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MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA Ronei Stein Uso de diagrama de fases para compreensão dos materiais Objetivos de aprendizagem Ao final deste texto, você deve apresentar os seguintes aprendizados: � Descrever o diagrama de fases dos materiais. � Interpretar as fases presentes no diagrama de fases dos materiais. � Reconhecer as microestruturas dos materiais para cada uma de suas fases. Introdução Fase pode ser definida como a porção homogênea de um sistema que possui características físicas e/ou químicas uniformes. Se mais de uma fase estiver presente em um sistema, cada uma terá suas próprias proprie- dades individuais e haverá uma fronteira entre elas, da qual haverá uma mudança descontínua e abrupta nas características físicas e/ou químicas. Um diagrama de fase consiste em um tipo de gráfico que mostra as condições de equilíbrio entre as fases termodinamicamente distintas. Os diagramas de fase mais simples são os que mostram a relação pres- são x temperatura de uma única substância, como a água. Com auxílio do diagrama, é possível observar as linhas de equilíbrio ou contornos de fase entre os três estados (sólido, líquido e gasoso). Diagrama de fases dos materiais O gráfico que representa as fases da matéria termodinamicamente em função da pressão e da temperatura é chamado de diagrama de fases. Também podem ser chamados de diagramas de equilíbrio, quando estes relacionam a quan- tidade das fases em equilíbrio, temperatura e composição química (SMITH e HASHEMI, 2012). O diagrama de fases pode ser tratado como um mapa, pois se conhecemos as coordenadas (temperatura e composição da liga), podemos determinar as fases presentes, supondo que estejam em equilíbrio termodinâmico. Com auxílio desse diagrama, Callister Junior e Rethwisch (2014) mencionam que é possível adquirir informações valiosas sobre os fenômenos da fusão, fundição, cristalização, entre outros. Ao colocarmos um bloco de gelo em uma câmara de vácuo, o gelo começa a derreter e uma parte da água evapora. Nessas condições, temos a coexistência de três fases diferentes: H2O sólida, H2O líquida e H2O gasosa. Askeland e Wright (2015) mencionam que cada uma dessas fases da água é distinta e possui uma configuração de átomos, propriedades e de interface exclusiva. No entanto, suas composições químicas são idênticas. Na Figura 1 é possível analisar a representação gráfica das fases da água que existem em diferentes condições de temperatura e pressão. Linha de vaporização Linha de solidi�cação Líquido Vapor Sólido Ponto triplo a 0,01 ºC Temperatura de H2O (ºC) Pr es sã o H 2O (t or r) 100 760 0 Figura 1. Diagrama aproximado de pressão e temperatura (PT) para a água. Fonte: Smith e Hashemi (2012, p. 228). Uso de diagrama de fases para compreensão dos materiais2 Para entender melhor o assunto, é importante falarmos sobre a teoria adotada na construção do diagrama de fases. Para exemplificar, a Figura 2 apresenta a solubilidade do açúcar na água, onde a curva representa a solubilidade. As composições à esquerda da curva correspondem a uma única fase, pois todo o açúcar está dissolvido na fase líquida. Agora, note que se as concentrações do açúcar, que correspondem ao lado direito da curva, aumentam, é impossível dissolvê-lo completamente. Logo, teremos uma mistura bifásica, composta de açúcar sólido e um “xarope” líquido. Figura 2: Solubilidade do açúcar na água. Fonte: Smith e Hashemi (2012, p. 259). Líquido Líquido + SólidosTe m pe ra tu ra (º C) 100 80 60 40 20 açúcar água 0% 100% 20 80 40 60 60 40 80 20 100 0 Para muitos sistemas de ligas e em uma dada temperatura específica, existe uma concentração máxima de átomos de soluto que pode ser dissolvida no solvente para formar uma solução sólida. A esse valor dá-se o nome de limite de solubilidade (CALLISTER JUNIOR; RETHWISCH, 2014). A adição de soluto além desse limite resulta na formação de uma outra solução sólida ou um outro composto totalmente diferente. 