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Aula II – Considerações sobre Diagramas de Fase
Professor Wanderson Santana da Silva
1 – Considerações Gerais
2 – Diagramas de Fase
3 – Diagrama Fe-C e Microestruturas de Aços
4 – Temas de Monografia.
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTECENTRO DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE MATERIAISMTR0615 - ANALISE MICROESTRUTURAL
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Considerações Iniciais
- A importância de estudar as transformações de fases para uma determinada liga reside no fato que podemos variar a resistência mecânica somente mudando a microestrutura do Material a partir de tratamentos térmicos.
- A formação de uma nova fase que envolve uma composição e/ou uma estrutura cristalina diferente daquela que a originou, exige alguns rearranjos atômicos via difusão.
- Transformação de fase pode ocorrer também sem o processo de difusão (Transf. Martensítica).
- Nucleação: Primeiro processo a acompanhar uma transformação de fase.– Sítios de imperfeições são posições favoráveis para formação desses núcleos
• Contornos de Grão, Discordâncias, Átomos Estranhos; Partículas.- Crescimento: Segundo estágio.
Microestrutura:
- A microestrutura é caracterizada pelo número de fases presentes que podem ser observados no microscópio.
- Diagramas de fases: Úteis para prever as transformações de fases e as microestruturas resultantes, que podem apresentar caráter de equilíbrio ou ausência de equilíbrio.
- Estruturas em Equilíbrio: Obtidos com taxas resfriamento extremamente lentas.
- A compreensão de diagramas de fases para sistema de ligas é extremamente importante, pois existe uma forte correlação entre microestrutura e a propriedade mecânica.
- O desenvolvimento da micro estrutura em uma liga está relacionada as características do arranjo cristalográfico dos componentes da liga.
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Tratamentos Próximos do Equilíbrio e Distante do Equilíbrio
Estrutura Estável (de Equilíbrio)Resfriamento Lento.
Descrita pelo Diagrama de Fases
Estrutura Metaestável (de não-Equilíbrio)
Resfriamento ForçadoNão Descrito pelo DF
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Definições FundamentaisComponentes:- São elementos químicos ou compostos pelos quais uma liga é constituída.
Sistema:- Definição 1 : quantidade de matéria com massa e identidade fixas sobre a qual dirigimos a nossa atenção. Todo o resto é chamado vizinhança.Exemplo: uma barra da liga abaixo, com 40% de Sn.
- Definição 2 : série de fases possíveis formadas pelos mesmos componentes, independendo da composição específica. Exemplo: o sistema Pb-Sn.
Fase: - Uma parte homogênea do sistema, que possui propriedades físicas e químicas características. Exemplo: fases , e L da liga ao lado.
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Ilustração de fases e solubilidade: (a) As três formas da água: sólida, líquida e gasosa; (b) água e álcool têm solubilidade ilimitada; (c) Sal e água possuem solubilidade limitada; (d) Água e óleo não possuem solubilidade.
Fonte: Donald R. Askeland; Pradeep P. Phulé - The Science and Engineering of Materials, 4th ed.
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O que é Equilíbrio
1- Em termos "macroscópicos“
- Um sistema está em EQUILÍBRIO quando suas características não mudam com o tempo, e tende a permanecer nas condições em que se encontra indefinidamente, a não ser que seja perturbado externamente.
2 - Em termos termodinâmicos- Um sistema está em equilíbrio quando sua ENERGIA LIVRE é MÍNIMA, consideradas as condições de temperatura, pressão e composição em que ele se encontra.
- Variações dessas condições resultam numa alteração da ENERGIA LIVRE, e o sistema pode espontaneamente se alterar para um outro estado de equilíbrio (no qual a ENERGIA LIVRE seja mínima para as novas condições de temperatura, pressão e composição).
Energia Livre: G = H - TS
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O que é Metaestabilidade???
SISTEMAS METAESTÁVEIS
- Considerações termodinâmicas e diagramas como o do sistema água-açúcar dão informações a respeito das condições de equilíbrio dos sistemas em suas diversas condições, mas não informam nada a respeito do tempo necessário para que as condições de equilíbrio sejam atingidas.
- É muito comum que em sistemas sólidos o tempo para que o equilíbrio seja atingido seja muito longo.
- Um sistema pode permanecer longo tempo em condições fora do equilíbrio.
Um sistema nessas condições é chamado de metaestável.
