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Ferros & Aços II

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Tópicos: Equilíbrio Ferro-carbono | Ferros Fundidos |

1) Equilíbrio Ferro-carbono

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Alguns elementos químicos apresentam variedades alotrópicas, isto é, estruturas cristalinas diferentes que passam de uma para outra em determinadas temperaturas, denominadas temperaturas de transição. O ferro apresenta três variedades, conforme a seguir descrito.

Ao se solidificar (temperatura de aproximadamente 1540°C), o ferro apresenta estrutura cúbica de corpo centrado, chamada de ferro delta (Fe δ). Permanece nessa condição até cerca de 1390°C e, abaixo dessa temperatura, transforma-se em ferro gama (Fe γ), cuja estrutura é cúbica de face centrada. Abaixo de 912°C, readquire a estrutura cúbica de corpo centrado, agora chamada de ferro alfa (Fe α). Continuando o resfriamento, a 770°C ocorre o ponto de Curie, isto é, ele passa a ter propriedades magnéticas. Entretanto, isso não se deve a um rearranjo da disposição atômica, mas sim à mudança do direcionamento da rotação dos elétrons (spin). Em outras épocas, tal fato não era conhecido e julgava-se corresponder a uma variedade alotrópica, o ferro beta.

Ligado com o carbono, o comportamento das variedades alotrópicas do ferro e a solubilidade do carbono nele variam de forma característica, dependendo da temperatura e do teor de carbono. Isso pode ser visto em forma de um gráfico denominado diagrama de equilíbrio ferro-carbono (Figura 1-I). Na tabela a seguir, definições dos termos usados no diagrama.

AustenitaSolução sólida de carbono em ferro gama
FerritaSolução sólida de carbono em ferro alfa
Cementita Carboneto de ferro (Fe3C)
GrafitaVariedade alotrópica do carbono (estrutura cristalina hexagonal)

Obs: próximas ao ponto marcado com (*), existem na realidade linhas de equilíbrio com o ferro delta, mas elas não são exibidas por razões de clareza e de pouco interesse prático.

A adição do carbono altera as temperaturas de transição das variedades alotrópicas em relação ao ferro puro, dependendo do seu teor. Exemplo: para um aço com cerca de 0,5% C, representado pela linha vertical I no diagrama, o ferro gama contido na austenita começa a se transformar em alfa na interseção com a linha A3 e está totalmente transformado no cruzamento com a linha A1, a 727°C, inferior aos 912°C do ferro puro.

Importante lembrar que, abaixo de 727°C, não pode haver ferro gama. Somente a variedade alfa está presente.O ponto F corresponde ao máximo teor de carbono que a austenita pode conter, isto é, 2,11%. É usado na distinção do aço do ferro fundido, conforme definição vista em página anterior.


Fig 1-I

A solubilidade do carbono na ferrita é muito pequena (máximo 0,008%) e pode ser considerada nula em muitos casos práticos.

O ponto E (eutetóide) é a menor temperatura de equilíbrio entre a ferrita e a austenita, correspondendo a cerca de 0,77% C. E os aços podem ser eutetóides, hipoeutetóides ou hipereutetóides. Obs: o termo eutético se refere ao equilíbrio entre fases líquida e sólida. Nesse caso, é usado o sufixo oide (= semelhante a) para indicar que o equilíbrio ocorre entre fases sólidas.


Fig 1-II

O teor de carbono do aço afeta seu aspecto granulométrico. Um aço com muito pouco carbono (por exemplo, menos de 0,01%), se resfriado lentamente, deverá apresentar uma aparência razoavelmente uniforme, pois a maior parte será representada pela ferrita. Na Figura 1-II (a), um possível aspecto de uma microfotografia de um aço desse tipo.

Supõe-se agora um aço hipoeutetóide com 0,5% de carbono, representado pela linha vertical I no diagrama. Quando o resfriamento atinge a interseção com A3, começa a separação da austenita em austenita e ferrita. Logo acima da linha A1, haverá ferrita mais austenita, esta última, com o máximo teor de carbono que pode conter (0,77%). Logo abaixo da linha A1, toda a austenita deverá se transformar em ferrita mais cementita. Entretanto, desde que o processo é rápido, fisicamente a separação se dá em forma de lâminas bastante finas, somente visíveis ao microscópio com elevadas ampliações. Tal estrutura, isto é, a ferrita e a cementita em forma laminar, é denominada perlita. Na figura 1-II (b), uma estrutura laminar típica da perlita, observada com elevada ampliação (as linhas escuras correspondem à cementita).


