Resumo da aula referente à: Diagrama de Fases

Lembrete: este resumo abrange o assunto sucintamente, para melhor entendimento é necessário consultar a bibliografia citada:

1. Ciência e Engenharia de Materiais: Uma IntroduçãoWilliam D. Callister JrCapítulo 9 (páginas 168-201)

2. Princípios de Ciencia dos materiaisLawrence H. Van VlackCapítulo 9 (páginas 229-250)

Diagrama de Fases - Definições:

Componente(s). São as substâncias químicas básicas (ou metais puros) que compõem uma mistura ou solução química (liga).

Sistema. Composições dos componentes em equilíbrio. Ou melhor, o sistema pode estar relacionado à série de possíveis ligas que consistem nos mesmos componentes.

Solução sólida. Uma fase cristalina homogênea que contém dois ou mais componentes químicos. São possíveis soluções sólidas tanto intersticiais como substitucionais.

Solvente. Componente de uma solução presente em maior quantidade. Ele é o componente que dissolve o soluto.

Soluto. Um componente ou elemento de uma solução que está presente em uma menor concentração. Ele está dissolvido no solvente.

Limite de Solubilidade. Para muitos sistemas de ligas e em uma dada temperatura específica, existe uma concentração máxima de átomos de soluto que pode se dissolver no solvente para formar uma solução sólida; isto é chamado limite de solubilidade. A adição de soluto em excesso, além desse limite de solubilidade, resulta na formação de outra solução sólida ou de outro composto que possui composição marcadamente diferente.

Liga Binária. É uma liga que contém dois componentes.

Fases. Pode ser definida como uma porção homogênea de um sistema que possui características físicas e químicas uniformes. Todo material puro é considerado como sendo uma fase; da mesma forma são todas as soluções sólidas, líquidas e gasosas.Sistemas que possuem uma única fase são chamados de homogêneos. Porém, sistemas compostos por duas ou mais fases são conhecidos por misturas ou heterogêneos.

Microestrutura. Muitas vezes, as propriedades físicas e o comportamento mecânico de um material dependem da microestrutura. Em ligas metálicas, a microestrutura é caracterizada pelo número de fases presentes, por suas proporções, e pela maneira pela qual estão distribuídas ou arranjadas.A microestrutura de uma liga depende de variáveis tais como os elementos de liga presentes, suas concentrações e o tratamento térmico da liga (isto é, a temperatura, o

tempo de aquecimento à temperatura do tratamento e a taxa de resfriamento até a temperatura ambiente).

Equilíbrio de Fases. Em um sentido mais amplo significa que as características do sistema não mudam ao longo do tempo, mas persistem indefinidamente; Isto é, o sistema é estável.Usa-se a expressão “equilíbrio de fases” quando se refere ao equilíbrio, uma vez que se aplica a sistemas nos quais pode existir mais de uma fase. O equilíbrio de fases é refletido por uma constância no que se refere às características da fase de um sistema em relação ao tempo.

Metaestável. Ocorre principalmente em sistema sólidos, em que um estado de equilíbrio nunca é completamente atingido, pois a taxa segundo a qual se chega ao equilíbrio é extremamente lenta; diz então que tal sistema se encontra em um estado de não-equilíbrio ou metaestável.

Diagrama de Fases em Condições de Equilíbrio

Também chamado de diagrama de equilíbrio ou diagrama constitucional. Muitas microestruturas se desenvolvem a partir de transformações de fases, as alterações que ocorrem entre as fases quando a temperatura é alterada (geralmente mediante resfriamento). Isso pode envolver a transição de uma fase para a outra, ou o aparecimento ou desaparecimento de uma fase.Os diagramas de fases de equilíbrio representam as relações entre a temperatura e as composições de equilíbrio.Sistemas Isomorfos Binários são aqueles nos quais a certa temperatura os dois componentes são mutuamente solúveis um no outro no estado, para toda e qualquer composição. Essa solubilidade pode ser explicada por apresentarem mesma estrutura cristalina, raios atômicos, valência e eletronegatividade semelhantes. Ou seja, um sistema é chamado isomorfo devido à completa solubilidade dos dois componentes nos estados líquido e sólido.

Interpretação dos diagramas de fases, pelo menos se deve analisar três tipos de informação disponíveis: (1) as fases que estão presentes, (2) as composições das fases, e (3) as porcentagens ou frações das fases. Exemplo de interpretação através da Figura 1.

1. Fases Presentes, localiza-se o ponto temperatura-composição no diagrama de fases e observar com qual(is) fase(s) o campo de fases está identificado.

2. Determinação das Composições das Fases: a. Localiza-se o ponto temperatura-composição no diagrama de fase;b. Constrói-se uma linha de amarração (tie line ou isoterma) através da região

bifásica e termina na curva de fronteira entre fases em ambos os lados;c. Anota-se as intersecções da linha de amarração com as fronteiras;d. Traçam-se linhas perpendiculares à linha de amarração a partir dessas

intersecções, onde as composições em cada uma das respectivas fases podem ser lidas.

