Diagrama de fases ferro-carbono: O seu guia simples

Já alguma vez se perguntou como é que o aço ganha força? Ou porque é que o ferro fundido se parte quando o deixamos cair? As respostas estão na diagrama de fases ferro-carbono. Este gráfico pode parecer complexo à primeira vista, mas é como um mapa que ajuda os engenheiros a produzir metais com as propriedades certas.

Índice

O que é um diagrama de fases ferro-carbono?

Um diagrama de fases ferro-carbono é um gráfico que mostra como o ferro e o carbono se misturam a diferentes temperaturas. Pense nele como um livro de receitas que lhe diz o que acontece quando aquece ou arrefece o aço e o ferro fundido.

O diagrama ajuda a prever o que microestruturas formar-se-ão no seu metal. Estas estruturas minúsculas determinam se o metal será duro, macio, frágil ou resistente.

Componentes principais do diagrama

Eixos e variáveis

O diagrama ferro-carbono tem duas partes principais:

Eixo X: Mostra o teor de carbono de 0% a 6,67%
Eixo Y: Mostra a temperatura de 0°C a 1600°C

Fases principais

O diagrama mostra vários factores importantes fases ou formas que as misturas ferro-carbono podem assumir:

Fase	Estrutura	Propriedades	Teor de carbono
Austenite (γ-Fe)	Cúbico de face centrada	Macio, dúctil	Até 2.1% a 1147°C
Ferrite (α-Fe)	Cúbico centrado no corpo	Suave, magnético	Até 0,02% à temperatura ambiente
Cementita (Fe₃C)	Ortorrômbico	Duro, quebradiço	6.67% carbono

Pontos críticos/linhas

O diagrama tem vários pontos críticos onde as grandes mudanças acontecem:

Ponto eutectoide: A 727°C e 0,8% de carbono, onde a austenite sólida se transforma numa mistura de ferrite e cementite (chamada perlite)
Ponto eutéctico: A 1147°C e 4,3% de carbono
Ponto peritético: A 1495°C e 0,17% de carbono

Microestrutura do aço com ferrite, cementite e perlite

Como funciona o diagrama

Transformações de fase

Vejamos o que acontece quando o aço arrefece após altas temperaturas:

Metal líquido começa a formar cristais sólidos a cerca de 1500°C
Austenite forma-se como o primeiro sólido
À medida que o arrefecimento continua até 727°C, a austenite deve transformar-se

O que acontece a seguir depende da quantidade de carbono presente na mistura:

Aço hipoeutectoide (menos de 0,8% de carbono): Forma-se primeiro alguma ferrite, depois a austenite restante transforma-se em perlite a 727°C
Aço hipereutectoide (mais de 0,8% de carbono): Forma-se primeiro alguma cementite, depois a austenite restante transforma-se em perlite

Se arrefecer muito rapidamente através de um processo chamado extinção, pode formar martensite em vez disso - uma estrutura extremamente dura.

O papel do carbono

O carbono é como um hóspede na casa do ferro. Só pode caber em certos sítios do cristal de ferro:

Em austenite, o carbono encaixa facilmente entre os átomos de ferro
Em ferrite, há menos espaço, pelo que o carbono não se adapta bem
Quando há demasiado carbono, forma-se cementita (Fe₃C)

Este limite solubilidade do carbono em diferentes formas de ferro é a razão pela qual o diagrama de fases tem a sua forma única.

A regra da alavanca

O regra da alavanca é uma ferramenta matemática que ajuda a calcular a quantidade de cada fase existente em qualquer ponto do diagrama. Funciona como uma balança de balanço para encontrar percentagens de diferentes estruturas.

Por exemplo, a 0,5% de carbono e a 700°C, pode calcular-se que o metal terá cerca de 38% de ferrite e 62% de perlite.

