5a Diagrama de equlÃbrio

DIAGRAMA DE FASE OU DE EQUILÍBRIO

2

DIAGRAMA DE FASE OU DE EQUILÍBRIOROTEIRO DA AULA

• Importância do tema

• Definições : componente, sistema, fase, equilíbrio Limite de solubilidade Metaestabilidade (sistemas fora do equilíbrio)

• Sistemas com um único componente

• Sistemas binários Regra da alavanca Regra das Fases Transformações : eutética, eutetóide, peritética, peritetóide

• Desenvolvimento de estruturas em sistemas binários em condições de equilíbrio fora do equilíbrio em sistemas com eutéticos

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1. IMPORTÂNCIA:

- Dá informações sobre microestrutura e propriedades mecânicas em função da temperatura, composição e quantidade de fase em equilíbrio;

- Permite a visualização da solidificação e fusão;

- Prediz as transformações de fases;

- Dá informações sobre outros fenômenos.

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2.Definições:- Componentes:Componentes:São metais puros e/ou compostos químicos e/ou compostos que

constituem uma liga. (Latão = Cu + Zn)• • SistemaSistema::– Definição 1 : quantidade de matéria com massa e identidade fixas

sobre a qual dirigimos a nossa atenção. Todo o resto é chamado vizinhança. Exemplo: uma panela de fundição com aço fundido.

– Definição 2 : série de ligas formadas pelos mesmos componentes, independendo da composição específica. Exemplo: o sistema Ferro-Carbono.

• • FaseFase::– Uma porção homogênea do sistema, que possui propriedades

físicas e químicas características. Exemplo: fases a, b e L da liga ao lado.

5


2.Definições:

• • FaseFase::

6


2.Definições:EQUILÍBRIO EQUILÍBRIO • Em termos “macroscópicos”Em termos “macroscópicos”– Um sistema está em equilíbrio quando suas características

não mudam com o tempo, e tende a permanecer nas condições em que se encontra indefinidamente, a não ser que seja perturbado externamente.

• • Em termos termodinâmicosEm termos termodinâmicos– Um sistema está em equilíbrio quando sua energia livre é

mínima, consideradas as condições de temperatura, pressão e composição em que ele se encontra.

– Variações dessas condições resultam numa alteração da energia livre, e o sistema pode espontaneamente se alterar para um outro estado de equilíbrio (no qual a energia livre seja mínima para as novas condições de temperatura, pressão e composição).

Energia Livre DG = DH – T DS

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2.Definições:

8


9

DIAGRAMA DE FASE OU DE EQUILÍBRIO2.Definições:

Microestrutura Microestrutura

• é caracterizada pelo número de fases existentes, por suas proporções e pela maneira pela qual elas estão distribuídas ou arranjadas.

Molibdênio puro

Latão (cobre-zinco)

Alumínio- 18% silício)

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4. FASES DE EQUILÍBRIO E FASES METAESTÁVEIS

Fases de equilíbrio:Fases de equilíbrio: suas propriedades ou características não mudam com o tempo.

Geralmente são representadas nos diagramas por letras gregas

Fases metaestáveis:Fases metaestáveis: suas propriedades ou características mudam lentamente com o tempo, ou seja, o estado de equilíbrio não é nunca alcançado. No entanto, não há mudanças muito perceptíveis com o tempo na microestrutura das fases metaestáveis Raio-XRaio-X

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SISTEMAS BINÁRIOS ISOMORFOS

L:L: Solução líquida homogênea contendo Ni+ CU

:: Solução sólida homogênea contendo Ni+ CU.

Isomorfo: Isomorfo: sistema em que existe solubilidade completa dos dois componentes nos estados líquidos e sólidos

Linha liquidus: Linha liquidus: a fase líquida está presente em todas as temperaturas e composições localizadas acima desta linha.

Linha solidusLinha solidus: abaixo da qual, para qualquer temperatura e composição, existe apenas a fase sólida.