3Uso de diagrama de fases para compreensão dos materiais Solubilidade e soluções sólidas É sempre importante saber quanto de cada material ou componente podemos combinar sem produzir uma fase adicional. A combinação de componentes ou materiais diferentes, como elementos de ligas e um metal, sólido ou lí- quido, pode dar origem a algumas soluções (ASKELAND; WRIGHT, 2015). Também podem ser traçados diagramas de pressão-temperatura para outras substâncias puras. Uma das principais diferenças desse diagrama de fases é que existem três fases sólidas separadas e distintas: o Fe-α (alfa), o Fe-g (gama) e o Fe-δ (delta). Muitas vezes, um sistema monofásico é chamado de homogêneo; os sistemas compostos por duas ou mais fases são denominados misturas ou sistemas heterogêneos. A maioria das ligas metálicas, sistemas cerâmicos, poliméricos e compósitos são heterogêneos. Normalmente, as fases interagem de tal modo que a combinação das propriedades do sistema multifásico é diferente e mais atrativa que as propriedades de qualquer uma das fases individualmente (CALLISTER JUNIOR; RETHWISCH, 2016). As ligas são aquecidas e resfriadas nos mais diferentes processos industriais, sendo essencial saber como esses materiais irão se comportar ao longo das alterações de temperatura. Dessa forma, o diagrama de fases (também conhe- cido como diagrama de equilíbrio) tem por finalidade mostrar as alterações de estado físico e estrutura que as ligas metálicas sofrem. O diagrama de fases ferro-carbono é o mais estudado entre todas as ligas metálicas presentes na atualidade. Isso se explica pelo fato de o aço carbono será amplamente utilizado pelo homem e, por isso, apresentar diversas transformações no estado sólido. O diagrama de fases mostra como os diferentes teores de carbono nos aços resultam em diferentes propriedades, possibilitando a fabricação de aços de acordo com as propriedades desejadas. O diagrama Fe-C depende somente da temperatura e da porcentagem de carbono, bem como as transformações microestruturais que ocorrem sob aquecimento e resfriamento lento, as quais são ditas de equilíbrio. Para transformações rápidas, que conseguem evitar as de equilíbrio, estuda-se um diagrama distinto, o diagrama TTT (tempo-temperatura-transformação). Uso de diagrama de fases para compreensão dos materiais4 Para saber mais a respeito do diagrama de fases, assista ao vídeo disponível no link a seguir. https://goo.gl/CMZDJ1 Diferentes fases presentes no diagrama de fases De acordo com Askeland e Wright (2015), um diagrama de fases mostra as fases e suas composições em qualquer combinação de temperaturas e composição de liga dentro dos limites do diagrama. Quando somente dois elementos ou dois componentes estão presentes em um material, pode ser construído um diagrama binário, tema deste capítulo. Para um sistema binário com composição e temperatura conhecidas e que se encontra em um estado de equilíbrio, pelo menos três tipos de informações estão disponíveis: 1. as fases que estão presentes; 2. as composições dessas fases; 3. as porcentagens ou frações das fases. Mas o que exatamente são as fases? Uma fase é uma parte, ou porção homogênea, de um sistema com características físicas e químicas uniformes. Todas as soluções sólidas, líquidas e gasosas são consideradas fases, assim como todo material puro (CALLISTER JUNIOR; RETHWISCH, 2016). De acordo com Smith e Hashemi (2012) e Askeland e Wright (2015), a água, por exemplo, pode apresentar três fases: água líquida, gelo sólido e vapor. Cada fase possui as seguintes características: � mesma estrutura ou arranjo