aula 05 - diagrama de fases
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Aula sobre diagrama de fasesTRANSCRIPT
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Diagramas de FasesProfa.: Priscila Praxedes
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1.Introdução
Durante a formação de ligas é importante se conhecer as microestruturas formadas pois elas irão influenciar diretamente nas propriedades mecânicas do material.Prediz as transformações de fases.Relaciona a microestrutura com a temperatura e sua composição.
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2.Limite de Solubilidade
Def.: Concentração máxima de átomos de soluto que podem se dissolver no solvente, a uma dada T, para formar a solução sólida.
Quando ultrapassado este limite de solubilidade uma nova fase é formada.
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3.Fase
Fase: é considerada como uma porção homogênea do sistema com características físicas e químicas uniformes.
• As fases apresentarão propriedades e microestruturas diferentes.
• Assim quando uma substância existir em uma ou mais formas polimórficas (ex. CFC e CCC), cada uma destas estruturas consiste em uma fase separada pois suas características físicas são diferentes.
• Sistemas:HOMOGÊNEOS: apresentam uma única fase.HETEROGÊNEOS: com mais de uma fase. Ex.: compósitos, sistemas cerâmicos e poliméricos.
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4.Equilíbrio de Fases
Termodinamicamente o equilíbrio é descrito em termos da energia livre e esta diretamente ligada ao grau de desordem dos átomos e moléculas (entropia).
• O equilíbrio acontece quando sua energia interna tem valor mínimo a uma determinada (T, P e X).
• Macroscopicamente no estado de equilíbrio: não há mudanças ao longo do tempo no sistema.
• A alteração em uma das condições de equilíbrio (T, P e X) gera um aumento na energia livre do processo gerando uma possível alteração espontânea .
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4.Equilíbrio de Fases
Fases em equilíbrio suas propriedades não mudam com o tempo.Sua representação nos diagramas se dá através de letras gregas.
• Existem casos onde o equilíbrio nunca é atingido METAESTÁVEL.
• Fases METAESTÁVEIS: possuem características ou propriedades que mudam a taxas muito lentas e nunca atingem o equilíbrio. Suas alterações microestruturais são muito pouco perceptíveis.
• Podem perdurar indefinidamente e são estados muito usados no mundo dos TT.
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5.Diagrama de Fases ou Diagrama de Equilíbrio
Servem para prever as transformações de fases e as microestruturas constituintes resultantes.
• Apresentam as relações existentes entre as composições, a temperatura e as quantidades de cada fase.
• A pressão apesar de ter influencia direta será considerada como constante durante as transformações e serão tratadas como sendo constantes (p= 1 atm).
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6. Sistemas Isomorfos Binários
Isomorfo: é quando a solubilidade dos componentes é completa no estado líquido e sólido. Ex.: Cu e Ni são CFC.
Tem
pera
tura
(C
)⁰
Tem
pera
tura
(F
)⁰
Composição (%p Ni)
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6. Sistemas Isomorfos Binários
Tem
pera
tura
(C
)⁰
Tem
pera
tura
(F
)⁰
Composição (%p Ni)
L: Solução líquida homogênea contendo Ni+ CU
α: Solução sólida homogênea contendo Ni+ CU.
Linha liquidus: a fase líquida está presente em todas as temperaturas e composições localizadas acima desta linha.
Linha solidus: abaixo da qual, para qualquer temperatura e composição, existe apenas a fase sólida.
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6. Interpretação de Diagrama de Fases
(1) As fases presentes: fica localizado no ponto T/X.
(2) as composições das fases para fases binárias se dá através das linhas de amarração;
(3) as porcentagens/ frações das fases são encontradas através da regra da alavanca inversa.
