As ligas ferro-carbono ainda hoje representam os materiais de maior utilização prática. Isto se deve ao fato de que estas ligas podem apresentar uma grande variação nas suas propriedades pela simples variação na quantidade de carbono e ainda possibilitam que se tenha uma gama maior de propriedades se considerarmos a possibilidade de deformação plástica e os tratamentos térmicos. A base para que este material tenha estas características está principalmente atrelado ao fato de que o ferro puro apresenta transformação alotrópica e que o carbono forma uma solução sólida intersticial com o ferro. Isto conduz a uma série de possibilidades de transformações, cada uma com suas microestruturas típicas, resultando na grande variação das propriedades. As transformações em uma liga ferro-carbono são influenciadas basicamente pela temperatura e pelo teor de carbono. Se considerarmos apenas este dois fatores poderemos montar um mapa das transformações que irão ocorrer, o qual será chamado de diagrama de equilíbrio. Nesta representação podemos ver as fases que estarão presentes para cada temperatura e composição e também os pontos que são fundamentais para a compreensão das transformações. A seguir faremos algumas considerações a respeito do diagrama.
Em primeiro lugar deve ser observado que o diagrama vai somente até 6,69% de carbono. Isto se deve ao fato de que as ligas acima deste teor não têm qualquer importância comercial. Em segundo lugar deve ficar claro que as ligas comerciais não são constituídas apenas por ferro e carbono, mas podem ter em sua composição outros elementos de liga além de pequenas quantidades de impurezas que são inerentes ao processo de obtenção do material. Assim sendo, o diagrama não representa fielmente o que sucede na prática, mas como pequenas quantidades de outros elementos não produzem grandes alterações, podemos utilizá-lo como base para o nosso estudo.
O diagrama ferro-carbono utilizado na prática na realidade é um falso diagrama de equilíbrio, isto é, ele representa o equilíbrio metaestável entre ferro e um carboneto de ferro chamado cementita que tem fórmula estequiométrica Fe3C. O fato é que a forma mais estável da liga ferro carbono seria ferro e grafita mas como a grafita pode levar até mesmo anos para se formar, o diagrama estável não possui aplicação prática. No diagrama estável ferro-grafita está representado pelas linhas tracejadas e o diagrama metaestável ferro-cementita está representado por linhas contínuas.
Em um diagrama de equilíbrio as fases são sempre representadas por letras gregas mas no caso das ligas ferro carbono estas fases além de serem identificadas por letras gregas também receberam um nome. Desta forma teremos as fases denominadas ferrita, austenita e cementita, que podem ou não estar presentes na microestrutura do material, dependendo do teor de carbono e da temperatura.
Observando-se o diagrama nota-se que este apresenta vários pontos que merecem ser destacados. O primeiro deles é o que corresponde a uma composição de 2,11% de carbono a 1148 C. Este ponto representa uma fronteira entre as ligas ferro-carbono que são caracterizadas como aços e as ligas que são caracterizadas como ferro fundido. Assim, aço é uma liga com menos de 2,11% de carbono e ferro fundido é uma liga com mais de 2,11% de carbono. A escolha deste ponto deve-se ao fato de que, quando resfriamos um aço desde o estado líquido, este sempre passará por uma faixa de temperaturas em que a sua microestrutura será composta de uma única fase chamada austenita, o que não acontece para os ferros fundidos que possuem teores de carbono acima deste valor.
A austenita, também chamada fase g, é uma fase derivada do ferro g que como se sabe é formado por uma estrutura cúbica de faces centradas. Quando combinamos o ferro com o carbono forma-se uma solução sólida intersticial em que é mantida a estrutura cristalina original do ferro .
Para temperaturas inferiores, o fato de o ferro passar para ferro produz o aparecimento de uma nova fase chamada fase a ou ferrita. A ferrita também é uma solução sólida intersticial de ferro e carbono e, a exemplo da fase , é mantida a estrutura cristalina cúbica de corpo centrado do ferro .
Devido ao fato de que as duas fases citadas acima possuem diferenças em sua estrutura cristalina, existe também uma grande diferença de solubilidade do carbono entre elas. Como já foi visto no capítulo 2, os interstícios da estrutura CFC são maiores do que os interstícios da estrutura CCC. Isto conduz a uma solubilidade do carbono que pode chegar a 2,11% (aproximadamente 9% em átomos) na temperatura de 1148 C para a austenita e somente 0,025 % (aproximadamente 0,1% em átomos) a 727 C para a ferrita.
Como pode ser observado no diagrama, a solubilidade do carbono não é fixa para estas fases, podendo variar com a temperatura. Desta maneira a austenita e a ferrita só apresentarão a sua solubilidade máxima nas temperaturas indicadas acima, variando tanto para temperaturas superiores como para temperaturas inferiores. Além disso, o carbono é um elemento estabilizador da austenita, e como podemos ver no diagrama, quando tivermos ferro puro a temperatura mínima em que a austenita é estável é de 912 C mas à medida que o teor de carbono cresce esta temperatura vai diminuindo até que, para 0,77% de carbono chegamos ao mínimo de 727 C. A partir daí a temperatura aumenta novamente até atingirmos o máximo de 2,11% para 1148 C. No caso da ferrita ela é estável até 912 C na ausência de carbono e à medida em que aumenta o teor a temperatura diminui até que se atinja a solubilidade máxima de 0,025% C a 727 C. Abaixo desta temperatura a solubilidade diminui novamente chegando praticamente a zero na temperatura ambiente.
Como existe um limite de solubilidade do carbono tanto na austenita quanto na ferrita, o excesso de carbono poderá propiciar a formação de uma terceira fase que é chamada de cementita e que possui estrutura cristalina ortorrômbica, ainda em solução sólida intersticial com 6,69% de carbono. Isto acontece para teores de carbono maiores do que 0,77% acima de 727 C e abaixo de 1148 C e, para teores maiores do que 0,025%, abaixo de 727 C. Desta maneira teremos no diagrama regiões em que o aço é monofásico e regiões em que é bifásico. As regiões monofásicas podem ser formadas por austenita ou por ferrita e as regiões bifásicas podem ser formadas por austenita e ferrita, austenita e cementita ou ferrita e cementita.
Outro ponto importante que deve ser observado é o que ocorre para a composição de 0,77% de carbono a 727 C. Este ponto, chamado ponto eutetóide, é o lugar do diagrama em que temos a convivência simultânea das três fases citadas acima, isto é, quando resfriamos o aço teremos a transformação da austenita em ferrita e cementita. Especificamente para esta composição a temperatura permanece constante enquanto a transformação não se completar totalmente. Adiante esta transformação será tratada com mais detalhes.
Quando tivermos outros elementos fazendo parte da composição do aço, o teor de carbono corespondente ao ponto eutetóide será deslocado mais para a esquerda ou para a direita e a temperatura em que ocorre esta reação irá aumentar ou diminuir. Esta é uma das influências dos elementos de liga dos aços . As outras influências do lementos de liga serão analizadas nos capítulos subsequentes.