- Uma microestrutura metaestável pode permanecer inalterada ou somente sofrer pequenas alterações ao longo do tempo: pode acontecer (isso é muito comum) que todo o período de utilização prática de um material aconteça em condições que não são as condições de equilíbrio termodinâmico.
- Por isso, em termos práticos, sistemas metaestáveis podem ter grande aplicação.
(PARA PENSAR EM CASA!!!)
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Diagramas de Fase
Os diagramas de equilíbrio relacionam temperaturas, composições químicas e as quantidades das fases em equilíbrio.A partir de uma dada composição de um certo sistema podemos prever a microestrutura obtidas a partir de resfriamentos lentos.
POR QUE ESTUDAR DIAGRAMAS DE FASES?
- Os diagramas de fases (também chamados de diagrama de equilíbrio) relacionam temperatura, composição química e quantidade das fases em equilíbrio.
- Um diagrama de fases é um "mapa" que mostra quais fases são as mais estáveis nas diferentes composições, temperaturas e pressões.
- A microestrutura dos materiais pode ser relacionada diretamente com o diagrama de fases.
- Existe uma relação direta entre as propriedades dos materiais e as suas microestruturas. Exemplo de Diagrama de Fases
Sistema Pb-Sn
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Diagrama de fase binário – Diagrama de fase para um sistema de dois componentes;
Diagrama de fase ternário – Diagrama de fase para um sistema de três componentes;
Diagrama de fase isomorfo – Diagrama de fase no qual os componentes apresentam solubilidade sólida ilimitada;
Temperatura liquidus – Temperatura na qual o primeiro sólido se forma durante a solidificação;
Temperatura solidus – Temperatura abaixo da qual todo o líquido está completamente solidificado.
Diagramas de Fase
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REGRA DAS FASES DE GIBBS
P + F = C + NP = número de fases presentesC = número de componentes do sistemaN = número de variáveis além da composição (p.ex., temperatura, pressão)F = número de graus de liberdade
- Descreve o número de graus de liberdade, ou o número de variáveis que devem ser fixadas para especificar a temperatura e composição de uma fase (2 + C = F + P, onde pressão e temperatura podem mudar; 1 + C = F + P, onde pressão e temperatura são constantes).
- O número de variáveis que pode ser alterado de forma independente sem alterar o número de fases existente no sistema
- A regra das fases representa um critério para o número de fases que coexistirão num sistema no equilíbrio para um dado sistema termodinâmico (Composição, Temperatura e Pressão).
-A regra das fases não representa um critério para quantidade relativa das fases que coexistem num sistema no equilíbrio.
- Neste caso, se aplica a Regra das Alavancas.
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.C
.D
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REGRA DAS FASES- Em um sistema binário, quando 3 fases estão em equilíbrio o número de graus de liberdade F é zero.
- Assim, o equilíbrio é invariante, ou seja, o equilíbrio entre 3 fases ocorre em uma determinada temperatura constante e as composições das 3 fases são fixas.
As principais reações,em sistemas bináriosenvolvendo 3 fases são
P = 3C = 2N = 1F = 0
Ponto Invariante.
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Fonte: Donald R. Askeland; Pradeep P. Phulé - The Science and Engineering of Materials, 4th ed.
Diagrama de fase unitário para o magnésioDiagrama P-T – Um diagrama que descreve a estabilidade termodinâmica de fases sob diferentes condições de temperatura e pressão (o mesmo que um diagrama de fase unitário).
Ponto Triplo, onde Coexistem três fases (F=0)
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Ponto Triplo, onde Coexistem três fases (F=0)
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Solubilidade – A quantidade de um material (elemento) que se dissolve completamente em outro sem a criação de uma segunda fase.
Solubilidade e soluções sólidas
Solubilidade Ilimitada – Quando não existe restrição na quantidade de material (elemento soluto) que se dissolve em outro (elemento solvente). Não ocorre formação de uma segunda fase.
Solubilidade Limitada – Quando apenas uma determinada quantidade de soluto pode ser dissolvida no elemento solvente. Ultrapassado o limite de solubilidade haverá a formação de uma segunda fase.
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Exemplos de solubilidade: (a) Cu líquido e Zn líquido são completamente solúveis; (b) Ligas de Cu-Ni sólidas apresentam solubilidade sólida completa, com átomos de Cu e Ni ocupando posições aleatórias no reticulado; (c) Em ligas Cu-Zn contendo mais de 30%Zn, uma segunda fase se forma, em função da limitada solubilidade do zinco no cobre.
