Autores: Autores:
Prof. Dr. Telmo Roberto Strohaecker Prof. Dr. Telmo Roberto Strohaecker
Coordenador do Laboratório de Metalurgia Física Coordenador do Laboratório de Metalurgia Física Universidade Federal do Rio Grande do Sul
Universidade Federal do Rio Grande do Sul e-mail: telmo@demet.ufrgs.br
e-mail: telmo@demet.ufrgs.br
Prof. Vitor José Frainer Prof. Vitor José Frainer
Laboratório de Ensaios Mecânicos Laboratório de Ensaios Mecânicos
Fundação Universidade Federal do Rio Grande Fundação Universidade Federal do Rio Grande e-mail: dmcvjf@super.furg.br
Sumário
Sumário
Pg Pg 1. 1. Introdução Introdução ... ... 55 2.2. Estruturas Estruturas Cristalinas Cristalinas ... ... 66 2.1
2.1 - - Reticulado Reticulado Cristalino Cristalino ... ... 66 2.2
2.2 - - Estrutura Estrutura Cúbica Cúbica de de Corpo Corpo Centrado Centrado ... ... 88 2.3
2.3 - - Estrutura Estrutura Cúbica Cúbica de de Faces Faces Centradas Centradas ... ... 99 2.4
2.4 - - Interstícios Interstícios ... ... 1010 2.5
2.5 - - Índices Índices de de Miller Miller ... ... 1111 2.6
2.6 - - Defeitos Defeitos na na Estrutura Estrutura Cristalina Cristalina ... ... 1212 2.7
2.7 - - Estrutura Estrutura do do Ferro Ferro Puro Puro ... ... 1414 3.
3. Diagrama Diagrama Ferro-Carbono Ferro-Carbono ... ... 1717 4.
4. Microestrutura Microestrutura dos dos Aços Aços ... . 2222 4.1
4.1 - - Aço Aço Eutetóide Eutetóide ... ... 2222 4.2
4.2 - - Aços Aços Hipoeutetóides Hipoeutetóides ... ... 2424 4.3
4.3 - - Aços Aços Hipereutetóides Hipereutetóides ... ... 2525 4.4
4.4 - - Regra Regra da da Alavanca Alavanca ... ... 2525 4.5
4.5 - - Classificação Classificação dos dos Aços...Aços... ... 2727 5.
5. Fases Fases Metaestáveis Metaestáveis ... ... 2929 5.1
5.1 - - Reação Reação Martensítica Martensítica ... ... 2929 5.2
5.2 - - Reação Reação Bainítica Bainítica ... ... 3131 6.
6. Tratamentos Tratamentos Térmicos Térmicos ... ... 3333 6.1
6.1 - - Objetivos Objetivos Gerais Gerais ... ... 3333 6.2
6.2 - - Tipos Tipos Comuns Comuns ... ... 3333 6.3
6.3 - - Fatores Fatores de de Influência Influência ... ... 3434 6.4 6.4 - - Esferoidização Esferoidização ... ... 3737 6.5 6.5 - - Recozimento Recozimento ... ... 3838 6.6 6.6 - - Normalização Normalização ... ... 4040 6.7 6.7 - - Têmpera Têmpera ... ... 4141 6.8 6.8 - - Revenido Revenido ... ... 4747 6.9
6.9 - - Tratamentos Tratamentos Isotérmicos Isotérmicos ... ... 4949 7.
7. Diagramas Diagramas Isotérmicos Isotérmicos ... ... 5353 7.1
7.1 - - Introdução Introdução ... .... 5353 7.2
7.2 - - Efeito Efeito da da Temperatura Temperatura de de Transformação Transformação da da Perlita Perlita ... ... 5353 7.3
7.3 - - Velocidade Velocidade de de Nucleação Nucleação da da Perlita Perlita ... .... 5454 7.4
7.4 - - A A Reação Reação Bainítica Bainítica ... ... 5555 7.5
7.5 - - Diagrama Diagrama Isotérmico Isotérmico ... ... 5656 7.6 - Diagramas Isotérmicos de Aços Hipoeutetóides e de Aços
7.6 - Diagramas Isotérmicos de Aços Hipoeutetóides e de Aços Hipereutetóides
Hipereutetóides ... ... 6060 7.7 -Influência do Tamanho de Grão e dos Elementos de Liga nos Diagramas
7.7 -Influência do Tamanho de Grão e dos Elementos de Liga nos Diagramas Isotérmicos
Isotérmicos ... .. 6161 8.
8. Diagramas Diagramas de de Resfriamento Resfriamento Contínuo Contínuo ... . 6363 8.1
8.1 - - Introdução Introdução ... .... 6363 8.2
8.2 - - Comparação Comparação Entre Entre Diagramas Diagramas Isotérmicos Isotérmicos e e de de Resfriamento Resfriamento Contínuo Contínuo . . 6363 8.3
8.3 - - Transformações Transformações no no Diagrama Diagrama de de Resfriamento Resfriamento Contínuo Contínuo ... ... 6464 8.4
8.4 - - Propriedades Propriedades dos dos Produtos Produtos Formados Formados ... ... 6565 9.
9.2
9.2 - - Definição Definição de de Temperabilidade Temperabilidade ... ... 6767 9.3
9.3 - - Fatores Fatores que que Afetam Afetam a a Distribuição Distribuição de de Dureza Dureza ... ... 6868 9.4
9.4 - - Ensaio Ensaio de de Jominy Jominy ... ... 7171 9.5
9.5 - - Método Método de de Temperabilidade Temperabilidade de de Grossmann Grossmann ... ... 7272 9.6 - Determinação da Curva
9.6 - Determinação da Curva de Jominy em Função da Composição e dode Jominy em Função da Composição e do Tamanho
Tamanho de de Grão Grão ... ... 7676 9.7
9.7 - - Aplicação Aplicação Prática Prática do do Ensaio Ensaio de de Jominy Jominy ... . 8181 10.
10. Endurecimento Endurecimento Superficial Superficial - - Tratamentos Tratamentos Termoquímicos Termoquímicos ... ... 8686 10.1 10.1 - - Introdução Introdução ... . 8686 10.2 10.2 - - Cementação Cementação ... ... 8686 10.3 10.3 - - Nitretação Nitretação ... .. 9494 11.
11. Endurecimento Endurecimento Superficial Superficial - - Têmpera Têmpera Superficial Superficial ... ... 9696 11.1
11.1 - - Introdução Introdução ... . 9696 11.2
11.2 – – Aquecimento Aquecimento por por Chama Chama ... ... 9696 11.3
11.3 – – Aquecimento Aquecimento por por Indução Indução ... ... 9898 12.
12. Preparação Preparação de de Amostras Amostras ... ... 103103 12.1
12.1 - - Introdução Introdução ... . 103103 12.2
12.2 - - Retirada Retirada da da Amostra Amostra ... ... 104104 12.3 12.3 – – Embutimento Embutimento ... ... 104104 12.4 12.4 - - Lixamento Lixamento ... ... 105105 12.5 12.5 - - Polimento Polimento ... ... 106106 12.6
12.6 - - Ataque Ataque Químico Químico ... ... 106106 Bibliografia Bibliografia ... .. 108108 Apêndice Apêndice A A ... .. 109109 Apêndice Apêndice B B ... ... 111111
1
1 -
- Introdução
Introdução
O ferro é o principal constituinte de uma das ligas mais importantes na engenharia; O ferro é o principal constituinte de uma das ligas mais importantes na engenharia; o aço. Os aços são empregados nos mais variados componentes. Fica difícil imaginar um o aço. Os aços são empregados nos mais variados componentes. Fica difícil imaginar um equipamento que não possua uma peça de aço
equipamento que não possua uma peça de aço em sua constituição.em sua constituição.