atômico; � aproximadamente a mesma composição química e propriedades; � interface entre a própria fase e as fases vizinhas ou regiões adjacentes. Diagramas de pressão-temperatura também podem ser traçados para ou- tras substâncias puras. Porém, nesses casos, uma das principais diferenças 5Uso de diagrama de fases para compreensão dos materiais https://goo.gl/CMZDJ1desse diagrama é que existem três fases sólidas separadas e distintas: o Fe-α (alfa), o Fe-g (gama) e o Fe-δ (delta). Muitas vezes, um sistema monofásico é chamado de homogêneo. Os sistemas compostos por duas ou mais fases são denominados misturas ou sistemas heterogêneos. A maioria das ligas metálicas, sistemas cerâmicos, poliméricos e compósitos são heterogêneos. Normalmente, as fases intera- gem de tal modo que a combinação das propriedades do sistema multifásico é diferente e mais atrativa que as propriedades de qualquer uma das fases individualmente (CALLISTER JUNIOR; RETHWISCH, 2016). Estabelecer quais fases estão presentes é algo relativamente simples. Tudo o que precisa ser feito é localizar o ponto temperatura-composição de inte- resse no diagrama de fases e observar com qual(is) fase(s) o campo de fases correspondente está identificado. Com base na Figura 3, vamos supor que uma liga com composição de 60%p Ni e 40%p Cu à temperatura de 1100º C estaria localizada no ponto A; uma vez que ele se encontra dentro da região α, apenas a fase α estará presente. Por outro lado, uma liga com composição de 35%p Ni e 65%p Cu à temperatura de 1250º C ocorrerá, em condições de equilíbrio, tanto na fase α como na fase líquida. 1.300 °C w0 = 53% Ni wl = 45% Ni wS = 58% Ni Líquido 1.500 1.400 1.300 1.200 1.100 Te m pe ra tu ra (° C) 1.084 °C 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100% Ni% em peso de níquel100 % Cu a Solução sólida α Linha de amarração L + α Linha liquidus Linha solidus 1.455 °C Figura 3. Análise das fases presentes no diagrama de fases cobre-níquel. Fonte: Smith e Hashemi (2012, p. 232). Uso de diagrama de fases para compreensão dos materiais6 Callister Junior e Rethwisch (2014) exemplificam fases para o ferro puro, que, quando aquecido, experimenta duas mudanças na sua estrutura cristalina antes de fundir. À temperatura ambiente, a forma estável, conhecida como ferrita, ou ferro α, possui uma estrutura cristalina CCC (cúbico de corpo centrado). Na temperatura de 912º C (1674º F), a ferrita experimenta uma transformação polimórfica para austenita, ou ferro γ, que possui estrutura cristalina CFC (cúbico de fase centrado). Esta persiste até 1394º C (2541º F), temperatura em que a austenita CFC reverte novamente a uma fase com estrutura cristalina CCC, conhecida como ferrita δ, e que finalmente se funde à temperatura de 1538º C (2800º F). Nomenclaturas importantes � Austenita: ou ferro na fase γ, é a solução sólida do carbono em ferro gama. � Ferrita: também conhecida como α-ferrita (α-Fe) ou ferro alfa (α), é um termo de ciência dos materiais designado para o ferro puro. � Cementita: carboneto de ferro (Fe3C). É um constituinte comum, pois a ferrita pode conter, no máximo, 0,02% de carbono não combinado. Portanto, em aços carbono e ferros fundidos, que são resfriados lentamente, parte dos elementos formam a cementita. � Grafita: variedade alotrópica do carbono (estrutura cristalina hexagonal). Josiah Willard Gibbs (1839-1903) foi um famoso físico matemático que contribuiu muito para a área da termodinâmica, estabelecendo uma equação que permite determinar o número de fases que podem coexistir, em equilíbrio, em um determinado sistema. Essa equação é conhecida como regra das fases de Gibbs (SMITH; HASHEMI, 2012), e é descrita da seguinte forma: P + F = C + 2 Onde: P = número de fases que coexistem em um determinado sistema. F = número de graus de liberdade. C = número de componentes do sistema. 