3. Determinação das quantidades das fases, as quantidades relativas (como fração ou como porcentagem) das fases presentes em condições de equilíbrio também podem ser calculadas com o auxilio dos diagramas de fases. A linha de

amarração deve ser utilizada em conjunto com um procedimento chamado freqüentemente de regra de alavanca (ou regra da alavanca inversa):a. A linha de amarração é construída através da região bifásica na temperatura

da liga;b. A composição global da liga é localizada sobre a linha de amarração;c. A fração de uma fase é calculada tomando-se o comprimento da linha de

amarração desde a composição global da liga até a fronteira entre as fases com a outra fase e então dividindo-se esse valor pelo comprimento total da linha de amarração;

d. A fração da outra fase é determinada de maneira semelhante.

Regra da alavanca

Fração Mássica:Na fase líquida:

ou por subtração das composições:

De maneira semelhante para a fase α:

ou por subtração das composições:

Fração Volumétrica:Supondo uma liga que consiste nas fases α e β, a fração volumétrica da fase α:

onde υα e υβ representam o volume das respectivas fases;

; E para uma liga que contém duas fases: Vα + Vβ = 1

Conversão de fração mássica para fração volumétrica (ou vice-versa):

e

Ou

e

Figura 1 – (a) diagrama de fases cobre-níquel; (b) uma porção do diagrama de fases cobre níquel para o qual as composições e quantidades das fases estão determinadas para o ponto B. (Callister, W)

Desenvolvimento da microestrutura em ligas isomorfas – Resfriamento em condições de equilíbrio

O resfriamento ocorre muito lentamente, representando uma situação para a qual o equilíbrio entre as fases é mantido. A razão para tal é que, com as alterações na temperatura, devem existir reajustes nas composições das fases sólida e líquida, de acordo com o diagrama de fases (ou seja, com as curvas liquidus e solidus).

Figura 2 – Representação esquemática do desenvolvimento da microestrutura durante a solidificação em condições de equilíbrio para um liga 35%p Ni-65%p Cu. (Callister, W.)

Desenvolvimento da microestrutura em ligas isomorfas – Resfriamento fora das condições de equilíbrioO grau de deslocamento da curva solidus para condições fora de equilíbrio em relação à curva solidus para condições de equilíbrio irá depender da taxa de resfriamento. Quanto mais lenta for à taxa de resfriamento, menor será esse deslocamento.Nas ligas que se solidificam fora das condições de equilíbrio, a distribuição dos dois elementos dentro dos grãos não é uniforme, um fenômeno conhecido por segregação. O centro de cada grão, que consiste na primeira parte a se solidificar, é rico com o maior ponto de fusão, enquanto a concentração do elemento com menor ponto de fusão aumenta de acordo com a posição ao se ir desta região central para a fronteira do grão. Isso é conhecido por estrutura zonada.As propriedades de uma estrutura zonada são inferiores as ótimas; à medida que uma peça fundida que possui uma estrutura zonada é reaquecida, as regiões dos contornos dos grãos irão fundir em primeiro lugar, já que elas são mais ricas em termos do

componente com menor ponto de fusão. Isso produz uma perda repentina da integridade mecânica devido a fina película líquida que separa os grãos. A estrutura zonada pode ser eliminada através de um tratamento térmico de homogeneização executando a uma temperatura abaixo do ponto solidus para composição específica da liga.

Figura 3 – Representação esquemática do desenvolvimento da microestrutura durante a solidificação fora das condições de equilíbrio. (Callister, W.)

Propriedades mecânicas de ligas isomorfasAs propriedades mecânicas da ligas isomorfas sólidas são afetadas pela composição, enquanto as demais variáveis estruturais (como, por exemplo, tamanho de grão) são mantidas constantes. Para todas as temperaturas e composições abaixo da temperatura de fusão do componente com ponto de fusão mais baixo existirá somente uma única fase sólida. Portanto, cada componente experimentará um aumento de resistência por formação de solução sólida ou um aumento na resistência e na dureza por adições do outro componente. Já com relação ductilidade, esta é diminuída com a adição do segundo componente.

Sistemas Eutéticos Binários

Eutético significa facilmente fundido. Uma reação eutética binária significa uma reação termicamente reversível: resflíquido sólido1 + sólido2

aquec.

Figura 4 – Diagrama de fases para o sistema cobre-prata. (Callister, W)

Exemplo:Para uma liga com 40%p Pb a 150C (300F), a) qual(is) fase(s) está(ao) presente(s)? b) qual(is) é(são) a(s) composição(ões) da(s) fase(s)? c) calcule as quantidades relativas de cada fase presente em termos da(s) fração mássica?

Figura 5 – Diagrama de fases para o sistema chumbo-estanho. (Callister, W)

Desenvolvimento da microestrutura em ligas eutéticas

Durante a transformação existi uma redistribuição dos componentes presentes. A microestrutura do sólido que resulta dessa transformação consiste me camadas alternadas chamadas de lamelas. A esta microestrutura também é chamada de estrutura eutética eu é a característica desse tipo de reação.Algumas vezes usa-se o termo microconstituinte, que significa elemento de microestrutura que possui uma estrutura característica e identificável.

Reações Eutetóides Na reação eutetóide é uma fase sólida que se transforma em duas outras fases sólidas em uma única temperatura. Também é uma reação termicamente reversível:

resfSólido1 sólido2 + sólido3

aquec

Reações PeritéticasA reação peritética é ainda outra reação invariante que envolve três fases de equilíbrio. Nesse tipo de reação uma fase sólida se transforma em duas outras fases uma líquida e outra sólida.