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6. Interpretação de Diagrama de Fases – Cu/Ni
• Composição das fases
• Percentagem das fasesFase líquida
Fase sólida
Comp. Liq= 31,4% Ni e 68,9%CuComp. Sol. = 42,5,4 %Ni e %57,5Cu
L = S (R+S)
L = C-C0
C-CL
S = R R+S
S = Co-CL
C-CL
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6. Interpretação de Diagrama de Fases – Cu/Ni
• Fração de líquidosFase líquida
L = S (R+S)
L = C-C0
C-CL
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6. Interpretação de Diagrama de Fases – Cu/Ni
• Fração de sólidosFase sólida
S = R R+S
S = Co-CL
C-CL
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Exercício
1 - Uma liga Cu/Ni com composição de 70%p Ni – 30%p Cu é aquecida lentamente a partir de uma temperatura de 1300 ⁰C.
a) A qual temperatura se forma a primeira fração de fase líquida?
b) Qual é a composição desta fase líquida?
c) A qual temperatura ocorre a fusão completa da liga?
d) Qual é a composição da última fração de sólido que permanece no meio antes da fusão completa?
e) Qual o ponto de fusão do Cu e do Ni?
Tem
pera
tura
(C
)⁰
Tem
pera
tura
(F
)⁰
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ExercícioTe
mpe
ratu
ra (
C)
⁰
Tem
pera
tura
(F
)⁰
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7. Determinação das Quantidades das Fases
• Fração Volumétrica para uma liga binária
𝑉 ∝=𝑣∝
𝑣∝+𝑣𝛽
𝑉 𝛽=𝑣𝛽
𝑣∝+𝑣𝛽
𝑉 𝛽=
𝑊 𝛽
𝜌𝛽
𝑊 𝛼
𝜌𝛼
+𝑊 𝛽
𝜌𝛽
𝑉 𝛼=
𝑊 𝛼
𝜌𝛼
𝑊𝛼
𝜌𝛼
+𝑊 𝛽
𝜌𝛽
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Exercício
2 – Para a liga Cu/Ni do exemplo anterior calcular as quantidades relativas de cada fase presente em termos da (a) fração mássica e da (b) fração volumétrica na temperatura de 1380 ⁰ C. Admitir que as densidades do Cu e do Ni sejam de 6,24 e 5,55 g/cm3 respectivamente.
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7. Desenvolvimento da Microestrutura em Ligas Isomorfas
7.1 RESFRIAMENTO EM CONDIÇÕES DE EQUILÍBRIO
Considerando um resfriamento muito lento para o sistema exemplo Cu-Ni.
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7. Desenvolvimento da Microestrutura em Ligas Isomorfas
7.2 RESFRIAMENTO FORA DAS CONDIÇÕES DE EQUILÍBRIO
Na maioria dos casos não deixamos os materiais resfriarem tempo suficiente para que o processo de difusão (dependente do tempo) aconteça completamente.
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7.2 IMPLICAÇÕES DO RESFRIAMENTO FORA DAS CONDIÇÕES DE EQUILÍBRIO A microestrutura só segue o diagrama de equilíbrio
para velocidades de solidificação lentas; Na prática, não há tempo para a difusão completa e as
microestruturas não são exatamente iguais às do equilíbrio;
O grau de afastamento do equilíbrio dependerá da taxa de resfriamento;
Como conseqüência da solidificação fora do equilíbrio tem-se a segregação (a distribuição dos 2 elementos no grão não é uniforme).
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7.2 IMPLICAÇÕES DO RESFRIAMENTO FORA DAS CONDIÇÕES DE EQUILÍBRIO A linha solidus foi deslocada para maiores
concentrações de Ni. As concentrações médias são indicadas pela linha
tracejada. Este fenômeno ocorre devido a uma composição
ponderada já que a difusão na fase sólida ocorre a taxas lentas não se alterando muito.
O grau de deslocamento da curva depende da tx de resfriamento. Quanto mais lento menor o desvio.
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7.2 IMPLICAÇÕES DO RESFRIAMENTO FORA DAS CONDIÇÕES DE EQUILÍBRIO O centro de cada grão é composto pela primeira parte
que se solidificou, ou seja, é rico no elemento com maior PF.
O elemento com menor PF já tem seu gradiente aumentado nas regiões em direção a fronteira do grão.
Materiais zonados ao serem fundidos os contornos de grãos serão os primeiros a fundir pois são ricas no material com menor PF.
Gera propriedades mecânicas inferiores TT.
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7.2 IMPLICAÇÕES DO RESFRIAMENTO FORA DAS CONDIÇÕES DE EQUILÍBRIO
Segregação Zonamento (coring) Diminuição das propriedades Pode haver a necessidade de
recozimento
Zonamento observado numa liga de Zn Contendo Zr (aumento 400X).