O ferro é um metal alotrópico, isto é, ele apresenta mais de uma estrutura cristalina O ferro é um metal alotrópico, isto é, ele apresenta mais de uma estrutura cristalina de acordo com a temperatura. Quando o ferro solidifi
de acordo com a temperatura. Quando o ferro solidifica, a 1538ca, a 1538 °°C, passa a apresentar umaC, passa a apresentar uma
estrutura cúbica de corpo centrado, a fase
estrutura cúbica de corpo centrado, a fase (delta). Continuando o resfriamento, ocorre(delta). Continuando o resfriamento, ocorre uma mudança de fase na temperatura de 1394
uma mudança de fase na temperatura de 1394 °°C, com os átomos de ferro sofrendo umC, com os átomos de ferro sofrendo um
rearranjo para uma estrutura cúbica de faces centradas, a fase
rearranjo para uma estrutura cúbica de faces centradas, a fase (gama). Na temperatura de(gama). Na temperatura de 912
912 °°C ocorre um novo rearranjo cristalino e o ferro volta a apresentar uma estruturaC ocorre um novo rearranjo cristalino e o ferro volta a apresentar uma estrutura
cúbica de corpo centrado, a fase
cúbica de corpo centrado, a fase (alfa). Abaixo da temperatura de 768(alfa). Abaixo da temperatura de 768 °°C (ponto Curie) oC (ponto Curie) o
ferro passa a apresentar um comportamento magnético, sem no entanto apresentar qualquer ferro passa a apresentar um comportamento magnético, sem no entanto apresentar qualquer mudança na estrutura cristalina. Todas estas transformações alotrópicas ocorrem com mudança na estrutura cristalina. Todas estas transformações alotrópicas ocorrem com liberação de calor no resfriamento (reações exotérmicas) e com absorção de calor no liberação de calor no resfriamento (reações exotérmicas) e com absorção de calor no aquecimento (reações endotérmicas). Evidentemente a quantidade de energia envolvida é aquecimento (reações endotérmicas). Evidentemente a quantidade de energia envolvida é bem
bem inferior inferior do do que que a a da da transformação transformação de de estado estado (calor (calor latente latente de de solidificação, solidificação, por por exemplo).
exemplo).
A existência destas transformações, conforme será visto mais adiante, faz com que A existência destas transformações, conforme será visto mais adiante, faz com que os aços apresentem-se como uma classe de materiais extremamente versáteis atendendo a os aços apresentem-se como uma classe de materiais extremamente versáteis atendendo a um grande espectro de propriedades mecânicas.
2 - Estruturas Cristalinas
2 - Estruturas Cristalinas
2.1 - Reticulado Cristalino 2.1 - Reticulado Cristalino
Todos os metais, incluindo-se neste caso o ferro puro, possuem o que se Todos os metais, incluindo-se neste caso o ferro puro, possuem o que se convenciona chamar de estrutura cristalina. Para que possamos entender do que se trata convenciona chamar de estrutura cristalina. Para que possamos entender do que se trata vamos considerar uma rede de pontos que se prolonga infinitamente nas três direções do vamos considerar uma rede de pontos que se prolonga infinitamente nas três direções do espaço como mostrado na figura 2.1.
espaço como mostrado na figura 2.1.
Figura 2.1
-Figura 2.1 - Representação de uma rede de pontos que serve de base para o estudo dasRepresentação de uma rede de pontos que serve de base para o estudo das estruturas cristalinas
estruturas cristalinas(6)(6)..
Se todas as retas que formam a rede estiverem regularmente espaçadas em cada Se todas as retas que formam a rede estiverem regularmente espaçadas em cada uma das direções, os pontos de intersecção estarão também regularmente espaçados e neste uma das direções, os pontos de intersecção estarão também regularmente espaçados e neste caso fica caracterizada uma rede espacial de
caso fica caracterizada uma rede espacial de pontos. Observando-se a figura 2.1 vemos quepontos. Observando-se a figura 2.1 vemos que a geometria da rede espacial fica perfeitamente caracterizada se utilizarmos três vetores a geometria da rede espacial fica perfeitamente caracterizada se utilizarmos três vetores para defini-la.
para defini-la. Assim, se Assim, se tomarmos por tomarmos por base o base o comprimento dos comprimento dos três vetores três vetores como sendocomo sendo
aa,, bb ee cc e se tomarmos o ângulo ente estes mesmos vetores como sendoe se tomarmos o ângulo ente estes mesmos vetores como sendo αα,, ββ ee γγ teremos oteremos o
que se convenciona chamar de constante de rede. Estas constantes nos permitem definir que se convenciona chamar de constante de rede. Estas constantes nos permitem definir exatamente como os pontos se distribuem no
exatamente como os pontos se distribuem no espaço, pois, se repetirmos o comprimento deespaço, pois, se repetirmos o comprimento de um vetor, por exemplo
um vetor, por exemplo aa, segundo a direção dada por , segundo a direção dada por αα, encontraremos uma nova, encontraremos uma nova
interseção, ou seja um outro ponto de rede. Similarmente se combinarmos a distância interseção, ou seja um outro ponto de rede. Similarmente se combinarmos a distância bb
com o ângulo
com o ângulo ββ e a distânciae a distância cc com o ângulocom o ângulo γγ encontraremos pontos a cada repetição.encontraremos pontos a cada repetição.
Devemos entender, ainda, que em um enfoque puramente geométrico, tanto as distâncias Devemos entender, ainda, que em um enfoque puramente geométrico, tanto as distâncias quanto os ângulos podem ter o mesmo valor ou serem diferentes entre si, o que nos quanto os ângulos podem ter o mesmo valor ou serem diferentes entre si, o que nos permitiria
permitiria uma uma série série de de combinações. Indo combinações. Indo um um pouco adiante, pouco adiante, poderíamos associar poderíamos associar a a estaesta rede espacial uma série de átomos distribuídos regularmente pelo espaço, não rede espacial uma série de átomos distribuídos regularmente pelo espaço, não necessariamente localizados nos pontos de intersecção, mas respeitando a regularidade necessariamente localizados nos pontos de intersecção, mas respeitando a regularidade
determinada pelas distâncias e pelos vetores. Desta forma teríamos caracterizada uma determinada pelas distâncias e pelos vetores. Desta forma teríamos caracterizada uma
estrutura cristalina
estrutura cristalina, que nada mais é do que uma rede de pontos regularmente espaçados, que nada mais é do que uma rede de pontos regularmente espaçados com uma distribuição regular dos átomos. Muitos materiais possuem uma distribuição com uma distribuição regular dos átomos. Muitos materiais possuem uma distribuição característica e regular dos seus átomos sendo chamados então de materiais cristalinos. característica e regular dos seus átomos sendo chamados então de materiais cristalinos. Como existe esta regularidade, uma estrutura cristalina de um material não precisa ser Como existe esta regularidade, uma estrutura cristalina de um material não precisa ser representada por todos os
representada por todos os seus átomos mas apenas por um seus átomos mas apenas por um conjunto de átomos que possamconjunto de átomos que possam definir a sua distribuição no espaço. Este conjunto de átomos deve ser escolhido de tal definir a sua distribuição no espaço. Este conjunto de átomos deve ser escolhido de tal forma que uma vez repetidas as suas posições nas três direções do espaço tenhamos a forma que uma vez repetidas as suas posições nas três direções do espaço tenhamos a representação de toda a estrutura cristalina do material. A esta pequena porção do representação de toda a estrutura cristalina do material. A esta pequena porção do reticulado cristalino que tem a propriedade de representar todo o cristal chamamos
reticulado cristalino que tem a propriedade de representar todo o cristal chamamos célulacélula unitária
unitária. Uma célula unitária terá sempre associada uma figura geométrica (as distâncias. Uma célula unitária terá sempre associada uma figura geométrica (as distâncias
aa,, bb ee cc e os vetorese os vetores αα,, ββ ee γγ ) e a distribuição característica dos átomos. No estudo das) e a distribuição característica dos átomos. No estudo das
estruturas cristalinas são utilizadas apenas sete figuras geométricas, caracterizando sete estruturas cristalinas são utilizadas apenas sete figuras geométricas, caracterizando sete
sistemas cristalinos
sistemas cristalinos e estes produzem um total de apenas quatorze distribuiçõese estes produzem um total de apenas quatorze distribuições características dos átomos, produzindo quatorze
características dos átomos, produzindo quatorze estruturas cristalinasestruturas cristalinas. Embora alguns. Embora alguns materiais possam apresentar distribuições mais complexas, apenas estas quatorze células materiais possam apresentar distribuições mais complexas, apenas estas quatorze células unitárias são suficientes para permitir o estudo dos materiais cristalinos. Na tabela 2.1 unitárias são suficientes para permitir o estudo dos materiais cristalinos. Na tabela 2.1 apresentamos os sete sistemas cristalinos com as suas características geométricas e as apresentamos os sete sistemas cristalinos com as suas características geométricas e as estruturas cristalinas geradas a partir dos mesmos. Dentre os sistemas apresentados os que estruturas cristalinas geradas a partir dos mesmos. Dentre os sistemas apresentados os que mais interessam para o estudo dos tratamentos térmicos de aços são o sistema cúbico e o mais interessam para o estudo dos tratamentos térmicos de aços são o sistema cúbico e o sistema tetragonal. Na figura 2.2 pode-se ver as células unitárias das estruturas cúbicas de sistema tetragonal. Na figura 2.2 pode-se ver as células unitárias das estruturas cúbicas de corpo centrado (CCC), cúbica de faces centradas (CFC) e tetragonal de corpo centrado corpo centrado (CCC), cúbica de faces centradas (CFC) e tetragonal de corpo centrado (TCC). Por uma questão de simplicidade os átomos em um reticulado cristalino são (TCC). Por uma questão de simplicidade os átomos em um reticulado cristalino são representados como esferas perfeitas mas isto não implica em diferenças muito grandes em representados como esferas perfeitas mas isto não implica em diferenças muito grandes em relação ao caso real. Uma representação deste tipo está apresentada na figura 2.3 para as relação ao caso real. Uma representação deste tipo está apresentada na figura 2.3 para as estruturas cúbica de corpo centrado
estruturas cúbica de corpo centrado e cúbica de faces centradas.e cúbica de faces centradas.
