As Estruturas Cristalinas do Ferro€¦ · · 2014-10-15Interstícios e Carbono nas Redes do Ferro155 • R int ccc = 0,019 nm • R int cfc = 0,051 nm • R carbono = 0,077 nm

153

As Estruturas Cristalinas do Ferro

• O Ferro apresenta diferentes estruturas cristalinas,

dependendo da temperatura – alotropia

• De Tamb até 912oC

Cúbica de corpo centrado

Ferrita ou a-Ferro

• De 912oC até 1394oC

Cúbica de face centrada

Austenita ou g-Ferro

• Temperatura de fusão: 1538oC

154

O Conceito de Ligas Metálicas

Metal Puro 99,99999%

Impurezas Elementos de liga

Solução sólida Segunda fase

Não há formação de novas estruturas O soluto está uniformemente distribuído na rede

Solutos que não

queremos

Solutos que

queremos

Um novo

composto

Solvente

155

Interstícios e Carbono nas Redes do Ferro

• Rintccc = 0,019 nm

• Rintcfc = 0,051 nm

• Rcarbono = 0,077 nm

• Assim, o átomo de carbono é maior

do que o interstício e fica sob

compressão.

A presença de carbono distorce a

rede, contribuindo para endurecer o

material.

A concentração máxima de carbono

na ferrita é muito baixa (0,022 wt%)

Como o interstício central da cfc é

cerca de 2,7X maior, a concentração

máxima de carbono na austenita é

muito maior (2,11 wt%)

Átomo de soluto

ocupando um

interstício na rede

da Ferrita

Átomo de soluto

ocupando um

interstício na rede

da Austenita

156

Diagrama Eutetóide – Ferro Carbono

• Diagrama semelhante a um eutético, no qual ocorre uma

transição tipo eutética no estado sólido.

T(°C) L

g (austenita)

g + Fe3C

a + Fe3C

g + L

400

800

1200

1600

0.77

4.30 2.11

727°C

1148°C

912°C

1394°C

1538°C

1 2 3 4 5 6 6.7 Concentração (wt% C)

Cementita

(Fe3C)

(Fe)

a + g

a + g

0.77

0.022

g a

157

Diag. Fe-C - Características básicas

• Fases do Ferro puro

Tamb - 912°C => Fe na forma de Ferrita (a-Fe, CCC)

912°C-1394°C => Fe na forma de Austenita (g-Fe, CFC)

1394°C-1538°C => Fe na forma de Delta Ferrita (-Fe,CCC)

• Solubilidade do C em Fe

Na fase a - máximo de 0.022%

Na fase g - máximo de 2.11%

• Cementita - Fe3C

Composto estável que se forma quando a solubilidade máxima de carbono é excedida nas fases a e g .

Contém 6.7 wt% C {massa(1C)/massa (3Fe + 1C)}

É dura e quebradiça. A resistência de aços é aumentada pela sua presença.

158

Diag. Fe-C - Características básicas

• Reação eutética

A 1148°C ocorre a reação

L (4.3% C) <=> g (2.11% C) + Fe3C (6.7% C)

• Reação eutetóide

A 727°C ocorre a reação

g (0.77% C) <=> a (0.022% C) + Fe3C (6.7% C)

que é extremamente importante no tratamento térmico de aços.

• Classificação de ligas ferrosas

0-0.008 wt% C - Ferro puro

0.008-2.11 wt% C - aços (na prática < 1.2 wt%)

2.11-6.7 wt% C - ferros fundidos (na prática < 4.5 wt%)

159

Evolução microestrutural

• Composição eutetóide

g g

g g

g

g + Fe3C

0.77 wt% C

a + g 727°C

a

Inicialmente, temos apenas a fase g.

A uma temperatura imediatamente

abaixo da eutetóide toda a fase g se

transforma em perlita (ferrita + Fe3C) de

acordo com a reação eutetóide.

Estas duas fases tem concentrações de

carbono muito diferentes. Esta reação é

rápida. Não há tempo para haver grande

difusão de carbono. As fases se

organizam como lamelas alternadas de

ferrita e cementita.

Perlita

(a + Fe3C)

160

Composição Eutetóide

• Forma-se 100% de Perlita

Nome derivado da estrutura da madre

pérola observada ao microscópio.

Consiste na mistura das fases ferrita e

cementita. Formada pelo crescimento

cooperativo destas fases.

Apresenta propriedades intermediárias

entre a ferrita e a cementita dependendo

do tamanho e espaçamento das lamelas

de cementita.

Frações de ferrita e cementita dentro da

perlita, à temperatura ambiente.

