3- Uma liga Fe-C contendo 0,018 % em peso de carbono é aquecida a
e mantida nessa temperatura até atingir o equilíbrio. A seguir, resfria-se em água. 3.a-Determine o teor de carbono em solução sólida após o resfriamento. 3.b-Seria possível conservar essa amostra indefinidamente em água e manter o carbono em solução sólida? Explique.
Passo 1
O enunciado dá e pede o seguinte (vou listar ponto a ponto para não nos perder):
- Dado: teor de carbono na liga Fe–C
(em peso). - Procedimento dado: aquecer a liga a
e mantê-la até atingir o equilíbrio; em seguida resfriar rapidamente em água (têmpera). - Perguntas:
3.a — Determinar o teor de carbono em solução sólida após o resfriamento.
3.b — Seria possível conservar essa amostra indefinidamente em água e manter o carbono em solução sólida? Explicar.
Passo 2
Conceitos essenciais (explicação didática e curta do que vamos usar):
- Em ligas Fe–C as fases relevantes aqui são a ferrita (
, ferro ferrítico) e a austenita ( ); cada fase tem uma solubilidade máxima de carbono que depende da temperatura. A “solução sólida” aqui refere-se ao carbono dissolvido na ferrita. - Dois pontos importantes do diagrama Fe–Fe3C que precisamos lembrar:
- A temperatura em torno de
é a temperatura eutetoide (normalmente citada , alguns autores usam em exercícios). - A linha
(limite entre região e região ) parte de em C e decresce até em C. Assim, para composições muito baixas em C a temperatura é muito alta (próxima de ).
- A temperatura em torno de
- Solubilidade típica do carbono em ferrita:
- Em torno de
: aproximadamente em peso (valor tabulado aproximado, usado comumente em problemas). - À temperatura ambiente: muito pequena, da ordem de
em peso (valor aproximado).
- Em torno de
- Diferença entre equilíbrio termodinâmico e estado metastável: se a solução sólida fica com mais C do que a solubilidade do
à temperatura final, isso é metastabilidade — termodinâmicamente instável mas pode persistir se a difusão for lenta (têmpera “congela” a distribuição).
Passo 3
Determinar a fase presente em equilíbrio a
antes do resfriamento:
- Temos o teor total
. - A solubilidade do C na ferrita a
(valor tabulado aproximado) é . - Compare:
- Interpretação: como o teor total de C é menor que a solubilidade máxima de C na ferrita àquela temperatura, a liga a
estará, em equilíbrio, inteiramente na fase ferrita ( ) — ou seja, não há necessidade de formar perlita ou cementita para “absorver” carbono, porque a ferrita pode dissolver todo o carbono presente naquela temperatura.
Comentário prático (para a prova): sempre compare o teor total com a solubilidade da fase àquela temperatura; se o total for menor, o sistema será monofásico naqueles equilíbrios.
Passo 4
O que acontece ao resfriar rapidamente (têmpera em água) a partir de
:
- Antes da têmpera (em equilíbrio a
) toda a amostra é com teor de C igual ao teor total (porque o ferro pode dissolver esse C a ). - Ao resfriar rapidamente para temperatura ambiente a têmpera reduz muito a mobilidade dos átomos de carbono; os carbonos ficam “presos” na rede da ferrita. Logo, a têmpera congela a distribuição de carbono existente à temperatura inicial de têmpera.
- Consequência direta: após a têmpera a ferrita retém praticamente o mesmo teor de carbono que havia em equilíbrio a
, ou seja todo o carbono restante continua dissolvido na ferrita, em forma supersaturada a baixas temperaturas.
Passo 5
Quantificação final (resposta numérica do item 3.a) e explicação curta:
- Como a liga era monofásica
em equilíbrio a e continha de C no total, após a têmpera esse carbono permanece em solução sólida na ferrita (não havia outra fase para incorporá-lo e a têmpera impede difusão suficiente para precipitação). - Portanto o teor de carbono em solução sólida após o resfriamento é
Passo 6
Resposta ao item 3.b — é possível conservar indefinidamente em água mantendo o carbono em solução sólida? (explicação didática)
- Termodinâmica: não — à temperatura ambiente a solubilidade de C em
é muito menor ( ), de modo que o estado com em solução é termodinamicamente instável. O estado de equilíbrio à longo prazo seria ferrita praticamente com em solução e o excesso de C precipitado como cementita ( ). - Cinética: sim — na prática, a difusão do carbono na ferrita à temperatura ambiente é extremamente lenta. Por isso o estado supersaturado obtido por têmpera pode persistir por muito tempo (meses, anos) sem ocorrer precipitação perceptível.
- Outros fatores práticos: manter a peça “em água” continuamente pode causar corrosão, que altera microestrutura e superficialmente pode facilitar precipitação; além disso qualquer aquecimento ou serviço aceleraria a precipitação.
- Conclusão clara e direta: portanto não é possível conservar indefinidamente em termos termodinâmicos — o estado é metastável e, dado tempo suficiente (ou aquecimento), o carbono precipitará como cementita. Contudo, cineticamente, na água à temperatura ambiente essa precipitação será muito lenta, de modo que, na prática, a solução supersaturada pode persistir por longos períodos, mas não “indefinidamente” do ponto de vista termodinâmico.
Resposta
3.a —
(em peso de carbono em solução sólida na ferrita).
3.b — Não em termos termodinâmicos: o estado é metastável e o carbono excedente deveria precipitar como cementita à temperatura ambiente; porém cineticamente a precipitação é muito lenta, de modo que, na prática, o carbono pode permanecer em solução por longos períodos, mas não indefinidamente.
3.b — Não em termos termodinâmicos: o estado é metastável e o carbono excedente deveria precipitar como cementita à temperatura ambiente; porém cineticamente a precipitação é muito lenta, de modo que, na prática, o carbono pode permanecer em solução por longos períodos, mas não indefinidamente.