Tecnologia dos Materiais - Diagrama de Fases
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Tecnologia dos Materiais - Diagrama de Fases


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Diagramas de Fases
Eng. Amadeus Galvão
amadeuswags@hotmail.com
(1) Introdução; [Slide: 03]
(2) Definições & Conceitos Básicos; [Slide: 04]
(3) Limite de Solubilidade; [Slide: 05]
(4) Fases; [Slide: 07]
(5) Microestrutura; [Slide: 08]
(6) Equilibro de Fases; [Slide: 09]
(7) Diagramas de Fases em Condições de Equilíbrio; [Slide: 11]
(8) Sistemas Isomorfos Binários; [Slide: 12]
(9) Interpretação dos Diagramas de Fases; [Slide: 16]
(10) Desenvolvimento da Microestrutura em Ligas Isomorfas [Resfriamento em Condições de Equilíbrio]; 
[Slide: 30]
(11) Desenvolvimento da Microestrutura em Ligas Isomorfas [Resfriamento Fora das Condições de 
Equilíbrio]; [Slide: 32]
(12) Sistemas Eutéticos Binários; [Slide: 38]
(13) Desenvolvimento da Microestrutura em Ligas Eutéticas; [Slide: 43]
(14) Diagramas de Equilíbrio que Possuem Fases ou Compostos Intermediários; [Slide: 57]
(15) Principais Reações; [Slide: 63]
(16) Transformações de Fases; [Slide: 68]
(17) A Lei das Fases de Gibbs; [Slide: 71]
(18) O Sistema Ferro-Carbono; [Slide: 74]
(19) O Diagrama de Fases Ferro-Carbeto de Ferro (Cementita) (Fe-Fe3C); [Slide: 75]
(20) Classificação das Ligas Ferrosas; [Slide: 83]
(21) Desenvolvimento das Microestruturas em Ligas Ferro-Carbono; [Slide: 85]
(22) Resfriamento Fora das Condições de Equilíbrio; [Slide: 102]
(23) A Influência de Outros Elementos de Liga; [Slide: 103]
O conhecimento e a compreensão de diagramas de fases são importantes para:
(1) O projeto e o controle dos procedimentos utilizados em tratamentos
térmicos.
(2) As Propriedades dos Materiais (Físicas, Térmicas, Químicas,
Magnéticas, Elétricas dentre outras) são funções de suas microestruturas e
conseqüentemente de seu histórico térmico.
(3) Para sistemas de ligas é importante, pois existe uma forte correlação
entra a microestrutura e as Propriedades Mecânicas dos materiais (Resistência a
Tração, Elasticidade, Ductilidade, Fluência, Fadiga, Dureza e Tenacidade).
(4) O desenvolvimento de uma microestrutura está relacionado às
características do seu diagrama de fases.
Microestrutura da Perlita Grossa (esquerda) e Fina (direita) formada
(1) Componentes: São os metais puros ou compostos que compõem uma liga.
Exemplo: No latão, os componentes são o Cobre e o Zinco. No Aço, os
componentes são o Fe e o Carbeto e Ferro (Cementita, Fe3C).
(2) Soluto: É o elemento ou composto que está presente em menor concentração.
(3) Solvente: É o elemento ou composto que está presente em maior quantidade.
(4) Sistema: Está relacionando a uma série de possíveis ligas que consistem nos
mesmos componentes, por exemplo: sistema Ferro-Carbono.
(5) Solução Sólida: Consiste de átomos de dois tipos diferentes; os átomos do
soluto ocupam posições intersticiais ou substitutivas no retículo cristalino do
solvente, e a estrutura cristalina do solvente é mantida.
Exemplo: O Latão, tem como
componentes o Cobre-Zinco
formando o Sistema Cu-Zn.
Def: É a concentração máxima de átomos de soluto que pode se dissolver no
solvente, a uma dada temperatura, para formar uma solução sólida.
Considere o sistema Água-Açúcar.
Inicialmente, à proporção que o açúcar é adicionado à água, forma-se uma solução
ou xarope açúcar-água. À medida que mais açúcar é introduzido, a solução se
torna mais concentrada, até que o limite de solubilidade é atingido, quando então a
solução fica saturada com açúcar. Nesse instante, o solvente não é capaz de
dissolver qualquer açúcar adicional, e as adições seguintes simplesmente se
sedimentam no fundo do recipiente. Dessa forma o sistema consiste agora em duas
substâncias separadas: uma solução liquida de xarope açúcar-água e cristais
sólidos de açúcar que não foram dissolvidos.