Figura 2.2
Se olharmos mais atentamente para estas figuras podemos retirar outros valores que Se olharmos mais atentamente para estas figuras podemos retirar outros valores que são úteis para comparação entre as várias estruturas. Os parâmetros característicos mais são úteis para comparação entre as várias estruturas. Os parâmetros característicos mais utilizados são as medidas características dos vetores, chamado
utilizados são as medidas características dos vetores, chamado parâmetro de redeparâmetro de rede, , oo número de átomos por célula unitária, o número de vizinhos que cada átomo possui número de átomos por célula unitária, o número de vizinhos que cada átomo possui (átomos que distam entre si dois raios atômicos), chamado
(átomos que distam entre si dois raios atômicos), chamado número de coordenaçãonúmero de coordenação e e aa relação entre o volume ocupado pelos átomos e o volume da célula unitária, chamado de relação entre o volume ocupado pelos átomos e o volume da célula unitária, chamado de
fator de empacotamento
fator de empacotamento. Para que se possa entender um pouco melhor estas estruturas. Para que se possa entender um pouco melhor estas estruturas teceremos mais algumas considerações a respeito das mesmas a seguir.
teceremos mais algumas considerações a respeito das mesmas a seguir.
Figura 2.3
-Figura 2.3 - Representação do modelo de esferas das estruturas cúbica de corpo centrado Representação do modelo de esferas das estruturas cúbica de corpo centrado ee cúbica de faces centradas
cúbica de faces centradas(3)(3)..
2.2 - Estrutura Cúbica de
2.2 - Estrutura Cúbica de Corpo CentradoCorpo Centrado
A estrutura cúbica de corpo centrado é uma estrutura que possui os seguintes A estrutura cúbica de corpo centrado é uma estrutura que possui os seguintes parâmetros
parâmetros geométricos:geométricos: aa==bb==cc ee αα==ββ==γγ=90=90oo. Estes valores fazem com que a célula. Estes valores fazem com que a célula
unitária seja caracterizada pela figura de um cubo. Além disso os átomos estão localizados unitária seja caracterizada pela figura de um cubo. Além disso os átomos estão localizados nos vértices e no centro da célula, como pode ser visto nas figuras 2.2 e 2.3. Observe-se nos vértices e no centro da célula, como pode ser visto nas figuras 2.2 e 2.3. Observe-se que os átomos dos vértices tem apenas um oitavo do seu volume ocupando espaço na que os átomos dos vértices tem apenas um oitavo do seu volume ocupando espaço na célula unitária. Neste caso o parâmetro de rede, representado pelo lado do cubo, vale célula unitária. Neste caso o parâmetro de rede, representado pelo lado do cubo, vale 44 R R 33, o número de átomos por célula unitária é 2 , o número de átomos por célula unitária é 2 (um átomo correspondendo à soma dos(um átomo correspondendo à soma dos oito oitavos dos átomos dos vértices e mais o átomo localizado no centro da célula), oito oitavos dos átomos dos vértices e mais o átomo localizado no centro da célula), número de coordenação de 8 e um fator de empacotamento de 0,68, onde R é o raio número de coordenação de 8 e um fator de empacotamento de 0,68, onde R é o raio atômico. Deve ser lembrado que, embora estes parâmetros tenham sido retirados da célula atômico. Deve ser lembrado que, embora estes parâmetros tenham sido retirados da célula unitária, eles são vá
unitária, eles são válidos para toda a elidos para toda a estrutura cristalina. Isto significa strutura cristalina. Isto significa que, que, independenteindependente da célula unitária escolhida e do átomo tomado como referência, devemos encontrar da célula unitária escolhida e do átomo tomado como referência, devemos encontrar sempre os mesmos valores.
Tabela 2.1
-Tabela 2.1 - Classificação das estruturas cristalinas dentro dos sistemas cristalinosClassificação das estruturas cristalinas dentro dos sistemas cristalinos Sistema
Sistema cristalino
cristalino eixosParâmetro de rede e ângulo entre osParâmetro de rede e ângulo entre oseixos Estrutura cristalinaEstrutura cristalina Cúbico
Cúbico Três Três eixos eixos iguais iguais em em ângulo ângulo reto reto Cúbica Cúbica simplessimples a=b=c,
a=b=c, αα==ββ==γγ=90=90°° Cúbica de corpo centradoCúbica de corpo centrado
Cúbica de faces centradas Cúbica de faces centradas Tetragonal
Tetragonal Três Três eixos eixos em em ângulo ângulo reto, reto, dois dois iguais iguais Tetragonal Tetragonal simplessimples a=b
a=b≠≠c,c, αα==ββ==γγ=90=90°° Tetragonal de corpo centradoTetragonal de corpo centrado
Ortorrômbico
Ortorrômbico Três eixos Três eixos desiguais desiguais em em ângulo ângulo reto reto Ortorrômbico Ortorrômbico simplessimples aa≠≠ b b≠≠c,c,αα==ββ==γγ=90=90°° Ortorrômbico de corpoOrtorrômbico de corpo
centrado centrado Ortorrômbico de bases Ortorrômbico de bases centradas centradas Ortorrômbico de faces Ortorrômbico de faces centradas centradas Romboédrico
Romboédrico Três Três eixos eixos iguais, iguais, ângulos ângulos iguais iguais Romboédrico Romboédrico simplessimples a=b=c,
a=b=c, αα==ββ==γ≠γ≠9090°°
Hexagonal
Hexagonal Dois eixos iguais a 120Dois eixos iguais a 120°°, terceiro eixo, terceiro eixo
a 90 a 90°° Hexagonal simples Hexagonal simples a=b a=b≠≠c,c, αα==ββ=90=90°°,,γγ=90=90°° Monoclínico
Monoclínico Três Três eixos eixos desiguais, desiguais, um um ânguloângulo diferente
diferente Monoclínico simplesMonoclínico simples aa≠≠ b b≠≠c,c,αα==ββ=90=90°°,, γ≠γ≠9090 Monoclínico de basesMonoclínico de bases
centradas centradas Triclínico
Triclínico Três eixos Três eixos desiguais, desiguais, ângulosângulos desiguais
desiguais Triclínico simplesTriclínico simples aa≠≠ b b≠≠c,c,α≠β≠γ≠α≠β≠γ≠9090
2.3 - Estrutura Cúbica
2.3 - Estrutura Cúbica de Faces Centradasde Faces Centradas
A estrutura cúbica de faces centradas possui os mesmos parâmetros geométricos A estrutura cúbica de faces centradas possui os mesmos parâmetros geométricos que a estrutura cúbica de corpo centrado, porém, a distribuição dos átomos é um pouco que a estrutura cúbica de corpo centrado, porém, a distribuição dos átomos é um pouco diferente. Neste caso existem átomos localizados nos vértices e no centro de cada uma da diferente. Neste caso existem átomos localizados nos vértices e no centro de cada uma da faces do cubo, conforme as figuras 2.2 e 2.3. Isto faz com que os átomos das faces tenham faces do cubo, conforme as figuras 2.2 e 2.3. Isto faz com que os átomos das faces tenham apenas metade do seu volume ocupando espaço na célula unitária. O parâmetro de rede apenas metade do seu volume ocupando espaço na célula unitária. O parâmetro de rede vvaalle e 44 R R 22, o número de átomos por célula unitária é 4 (um átomo correspondendo à, o número de átomos por célula unitária é 4 (um átomo correspondendo à soma dos oito oitavos dos átomos dos vértices e mais três átomos correspondentes aos soma dos oito oitavos dos átomos dos vértices e mais três átomos correspondentes aos átomos localizados nas faces), número de coordenação de 12 e
átomos localizados nas faces), número de coordenação de 12 e um fator de empacotamentoum fator de empacotamento de 0,74. Comparando-se o fator de empacotamento das duas estruturas pode-se ver que a de 0,74. Comparando-se o fator de empacotamento das duas estruturas pode-se ver que a estrutura CFC é mais compacta do que a estrutura CCC, isto é, os seus átomos ocupam de estrutura CFC é mais compacta do que a estrutura CCC, isto é, os seus átomos ocupam de maneira mais eficiente o espaço. Se considerarmos o mesmo raio atômico, pode-se dizer maneira mais eficiente o espaço. Se considerarmos o mesmo raio atômico, pode-se dizer que os átomos organizados segundo uma estrutura CFC ocuparão menor volume o que que os átomos organizados segundo uma estrutura CFC ocuparão menor volume o que
2.4 - Interstícios 2.4 - Interstícios
