Slides - Ciências dos Materiais - AP2 (1)

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Introdução a Ciências 
dos Materiais 
Igor Nonato Almeida Pereira
Técnico em Eletrotécnica - IFAM
Engenheiro Civil - UEA
Mestre em Engenharia e Ciências de Materiais - UFAM
DIAGRAMA DE FASES
Duas fases em equilíbrio
a) óleo flutuando em água
b) emulsão de óleo em água
• Fase é uma porção homogênea de um sistema que possui características
físicas e/ou químicas uniformes.
• Se mais de uma fase estiver presente em um sistema, cada fase terá suas próprias 
propriedades e existirá uma fronteira separando as diferentes fases.
• Contorno entre fases: ocorre uma mudança abrupta das características físicas 
e/ou químicas.
DIAGRAMAS DE FASES
Ilustração de fases e solubilidade:
a) três formas de H2O – gasosa, líquida e sólida – cada uma constitui uma fase
b) água e álcool possuem solubilidade ilimitada – formam uma única fase
c) sal e água possuem solubilidade limitada – dissolvido: uma fase; precipitado: duas
d) água e óleo não possuem solubilidade entre si – duas fases
SOLUÇÕES SÓLIDAS
São formadas quando átomos de soluto ocupam posições 
substitutivas ou intersticiais formando com o solvente 
uma única fase.
A concentração máxima de soluto que pode ser dissolvida 
no solvente é chamada limite de solubilidade. A adição de 
soluto além desse limite resulta na formação de uma 
segunda fase: outra solução sólida ou composto, de 
composição e estrutura diferentes.
Formação de solução 
sólida entre dois 
metais. ex: Au eAg
Energia livre (propriedade termodinâmica) é uma função da energia interna de um 
sistema e também da entropia dos átomos ou moléculas (entropia=desordem).
Um sistema está em equilíbrio se sua energia livre se encontra em um valor 
mínimo, isso significa que as características do sistema não mudam ao longo do 
tempo. O sistema é estável.
Alterações na temperatura, pressão ou composição podem resultar em mudanças 
de fases.
O equilíbrio de fases se 
refere ao equilíbrio em 
sistemas que possuem 
mais de uma fase.
Nesse caso, a composição 
das fases presentes é 
constante com o tempo.
EQUILÍBRIO DE FASES
DIAGRAMAS DE FASES
• Muitas informações para o controle da microestrutura ou das fases presentes em
um sistema ou liga são mostradas no chamado diagrama de fases.
• Diagramas de fases são mapas (esquemas) úteis para prever as transformações 
de fases e as microestruturas resultantes de um determinado processo.
• Representam as relações entre composição, variáveis de processo (temperatura, 
pressão) e as fases presentes em condições de equilíbrio.
DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO DO Fe
Cinco fases:
• Vapor
• Líquido
• Sólidos: Fe-α (ferrita), Fe-γ 
(austenita), Fe-δ (diferentes 
estruturas cristalinas)
Parâmetro invariável: composição 
Parâmetros Variáveis
• Temperatura
• Pressão
http://en.wikipedia.org/wiki/Iron
http://en.wikipedia.org/wiki/Iron
Diagrama isomorfo: 
sistema binário Cu-Ni
◼ Duas fases:
• L (líquido)
• α (solução sólida)
◼ Isomorfo: completa solubilidade
entre os dois componentes
◼ Parâmetro invariável: (P = 1 atm)
◼ Parâmetros variáveis
• Temperatura
• Composição
%Ni aumenta →
Liquidus – linha acima da qual só líquido existe no sistema
Solidus – linha abaixo da qual só sólido existe no sistema
Interpretação do Diagrama de Fases
◼ Para um sistema binário com composição 
e temperatura conhecidas e em equilíbrio, 
pelo menos 3 informações estão 
disponíveis em um diagrama de fases:
(1) As fases presentes
(2) As composições dessas fases
(3) As porcentagens (frações) de cada fase
FASES PRESENTES
Para se estabelecer quais fases estão presentes é preciso apenas localizar o
ponto temperatura-composição de interesse no diagrama de fases e observar em
qual campo de fases o ponto está identificado.
A: 60% em peso , 1100o C 
1 fase: α
B: 35% em peso, 1250o C 
2 fases: L + α
DETERMINAÇÃO DA COMPOSIÇão DAS FASES
• Se apenas uma fase está presente (região monofásica) a composição dessa 
fase é simplesmente a mesma da composição global da liga.
• Para uma liga que possui composição e temperatura localizadas em uma
região bifásica é utilizado o seguinte procedimento:
1. Construir uma linha de amarração (“tie 
line”) entre as duas extremidades da região 
bifásica, paralela à temperatura em questão.
2. Anotar os valores das composições (CL, 
Cα) nas intersecções entre a linha de 
amarração e as fronteiras entre as fases nos 
dois lados. Para isso, basta traçar linhas 
perpendiculares à linha de amarração a 
partir das intersecções até o eixo horizontal 
das composições, onde cada uma das 
respectivas composições pode ser lida.
DETERMINAÇÃO DA COMPOSIÇÃO DAS FASES
No exemplo do sistema Cu - Ni tem–se :
Composição: CO = 35% Ni 
Em TA:
Somente líquido
CL= CO
Em TD:
Somente sólido
Cα = CO
Em TB:
CL= Clíquido = 32%Ni 
Cα = Csólido = 43%Ni
DETERMINAÇÃO DAS QUANTIDADES DAS FASES
• Para uma região monofásica a liga é composta inteiramente por aquela fase
presente, ou seja a proporção é de 100% da fase em questão.