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26
7.3 ALTERAÇÃO DA COMPOSIÇÃO DE FASES NO PROCESSO DE RESFRIAMENTO
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8. SISTEMAS EUTÉTICOS BINÁRIOS
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8. SISTEMAS EUTÉTICOS BINÁRIOS
Fase sólida rica em Cu (CFC)
Fase sólida rica em Ag (CFC)
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8. SISTEMAS EUTÉTICOS BINÁRIOS
Abaixo do segmento BEG apenas uma pequena parte de Ag irá se dissolver no Cu e vice versa
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8. SISTEMAS EUTÉTICOS BINÁRIOS
Regiões bifásicas
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8. SISTEMAS EUTÉTICOS BINÁRIOS
Ponto Eutético
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8. SISTEMAS EUTÉTICOS BINÁRIOS
1. Composição eutética – solidifica a uma T abaixo de qualquer outra liga.
2. Temperatura eutética – T mais baixa a qual pode existir fase líquida.
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8. SISTEMAS EUTÉTICOS BINÁRIOS
1. Composição eutética –
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9. DESENVOLVIMENTO DE MICROESTRUTURA EM LIGAS EUTÉTICAS
Resfriamento de uma Liga de Pb-Sn Tinicial: 350 ⁰C
- a: liga líquida com composição C1.
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9. DESENVOLVIMENTO DE MICROESTRUTURA EM LIGAS EUTÉTICAS
Resfriamento de uma Liga de Pb-Sn Tinicial: 350 C ⁰
- b: quando a T chega na perto de 330 inicia-se a formação de uma fase sólida α e o restante continua líquido.
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9. DESENVOLVIMENTO DE MICROESTRUTURA EM LIGAS EUTÉTICAS
Resfriamento de uma Liga de Pb-Sn Tinicial: 350 C ⁰
- c: com o prosseguimento do resfriamento aumenta-se a quantidade de fase sólida formada até chegar no ponto final
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9. DESENVOLVIMENTO DE MICROESTRUTURA EM LIGAS EUTÉTICAS
Resfriamento de uma Liga de Pb-Sn Tinicial: 350 C ⁰
Caso 2 Composição - 15%p SnPRECIPITAÇÃO• Ao ser ultrapassado o limite de solubilidade (linha solvus) de Sn no Pb, ocorre aprecipitação da fase, dereticulado cristalino distinto da fase e com distintaspropriedades físico-químicas.
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9. DESENVOLVIMENTO DE MICROESTRUTURA EM LIGAS EUTÉTICAS
Caso 3 Composição - 61,9%p SnEUTÉTICA• Formação (difusão) de lamelas alternadas de fases que formam-se durante a transformação.
Resfriamento de uma Liga de Pb-Sn Tinicial: 250 C ⁰
)%8,97( )%18( )%9,61( toresfriamen pSnpSnpSnL
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39
9. DESENVOLVIMENTO DE MICROESTRUTURA EM LIGAS EUTÉTICAS
ESTRUTURA EUTÉTICA
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9. DESENVOLVIMENTO DE MICROESTRUTURA EM LIGAS EUTÉTICAS
Caso 4 Composição - 40%p SnMicroconstituintes: - α primária- estrutura eutética (α
eutética)
Resfriamento de uma Liga Hipoeutética de Pb-Sn Tinicial: 310 C ⁰
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9. DESENVOLVIMENTO DE MICROESTRUTURA EM LIGAS EUTÉTICAS
![Page 42: Aula 05 - Diagrama de Fases](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022062314/55cf8f67550346703b9c01ce/html5/thumbnails/42.jpg)
10. CALCULO DAS QUANTIDADES RELATIVAS DOS MICROCONSTITUINTES
- Calculo (%)
P Q R
𝑊 𝑒=𝑊 𝑙=𝑃
𝑃+𝑄
𝑊 𝑠=𝑄
𝑃+𝑄
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10. MICROESTRUTURAST(°C)
(Pb-Sn System)
L + 200
Co, wt% Sn20 400
300
100
L
60
+
TE
080 100
L +
18.361.9
97.8
Cohypoeutectic
Cohypereutectic
eutectic
hypereutectic: (illustration only)
160m
eutectic: Co=61.9wt%Sn
175m
hypoeutectic: Co=50wt%Sn
eutectic micro-constituent
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11. DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO CONTENDO FASES INTERMEDIÁRIASNestes gráficos existem as soluções sólidas intermediárias. Ex.: Cu - Zn
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12. REAÇOES EUTETÓIDES E PERITETICAS
• REAÇÃO EUTETÓIDE: De uma sólida, transforma-se em duas outras fases sólidas.