Aplicações práticas

Design de materiais

Os engenheiros utilizam o diagrama de fases para conceber metais com propriedades específicas:

Aço de baixo carbono (0,05-0,25% C): Principalmente ferrite com alguma perlite - bom porque é fácil de trabalhar
Aço de médio carbono (0,25-0,6% C): Mais perlita - melhor para maquinagem CNC de aço de elementos estruturais
Aço de alto carbono (0,6-1,0% C): Muita perlite com alguma cementite - ótimo para ferramentas de corte
Ferro fundido (2.1-4.3% C): Contém grandes quantidades de cementite ou grafite - bom para blocos de motor

Tratamento térmico

O diagrama de fases orienta tratamento térmico processos para alterar as propriedades do metal:

Recozimento: Arrefecimento lento para tornar o metal macio e fácil de moldar
Normalização: Arrefecimento do ar para obter propriedades equilibradas
Têmpera: Arrefecimento rápido para produzir aço muito duro
Têmpera: Reaquecimento do aço temperado para reduzir a fragilidade

Por exemplo, um fabricante de facas pode aquecer o aço a 850°C para formar austenite, depois temperá-lo rapidamente para formar martensite dura e, por fim, temperá-lo a 200°C para adicionar alguma dureza, mantendo a maior parte da dureza.

Exemplos industriais

O diagrama orienta muitos processos industriais:

Blocos de motores de automóveis fabricados em ferro fundido com grafite cuidadosamente controlada
Carris que têm de ser duros à superfície mas resistentes no interior
Molas que necessitam do equilíbrio certo entre força e flexibilidade
Ferramentas cirúrgicas que precisam de manter uma ponta afiada

A maioria Ferro CNC partes baseiam-se nas propriedades previstas pelo diagrama de fases ferro-carbono.

Tratamento térmico do aço Processo de têmpera

Limitações e erros de interpretação comuns

Embora muito útil, o diagrama ferro-carbono tem alguns limites:

Parte do princípio de que condições de equilíbrio (arrefecimento muito lento), mas a maioria dos processos reais ocorre mais rapidamente
Não mostra o que acontece durante o arrefecimento rápido (para isso, é necessário um diagrama TTT)
Apenas mostra o ferro e o carbono - os aços verdadeiros contêm outros elementos como o manganês e o crómio
Não prevê como grafite formas em ferro fundido cinzento em vez de cementita

Para peças de precisão fabricadas através de Fresagem CNC de açoPor isso, os engenheiros têm de ter em conta estas limitações quando planeiam a forma de maquinar e tratar termicamente os componentes.

FAQs

Qual é o significado do ponto eutectoide?

O ponto eutectoide (0,8% C, 727°C) é onde a austenite se transforma diretamente em perlite (uma mistura de ferrite e cementite). Isto é importante porque os aços com este teor de carbono (aços eutectoides) formam perlite 100% quando arrefecidos lentamente, proporcionando um bom equilíbrio entre dureza e resistência.

Como é que o teor de carbono afecta as propriedades do aço?

Mais carbono significa geralmente:
Maior dureza
Maior resistência
Menor ductilidade
Menor capacidade de soldadura
É por isso que os aços com elevado teor de carbono são utilizados para ferramentas de corte, enquanto os aços com baixo teor de carbono são utilizados para carroçarias de automóveis.

Porque é que a cementite é frágil?

Cementita (Fe₃C) é frágil porque tem uma estrutura cristalina complexa com ligações fortes e direcionais. Estas ligações não permitem que os átomos deslizem facilmente uns sobre os outros quando é aplicada uma força, por isso, em vez de se dobrar, a cementite parte-se.

Conclusão

O diagrama de fases ferro-carbono é uma ferramenta poderosa que ajuda os engenheiros a prever e controlar as propriedades do aço e do ferro fundido. Ao compreender a forma como o carbono interage com o ferro a diferentes temperaturas, podemos criar metais com a combinação certa de resistência, dureza e tenacidade para trabalhos específicos.

Quer se trate de instrumentos cirúrgicos que necessitam de uma aresta afiada ou de peças de automóveis que têm de absorver a energia do impacto, o diagrama ferro-carbono orienta a seleção e o processamento do material. Para empresas que fornecem maquinagem CNC de precisão serviços, a compreensão deste diagrama é essencial para produzir peças metálicas de alta qualidade.

Embora o diagrama tenha limitações - pressupõe um arrefecimento lento e apenas considera o ferro e o carbono - fornece a base para a compreensão de sistemas de ligas mais complexos e processos de tratamento térmico como os diagramas TTT (Tempo-Temperatura-Transformação).

Da próxima vez que pegar numa ferramenta de aço ou andar num carro, lembre-se que as suas propriedades foram cuidadosamente concebidas utilizando os conhecimentos contidos no diagrama de fases ferro-carbono.