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% atômica Ni

L = Solução líquida homogênea de Cu + Ni

Solução sólida homogênea de Cu + Ni

SISTEMAS BINÁRIOS ISOMORFOS

13

4.1. DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO PARA SISTEMAS BINÁRIOS E ISOMÓRFOS

Isomorfo quando a solubilidade é completa (Exemplo: Sistema Cu-Ni)

linhaliquidus

linhasolidus

FILME

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INTERPRETAÇÃO DO DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO

- Fases presentesFases presentes localiza-se a temperatura e composição desejada e verifica-se o número de fases presentes

- Composição química das fasesComposição química das fases usa-se o método da linha de conexão (isotérma)

Para um sistema monofásico a composição é a mesma da liga

- Percentagem das fasesPercentagem das fases (quantidades relativas das fases) regra das alavancas

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SISTEMA BINÁRIO Cu-NiDETERMINAÇÃO DAS FASES PRESENTES

B

1- determina a 1- determina a temperatura e temperatura e composição no composição no diagrama.diagrama.

Ex:Ex:

T 1150ºCT 1150ºC

50%p de Ni50%p de Ni

B – 100% fase sólidaB – 100% fase sólida

A composição é a A composição é a mesma da liga.mesma da liga.

C

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SISTEMA BINÁRIO Cu-NiDETERMINAÇÃO DA COMPOSIÇÃO QUÍMICA DAS

FASES

Comp. Liq= 32% de Ni e 68% de CuComp. Sol. = 45% de Ni e 55% de Cu

B

Existe duas formas:Existe duas formas:

1- Região monofásica1- Região monofásica:: a composição é a mesma da liga presente.

Ex: T 1100ºC; 80%p de NiEx: T 1100ºC; 80%p de Ni

(A)(A) %100 fase sólida%100 fase sólida

80% de Ni e 20%Cu.80% de Ni e 20%Cu.

2- Região bifásica: 2- Região bifásica:

Ex: T= 1240ºC; 60%NiEx: T= 1240ºC; 60%Ni

A

1- determina a temperatura e composição no diagrama.1- determina a temperatura e composição no diagrama.

17

SISTEMA Cu-NiDeterminação das quantidades relativas das fases

Existe duas formas:Existe duas formas:

1- Região monofásica1- Região monofásica:: somente uma fase está presente %100 fase.%100 fase.

2- Região bifásica2- Região bifásica: : usa-se a linha de amarração em conjunto à regra da alavanca. Seguindo o procedimento:

Constroi-se a linha de amarração e localiza a composição global sobre esta linha;

Calcula-se a fração de fase: toma-se o comprimento da linha de amarração desde a composição global até a fronteira com a fase oposta e divide-se pelo comprimento total da linha de amarração

A fração da outra fase é determinada de maneira semalhante;

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SISTEMA Cu-NiDeterminação das quantidades relativas das fases

Comp. Liq= 31,4% Ni e 68,9%CuComp. Sol. = 42,5,4 %Ni e %57,5Cu

Composição das fases

Percentagem das fases

L = S R+S

S = R R+S

L = C-C0

C-CL

L = Co-CL

C-CL

Fase líquida:Fase líquida:

Fase sólida:Fase sólida:

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SISTEMA Cu-NiExercício: Determinação das quantidades relativas das fases (tomando: 1250ºC; 35%pNi)



20

SISTEMA Cu-NiExercício: Determinação das quantidades relativas das fases (tomando: 1250ºC; 35%pNi)



21

a. Exercício: Uma liga Cu-Ni com composição 70%pNi-30%pCu é aquecida lentamente a partir de 1300ºC. Determine:

Temperatura que se forma a primeira fração de fase líquida;Qual a composição desta fase líquida Qual a temperatura que ocorre a fusão completa da liga.Qual a composição da última fração de sólido que permanece no meio antes da fusão completa

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DESENVOLVIMENTO DA MICROESTRUTURA SOLIDIFICAÇÃO EM EQUÍLIBRIO

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).

