, cerca de 67HRC ou 900 HV. A cementita quando presente, associada a ferrita em
partícula finas, aumenta muito a resistência do aço, pois inibe o escorregamento e evita o cisalhamento da fase dúctil ferrita.
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Diagramas de fases - FeC
Perlita com as lamelas de cementita em um fundo de ferrita. Ferro com 0,8% de carbono. 500X. Metalurgia II
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Diagramas de fases - FeC
Perlita: abaixo da temperatura eutetóide as fases
estáveis são a ferrita e a cementita. A 0,8% de carbono, ocorre uma reação, que envolve a formação simultânea de ferrita e cementita a partir da austenita de composição eutetóide, resultando em uma mistura das fases ferrita e cementita denominada de perlita. Essa estrutura consiste de plaquetas alternadas de Fe3C e ferrita sendo a ferrita a fase contínua. A perlita contém 12% de cementita e 88% de ferrita. Metalurgia II
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Diagramas de fases - FeC α Fe3C γ
γ
1-Nucleação inicial da cementita.
γ γ
γ
γ
Fe3C
2- Nucleação de lamelas de ferrita ao lado da cementita.
Fe3C
γ
γ
3- Crescimento lateral e para frente da cementita.
γ γ
4- Novo núcleo de cementita formado com orientação diferente dos anteriores.
5- Crescimento da nova colônia.
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Diagramas de fases - FeC Liga eutetóide
1. Inicialmente, existe apenas γ. 2. A uma temperatura imediatamente abaixo da eutetóide toda a fase γ transforma-se em perlite (ferrite + Fe3C) de acordo com a reação eutetóide.
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3. Estas duas fases tem concentrações de carbono muito diferentes. Esta reação é rápida. Não há tempo para haver grande difusão de carbono. As fases organizam-se como lamelas alternadas de ferrita e 71 cementita.
Diagramas de fases - FeC Liga hipoeutetóide
1. Inicialmente, existe apenas γ. 2. Em seguida começa a surgir a fase nas fronteiras de grão da fase γ. A concentração da austenita cai com a temperatura seguindo a linha que separa o campo γ+ do campo γ.
3. A T imediatamente acima da eutetóide a concentração da fase γ é 0.77 % C, eutétóide. 4. A T imediatamente abaixo da eutetóide toda a fase γ se transforma em perlita. A fase , que não muda, é denominada ferrite pro-eutetóide.
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Diagramas de fases - FeC Liga hipereutetóide
1. Inicialmente, existe apenas γ. 2. Em seguida começa a surgir a fase Fe3C nas fronteiras de grão da fase γ. A concentração da Fe3C é constante igual a 6.7 % C. A concentração da austenita cai com a temperatura seguindo a linha que separa o campo γ+Fe3C do campo γ. 3. A T imediatamente acima da eutetóide a concentração da fase γ é 0.77 % C, eutétóide. 4. A T imediatamente abaixo da eutetóide toda a fase γ se transforma em perlita. A fase Fe3C , que não muda, é denominada cementita proeutetóide. Metalurgia II
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Diagramas de fases - FeC Exemplos de microestruturas
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Diagramas de fases - FeC
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Índice • • • • • • •
Introdução Regra das fases Diagramas binários Regras das alavancas Diagrama binário eutético Diagrama binário peritético Estruturas longe das condições de equilíbrio Metalurgia II
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Diagramas de fases Introdução Os diagramas de equilíbrio são gráficos que mostram as fases presentes num material em equilíbrio com o seu ambiente. Indica o número de fases presentes, suas composições e a percentagem de cada fase, em função da temperatura, da pressão e da composição global do material. Embora a maioria dos materiais de engenharia exista em condição metastável, isto é, fora de equilíbrio, qualquer modificação espontânea se dará em direção ao equilíbrio e muitas informações úteis sobre mudanças de fase em tais materiais podem ser deduzidas a partir dos diagramas de equilíbrio adequados. Metalurgia II
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Diagramas de fases
Diagrama de fases, de constituição ou de equilíbrio, é a representação gráfica de um sistema de ligas, por meio da qual os estados físicos e os constituintes estruturais em suas quantidades relativas são conhecidos, em função da composição, temperatura e sob pressão atmosférica, permitindo com isso prever o comportamento do metal na solidificação, fusão, tratamentos térmicos, processos de difusão.
