Aula 8 Diagrama de fases

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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
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SOLIDIFICAÇÃO
TODO O PROCESSO DE FABRICAÇÃO DE PEÇAS METÁLICAS TEM INÍCO EM UM PROCESSO DE SOLIDIFICAÇÃO
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DIAGRAMA DE FASE OU DE EQUILIBRIO
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
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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
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3. FASES
FASE É A PORÇÃO HOMOGÊNEA DE UM SISTEMA QUE TEM CARACTERÍSTICAS FÍSICAS E QUÍMICAS DEFINIDAS
Todo metal puro e uma 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
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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
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FUSÃO E ENERGIA LIVRE (G)
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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.
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SOLIDIFICAÇÃO DE UM METAL PURO
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SOLIDIFICAÇÃO DE UMA LIGA BINÁRIA
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CONSTRUÇÃO DOS DIAGRAMAS DE FASE A PARTIR DAS CURVAS TÉRMICAS
São obtidas curvas térmicas para diferentes teores de soluto
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4.1. DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO PARA SISTEMAS BINÁRIOS E ISOMÓRFOS
Isomorfo 	 quando a solubilidade é completa (Exemplo: Sistema Cu-Ni)
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CURVA DE SOLIDIFICAÇÃO PARA UMA LIGA BINÁRIA ISOMORFA
Remoção do calor 
latente de fusão
Curva de solidificação
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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
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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
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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. = 42,5,4 %Ni e %57,5Cu
L = S
 R+S
S = R
 R+S
L = C-C0
 C-CL
L = Co-CL
 C-CL
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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.
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Mudança na composição das fases durante o processo de solidificação
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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 conseqüência da solidificação fora do equilíbrio tem-se a segregação (a distribuição dos 2 elementos no grão não é uniforme).
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SOLUBILIDADE
É dada pela linha solvus
LINHA SOLVUS
()
()
 + 
LINHA SOLVUS
 + l
l + 
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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
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REAÇÃO EUTÉTICA
Líquido 	 + 
LINHA SOLVUS
()
 + 
()
Indica solubilidade
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HIPOEUTÉTICO E HIPEREUTÉTICO
HIPOEUTÉTICO 	 	COMPOSIÇÃO MENOR QUE O EUTÉTICO
HIPEREUTÉTICO 	COMPOSIÇÃO MAIOR QUE O EUTÉTICO
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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 
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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
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PERITÉTICO E EUTÉTICO
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	PERITÉTICO
Envolve 3 fases em equilíbrio
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PERITÉTICO DUPLO
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EUTÉTICO, EUTETÓIDE E PERITÉTICO
Ponto de fusão congruente
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REAÇÃO MONOTÉTICA E EUTÉTICA
Dois líquidos imiscíveis formam uma fase sólida e
 uma fase líquida (MONOTÉTICA)
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GRÁFICO ESQUEMÁTICO: PONTO DE FUSÃO E TRANSFORMAÇÕES ALOTRÓPICAS
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Sistema Fe-C ou Fe-Fe3C e microestruturas que se formam no resfriamento lento
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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
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FERRO PURO
FERRO  = FERRITA
FERRO  = AUSTENITA
FERRO  = FERRITA 
TF= 1534 C
Nas ligas ferrosas as fases ,  e  FORMAM soluções sólidas com Carbono intersticial
CARBONO
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DIAGRAMA DE FASE Fe-Fe3C
TRANSFORMAÇÔES
+l
l+Fe3C
+l
PERITÉTICA
 +l 
EUTÉTICA
l +Fe3C
EUTETÓIDE
 +Fe3C
AÇO
FOFO
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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 -1394C
Fase Não-Magnética
Solubilidade máx do Carbono= 2,14% a 1148C
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Ferro Puro /Formas Alotrópicas
FERRITA
AUSTENITA
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Ferro Puro /Formas Alotrópicas
FERRO  = FERRITA 
Estrutura= ccc 
Temperatura “existência”= acima de 1394C
Fase Não-Magnética
É a mesma que a ferrita 
Como é estável somente a altas temperaturas não apresenta interesse comercial
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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)
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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
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PONTOS IMPORTANTES DO SISTEMA Fe-Fe3C (EUTÉTICO)
LIGA EUTÉTICA: corresponde à liga de 				mais baixo 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
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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
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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)
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MICROESTRUTURAS / EUTETÓIDE
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MICROESTRUTURA DO AÇO EUTETÓIDE RESFRIADO LENTAMENTE
Somente Perlita
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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
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MICROESTRUTURA DOS AÇOS BAIXO TEOR DE CARBONO
Ferrita	Perlita
AÇO COM ~0,2%C
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MICROESTRUTURA DOS AÇOS MÉDIO TEOR DE CARBONO RESFRIADOS LENTAMENTE
Ferrita	Perlita
AÇO COM ~0,45%C
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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
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ALGUNS DIAGRAMAS
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Micrografia da Liga Al-3,5%Cu no Estado Bruto de Fusão


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Sistema Mg-Pb
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