[EXPLICANDO A MATÉRIA]-Diagrama de Fases-Ferro-Carbono

Dando sequência ao nosso post anterior do Explicando a Matéria, hoje traremos um caso específico e muito famoso de diagrama de fases: O diagrama ferro-carbono que é na verdade metaestável, que tipicamente contempla uma pequena faixa de teor de carbono, variando de 0 a 6,7% (em peso), sendo este último equivalente a composição da cementita (Fe3C). Esta fase apesar de se formar facilmente na prática é na verdade uma fase metaestável, ou seja, não é a fase de equilíbrio (que seria o grafite, ou grafita)!

A associação entre Ferro e Carbono leva à formação de diversas fases em diferentes composições e temperaturas como as fases cúbica de corpo centrado (CCC), cúbica de faces central (CFC) conforme explicaremos a seguir. O estudo desse diagrama pode inclusive nos ajudar a entender o porquê as variações do teor de Carbono no Ferro resultam em diferentes propriedades físicas e mecânicas. Um aspecto curioso é que o Carbono não é muito solúvel no Ferro no estado sólido, isto ocorre pois o Carbono entra solução sólida nos interstícios (regiões não ocupadas por átomos), uma vez que o tamanho do Carbono é maior que o tamanho do interstício do Ferro (CFC e CCC), uma solubilidade de apenas 0,02% (na estrutura CCC) a 727° C e 2% (na estrutura CFC) a 1148°C é possível.

As Fases que podemos formar nesse sistema são: 

Ferrita-α: solução sólida formada em baixas temperaturas de estrutura CCC com baixíssima solubilidade máxima de Carbono (~0,0218% a 727°C).

Austenita-ϒ: solução sólida formada em temperaturas intermediárias de estrutura CFC e dispõe solubilidade máxima de aproximadamente 2,0% de carbono a 1147°C.

Ferrita-δ: solução sólida de estrutura CCC que se forma somente em temperaturas altas, possuindo solubilidade máxima de C um pouco maior que a Ferrita-α (~0,09%)

Cementita-Fe3C: Carboneto de Ferro que possui elevada dureza e estrutura cristalina ortorrômbica. 

Perlita (α + Fe3C): NÃO é uma fase, mas sim uma combinação de duas fases na forma de lamelas. Quando o teor de carbono é de ~0,76%, a ~727°C (chamado ponto eutetóide) ao resfriarmos este aço temos que toda fase austenita se torna perlita 

Microestrutura em ligas metálicas: São as diferentes fases e o modo como elas estão arranjadas. Estão diretamente relacionadas com as propriedades mecânicas, físicas e funcionais da liga. O arranjo dessas ‘misturas’ de fases são influenciados pelo tipo de resfriamento que o material está submetido, caso seja um resfriamento lento, a transformação de uma fase será finalizada no equilíbrio, já se for um resfriamento rápido, a estrutura criada poderá ser segregada ou metaestável (como a Cementita!), uma vez que não houve tempo de se atingir o equilíbrio.

Pontos importantes do diagrama Fe-C:

Ponto eutetóide (ϒ → α + Fe3C) a 727°C: Quando o ferro passa de CFC para CCC, ao mudar sua estrutura cristalina – diminuindo a solubilidade de carbono - faz com que o Fe-α formado rejeite carbono, uma vez que não consegue manter essa solução sólida mais rica. Isso faz com que formem duas fases sólidas, uma rica em carbono e outra em ferro, com microestrutura lamelar.

Ponto eutético (L → ϒ + Fe3C) a 1147°C: Partindo da fase líquida e sendo resfriado lentamente, ao atravessar o ponto eutético o líquido se solidifica em duas fases, resultando em uma microestrutura lamelar.

Ponto peritético (δ + L → ϒ) a 1493°C: Depende da difusão de átomos pela fase formada, neste caso a ferrita δ. Reações deste tipo são geralmente mais demoradas, porém como no Fe-C ela se completa rapidamente pois ocorre em temperatura muito alta e depende da difusão intersticial do C, que é um processo relativamente rápido a 1493°C. Como ela ocorre em temperaturas mais altas do que temperaturas típicas de processamento de aços, é geralmente a reação menos relevante no estudo de aços