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Diagramas de fases Diagrama simplificado da água
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Diagramas de fases Diagrama pressão – temperatura para o ferro
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Diagramas de fases A Regra das Fases Através de considerações termodinâmicas, Gibbs deduziu uma relação entre o número de fases (P) que podem coexistir em equilíbrio em um dado sistema, o número mínimo de componentes (C) que podem ser usados para formar o sistema e os graus de liberdade (F). A relação pode ser apresentada sob a forma de equação: P+F= C+2 que é conhecida como a regra das Fases de Gibbs. Nesta equação, os graus de liberdade são definidos como o número de variáveis (temperatura, pressão e composição) que podem sofrer variações, independentemente, sem alterar o número de fases em equilíbrio. Metalurgia II
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Diagramas de fases Para os sistemas unários ou mono-componentes, apenas a temperatura e a pressão podem ser alteradas. As coordenadas dos diagramas de equilíbrio unários são, portanto, pressão (abscissa) e temperatura (ordenada). A forma genérica do diagrama unário pode ser deduzida da regra das fases. Como o número de componentes é um e o número de fases é dois, haverá um grau de liberdade, pois: F+P-C=2 ou F+2-1=2, portanto F=1 Existe, portanto, um grau de liberdade: definida uma temperatura, haverá apenas uma pressão para a qual as duas fases estarão em equilíbrio. Portanto, o equilíbrio de duas fases é uma linha ou curva num diagrama unário. Metalurgia II
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Diagramas de fases
Se as fases sólida, líquida e gasosa estiverem em equilíbrio, verifica-se que o número de componentes ainda é um, o número de fases é três; portanto, não existe nenhum grau de liberdade (F=C+2-P → F=1+2-3=0). Conclusão: as três fases só podem coexistir em equilíbrio numa temperatura e pressão determinadas. Estes valores definem um ponto único no diagrama, denominado ponto tríplice. Metalurgia II
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Diagramas de fases Sistemas de dois componentes – solubilidade no estado sólido Dois componentes são completamente solúveis um no outro se o estado de equilíbrio de qualquer combinação dos dois é uma fase única: (a) água líquida e álcool são solúveis um no outro em qualquer proporção, à temperatura ambiente; formam um líquido homogêneo, monofásico; (b) cobre e níquel são também solúveis um no outro em todas as proporções, tanto no estado líquido como no sólido.
Átomos ou moléculas de um componente podem se acomodar na estrutura do outro componente. Metalurgia II
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Diagramas de fases Sistemas de dois componentes – solubilidade no estado sólido Solução sólida pode ser: Substitucional (o átomo do soluto pode substituir um átomo do solvente) e que podem ser formadas em todas as proporções de ambos os componentes e são usualmente formadas entre dois tipos de átomos que tenham aproximadamente o mesmo tamanho.
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Diagramas de fases Sistemas de dois componentes – solubilidade no estado sólido Intersticial (o átomo do soluto pode ocupar uma posição intersticial entre átomos do solvente). As soluções sólidas intersticiais se formam usualmente entre átomos de tamanhos bastante diferentes. Para metais, os quatro mais importantes átomos de soluto intersticial são o carbono (C), nitrogênio (N), oxigênio (O) e o hidrogênio (H).
