Comportamento Mecânico de Ligas Ferro-Carbono

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O diagrama tem seu inicio com ferro puro, o qual ao ser aquecido apresenta duas mudanças de estrutura cristalinas antes de se fundir, formando o que conhecemos na temperatura ambiente por ferro alfa, o qual possui uma estrutura cúbica de corpo centrada (CCC), em seguida ocorre uma mudança de forma formando o ferro gama, também conhecido como austenita que apresenta uma estrutura diferente da anterior, ele é cubico de face entrada (CFC), após atingir certa temperatura como podemos observar na figura 1 ele volta a ter uma estrutura CCC, conhecida como ferrita a qual se funde.

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Figura 1 (Diagrama Ferro-Carbono)

Na realidade, todos os aços e ferros fundidos apresentam teores de carbono inferiores a 6,7%p C, ou seja, o carbono é uma impureza intersticial no ferro. Transformações de fases que envolvem a Austenita , são essênciais no tratamento térmico dos aços, os quais envolvem normalmente o resfriamento rápido e continuo de uma amostra austenitizada em algum tipo de meio de têmpera. Se durante o processo a amostra tiver sido convertida em um elevado teor de martesita, significa que as propriedades ótimas de um aço temperado foram obtida, esse sucesso de tratamento térmico para produzir uma microestrutura martesítica depende de três principais características, a composição da liga, o tipo e a natureza do meio da tempera, e o tamanho e a forma da amostra, caso contrario ocorre a formação de perlita ou de bainita que resultam em uma combinação não muito eficiente de características mecânicas.

A cemetita é formada quando o limite de solubilidade para o carbono na ferrita alfa é excedido abaixo de 727°C, devido a suas características mecânicas de ser dura e fragil ela é utilizada para aumentar a resistencia de alguns aços. Um importante detalhe sobre a cemetita é que ela é metaestavel, ou seja, em temperatura ambiente ela permanece como um composto, por isso a figura 1 não é um exemplo de diagrama de equilibrio (onde o material estaria em equilibrio com seu ambiente), pois a cemetita não é um composto de equilibrio

Reações eutéticas também são observadas na figura 1, onde é possivel encontrar uma fase liquida que se transforma isotermicamente em duas fases sólidas diferentes (Austenita e Cemetita), ocorre também a transforamção de um sólido em dois novos (Ferrita e Cemetita), uma reação conhecida como eutetóide.

Desenvolvimento da Microestrutura em ligas Ferro-Carbono

O desenvolvimento da microestrutura em ligas de Ferro-Carbono depende exclusivamente do teor de carbono e do tratamento térmico que a mesma é submetida. O processo descrito é restrito ao o resfriamento lento dos aços, quando o equilíbrio é constante. A microestrutura de um aço eutetoide que é lentamente resfriado por meio de temperatura eutetoide consiste em camadas alternadas ou lamelas de duas fases ( alfa e Fe3C), que se formam simultaneamente durante a transformação. A microestrutura exemplo disso está representada na figura 2, ponde o ponto b é chamado de perlita, devido a sua aparência de madrepérola quando vista sob um microscópio.[pic 3]

FIGURA 2 (Microestrutura de uma liga Ferro-Carbono com composição eutetoide)

A perlita existe como grãos, geralmente chamada de colônias, dentro de cada colonia as camadas estão orientadas na mesma direção, a qual varia de uma colônia pra outra. Camadas mais claras, mais grossas, são a fase ferrita, e a cementita aparece como lamelas finas, em sua maioria apresentam coloração escura. A maior parte das camadas de cementita são muito finas que fazem com que as fronteiras entre as fases adjacentes estão tão próximas que não podem ser distinguidas sobre a ampliação da figura 3, e portanto aparecem escuras. As principais propriedades mecânicas da perlita estão entre a ferrita que é macia e dúctil e a cementita que é dura e frágil.

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Figura 3 ( Fotomicrografia mostrando a microestrutura da perlita)

Existem também as cementitas protoeutetoides, as quais se formam antes da reação eutetoide, sua composição permanece constante mesmo com a variação da temperatura.

Comportamento Mecânico de ligas Ferro-Carbono

O comportamento mecânico das ligas Ferro-Carbono pode ser discutido com base nas microestruturas citadas anteriormente (Perlita fina e grosseira, Cementita globulizada, Bainita e Martensita), como mencionado acima duas fases estão presentes (ferrita e cementita) em todas essas microestruturas exceto na Martensita, fazendo com que seja possível explorar as diversas relações das propriedades mecânicas.

A perlita fina é mais dura e mais resistente do que a perlita grosseira. O aumento da fração em um aço enquanto outros elementos são mantidos constantes resulta em um material muito duro e resistente. Três parâmetros são de extrema importância para observar essas características, a resistência na tração e de escoamento, assim como os números de dureza de Brinell (função da carga aplicada e do diâmetro da impressão resultante) os três parâmetros aumentam proporcionalmente com o aumento da concentração de carbono.

A espessura da camada de cada fase também influencia no comportamento mecânico do material.

Tudo isso ocorre devido a relação entre os fenômenos que ocorrem nas fronteiras entre as mudanças de fases, primeiramente existe um grau de aderência entre as duas fases através da fronteira, quanto maior a área da fronteira maior também é o grau de reforço. Com base nisso é possível observar que o maior grau de reforço e a maior restrição ao movimento das discordâncias na perlita fina são responsáveis por sua maior dureza e resistência.

A perlita grosseira é mais dúctil que a perlita fina, devido a redução da concentração de carbono nos tipos de microestrutura, resultando na maior restrição à deformação plástica da perlita fina.

A fase cementita tem formas e arranjos bastante diferentes da microestrutura perlíta e da cementita globulizada. A cementita globulizada tem menor resistência e dureza em comparação a perlita. Esse material é relativamente dúctil e pouco resistente devido a deformação plástica não ser tão restringida em conseqüência da área de fornteiras como já foi explicado anteriormente. Todos os aços que tem menor dureza e são menos resistentes possuem a microestrutura de cementita globulizada, eles são extremamente dúcteis e notavelmente