O que são Diagramas de Fase do Sistema Ferro-Carbono – Definição

Uma liga é uma mistura de dois ou mais materiais, pelo menos um dos quais é um metal. As ligas podem ter uma microestrutura que consiste em soluções sólidas, onde os átomos secundários são introduzidos como substitucionais ou intersticiais em uma rede cristalina. Uma liga também pode ser uma mistura de fases metálicas (duas ou mais soluções, formando uma microestrutura de diferentes cristais dentro do metal).

Mas todas as ligas podem existir em diferentes fases. Fases são estados fisicamente homogêneos de uma liga. Uma fase tem uma composição química precisa – um certo arranjo e ligação entre os átomos. Essa estrutura de átomos confere diferentes propriedades a diferentes fases. Diagramas de fase são representações gráficas das fases presentes em uma liga em diferentes condições de temperatura, pressão ou composição química.

Diagrama de fases do sistema ferro-carbono

As ligas ferrosas mais simples são conhecidas como aços e consistem em ferro (Fe) ligado com carbono (C) (cerca de 0,1% a 1%, dependendo do tipo). Adicionar uma pequena quantidade de carbono não metálico ao ferro troca sua grande ductilidade por maior resistência. Devido à sua resistência muito alta, mas tenacidade ainda substancial, e sua capacidade de ser muito alterada pelo tratamento térmico, o aço é uma das ligas ferrosas mais úteis e comuns em uso moderno. Na figura, há o carboneto de ferro-ferro (Fe-Fe₃C) diagrama de fases. A porcentagem de carbono presente e a temperatura definem a fase da liga de ferro-carbono e, portanto, suas características físicas e propriedades mecânicas. A porcentagem de carbono determina o tipo de liga ferrosa: ferro, aço ou ferro fundido.

Fases Comuns em Aços e Ferros

O tratamento térmico de aços requer uma compreensão tanto das fases de equilíbrio quanto das fases metaestáveis ​​que ocorrem durante o aquecimento e/ou resfriamento. Para os aços, as fases de equilíbrio estável incluem:

• Ferrita. A ferrita ou α-ferrita é uma fase de estrutura cúbica de corpo centrado do ferro que existe abaixo de temperaturas de 912°C para baixas concentrações de carbono no ferro. A α-ferrita só pode dissolver até 0,02% do carbono a 727°C. Isso ocorre devido à configuração da rede de ferro que forma uma estrutura cristalina BCC. A fase primária de baixo teor de carbono ou aço macio e a maioria dos ferros fundidos à temperatura ambiente é α-Fe ferromagnético.
• Austenita. A austenita, também conhecida como ferro de fase gama (γ-Fe), é uma fase de estrutura cúbica de face centrada não magnética do ferro. A austenita em ligas de ferro-carbono geralmente está presente apenas acima da temperatura eutetóide crítica (723°C) e abaixo de 1500°C, dependendo do teor de carbono. No entanto, pode ser mantido à temperatura ambiente por adições de ligas como níquel ou manganês. O carbono desempenha um papel importante no tratamento térmico, porque expande a faixa de temperatura de estabilidade da austenita. O teor de carbono mais alto reduz a temperatura necessária para austenitizar o aço – de modo que os átomos de ferro se rearranjam para formar uma estrutura de treliça FCC. A austenita está presente no tipo de aço inoxidável mais comumente usado, que é muito conhecido por sua resistência à corrosão.
• Grafite. Adicionar uma pequena quantidade de carbono não metálico ao ferro troca sua grande ductilidade por maior resistência.
• Cementita. A cementita (Fe₃C) é um composto metaestável e, em algumas circunstâncias, pode se dissociar ou se decompor para formar α-ferrita e grafite, de acordo com a reação: Fe₃C → 3Fe (α) + C (grafite). A cementita em sua forma pura é uma cerâmica e é dura e quebradiça, o que a torna adequada para o reforço de aços. Suas propriedades mecânicas são função de sua microestrutura, que depende de como ele é misturado com a ferrita.

As fases metaestáveis ​​são:

• Perlita. Na metalurgia, a perlita é uma estrutura metálica em camadas de duas fases, composta por camadas alternadas de ferrita (87,5% em peso) e cementita (12,5% em peso) que ocorre em alguns aços e ferros fundidos. É nomeado por sua semelhança com a madrepérola.
• Martensita. A martensita é uma estrutura metaestável muito dura com uma estrutura cristalina tetragonal de corpo centrado (BCT). A martensita é formada nos aços quando a taxa de resfriamento da austenita é tão alta que os átomos de carbono não têm tempo de se difundir para fora da estrutura cristalina em quantidades suficientes para formar a cementita (Fe₃C).
• Bainita. A bainita é uma microestrutura semelhante a uma placa que se forma nos aços a partir da austenita quando as taxas de resfriamento não são rápidas o
  suficiente para produzir martensita, mas ainda são rápidas o suficiente para que o carbono não tenha tempo suficiente para se difundir para formar a perlita. Os aços bainíticos são geralmente mais fortes e duros que os aços perlíticos; ainda assim, exibem uma combinação desejável de resistência e ductilidade.

Temperatura Crítica do Aço

A temperatura crítica do aço define a transição de fase entre duas fases do aço. À medida que o aço é aquecido acima da temperatura crítica, cerca de 1335°F (724°C), ele sofre uma mudança de fase, recristalizando como austenita. Existem dois tipos de temperatura crítica:

• Temperatura crítica mais baixa (Ac1). A temperatura na qual a austenita começa a se transformar de ferrita.
• Temperatura crítica superior (Ac3). A temperatura na qual a austenita é completamente transformada de ferrita.

No sistema Fe-C, há um ponto eutetóide em aproximadamente 0,8% em peso C, 723°C. A fase logo acima da temperatura eutetóide para aços carbono simples é conhecida como austenita ou gama.

Departamento de Energia dos EUA, Ciência de Materiais. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 e 2. Janeiro de 1993.
Departamento de Energia dos EUA, Ciência de Materiais. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 e 2. Janeiro de 1993.
William D. Callister, David G. Rethwisch. Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução 9ª Edição, Wiley; 9 edição (4 de dezembro de 2013), ISBN-13: 978-1118324578.
Eberhart, Mark (2003). Por que as coisas quebram: entendendo o mundo pela maneira como ele se desfaz. Harmonia. ISBN 978-1-4000-4760-4.
Gaskell, David R. (1995). Introdução à Termodinâmica dos Materiais (4ª ed.). Editora Taylor e Francis. ISBN 978-1-56032-992-3.
González-Viñas, W. & Mancini, HL (2004). Uma Introdução à Ciência dos Materiais. Princeton University Press. ISBN 978-0-691-07097-1.
Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Materiais: engenharia, ciência, processamento e design (1ª ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
JR Lamarsh, AJ Baratta, Introdução à Engenharia Nuclear, 3ª ed., Prentice-Hall, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.

Veja acima:
Ciência dos Materiais