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MATERIAIS POLIFÁSICOS RELAÇÕES DE EQUILÍBRIO Bauru, outubro de 2012 1 MATERIAIS POLIFÁSICOS RELAÇÕES DE EQUILÍBRIO Categorias de Materiais • Metálicos • Poliméricos • Cerâmicos • Polifásicos • Compostos 2 monofásicos MATERIAIS POLIFÁSICOS RELAÇÕES DE EQUILÍBRIO Categorias de Materiais • Metálicos • Poliméricos • Cerâmicos • Polifásicos: aço, tintas, solda, cimento • Compostos 3 monofásicos MATERIAIS POLIFÁSICOS RELAÇÕES DE EQUILÍBRIO RELAÇÕES QUALITATIVAS DE FASE • SOLUÇÕES versus MISTURAS HETEROGÊNEAS - Combinação de diferentes componentes - Formação de soluções: elementos estranhos adicionados a fim de melhorar as propriedades de um material - Misturas heterogêneas: formado a partir de duas soluções diferentes 4 Átomo substituinte: o átomo da impureza é considerado o átomo soluto em um solvente sólido MATERIAIS POLIFÁSICOS RELAÇÕES DE EQUILÍBRIO RELAÇÕES QUALITATIVAS DE FASE • SOLUBILIDADE 5 Solubilidade do açúcar na água: - O limite de solubilidade na água é mostrado pela curva de solubilidade - A soma dos teores de água e açúcar em qualquer ponto da abscissa é 100% MATERIAIS POLIFÁSICOS RELAÇÕES DE EQUILÍBRIO RELAÇÕES QUALITATIVAS DE FASE • SOLUBILIDADE 6 Solubilidade do NaCl e da água em uma solução aquosa de sal (1)A solubilidade do NaCl na solução aumenta com a temperatura (2) A solubilidade da água na solução também aumenta com a temperatura (3) As composições intermediárias têm temperatura de fusão inferiores quer da água pura quer do sal puro MATERIAIS POLIFÁSICOS RELAÇÕES DE EQUILÍBRIO RELAÇÕES QUALITATIVAS DE FASE - SOLUBILIDADE - Temperatura eutética: a temperatura mais baixa à qual uma solução resiste permanecendo completamente líquida - Composição eutética: composição que a solução possui nesse ponto 7 Solubilidade do CaCl2 e do gelo numa solução aquosa de CaCl2 - A temperatura mais baixa de líquido corresponde à temperatura do ponto eutético - Ponto eutético: as duas curvas de solubilidade se encontram MATERIAIS POLIFÁSICOS RELAÇÕES DE EQUILÍBRIO RELAÇÕES QUALITATIVAS DE FASE • SOLUBILIDADE - liga “60-40” de baixa temperatura de fusão é usada em muitas soldas - Permite a formação de junções metálicas com um mínimo de aquecimento 8 Solubilidade do Pb e do Sn em ligas para solda fundidas - A composição do eutético, 60% Sn e 40% Pb, é frequentemente empregada, devido a sua baixa temperatura de fusão L S MATERIAIS POLIFÁSICOS RELAÇÕES DE EQUILÍBRIO RELAÇÕES QUALITATIVAS DE FASE • SOLUBILIDADE - Temperatura eutético (183 °C): 1. Temperatura mais baixa na qual pode existir líquido 2. Temperatura na qual a solubilidade sólida é máxima 3. Temperatura acima da qual qualquer excesso em relação ao limite de solubilidade sólida é líquido e abaixo da qual esse excesso é sólido 9 Solubilidade sólida: - Solubilidade do estanho na estrutura cfc do chumbo sólido - Solubilidade do chumbo na estrutura tetragonal de corpo centrado do estanho sólido L S MATERIAIS POLIFÁSICOS RELAÇÕES DE EQUILÍBRIO RELAÇÕES QUALITATIVAS DE