• REAÇÃO PERITÉTICA: Envolve três fases: uma fase sólida e uma fase líquida transformam-se em uma outra fase sólida.
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46
12.1 PERITÉTICOS E EUTÉTICOS
![Page 47: Aula 05 - Diagrama de Fases](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022062314/55cf8f67550346703b9c01ce/html5/thumbnails/47.jpg)
47
Envolve 3 fases em equilíbrio
12.1 PERITÉTICOS
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12.1 PERITÉTICO DUPLO
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49
13. PERITÉTICO, EUTÉTICO E EUTETÓIDE
PF congruente
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14. O DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA FE – CARBETO DE FERRO
![Page 51: Aula 05 - Diagrama de Fases](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022062314/55cf8f67550346703b9c01ce/html5/thumbnails/51.jpg)
14. O DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA FE – CARBETO DE FERRO
FERRO = FERRITA (CCC)
FERRO = AUSTENITA (CFC)
FERRO = FERRITA (CCC) TF= 1534 C As fases , e são
soluções sólidas com Carbono intersticial
![Page 52: Aula 05 - Diagrama de Fases](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022062314/55cf8f67550346703b9c01ce/html5/thumbnails/52.jpg)
14. O DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA FE – CARBETO DE FERRO
C: é considerado uma impureza intersticial e forma uma solução sólida com o ferro.
- A temperatura ambiente o ferro apresenta a forma estável FERRITA (CCC) até a T=912 oC.
- Após isto ocorre uma transformação polimórfica para FERRO conhecido como AUSTENITA (CFC) que dura até a temperatura de 1394 oC.
- Nesta temperatura é formada a FERRITA (CCC) que se funde 1534 oC .
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15. FORMAS ALOTRÓPICAS DO FERRO
FERRITA AUSTENITA
![Page 54: Aula 05 - Diagrama de Fases](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022062314/55cf8f67550346703b9c01ce/html5/thumbnails/54.jpg)
15. FORMAS ALOTRÓPICAS DO FERRO
FERRO = FERRITA
• Estrutura= CCC• Temperatura “existência”=
até 912 C• Solubilidade máx do
Carbono= 0,02% a 727 C• A estrutura CCC torna difícil
acomodar os átomos de C. • Fase macia devido ao baixo
teor de C.
FERRO = AUSTENITA
• Estrutura= CFC (tem 100x mais solubilidade ao C que CCC)
• Temperatura “existência”= 912 -1394C
• Fase Não-Magnética• Solubilidade máx do
Carbono= 2,14% a 1148C
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15. FORMAS ALOTRÓPICAS DO FERRO
• FERRO = FERRITA • Estrutura= CCC • Temperatura “existência”= acima de 1394C• Fase Não-Magnética• Como é estável somente a altas temperaturas não tem
interesse comercial
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15. FORMAS ALOTRÓPICAS DO FERRO
• Ferro Puro= até 0,002% de Carbono• Aço= 0,002 até 2,06% de Carbono• Ferro Fundido= 2,1-4,5% de Carbono• Fe3C (CEMENTITA)= Forma-se quando o limite de
solubilidade do carbono é ultrapassado (6,7% de C)
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15. FORMAS ALOTRÓPICAS DO FERRO
• Liga metaestável – ao ser aquecida forma Fe + grafita- com uma taxa de decomposição extremamente lenta.
• Forma-se quando o limite de solubilidade do carbono é ultrapassado (6,7% de C)
• É dura e frágil• A adição de Si acelera a decomposição da cementita para
formar grafita.