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DESENVOLVIMENTO DA MICROESTRUTURA SOLIDIFICAÇÃO EM EQUÍLIBRIO

(35%p Ni – 65%pCu)

1260ºC

Composição química das fases

Quantidade relativa das fases

Líquido sólido Líquido sólido

Ponto a 35%pNi 0% 100% 0%

Ponto b 35%pNi 46%pNi 100% 0%

Ponto c 32%pNi 43%pNi - 73%pNi 27%pNi

Ponto d 24%pNi 35%pNi - 0% 100%

Ponto e 0% 35%pNi - 0% 100%

24

DESENVOLVIMENTO DA MICROESTRUTURA SOLIDIFICAÇÃO EM EQUÍLIBRIO (35%p Ni – 65%pCu)

1260ºC

25

“CORED” x EQUILÍBRIO DE FASES

Rápida taxa de resfriamento: Baixa taxa de resfriamento:

Estrutura de “CORED” Equilíbrio

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Microestrutura fora do equílibio

CONSEQÜÊNCIAS DA SOLIDIFICAÇÃO FORA DO EQUILÍBRIO:

• Segregação• zonamento (coring)• diminuição das propriedades• Pode haver a necessidade de

recozimento

Zonamento observado numa liga de Zn Contendo Zr (aumento 400X)

27

Mudança na composição das fases durante o processo de solidificação

28

Curva de solidificação e Remoção do calor latente de fusão

29

Propriedades mecânicas isomorfas

30

SISTEMAS EUTÉTICOS BINÁRIOS

L e β α, São encontradas 3 regiões monofásicas

distintas: rica em cobre e prata como soluto rica em prata e cobre como soluto

1. Temperaturas baixo da linha BEG apenas uma concentração limitada de prata irá se dissolver no cobre – idem para o cobre.

2. CBA –limite de solubilidade para a fase

3. B (8%p Ag)Solubilidade máxima da prata no cobre na fase

4. G (8,8%pCu) solubilidade máxima do Cobre na Prata na fase

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SISTEMAS EUTÉTICOS BINÁRIOS1. 3 regiões bifásicas 2. Eutético : ponto onde o equilíbrio é invariante, portanto o

equilíbrio entre três fases ocorre a uma determinada temperatura e as composições das três fases são fixas.

e L L;

1. Composição eutética –solidifica a uma T abaixo de qualquer outra liga

2. Temperatura eutética – T mais baixa a qual pode existir fase líquida

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Exercício

• Faça uma análise das fases presentes nos seguintes pontos do diagrama de fases Pb-Sn: 40%Sn e T= 150ºC


Alfa = 10% Sn – 90% Pb

Beta =98%Sn-2%Pb

Quantidade das fases

%3434,01098

1040

%6666,01098

4098

1

1

CC

CCW

CC

CCW

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SISTEMAS EUTÉTICOS BINÁRIOSExercício

• Faça uma análise das fases presentes nos seguintes pontos do diagrama de fases Pb-Sn: (fases presentes, composição das fases e proporção das fases)

a. Composição eutética:

b. 40%Sn e T= 230ºC

c. 40%Sn e T= 185ºC

d. 40%Sn e T= 180ºC

34


Composição 61,9%Sn 38,1%Pb

Fases presentes alfa beta


19,2%pSn;80,8%p Pb 97,5%p Sn ; 2,5%pPb

Proporção das fases

(97,5-61,9)/(97,5-19,2)*100% = 45,5%

(61,9-19,2)/(97,5-19,2)*100%= 54,5%

Composição 40%Sn 60%Pb

Fases presentes Líquido alfa


48%pSn; 52%p Pb 15%p Sn ; 85%pPb


(40-15)/(48-15)*100% = 76%

(48-40)/(48-15)*100%= 24%

40%Sn e T= 230ºC

a. Composição eutética:

