20a_aula_materiais_polifasicos (1)

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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 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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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? 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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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? 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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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 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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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