QUESTÃO 2: (3 Pontos)

Dispõe-se de 3 caixas iguais, todas sem tampa, feitas de material refratário e inerte que suporta 2000^{\circ} \mathrm{C}.
Dispõe-se de chapas de 10 Kg de ferro cada e chapas de 0,4 \mathrm{Kg} de grafite cada. As caixas foram carregadas da seguinte forma:
Caixa A: carregada com 1 chapa de 10 Kg de ferro
Caixa B: carregada com 1 chapa de 0,4 \mathrm{Kg} de grafite.
Caixa C: carregada com 1 chapa de ferro com 10 kg e, em cima desta, 1 chapa de grafite com 0,4 \mathrm{~kg}
As três caixas foram colocadas em um forno, sob atmosfera inerte, em temperatura de 1350^{\circ} \mathrm{C}, por vários dias.
O ponto de fusão de Fe é 1536^{\circ} \mathrm{C} e do grafite é acima de 3000^{\circ} \mathrm{C}.
O que você espera que aconteça em cada caixa, na temperatura de 1300^{\circ} \mathrm{C} ao final dos vários dias? Justifique sua resposta.

Passo 1

O enunciado dá as seguintes informações e pede o que vai acontecer em cada caixa ao final de vários dias, sendo observadas a 1300^\circ\mathrm{C}:
  • Três caixas idênticas, sem tampa, refratárias (aguentam até 2000^\circ\mathrm{C}) e em atmosfera inerte.
  • Chapas disponíveis: uma de 10\\ \mathrm{kg} de ferro e uma de 0,4\\ \mathrm{kg} de grafite.
  • Carregamento das caixas:
    • Caixa A: 1 chapa de 10\\ \mathrm{kg} de ferro.
    • Caixa B: 1 chapa de 0,4\\ \mathrm{kg} de grafite.
    • Caixa C: 1 chapa de 10\\ \mathrm{kg} de ferro com 1 chapa de 0,4\\ \mathrm{kg} de grafite em cima (contato direto).
  • Forno a 1350^\circ\mathrm{C} durante vários dias; pergunta qual será o estado final a 1300^\circ\mathrm{C} (ou seja, o que se observa depois desse tratamento térmico).
  • Pontos de fusão informados: ferro 1536^\circ\mathrm{C}; grafite acima de 3000^\circ\mathrm{C}.

Passo 2

Primeira observação física direta (sem entrar em teoria avançada): comparar temperaturas dadas com pontos de fusão/sublimação.
  • O forno foi a 1350^\circ\mathrm{C}. Isso é menor que o ponto de fusão do ferro ( 1536^\circ\mathrm{C}), portanto o ferro não vai fundir; permanece sólido durante o aquecimento.
  • O grafite tem ponto de fusão/sublimação muito acima de 3000^\circ\mathrm{C}, então a 1350^\circ\mathrm{C} também permanece sólido e está estável.
  • Atmosfera inerte significa que não há oxigênio (ou é irrelevante), logo não haverá oxidação do ferro nem reações com O _2 que transformem ferro em óxidos. Também impede reações do grafite com O _2 (que gerariam CO/CO _2).

Passo 3

Conceito essencial que explica a diferença entre as caixas: difusão e solubilidade do carbono no ferro.
  • Carbono (grafite) em contato com ferro quente pode penetrar no ferro por difusão sólida; isso não precisa de fusão. A difusão é o movimento de átomos dentro do sólido devido à agitação térmica.
  • Uma fórmula simples e muito útil para ter ideia da ordem de grandeza da penetração é a relação
    \displaystyle x \sim \sqrt{D\,t},
    onde x é a profundidade de penetração típica, D é o coeficiente de difusão do carbono no ferro (que depende fortemente da temperatura) e t é o tempo de exposição. Expliquei as variáveis: x em metros, D em \mathrm{m}^2/\mathrm{s}, t em segundos. A conclusão qualitativa: temperatura alta e tempo grande aumentam x.
  • No ferro aquecido a altas temperaturas (acima da faixa de transformação, por exemplo \sim 900\!-\!1400^\circ\mathrm{C}), a solubilidade do carbono na fase austenita é relativamente alta, da ordem de algumas unidades de massa por cento. Um número prático usado em metalurgia: a solubilidade máxima do C em austenita é cerca de 2\% em massa (ordem de grandeza) em temperaturas altas. Isso significa que, se na superfície houver muito carbono disponível, parte dele se dissolve no ferro até atingir a solubilidade local; o excesso fica como grafite livre ou, dependendo do resfriamento, pode formar carbetos (ex.: Fe _3C) ao esfriar.

Passo 4

Cálculo simples da proporção massa C/Fe disponível na Caixa C (para ter intuição):
  • Massa de carbono disponível: 0,4\\ \mathrm{kg}. Massa total ferro+grafite: 10,0+0,4=10,4\\ \mathrm{kg}. Fração mássica de C se todo carbono se misturasse homogêneamente:
    \displaystyle \frac{0,4}{10,4}\approx 0,03846, ou seja aproximadamente 3{,}85\% em massa de carbono.
  • Como a solubilidade máxima do carbono em austenita é da ordem de 2\% (valor típico), se todo o carbono fosse forçado a se dissolver, a porcentagem supera a solubilidade. Na prática, só uma fração do carbono se dissolve perto da superfície; o restante permanece como grafite livre ou dará origem a fases carbonosas durante resfriamento.