FASE - DIAGRAMA DE FASES 10 Diagrama Pb-Sn Fase α = solução sólida rica em chumbo Fase β = solução sólida rica em estanho • 100 °C – 50% de Sn possui solução sólida de chumbo contendo um pouco de estanho e fase β • 200 ° C – uma liga de 10% de Sn e 90% de Pb cai no campo da fase α • 200 °C – 30% de Sn e 70% de Pb se tem uma mistura da solução sólida α com líquido MATERIAIS POLIFÁSICOS RELAÇÕES DE EQUILÍBRIO RELAÇÕES QUALITATIVAS DE FASE - DIAGRAMA DE FASES 11 Diagrama Cu-Ni -independente da composição, o sólido sempre possui apenas uma fases - cfc *Fase α = solução sólida rica em níquel • Na parte inferior tanto o cobre quanto o níquel tem estrutura cúbica de faces centradas • Uma liga com 60% de cobre permanece sólida até a temperatura de 1200 °C • acima 1200 ° C e abaixo de 1270 ° C tem-se a coexistência das duas soluções MATERIAIS POLIFÁSICOS RELAÇÕES DE EQUILÍBRIO RELAÇÕES QUALITATIVAS DE FASE • FAIXAS DE SOLIDIFICAÇÃO - “liquidus”: lugar geométrico das temperaturas acima das quais tem-se somente líquido - “solidus”: indica o lugar geométrico das temperaturas abaixo das quais tem-se somente sólido 12 Sistema Pb-Sn Sistema SiO2-Al2O3 L S L S MATERIAIS POLIFÁSICOS RELAÇÕES DE EQUILÍBRIO RELAÇÕES QUALITATIVAS DE FASE • FAIXAS DE SOLIDIFICAÇÃO 13 Diagrama SiO2-Al2O3 -os diagramas de equilíbrio para sistemas não metálicos são usados da mesma forma que para os metais - A diferença é o tempo maior necessário para se atingir o equilíbrio L S S MATERIAIS POLIFÁSICOS RELAÇÕES DE EQUILÍBRIO RELAÇÕES QUALITATIVAS DE FASE • EQUILÍBRIO - Diagrama de fases são sempre diagrama de equilíbrio – indicam que fases estarão presentes, desde que os componentes estejam em equilíbrio entre si 1. Indica que fases estarão presentes sob determinadas condições de equilíbrio 2. Indica em que direção as reações tendem a ocorrer 14 MATERIAIS POLIFÁSICOS RELAÇÕES DE EQUILÍBRIO RELAÇÕES QUALITATIVAS DE FASE • EQUILÍBRIO – exemplo Uma prata de lei, uma liga contendo aproximadamente 92,5% de prata e 7,5% de cobre é aquecida lentamente da temperatura ambiente até 1100 °C. Quais fases estarão presentes durante o resfriamento? 15 MATERIAIS POLIFÁSICOS RELAÇÕES DE EQUILÍBRIO RELAÇÕES QUALITATIVAS DE FASE • EQUILÍBRIO – exemplo Uma mistura de 90% de SiO2 e 10% de Al2O3 é fundida a 1800 °C e, em seguida, resfriada muito lentamente até 1400 ° C. Quais fases estarão presentes durante o resfriamento? 16 MATERIAIS POLIFÁSICOS RELAÇÕES DE EQUILÍBRIO RELAÇÕES QUANTITATIVAS DE FASES • COMPOSIÇÕES DE FASE - Determinação das composições químicas dasfases - Depende da curva de solubilidade do diagrama de fases 17 Diagrama de fases para o sistema fenol (C6H5OH)-água - tem-se a coexistência de dois líquidos para as composições e temperaturas indicadas MATERIAIS POLIFÁSICOS RELAÇÕES DE EQUILÍBRIO RELAÇÕES QUANTITATIVAS DE FASES • COMPOSIÇÕES DE FASE – exemplo 67 g de água são misturadas com 21 g de fenol. Qual a composição das fases a 30, 60 e 70 °C? 18 MATERIAIS POLIFÁSICOS RELAÇÕES DE EQUILÍBRIO RELAÇÕES QUANTITATIVAS