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Diagramas de fases Sistemas de dois componentes – solubilidade no estado sólido Regras de Hume-Rothery para se prever a existência de solubilidade em soluções sólidas metálicas: 1- Tamanho atômico: Quando maior for a diferença entre os tamanhos dos átomos do soluto e do solvente, menor é a faixa de soluções. 2- Estrutura cristalina: o tipo de estrutura cristalina deve ser o mesmo. 3- Valência química: o metal de menor valência (soluto) provavelmente se dissolverá no metal de maior valência (solvente) (ligas Cu, Ag e Au com metais de maior valência). 4 - Eletronegatividade: as eletronegatividades devem ser quase iguais; quanto mais eletropositivo for um componente e mais eletronegativo o outro, maior será a tendência à formação de compostos entre eles e menor será a solubilidade. Metalurgia II
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Diagramas de fases Diagramas Binários Um par de elementos puros ou de compostos puros pode ser misturado segundo um número infinito de proporções diferentes. Para cada composição global, o estado de equilíbrio (o número de fases presentes, suas composições e as proporções relativas de cada fase) é uma função da temperatura e da pressão. A maior parte das operações usadas no processamento dos materiais é feita à pressão atmosférica ou a uma pressão próxima desta. Portanto, freqüentemente, a pressão não é uma variável significativa. Metalurgia II
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Diagramas de fases
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Diagramas de fases
Regra da Alavanca: Quantidade Relativa de Fases Os diagramas de equilíbrio, além de especificarem : i - quais as fases presentes a uma dada temperatura; ii - suas composições; permitem também calcular as quantidades relativas de cada fase presente, à temperatura considerada.
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Diagramas de fases Regra da Alavanca: Quantidade Relativa de Fases
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Diagramas de fases Regra da Alavanca: Quantidade Relativa de Fases
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Diagramas de fases Regra da Alavanca: Quantidade Relativa de Fases
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Diagramas de fases Regra da Alavanca: Quantidade Relativa de Fases
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Diagramas de fases Regra da Alavanca: Quantidade Relativa de Fases
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Diagramas de fases Regra da Alavanca: Quantidade Relativa de Fases
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Diagramas de fases Regra da Alavanca: Quantidade Relativa de Fases
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Diagramas de fases Análise Térmica Os diagramas de equilíbrio podem ser interpretados, e também determinados, através das curvas de resfriamento de diferentes composições.
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Diagramas de fases
O Diagrama Eutético Binário Um dos tipos de diagramas de equilíbrio que podem existir quando há apenas uma solubilidade limitada no estado sólido é o diagrama eutético binário.
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Diagramas de fases Diagrama Eutético Binário Diagrama de equilíbrio binário hipotético para os elementos A e B que são completamente solúveis em todas as proporções no estado líquido, mas apenas parcialmente solúveis no estado sólido. TA e TB são os pontos de fusão de A puro e B puro; Te éa temperatura eutética.
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Diagramas de fases Diagrama Eutético Binário – Liga chumbo-estanho
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Diagramas de fases Diagrama Eutético Binário – Liga chumbo-estanho
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Diagramas de fases Diagrama Eutético Binário – Liga chumbo-estanho
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Diagramas de fases Diagrama Eutético Binário – Liga chumbo-estanho
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Diagramas de fases Diagrama Eutético Binário – Liga chumbo-estanho
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Diagramas de fases Diagrama Eutético Binário – Liga chumbo-estanho
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Diagramas de fases Diagrama Eutético Binário – Liga chumbo-estanho
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Diagramas de fases Diagrama Eutético Binário – Liga chumbo-estanho
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Diagramas de fases Diagrama Eutético Binário – Liga chumbo-estanho