35


Composição 61,9% 38,1%Pb

Fases presentes alfa beta


19,2%pSn;80,8%p Pb 97,5%p Sn ; 2,5%pPb


(97,5-40)/(97,5-19,2)*100% = 73%

(40-19,2)/(97,5-19,2)*100%= 27%

Composição 40%Sn 60%Pb

Fases presentes Líquido alfa


61,9%pSn; 38,1%p Pb 19,2%p Sn ; 80,8%pPb


(40-19,2)/(61,9-19,2)*100% = 49%

(61,9-40)/(61,9-19,2)*100%= 51%

40%Sn e T= 185ºC

40%Sn e T= 180ºC

36

Desenvolvimento de microestrutura em ligas eutéticas

SnPb

Resfriamento a partir de 350ºC até 20ºC da

Caso 1 Composição - 2%p SnVaria entre a composição de um componente puro e a solubilidade sólida máx para o componente a temp. ambiente.Muito pequena a faixa decomposições químicas emque pode se formar estruturamonofásica

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SnPb

Resfriamento a partir de 350ºC até 20ºC da

Caso 2 Composição - 15%p SnPRECIPITAÇÃO• Ao ser ultrapassado o limite desolubilidade (linha solvus) deSn no Pb, ocorre aprecipitação da fase , dereticulado cristalino distinto doda fase e com distintaspropriedades físico-químicas.

38


A transformação eutética correspondeà formação de uma mistura deduas fases a partir do líquidoformando um arranjo interpenetrado

Caso 3 - Solidificação da composição eutética

)%8,97( )%18( )%9,61( toresfriamen pSnpSnpSnL

39



Estrutura eutética

40



Caso 4 – todas as composições que durante o resfriamento cruzam a isoterma eutética (com exceção da composição eutética).

Em ligas hipo-eutéticasocorre inicialmenteprecipitação de faseprimária - dendritas de apró-eutéticas.O líquido eutéticoresidual L (61,9% Sn) setransforma emmicroestrutura eutética[a(18,3% Sn)+b(97,8%Sn)].

41


Fração de microconstituinte eutético = fração da fase líquida.

P Q R

QP

QW

C

QP

PWW Le

'

3,189,61

3,181

RQP

PW

RQP

RQW

42

Reação eutetóide e peritetóide

Fração de microconstituinte eutético = fração da fase líquida.

43

L + L+

200

T(°C)

18.3

Co, wt% Sn 20 40 60 80 100 0

Co

300

100

L (liquid)

183°C 61.9 97.8

150

11 99

R S

W

59 88

67 wt %

W 29 88

33 wt %

SISTEMA EUTÉTICO – SISTEMA EUTÉTICO – REGRA DAS REGRA DAS FASESFASES

44

REAÇÕES NA REGIÃO DE SOLUBILIDADE

L + 200

T(°C)

Co, wt% Sn10

2

200Co

300

100

L

30

L: Cowt%Sn

L

: Cowt%Sn

+

400

(room T solubility limit)

TE(Pb-Sn System)

: Cowt%SnL +

200

T(°C)

Co, wt% Sn10

18.3

200Co

300

100

L

30

L: Cowt%Sn

+

400

(sol. limit at TE)

TE

2(sol. limit at Troom)

L

45

HIPO-EUTÉTICO E HIPER-EUTÉTICOHIPO-EUTÉTICO COMPOSIÇÃO MENOR QUE O EUTÉTICOHIPER-EUTÉTICO COMPOSIÇÃO MAIOR QUE O EUTÉTICO

T(°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

46

REAÇÃO EUTETÓIDE:

+ ( a diferença do eutético é que uma fase sólida, ao invés de uma

líquida, transforma-se em duas outras fases sólidas.

