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8. Diagramas de fase em condições de equilíbrio - Definições e conceitos básicos: identificação das fases, limite de solubilidade, microestrutura das fases - Diagramas de equilíbrio binários isomorfos e eutéticos - Reações eutetóides e peritéticas - Sistema Fe-C e microestruturas que se formam no resfriamento lento 2 SOLIDIFICAÇÃO • TODO O PROCESSO DE FABRICAÇÃO DE PEÇAS METÁLICAS TEM INÍCO EM UM PROCESSO DE SOLIDIFICAÇÃO 3 DIAGRAMA DE FASE OU DE EQUILIBRIO 1. IMPORTÂNCIA: • Permite a visualização da fusão e solidificação • Prediz as transformações de fases • Dá informações sobre microestrutura e propriedades mecânicas em função da temperatura e composição 2. SOLUBILIDADE DO SOLUTO E FASES • SOLUBILIDADE COMPLETA • SOLUBILIDADE INCOMPLETA • INSOLUBILIDADE LIMITE DE SOLUBILIDADE: é a concentração máxima de átomos de soluto que pode dissolver-se no solvente, a uma dada temperatura, para formar uma solução sólida. Quando o limite de solubilidade é ultrapassado forma-se uma segunda fase com composição distinta 5 3. FASES FASE É A PORÇÃO HOMOGÊNEA DE UM SISTEMA QUE TEM CARACTERÍSTICAS FÍSICAS E QUÍMICAS DEFINIDAS Todo metal puro é considerado uma fase • Uma fase é identificada pela composição química e microestrutura • A interação de 2 ou mais fases em um material permite a obtenção de propriedades diferentes • É possível alterar as propriedades do material alterando a forma e distribuição das fases 6 4. DIAGRAMA DE FASES OU DE EQUILÍBRIO • É COMO UM MAPA PARA A DETERMINAÇÃO DAS FASES PRESENTES, PARA QUALQUER TEMPERATURA E COMPOSIÇÃO, DESDE QUE A LIGA ESTEJA EM EQUILÍBRIO - Termodinamicamente o equilíbrio é descrito em termos de energia livre (G) - Um sistema está em equilíbrio quando a energia livre é mínima O equilíbrio de fases é o reflexo da constância das características das fases com o tempo 7 FUSÃO E ENERGIA LIVRE (G) 8 4. FASES DE EQUILÍBRIO E FASES METAESTÁVEIS • Fases de equilíbrio: suas propriedades ou características não mudam com o tempo. Geralmente são representadas nos diagramas por letras gregas • Fases metaestáveis: suas propriedades ou características mudam lentamente com o tempo, ou seja, o estado de equilíbrio não é nunca alcançado. No entanto, não há mudanças muito perceptíveis com o tempo na microestrutura das fases metaestáveis. 9 SOLIDIFICAÇÃO DE UM METAL PURO 10 SOLIDIFICAÇÃO DE UMA LIGA BINÁRIA 11 CONSTRUÇÃO DOS DIAGRAMAS DE FASE A PARTIR DAS CURVAS TÉRMICAS São obtidas curvas térmicas para diferentes teores de soluto 12 4.1. DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO PARA SISTEMAS BINÁRIOS E ISOMÓRFOS • Isomorfo - quando a solubilidade é completa (Exemplo: Sistema Cu-Ni) 13 CURVA DE SOLIDIFICAÇÃO PARA UMA LIGA BINÁRIA ISOMORFA Remoção do calor latente de fusão Curva de solidificação 14 INTERPRETAÇÃO DO DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO (CONSTITUIÇÃO DA LIGA) - Fases presentes localiza-se a temperatura e composição desejada e verifica-se o número de fases presentes - Composição química das fases usa-se o método da linha de conecção (isotérma) Para um sistema monofásico a composição é a mesma da liga - Percentagem das fases (quantidades relativas das fases) regra