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Diagramas de fases Diagrama Eutético Binário – Liga chumbo-estanho
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Diagramas de fases Curva de resfriamento Pb-Sn
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Calculo das fases presentes Regra das alavancas
Liquido
Sólido
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Diagramas de fases Calculo das fases presentes Regra das alavancas Liquido A
B
C D
Sólido
X
Y 0
10
20
30
40
50
Metalurgia II
60
70
80
90
100
40
Diagramas de fases Diagrama Eutético Al-Si
Líquido
660 ºC
Ponto Eutético
Líquido +α
Líquido +ß
577 ºC 1,65%
12,5%
α+ß
α
ß
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Metalurgia II
9
10
11
12
13
14
41
Diagramas de fases Diagrama Peritético
Metalurgia II
42
Diagramas de fases Diagrama Peritético
Reação peritética no ponto P onde α+L →β Metalurgia II
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Diagramas de fases Reação peritética Reação eutetóide
Metalurgia II
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Diagramas de fases Reações Invariantes Os diagramas de equilíbrio dos sistemas binários reais usualmente não são diagramas de solução sólida, eutéticos ou peritéticos simples. Ao contrário, são diagramas compostos, contendo uma série de regiões de duas fases e uma série de reações invariantes. As reações invariantes mais comuns receberam nomes específicos e são de dois tipos gerais: 1 - No resfriamento, uma fase se separa em duas outras fases. Eutética: Líquido →α+β 2 - No resfriamento, duas fases reagem para produzir uma terceira fase, distinta das duas iniciais. Peritética: Líquido + α →β Metalurgia II
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Diagramas de fases Estruturas Longe das Condições de Equilíbrio Introdução Muitas transformações de fase que ocorrem em materiais de engenharia, durante o processo de solidificação, não produzem estruturas em equilíbrio termodinâmico, sendo denominadas transformações de fase fora de equilíbrio. As microestruturas que resultam dessas transformações podem ser indesejáveis, ou, ao contrário, podem apresentar propriedades tecnológicas interessantes. Assim, por meio do conhecimento e do controle das transformações de fase fora de equilíbrio pode-se atuar sobre as propriedades tecnológicas dos materiais sólidos. Metalurgia II
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Diagramas de fases Estruturas Longe das Condições de Equilíbrio Os diagramas de fases em condições de equilíbrio tratam da situação em que o resfriamento ocorre muito lentamente, representando uma situação para a qual o equilíbrio entre as fases é continuamente mantido. Quando uma liga binária fundida se solidifica em condições de equilíbrio, ando por uma região que contenha sólido e líquido, as composições das fases líquida e sólida e as quantidades relativas de cada uma das fases devem se reajustar continuamente, à medida que a temperatura decresce. Estes reajustamentos são realizados por difusão dos átomos de ambos os elementos nas duas fases. Metalurgia II
47
Diagramas de fases
Metalurgia II
48
Diagramas de fases
Estruturas Longe das Condições de Equilíbrio
As estruturas fora de equilíbrio são geralmente produzidas por um resfriamento tão rápido do material que não há tempo ou energia térmica suficientes para que os átomos se redistribuam em uma configuração de equilíbrio. Como a velocidade de difusão no estado sólido tende a ser baixa, é necessário um tempo excessivamente longo para eliminar os gradientes de composição.
Metalurgia II
49
Diagramas de fases
Metalurgia II
50
Diagramas de fases Estruturas Longe das Condições de Equilíbrio Microestruturas Longe do Equilíbrio: liga alumínio (Al)-silício (Si) Parte do diagrama de equilíbrio alumínio-silício mostra a transformação eutética de equilíbrio (resfriamento lento) e a transformação eutética longe do equilíbrio (resfriamento rápido). No resfriamento lento, forma-se somente a mistura eutética α + β . No resfriamento muito rápido forma-se α primário e uma mistura eutética α + β com maior teor de β . Se a composição inicial possuir 14% (em peso) de Si, mesmo com o resfriamento rápido somente se formará a mistura eutética.
Metalurgia II
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Diagramas de fases - FeC Estruturas Longe das Condições de Equilíbrio O Sistema Ferro-Carbono: O Diagrama Binário Fe-Fe3C
Metalurgia II
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Diagramas de fases - FeC Diagrama de equilíbrio ferro carbono As transformações responsáveis pela formação dos constituintes das ligas ferro-carbono, onde os ferros
fundidos
se
incluem,
é
estudada
e
analisada, a partir do diagrama de equilíbrio ferrocarbono.