REAÇÃO PERITÉTICA: Envolve três fases em equilíbrio

+ Líquido Uma fase sólida mais uma fase líquida transforma-se numa outra

fase sólida

DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO TENDO FASES INTERMEDIÁRIAS

47

PERITÉTICO E EUTÉTICO

48

PERITÉTICO

Envolve 3 fases em equilíbrio

49

PERITÉTICO DUPLO

50

EUTÉTICO, EUTETÓIDE E PERITÉTICO

Ponto de fusão congruente

51

REAÇÃO MONOTÉTICA E EUTÉTICA

Dois líquidos imiscíveis formam uma fase sólida e uma fase líquida (MONOTÉTICA)

EUTÉTICA

52

PONTO DE FUSÃO E TRANSFORMAÇÕES ALOTRÓPICAS

53

DIAGRAMA TERNÁRIO

54

COMPPOSIÇÃO EM DIAGRAMA TERNÁRIO

TRIÂNGULO DE GIBBS

55

DIAGRAMA DE FASE Fe-C

56

FERRO PURO

FERRO PURO

FERRO = FERRITA

FERRO = AUSTENITA

FERRO = FERRITA

TF= 1534 C As fases , e

são soluções sólidas com Carbono intersticial

cfc

ccc

ccc

57

Ferro Puro /Formas Alotrópicas

FERRO = FERRITA

Estrutura= ccc Temperatura “existência”=

até 912 C Fase Magnética até 768 C

(temperatura de Curie) Solubilidade máx do

Carbono= 0,002% a 727 C É mole e dúctil

FERRO = AUSTENITA

Estrutura= cfc Temperatura

“existência”= 912 -1394C

Fase Não-Magnética Solubilidade máx do

Carbono= 2,14% a 1147 C

É mais dura

58

FERRO PURO

cfc

ccc

ccc

59


FERRITA AUSTENITA

60


FERRO = FERRITA Estrutura= ccc Temperatura “existência”= acima de 1394C Fase Não-Magnética Como é estável somente a altas

temperaturas não tem interesse comercial

61

FERRO PURO

cfc

ccc

ccc

62

Sistema Fe-Fe3C

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)

63


64

CEMENTITA (Fe3C)

Forma-se quando o limite de solubilidade do carbono é ultrapassado (6,7% de C)

É dura e frágil é um composto intermetálico metaestável,

embora a velocidade de decomposição em ferro e C seja muito lenta

A adição de Si acelera a decomposição da cementita para formar grafita

65

PONTOS IMPORTANTES DO SISTEMA Fe-Fe3C (EUTÉTICO)

PONTO C LIGA EUTÉTICA é o ponto mais baixo de fusão

Líquido FASE (austenita) + cementita

- Temperatura= 1147 C- Teor de Carbono= 4,3% As ligas de Ferro fundido de 2,06-4,3% de C são

chamadas de ligas hipo-eutéticas As ligas de Ferro fundido acima de 4,3% de C são

chamadas de ligas hiper-eutéticas

66


C

67

PONTOS IMPORTANTES DO SISTEMA Fe-Fe3C (EUTETÓIDE)

PONTO S LIGA EUTETÓIDE é o liga de menor temperatura de transformação no estadp sólido sólida;

Austenita FASE (FERRITA) + Cementita

- Temperatura= 723 C- Teor de Carbono= 0,8 % Aços com 0,002-0,8% de C são chamadas de aços hipo-eutetóide; Aços com 0,8-2,06% de C são chamadas de aços hiper-

eutetóides.

68


S

69

MICROESTRUTURAS / EUTETÓIDE Supondo resfriamento lento para manter o equilíbrio

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)

70

MICROESTRUTURAS / EUTETÓIDE

71

MICROESTRUTURAS /HIPOEUTETÓIDE Supondo resfriamento lento para manter o equilíbrio

Teor de Carbono = 0,002- 0,8 % Estrutura

Ferrita + Perlita As quantidades de ferrita e

perlita variam conforme a

% de carbono e podem ser determinadas pela regra da alavanca;

Partes claras pró eutetóide ferrita.

72

MICROESTRUTURAS /HIPEREUTETÓIDE Supondo resfriamento lento para manter o equilíbrio

Teor de Carbono = 0,8-2,06 % Estrutura

cementita+ Perlita As quantidades de cementita

e perlita variam conforme a % de carbono e podem ser determinadas pela regra das alavancas

Partes claras pró eutetóide cementita

5a Diagrama de equlÃbrio

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