9 - Diagramas de fase

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Ericksson Rocha e Almendra
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Ericksson Rocha e Almendra
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Princípios de Ciências dos Materiais
EET310 – Eng. Mecânica
Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais
Prof. Sérgio Camargo
Bloco F, 2°andar, sala 204
camargo@metalmat.ufrj.br
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O que vamos aprender...
• Quando nós combinamos dois elementos qual o estado de equilíbrio que nós iremos obter?
• Em particular, se nós especificarmos...
 - uma composição (e.g., %Cu - %Ni), e
 - uma temperatura (T)‏
então...
 Quantas fases iremos ter?
 Qual a composição de cada fase?
 Quanto de cada fase iremos ter?
DIAGRAMAS DE FASE
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• Diagrama de fase para o sistema
 Cu-Ni
Diagramas de Fase
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Fases
Fase: porção uniforme da matéria em termos físicos e químicos
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O Limite de Solubilidade
• Limite de Solubilidade: maior concentração para a qual ocorre uma única solução.
• Ex: Diagrama de Fase: Sistema água-açúcar
Pergunta: Qual é o limite de solubilidade a 20oC?
Resposta: 65%peso açúcar.
 Se Co < 65% - xarope
 Se Co > 65% - xarope + açúcar.
• O limite de solubilidade
aumenta com a temperatura e.g.: se T = 100ºC, o limite de solubilidade = 80% de açúcar.
65
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• Componentes:
 os elementos ou compostos inicialmente misturados (e.g., Al e Cu)‏
• Fases:
 Regiões distintas do material, física e quimicamente (e.g.,  e ).
Componentes e Fases
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Efeito da Temperatura T e da Composição (Co)‏
• Alterar T pode mudar # de fases: trajetória de A p/ B. 
• Alterar Co pode mudar # de fases: trajetória de B p/ D.
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• Diagrama de fase para o sistema
 Cu-Ni
Diagramas de Fase
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• Descrevem as fases como função de T, Co, P. 
• Diagrama de fase para o sistema
 Cu-Ni
Diagramas de Fase
• Para este curso:
 - sistemas binários: apenas 2 componentes
 - variáveis independentes:
 T e Co
 - P = 1 atm sempre.
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• Regra 1: sabendo T e Co, podemos obter:
 - o número e a natureza das fases presentes.
• Exemplos:
Diagrama de fases
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• Regra 2: Sabendo T e Co, podemos obter:
 - a composição de cada fase.
• Exemplos:
Diagramas de Fases: composição de fases
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• Regra 3: sabendo T e Co, podemos obter :
 - a quantidade de cada fase
• Exemplos:
Diagramas de Fases: regra da alavanca
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• Soma das frações em peso:
• Conservação da massa (Ni):
• Combinando as duas equações acima obtemos:
Regra da Alavanca: demonstração
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• Interpretação mecânica
Regra da Alavanca: demonstração
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• Diagrama de fase do sistema Cu-Ni
• O sistema é:
 - binário
 i.e., 2 componentes:
 Cu e Ni.
 - isomorfo
 i.e., completa
 solubilidade de um
 componente no
 outro; campo da fase  
 se estende de 
 0 a 100%p Ni.
• Considere
 Co = 35%p Ni.
Exemplo: Resfriamento de uma liga binária Cu-Ni
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• C varia à medida que ocorre a solidificação pois T varia.
• Caso Cu-Ni:
• Alta taxa de resfriamento:
 estrutura em camadas
• Baixa taxa de resfriamento:
 estrutura de equilíbrio
Primeiro  a solidificar tem C = 46%p Ni.
Último  a solidificar tem C = 35%p Ni.
Resfriamento fora do equilíbrio
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• Efeito de endurecimento por solução sólida sobre:
- Resistência à tração (MPa)‏
- Ductilidade (%ALongamento)‏
- Máximo é função de Co
- Mínimo é função de Co
Propriedades Mecânicas: Sistema Cu-Ni
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Cr – V
Cr – W
Cr – Mo
Co – Re
Outros Sistemas Binários Isomorfos
Nb – V
Nb – Mo
Ag – Au
Au – Pt
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Sistemas Binários Eutéticos
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Dois componentes
tem uma composição na qual Tfusão é mínima
Cu-Ag
system
Sistemas Binários Eutéticos
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• Para a liga 40%p Sn – 60%p Pb a 150oC, ache...
 - as fases presentes:  +  
 - a composição das
 fases:
 C = 11%p Sn
 C = 99%p Sn
 - a quantidade relativa
 de cada fase:
sistema Pb-Sn
Exemplo: Sistema Pb-Sn 
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• Co < 2%p Sn
• Resultado:
 - estrutura policristalina
 formada por grãos de α.
Microestrutura em sistemas eutéticos (1)‏
L
 + 

2
0
0
T(°C)‏
C
o
, 
%p Sn
1
0
2
2
0
0
C
o
3
00
1
00
L


3
0
 
L: C
o
%p Sn

L

: C
o
%p Sn

 + 

4
00
(limite solubilidade à T ambiente)‏
T
E
Pb-Sn 
Sistema
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• 2%p Sn < Co < 18,3%p Sn
• Resultado:
- estrutura policristalina formada por grãos de  com pequenos grãos de .
sistema Pb-Sn
Microestrutura em sistemas eutéticos (2)‏

:
 
C
o
%p Sn
L
 + 

2
0
0
T(°C)‏
C
o
, 
%p Sn
1
0
18.3
2
0
0
C
o
3
00
1
00
L


3
0
 
L: C
o
%p Sn

 + 

4
00
(sol. limite à TE)‏
T
E
2
(sol. limite à 
T ambiente)‏
L



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• Co = CE 
• Resultado: microestrutura eutética
 - camadas alternadas de cristais de  e de .
Microestrutura em sistemas eutéticos (3)‏
sistema Pb-Sn
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Estrutura Lamelar do Eutético
Adaptado da Figs. 9.14 & 9.15, Callister 7ed. 
líquido
direção de 
crescimento
do eutético
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• 18,3%p Sn < Co < 61,9%p Sn
• Resultado: cristais de  e microestrutura eutética
Microestrutura em sistemas eutéticos (4)‏
sistema Pb-Sn
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Ligas de Composição Hipoeutética e Hipereutética
T(°C)‏
sistema
Pb-Sn 
L
 + 

2
0
0
C
o
, 
%p Sn
2
0
4
0
0
3
00
1
00
L


6
0
 

 + 


T
E
 

0
8
0
100
L
 + 

18,3
61,9
97,8
C
o
hipoeutético
C
o
hipereutético
eutético
hipereutético:Co=85,0%p Sn
160

m
eutético: C
o
=61,9%p Sn
175

m












hipoeutético: C
o
=50%p Sn
Microconstituinte eutético
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Diagrama de fases Fe-C
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Diagrama de fases Fe-C
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Aços Hipoeutetóides
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Aços Hipereutetóides
6
0
m
 
Aço hipereutetóide 

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• Variação de Teutetóide: 
• Variação de Ceutetóide: 
Adicionando elementos de liga ao aço
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• Necessidade: refratário para fornos de alta temperatura
• Considerar o sistema Sílica (SiO2) - Alumina (Al2O3).
• Diagrama de fases mostrado abaixo:
 mulita, alumina, e cristobalita (tetraedros de SiO2)‏
 são candidatos a serem usados.
Aplicação: refratários
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