17- Uma liga ferro-carbono contendo 0,01 \% em peso de carbono é aquecida a 723^{\circ} \mathrm{C} e mantida nessa temperatura até atingir o equilíbrio. A seguir, resfria-se em água.
17.a-Determine o teor de carbono em solução sólida após o resfriamento.
17.b-Seria possível conservar essa amostra indefinidamente em água e manter o carbono em solução sólida? Explique.

Passo 1

O enunciado dá uma liga ferro–carbono com teor total de carbono igual a \,0,01\% em peso. Essa amostra é aquecida a \,723^\circ\mathrm{C} e mantida nessa temperatura até atingir o equilíbrio. Em seguida ela é resfriada rapidamente (têmpera) em água.
Perguntas pedidas:
17.a — Determinar o teor de carbono em solução sólida depois do resfriamento.
17.b — Será possível conservar essa amostra indefinidamente em água e manter o carbono em solução sólida? Explique.
Informações relevantes dadas: teor total de carbono \,0,01\%, temperatura de tratamento \,723^\circ\mathrm{C}, e resfriamento por têmpera em água.

Passo 2

Primeiro precisamos entender qual é o estado de equilíbrio à temperatura dada. No diagrama de equilíbrio ferro–carbono existem limites de solubilidade do carbono em cada fase. Dois números importantes (valores usuais do diagrama padrão) são:
C_{\gamma}^{\text{eut}} \approx 0,76\% \quad\text{(composição da austenita no punto eutetoide a }723^\circ\mathrm{C})çã
C_{\alpha}^{723^\circ\mathrm{C}} \approx 0,022\% \quad\text{(máxima solubilidade de C na ferrita a }723^\circ\mathrm{C})á
Explicação do que isso significa (aula rápida): a “solubilidade” aqui é a quantidade máxima de carbono que a fase sólida (por exemplo, ferrita \alpha) pode dissolver em equilíbrio a uma dada temperatura. Se a composição global da liga for menor que essa solubilidade máxima, a liga fica como uma única fase daquela composição. Se for maior, aparece uma segunda fase (por exemplo, cementita \mathrm{Fe}_3\mathrm{C}) para absorver o excesso de carbono.

Passo 3

Compare o teor da liga com a solubilidade da ferrita a \,723^\circ\mathrm{C}. Temos
0,01\% < 0,022\%.
Portanto, à temperatura de \,723^\circ\mathrm{C} a liga está dentro da região de solução sólida \alpha (ferrita) única — ou seja, em equilíbrio a essa temperatura todo o carbono está dissolvido na ferrita e não há precipitado de cementita. Conclusão intermediária: no equilíbrio a \,723^\circ\mathrm{C} a concentração de carbono na fase sólida é justamente a composição da liga, \,0,01\%.

Passo 4

Agora veja o efeito da têmpera (resfriamento rápido em água). Conceito importante (aula): para que o carbono saia da solução sólida e forme precipitados (como cementita) é preciso que os átomos de carbono se difundam através da malha do ferro — difusão é um processo termicamente ativado e fica extremamente lenta a temperaturas baixas. A têmpera é rápida justamente para “congelar” a distribuição de átomos existente na temperatura alta: a estrutura e a composição em solução sólida da fase que existia a \,723^\circ\mathrm{C} ficam praticamente travadas, porque não dá tempo para o carbono se deslocar e precipitar. Um exemplo análogo: uma solução supersaturada de açúcar quente pode ser resfriada rápido e ficar temporariamente supersaturada; só com tempo e agitação o açúcar vai cristalizar.
Aplicando ao nosso caso: como a liga já era única fase \alpha com \,0,01\% de C a \,723^\circ\mathrm{C}, o resfriamento rápido impede a difusão de carbono e, portanto, o teor de carbono “em solução sólida” após a têmpera permanece \,0,01\% (o carbono fica preso na ferrita como solução supersaturada).

Passo 5

Responder se isso pode ser mantido indefinidamente: aqui distinguimos termodinâmica e cinética. Termodinamicamente (estado de equilíbrio absoluto a temperatura ambiente) a solubilidade de carbono na ferrita é ainda menor que a de \,723^\circ\mathrm{C}; portanto o estado com \,0,01\% dissolvido é metastável — o equilíbrio de longo prazo seria com parte do carbono precipitado como cementita. Contudo, cineticamente (velocidade do processo) a difusão de carbono a temperaturas próximas de ambiente é extremamente lenta, de modo que a precipitação leva tempos muito longos. Conclusões práticas e observações importantes:
  • Não se pode afirmar que isso será mantido “indefinidamente” do ponto de vista termodinâmico — eventualmente, se houver tempo suficiente e temperatura favorável, o carbono tenderá a precipitar e o material irá aproximar-se do equilíbrio.
  • Na prática, para condições de armazenamento em água à temperatura ambiente, a precipitação é tão lenta que o carbono permanecerá praticamente em solução sólida por longos períodos.
  • Além disso, manter a peça imersa em água provoca corrosão/oxidação, que altera a superfície e pode modificar a composição e propriedades — logo “conservar indefinidamente em água” não é uma boa prática para manter a amostra inalterada.

Passo 6

Resumo didático curto para lembrar na prova: se o teor global é menor que a solubilidade da fase à temperatura de homogeneização, toda a liga é uma única fase e sua composição em solução sólida é a composição global; a têmpera congela essa distribuição porque corta a difusão. Porém, estabilidade indefinida depende de cinética vs termodinâmica — metastável pode durar muito tempo, mas não é o equilíbrio final.

Resposta

17.a: \,0,01\% (em peso) de C em solução sólida.
17.b: Não termodinamicamente — o estado é metastável e, a longo prazo, o carbono tenderá a precipitar para atingir o equilíbrio; porém, cineticamente a difusão a temperatura ambiente é muito lenta, de modo que, na prática, o carbono permanecerá em solução por longos períodos; adicionalmente, manter a peça em água causa corrosão que altera o material.

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