%5,88885,007,6

77,07,6

aW %5,11115,01

3 aWW CFe

161

Evolução microestrutural (cont.)

• Composição hipo-eutetóide


Em seguida começa a surgir fase a

nas fronteiras de grão da fase g.


acima da eutétoide a fase a já cresceu,

ocupando completamente as fronteiras

da fase g. A concentração da fase a é

0.022 wt% C. A concentração da

fase g é 0.77 wt% C, eutetóide.



transforma em perlita (ferrita

eutetóide + Fe3C). A fase a, que não

muda, é denominada

ferrita pro-eutetóide.

g

a

g + Fe3C

a + g 727°C

g g

g g

g

g

a a

g g

g g

a

a + Fe3C

a pro-eutetóide

perlita

C0

162

• Considerando uma composição de

0,38 wt% de C, à temperatura ambiente

• A fração de perlita corresponde à

fração de austenita na temperatura

eutetóide, que se transforma

totalmente em perlita.

• Portanto, a fração de ferrita pró-

eutetóide é

Composição Hipo-eutetóide

%3,94943,007,6

38,07,6

aW %7,5057,01

3 aWW CFe

%9,47479,0022,077,0

022,03,0

perlitaW

%1,52521,01 perlitaWWpróa

apró

apró

apró

163

Evolução microestrutural (cont.)

• Composição hiper-eutetóide


Em seguida começa a surgir fase Fe3C

nas fronteiras de grão da fase g. A

concentração da Fe3C é constante igual

a 6.7 wt% C. A concentração da

austenita cai com a temperatura

seguindo a linha que separa o campo

g+Fe3C do campo g. A uma temperatura

imediatamente acima da eutetóide a

concentração da fase g é 0.77 wt% C,

eutétóide.



transforma em perlita. A fase Fe3C ,

que não muda, é denominada

cementita pro-eutetóide.

a

g + Fe3C

a + g 727°C

g g

g g g g

g g

a + Fe3C

Fe3C pro-eutetóide

perlita

C1

Fe3C

164

• Considerando uma composição de

1,2 wt% de C, à temperatura ambiente

• A fração de perlita corresponde à fração

de austenita na temperatura eutetóide,

que se transforma totalmente em perlita.

• Portanto, a fração de cementita pró-

eutetóide é

• que ocupa os contornos de grão da

perlita.

Composição Hiper-eutetóide

%1,82821,007,6

2,17,6

aW %9,17179,01

3 aWW CFe

%7,92927,077,07,6

2,17,6

perlitaW

%3,7073,013

perlitaCFe WWpró

Fe3Cpró

165

Exemplos de microestruturas

Aço hipo-eutetóide com 0.38 wt% C,

composto por ferrita pro-eutetóide (fase

clara) e perlita [fase com lamelas claras

(ferrita) e escuras (cementita)]. 635x.

Aço hiper-eutetóide com 1.20 wt% C,

composto por cementita pro-eutetóide (fase

clara) e perlita [fase com lamelas escuras

(ferrita) e claras (cementita)]. 1000x.

166

Proporções das fases

C0 C1

6.7 0.77 0.022

T U V X

Concentração de Carbono (wt%)

Wp T

T + U

C0 0.022

0.77 0.022

Fração de perlita

Wa ' U

T + U0.77 C0

0.77 0.022

Fração de ferrita pro-eutetóide

Wp X

V + X6.7 C1

6.7 0.77

Fração de perlita

Fração de cementita pro-eutetóide

WFe3

C V

V + X

C1 0.77

6.7 0.77

Hipo-eutetóide – C0 Hiper-eutetóide – C1

Fração de ferrita total Fração de cementita total

022,07,6

7,6 0

+++

++

C

XVUT

XVUW

totala022,07,6

022,01

3

+++

++

C

XVUT

VUTW

totalCFe

167

Glossário

• Austenita = g-Fe = fase g

• Ferrita = a-Fe = fase a

• Cementita = Fe3C (6.7 wt% C em Fe)

• Perlita = Ferrita e Cementita em lamelas alternadas

• Hipo = menor que - Hiper = maior que

• Ferrita pro-eutetóide = Ferrita que se forma a T >Teutetóide

p/composição hipo-eutetóide (<0.77 wt%C)

• Cementita pro-eutetóide = Cementita que se forma a

T >Teutetóide p/composição hiper-eutetóide.

168

Exemplos de Aplicações de Aços

169

Emprego dos Aços

Samsung

WF337

56 andares e

17 horas de incendio

170

Emprego dos Aços (cont.)

171

Aços Carbono

• A resistência aumenta com o teor de Carbono.