DE FASES • COMPOSIÇÕES DE FASE – exemplo Uma liga típica para componentes de aeronaves contém 92 kg de magnésio e 8 kg de alumínio. Qual a composição das fases a 650, 530, 420, 310 e 200°C? 19 MATERIAIS POLIFÁSICOS RELAÇÕES DE EQUILÍBRIO RELAÇÕES QUANTITATIVAS DE FASES • QUANTIDADES RELATIVAS DE FASES - A composição química de uma fase é usualmente expressa como a porcentagem do componente A ou B 20 Isoterma a 1300 °C no sistema Ni-Cu - Somente as misturas contendo menos de 37% de cobre são sólidas - Para misturas contendo mais de 53% de cobre, tem-se apenas uma fase líquida - Na região de duas fases entre essas composições, a quantidade relativa das fases irá variar MATERIAIS POLIFÁSICOS RELAÇÕES DE EQUILÍBRIO RELAÇÕES QUANTITATIVAS DE FASES - QUANTIDADES RELATIVAS DE FASES 21 Regra da alavanca: determina as quantidades relativas de fases - A quantidade de sólido é proporcional à distância entre o ponto de apoio (30% de estanho) e a extremidade, marcando a composição do líquido - A quantidade de líquido é proporcional à distância do ponto de apoio à outra extremidade, que corresponde à composição do sólido MATERIAIS POLIFÁSICOS RELAÇÕES DE EQUILÍBRIO RELAÇÕES QUANTITATIVAS DE FASES - QUANTIDADES RELATIVAS DE FASES – exemplo Determine as quantidades relativas das fases em uma liga de 92% Mg – 8%Al a 650, 530, 420, 310 e 200°C? 22 MATERIAIS POLIFÁSICOS RELAÇÕES DE EQUILÍBRIO RELAÇÕES QUANTITATIVAS DE FASES - QUANTIDADES RELATIVAS DE FASES • Balanço de material – a soma da quantidade de cada componente nas várias fases deve dar a quantidade total desse componente Exemplo: faça o balanço de material da distribuição do chumbo e do estanho em uma liga Pn-Sn a 100 °C. A base é: 100 g de liga = 61,19 g de Sn e 38,1 g de Pb 23 MATERIAIS POLIFÁSICOS RELAÇÕES DE EQUILÍBRIO RELAÇÕES QUANTITATIVAS DE FASES – • EQUILÍBRIO 24 Alteração da composição durante a solidificação – NiCu - O teor de cobre na fase sólida aumenta conforme a solidificação progride MATERIAIS POLIFÁSICOS RELAÇÕES DE EQUILÍBRIO RELAÇÕES QUANTITATIVAS DE FASES – • EQUILÍBRIO – exemplo Descrever as etapas de difusão necessária para a solidificação de um material fundido contendo 75% SiO2 e 25% Al2O3 25 MATERIAIS POLIFÁSICOS RELAÇÕES DE EQUILÍBRIO LIGAS FERRO-CARBONO • Exemplo da maioria das reações e microestruturas disponíveis para o engenheiro • Material versátil: - Aços doces: para lamas de automóveis e portas de geladeiras - Aços duros e tenazes: engrenagem e esteira para tratores • Resistência a corrosão muito elevada • Aplicações elétricas: placas de transformadores • Aços não-magnéticos: componentes de relógios 26 MATERIAIS POLIFÁSICOS RELAÇÕES DE EQUILÍBRIO LIGAS FERRO-CARBONO • DIAGRAMA DE FASES Fe-C 27 Mudança de fase: (a)H2O (b)Ferro: antes da temperatura de fusão, o ferro sólido muda duas vezes de estrutura cristalina MATERIAIS POLIFÁSICOS RELAÇÕES DE EQUILÍBRIO LIGAS FERRO-CARBONO • DIAGRAMA DE FASES Fe-C -ferrita ou ferro α 28 Solução de carbono na ferrita ccc: - A maior abertura no cristal de ferro