Em qualquer estrutura cristalina o fator de empacotamento é sempre menor do que Em qualquer estrutura cristalina o fator de empacotamento é sempre menor do que um, isto é, os átomos não ocupam todo o espaço disponível na célula unitária. Este fato um, isto é, os átomos não ocupam todo o espaço disponível na célula unitária. Este fato implica em que existam espaços vazios entre os átomos da estrutura. Estes espaços vazios implica em que existam espaços vazios entre os átomos da estrutura. Estes espaços vazios recebem o nome de
recebem o nome de interstíciosinterstícios e exercem um papel muito importante nos tratamentose exercem um papel muito importante nos tratamentos térmicos dos aços como será visto mais adiante. Normalmente existem vários interstícios térmicos dos aços como será visto mais adiante. Normalmente existem vários interstícios em uma estrutura cristalina e quanto menor o fator de empacotamento maior é o volume em uma estrutura cristalina e quanto menor o fator de empacotamento maior é o volume destinado aos interstícios, embora o tamanho de cada um dependa do raio atômico e da destinado aos interstícios, embora o tamanho de cada um dependa do raio atômico e da estrutura cristalina. Deste modo uma
estrutura cristalina. Deste modo uma estrutura CFC possui interstícios maiores do estrutura CFC possui interstícios maiores do que umaque uma estrutura CCC, embora o seu fator
estrutura CCC, embora o seu fator de empacotamento seja maior. A principal conseqüênciade empacotamento seja maior. A principal conseqüência disto é que, quando se tiver uma solução em que os átomos do soluto se colocam em disto é que, quando se tiver uma solução em que os átomos do soluto se colocam em posições intersticiais, como é o caso da liga
posições intersticiais, como é o caso da liga ferro-carbono, a estrutura que tiver os ferro-carbono, a estrutura que tiver os maioresmaiores interstícios apresentará uma maior solubilidade do que aquela que possui interstícios interstícios apresentará uma maior solubilidade do que aquela que possui interstícios menores. Nas figuras 2.4 e 2.5 estão representados os interstícios das células CCC e CFC. menores. Nas figuras 2.4 e 2.5 estão representados os interstícios das células CCC e CFC.
(a) (b)
(a) (b)
Figura 2.4
-Figura 2.4 - Interstícios octaédricos (a) e insterstícios tetraédricos (b) em uma estruturaInterstícios octaédricos (a) e insterstícios tetraédricos (b) em uma estrutura cúbica de corpo centrado
cúbica de corpo centrado(9)(9)..
(a) (b)
(a) (b)
Figura 2.5
-Figura 2.5 - Interstícios octaédricos (a) e insterstícios tetraédricos (b) em uma estrutura deInterstícios octaédricos (a) e insterstícios tetraédricos (b) em uma estrutura de faces centradas
Um interstício sempre é denominado pela figura poliédrica formada pelos átomos Um interstício sempre é denominado pela figura poliédrica formada pelos átomos que estão em volta do espaço vazio e desta forma vamos encontrar interstícios tetraédricos que estão em volta do espaço vazio e desta forma vamos encontrar interstícios tetraédricos e insterstícios octaédricos. Tanto a estrutura CCC quanto a estrutura CFC possuem estes e insterstícios octaédricos. Tanto a estrutura CCC quanto a estrutura CFC possuem estes interstícios, no entanto estes são maiores na estrutura CFC.
interstícios, no entanto estes são maiores na estrutura CFC.
2.5 - Índices de Miller 2.5 - Índices de Miller
A disposição característica dos átomos na estrutura cristalina de um material faz A disposição característica dos átomos na estrutura cristalina de um material faz com que existam direções e planos característicos para cada estrutura. Estas direções e com que existam direções e planos característicos para cada estrutura. Estas direções e planos tornam-se importantes pelo fato de influírem no co
planos tornam-se importantes pelo fato de influírem no comportamento do material como émportamento do material como é o caso da deformação. Sempre que tivermos deformação esta se dará segundo o caso da deformação. Sempre que tivermos deformação esta se dará segundo determinadas direções e planos particulares para cada estrutura. Isto se deve determinadas direções e planos particulares para cada estrutura. Isto se deve principalmente
principalmente ao ao fato fato de de que que existe existe uma uma maior maior densidade densidade de de átomos átomos em em determinadasdeterminadas direções gerando planos de escorregamento quando ocorre deformação plástica. Para a direções gerando planos de escorregamento quando ocorre deformação plástica. Para a determinação exata das direções e planos
determinação exata das direções e planos foi criada uma notação apropriada que foi criada uma notação apropriada que é chamadaé chamada de
deÍndices de MillerÍndices de Miller. Nas figuras 2.6 e 2.7 são mostradas direções e planos característicos. Nas figuras 2.6 e 2.7 são mostradas direções e planos característicos para as estruturas CC
para as estruturas CCC e CFC.C e CFC.
Os índices de uma direção estão relacionados com as coordenadas de um ponto Os índices de uma direção estão relacionados com as coordenadas de um ponto com relação à origem do sistema de eixos. Assim, a direção [100] corresponde a um vetor com relação à origem do sistema de eixos. Assim, a direção [100] corresponde a um vetor paralelo ao eixo
paralelo ao eixo xx, enquanto que a direção [010] corresponde a um vetor paralelo ao eixo, enquanto que a direção [010] corresponde a um vetor paralelo ao eixo yy.. No caso dos planos,
No caso dos planos, os índices correspondem ao inverso do os índices correspondem ao inverso do valor das interseções do planovalor das interseções do plano com os eixos. Deste modo um plano
com os eixos. Deste modo um plano (100) corresponde a um plano paralelo aos eixos(100) corresponde a um plano paralelo aos eixos yy ee zz
enquanto que um plano (010)
enquanto que um plano (010) corresponde a um plano paralelo aos corresponde a um plano paralelo aos eixoseixos xx ee zz..
Figura 2.6
Figura 2.7
-Figura 2.7 - Planos cristalinos em uma estrutura cúbicaPlanos cristalinos em uma estrutura cúbica(3)(3)..
2.6 - Defeitos na Estrutura Cristalina 2.6 - Defeitos na Estrutura Cristalina
Embora até aqui tenhamos representado uma estrutura cristalina como uma rede de Embora até aqui tenhamos representado uma estrutura cristalina como uma rede de pontos
pontos que que se se distribui distribui regularmente regularmente pelo pelo espaço com espaço com átomos a átomos a ela ela associados e associados e tambémtambém regularmente distribuídos, isto não acontece nos materiais cristalinos reais. Todos os regularmente distribuídos, isto não acontece nos materiais cristalinos reais. Todos os materiais cristalinos possuem um certo número de defeitos os quais podem influir materiais cristalinos possuem um certo número de defeitos os quais podem influir decisivamente em suas propriedades. Abaixo relacionaremos alguns dos principais defeitos decisivamente em suas propriedades. Abaixo relacionaremos alguns dos principais defeitos para que se tenha
para que se tenha idéia de como oidéia de como os mesmos se s mesmos se apresentam no reapresentam no reticulado cristalino.ticulado cristalino.
a. Lacunas a. Lacunas
Este defeito é caracterizado pela ausência de um átomo em uma posição que Este defeito é caracterizado pela ausência de um átomo em uma posição que deveria ser ocupada na e
deveria ser ocupada na estrutura cristalina. strutura cristalina. Isto gera uma deficiênIsto gera uma deficiência de ligações entre ocia de ligações entre oss átomos fazendo com que os mesmos tendam a se aproximar, o que provoca uma distorção átomos fazendo com que os mesmos tendam a se aproximar, o que provoca uma distorção na rede e produz um acúmulo de energia naquele ponto. Na figura 2.8 representamos este na rede e produz um acúmulo de energia naquele ponto. Na figura 2.8 representamos este defeito.
defeito.
b. Defeitos intersticiais. b. Defeitos intersticiais.
