A matéria sólida na natureza pode ser classificada em duas categorias: cristalina e amorfa.
Um cristal é um sólido com forma geométrica regular formado através do processo de cristalização. Em um cristal, os átomos ou moléculas são organizados periódica e repetidamente no espaço de acordo com uma determinada regra.
Já um sólido amorfo corresponde a um cristal com átomos ou moléculas dispostos irregularmente, sem periodicidade ou simetria. O vidro é um exemplo de sólido amorfo.
Metais sólidos e ligas são principalmente cristais. A estrutura cristalina de metais e ligas é um dos fatores fundamentais que determinam suas propriedades físicas, químicas e mecânicas.
Ferro e aço são sistemas de liga com ferro e carbono como elementos básicos.
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Dentro do sistema Fe-C, quando o teor de carbono é inferior a 0,02%, o material é classificado como ferro puro. Se o teor de carbono ultrapassar 2,0%, é denominado ferro-gusa, enquanto a faixa entre esses dois limites é classificada como aço.
O ferro puro, ou ferro forjado, é caracterizado por quatro estruturas cristalinas: α, β, γ e δ. Três dessas estruturas, nomeadamente α, β e δ, exibem estruturas centrais cúbicas, enquanto a quarta, c, possui uma estrutura central cúbica de face.
O ferro elementar puro cristaliza a 1538 ℃ para formar uma estrutura central cúbica conhecida como ferro δ. À medida que esfria até 1394 ℃, ele se transforma em uma estrutura cúbica de face centrada chamada ferro γ. O resfriamento adicional a 912 ℃ resulta na formação de uma estrutura central cúbica conhecida como ferro α.
O aço tem quatro fases principais: austenita, ferrita, cementita e martensita.
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(a) Austenita·
Austenita é um composto intersticial de carbono em γ-Fe. A proporção de átomos de Fe para átomos de C é de 27:1, o que significa que apenas um átomo de C está presente em cada 6-7 células cúbicas centradas na face. A concentração de carbono dissolvido em γ-Fe é 2,11% a 1148°C e 0,77% a 727°C.
As características da austenita são que sua resistência e dureza são maiores em comparação com a ferrita, enquanto sua plasticidade e tenacidade são melhores. Além disso, seu grão tem formato poligonal e seu limite de grão é mais reto que o da ferrita.
(b) Ferrita·
A ferrita é uma solução sólida de carbono em α-Fe, com teor de carbono próximo ao ferro puro, aproximadamente 0,02%.
A ferrita possui características semelhantes às do ferro puro, incluindo baixa resistência e dureza, além de boa plasticidade e tenacidade. Sua microestrutura é caracterizada por grãos poligonais brilhantes.
(c) Cementita·
A cementita é um composto composto de ferro e carbono na proporção de 3:1, conhecido como Fe3C. Pertence ao sistema cristalino ortogonal e possui uma estrutura cristalina complexa. Cada célula de cementita consiste em 12 átomos de Fe e 4 átomos de C.
As características da cementita incluem alta dureza, baixa plasticidade e tenacidade. Seus valores de δ e Akk são próximos de zero e apresenta grande fragilidade.
(d) Martensita·
Quando o aço austenítico é temperado a uma temperatura abaixo de 150°C, ele se transforma em martensita, que é extremamente dura. A martensita pode ser considerada uma solução sólida supersaturada que consiste em 1,6% de carbono em α-Fe e possui uma estrutura cristalina tetragonal.
Existem dois tipos de martensita: martensita de alto carbono (martensita de ripas) e martensita de baixo carbono (martensita lamelar).
A martensita é caracterizada por ser dura e quebradiça, ter baixa tenacidade, grande tensão interna e ser propensa a trincas.
A estabilidade das quatro fases varia. A ferrita e a cementita são formas cristalinas estáveis à temperatura ambiente, enquanto a austenita é estável em altas temperaturas.
Quando o aço carbono é temperado, obtém-se principalmente martensita, que é uma forma cristalina instável. Aços de liga com diferentes composições, como Mn, Ni e Cr, podem ser feitos para diferentes finalidades.
Os não pesquisadores da indústria do aço inoxidável estão principalmente expostos à austenita, ferrita e martensita, sendo a cementita menos comumente encontrada.
O aço inoxidável é uma liga típica com propriedades especiais que são obtidas pela adição de componentes de liga à fase básica.
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