ccc é muito menor que o átomo de carbono - A solubilidade do carbono na ferrita é baixa MATERIAIS POLIFÁSICOS RELAÇÕES DE EQUILÍBRIO LIGAS FERRO-CARBONO • DIAGRAMA DE FASES Fe-C - austerita ou ferro γ 29 Solução de carbono na austerita cfc: - O maior interstício no ferro cfc tem quase o tamanho de um átomo de carbono - Pode-se dissolver até 2% em peso (9% em átomos) de carbono MATERIAIS POLIFÁSICOS RELAÇÕES DE EQUILÍBRIO LIGAS FERRO-CARBONO • DIAGRAMA DE FASES Fe-C - ferro δ 30 Energia livre da ferrita e da austerita - A ferrita é ferro ccc e a austerita é ferro cfc - A fase com menor energia livre é estável MATERIAIS POLIFÁSICOS RELAÇÕES DE EQUILÍBRIO LIGAS FERRO-CARBONO • DIAGRAMA DE FASES Fe-C - Cementita ou carbeto de ferro 31 Estrutura do Fe3C - A célula unitária é ortorrômbica, com 12 átomos de ferro e 4 átomos de carbono MATERIAIS POLIFÁSICOS RELAÇÕES DE EQUILÍBRIO LIGAS FERRO-CARBONO • DIAGRAMA DE FASES Fe-C - Reação eutetóide – reação no estado sólido na qual uma fase sólida se transforma em duas outras *Temperatura eutética – temperatura mais baixa que a solução permanece líquida 32 Soluções líquidas versus sólidas MATERIAIS POLIFÁSICOS RELAÇÕES DE EQUILÍBRIO LIGAS FERRO-CARBONO • DIAGRAMA DE FASES Fe-C - Reação eutetóide 33 Diagrama Fe-C - Região eutetóide do diagrama Fe-C: o tratamento térmico do ferro depende destas relações de fase Temperatura eutética Temperatura eutetóide α = fase sólida de C β = fase sólida de Fe γ= α + β MATERIAIS POLIFÁSICOS RELAÇÕES DE EQUILÍBRIO LIGAS FERRO- CARBONO • NOMENCLATURA DOS AÇOS Aço 1040 = 0,40% de carbono 10xx = aço carbono comuns, mínimo de outros elementos 34 MATERIAIS POLIFÁSICOS RELAÇÕES DE EQUILÍBRIO DIAGRAMA DE FASES PARA SISTEMAS COM MAIS DE DOIS COMPONENTES • DIAGRAMA DE TERNÁRIOS - fixar uma das três variáveis (1)fixando-se uma fase (2)Fixando-se uma temperatura (3)Fixando-se a porcentagem de um dos três componentes 35 Exemplo: representação das composições fixando-se a temperatura MATERIAIS POLIFÁSICOS RELAÇÕES DE EQUILÍBRIO DIAGRAMA DE FASES PARA SISTEMAS COM MAIS DE DOIS COMPONENTES • DIAGRAMA DE TERNÁRIOS - Cortes isotérmicos – princípio do geometria plana: “a soma das distâncias de qualquer ponto de um triângulo equilátero aos três lados do mesmo é constante e igual à altura do triângulo” 36 Diagrama de três componentes: qualquer composição de A, B e C pode ser representada por um ponto neste diagrama MATERIAIS POLIFÁSICOS RELAÇÕES DE EQUILÍBRIO DIAGRAMA DE FASES PARA SISTEMAS COM MAIS DE DOIS COMPONENTES • DIAGRAMA DE TERNÁRIOS - Cortes isotérmicos 37 Índice de refração de vidros BaO-Ba2O3-SiO3 Calor de combustão para misturas CH4-H2-N2 MATERIAIS POLIFÁSICOS RELAÇÕES DE EQUILÍBRIO DIAGRAMA DE FASES PARA SISTEMAS COM MAIS DE DOIS COMPONENTES • DIAGRAMA DE TERNÁRIOS - Cortes isotérmicos 38 Corte isotérmico (ligas Fe- Cr-Ni, em temperatura ambiente) • Um dos aços inoxidáveis mais comuns contém 18% Cr e 8% Ni MATERIAIS POLIFÁSICOS RELAÇÕES DE EQUILÍBRIO 39
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