Caracteriza-se pela presença de um átomo em um interstício da estrutura cristalina. Caracteriza-se pela presença de um átomo em um interstício da estrutura cristalina. Neste caso o átomo pode ser do próprio eleme
Neste caso o átomo pode ser do próprio elemento que forma a estrutura, sendo chamnto que forma a estrutura, sendo chamado deado de defeito auto-intersticial, ou por um átomo estranho, chamado defeito de impureza defeito auto-intersticial, ou por um átomo estranho, chamado defeito de impureza intersticial. Pelo fato dos interstícios em uma estrutura serem pequenos com relação aos intersticial. Pelo fato dos interstícios em uma estrutura serem pequenos com relação aos átomos que abrigam, um defeito intersticial produz uma distorção e um acúmulo de energia átomos que abrigam, um defeito intersticial produz uma distorção e um acúmulo de energia muito maior do que uma lacuna. A figura 2.8 representa estes dois defeitos.
c. Discordâncias c. Discordâncias
Uma discordância é um defeito planar que envolve o posicionamento de uma série Uma discordância é um defeito planar que envolve o posicionamento de uma série de átomos. O caso mais comum deste tipo de defeito é o que é chamado de discordância de átomos. O caso mais comum deste tipo de defeito é o que é chamado de discordância em cunha, o qual é mostrado na figura 2.9. Neste caso uma discordância em cunha pode em cunha, o qual é mostrado na figura 2.9. Neste caso uma discordância em cunha pode ser vista como um plano extra de átomos, produzindo um efeito de cunha no reticulado. ser vista como um plano extra de átomos, produzindo um efeito de cunha no reticulado. Por envolver um grande número de átomos uma discordância envolve um acúmulo de Por envolver um grande número de átomos uma discordância envolve um acúmulo de energia muito maior do que um defeito de lacuna ou intersticial.
energia muito maior do que um defeito de lacuna ou intersticial.
Figura 2.8
-Figura 2.8 - Representação dos defeitos de lacuna, defeito auto-intersticial e defeito deRepresentação dos defeitos de lacuna, defeito auto-intersticial e defeito de impureza intersticial
impureza intersticial(6)(6)..
As discordâncias exercem um papel muito importante na deformação plástica pois As discordâncias exercem um papel muito importante na deformação plástica pois são elas que permitem o
são elas que permitem o escorregamento de planos cristalinos que produzem a deformação.escorregamento de planos cristalinos que produzem a deformação. Se a discordância estiver livre para se deslocar pelo reticulado cristalino a deformação se Se a discordância estiver livre para se deslocar pelo reticulado cristalino a deformação se produz
produz facilmente, ao facilmente, ao passo que passo que se se existirem existirem defeitos defeitos como os como os intersticiais intersticiais ou ou a a presençapresença de precipitados, o deslocamento será dificultado restringindo a deformação. Isto irá se de precipitados, o deslocamento será dificultado restringindo a deformação. Isto irá se refletir em um aumento do limite de
refletir em um aumento do limite de escoamento do metal.escoamento do metal.
Figura 2.9
d. Contorno de grão d. Contorno de grão
Em um material real,
Em um material real, não temos uma estrutura cristalina não temos uma estrutura cristalina com uma única orientação.com uma única orientação. Se observarmos a orientação da estrutura
Se observarmos a orientação da estrutura de um material veremos que ela é de um material veremos que ela é subdividida emsubdividida em um grande número de zonas, cada uma delas com uma orientação diferente, isto é, cada um grande número de zonas, cada uma delas com uma orientação diferente, isto é, cada uma das zonas forma um cristal
uma das zonas forma um cristal independente. A estes cristais que possuem uma orientaçãoindependente. A estes cristais que possuem uma orientação particular chamamos de
particular chamamos de grãos. Na grãos. Na figura 2.10 figura 2.10 temos uma rtemos uma representação da disposição dosepresentação da disposição dos átomos no interior dos grãos. Todos os grãos de uma mesma fase do material possuem a átomos no interior dos grãos. Todos os grãos de uma mesma fase do material possuem a mesma estrutura cristalina, diferindo somente na orientação. A conseqüência desta mesma estrutura cristalina, diferindo somente na orientação. A conseqüência desta orientação diferente é que na fronteira entre os grãos existe uma zona de transição entre orientação diferente é que na fronteira entre os grãos existe uma zona de transição entre duas orientações e, por isso, os átomos que fazem parte desta fronteira estão mal duas orientações e, por isso, os átomos que fazem parte desta fronteira estão mal organizados e com um nível mais alto de energia. A esta região chamamos de contorno de organizados e com um nível mais alto de energia. A esta região chamamos de contorno de grão.
grão.
O contorno de grão exerce um papel importante nas transformações de fase, onde a O contorno de grão exerce um papel importante nas transformações de fase, onde a maior energia dos átomos favorece a nucleação, e na deformação plástica, onde tem a maior energia dos átomos favorece a nucleação, e na deformação plástica, onde tem a função de restringir o
função de restringir o movimento das discordâncias.movimento das discordâncias.
Figura 2.10
-Figura 2.10 - Representação da distribuição dos átomos em um Representação da distribuição dos átomos em um material policristalinomaterial policristalino(15)(15)..
2.7 - Estrutura do Ferro Puro 2.7 - Estrutura do Ferro Puro 2.7.1 - Alotropia
2.7.1 - Alotropia
Alotropia é a propriedade que têm certos materiais de mudarem de estrutura Alotropia é a propriedade que têm certos materiais de mudarem de estrutura cristalina dependendo da temperatura em que estiverem. O ferro puro possui esta cristalina dependendo da temperatura em que estiverem. O ferro puro possui esta propriedade, podendo
propriedade, podendo ter ter os os seus átomos seus átomos organizados em organizados em uma uma estrutura estrutura CCC CCC ou ou em em umauma estrutura CFC. Desde a temperatura ambiente até 912
estrutura CFC. Desde a temperatura ambiente até 912°°C o ferro apresenta uma estruturaC o ferro apresenta uma estrutura
cristalina CCC e nestas condições é chamado de ferro
cristalina CCC e nestas condições é chamado de ferro αα. De 912. De 912°°C até 1394C até 1394°°C apresentaC apresenta
estrutura CFC e é chamado de ferro
1538
1538°°C volta a apresentar estrutura CCC, sendo chamado de ferroC volta a apresentar estrutura CCC, sendo chamado de ferro δδ. Estas alterações na. Estas alterações na
estrutura cristalina produzem uma série de implicações tanto nas transformações do ferro estrutura cristalina produzem uma série de implicações tanto nas transformações do ferro puro quanto nas
puro quanto nas ligas de ligas de ferro. Por ferro. Por exemplo, anteriormente foi citado exemplo, anteriormente foi citado que a estrutura que a estrutura CCCCCC tem um fator de empacotamento de 0,68 enquanto que uma estrutura CFC tem um fator de tem um fator de empacotamento de 0,68 enquanto que uma estrutura CFC tem um fator de empacotamento 0,74. Quando o ferro passa de CCC para CFC a 912
empacotamento 0,74. Quando o ferro passa de CCC para CFC a 912 °°C, esta diferença noC, esta diferença no
fator de empacotamento provoca uma redução no volume e
fator de empacotamento provoca uma redução no volume e um aumento na densidade.um aumento na densidade.