Metalurgia II
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Diagramas de fases - FeC
O diagrama de fase a seguir não é um diagrama de equilíbrio completo, pois é representado somente até 6,7% de carbono, porque forma com o ferro o composto Fe3C que contém 6,67% de carbono. Ligas com mais de 4,0 a 4,5% de carbono, apresentam pouco ou nenhum interesse comercial, devido à alta
dureza e fragilidade que elas apresentam.
Metalurgia II
54
Diagramas de fases - FeC Esse diagrama não é um diagrama de equilíbrio verdadeiro, pois a cementita não é uma fase de equilíbrio. A grafita é mais estável que a cementita e sob condições adequadas, a cementita se decompõe, formando grafita. Em aços comuns essa decomposição nunca é observada, porque a nucleação da cementita no ferro supersaturado de carbono ocorre mais facilmente que a nucleação da grafita. Metalurgia II
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Diagramas de fases - FeC
O diagrama ferro-carbono se caracteriza por três pontos principais:
Ponto peritético com 0,16% de carbono a 1493 0C; Ponto eutético com 4,3% de carbono a 1147 0C; Ponto eutetóide com 0,8% de carbono a 723 0C.
Metalurgia II
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Ponto Peritético
Ponto Eutético
Ponto Eutetóide
Metalurgia II
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Diagramas de fases - FeC
A transformação peritética ocorre a temperaturas elevadas e em aços de baixo teor de carbono. Todas as composições desta fase am, em seguida, pelo campo monofásico CFC. Assim, os efeitos sobre a estrutura à temperatura ambiente são secundários e normalmente são desprezados.
Metalurgia II
58
Diagramas de fases - FeC
A solução sólida cúbica de face centrada CFC, ou fase
(gama), é chamada de austenita. Todas as ligas contendo menos que 2,06% de C am pela região austenítica no resfriamento. As ligas contendo menos que 2,06% de carbono são arbitrariamente chamadas de aços (maioria dos aços contém menos que 1,0% de carbono). Metalurgia II
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Diagramas de fases - FeC Alotropia do ferro puro 1- Temperatura de Fusão a 15380C
2- Entre 15380C a 13940C, o ferro solidifica de acordo com o reticulado CCC (ferro delta - ). 3- A 13940C o ferro delta () sofre uma redisposição
espontânea e forma-se um novo reticulado CFC, (ferro gama - ) que permanece estável até 9120C. 4- A 9120C o ferro sofre uma nova transformação, com um novo rearranjo atômico CCC, (ferro alfa - ), não havendo mais transformações até a temperatura ambiente. Metalurgia II
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Diagramas de fases - FeC Constituintes das ligas ferro-carbono metaestáveis Ferrita ou ferro alfa (): Estrutura CCC menores espaçamentos interatômicos e pronunciadamente alongados, não podem acomodar com
facilidade os átomos de carbono solubilidade de carbono é cerca de 0,008% a temperatura ambiente, e 0,23% a 727 0C.
Ferrita mole e dúctil, com limite de resistência abaixo de 32 Kgf/mm2 e dureza Brinell em torno de 90 HB. Metalurgia II
61
Diagramas de fases - FeC
Ferro puro – grãos de ferrita. Metalurgia II
62
Diagramas de fases - FeC Austenita ou ferro gama (): forma estável do ferro
puro entre 910 ºC e 14000C. Estrutura CFC, com espaços interatomicos maiores, mas são menores que o átomo de carbono, de forma que a dissolução de carbono na austenita introduz deformações na estrutura, impedindo que todos os interstícios
sejam
preenchidos
simultaneamente,
ficando a solubilidade máxima de carbono em 2,0% em peso (8,7% em átomos). Metalurgia II
63
Diagramas de fases - FeC
Metalurgia II
64
Diagramas de fases - FeC
Ferrita delta ou ferro delta (): acima de 1400 0C, a austenita deixa de ser a forma mais estável, voltando a estrutura ser CCC. Este constituinte não apresenta importância no estudo dos aços.
