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


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de não-equilíbrio ou
metaestável (experimenta somente
alterações extremamente pequenas).
Os diagramas de fases são úteis para:
(1) Dá informações sobre o controle da microestrutura;
(2) Apresentar de maneira concisa as transformações de fases de um
sistema de ligas;
(3) Mostrar as alterações nas fases (transformações de fases) quando a
temperatura é alterada;
(4) São úteis para prever as transformações de fases e as microestruturas
resultantes.
Uma liga binária é uma que contém dois componentes.
A pressão externa também é um parâmetro que influencia a estrutura das fases.
Contudo, na prática, a pressão permanece virtualmente constante na maioria das
aplicações.
Um sistema é chamado de isomorfo quando existe uma completa solubilidade dos dois
componentes tanto no estado líquido como no estado sólido (Solução Sólida).
Três campos de fases diferentes aparecem no diagrama
(1) Um campo alfa (\u3b1);
Consiste em uma solução sólida substitutiva (os átomos do soluto ocupam posições
intersticiais no retículo cristalino do solvente) que contém átomos tanto de Cu como de Ni.
(2) Um campo líquido (L);
Consiste em uma solução líquida homogênea, composta tanto por cobre como por níquel)
(3) Um campo bifásico (\u3b1 + L).
A temperatura abaixo de aproximadamente 1080°C, o cobre e o níquel são
mutuamente solúveis um no outro no estado sólido, para toda e qualquer
composição.
Para ligas metálicas, as soluções sólidas são designadas usualmente por letras
gregas minúsculas (\u3b1, \u3b2, \u3b3, etc.).
(1) A curva que separa os campos das fases \u3b1+L e L é chamada de curva
liquidus. A fase líquida está presente em todas as temperaturas e composições
localizadas acima desta curva.
(2) A curva que separa os campos das fases \u3b1+L e \u3b1 é chamada de curva solidus.
A fase sólida está presente em todas as temperaturas e composições localizadas
abaixo desta curva.
As curvas solidus e liquidus se
interceptam nas duas extremidades
de composição; esses pontos
correspondem às temperaturas de
fusão dos componentes puros.
Curva Liquidus:
\u3b1+L (Aquecimento)\uf0e0 L
Curva Solidus:
\u3b1+L (Resfriamento) \uf0e0 \u3b1
Por exemplo, ao se aquecer uma liga com composição de 50%p Ni-50%p Cu, a
fusão tem início a uma temperatura de aproximadamente 1280°C; a quantidade da
fase líquida aumenta continuamente com a elevação da temperatura (perceba pela
regra da alavanca explicitada pela diferenciação de cores no gráfico) até
aproximadamente 1320°C, quando então a liga fica completamente líquida.
Para um sistema binário com composição e temperatura conhecidas, ou seja, dado
um ponto específico no diagrama de fases, pelo menos três tipos de informações
são disponíveis:
(1) As Fases que Estão Presentes;
(2) A Composição das Fases;
(3) A Porcentagem/Quantidade das fases.
Precisa-se apenas localizar o ponto temperatura-composição no diagrama de fases e
observar em qual campo de fases o dado ponto se localiza.
Exemplo: Uma liga com composição 60%p Ni-40%p Cu a 1100°C estaria localizada no ponto
A da figura; uma vez que esse ponto encontra-se dentro da região \u3b1, então apenas a fase \u3b1
estará presente.
Exemplo: uma liga com composição de 35%p Ni-65%p Cu que se encontra a 1250°C (ponto
B) consistirá tanto na fase \u3b1 como na fase líquida.
O primeiro passo é encontrar o ponto temperatura-composição correspondente no diagrama
de fases.
Métodos diferentes são usados para regiões monofásicas e regiões bifásicas.
O procedimento é trivial: a composição dessa fase é simplesmente a mesma da composição
global da liga.
Exemplo: Considere uma liga 60%p Ni-40%p Cu a 1100°C. Nessa composição e
temperatura, somente a fase \u3b1 está presente, e com uma composição de 60%p Ni-40%p Cu.
Em todas as regiões bifásicas, podem ser imaginadas diversas linhas horizontais, uma para cada
temperatura diferente; cada uma dessas linhas é conhecida por linhas isotermas. Essas linhas de
amarração se estendem através da região bifásica e terminam nas curvas de fronteira (Linha liquidus e
Linha solidus).