2.7.2 - Solução do
2.7.2 - Solução do Carbono no FerroCarbono no Ferro
A aplicação mais importante da transformação alotrópica do ferro se encontra nas A aplicação mais importante da transformação alotrópica do ferro se encontra nas ligas ferro-carbono. O carbono forma uma solução sólida intersticial com o ferro, isto é, os ligas ferro-carbono. O carbono forma uma solução sólida intersticial com o ferro, isto é, os átomos de carbono se colocam nos interstícios da estrutura cristalina do ferro. A átomos de carbono se colocam nos interstícios da estrutura cristalina do ferro. A conseqüência prática deste tipo de solução é que teremos uma liga de baixo custo e com conseqüência prática deste tipo de solução é que teremos uma liga de baixo custo e com possibilidades de
possibilidades de uma grande variação uma grande variação nas propriedades dependendo do nas propriedades dependendo do teor de teor de carbono ecarbono e do tratamento térmico utilizado.
do tratamento térmico utilizado. Nas
Nas figuras figuras 2.4 2.4 e e 2.5 2.5 mostramos mostramos os os interstícios interstícios tetraédricos tetraédricos e e octaédricos octaédricos queque ocorrem nas estruturas CCC e CFC. Estes interstícios variam de tamanho de acordo com a ocorrem nas estruturas CCC e CFC. Estes interstícios variam de tamanho de acordo com a estrutura, isto é, os interstícios da estrutura CCC são menores do que os da estrutura CFC. estrutura, isto é, os interstícios da estrutura CCC são menores do que os da estrutura CFC. Isto significa que de acordo com o tamanho do interstício teremos um menor ou maior Isto significa que de acordo com o tamanho do interstício teremos um menor ou maior espaço disponível para que um átomo
espaço disponível para que um átomo de uma solução intersticial venha se de uma solução intersticial venha se colocar naquelacolocar naquela posição.
posição. Como Como os os átomos átomos que que entram entram em em solução solução são são sempre sempre maiores maiores do do que que osos interstícios, cada átomo intersticial produzirá uma certa quantidade de distorção do interstícios, cada átomo intersticial produzirá uma certa quantidade de distorção do reticulado cristalino e quanto menor for o interstício maior será a distorção. No caso da reticulado cristalino e quanto menor for o interstício maior será a distorção. No caso da estrutura CCC os raios atômicos máximos possíveis para que não haja distorção estrutura CCC os raios atômicos máximos possíveis para que não haja distorção correspondem a 0,29R para os interstícios tetraédricos e 0,15R para os interstícios correspondem a 0,29R para os interstícios tetraédricos e 0,15R para os interstícios octaédricos, onde R é o raio atômico do átomo que forma a estrutura. Na estrutura CFC octaédricos, onde R é o raio atômico do átomo que forma a estrutura. Na estrutura CFC estes valores correspondem a 0,23R para os interstícios tetraédricos e 0,41R para os estes valores correspondem a 0,23R para os interstícios tetraédricos e 0,41R para os interstícios octaédricos.
interstícios octaédricos. No
No caso da caso da liga liga ferro-carbono estes ferro-carbono estes valores correspondem valores correspondem a a 0,36 0,36 ângstrons e ângstrons e 0,190,19 ângstrons para a estrutura CCC, onde o raio atômico do ferro é 1,24 ângstrons, e 0,29 ângstrons para a estrutura CCC, onde o raio atômico do ferro é 1,24 ângstrons, e 0,29 ângstrons e 0,52 ângstrons para a estrutura CFC, onde o raio atômico do ferro é 1,27 ângstrons e 0,52 ângstrons para a estrutura CFC, onde o raio atômico do ferro é 1,27 ângstrons. Como o raio atômico do carbono é de aproximadamente 0,77 ângstrons é fácil ângstrons. Como o raio atômico do carbono é de aproximadamente 0,77 ângstrons é fácil notar que em qualquer situação teremos uma distorção do reticulado sempre que um
notar que em qualquer situação teremos uma distorção do reticulado sempre que um átomoátomo de carbono se colocar em um interstício. Nas figuras 2.11 e 2.12 podemos ver uma de carbono se colocar em um interstício. Nas figuras 2.11 e 2.12 podemos ver uma
representação desta situação. Quando se forma a solução ferro-carbono os átomos de representação desta situação. Quando se forma a solução ferro-carbono os átomos de carbono irão se alojar nos interstícios octaédricos, pois estes propiciam uma melhor carbono irão se alojar nos interstícios octaédricos, pois estes propiciam uma melhor acomodação, o que implica em uma menor energia
acomodação, o que implica em uma menor energia de distorção.de distorção.
Do acima exposto pode-se entender facilmente que deverá haver uma menor Do acima exposto pode-se entender facilmente que deverá haver uma menor solubilidade do carbono no ferro
solubilidade do carbono no ferro αα do que no ferrodo que no ferro γγ. No caso do ferro. No caso do ferro αα a solubilidadea solubilidade
máxima do carbono é de aproximadamente 0,025% em peso ou 0,1% em número de máxima do carbono é de aproximadamente 0,025% em peso ou 0,1% em número de átomos, na temperatura de 727
átomos, na temperatura de 727°°C, enquanto que no ferroC, enquanto que no ferro γγ a solubilidade máxima é dea solubilidade máxima é de
2,1% em peso ou 9% em número de átomos, na temperatura de 1148 2,1% em peso ou 9% em número de átomos, na temperatura de 1148°°C.C.
Figura 2.11
-Figura 2.11 - Relação entre o tamanho do átomo de carbono e o interstício octaédrico emRelação entre o tamanho do átomo de carbono e o interstício octaédrico em uma estrutura CCC
uma estrutura CCC(15)(15)..
Figura 2.12
-Figura 2.12 - Relação entre o tamanho do átomo de carbono e o interstício octaédrico emRelação entre o tamanho do átomo de carbono e o interstício octaédrico em uma estrutura CFC
3 - Diagrama Ferro-Carbono
3 - Diagrama Ferro-Carbono
As ligas ferro-carbono ainda hoje representam os materiais de maior utilização As ligas ferro-carbono ainda hoje representam os materiais de maior utilização prática. Isto
prática. Isto se deve se deve ao fato ao fato de que de que estas ligas estas ligas podem apresentar uma podem apresentar uma grande variação grande variação nasnas suas propriedades pela simples variação na quantidade de
suas propriedades pela simples variação na quantidade de carbono e ainda possibilitam quecarbono e ainda possibilitam que se tenha uma gama maior de
se tenha uma gama maior de propriedades se considerarmos a possibilidade de deformaçãopropriedades se considerarmos a possibilidade de deformação plástica e os tratamentos térmicos. A base para que este material
plástica e os tratamentos térmicos. A base para que este material tenha estas característicastenha estas características está principalmente atrelado ao fato de que o f
está principalmente atrelado ao fato de que o ferro puro apresenta transformação alotrópicaerro puro apresenta transformação alotrópica e que o carbono forma uma solução sólida intersticial com o ferro. Isto conduz a uma série e que o carbono forma uma solução sólida intersticial com o ferro. Isto conduz a uma série de possibilidades de transformações, cada uma com suas microestruturas típicas, de possibilidades de transformações, cada uma com suas microestruturas típicas, resultando na grande variação das propriedades. As transformações em uma liga resultando na grande variação das propriedades. As transformações em uma liga ferro-carbono são influenciadas basicamente pela temperatura e pelo teor de ferro-carbono. Se carbono são influenciadas basicamente pela temperatura e pelo teor de carbono. Se considerarmos apenas este dois fatores poderemos montar um mapa das transformações considerarmos apenas este dois fatores poderemos montar um mapa das transformações que irão ocorrer, o qual será chamado de
que irão ocorrer, o qual será chamado de diagrama de equilíbriodiagrama de equilíbrio. Na figura 3.1 podemos. Na figura 3.1 podemos ver o diagrama de equilíbrio da liga ferro carbono e na figura 3.2 temos um detalhe deste ver o diagrama de equilíbrio da liga ferro carbono e na figura 3.2 temos um detalhe deste mesmo diagrama. Nesta representação podemos ver as fases que estarão presentes para mesmo diagrama. Nesta representação podemos ver as fases que estarão presentes para cada temperatura e composição e também os pontos que são fundamentais para a cada temperatura e composição e também os pontos que são fundamentais para a compreensão das transformações. A seguir faremos algumas considerações a respeito do compreensão das transformações. A seguir faremos algumas considerações a respeito do diagrama.
diagrama.
Em primeiro lugar deve ser observado que o diagrama vai somente até 6,69% de Em primeiro lugar deve ser observado que o diagrama vai somente até 6,69% de carbono. Isto
carbono. Isto se deve se deve ao fato de ao fato de que que as ligas as ligas acima deste acima deste teor não teor não têm qualquer têm qualquer importância comercial. Em segundo lugar deve ficar claro que as ligas comerciais não são importância comercial. Em segundo lugar deve ficar claro que as ligas comerciais não são constituídas apenas por ferro e carbono, mas podem ter em sua composição outros constituídas apenas por ferro e carbono, mas podem ter em sua composição outros elementos de liga além de pequenas quantidades de impurezas que são inerentes ao elementos de liga além de pequenas quantidades de impurezas que são inerentes ao processo de obtenção do
processo de obtenção do material. Assim sendo, o material. Assim sendo, o diagrama apresentado na figura diagrama apresentado na figura 3.1 não3.1 não representa fielmente o que sucede na prática, mas como pequenas quantidades de outros representa fielmente o que sucede na prática, mas como pequenas quantidades de outros elementos não p
elementos não produzem grandes roduzem grandes alterações, podealterações, podemos mos utilizá-lo como base utilizá-lo como base para o nossopara o nosso estudo.
estudo.
