Diagramas de FasesProfa.: Priscila Praxedes

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.

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.

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.

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 .

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.

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).

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)

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.

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.

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

6. Interpretação de Diagrama de Fases – Cu/Ni

• Fração de líquidosFase líquida

L = S (R+S)

L = C-C0

C-CL

6. Interpretação de Diagrama de Fases – Cu/Ni

• Fração de sólidosFase sólida

S = R R+S

S = Co-CL

C-CL

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

ExercícioTe

mpe

ratu

ra (

C)

⁰

Tem

pera

tura

(F

)⁰

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

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.

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.

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.

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).

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.

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.

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).

26

7.3 ALTERAÇÃO DA COMPOSIÇÃO DE FASES NO PROCESSO DE RESFRIAMENTO

8. SISTEMAS EUTÉTICOS BINÁRIOS

8. SISTEMAS EUTÉTICOS BINÁRIOS

Fase sólida rica em Cu (CFC)

Fase sólida rica em Ag (CFC)

8. SISTEMAS EUTÉTICOS BINÁRIOS

Abaixo do segmento BEG apenas uma pequena parte de Ag irá se dissolver no Cu e vice versa

8. SISTEMAS EUTÉTICOS BINÁRIOS

Regiões bifásicas

8. SISTEMAS EUTÉTICOS BINÁRIOS

Ponto Eutético

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.

8. SISTEMAS EUTÉTICOS BINÁRIOS

1. Composição eutética –

9. DESENVOLVIMENTO DE MICROESTRUTURA EM LIGAS EUTÉTICAS

Resfriamento de uma Liga de Pb-Sn Tinicial: 350 ⁰C

- a: liga líquida com composição C1.

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.

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

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.

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

39

9. DESENVOLVIMENTO DE MICROESTRUTURA EM LIGAS EUTÉTICAS

ESTRUTURA EUTÉTICA

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

9. DESENVOLVIMENTO DE MICROESTRUTURA EM LIGAS EUTÉTICAS

10. CALCULO DAS QUANTIDADES RELATIVAS DOS MICROCONSTITUINTES

- Calculo (%)

P Q R

𝑊 𝑒=𝑊 𝑙=𝑃

𝑃+𝑄

𝑊 𝑠=𝑄

𝑃+𝑄

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

11. DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO CONTENDO FASES INTERMEDIÁRIASNestes gráficos existem as soluções sólidas intermediárias. Ex.: Cu - Zn

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.

46

12.1 PERITÉTICOS E EUTÉTICOS

47

Envolve 3 fases em equilíbrio

12.1 PERITÉTICOS

48

12.1 PERITÉTICO DUPLO

49

13. PERITÉTICO, EUTÉTICO E EUTETÓIDE

PF congruente

14. O DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA FE – CARBETO DE FERRO

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

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 .

15. FORMAS ALOTRÓPICAS DO FERRO

FERRITA AUSTENITA

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

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

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)

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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• 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)

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)

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• 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

17. DESENVOLVIMENTO DE MICROESTRUTURAS NAS LIGAS FERRO -CARBONO

MICROESTRUTURAS / EUTETÓIDE

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MICROESTRUTURA DO AÇO EUTETÓIDE RESFRIADO LENTAMENTE

Somente Perlita

17. DESENVOLVIMENTO DE MICROESTRUTURAS NAS LIGAS FERRO -CARBONO

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MICROESTRUTURA HIPOEUTETÓIDES:FERRITA PRÓEUTETÓIDE (0,22 a 0,76%p C)

17. DESENVOLVIMENTO DE MICROESTRUTURAS NAS LIGAS FERRO -CARBONO

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COMPOSIÇÃO LIGAS HIPOEUTETÓIDES: considerando uma liga com composição Co’.

17. DESENVOLVIMENTO DE MICROESTRUTURAS NAS LIGAS FERRO -CARBONO

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MICROESTRUTURA HIPEREUTETÓIDES:CEMENTITA PRÓEUTETÓIDE (0,76 e 2,14%p C)

17. DESENVOLVIMENTO DE MICROESTRUTURAS NAS LIGAS FERRO -CARBONO

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COMPOSIÇÃO LIGAS HIPEREUTETÓIDES: considerando uma liga com composição C1’.

17. DESENVOLVIMENTO DE MICROESTRUTURAS NAS LIGAS FERRO -CARBONO

• Callister Jr., W. D., Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 5 ed. – Rio de Janeiro: LTC, 2002.

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REFERÊNCIAS