Para calcular as concentrações das duas fases, é usado o seguinte procedimento:
(1) Constrói-se uma linha Isoterma através da região bifásica para a dada temperatura;
(2) Anotam-se as interseções da linha Isoterma com as linhas liquidus e solidus;
(3) Traçam-se linhas perpendiculares à linha isoterma a partir dessas interseções até o eixo horizontal
das composições, onde a composição para cada uma das respectivas fases pode ser lida.
Exemplo: considere a liga com 35%p Ni-65%p Cu (C0) a 1250°C, localizada no ponto B, e que se encontra
dentro da região \u3b1+L. Assim, queremos determinar a composição (em %p Ni e %p Cu) tanto para a fase \u3b1
como para a fase líquida. A linha Isoterma foi construída através da região de fases \u3b1+L, como está
mostrado. A linha perpendicular a partir da interseção da linha Isoterma com a linha liquidus se encontra
com o eixo das composições em 31,5%p Ni-68,5%p Cu, que é a composição da fase líquida, CL. De
maneira semelhante, para a interseção da linha Isoterma com a curva solidus, encontramos uma
composição para a fase composta pela solução sólida \u3b1, C\u3b1, de 42,5%p Ni-57,5%p Cu.
O primeiro passo é encontrar o ponto temperatura-composição correspondente no diagrama
de fases.
Métodos diferentes são usados para regiões monofásicas e regiões bifásicas.
O procedimento é trivial: uma vez que somente uma fase está presente, a liga é composta
inteiramente por aquela fase; isto é, a fração/porcentagem da fase é de 100% (ou uma
unidade).
Exemplo: Considere uma liga com 60%p Ni-40%p Cu a 1100°C. Somente a fase \u3b1 está
presente; portanto, a liga é composta totalmente ou em 100% pela fase \u3b1.
Para a determinação da porcentagem/Quantidade das fases, a linha de amarração deve ser utilizada em
conjunto com um procedimento chamado de Regra da Alavanca (ou Regra da Alavanca Inversa).
Em todas as regiões bifásicas, podem ser imaginadas diversas linhas horizontais, uma para cada
temperatura diferente; cada uma dessas linhas é conhecida por linhas isotermas. Essas linhas de
amarração se estendem através da região bifásica e terminam nas curvas de fronteira (Linha liquidus e
Linha solidus).
(1) Constrói-se uma linha Isoterma através da região bifásica para a dada temperatura.
(2) A composição global da liga (Co) é localizada sobre a linha de amarração.
(3) A fração de uma fase é calculada tomando-se o comprimento da linha de amarração desde a composição
global da liga (Co) até a fronteira entre fases com a outra fase (por isso regra da Alavanca Inversa), (R=Co-
CL, para a porcentagem da fase sólida ou S=C\u3b1-Co para a porcentagem da fase líquida) e então
dividindo-se esse valor pelo comprimento total da linha de amarração (R+S=C\u3b1-CL).
A Regra da Alavanca é aplicada da seguinte maneira:
Assim, para a regra da Alavanca, teremos:
Considere uma liga com 35%p Ni-65%p Cu (Co) a 1250°C, onde ambas as fases, \u3b1 e líquida, estão presentes
(Ponto B). A linha de amarração foi construída para a determinação das composições das fases \u3b1 e L para a
dada temperatura. A composição global da liga (Co) está localizada ao longo da linha de amarração,
enquanto as frações mássicas estão representadas por WL e W\u3b1 para as respectivas fases L e \u3b1. A partir da
regra da alavanca, o valor de WL e W\u3b1 pode ser calculado de acordo com a expressão:
Para ligas multifásicas, muitas vezes é mais conveniente especificar a quantidade relativa das
fases em termos da fração volumétrica e não da fração mássica.
As frações volumétricas das fases são preferíveis, pois elas podem ser determinadas a partir
do exame da microestrutura através de um microscópio.
Para uma liga que consiste nas fases \u3b1 e \u3b2, a fração volumétrica das fases \u3b1 e \u3b2, V\u3b1 e V\u3b2, é
definida como sendo:
Podemos ainda usar as relações de Densidade:
Perceba que também podemos usar:
Quando as densidades das fases em uma liga bifásica diferirem significativamente uma da
outra, haverá uma grande disparidade entre as frações mássica e volumétrica.
Primeiramente, trataremos