O diagrama ferro-carbono utilizado na prática na realidade é um falso diagrama de O diagrama ferro-carbono utilizado na prática na realidade é um falso diagrama de equilíbrio, isto é, ele representa o equilíbrio metaestável entre ferro e um carboneto de equilíbrio, isto é, ele representa o equilíbrio metaestável entre ferro e um carboneto de ferro chamado
ferro chamado cementitacementita que tem fórmula estequiométrica Feque tem fórmula estequiométrica Fe33C. O fato é que a formaC. O fato é que a forma
mais estável da liga ferro-carbono seria ferro e grafita mas como a grafita pode levar até mais estável da liga ferro-carbono seria ferro e grafita mas como a grafita pode levar até mesmo anos para se formar, o diagrama estável não possui aplicação prática. Na figura 3.1 mesmo anos para se formar, o diagrama estável não possui aplicação prática. Na figura 3.1
o diagrama estável ferro-grafita está representado pelas linhas tracejadas e o diagrama o diagrama estável ferro-grafita está representado pelas linhas tracejadas e o diagrama metaestável ferro-cementita está representado por linhas contínuas.
metaestável ferro-cementita está representado por linhas contínuas.
Em um diagrama de equilíbrio as fases são sempre representadas por letras gregas Em um diagrama de equilíbrio as fases são sempre representadas por letras gregas mas no caso das ligas ferro-carbono estas fases além de serem identificadas por letras mas no caso das ligas ferro-carbono estas fases além de serem identificadas por letras gregas também receberam um nome. Desta forma teremos as fases denominadas ferrita, gregas também receberam um nome. Desta forma teremos as fases denominadas ferrita, austenita e cementita, que podem ou não estar presentes na microestrutura do material, austenita e cementita, que podem ou não estar presentes na microestrutura do material, dependendo do teor de carbono e
dependendo do teor de carbono e da temperatura.da temperatura.
Figura 3.1
-Figura 3.1 - Diagrama de equilíbrio ferro-carbonoDiagrama de equilíbrio ferro-carbono(10)(10)..
Observando-se o diagrama nota-se que este apresenta vários pontos que merecem Observando-se o diagrama nota-se que este apresenta vários pontos que merecem ser destacados. O primeiro deles é o que corresponde a uma composição de 2,11% de ser destacados. O primeiro deles é o que corresponde a uma composição de 2,11% de carbono a 1148
caracterizadas como aços e as ligas que são caracterizadas como ferro fundido. Assim, aço caracterizadas como aços e as ligas que são caracterizadas como ferro fundido. Assim, aço é uma liga com menos de 2,11% de carbono e ferro fundido é uma liga com mais de 2,11% é uma liga com menos de 2,11% de carbono e ferro fundido é uma liga com mais de 2,11% de carbono. A escolha deste ponto deve-se ao fato
de carbono. A escolha deste ponto deve-se ao fato de que, quando resfriamos um aço desdede que, quando resfriamos um aço desde o estado líquido, este sempre passará por uma faixa de temperaturas em que a sua o estado líquido, este sempre passará por uma faixa de temperaturas em que a sua microestrutura será composta de uma única fase chamada
microestrutura será composta de uma única fase chamada austenitaaustenita, o que não acontece, o que não acontece para os ferros fundidos q
para os ferros fundidos que possuem teue possuem teores de carbono aores de carbono acima deste valor.cima deste valor. A
A austenitaaustenita, também chamada, também chamada fasefase , é uma fase derivada do ferro, é uma fase derivada do ferro γγ que como seque como se
sabe é formado por uma estrutura cúbica de faces centradas. Quando combinamos o ferro sabe é formado por uma estrutura cúbica de faces centradas. Quando combinamos o ferro com o carbono forma-se uma solução sólida intersticial em que é mantida a estrutura com o carbono forma-se uma solução sólida intersticial em que é mantida a estrutura cristalina original do ferro
cristalina original do ferro γγ..
Figura 3.2
Para temperaturas inferiores, o fato de o ferro
Para temperaturas inferiores, o fato de o ferro γγ passar para ferropassar para ferro αα produz oproduz o
aparecimento de uma nova fase chamada
aparecimento de uma nova fase chamada fasefase ouou ferritaferrita. A ferrita também é uma. A ferrita também é uma solução sólida intersticial de ferro e carbono e, a exemplo da fase
solução sólida intersticial de ferro e carbono e, a exemplo da fase γγ, é mantida a estrutura, é mantida a estrutura
cristalina cúbica de corpo centrado do ferro cristalina cúbica de corpo centrado do ferro αα..
Devido ao fato de que as duas fases citadas acima possuem diferenças em sua Devido ao fato de que as duas fases citadas acima possuem diferenças em sua estrutura cristalina, existe também uma grande diferença de solubilidade do carbono entre estrutura cristalina, existe também uma grande diferença de solubilidade do carbono entre elas. Como já foi visto no capítulo 2, os interstícios da estrutura CFC são maiores do que elas. Como já foi visto no capítulo 2, os interstícios da estrutura CFC são maiores do que os interstícios da estrutura CCC. Isto conduz a uma solubilidade do carbono que pode os interstícios da estrutura CCC. Isto conduz a uma solubilidade do carbono que pode chegar a 2,11% (aproximadamente 9% em átomos) na temperatura de 1148
chegar a 2,11% (aproximadamente 9% em átomos) na temperatura de 1148°°C para aC para a
austenita e somente 0,025% (aproximadamente 0,1% em átomos) a
austenita e somente 0,025% (aproximadamente 0,1% em átomos) a 727727°°C para a ferrita.C para a ferrita.
Como pode ser observado no diagrama, a solubilidade do carbono não é fixa para Como pode ser observado no diagrama, a solubilidade do carbono não é fixa para estas fases, podendo variar com a temperatura. Desta maneira a austenita e a ferrita só estas fases, podendo variar com a temperatura. Desta maneira a austenita e a ferrita só apresentarão a sua solubilidade máxima nas temperaturas indicadas acima, variando tanto apresentarão a sua solubilidade máxima nas temperaturas indicadas acima, variando tanto para
para temperaturas superiores temperaturas superiores como para como para temperaturas inferiores. temperaturas inferiores. Além Além disso, disso, o o carbono écarbono é um elemento estabilizador da austenita, e como podemos ver no diagrama, quando um elemento estabilizador da austenita, e como podemos ver no diagrama, quando tivermos ferro puro a temperatura mínima em que a austenita é estável é de 912
tivermos ferro puro a temperatura mínima em que a austenita é estável é de 912°°C mas àC mas à
medida que o teor de carbono cresce esta temperatura vai diminuindo até que, para 0,77% medida que o teor de carbono cresce esta temperatura vai diminuindo até que, para 0,77% de carbono chegamos ao mínimo de 727
de carbono chegamos ao mínimo de 727°°C. A partir daí a temperatura aumenta novamenteC. A partir daí a temperatura aumenta novamente
até atingirmos o máximo de 2,11% para 1148
até atingirmos o máximo de 2,11% para 1148°°C. No caso da ferrita ela é estável até 912C. No caso da ferrita ela é estável até 912°°CC
na ausência de carbono e à medida em
na ausência de carbono e à medida em que aumenta o teor a tque aumenta o teor a temperatura diminui até que seemperatura diminui até que se atinja a solubilidade máxima de 0,025%C a 727
atinja a solubilidade máxima de 0,025%C a 727°°C. Abaixo desta temperatura aC. Abaixo desta temperatura a
solubilidade diminui novamente chegando praticamente a zero na t
solubilidade diminui novamente chegando praticamente a zero na temperatura ambiente.emperatura ambiente. Como existe um limite de solubilidade do carbono tanto na austenita quanto na Como existe um limite de solubilidade do carbono tanto na austenita quanto na ferrita, o excesso de carbono poderá propiciar a formação de uma terceira fase que é ferrita, o excesso de carbono poderá propiciar a formação de uma terceira fase que é chamada de
chamada de cementitacementita e que e que possui estrutura possui estrutura cristalina ortorrômbica, cristalina ortorrômbica, ainda ainda em soluçãem soluçãoo sólida intersticial com 6,69% de carbono. Isto acontece para teores de carbono maiores do sólida intersticial com 6,69% de carbono. Isto acontece para teores de carbono maiores do que 0,77% acima de 727
que 0,77% acima de 727°°C e abaixo de 1148C e abaixo de 1148°°C e, para teores maiores do que 0,025%,C e, para teores maiores do que 0,025%,
abaixo de 727
abaixo de 727°°C. Desta maneira teremos no diagrama regiões em que o C. Desta maneira teremos no diagrama regiões em que o aço é monofásico eaço é monofásico e
regiões em que é bifásico. As regiões monofásicas podem ser formadas por austenita ou regiões em que é bifásico. As regiões monofásicas podem ser formadas por austenita ou por
por ferrita ferrita e e as as regiões regiões bifásicas bifásicas podem podem ser ser formadas formadas por por austenita austenita e e ferrita, ferrita, austenita austenita ee cementita ou ferrita e cementita.
cementita ou ferrita e cementita.