7Uso de diagrama de fases para compreensão dos materiais A variável C na equação geralmente é um elemento, composto ou solução no sistema; F representa o número de graus de liberdade (temperatura, pressão e composição) que podem ser alterados de forma independente, sem que haja interferência no sistema em equilíbrio (SMITH; HASHEMI, 2012). Microestrutura dos materiais em cada fase É de grande importância examinar o desenvolvimento da microestrutura que ocorre para ligas isomorfas durante o processo de solidificação. Primeiramente, será mostrada uma situação na qual o resfriamento ocorre de maneira muito lenta, de modo que o equilíbrio entre as fases é mantido continuamente. Segundo Smith e Hashemi (2012), as curvas de resfriamento podem ser usadas para determinar as temperaturas de transformação das fases para metais puros e ligas. Essa curva é obtida por meio do registro da temperatura em função do tempo de um metal, durante o seu resfriamento desde uma temperatura na qual ele, fundido, passa pela solidificação até́ chegar à tem- peratura ambiente. A microestrutura dos materiais depende da composição química e dos processamentos (tratamentos térmicos e mecânicos) aos quais o material foi submetido. A microestrutura afeta profundamente as propriedades de um material e, assim, sua aplicabilidade, sendo, por isso, importante conhecê-la e controlá-la. Em ligas metálicas, as microestruturas são caracterizadas pelo número de fases presentes, suas proporções e o modo como estão distribuídas ou arranjadas (VIANA, 2015). A Figura 4 apresenta exemplos de diferentes microestruturas que podem ser encontradas em uma liga de chumbo e estanho (Pb-Sn). Uso de diagrama de fases para compreensão dos materiais8 Figura 4. Exemplo de microestruturas de ligas Pb-Sn resfriada lentamente: (a) composição eutética (63% Sn-37% Pb), (b) 40% Sn-60% Pb, (c) 70% Sn-30% Pb, (d) 90% Sn-10% Pb). Fonte: Smith e Hashemi (2012), p. 239. No que se refere à evolução macroestrutural, é fundamental entender as reações que ocorrem no diagrama de fases, sendo que as reações eutética, peritética e monotética são parte do processo de solidificação. Para facilitar o entendimento, a Figura 5 apresenta uma ilustração das reações que ocorrem no diagrama, que variam à medida em que ocorre o resfriamento. Figura 5. Reações presentes em um diagrama de fases. Fonte: Adaptada de Callister (2002, p. 182, 185 e 186). Re sf ria m en to Reação eutética: uma fase líquida transforma-se em duas fases sólidas (L = α + β). Reação peritetoide: duas fases sólidas transforma-se em uma fase sólida (α + β = γ). Reação eutetoide: uma fase sólida transforma-se em duas fases sólidas (γ = α + β). Reação monotética: uma fase líquida transforma-se em uma nova fase sólida e líquida (L1 = α + L2). Reação peritética: uma fase sólida e uma líquida transforma-se em uma nova fase sólida (α + L = β). α + β α + L βα L α + β βα γ α + β βα γ β Lα α + L2 L1 α 9Uso de diagrama de fases para compreensão dos materiais Para entender melhor a evolução da macroestrutura ao longo do diagrama ferro-carbono, a Figura 6 será tomada como base, representando um exemplo clássico. Figura 6. Exemplo de diagrama de fases ferro-carbono. Fonte: Adaptada de Smith e Hashemi (2012, p. 265). Líquido 1.600 1.400 δ 1.200 1.000 800 600 400 200 0% C 100% Fe α α 1 2 3 4 5 6 6,67 Fe3C% em peso de carbono Fe3C α + Fe3C 0,02 0,8 +γ γ austenita γ + δ γ + Fe3C L + γ L + δ 2.0 723 ºC 4,3 1.148 °C L + Fe3C Te m pe ra tu ra (° C) Especificamente falando dos diagramas de fase ferro-carbono, observa-se a existência de três reações invariáveis: uma reação eutetoide, uma peritética e uma eutética, sendo que as duas primeiras ocorrem na região do diagrama correspondente aos aços, e a terceira encontra-se na região dos ferros