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1 CIÊNCIA DOS MATERIAIS Prof. Hairton hairtonsousa@hotmail.com DIAGRAMA DE FASES • INTRODUÇÃO DIAGRAMA DE FASES • INTRODUÇÃO Por quê estudar? – O entendimento de diagramas de fases para sistemas de ligas é extremamente importante porque: • existe uma forte correlação entre microestrutura e propriedades mecânicas e; • o desenvolvimento da microestrutura de uma liga está relacionado às características de seu diagrama de fases. – Em adição, diagramas de fases fornecem valiosa informação sobre fusão, solidificação, cristalização e outros fenômenos. DIAGRAMA DE FASES • DEFINIÇÕES E CONCEITOS BÁSICOS – COMPONENTE: são metais puros e/ou compostos dos quais uma liga é constituída. Por exemplo, num latão de cobre-zinco, os componentes são Cu e Zn. – SOLUTO: Componente que encontra-se em menor quantidade. – SOLVENTE: Componente que encontra-se em maior quantidade. – SOLUÇÃO SÓLIDA: consiste de átomos de pelo menos 2 diferentes tipos; • os átomos de soluto ocupam posições quer subs- titucionais quer intersticiais na rede do solvente, e a estrutura cristalina do solvente é mantida. DIAGRAMA DE FASES • LIMITE DE SOLUBILIDADE – Para muitos sistemas de ligas e em uma dada temperatura específica, existe uma máxima concentração de átomos soluto que podem se dissolver no solvente para formar uma solução sólida; • isto é denominado um limite de solubilidade. – A adição de soluto em excesso a este limite de solubilidade resulta na formação de uma outra solução sólida ou um composto que tenha composição distintamente diferente. – Para ilustrar este conceito, considere-se o sistema açucar- água ( C12H22O11 - H2O). DIAGRAMA DE FASES • LIMITE DE SOLUBILIDADE • O limite de solubilidade numa temperatura é a com- posição que corresponde à interseção da dada coorde- nada da temperatura e a linha do limite de solubili- dade. • Por exemplo, a 20°C a máxi- ma solubilidade de açúcar em água é 65% em peso. • Como a Figura indica, o li- mite de solubilidade cresce levemente com a elevação da temperatura. DIAGRAMA DE FASES • FASES – Uma fase pode ser definida como uma porção homogênea de um sistema que tem características química e físicas uniformes. – Todo material puro é considerado como sendo uma fase; assim é também toda solução sólida, solução líquida e solução gasosa. – Por exemplo, a solução de xarope açucar-água discutida é uma fase e o açucar sólido é uma outra. – Cada uma tem diferentes propriedades físicas (uma é um líquido, a outra é um sólido); • além disso, cada uma é diferente quimicamente (isto é, tem uma composição química diferente); • uma é um açucar virturalmente puro, a outra é uma solução de água e C12H22O11. DIAGRAMA DE FASES • FASES – EXERCÍCIO: Quantas fases e quais são? DIAGRAMA DE FASES • MICROESTRUTURA – Esta sujeita à observação microscópica direta utilizando-se microscópios óticos ou eletrônicos. – Em ligas metálicas, microestrutura é caracterizada pelo número de fases presentes, suas proporções e a maneira na qual elas estão distribuídas ou arranjadas. – A microestrutura de uma liga depende de variáveis tais como: • os elementos de liga presentes; • suas concentrações e; • o tratamento térmico da liga (isto é, a temperatura do tratamento, o tempo de aquecimento até a temperatura do tratamento e a taxa de resfriamento desde a temperatura do tratamento até à temperatura ambiente). DIAGRAMA DE FASES • MICROESTRUTURA DIAGRAMA DE FASES • EQUILIBRIO DE FASES – O termo equilíbrio de fase refere-se ao equilíbrio uma vez que se aplica a sistemas nos quais pode existir mais de uma fase. – Equilíbrio de fase é refletido por uma constância com o tempo nas características de fases de um sistema. – EX: Suponha-se que um xarope açucar- água esteja contido num vaso fechado e a solução esteja em contato com açúcar sólido a 20°C. DIAGRAMA DE FASES • EQUILIBRIO DE FASES – Se o sistema estiver em equilíbrio, a composição do xarope é 65% C12H22O11 - 35% H2O, em peso e as quantidades de composições do xarope e do açúcar sólido permaneceram constantes com o tempo. DIAGRAMA DE FASES • EQUILIBRIO DE FASES – Se a temperatura do sistema é repentinamente elevada - digamos, para 100°C - este equilíbrio ou balanço é temporariamente perturbado no sentido de que o limite de solubilidade foi aumentado para 80% C12H22O11 . DIAGRAMA DE FASES • EQUILIBRIO DE FASES – Assim, uma quantidade de açúcar sólido se dissolverá na solução de xarope. – Isto continuará até que nova concentração de equilíbrio do xarope é estabelecida na temperatura maior. • NOTA: Não é importante apenas o entendimento dos estados e estruturas em condições de equilíbrio, mas também deve ser considerado a velocidade ou taxa na qual essas condições são estabelecidos e os fatores que afetam a taxa. DIAGRAMA DE FASES • DIAGRAMAS DE FASES EM EQUILÍBRIO – Muitas microestruturas se desenvolvem a partir de transformações de fase, ou seja, as mudanças que ocorrem entre fases quando a temperatura é alterada (ordinariamente no resfriamento). – Isto pode envolver a transição a partir de uma fase para uma outra, ou o aparecimento ou desaparecimento de uma fase. – Diagramas de fases são úteis para prever as transformações de fases e as microestruturas resultantes. – Diagramas de fase em equilíbrio representam a correlação entre temperatura e as composições e quantidades de fases em equilíbrio. DIAGRAMA DE FASES • SISTEMAS ISOMORFOS BINÁRIOS • SISTEMA COBRE – NÍQUEL: • A Temperatura é plotada ao longo da ordenada, e a abscissa representa a composição da liga, em porcentagem em peso (base) e porcentagem atômica (topo) de níquel. • A composição varia de 0% Ni (100%Cu), em peso, na extre- midade horizontal esquerda e 100%Ni (0%Cu), em peso, na extremidade horizontal direita. DIAGRAMA DE FASES • SISTEMAS ISOMORFOS BINÁRIOS • SISTEMA COBRE – NÍQUEL: • Três diferentes regiões de fase, ou campos, aparecem no diagrama de fases, um campo alfa, um campo de líquido (L) e um campo bifásico a + L. • Cada região é definida pela fase ou fases que existem ao longo da faixa de temperaturas e composições delimitadas pelas linhas de limites de fase. DIAGRAMA DE FASES • SISTEMAS ISOMORFOS BINÁRIOS Figura 9.2 (a) Diagrama de fases cobre-níquel. Curva solidus: separa os campos das fases alfa e alfa +L. Tudo que está abaixo desta linha é sólido (alfa). Curva liquidus: separa os campos das fases L e alfa +L. Tudo que está acima desta linha é líquido (L). Temperatura de fusão dos componentes puros: É representado pelo ponto de interceptação entre as linhas liquidus e solidus. DIAGRAMA DE FASES • SISTEMAS ISOMORFOS BINÁRIOS • SISTEMA COBRE – NÍQUEL: • O líquido L é uma solução líquida composta de cobre e de níquel. • A fase alfa é uma solução sólida substitucional consistin- do de átomos de Cu e de Ni e tendo uma estrutura cristalina CFC. DIAGRAMA DE FASES • SISTEMAS ISOMORFOS BINÁRIOS • SISTEMA COBRE – NÍQUEL: • Em temperaturas abaixo de cerca de 1080°C cobre e níquel são mutuamente solúveis no estado sólido para todas as composições. DIAGRAMA DE FASES • SISTEMAS ISOMORFOS BINÁRIOS • SISTEMA COBRE – NÍQUEL: • Esta solubilidade completa é explicada pelo fato de queCu e Ni terem: • a mesma estrutura cristali- na (CFC); • raios iônicos e eletronega- tividades quase idênticos e; • valências similares. DIAGRAMA DE FASES • SISTEMAS ISOMORFOS BINÁRIOS • SISTEMA COBRE – NÍQUEL: • O sistema cobre-níquel é de- nominado isomorfo por causa desta completa solubilidade líquida e sólida dos 2 compo- nentes. DIAGRAMA DE FASES • SISTEMAS ISOMORFOS BINÁRIOS • SISTEMA COBRE – NÍQUEL: • Para qualquer composição que não seja a dos compo- nentes puros, este fenômeno de fusão ocorrerá ao longo da faixa de temperatura entre as linhas solidus e liquidus; • As fases sólido a e líquida estarão em equilíbrio dentro da faixa de temperatura. DIAGRAMA DE FASES • SISTEMAS ISOMORFOS BINÁRIOS • SISTEMA COBRE – NÍQUEL: • Por exemplo, ao se aquecer uma liga de composição em peso igual a 50% Ni - 50% Cu, em peso, a fusão se inicia a aproximadamente 1280°C; • A quantidade de fase líquida cresce continuamente com a elevação da temperatura até cerca de 1320°C, na qual a liga estará completamente líquida. DIAGRAMA DE FASES • INTERPRETAÇÃO DOS DIAGRAMAS DE FASES – Para um sistema binário de composição e temperatura conhecidas que esteja em equilíbrio, pelo menos 3 tipos de informação são disponíveis: • (1) as fases que estão presentes; • (2) as composições destas fases; • (3) as porcentagens ou frações das fases. DIAGRAMA DE FASES • INTERPRETAÇÃO DOS DIAGRAMAS DE FASES • Fases presentes: • Localizar o ponto tempera- tura-composição no diagrama e observar com quais fases o campo de fases correspon- dente está identificado. DIAGRAMA DE FASES • INTERPRETAÇÃO DOS DIAGRAMAS DE FASES • Fases presentes: • Por exemplo, uma liga de composição em peso igual a 60%Ni e 40%Cu a 1100°C estaria localizada no ponto A; uma vez que este ponto se situa na região alfa, apenas uma única fase alfa estará presente. • Por outro lado, uma liga 35%Ni- 65%Cu, em peso, a 1250°C (ponto B ) consistirá das fases alfa e líquido em equilíbrio. DIAGRAMA DE FASES • DESENVOLVIMENTO DA MICROESTRUTURA EM LIGAS ISOMORFAS – (RESFRIAMENTO EM EQUILÍBRIO) • Neste ponto é instrutivo examinar o desenvolvimento de microestrutura que ocorre para ligas isomórficas durante a solidificação. • Consideramos que o resfria- mento ocorre muito lenta- mente, no sentido de que o equilibrio de fase é conti- nuamente mantido. DIAGRAMA DE FASES • DESENVOLVIMENTO DA MICROESTRUTURA EM LIGAS ISOMORFAS – (RESFRIAMENTO EM EQUILÍBRIO) • Consideremos o sistema cobre-níquel, especificamen- te uma liga de composição 35%Ni-65%Cu, em peso, en- quanto ela é resfriada a partir de 1300°C. • O resfriamento de uma liga com a composição acima cor- responde a mover-se para baixo ao longo da linha verti- cal tracejada. DIAGRAMA DE FASES • SISTEMAS EUTÉTICOS BINÁRIOS (Cobre – Prata) Alfa: solução sólida rica em Cobre (solvente) Beta: solução sólida rica em Prata (solvente) Solubilidade máxima de Cu em Ag. DIAGRAMA DE FASES • SISTEMAS EUTÉTICOS BINÁRIOS (Chumbo – Estanho) DIAGRAMA DE FASES • DESENVOLVIMENTO DE MICROESTRUTURA EM LIGAS EUTÉTICAS • Dependendo da composição, vários diferentes tipos de mi- croestrutura são possíveis para resfriamento lento de ligas per- tencendo a sistemas eutéticos