Fonte: Donald R. Askeland; Pradeep P. Phulé - The Science and Engineering of Materials, 4th ed.
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Fonte: Donald R. Askeland; Pradeep P. Phulé - The Science and Engineering of Materials, 4th ed.
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Condições para Solubilidade Ilimitada
Regras de Hume-Rothery – Condições que ligas metálicas ou materiais cerâmicos devem satisfazer para apresentarem solubilidade sólida ilimitada. As regras de Hume-Rothery são necessárias mas não suficientes para que os materiais tenham solubilidade ilimitada.
Regras de Hume-Rothery:- Raios atômicos do soluto e solvente (r 15%); - Mesma estrutura cristalina;- Mesma valência;- Eletronegatividades semelhantes.
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Exemplo: MgO e NiO possuem estruturas cristalinas, raios iônicos e valências similares. Assim sendo, estes dois compostos cerâmicos podem formar soluções sólidas.
Fonte: Donald R. Askeland; Pradeep P. Phulé - The Science and Engineering of Materials, 4th ed.
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LEVANTAMENTO DE DIAGRAMAS DE EQUILÍBRIO
ANÁLISE TÉRMICA
Metal puroMetal puro Liga metálicaLiga metálica
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TEMPERATURA
TEMPO
50%B 70%B 100%B
DIAGRAMA ISOMORFO COMPONENTES A e B
TEMPERATURA
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
% B
S
L+S
L
20%B
0%B
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0%B 30%B 50%B
80%B100%B
TEMPERATURA
TEMPO
7%B
DIAGRAMA COM TRANSFORMAÇÃO EUTÉTICA
L
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
TEMPERATURA
% B
L
L
E E
L S1 + S2
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Sistema Binário Isomorfo- Num sistema binário isomorfo, os dois componentes são completamente solúveis um no outro.
-A leitura de diagramas isomorfos é feita primeiramente definindo o par composição-temperatura desejado.
-Esse par define um ponto no diagrama. Se o ponto desejado estiver num campo onde somente existe uma fase, a composição já está definida, e a fase é a indicada no campo do diagrama.
-Se o ponto estiver numa região onde existem duas fases em equilíbrio, a determinação da composição das fases presentes é possível traçando-se um segmento de reta horizontal que passa pelo ponto e atinge as duas linhas que delimitam o campo de duas fases (linhas liquidus e solidus).
- As composições das fases líquida e sólidasão dadas pelas intersecções deste segmento de reta e as respectivas linhas de contorno.
Diagrama de Fases:Sistema Cu - Ni
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Quantificação de Fases- A leitura de diagramas isomorfos é feita definindo o par composição-temperatura.- No campo de duas fases, a determinação das fases presentes e de suas composições corresponde à interseção da isoterma (segmento de reta para temperaturas constantes) com os limites dos campos de duas fases.-As composições das fases líquida e sólida é dada pelo par definido pela intersecção deste segmento de reta e a respectiva linha de contorno.
REGRA DAS ALAVANCAS:Utilizada para se determinar as proporções das fases em equilíbrio em um campo de fases
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Seqüência de solidificação em sistemas isomorfos
Solidificação em Condições de EquilíbrioSolidificação em Condições FORA do Equilíbrio
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Seqüência de Solidificação Fora do Equilíbrio
Conseqüências da solidificação fora do equilíbrio:
- Segregação;- Zonamento;- Redução na Temperatura liquidus;- Diminuição das Propriedades;- Necessidade de Recozimento de Homogeneização.
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Ao ser ultrapassado o Limite de Solubilidade (linha solvus) de Sn no Pb, ocorre a precipitação da fase P, de reticulado cristalino distinto do da fase a e com distintas propriedades físico- químicas.
Quando se tem pequenas quantidades de soluto, este se dissolve na rede do solvente, de forma que se tem apenas uma fase.
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DESENVOLVIMENTO DE MICROESTRUTURAS EM SISTEMAS COM EUTETICOS
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Terminologias
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Terminologias
![Page 35: Análise Microestrutural - AULA II Introdução a Diagrama de Fases](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062419/5571fb5c497959916994aad2/html5/thumbnails/35.jpg)
Terminologias - Reações Peritética e Eutetóide
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Reações invariantes em diagramas de fase
Fonte: Donald R. Askeland; Pradeep P. Phulé - The Science and Engineering of Materials, 4th ed.