O limite de solubilidade do açúcar na água depende essencialmente da
temperatura da água e pode ser representado em forma de gráfico (Eixo Y:
Temperatura, Eixo X: composição em porcentagem em peso dos componentes).
O limite de solubilidade é representado pela linha quase vertical no gráfico.
Para composições e temperaturas à esquerda da curva de solubilidade, existe
somente a solução liquida de xarope; à direita da curva, coexistem o xarope e o
açúcar sólido.
A 20°C a solubilidade máxima de açúcar na água é de 65%p (% em peso).
Fase: é uma porção homogênea de um sistema que possui características físicas e
químicas uniformes.
A solução de xarope açúcar-água é uma fase enquanto o açúcar sólido é outra
fase. Nesse exemplo, cada fase possui propriedades físicas diferentes (uma é
liquida e a outra é sólida) assim como propriedades químicas diferentes (uma é
açúcar puro e a outra é uma solução).
Não é necessário que existam diferenças tanto nas propriedades químicas e nas
físicas, exemplo: Água e gelo, são duas fases, possuem as mesmas propriedades
químicas, mas possuem propriedades físicas distintas. Ou Ainda quando uma
substancia pode existir em duas ou mais formas polimórficas (estruturas CCC e
CFC, exemplo, Ferrita-\u3b1 (CCC) e Austenita (CFC)) cada uma dessas estruturas
consistem em uma fase separada, pois suas características físicas são diferentes.
As propriedades físicas e o comportamento mecânico dos materiais dependem de
sua microestrutura.
Em ligas metálicas sua microestrutura é caracterizada por fatores tais como:
(1) Número de fases presentes;
(2) As proporções das fases presentes;
(3) A maneira pela qual as fases estão distribuídas ou arranjadas.
Após o polimento e o ataque químico apropriado, as diferentes fases podem ser
percebidas pelas suas aparências (no caso de uma liga bifásica, uma fase pode
aparecer mais clara e a outra mais escura).
Quando somente uma única fase está presente, a textura será uniforme, exceto
pelos contornos dos grãos, que podem ser revelados.
Microestrutura de um Aço 1020.
Um sistema está em equilíbrio quando:
(1) A sua energia livre se encontra em um valor mínimo para alguma
combinação especifica de temperatura, pressão e composição.
(2) As características do sistema não mudam ao longo do tempo, mas
persistem indefinidamente; isto é, o sistema é estável.
Uma alteração na temperatura, na pressão ou na composição de um sistema em
equilíbrio resultará em aumento na energia livre e em possível mudança
espontânea para outro estado no qual a energia livre seja reduzida, buscando o
equilíbrio.
Energia Livre: É uma função da energia interna (entalpia \u201cH\u201d) de um sistema e
também da aleatoriedade molecular (entropia \u201cS\u201d).
Energia Livre = F(entalpia, entropia) = F(H, S).
Resumo: O equilíbrio é função da energia livre que, por conseguinte é função da
entalpia e entropia que, por conseguinte é função da temperatura, pressão e
composição.
Sistema em Equilíbrio \uf0e0 Energia Livre Min. \uf0e0 (Entalpia, Entropia) \uf0e0
(Temperatura, Pressão e Composição).
Supondo que um xarope açúcar-água esteja contido no interior de um vaso fechado
(sistema), e que a solução esteja em contato com açúcar no estado sólido a 20°C
(região bifásica).
Se o sistema se encontra em equilíbrio, a composição do xarope é de 65%p
C12H22O11 - 35%p H2O, e as quantidades e composições de xarope e de açúcar
sólido irão permanecer constantes ao longo do tempo.
Se a temperatura do sistema for aumentada repentinamente para 100°C, esse
equilíbrio ou balanço ficará temporariamente perturbado (Energia Livre saiu de um
valor mínimo devido à mudança de temperatura, mudaram a Entalpia e Entropia do
sistema) no sentido de que o limite de solubilidade foi aumentado para 80%p
C12H22O11 - 20%p H2O. Dessa forma, parte do açúcar sólido irá se transferir para a
solução, no xarope. Os diagramas de fases fornecem
informações sobre as características
de equilíbrio, porém eles não indicam o
intervalo de tempo necessário para
que se atinja um novo estado de
equilíbrio.
Em muitos sistemas sólidos, o estado
de equilíbrio nunca é completamente
atingido, pois a taxa segundo a qual se
chega ao equilíbrio é extremamente
lenta (baixíssimas taxa de difusão); diz
então que tal sistema se encontra em
um estado