binários. • Primeiro caso: é para com- posições variando entre um componente puro e a máxima solubilidade sólida para aquele componente à temperatura ambiente [20°C (70°F)]. DIAGRAMA DE FASES • DESENVOLVIMENTO DE MICROESTRUTURA EM LIGAS EUTÉTICAS • Segundo caso: é para com- posições que se encontram na faixa entre o limite de solu- bilidade à temperatura ambi- ente e a solubilidade máxima na temperatura do eutético. DIAGRAMA DE FASES • DESENVOLVIMENTO DE MICROESTRUTURA EM LIGAS EUTÉTICAS • Terceiro caso: envolve solidificação da composi- ção eutética, 61,9% Sn. • Neste caso há o sur- gimento da estrutura eu- tética (camadas alterna- das). DIAGRAMA DE FASES • DESENVOLVIMENTO DE MICROESTRUTURA EM LIGAS EUTÉTICAS • Microestrutura de uma liga chumbo-estanho com a composição eutética. • Essa microestrutura consiste em camadas alternadas de uma solução sólida da fase alfa rica em chumbo (camadas escuras) e de uma solução sólida da fase beta rica em estanho (camadas claras). DIAGRAMA DE FASES • DESENVOLVIMENTO DE MICROESTRUTURA EM LIGAS EUTÉTICAS • Quarto caso: inclui to- das as composições que não aquelas para o euté- tico e que, quando resfri- adas, cruzam a isoterma eutética. DIAGRAMA DE FASES • DESENVOLVIMENTO DE MICROESTRUTURA EM LIGAS EUTÉTICAS • Microestrutura de uma liga chumbo-estanho de Composição: 50%Sn-50%Pb, em peso. • Esta microestrutura é composta de uma fase alfa rica em chumbo (regiões escuras grandes) dentro de uma estrutura eutética lamelar. • Esta estrutura lamelar consiste de uma fase beta rica em estanho (camadas claras) e uma fase alfa rica em chumbo (camadas escuras). 38 L + a L + b a + b 200 C, wt% Sn 20 60 80 100 0 300 100 L a b TE 40 (Sistema Pb-Sn) Hipoeutético & Hipereutético Adapted from Fig. 9.8, Callister & Rethwisch 8e. (Fig. 10.8 adapted from Binary Phase Diagrams, 2nd ed., Vol. 3, T.B. Massalski (Editor-in- Chief), ASM International, Materials Park, OH, 1990.) hipereutético: (illustration only) b b b b b b Adapted from Fig. 9.17, Callister & Rethwisch 8e. (Illustration only) (Figs. 9.14 and 9.17 from Metals Handbook, 9th ed., Vol. 9, Metallography and Microstructures, American Society for Metals, Materials Park, OH, 1985.) 175 mm a a a a a a hipoeutético: C0 = 50 wt% Sn Adapted from Fig. 9.17, Callister & Rethwisch 8e. T(ºC) 160 mm Micro constituinte eutético Adapted from Fig. 9.14, Callister & Rethwisch 8e. 61.9 eutético eutético: C0 = 61.9 wt% Sn DIAGRAMA DE FASES • O SISTEMA FERRO-CARBONO – De todos os sistemas de ligas binárias, uma que é possivelmente a mais importante é aquele para ferro e carbono. DIAGRAMA DE FASES • O SISTEMA FERRO-CARBONO – Tanto aços quanto ferros-fundidos, principais materiais estruturais em todas as culturas tecnologicamente avan- çadas, são essencialmente ligas ferro-carbono. DIAGRAMA DE FASES • DIAGRAMA FERRO-CARBETO DE FERRO (Fe-Fe3C) • O Ferro puro, ao ser aquecido, experimenta 2 mudanças em estru- tura cristalina antes de se fundir. • À temperatura ambiente a forma estável, chamada ferrita, ou ferro alfa, tem uma estrutura cristalina CCC. • A ferrita experimenta uma trans- formação polimórfica para a austenita CFC, ou ferro gama, a 912oC. • Esta austenita persiste até 1394oC, temperatura na qual a austenita CFC se reverte de volta para a fase CCC conhecida como ferrita delta, que finalmente se funde a 1538oC. DIAGRAMA DE FASES • DIAGRAMA FERRO-CARBETO DE FERRO (Fe-Fe3C) • O eixo de composição se estende apenas até 6,70%C em peso, uma vez que na pratica, todos os aços ou ferros fundidos tem teores de carbono menores que este percentual. • Nesta concentração o composto intermediário carbeto de ferro, ou cementita (Fe3C), é formada, sendo ela representada por uma linha vertical no diagrama de fases.