Metalurgia II
65
Diagramas de fases - FeC
Cementita ou carbeto de ferro: é o excesso de carbono
em relação ao limite de solubilidade formando uma segunda fase. Possui reticulado ortorrômbico com 12 átomos de ferro e
4 de carbono por célula, correspondendo isso a 6.67% de carbono. Dada a proporção de átomos de ferro e carbono de 3
para 1 no reticulado cristalino é usualmente representada como Fe3C. Metalurgia II
66
Diagramas de fases - FeC
Comparado a ferrita e austenita, a cementita é muita dura, cerca de 67HRC ou 900 HV. A cementita quando presente, associada a ferrita em
partícula finas, aumenta muito a resistência do aço, pois inibe o escorregamento e evita o cisalhamento da fase dúctil ferrita.
Metalurgia II
67
Diagramas de fases - FeC
Perlita com as lamelas de cementita em um fundo de ferrita. Ferro com 0,8% de carbono. 500X. Metalurgia II
68
Diagramas de fases - FeC
Perlita: abaixo da temperatura eutetóide as fases
estáveis são a ferrita e a cementita. A 0,8% de carbono, ocorre uma reação, que envolve a formação simultânea de ferrita e cementita a partir da austenita de composição eutetóide, resultando em uma mistura das fases ferrita e cementita denominada de perlita. Essa estrutura consiste de plaquetas alternadas de Fe3C e ferrita sendo a ferrita a fase contínua. A perlita contém 12% de cementita e 88% de ferrita. Metalurgia II
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Diagramas de fases - FeC α Fe3C γ
γ
1-Nucleação inicial da cementita.
γ γ
γ
γ
Fe3C
2- Nucleação de lamelas de ferrita ao lado da cementita.
Fe3C
γ
γ
3- Crescimento lateral e para frente da cementita.
γ γ
4- Novo núcleo de cementita formado com orientação diferente dos anteriores.
5- Crescimento da nova colônia.
Metalurgia II
70
Diagramas de fases - FeC Liga eutetóide
1. Inicialmente, existe apenas γ. 2. A uma temperatura imediatamente abaixo da eutetóide toda a fase γ transforma-se em perlite (ferrite + Fe3C) de acordo com a reação eutetóide.
Metalurgia II
3. Estas duas fases tem concentrações de carbono muito diferentes. Esta reação é rápida. Não há tempo para haver grande difusão de carbono. As fases organizam-se como lamelas alternadas de ferrita e 71 cementita.
Diagramas de fases - FeC Liga hipoeutetóide
1. Inicialmente, existe apenas γ. 2. Em seguida começa a surgir a fase nas fronteiras de grão da fase γ. A concentração da austenita cai com a temperatura seguindo a linha que separa o campo γ+ do campo γ.
3. A T imediatamente acima da eutetóide a concentração da fase γ é 0.77 % C, eutétóide. 4. A T imediatamente abaixo da eutetóide toda a fase γ se transforma em perlita. A fase , que não muda, é denominada ferrite pro-eutetóide.
Metalurgia II
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Diagramas de fases - FeC Liga hipereutetóide
1. Inicialmente, existe apenas γ. 2. Em seguida começa a surgir a fase Fe3C nas fronteiras de grão da fase γ. A concentração da Fe3C é constante igual a 6.7 % C. A concentração da austenita cai com a temperatura seguindo a linha que separa o campo γ+Fe3C do campo γ. 3. A T imediatamente acima da eutetóide a concentração da fase γ é 0.77 % C, eutétóide. 4. A T imediatamente abaixo da eutetóide toda a fase γ se transforma em perlita. A fase Fe3C , que não muda, é denominada cementita proeutetóide. Metalurgia II
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Diagramas de fases - FeC Exemplos de microestruturas
Metalurgia II
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Diagramas de fases - FeC
Metalurgia II
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