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Diagrama de equilíbrio Fe - Fe3C
Ferro puro Aços
Liga Fe-Carbono
Aço400
1000
800
600
1400
1200
912
1394Ferro
Ferro
Ferro
1538
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Evolução Microestrutural
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Evolução Microestrutural
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Fonte: Donald R. Askeland; Pradeep P. Phulé - The Science and Engineering of Materials, 4th ed.
Evolução Microestrutural
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Microconstituintes dos Aços- Austenita (Ferro Gama): Estrutura CFC, Estabilizada nas temperaturas de 912-1394°C, Solubilidade 0,77- 2,11%C à 1148°C, FE: 74%, Mole e Dúctil.
- Cementita Fe3C: Carboneto de ferro, Extremamente duro frágil, Zero % de Alongamento.
- Ferrita: Forma-se por difusão, nucleando-se preferencialmente nos contornos de grão da austenita, com um aumento da taxa de resfriamento passa a nuclear também no interior dos grãos austeníticos, propriedades: Ferro alfa, estrutura CCC, solubilidade de carbono 0,008-0,0218%C à 723°C, FE:68%, Mole e Dúctil.
- Perlita: Abaixo da temperatura de 727°C a estrutura austenítica ocorrerá a reação eutetóide produzindo uma mistura mecânica de duas fases, ferrita e cementita no formato de lamelas paralelas.
- Um aço resfriado lentamente a partir do campo austenítico apresentará: Ferrita/Perlita/Cementita dependendo do seu teor de carbono.
- Com o resfriamento muito rápido surgirão outros constituintes Metaestável: Martensita e Bainita.
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Estrutura: Somente Ferrita
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Estrutura: - Ferrita (Fundo Claro)- Perlita (Áreas Escuras)
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Estrutura: - Ferrita (Fundo Claro)- Perlita (Áreas Escuras)
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Estrutura: - Ferrita (Fundo Claro)- Perlita (Áreas Escuras)
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Estrutura: Somente Perlita - Fundo Claro: Ferrita- Linhas Escuras: Cementita
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As duas variáveis principais que afetam as propriedades mecânicas do aço são:
- Composição Química (efeito do teor de carbono) - Processamento:
- Tratamentos Térmicos- Conformação Mecânica
Propriedades Mecânicas das ligas Fe-C Esfriadas Lentamente
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Efeito do Teor de Carbono sobre as Propriedades Mecânicas das Ligas Fe-C Esfriadas Lentamente
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Ferros Fundidos
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EFEITO DOS ELEMENTOS DE LIGA:- Si, Al e Ni- aumentam a atividade do C, ou seja, favorecem a formação da grafita, ampliando a faixa de temperatura entre os eutéticos estável e metaestável;
- P e S: são consideradas impurezas e devem ser mantidos em concentrações baixas. O S tem o efeito de segregar para os contornos de grão diminuindo a tenacidade do material. O P combina-se com o Fe e forma uma fase eutética de alta dureza, a esteadita (Fe3P);
- Cr, Mn, V, Mo e W: diminuem a atividade de C, ou seja, favorecem a formação da cementita e carbonetos, diminuindo a faixa entre os eutéticos estável e metaestável;
Mn – também é adicionado como dessulfurante, visando reduzir os efeitosdeletérios do S (combina-se com o S formando inclusões de MnS);
- Adições de Al, B e Ni possuem efeito grafitizante.
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- Se a nucleação de sólido ocorrer acima da Temperatura de Eutética Estável (TEE), a solidificação será de acordo com o Diagrama Estável Fe-C.
- Se a nucleação de sólido ocorrer abaixo da TEM, ocorrerá a solidificação de acordo com o Diagrama Metaestável Fe-Fe3C.
NUCLEAÇÃO DE CÉLULAS EUTÉTICAS A PARTIR DO LÍQUIDO
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VELOCIDADE DE RESFRIAMENTO DURANTE A SOLIDIFICAÇÃO
- Velocidades elevadas, promovidas pelo resfriamento contra superfícies metálicas (resfriadores ou coquilhas) - aumentam a formação de cementita ou carbonetos (dependendo dos teores de C e Si);
- Velocidades baixas, promovidas, por exemplo, por resfriamento em areia -aumentam a formação de grafita.
