Aula 20_diagramas de Fases
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AULA
DIAGRAMA DE FASES
Profa. Kaline Melo de Souto Viana
Importância
Auxilia a determinação da composição da liga ou sistemas cerâmicos. Permite correlacionar a microestrutura dos materiais com suas
respectivas propriedades.
Fornece informações valiosas sobre os fenômenos da fusão, fundição (sinterização para cerâmicas) e cristalização (crescimento de grão).
DIAGRAMAS DE FASES OU DIAGRAMAS DE EQUILÍBRIO
A partir dos diagramas de fases, pode-se
Mostrar, em condições de resfriamento lento (equilíbrio), quais as fases presentes para diferentes composições e temperaturas. Indicar, em condições de equilíbrio, a solubilidade no estado
sólido de um elemento (ou composto) no outro. Indicar a temperatura à qual uma liga ou sistema cerâmico,
resfriada em condições de equilíbrio, começa a solidificar, assim como o intervalo de temperaturas em que a solidificação ocorre. Indicar a temperatura à qual as diferentes fases começam a
fundir.
DEFINIÇÕES E CONCEITOS BÁSICOS
COMPONENTE:
Metais puros e/ou os compostos que compõem uma liga
Exemplo: latão (Cu + Zn) componentes Cu e Zn
SOLUTO e SOLVENTE:
Soluto: componente em menor quantidade
Solvente: componente em maior quantidade
DEFINIÇÕES E CONCEITOS BÁSICOS
SISTEMA:
(I) um corpo específico do material
(Ex.: cadinho com aço fundido)
(II) uma série de ligas possíveis que são formadas
pelos mesmos componentes, porém com composições
independentes à da liga
(Ex.: sistema ferro-carbono)
SOLUÇÃO SÓLIDA:
Mistura de 2 ou mais átomos diferentes (SSS ou SSI)
DEFINIÇÕES E CONCEITOS BÁSICOS
FASE:
Porção homogênea do material que tem propriedades físicas ou
químicas uniformes
(I) Mistura água/gelo – duas fases
Quimicamente idênticas – H2O
Fisicamente distintas – líquida/sólida
(II) Mistura água/açúcar com açúcar precipitado – duas fases
Quimicamente distintas – solução H2O/açúcar + açúcar puro
Fisicamente distintas – líquida/sólida
• É COMO UM MAPA PARA A DETERMINAÇÃO DAS FASES PRESENTES, PARA QUALQUER TEMPERATURA E COMPOSIÇÃO, DESDE QUE A LIGA ESTEJA EM EQUILÍBRIO
• Termodinamicamente o equilíbrio é descrito em termos de energia livre
• Um sistema está em equilíbrio quando a energia livre é mínima
• O equilíbrio de fases é o reflexo da constância das características das fases com o tempo
DIAGRAMAS DE FASES OU DIAGRAMAS DE EQUILÍBRIO
FASES DE EQUILÍBRIO E FASES METAESTÁVEIS
FASES DE EQUILÍBRIO:
suas propriedades ou características não
mudam com o tempo.
Geralmente são representadas nos diagramas
por letras gregas
FASES METAESTÁVEIS:
suas propriedades ou características mudam
lentamente com o tempo
(o estado de equilíbrio não é nunca alcançado)
LIMITE DE SOLUBILIDADE
• SOLUBILIDADE COMPLETA
• SOLUBILIDADE INCOMPLETA
• INSOLUBILIDADE
• LIMITE DE SOLUBILIDADE: é a concentração máxima de átomos de soluto que pode
dissolver-se no solvente, a uma dada temperatura, para formar uma solução sólida.
• Quando o limite de solubilidade é ultrapassado
forma-se uma segunda fase com composição distinta.
Exemplo: a 20°C, a solubilidade máxima do açúcar na água é de 65% em peso.
FASES
• FASE É A PORÇÃO HOMOGÊNEA DE UM SISTEMA QUE TEM CARACTERÍSTICAS
FÍSICAS E QUÍMICAS DEFINIDAS
• Todo metal puro e uma considerado uma fase
• Uma fase é identificada pela composição química e
microestrutura
• A interação de 2 ou mais fases em um material permite
a obtenção de propriedades diferentes
• É possível alterar as propriedades do material alterando
a forma e distribuição das fases
Regra das Fases
A partir de considerações termodinâmicas, J. W. Gibbs estabeleceu uma equação que permite determinar o número de fase que podem coexistir, em equilíbrio, em um determinado sistema. Esta equação é designada por REGRA DAS FASES DE GIBBS
F + N = C + 2
F = número de fases que coexistem num determinado sistema. C = número de componentes do sistema. N = número de graus de liberdade.
