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Princípios da Ciência e Tecnologia dos Materiais CCE 0291 (2 créditos) Fábio Oliveira 2015/2 Unidade 4 Diagramas de Equilíbrio Por que estudar os diagramas de equilíbrio? • Uma das razões para se conhecer os diagramas de equilíbrio está relacionada ao projeto e ao controle dos procedimentos dos tratamentos térmicos. • Algumas das propriedades dos materiais são funções de suas microestruturas e, consequentemente, de suas histórias térmicas. • Embora a maioria dos diagramas de fases represente estados e microestruturas estáveis, isto é, em equilíbrio, eles são úteis para a elucidação de estruturas fora do equilíbrio. Introdução • A microestrutura pode ser alterada para se fazer uso de propriedades mais adequadas em determinadas aplicações; como: - Deformação plástica. - Recristalização. - Adição de novas fases. - Manipulação de fases (quantidades, proporções, tamanho e distribuição). Introdução • Fase é a porção homogênea de um sistema que tem igual composição química, estrutura cristalina e interface com o meio. - proporção, - tamanho - forma, - orientação. Fase Formação de Fases • Transformações microestruturais em sólidos (reações no estado sólido) envolvem rearranjo de átomos. A classificação das reações pode ser: - Crescimento de grão: átomos se movem através do contorno de grão. - Recristalização: formação de grão novos e mais perfeitos. - Variações alotrópicas: formação de nova fase. - Solubilização: desaparecimento de uma fase por solução na fase matriz. - Precipitação: separação de uma nova fase a partir de uma solução supersaturada. Solubilidade • Um material pode ser resultado da combinação de diferentes componentes. Quanto à solubilidade as soluções podem ser: - Totalmente miscíveis. - Totalmente imiscíveis. - Miscibilidade parcial. Solubilidade • Total miscibilidade: um componente dissolve o outro em quantidade ilimitada. Solubilidade • Total imiscibilidade: mesmo com temperatura e pressão não se obtém uma única fase. Solubilidade • Miscibilidade limitada: um componente dissolve o outro em quantidade limitada. Diagrama de Fases • Informa sobre a microestrutura: pode predizer propriedades mecânicas em função da temperatura e composição. • Permite a visualização da solidificação e da fusão. • Prevê as transformações de fases. • Gera informações termodinâmicas e não apresentam qualquer consideração sobre a cinética das reações. Diagrama de Fases Conceitos básicos • Componentes: metais puros e/ou os compostos que compõe uma liga. Ex.: Latão (cobre e zinco). • Solvente: elemento que se encontra em maior quantidade. • Soluto: elemento em menor concentração. • Sistema: série de ligas compostas pelos mesmos componentes. Diagrama de Fases Conceitos básicos • Sistema homogêneo: uma única fase. • Sistema heterogêneo: mais de uma fase, onde cada uma delas possui propriedades características. Existirá uma fronteira entre as fases com mudança abrupta em suas características. Diagrama de Fases Conceitos básicos Todo diagrama de fases de total miscibilidade possui: • Linha líquidus: determina o lugar geométrico das temperaturas acima das quais tem-se somente líquido. • Linha sólidus: determina o lugar geométrico das temperaturas abaixo das quais tem-se somente sólido. Diagrama de Fases Total miscibilidade Diagrama de fase binário mostrando a total miscibilidade de A em B. Diagrama de Fases Total miscibilidade Microestruturas características de diferentes regiões em um diagrama de fases com solução ilimitada. Diagrama de Fases Te m p er at u ra ( °C ) Líquido (L) Linha Solidus Composição (%p Ni)(Cu) (Ni) Te m p er at u ra ( °F ) Linha Liquidus Composição (%at Ni) Temperatura de fusão Cu Temperatura de fusão Ni Fases presentes - Líquida (L). - Sólida (α). Composição das fases ??? Proporção das fases ??? 20 30 40 50 1150 1200 1250 1300 1350 Te m pe ra tu ra ( C ) Composição (%p Ni) Traça-se a linha de amarração na temperatura desejada +L Líquido Determinação da Composição das Fases Composição das fases São traçadas linhas perpendiculares à linha de amarração e a composição de cada fase é lida na linha horizontal 31,5 42,5 20 30 40 50 1150 1200 1250 1300 1350 Te m pe ra tu ra ( C ) Composição (%p Ni) 1) Traça-se a linha de amarração na temperatura desejada. +L Líquido 2) Determina-se a composição global, ou original, C0 (em termos de um dos componentes) da liga sobre a linha de amarração. 3) Desenha-se linhas verticais dos pontos de interseção até o eixo horizontal. C0 4) Mede-se as distâncias entre a composição global da liga até as fronteiras com as duas fases. R S Determinação das Proporções das Fases – A Regra da Alavanca A fração da fase líquida, WL, é calculada pela razão entre a distância desde a composição global até a fronteira com a fase sólida e o comprimento total da linha de amarração. Ou seja: 20 30 40 50 1150 1200 1250 1300 1350 Te m pe ra tu ra ( C ) Composição (%p Ni) +L Líquido C0 R S 0 L L L S W R S C C W C C ou CL C Determinação das Proporções das Fases – A Regra da Alavanca Analogamente, a proporção da fase , W, é 0 L L L R W R S C C W C C ou 20 30 40 50 1150 1200 1250 1300 1350 Te m pe ra tu ra ( C ) Composição (%p Ni) +L Líquido C0 R S CL C Determinação das Proporções das Fases – A Regra da Alavanca 20 30 40 50 1150 1200 1250 1300 1350 Te m pe ra tu ra ( C ) Composição (%p Ni) +L Líquido 36,0 R S 31,5 42,5 42,5 36 0,59 42,5 31,5 LW 36,0 31,5 0,41 42,5 31,5 W Determinação das Proporções das Fases – A Regra da Alavanca O Sistema Fe-C Ferros Família dos aços Família dos ferros fundidos Soluções sólidas: Ferro Austenita Ferrita Composto estequiométrico: Cementita Fe3C Reações: peritética eutética eutetóide O Sistema Fe-C aços fofos O Sistema Fe-C Soluções sólidas: Ferro : solução sólida de C em FeCCC Austenita : solução sólida de C em FeCFC (máxima solubilidade: 2,11%C a 1148oC) Ferrita : solução sólida de C em FeCCC (máxima solubilidade: 0,02%C a 727oC) Composto estequiométrico: Cementita Fe3C 93,33%Fe e 6,67%C Exercícios 1. Por que estudar os diagramas de equilíbrio? 2. Quanto à solubilidade, como podem ser as soluções? Explique. 3. Uma liga de cobre-níquel com composição 70%p Ni-30%p Cu é aquecida a partir de 1300° C. Pede-se: a) Em que temperatura se forma a primeira fração de fase líquida? b) Qual a composição dessa fase líquida? c) Em que temperatura ocorre a fusão completa da liga? d) Qual é a composição da última fração de sólido que permanece no meio, antes da fusão completa? Exercícios
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