Curvas de resfriamento realizadas com velocidades crescentes, evidenciando a formação dos ferros fundidos branco, mesclado e cinzento
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Resfriamento Rápido: FoFo Branco (Perlita e Ledeburita)
Resfriamento Lento: Fofo Cinzento Ferrítico (Ferrita e Grafita) ou
Perlítico (Perlita e Grafita)
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INFLUÊNCIA DA VELOCIDADE DE RESFRIAMENTO
A – Eutética com Pequeno T;B – Hipoeutetóide com Moderado T ;C – Hipereutética e com Moderado T;D – Eutética com Elevado T;E - Hipoeutetóide com Elevado T
Adaptado de Goldenstein et al.
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Influência da Adição de Nodularizante (Mg)
Os teores de Mg crescem da esquerda para a direita
- À esquerda se tem o Ferro Fundido Cinzento (Grafita em Veios)- No centro tem se o Ferro Fundido Vermicular (Grafita Intermediária);- À Direita se tem o Ferro Fundido Nodular (Grafita em Nódulos)
Retirado de Goldenstein et al.
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● Microestruturas
de FoFo para vários
% Mg: 0,017%;
0,026% e 0,13% e
detalhes de um
nódulo de grafita
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CC
CC
CC
CCCC
CCCC
CC
CCCC
CC
CC CC CCCC
CC
CC
CC
CC
CCCCCC
CCCC CC
CC
CCCC
CC
CC
Ponto 1
DIFUSÃODIFUSÃODO CDO C
Enriquecido com 6,67% de C
Empobrecido para 2,11% de C
Empobrecido para 2,11% de C
AUSTENITAAUSTENITA
CEMENTITACEMENTITA
912 Co
727 Co
0,77%C0,77%C
2,11 %C2,11 %C1148 Co
% C na Austenita % C na Austenita na temperatura Tna temperatura T
4,3%C4,3%C
+ Fe C 3
+ Fe C 3
Líquido
+ Fe C3LL +
LIQUIDO
Ponto 1 - 1147 CPonto 1 - 1147 C oo
Ponto 2 - TPonto 2 - T
Ponto 3 - 726 CPonto 3 - 726 Co
Ponto 3
Perlita
LEDEBURITALEDEBURITA
Eutético Fe-C:Eutético Fe-C:
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LIQUIDOPonto 1 - Formação dos Ponto 1 - Formação dos primeiros cristais sólidos primeiros cristais sólidos de Austenitade Austenita
P.ex.: Fe - 3,5 %CP.ex.: Fe - 3,5 %C
Ponto 4 - 728 CPonto 4 - 728 C o
4,3%C4,3%C
912 Co
727 Co
0,77%C0,77%C
2,11 %C2,11 %C
1148 Co
+ Fe C 3
+ Fe C 3
Líquido
+ Fe C 3LL +
%C na Austenitaem solidificação
%C no líquido remanescente
Ponto 3 - 1147 CPonto 3 - 1147 C o%C na Austenita no resfriamento
Pto 2 - Temperatura TPto 2 - Temperatura T
Ponto 2Ponto 2
Dendritas de Austenita
Ponto 3Ponto 3
Ledeburita(Fe C + )3
Hipoeutético:Hipoeutético:
Líquidoremanescente
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Agulhas de Cementita
Ponto 2Ponto 2
Líquidoremanescente
%C no líquidoremanescente
4,3%C4,3%C
912 Co
727 Co
0,77%C0,77%C
2,11 %C2,11 %C
1148 Co
+ Fe C 3
+ Fe C 3
Líquido
+ Fe C3LL +
LIQUIDO
%C na Austenita no resfriamento
Ponto 1 - Formação dos Ponto 1 - Formação dos primeiros cristais primeiros cristais sólidos de Cementitasólidos de Cementita
Pto 2 - Temperatura TPto 2 - Temperatura T
Pto 3 - 1147 CPto 3 - 1147 Coo
Ponto 3Ponto 3
Fe C3
Ledeburita(Fe C + )3
Hipereutético:Hipereutético:
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● Branco
(perlita e
ledeburita)
● Cinzento
(veios grafita e
perlita)
● Nodular
(ferrita e
nódulos grafita)
● Nodular
(perlita e
nódulos grafita)