fundidos, conforme pode ser observado na Figura 1. Em relação à reação eutetoide, percebe-se que o ponto que divide os aços e os ferros fundidos é o teor de 2,11%C, que corresponde à composição máxima da austenita. Na parte dos aços, podem ser observadas as seguintes linhas de transformação: Linha A3, que representa as temperaturas nas quais Uso de diagrama de fases para compreensão dos materiais10 a ferrita começa a se formar no resfriamento; Linha Acm, que corresponde às temperaturas nas quais a cementita começa a se formar no resfriamento; Linha A1, que representa a temperatura eutetoide, na qual ocorre a formaçãoda perlita; Linha A4, que representa as temperaturas nas quais a austenita começa a se formar no resfriamento. Lopes (2009) comenta que a temperatura eutetoide para ligas ferro-carbono ocorre a partir de 727º C, e a composição eutetoide corresponde a 0,77% em peso de carbono (aproximadamente 0,80%C), conforme observado na Figura 7A. A reação eutetoide do sistema ferro-carbono envolve a formação simultânea de ferrita e cementita a partir da austenita com composição eutetoide, como pode ser verificado na Figura 7B. Figura 7. a) Região eutetoide do diagrama Fe3C e microestrutura esquemática do aço eutetoide; b) reação eutetoide e esquema de transformação da austenita. Fonte: Adaptada de Smith e Hashemi (2012, p. 267). 1.000 900 800 700 600 500 400 0 100% Fe 0,4 0,8 6,67 % em peso de carbono Perlita Ponto eutetoide0,02 723 ºC α α α + γ γ γ γ γ γ + Fe3C b Fe3C α + Fe3C Te m pe ra tu ra (º C) a) b) 11Uso de diagrama de fases para compreensão dos materiais Tanto a ferrita como a cementita estão misturadas e, por essa razão, se formam ao mesmo tempo, originando a perlita, mistura que apresenta uma estrutura lamelar e que é muito importante na tecnologia do ferro e do aço, uma vez que pode ser formada em quase todos os aços por meio de tratamentos térmicos adequados. A perlita não é considerado uma fase, mas sim uma mistura específica de duas fases, formada a partir da transformação da austenita em ferrita (87,5%) e cementita (12,5%), conforme ressalta Callister (2002). Smith e Hashemi (2012) comentam que pelo fato de a perlita ser resultante da austenita, cuja composição é eutetoide, ela está presente na mesma quan- tidade da austenita eutetoide transformada. Os autores também ressaltam que as propriedades mecânicas da perlita são intermediárias entre a ferrita (mole e dúctil) e a cementita (dura e frágil). Callister (2002) comenta que em se tratando da reação eutetoide, os aços resfriados lentamente podem ser divididos em três categorias: � aços hipoeutetoides – com mais de 0,80% de carbono (C); � aços eutetoides – com 0,80% de carbono; � aços hipereutetoides – com menos de 0,80% de carbono. Em relação à transformação peritética, ocorre a solidificação dos aços, que contêm até 0,54%C, sendo a temperatura necessária para tal de 1492°C. Analisando o diagrama da Figura 6, percebe-se que no resfriamento desses aços ocorre uma reação isotérmica na qual a fase δ já solidificada, contendo 0,10%C, é combinada com o líquido remanescente, contendo 0,54%C, para produzir austenita, com 0,18%C. Quando o aquecimento ocorre, tem-se a reação inversa (LOPES, 2009). No ponto eutético, o líquido com 4,3%C transforma-se em austenita (γ), com 2,08%C, e no composto intermetálico Fe3C (cementita), que contém 6,67%C. A reação eutética ocorre a 1148°C na área do diagrama Fe-Fe3C correspondente aos ferros fundidos. Uso de diagrama de fases para compreensão dos materiais12 Para saber como ocorre a montagem do diagrama de fases ferro carbono, assista ao vídeo disponível no link a seguir. https://goo.gl/jEO864 1. A que se refere o termo “equilíbrio de fases”, usado com frequência no contexto dos diagramas de fases? a) Ao equilíbrio, uma vez que este se aplica a sistemas nos quais pode haver mais de uma fase. b) À temperatura constante no sistema. c) Ao equilíbrio da microestrutura de todos os componentes do sistema. d) À aplicação da equação de Gibbs e à regra da alavanca. e) Ao equilíbrio no sistema, cujas características variam ao longo do tempo. 