O diagrama Ferro-Carbono

O principal elemento de liga do aço é o carbono e sua presença é responsável por uma série de propriedades físicas que podem ser obtidas. Como visto no post anterior, o ferro puro derrete à 1539°C e durante seu aquecimento passa por transformações em sua fase sólida, respectivamente: ferrita alpha, austenita gamma e ferriga delta. Desta vez será abordado o diagrama da liga binária ferro-carbono:

Diagrama Ferro-Carbono ou Ferro-Cementita (Fe-Fe3C) (THELNING, 2000).

1 - A solubilidade de carbono na fase de ferrita é baixa, em torno de 0.022% à 723°C. 

2 - 0.77% de carbono corresponde ao ponto eutetoide. No ponto eutetoide à aproximadamente 723°C a austenita se transforma simultaneamente em ferrita e cementita. Os aços com 0.77% de carbono são chamados eutetoides, com mais hipereutetoides e com menos hipoeutetoides. 

Aspecto micrográfico da perlita, aço eutetoide esfriado lentamente, que é uma estrutura lamelar formada por linhas escuras (cementita) e linhas brancas (ferrita). Ampliação original: 1000 vezes. (CHIAVERINI, 1987).

Um pouco sobre a perlita: como um aço eutetoide, é composta por 0,77% C divididos em: 88,5% de ferrita (a ferrita tem 0,022% C) e 11,5% de cementita (a cementita é composta por 6,67% C). As propriedades mecânicas da perlita são intermediárias. A cementita (Fe3C) é um composto metálico de ferro e carbono muito duro e frágil. 

Aspecto micrográfico de um aço hipoeutetoide esfriado lentamente. As áreas brancas são compostas por ferrita e as escuras por perlina. Ampliação original: 200 vezes. (CHIAVERINI, 1987).

Aspecto micrográfico de um aço hipereutetoide esfriado lentamente. A cementita é disposta em torno dos grãos de perlita. Ampliação original: 200 vezes.  (CHIAVERINI, 1987).

3 - A austenita é capaz de dissolver até 2.1% de carbono à 1130°C. Essa diferença de solubilidade trás a possibilidade de tratamentos térmicos ao aço. Mesmo sem tratamento térmico, a resistência do aço aumenta muito com o aumento da porcentagem de carbono. Veja a seguir uma tabela indicando as propriedades mecânicas de aços esfriados lentamente em função do teor de carbono:

Propriedades do aço por porcentagem de carbono (CHIAVERINI, 1987).

4 - 4,3% de carbono corresponde ao ponto eutético. O ponto eutético é o pondo onde ocorre a transformação direta do líquido para dois sólidos, em vez de líquido para uma mistura de sólido + líquido. Esse ponto é vantajoso para a produção de ferro fundido, já que para derreter o ferro que contém algo em torno de 4,3% de carbono é necessário uma menor temperatura se comparado a um ferro com mais ou com menos carbono, desta forma economizando energia na fundição. 

O teor de carbono no aço varia entre níveis muito baixos e cerca de 2,1% C (veja a parte colorida em verde do diagrama). Acima de 2,1% C, até cerca de 4% ou 5%, a liga é definida como ferro fundido (veja a parte colorida em azul do diagrama):

Diagrama Ferro-Carbono ou Ferro-Cementita (Fe-Fe3C) (THELNING, 2000).

Resumo dos aços resfriados lentamente (sem tratamento térmico):

- Ferro comercialmente puro - ferrita

- Aços hipoeutetoides ( até 0,77% C) - ferrita + perlita

- Aços eutetóides (0,77 % C) - perlita

- Aços hipereutetoides (0,77 a 2,11% C) - perlita + cementita

Fontes:

- Groover, M. P. Fundamentals of Modern Manufacturing: Materials, Processes, and Systems, 2010.

- Thelning, K. Steel and its Heat Treatment, 2000.

- Chiaverini, V. Aços e Ferros Fundidos, 1987.