das alavancas 15 SISTEMA Cu-Ni DETERMINAÇÃO DAS FASES PRESENTES E DA COMPOSIÇÃO QUÍMICA DAS FASES Comp. Liq= 32% de Ni e 68% de Cu Comp. Sol. = 45% de Ni e 55% de Cu B 16 SISTEMA Cu-Ni Determinação das quantidades relativas das fases • Composição das fases • Percentagem das fases Fase líquida Fase sólida Comp. Liq= 31,4% Ni e 68,9%Cu Comp. Sol. = 42,5%Ni e %57,5Cu L = S R+S S = R R+S L = C-C0 C-CL L = Co-CL C-CL 17 Mudança na composição das fases durante o processo de solidificação Ex: o centro do grão mais rico do elemento com o elemento de maior ponto de fusão) centro do grão A distribuição dos 2 elementos no grão não é uniforme. 18 Mudança na composição das fases durante o processo de solidificação 19 DESENVOLVIMENTO DA MICROESTRUTURA A microestrutura só segue o diagrama de equilíbrio para velocidades de solidificação lentas Na prática, não há tempo para a difusão completa e as microestruturas não são exatamente iguais às do equilíbrio O grau de afastamento do equilíbrio dependerá da taxa de resfriamento Como consequência da solidificação fora do equilíbrio tem-se a segregação (a distribuição dos 2 elementos no grão não é uniforme). 20 SOLUBILIDADE É dada pela linha solvus LINHA SOLVUS () () + LINHA SOLVUS + l l + 21 SISTEMAS EUTÉTICOS BINÁRIOS Reação eutética: Líquido + • Neste caso a solidificação processa-se como num metal puro, no entanto o produto é 2 fases sólidas distintas. Microestrutura do eutético: LAMELAR camadas alternadas de fase e . Ocorre desta forma porque é a de menor percurso para a difusão 22 REAÇÃO EUTÉTICA Líquido + LINHA SOLVUS () + () Indica solubilidade 23 HIPOEUTÉTICO E HIPEREUTÉTICO • HIPOEUTÉTICO COMPOSIÇÃO MENOR QUE O EUTÉTICO • HIPEREUTÉTICO COMPOSIÇÃO MAIOR QUE O EUTÉTICO 24 MICROESTRUTURA DE UMA LIGA DE Sn-Pb HIPOEUTÉTICA • Região preta é a fase primária rica em Pb • Lamelas são constituídas de fase rica em Pb e fase rica em Sn 25 • REAÇÃO EUTETÓIDE: + ( a diferença do eutético é que uma fase sólida, ao invés de uma líquida, transforma-se em duas outras fases sólidas. • REAÇÃO PERITÉTICA: Envolve três fases em equilíbrio + Líquido Uma fase sólida mais uma fase líquida transforma-se numa outra fase sólida DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO TENDO FASES INTERMEDIÁRIAS 26 PERITÉTICO E EUTÉTICO 27 PERITÉTICO Envolve 3 fases em equilíbrio 28 PERITÉTICO DUPLO 29 EUTÉTICO, EUTETÓIDE E PERITÉTICO Ponto de fusão congruente 30 REAÇÃO MONOTÉTICA E EUTÉTICA Dois líquidos imiscíveis formam uma fase sólida e uma fase líquida (MONOTÉTICA) 31 GRÁFICO ESQUEMÁTICO: PONTO DE FUSÃO E TRANSFORMAÇÕES ALOTRÓPICAS 32 Sistema Fe-C ou Fe-Fe3C e microestruturas que se formam no resfriamento lento 33 DIAGRAMA DE FASE Fe-Fe3C TRANSFORMAÇÃO ALOTRÓPICA +Fe3C +l l+Fe3C +Fe3C CCC CFC CCC + +l As fases , e são soluções sólidas com Carbono intersticial 34 FERRO PURO FERRO = FERRITA FERRO = AUSTENITA FERRO = FERRITA TF= 1534 C Nas ligas ferrosas as fases , e FORMAM soluções sólidas com Carbono intersticial CARBONO 35 DIAGRAMA DE FASE Fe-Fe3C TRANSFORMAÇÔES +l l+Fe3C +l PERITÉTICA +l EUTÉTICA l +Fe3C EUTETÓIDE +Fe3C AÇO FOFO 36 Ferro Puro /Formas Alotrópicas FERRO = FERRITA Estrutura= ccc Temperatura “existência”= até 912 C Fase Magnética até 