Outro ponto importante que deve ser observado é o que ocorre para a composição Outro ponto importante que deve ser observado é o que ocorre para a composição de 0,77% de carbono a 727
diagrama em que temos a convivência simultânea das três fases citadas acima, isto é, diagrama em que temos a convivência simultânea das três fases citadas acima, isto é, quando resfriamos o aço teremos a transformação da austenita em ferrita e cementita. quando resfriamos o aço teremos a transformação da austenita em ferrita e cementita. Especificamente para esta composição a temperatura permanece constante enquanto a Especificamente para esta composição a temperatura permanece constante enquanto a transformação não se completar totalmente. Adiante esta transformação será tratada com transformação não se completar totalmente. Adiante esta transformação será tratada com mais detalhes.
mais detalhes.
Quando tivermos outros elementos fazendo parte da composição do aço, o teor de Quando tivermos outros elementos fazendo parte da composição do aço, o teor de carbono correspondente ao ponto eutetóide será deslocado mais para a esquerda ou para a carbono correspondente ao ponto eutetóide será deslocado mais para a esquerda ou para a direita e a temperatura em que ocorre esta reação irá aumentar ou diminuir. Esta é uma das direita e a temperatura em que ocorre esta reação irá aumentar ou diminuir. Esta é uma das influências dos elementos de liga dos aços que está retratada na figura 3.3. As outras influências dos elementos de liga dos aços que está retratada na figura 3.3. As outras influências do elementos de liga
influências do elementos de liga serão analisadas nos capítulos subsequentes.serão analisadas nos capítulos subsequentes.
Figura 3.3
-Figura 3.3 - Influência dos elementos de liga na temperatura eutetóide e na composiçãoInfluência dos elementos de liga na temperatura eutetóide e na composição eutetóide de um aço
4 - Microestrutura dos Aços
4 - Microestrutura dos Aços
Conforme já foi salientado no capítulo anterior, aços são ligas ferro-carbono que Conforme já foi salientado no capítulo anterior, aços são ligas ferro-carbono que contém até 2,11% em peso de carbono. Esta é a quantidade máxima de carbono que contém até 2,11% em peso de carbono. Esta é a quantidade máxima de carbono que podemos ter na austenita a 114
podemos ter na austenita a 11488°°C. Na prática, entretanto, os aços raramente ultrapassam oC. Na prática, entretanto, os aços raramente ultrapassam o
teor de carbono de 1,0%. Teores maiores do que este somente são encontrados em aços teor de carbono de 1,0%. Teores maiores do que este somente são encontrados em aços ligados, geralmente com altos teores de liga como é o caso dos aços utilizados para a ligados, geralmente com altos teores de liga como é o caso dos aços utilizados para a fabricação de matrizes e ferramentas. Neste capítulo estudaremos as transformações que fabricação de matrizes e ferramentas. Neste capítulo estudaremos as transformações que ocorrem nos aços sem elementos de liga quando estes forem resfriados lentamente desde o ocorrem nos aços sem elementos de liga quando estes forem resfriados lentamente desde o estado austenítico até a
estado austenítico até a temperatura ambiente.temperatura ambiente.
4.1 - Aço Eutetóide 4.1 - Aço Eutetóide
Aço eutetóide é um aço que tem um teor de carbono de 0,77%. Esta é uma Aço eutetóide é um aço que tem um teor de carbono de 0,77%. Esta é uma composição particular encontrada no diagrama ferro-carbono em que existe a composição particular encontrada no diagrama ferro-carbono em que existe a transformação de austenita para ferrita e cementita. Como já foi citado anteriormente, a transformação de austenita para ferrita e cementita. Como já foi citado anteriormente, a esta reação é dado o nome de reação eutetóide que é uma reação em que temos a esta reação é dado o nome de reação eutetóide que é uma reação em que temos a transformação de uma fase sólida (austenita) em duas fases sólidas (ferrita e cementita). transformação de uma fase sólida (austenita) em duas fases sólidas (ferrita e cementita).
A reação eutetóide é uma reação que se processa lentamente, pois é um processo A reação eutetóide é uma reação que se processa lentamente, pois é um processo em que temos que ter migração dos átomos de carbono para que as novas fases sejam em que temos que ter migração dos átomos de carbono para que as novas fases sejam formadas.
formadas.
A forma como ocorre esta transformação está ilustrada na figura 4.1 e pode ser A forma como ocorre esta transformação está ilustrada na figura 4.1 e pode ser descrita da seguinte maneira:
descrita da seguinte maneira:
- quando um aço de composição eutetóide é resfriado desde o campo austenítico e - quando um aço de composição eutetóide é resfriado desde o campo austenítico e chega à temperatura eutetóide de 727
chega à temperatura eutetóide de 727°°C, a estrutura CFC da austenita torna-se instável eC, a estrutura CFC da austenita torna-se instável e
para
para que que o o material material permaneça permaneça estável estável é é necessário necessário que que haja haja uma uma transformação transformação dede estrutura. A estrutura que irá se formar é uma estrutura CCC que é a ferrita. Esta passagem estrutura. A estrutura que irá se formar é uma estrutura CCC que é a ferrita. Esta passagem de uma estrutura CFC para outra CCC é induzida pela transformação alotrópica do ferro de uma estrutura CFC para outra CCC é induzida pela transformação alotrópica do ferro puro, a qual també
puro, a qual também é conseqüênm é conseqüência de uma variaçcia de uma variação na energia livre.ão na energia livre.
Ocorre, porém, que a ferrita é uma fase em que a solubilidade do carbono é muito Ocorre, porém, que a ferrita é uma fase em que a solubilidade do carbono é muito menor do que na austenita e neste caso haverá uma quantidade de carbono excedente que menor do que na austenita e neste caso haverá uma quantidade de carbono excedente que irá formar outra fase que é
irá formar outra fase que é a cementita.a cementita.
A formação da ferrita se dá a partir de pontos de maior energia, como por exemplo A formação da ferrita se dá a partir de pontos de maior energia, como por exemplo os contornos de grão, e vai crescendo em direção ao centro do grão. À medida em que a os contornos de grão, e vai crescendo em direção ao centro do grão. À medida em que a ferrita cresce, o carbono em excesso vai sendo expulso para as regiões adjacentes, dando ferrita cresce, o carbono em excesso vai sendo expulso para as regiões adjacentes, dando
origem à cementita. Como existe a
origem à cementita. Como existe a formação quase simultânea de vários núcleos de ferrita,formação quase simultânea de vários núcleos de ferrita, a estrutura resultante passará a
a estrutura resultante passará a ser composta de regiões alternadas de ferrita e de cementita.ser composta de regiões alternadas de ferrita e de cementita. Como conseqüência, ao final da transformação, toda a estrutura do aço será formada por Como conseqüência, ao final da transformação, toda a estrutura do aço será formada por lamelas de ferrita e cementita. Observada ao microscópio esta estrutura lembra uma lamelas de ferrita e cementita. Observada ao microscópio esta estrutura lembra uma impressão digital e recebe o nome de
impressão digital e recebe o nome de perlitaperlita. A forma característica de como se apresenta. A forma característica de como se apresenta a perlita pode ser vista nas f
a perlita pode ser vista nas figuras 4.2 e 4.3.iguras 4.2 e 4.3.
Figura 4.1
-Figura 4.1 - Transformação da austenita em ferrita e cementitaTransformação da austenita em ferrita e cementita(11)(11)..
Um aço com estrutura perlítica apresenta uma razoável resistência mecânica . Um aço com estrutura perlítica apresenta uma razoável resistência mecânica . Ocorre que a
Ocorre que a ferrita está diretamente rferrita está diretamente reforçada pela cementita. A composição de duas faseseforçada pela cementita. A composição de duas fases propicia
propicia um um aço aço de de boa boa resistência resistência mecânica e mecânica e boa boa resistência ao resistência ao desgaste com desgaste com sacrifíciosacrifício da ductilidade e da tenacidade do material.
da ductilidade e da tenacidade do material.
Figura 4.2
-Figura 4.2 - Microestrutura representando Microestrutura representando a perlita. As lamea perlita. As lamelas claras las claras são compostas são compostas por por ferrita e as escuras são compostas por cementita
