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Introdução à Ciência dos Materiais para Engenharia
Lista de Exercícios 6
PMT 2100
Diagramas de Fase II – Transformações de Fase
1. Considere o diagrama Fe –C dado abaixo. Uma liga com 3,0 %C (% mássica) é fundida a 1400oC, sendo a seguir resfriada lentamente, em condições que podem ser consideradas como sendo de equilíbrio. Pergunta-se: a) Qual é a temperatura de início de solidificação dessa liga? b) Qual é a primeira fase sólida que se solidifica à temperatura definida no item (a)? c) Qual é a temperatura na qual termina a solidificação dessa liga? d) A 1148oC, quais são as fases presentes, as suas composições e as suas proporções relativas? e) A 723oC, quais são os constituintes dessa liga, as suas composições e as suas proporções relativas?
2. Considere o detalhe do diagrama Fe –C dado acima. Um aço com 0,6 %C (% mássica) é aquecido a 1200oC, sendo a seguir resfriado lentamente, em condições que podem ser consideradas como sendo de equilíbrio. Pergunta-se: a) Qual é a temperatura de início de formação da ferrita ao longo do resfriamento? b) A 725oC, quais são os constituintes desse aço, as suas composições e as suas proporções relativas?
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3. Considere um aço de composição eutetóide, que foi resfriado de 780oC até 675oC em menos de meio segundo, sendo a seguir mantido nessa temperatura. É dado abaixo o diagrama T T T para esse aço. (a) Qual é a fase estável a 780oC? (caso necessite, olhe diagrama de fase para o sistema Fe-C existente nesta lista). (b) Qual o tempo estimado para que 50% da fase estável a 780oC se transforme em perlita após o resfriamento? (c) Qual o tempo estimado para que 100% da fase estável a 780oC se transforme em perlita após o resfriamento? (d) Se o resfriamento fosse feito até 550oC, os tempos estimados para 50% e 100% da transformação em perlita seriam maiores ou menores do que os obtidos nos itens (II) e (III)?
4. O telhado de um galpão de exposições caiu durante um vendaval após uma semana de construção. A estrutura do telhado era feita de tubos de duralumínio, cuja especificação indicava tratamento térmico de solubilização e envelhecimento. Sabe-se que a empresa montadora recebeu os tubos solicitados, mas os mesmos não foram submetidos a ensaios mecânicos para verificação de resistência mecânica. a) Qual poderia ter sido a razão da queda? b) Sugira um tratamento térmico adequado para atingir limite de escoamento de 420 MPa.
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Lista de Exercícios 6
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Diagramas de Fases – Transformações de Fase - Resolução
1 1a A temperatura de início de solidificação da liga é determinada pela intersecção da vertical a 3%C com a curva de liquidus : logo, essa temperatura é de 1300oC (ponto a, em azul).
1b A fase que aparece no início da solidificação é a austenita (ferro-γ).
1c A temperatura de final de solidificação da liga é determinada pela intersecção da vertical a 3%C com a curva de solidus , que nesse diagrama é a linha horizontal (isoterma) à qual pertence o ponto eutético a 4,3%C (ponto c, em azul).
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1d As fases presentes na liga a 1148oC são a austenita (ferro-gama) e uma fase líquida. As composições de cada fase, e as respectivas proporções relativas calculadas pela regra da alavanca são dadas abaixo.
Fase Austenita Líquida
Composição (%C) 2,1 4,3
Proporção relativa (%) (4,3-3,0)/(4,3-2,1) = 0,5909 → 59,1% (3,0-2,1)/(4,3-2,1) = 0,5909 → 40,9%
1e Na temperatura de 723oC (ligeiramente inferior à temperatura da reação eutetóide), estão presentes a cementita (Fe3C) e a ferrita. Toda a ferrita está contida na perlita (microconstituinte eutetóide formado por uma mistura íntima de ferrita e cementita, originária da austenita, através de uma reação eutetóide). Apenas parte da cementita está contida no microconstituinte eutetóide. As proporções relativas de cementita e de ferrita podem ser calculadas pela regra da alavanca, como apresentado a seguir. Fase ferrita cementita
Composição (%C) 0,022 6,70
Proporção relativa (%) (6,7-3,0)/(6,70-0,022) = 0,5541 → 55,4% (3,0-0,022)/(6,70-0,022) = 0,4459 → 44,6%
A proporção relativa da microestrutura perlítica, composta por ferrita e por cementita, também pode se calculada pela regra da alavanca. Consideramos a microestrutura perlítica como sendo um constituinte, e fazemos o cálculo da regra da alavanca, como segue:
perlita cementita (fora da perlita)
Composição (%C) 0,77 6,70
Proporção relativa (%) (6,7-3,0)/(6,70-0,77) = 0,6239 → 62,4% (3,0-0,77)/(6,70-0,77) = 0,3761 → 37,6%
As proporções relativas das fases, e a presença dessas fases no microconstituinte eutetóide podem ser esquematizadas, portanto, como representado abaixo:
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A proporção de cementita na perlita é dada por :
Fe3C na perlita = 62,4-55,4 = 44,6-37,6 = 7,0 %
2 2a A temperatura na qual começa a se formar a ferrita é definida pela intersecção de uma linha vertical passando pela composição do aço (0,6%C) com a linha que define o domínio (α + γ) do diagrama. Essa temperatura é de aproximadamente 750oC.