Passo 5

O que ocorre na Caixa A (apenas ferro), explicado passo a passo e didaticamente:
  • Condição inicial: ferro sólido, aquecido a 1350^\circ\mathrm{C} em atmosfera inerte. Essa temperatura é abaixo do ponto de fusão do ferro ( 1536^\circ\mathrm{C}), então não há fusão.
  • Transformação de fase e microestrutura: a temperaturas altas o ferro passa a fases de alta temperatura (por exemplo, austenita \gamma em torno de 1350^\circ\mathrm{C}); isso é apenas uma mudança de estrutura cristalina do sólido, não fusão. Durante “vários dias” ocorre:
    • alívio de tensões internas;
    • crescimento de grão (os cristais do metal tendem a crescer com exposição prolongada ao calor);
    • zero ganho de carbono (não há fonte de C).
  • Em resumo prático: a chapa de ferro ficará sólida, possivelmente recristalizada/com grãos maiores e em fase de alta temperatura (austenítica a 1300^\circ\mathrm{C}), sem fusão nem alteração de composição. Ao retirar e resfriar, sua microestrutura final dependerá da velocidade de resfriamento, mas nada químico novo aconteceu durante o aquecimento em atmosfera inerte.

Passo 6

O que ocorre na Caixa B (apenas grafite), explicado passo a passo:
  • Grafite é estável em atmosfera inerte e a 1350^\circ\mathrm{C} está bem abaixo de seu ponto de sublimação/fusão >3000^\circ\mathrm{C}.
  • Possíveis efeitos: alguma reorganização do arranjo cristalino do grafite (annealing/recristalização), perda mínima de material (se a atmosfera for perfeitamente inerte, praticamente nula), nenhuma reação com ferro (não há ferro nesta caixa) e nenhuma oxidação.
  • Em resumo prático: a chapa de grafite permanece gráfica sólida, essencialmente inalterada quimicamente; pode haver pequenas mudanças físicas (estrutura dos cristais, tensão), mas continua grafite.

Passo 7

O que ocorre na Caixa C (ferro com grafite em contato) — aqui vem o ponto central:
  • Contato direto grafite–ferro a alta temperatura + tempo longo → difusão de carbono para dentro do ferro (processo chamado carburização quando se aproveita para enriquecer a superfície em C).
  • Mecanismo qualitativo: átomos de carbono saem do grafite superficial e migram para os interstícios da rede metálica do ferro (mais fácil na fase austenita). A difusão é facilitada pela alta temperatura e pelo contato íntimo. A profundidade da zona carburizada cresce com o tempo segundo x\sim\sqrt{D\,t}. Assim, “vários dias” a 1350^\circ\mathrm{C} tipicamente leva a uma zona carburizada de dimensão apreciável (milímetros a fração de centímetro, dependendo do D e do tempo exato).
  • Efeito na composição: perto da superfície do ferro haverá aumento da concentração mássica de C (curva decrescente com a profundidade). Nem todo o 0,4\\ \mathrm{kg} precisa dissolver; parte cai como grafite remanescente na superfície. A concentração superficial pode se aproximar ou até superar a solubilidade local momentaneamente, mas em equilíbrio a temperatura alta tende a dissolver carbetos que existissem; portanto, a 1350^\circ\mathrm{C} a maior parte do carbono na região aquecida estará em solução sólida na austenita (não como Fe _3C), porque muitos carbetos se dissolvem em altas temperaturas.
  • Estado a 1300^\circ\mathrm{C} (após os dias de tratamento): espera-se uma camada superficial de ferro enriquecida em carbono (austenita rica em C) cujas concentrações decrescem com a profundidade; sobre a superfície pode haver ainda grafite não difundido. Não há fusão do ferro.
  • Consequência prática ao resfriar (observação adicional útil para provas): se depois for resfriado ao ambiente, o carbono na superfície pode precipitar formando carbetos (ex.: Fe _3C) ou estruturas ricas em carbono (dependendo da velocidade de resfriamento formam-se perlita, martensita, cementita, etc.). Mas essa precipitação ocorre durante o resfriamento, não durante os dias a 1350^\circ\mathrm{C}.

Passo 8

Comparação limpa e intuitiva entre as três caixas (resumo para decorar na prova):
  • Caixa A: ferro isolado → não funde, permanece sólido; muda só a microestrutura por aquecimento (recristalização/ crescimento de grãos).
  • Caixa B: grafite isolado → permanece grafite sólido, estável em atmosfera inerte.
  • Caixa C: grafite em contato com ferro → difusão de carbono para o ferro; formação de uma camada carburizada (ferro com concentração aumentada de carbono) perto da superfície; grafite remanescente na superfície; nenhuma fusão do ferro. Ao resfriar, essa camada carburizada pode originar carbetos/estruturas duras na superfície.

Resposta

Caixa A: Chapa de ferro continua sólida (não funde), estará em fase de alta temperatura (austenita) durante o aquecimento e apresentará recristalização/ crescimento de grãos; sem alteração de composição.
Caixa B: Chapa de grafite permanece grafite sólido e estável em atmosfera inerte, sem reação significativa.
Caixa C: Haverá difusão de carbono do grafite para o ferro (carburização): formação de uma camada superficial de ferro enriquecida em carbono (austenita rica em C) com grafite remanescente sobre a superfície; não ocorre fusão do ferro a 1350^\circ\mathrm{C}.

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