CEMENTITA Fe3C
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58
• LIGA EUTÉTICA: corresponde à liga de mais baixo PF
Líquido FASE (austenita) + cementita
• - Temperatura= 1148 C• - Teor de Carbono= 4,3%• As ligas de Ferro fundido de 2,1-4,3% de C são chamadas
de ligas hipoeutéticas• As ligas de Ferro fundido acima de 4,3% de C são chamadas
de ligas hipereutéticas
16. PONTOS IMPORTANTES DO SISTEMA Fe-Fe3C (EUTÉTICO)
![Page 59: Aula 05 - Diagrama de Fases](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022062314/55cf8f67550346703b9c01ce/html5/thumbnails/59.jpg)
59
• LIGA EUTETÓIDE corresponde à liga de mais baixa temperatura de transformação sólida
• Austenita FASE (FERRITA) + Cementita
• - Temperatura= 725 C• - Teor de Carbono= 0,8 %
Aço: 0,008% - 2,14%pC• Aços com 0,02-0,8% de C são chamadas de aços
hipoeutetóide• Aços com 0,8-2,1% de C são chamadas de aços
hipereutetóides
16. PONTOS IMPORTANTES DO SISTEMA Fe-Fe3C (EUTETÓIDE)
![Page 60: Aula 05 - Diagrama de Fases](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022062314/55cf8f67550346703b9c01ce/html5/thumbnails/60.jpg)
60
• É similar ao eutético • Consiste de lamelas alternadas de fase (ferrita) e Fe3C
(cementita) chamada de
PERLITA
• FERRITA : lamelas + espessas e claras• CEMENTITA : lamelas + finas e escuras• Propriedades mecânicas da perlita
• intermediária entre ferrita (mole e dúctil) e cementita (dura e frágil)
17. DESENVOLVIMENTO DE MICROESTRUTURAS NAS LIGAS FERRO -CARBONO
![Page 61: Aula 05 - Diagrama de Fases](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022062314/55cf8f67550346703b9c01ce/html5/thumbnails/61.jpg)
17. DESENVOLVIMENTO DE MICROESTRUTURAS NAS LIGAS FERRO -CARBONO
MICROESTRUTURAS / EUTETÓIDE
![Page 62: Aula 05 - Diagrama de Fases](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022062314/55cf8f67550346703b9c01ce/html5/thumbnails/62.jpg)
62
MICROESTRUTURA DO AÇO EUTETÓIDE RESFRIADO LENTAMENTE
Somente Perlita
17. DESENVOLVIMENTO DE MICROESTRUTURAS NAS LIGAS FERRO -CARBONO
![Page 63: Aula 05 - Diagrama de Fases](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022062314/55cf8f67550346703b9c01ce/html5/thumbnails/63.jpg)
63
MICROESTRUTURA HIPOEUTETÓIDES:FERRITA PRÓEUTETÓIDE (0,22 a 0,76%p C)
17. DESENVOLVIMENTO DE MICROESTRUTURAS NAS LIGAS FERRO -CARBONO
![Page 64: Aula 05 - Diagrama de Fases](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022062314/55cf8f67550346703b9c01ce/html5/thumbnails/64.jpg)
64
COMPOSIÇÃO LIGAS HIPOEUTETÓIDES: considerando uma liga com composição Co’.
17. DESENVOLVIMENTO DE MICROESTRUTURAS NAS LIGAS FERRO -CARBONO
![Page 65: Aula 05 - Diagrama de Fases](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022062314/55cf8f67550346703b9c01ce/html5/thumbnails/65.jpg)
65
MICROESTRUTURA HIPEREUTETÓIDES:CEMENTITA PRÓEUTETÓIDE (0,76 e 2,14%p C)
17. DESENVOLVIMENTO DE MICROESTRUTURAS NAS LIGAS FERRO -CARBONO
![Page 66: Aula 05 - Diagrama de Fases](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022062314/55cf8f67550346703b9c01ce/html5/thumbnails/66.jpg)
66
COMPOSIÇÃO LIGAS HIPEREUTETÓIDES: considerando uma liga com composição C1’.
17. DESENVOLVIMENTO DE MICROESTRUTURAS NAS LIGAS FERRO -CARBONO
![Page 67: Aula 05 - Diagrama de Fases](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022062314/55cf8f67550346703b9c01ce/html5/thumbnails/67.jpg)
• Callister Jr., W. D., Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 5 ed. – Rio de Janeiro: LTC, 2002.
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REFERÊNCIAS