• A ductilidade diminui com o teor de Carbono.

• Oxidam-se facilmente.

• Suas propriedades deterioram-se a baixas e altas

temperaturas.

• São os mais usados e de mais baixo custo.

172

Aços Baixo Carbono

• Concentração de carbono: < 0,3 wt%

• Estrutura é usualmente ferrítica e perlítica.

• Baixa fração de perlita

• São fáceis de conformar e soldar

• Têm baixa resistência, alta ductilidade e tenacidade.

• Aplicações:

Chapas automobilísticas, perfis estruturais, placas para

produção de tubos, construção civil, latas de folhas de

flandres.

PerlitadeCdeExemplo %34022,077,0

022,028,0%28,0

173

Microestruturas


022,028,0%28,0

174

Aços Médio Carbono

• Concentração de carbono: 0,3-0,6 wt%.

• Apresentam a melhor combinação de tenacidade e

ductilidade e resistência mecânica.

• Fração intermediária de perlita.

• São aços que têm inúmeras aplicações em construção:

Rodas e equipamentos ferroviários, engrenagens,

virabrequins e outras peças de máquinas que necessitam de

elevadas resistências mecânica e ao desgaste, mas de menor

tenacidade e ductilidade do que o baixo carbono.


022,055,0%55,0

175

Microestruturas


022,055,0%55,0

176

Aços Alto Carbono

• Concentração de carbono: 0,6-1,2 wt%

• Apresentam baixa conformabilidade e tenacidade

• Alta fração de perlita

• Apresentam elevada resistência ao desgaste, mantendo

bom fio de corte.

• Aplicações

Talhadeiras, folhas de serrote, martelos e facas.


022,065,0%65,0

177

Microestrutura


022,065,0%65,0

178

Aços Especiais para a

Indústria Automobilística

179

Aços para Automóveis

• O desenvolvimento de aços de alta resistência para a

indústria automobilística tem por objetivo atender a

três das principais demandas desse setor:

Redução de peso,

Economia de combustível ,

Aumento da segurança do usuário.

• Para isso, utilizam-se aços com outros elementos de

liga e que sofrem tratamentos térmicos diferentes do

resfriamento lento associado aos diagramas de

equilíbrio apresentados até agora.

180

Tratamentos Térmicos e Fases Metaestáveis

• As fases mostradas nos diagramas só são formadas se o

resfriamento for lento.

É necessário dispor de tempo para que os átomos de

carbono se movam através da rede do ferro. Difusão.

• Caso o resfriamento seja rápido, fases de não

equilíbrio, metaestáveis, se formam.

Ex: Martensita – fase formada a partir do resfriamento

abrupto da austenita. Fase extremamente dura.

• Ao resfriamento abrupto se dá o nome de têmpera (em

inglês quenching).

181

Tipos de Aços

Codigo Tipo de Aço

Mild Mild Steel ( Aço Carbono)

BH Bake Hardenable (Aço Envelhecível)

IF Interstitial Free ( Aço livre de intersticiais)

HSLA ( ARBL) High Strength Low Alloy (Alta Resistencia Baixa Liga)

DP Dual Phase ( Aço Bifásico)

CP Complex Phase ( Aço Complexo)

Mart Martensitic (Martensítico)

TRIP Transformation Induced Plasticity ( Plasticidade

induzida por transformação)

http://www.worldautosteel.org/Projects/LCA-Study.aspx




182

Propriedades Mecânicas e Microestrutura

Limite de Resistência (MPa)

Alo

ngam

ento

%

IF

ISOTRÓPICO

BAKE HARDENABLE

TRIP DUAL PHASE HSLA MARTENSÍTICO

183

Vantagens dos Aços Avançados

• Advanced High-Strength Steel (AHSS)

Aços Avançados de Alta Resistência

21 a 25% redução no peso do “ body-in-white”

(monobloco)

9 % redução no peso total sem passageiros (curb weight)

5,1% redução de consumo de combustível

5,7% redução de emissões do ciclo de vida (CO2)

pouco ou nenhum aumento no custo de manufatura

184

Uso de Aços Avançados em Automóveis

• Os diferentes tipos de aços têm aplicação nos diversos

componentes das estruturas dos automóveis.

Proporções em peso dos

diversos tipos de aço e

localização na estrutura

de um automóvel.

185

Aplicação de Aços TRIP

• Aços TRIP são particularmente uteis para proteção de

impacto lateral.

A medida que o material se deforma e absorve a energia de

impacto, também se torna mais resistente e endurece

prevenindo o colapso total das seções laterais protegendo

os passageiros.

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