2. Nos diagramas de fase, em um material ou liga com uma dada composição, uma temperatura conhecida e que esteja em equilíbrio, é possível determinar: a) As fases presentes no material. b) As fases, as composições e a fração mássica das fases do material. c) As fases e as composições do material. d) As fases e a fração mássica do material. e) As composições e as fases do material. 3. Entre as alternativas a seguir, qual reação melhor descreve a reação peritética no resfriamento? a) Sólido 1 + Líquido 1 = Sólido 2. b) Líquido 1 = Sólido 1 + Sólido 2. c) Sólido 1 = Sólido 2 + Sólido 3. d) Líquido 1 = Líquido 2 + Sólido 1. e) Sólido 1 + Sólido 2 = Sólido 3. 4. É fundamental conhecer as diferentes definições e terminologias usadas nos diagramas de fases. Quando falamos da porção homogênea de um sistema, que possui características químicas e físicas uniformes, a que nos referimos? a) À microestrutura. b) Aos componentes. c) Ao sistema. d) Às fases. e) À energia livre. 5. Em relação ao diagrama de fases e à regra da alavanca, qual a alternativa correta? a) A regra da alavanca é utilizada para descobrir as fases presentes em um determinado diagrama. 13Uso de diagrama de fases para compreensão dos materiais https://goo.gl/jEO864 ASKELAND, D. R.; WRIGHT, W. J. Ciência e engenharia dos materiais. 2. ed. São Paulo: Cengage Learning, 2015. 648 p. CALLISTER JUNIOR, W. D. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 5. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2002. 589 p. CALLISTER JUNIOR, W. D.; RETHWISCH, D. G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 9. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2016. 912 p. CALLISTER JUNIOR, W. D.; RETHWISCH, D. G. Fundamentos da ciência e engenharia de materiais: uma abordagem integrada. 4. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2014. 832 p. LOPES, J. T. B. Materiais de construção mecânica. Instituto de Tecnologia da Universidade Federal do Pará, 2009. Disponível em: <https://jorgeteofilo.files.wordpress.com/2011/03/ mcm-apostila-capitulo03.pdf>. Acesso em: 5 jul. 2018. SMITH, W. F.; HASHEMI, J. Fundamentos de engenharia e ciência dos materiais. 5. ed. Porto Alegre: AMGH, 2012. 734 p. VIANA, L. A. F. C. Influência de diversos ciclos de aquecimento subcrítico sobre a micro- estrutura e propriedades mecânicas básicas de um aço de alta resistência e baixa liga temperado e revenido. 2015. 99 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Materiais)– Universidade Federal de Ouro Preto, Ouro Preto, 2015. Leitura recomendada VAN VLACK, L. H. Princípios de ciências dos materiais. São Paulo: Blucher, 1970. 448 p. b) Diversas são as informações obtidas por um diagrama de fases, porém, não é possível descobrir as temperaturas ou faixas de temperatura de transformação de uma liga em condições de equilíbrio. c) Os diagramas binários anisomorfos ocorrem quando os sistemas têm a mesma estrutura cristalina e são totalmente solúveis um no outro, em qualquer composição. d) Dependendo de variáveis como temperatura, pressão e composição, uma liga pode exibir microestrutura monofásica ou polifásica. e) Nos diagramas binários, as variáveis consideradas são temperatura e pressão. Uso de diagrama de fases para compreensão dos materiais14 https://jorgeteofilo.files.wordpress.com/2011/03/ Encerra aqui o trecho do livro disponibilizado para esta Unidade de Aprendizagem. Na Biblioteca Virtual da Instituição, você encontra a obra na íntegra.
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