Diagrama Ferro-Carbono (Fe-C) — Guia Completo para Soldadores
Introdução
O diagrama de equilíbrio Ferro-Carbono (Fe-Fe₃C) é a ferramenta fundamental da metalurgia dos aços. Mostra as fases e constituintes que se formam nas ligas ferro-carbono em função da temperatura e da percentagem de carbono. Para um soldador ou inspetor de qualidade, compreender este diagrama é essencial para perceber o comportamento do material durante e após a soldadura.
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Alotropia do Ferro Puro
O ferro puro muda de estrutura cristalina com a temperatura:
| Temperatura | Estrutura | Designação |
|---|---|---|
| < 912°C | CCC (cúbica de corpo centrado) | Ferrite α (alfa) |
| 912 - 1.394°C | CFC (cúbica de faces centradas) | Austenite γ (gama) |
| 1.394 - 1.538°C | CCC | Ferrite δ (delta) |
| > 1.538°C | — | Líquido |
Esta propriedade — alotropia — é a base de todos os tratamentos térmicos dos aços. A mudança CCC → CFC → CCC permite dissolver e redistribuir o carbono conforme a temperatura.
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Fases do Diagrama
Ferrite (α)
- Solução sólida de carbono no ferro CCC
- Solubilidade máxima de carbono: 0,022% a 727°C
- Propriedades: macia, dúctil, magnética, baixa resistência (~300 MPa)
- Presente nos aços à temperatura ambiente
Austenite (γ)
- Solução sólida de carbono no ferro CFC
- Solubilidade máxima de carbono: 2,11% a 1.148°C
- Propriedades: não magnética, boa ductilidade
- Estável acima de 727°C (nos aços); é a partir desta fase que ocorrem as transformações de têmpera
Cementite (Fe₃C)
- Carboneto de ferro com 6,67% de carbono
- Estrutura cristalina ortorrômbica
- Propriedades: muito dura (650 HB), frágil, sem ductilidade
- Presente como lamelas na perlite ou como rede nos limites de grão (aços hipereutetóides)
Ferrite δ (delta)
- CCC de alta temperatura (>1.394°C)
- Interesse prático limitado — ocorre apenas perto da solidificação
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Constituintes
Os constituintes são combinações de fases com microestrutura característica:
Perlite
- Mistura mecânica de ferrite (88,5%) + cementite (11,5%) em lamelas alternadas
- Forma-se pela decomposição da austenite a 727°C com 0,77% C
- Propriedades intermédias: dureza 250-300 HB, boa resistência
- Aspeto ao microscópio: semelhante à madrepérola (daí o nome)
Ledeburite
- Mistura eutéctica de austenite + cementite a 4,3% C e 1.148°C
- Presente nos ferros fundidos brancos
- Muito dura e frágil
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Reações Importantes
| Reação | Temperatura | % C | Tipo | Descrição |
|---|---|---|---|---|
| Peritética | 1.495°C | 0,17 | Invariante | L + δ → γ |
| Eutética | 1.148°C | 4,3 | Invariante | L → γ + Fe₃C (ledeburite) |
| Eutetóide | 727°C | 0,77 | Invariante | γ → α + Fe₃C (perlite) |
A reação eutetóide (727°C) é a mais importante para a metalurgia dos aços e da soldadura:
- Acima de 727°C: existe austenite
- Abaixo de 727°C: a austenite transforma-se em ferrite + cementite (perlite)
- A velocidade desta transformação determina a microestrutura final (perlite, bainite ou martensite)
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Temperaturas Críticas
| Designação | Descrição | Importância |
|---|---|---|
| A₁ (727°C) | Temperatura eutetóide — início da transformação perlite ↔ austenite | Limite inferior dos tratamentos térmicos |
| A₃ (variável) | Limite superior do campo α+γ (depende do %C) | Acima desta: 100% austenite (hipoeutetóides) |
| Acm (variável) | Limite de solubilidade do C na austenite | Para aços hipereutetóides |
Na prática, as temperaturas críticas têm valores ligeiramente diferentes no aquecimento (Ac) e no arrefecimento (Ar) devido à histerese térmica:
- Ac₁, Ac₃: Temperaturas no aquecimento (c = chauffage)
- Ar₁, Ar₃: Temperaturas no arrefecimento (r = refroidissement)
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Classificação das Ligas Fe-C
| % Carbono | Classificação | Subclassificação |
|---|---|---|
| 0 - 0,008 | Ferro tecnicamente puro | — |
| 0,008 - 0,77 | Aço hipoeutetóide | Extra-doce (<0,15), doce (0,15-0,30), meio-duro (0,30-0,60), duro (0,60-0,77) |
| 0,77 | Aço eutetóide | — |
| 0,77 - 2,11 | Aço hipereutetóide | — |
| 2,11 - 4,3 | Ferro fundido hipoeutético | Cinzento, nodular, maleável |
| 4,3 | Ferro fundido eutético | — |
| 4,3 - 6,67 | Ferro fundido hipereutético | Branco |
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Relação com a Soldadura
ZTA (Zona Termicamente Afetada)
Durante a soldadura, o material base ao lado do cordão é aquecido a diferentes temperaturas de pico. Isto cria sub-zonas na ZTA que correspondem a diferentes regiões do diagrama Fe-C:
| Sub-zona da ZTA | Temperatura de pico | Efeito |
|---|---|---|
| Zona de crescimento de grão | >1.100°C | Grão austenítico grosseiro → baixa tenacidade |
| Zona de refinamento de grão | 900-1.100°C | Grão fino → boas propriedades |
| Zona intercrítica | 727-900°C | Transformação parcial → microestrutura mista |
| Zona subcrítica | <727°C | Alívio de tensões / sobre-revenido (em Q&T) |
Carbono equivalente e soldabilidade
O diagrama explica porque o carbono é o principal inimigo da soldabilidade: mais carbono significa mais tendência a formar martensite (dura e frágil) na ZTA quando o arrefecimento é rápido — e o arrefecimento na soldadura é sempre rápido.
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Propriedades Mecânicas vs. % Carbono
| Aço | Resistência (MPa) | Cedência (MPa) | Alongamento (%) | Dureza (HB) |
|---|---|---|---|---|
| 0,10% C | 370 | 250 | 38 | 110 |
| 0,20% C | 440 | 345 | 36 | 131 |
| 0,40% C | 590 | 375 | 28 | 170 |
| 0,60% C | 775 | 420 | 18 | 229 |
| 0,80% C | 1.010 | 525 | 11 | 293 |
A tendência é clara: mais carbono → mais resistência e dureza, menos ductilidade e tenacidade. É por isso que os aços de soldadura são tipicamente hipoeutetóides com baixo carbono (0,05-0,25% C).
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