Fig 1-III

Na figura 1-III (a), o aspecto típico de um aço hipoeutetóide visto com uma ampliação menor. As áreas claras representam a ferrita e as escuras, a perlita. Entretanto, a estrutura laminar desta última não pode ser observada devido à reduzida ampliação.

Um aço hipereutetóide (linha II no diagrama, com cerca de 1,5% C, por exemplo) tem, na interseção com A1, austenita com o máximo teor de carbono (0,77%) e cementita. A mudança brusca abaixo de A1 faz a austenita transformar-se em perlita conforme já visto. E a cementita envolve os grãos de perlita em forma de uma teia conforme Figura 1-III (b), formando uma espécie de rede de cementita.

Um aço eutetóide, isto é, com 0,77% de carbono, deve apresentar somente perlita na sua estrutura granular.

O teor de carbono exerce significativa influência nas propriedades mecânicas do aço. Quanto maior, maiores a dureza e a resistência à tração. Entretanto, aços com elevados teores de carbono são prejudicados pela maior fragilidade devido à maior quantidade de cementita, uma substância bastante dura, mas quebradiça. É comum o uso da expressão aço doce para aços de baixa dureza, com teores de carbono menores que 0,25%.


2) Ferros Fundidos

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Conforme mencionado na página anterior, ferro fundido é uma liga de aço e carbono com teor deste último acima de 2,11%. Entretanto, um teor considerável de silício está quase sempre presente e, por isso, alguns autores consideram o ferro fundido uma liga de ferro, carbono e silício. Outra característica é a existência de carbono livre, na forma de lamelas ou veios de grafita. De forma similar aos aços, ferros fundidos podem ser hipoeutéticos, eutéticos ou hipereutéticos, com o valor eutético definido pelo ponto de equilíbrio entre a austenita e a cementita (aproximadamente 4,3%, ponto G no diagrama da Figura 2-I).


Fig 2-I

Quando o ferro fundido eutético é solidificado, logo abaixo do ponto G, há formação de uma estrutura com fundo de cementita e glóbulos de austenita, denominada ledeburita. Continuando o resfriamento, abaixo de 727°C não poderá mais existir a austenita e, portanto, a ledeburita será composta por glóbulos de perlita sobre fundo de cementita.

Um ferro fundido hipoeutético (linha I no diagrama) deve apresentar áreas de perlita, ledeburita e cementita. Um ferro fundido hipereutético (linha II) apresenta cristais de cementita em forma de agulhas sobre fundo de ledeburita.

Nos aspectos de componentes de liga e tratamentos térmicos, os ferros fundidos podem ser classificados conforme tabela a seguir.

Cinzento A superfície recém-cortada tem aspecto escuro. O silício está presente em proporção considerável e a estrutura contém carbono livre (grafita) em forma de veios ou lamelas
BrancoA superfície recém-cortada tem aspecto claro. Devido ao menor teor de silício, a proporção de carbono livre é bastante pequena
MistoUma mistura, em proporção que depende da aplicação desejada, do ferro fundido cinzento e do branco
MaleávelÉ o ferro fundido branco que sofre um tratamento térmico específico, formando grafita na forma de nódulos
NodularNo estado líquido, passa por um tratamento especial para produzir grafita em forma esférica, o que lhe dá uma boa ductilidade

Apesar de os ferros fundidos apresentarem em geral propriedades mecânicas inferiores às dos aços, elas podem ser consideravelmente modificadas pela adição de elementos de liga e tratamentos térmicos adequados. E os ferros fundidos podem substituir os aços em muitas aplicações. Em algumas delas, são mais adequados que aços. Exemplo: estruturas e elementos deslizantes de máquinas são construídos quase sempre em ferro fundido, devido à maior capacidade de amortecer vibrações, à melhor estabilidade dimensional e à menor resistência ao deslizamento, em razão do poder lubrificante do carbono livre em forma de grafita.
Referências
Bouché, Ch. Leitner, A. Sans, F. Dubbel. Manual da Construção de Máquinas. São Paulo, Hemus, 1979.
Faires, V. M. Elementos Orgânicos de Máquinas. Rio, Livros Técnicos, 1976.
Chiaverini, V. Aços e Ferros Fundidos. São Paulo, ABM, 1982.

Topo | Rev: Set/2009