• Para regiões em que a composição e temperatura estão dentro de uma região 
bifásica é utilizada a regra da alavanca, da seguinte forma:
1. Uma linha de amarração é construída 
através da região bifásica na temperatura 
desejada, como já visto;
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 com a outra fase 
e divide-se pelo comprimento total da 
linha de amarração (em % ou cm, por 
exemplo); e
4. A fração da outra fase é determinada de 
maneira semelhante, invertendo-se o 
segmento tomado na linha de amarração.
DETERMINAÇÃO DAS QUANTIDADES DAS FASES
No emprego da regra da alavanca, os comprimentos dos segmentos podem
ser determinados por medição direta, usando-se régua com escala linear, ou
através da subtração das composições.
Em um sistema Cu-Ni por exemplo: Composição global: CO = 35% Ni
Em TA : somente líquido
WL = 100% , Wα =0
Em TD: somente sólido 
Wα = 100%, WL=0
Em TB: regra da alavanca
Desenvolvimento da Microestrutura em Ligas Isomorfas
A: liga completamente líquida
B: linha liquidus - primeiro sólido α começa a se formar
C: fases líquida e α em equilíbrio
D: linha solidus - termina o processo de solidificação, fração mínima de líquido 
E: liga completamente formada pela fase α
Sistemas Eutéticos Binários
Sistema cobre-prata: forma um sistema eutético binário, com um diagrama 
de fases eutético binário
Três regiões monofásicas 
distintas:
• α = solução sólida rica em 
cobre, prata é o soluto
• β = solução sólida rica em
prata, cobre é o soluto
• Líquida
TE = temperatura eutética, 
menor temperatura em que há 
líquido no sistema
CE = composição eutética
Reação invariante!
Exemplo de sistema binário eutético
• Sistema Pb-Sn
Considerando uma liga com 
40% Sn e 60% Pb à 150oC:
Fases presentes:
α + β
Composição das fases:
cα = 11% Sn (solução solida ) 
cβ = 99% Sn (solução solida)
Quantidade relativa de cada fase:
99−11 88
C =
99− 40
=
59
= 67%em peso
99 −11 88
C =
40 −11
=
29
= 33% em peso
Desenvolvimento da microestrutura em ligas eutéticas
• O resfriamento corresponde a um 
deslocamento vertical para baixo 
(diminuição da temperatura) ao longo 
da linha tracejada
• A liga permanece líquida até que
atinge a linha liquidus, quando o
sólido α começa a se formar
• Com o prosseguimento do 
resfriamento mais sólido α se forma
• A solidificação atinge o término 
quando cruza a linha solidus
Desenvolvimento da microestrutura em ligas eutéticas
Composições que se encontram entre o 
limite de solubilidade à temperatura 
ambiente e a solubilidade máxima (na 
temperatura eutética)
• No resfriamento da fase líquida até a 
intersecção com a linha solvus que 
separa a região de solução sólida da 
de dois sólidos ( e ) as alteraçõessão iguais ao caso anterior
• Logo acima da intersecção com a linha
solvus citada, a microestrutura consiste
apenas de grãos da fase 
• Com o cruzamento dessa linha solvus 
a solubilidade da fase α é excedida, o 
que resulta na formação de pequenas 
partículas de fase β (precipitadas)
Solvus – linha que separa uma região de solução sólida de outra contendo várias fases.
Desenvolvimento da microestrutura em ligas eutéticas
Solidificação da composição eutética
(composição de menor ponto de fusão
total)
• À medida que a liga é resfriada a partir 
do líquido nenhuma alteração ocorre até 
a temperatura eutética (183oC)
• Ao cruzar a isoterma eutética o líquido se 
transforma (solidifica) simultaneamente 
nas duas fases: α e β
Micrografia mostrando a microestrutura de umaliga
chumbo-estanho com a composição eutética.
Desenvolvimento da microestrutura em ligas eutéticas
Composições não-eutéticas, mas que
quando resfriadas cruzam a isoterma
eutética:
• Antes do cruzamento da isoterma 
eutética as fases α (primária) e 
líquida estão presentes
• Após o cruzamento da isoterma 
eutética a fase líquida que possui a 
composição do eutético se 
transformará na microestrutura do 
eutético
• A fase α estará presente tanto no 
eutético quanto naquela fase que se 
formou em α +L, assim dá-se o nome 
de α eutética àquela que reside no 
eutético e α primária aquela que se 
formou antes da isoterma eutética
Microestrutura 
de uma liga Ag-
Cu mostrando α
eutética e α 
primária
Observe que as fases mudam de composição na
região bifásica, no resfriamento!
©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein 
under license.
Curva de resfriamento para uma liga isomorfa durante a solidificação. Assume-se
que a taxa de resfriamento é pequena para permitir o equilíbrio térmico da liga.
As mudanças de inflexão mostradas na curva de resfriamento indicam as
temperaturas liquidus e solidus, neste caso para uma liga Cu-Ni com 40% em
peso de Ni.
ESQUEMA DE CONSTRUÇÃO DO DIAGRAMA DEFASES
liquidus
©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license.
Seis curvas de resfriamento para diversos percentuais da liga 
Mo-V levantadas para a construção do diagrama de fases.
Hipereutético 
Cd-Zn (40%Zn)
Eutético
Cd-Zn (17,4%Zn)
Hipoeutético 
Cd-Zn (10%Zn)
Reação eutetóide também é 
incongruente
Reação peritética também é 
incongruente
O sistema Au-Hg
As cinco mais importantes reações contendo 
três fases de um diagrama de fase binário