2b Os constituintes presentes no aço a 725oC (temperatura ligeiramente abaixo da temperatura da reação eutetóide) são a ferrita (ferro-alfa) (que tanto pode ser primária, quanto presente na perlita, microconstituinte eutetóide, mistura íntima de ferrita e cementita), e a cementita, (presente na perlita).
Na temperatura de 725oC (ligeiramente inferior à temperatura da reação eutetóide), estão presentes a cementita (Fe3C) e a ferrita. Toda a cementita está contida na perlita (microconstituinte eutetóide formado por uma mistura íntima de ferrita e cementita, originária da austenita, através de uma reação eutetóide). Apenas parte da ferrita está contida no microconstituinte eutetóide. As proporções relativas de cementita e de ferrita podem ser calculadas pela regra da alavanca, como apresentado a seguir. Fase ferrita cementita
Composição (%C) 0,022 6,70
Proporção relativa (%) (6,70-0,600)/(6,70-0,022) = 0,9134 → 91,3% (0,6-0,022)/(6,70-0,022) = 0,4459 → 8,7%
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A proporção relativa da microestrutura perlítica, composta por ferrita e por cementita, também pode se calculada pela regra da alavanca. Consideramos a microestrutura perlítica como sendo um constituinte, e fazemos o cálculo da regra da alavanca, como segue: perlita ferrita (fora da perlita)
Composição (%C) 0,77 0,022
Proporção relativa (%) (0,60-0,022)/(0,77-0,022) = 0,6239 → 77,3% (0,77-0,60)/(0,77-0,022) = 0,2272 → 22,7%
A proporção de cementita na perlita é dada por :
ferrita na perlita = 91,3 – 22,7 = 68,6 %
3 ________________________________________________________________________________
3a A fase estável a 780oC é a austenita.
3b O tempo estimado para que 50% da austenita (que é a fase estável a 780oC) se transforme em perlita após o resfriamento rápida a 675oC pode ser obtido através do diagrama T T T. A leitura do diagrama é simples, embora a estimativa não seja muito precisa no diagrama apresentado no exercício devido ao fato da escala de tempo ser logarítmica, e não estarem representados os valores intermediários. O tempo estimado é inferior a 100 segundos (algo entre 80 e 90 segundos), conforme pode ser visto na figura abaixo.
3c O tempo estimado para que 100% da austenita se transforme em perlita após o resfriamento rápida a 675oC também pode ser obtido através do diagrama T T T. Esse tempo seria superior a 100 segundos, e poderia ser estimado como sendo algo entre 200 e 300 segundos, conforme pode ser visto na figura abaixo.
3d
Introdução à Ciência dos Materiais para Engenharia PMT 2100 Os tempos estimados para que 50% e 100% da austenita se transformem em perlita após o resfriamento rápido a 550oC seriam inferiores aos tempos correspondentes às mesmas porcentagens de transformação após resfriamento até 675oC, conforme pode ser visto na figura a seguir.
4 4a Esse exercício serve para mostrar que embora a liga apropriada tenha sido utilizada na construção da estrutura metálica, o tratamento térmico pode não ter sido feito de forma adequada. No gráfico apresentado na próxima página, podemos observar que uma liga de alumínio endurecível por precipitação pode apresentar no estado solubilizado ou superenvelhecido limite de escoamento da ordem de 100 a 150 MPa. Se envelhecida a 150 ºC, o limite de escoamento pode atingir mais de 400 MPa. As razões da queda da estrutura podem ser: • •
O material foi solubilizado porém não foi envelhecido O material foi solubilizado e envelhecido em temperatura muito elevada ou por tempo muito prolongado levando ao superenvelhecimento e conseqüente amolecimento.
• •
Solubilização e envelhecimento a 121 ºC por 2 meses seriam economicamente inviáveis. Solubilização e envelhecimento a 149 ºC durante 24 horas seriam os tratamentos térmicos mais indicados, por serem os tratamentos térmicos que implicariam em menor tempo (e, conseqüentemente, menor custo). Solubilização e envelhecimento a temperaturas maiores e que implicariam em menor tempo de tratamento, por exemplo 204oC, não resultariam no valor de LE especificado.
4b
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