Um elemento, um composto ou uma solução sólida
presente no sistema.
É o número de variáveis (pressão, temperatura e
composição) que podem ser alteradas de modo
independente, sem que ocorra no sistema qualquer
alteração da fase ou fases em equilíbrio.
COMPONENTE- C
NÚMERO DE GRAUS DE LIBERDADE – N
Aplicação da regra das fases ao diagrama PT da
água pura.
1. No ponto triplo 3 fases F + N = C + 2 3 + N = 1 + 2
N = 0 (zero grau de liberdade)
Significa que para manter as três fases em
equilíbrio, nenhuma das variáveis (temperatura ou
pressão) pode ser alterada. O ponto triplo é designado por ponto invariante.
1. Sobre a linha de solidificação líquido-sólido
F + N = C + 2 2 + N = 1 + 2
N = 1 (um grau de
liberdade)
Este resultado indica que uma das variáveis (T ou
P) pode ser alterada independentemente da outra,
mantendo-se a coexistência das duas fases do sistema.
3. Um ponto do diagrama PT, no interior de uma região monofásica
F + N = C + 2 1 + N = 1 + 2
N = 2 (dois graus de liberdade)
Este resultado indica-nos que mesmo alterando,
de modo independente, duas variáveis (temperatura
e pressão), o sistema continua a ser constituído pela mesma fase.
OBSERVAÇÃO: Como a maioria dos diagramas binários,
usados em ciência de materiais, são diagramas temperatura –
composição nos quais a pressão é mantida constante,
geralmente 1 atm.
Neste caso, temos a REGRA DAS FASES “CONDENSADA”, que
é dada por:
F + N = C + 1
Sistemas de um componente (UNÁRIO)
Exemplo 1: H2O pode existir no estado sólido, líquido ou vapor, de acordo com as condições de pressão e temperatura às quais se encontra.
Fe-
CfC
Exemplo 2: Ferro puro existem três fases sólidas
separadas e distintas: o Fe- (alfa), o Fe- (gama) e o Fe- (delta).
Fe- e o Fe- CCC
No diagrama PT do ferro três pontos triplos
em que coexistem três fases diferentes.
Líquido, vapor e Fe-
vapor, Fe- e Fe-
vapor, Fe- e Fe-
DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO PARA SISTEMAS BINÁRIOS E ISOMÓRFOS
• Isomorfo : quando a solubilidade é completa (Exemplo:
Sistema Cu-Ni) Sistemas de Dois Componentes
Exemplo 1 : sistema binário cobre-níquel – se aplica a condições da pressão atmosférica e resfriamento lento, ou seja, condições de equilíbrio.
Solução Sólida Substitucional Completa
Se uma liga consiste de mais de uma fase, a quantidade de cada fase presente pode ser encontrada aplicando-se a regra da alavanca no diagrama de fase. A regra da alavanca pode ser explicada considerando uma balança simples. A composição da liga é representada pelo apoio, e a composição das fases pelas extremidades da barra. As proporções de fases presentes são determinadas pelos pesos necessários para equilibrar a balança.
Então, fração da fase 1 = (C2 - C) / (C2 - C1) e, fração da fase 2 = (C - C1) / (C2 - C1).
Diagramas de fase e Microestrutura
Até agora foram vistos diagramas de fase ISOMORFOS nos quais
existe uma faixa de T em que há completa miscibilidade de um
constituinte no outro.
Outra condição utilizada é de que os diagramas são de EQUILÍBRIO.
Qualquer variação de T ocorre lentamente o suficiente para permitir
um rearranjo entre as fases por meio de DIFUSÃO.
As fases presentes a uma dada T são estáveis.
Não – equilíbrio e segregação
Durante o resfriamento ocorrem mudanças na composição das duas
fases.
Estas mudanças dependem de difusão PROCESSO LENTO
A região central de cada grão vai ser “RICA” no constituinte de P.F.
mais alto.
A concentração do outro constituinte aumenta em direção ao contorno
de grão.
Por isso os contornos de grão são mais sensíveis à T no
aquecimento eles derreterão e o material fundirá
Mudança na composição das fases durante o processo de solidificação
Ex: o centro do grão mais rico do elemento com maior ponto de fusão)