768 C (temperatura de Curie) Solubilidade máx do Carbono= 0,02% a 727 C FERRO = AUSTENITA Estrutura= cfc (tem + posições intersticiais) Temperatura “existência”= 912 - 1394C Fase Não-Magnética Solubilidade máx do Carbono= 2,14% a 1148C 37Ferro Puro /Formas Alotrópicas FERRITA AUSTENITA 38 Ferro Puro /Formas Alotrópicas FERRO = FERRITA Estrutura= ccc Temperatura “existência”= acima de 1394C Fase Não-Magnética É a mesma que a ferrita Como é estável somente a altas temperaturas não apresenta interesse comercial 39 Sistema Fe-Fe3C Ferro Puro= até 0,02% de Carbono Aço= 0,02 até 2,06% de Carbono Ferro Fundido= 2,1-4,5% de Carbono Fe3C (CEMENTITA)= Forma-se quando o limite de solubilidade do carbono é ultrapassado (6,7% de C) 40 CEMENTITA (Fe3C) Forma-se quando o limite de solubilidade do carbono é ultrapassado (6,7% de C) É dura e frágil Cristaliza no sitema ortorrômbico (com 12 átomos de Fe e 4 de C por célula unitária) é um composto intermetálico metaestável, embora a velocidade de decomposição em ferro e C seja muito lenta A adição de Si acelera a decomposição da cementita para formar grafita 41 PONTOS IMPORTANTES DO SISTEMA Fe-Fe3C (EUTÉTICO) LIGA EUTÉTICA: corresponde à liga de mais baixo ponto de fusão Líquido FASE (austenita) + cementita - Temperatura= 1148 C - Teor de Carbono= 4,3% As ligas de Ferro fundido de 2,1-4,3% de C são chamadas de ligas hipoeutéticas As ligas de Ferro fundido acima de 4,3% de C são chamadas de ligas hipereutéticas 42 PONTOS IMPORTANTES DO SISTEMA Fe-Fe3C (EUTETÓIDE) LIGA EUTETÓIDE corresponde à liga de mais baixa temperatura de transformação sólida Austenita FASE (FERRITA) + Cementita - Temperatura= 725 C - Teor de Carbono= 0,8 % Aços com 0,02-0,8% de C são chamadas de aços hipoeutetóides Aços com 0,8-2,1% de C são chamadas de aços hipereutetóides 43 MICROESTRUTURAS / EUTETÓIDE Supondo resfriamento lento para manter o equilíbrio É similar ao eutético Consiste de lamelas alternadas de fase (ferrita) e Fe3C (cementita) chamada de PERLITA FERRITA lamelas + espessas e claras CEMENTITA lamelas + finas e escuras Propriedades mecânicas da perlita • intermediária entre ferrita (mole e dúctil) e cementita (dura e frágil) 44 MICROESTRUTURAS / EUTETÓIDE 45 MICROESTRUTURA DO AÇO EUTETÓIDE RESFRIADO LENTAMENTE Somente Perlita 46 MICROESTRUTURAS /HIPOEUTETÓIDE Supondo resfriamento lento para manter o equilíbrio Teor de Carbono = 0,002- 0,8 % Estrutura Ferrita + Perlita As quantidades de ferrita e perlita variam conforme a % de carbono e podem ser determinadas pela regra das alavancas Partes claras pró eutetóide ferrita 47 MICROESTRUTURA DOS AÇOS BAIXO TEOR DE CARBONO Ferrita Perlita AÇO COM ~0,2%C 48 MICROESTRUTURA DOS AÇOS MÉDIO TEOR DE CARBONO RESFRIADOS LENTAMENTE Ferrita Perlita AÇO COM ~0,45%C 49 MICROESTRUTURAS /HIPEREUTETÓIDE Supondo resfriamento lento para manter o equilíbrio Teor de Carbono = 0,8-2,06 % Estrutura cementita+ Perlita As quantidades de cementita e perlita variam conforme a % de carbono e podem ser determinadas pela regra das alavancas Partes claras pró eutetóide cementita ALGUNS DIAGRAMAS 51 52 53 54 Micrografia da Liga Al-3,5%Cu no Estado Bruto de Fusão 55 56 57 Sistema Mg-Pb
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