• Assim o sistema ferro-carbono pode ser dividido em 2 partes: uma porção rica em ferro e a outra (não mostrada) para composições entre 6,70%C e 100%C em peso (grafita pura). DIAGRAMA DE FASES • DIAGRAMA FERRO-CARBETO DE FERRO (Fe-Fe3C) Eutético Eutetóide Limite de solubilidade do C no Fe alfa DIAGRAMA DE FASES • DIAGRAMA FERRO-CARBETO DE FERRO (Fe-Fe3C) – Carbono é uma impureza intersticial no ferro e forma uma solução sólida com cada uma das ferritas alfa e delta e também com austenita, como indicado pelos campos monofásicos alfa, delta e gama. – Na FERRITA ALFA CCC, apenas pequenas concentrações de carbono são solúveis; a máxima solubilidade é 0,022%C em peso a 727oC (1341oF). – A limitada solubilidade é explicada pela forma e tamanho das posições intersticiais, que torna difícil acomodar os átomos de carbono. – Embora ele esteja presente em concentrações relativamente baixas, o carbono afeta significativamente as propriedades mecânicas da ferrita. Esta fase é relativamente macia. DIAGRAMA DE FASES • DIAGRAMA FERRO-CARBETO DE FERRO (Fe-Fe3C) – A AUSTENITA, ou a fase gama do ferro, quando ligada somente com o carbono, não é estável abaixo de 727oC. – A máxima solubilidade de carbono na austenita é 2,11%C em peso a 1148oC. – Esta solubilidade é aproximadamente 100 vezes maior do que a máxima para a ferrita CCC, uma vez que as posições intersticiais na estrutura CFC são maiores. – Transformações de fase envolvendo austenita são muito importantes no tratamento térmico dos aços. – A austenita é não-magnética. DIAGRAMA DE FASES • DIAGRAMA FERRO-CARBETO DE FERRO (Fe-Fe3C) – A FERRITA DELTA é virtualmente igual à ferrita alfa, exceto para a faixa de temperaturas na qual cada uma existe. De vez que a ferrita delta é estável apenas em temperaturas relativamente altas, ela não é de nenhuma importância tecnológica. – A CEMENTITA (Fe3C) se forma quando o limite de solubilidade de carbono no ferro alfa é excedido em temperaturas abaixo de 727oC (para composições dentro da região de fase alfa + Fe3C). – Mecanicamente a cementita é muito dura e frágil; a resistência de alguns aços é grandemente melhorada pela sua presença. DIAGRAMA DE FASES • DIAGRAMA FERRO-CARBETO DE FERRO (Fe-Fe3C) – Ligas ferrosas são aquelas nas quais ferro é o principal componente, porém o carbono, bem como outros elementos de liga podem estar presentes. – No esquema de classificação de ligas ferrosas baseadas em teor de carbono, existem 3 tipos: • Ferro • Aço • Ferro Fundido DIAGRAMA DE FASES • DIAGRAMA FERRO-CARBETO DE FERRO (Fe-Fe3C) – FERRO comercialmente puro contém menos do que 0,008%C em peso e, a partir do diagrama de fases, é composto quase que exclusivamente de fase ferrita à temperatura ambiente. – As ligas ferro-carbono que contém entre 0,008 e 2,11%C, em peso, são classificadas como AÇOS. Na maioria dos aços a microestrutura consiste das fases tanto alfa quanto Fe3C. – No resfriamento até a temperatura ambiente, uma liga dentro desta faixa de composição deve passar através de pelo menos uma porção do campo da fase gama. – Embora um aço possa conter tanto quanto 2,11%C, em peso, na prática, raramente as concentrações de carbono excedem 1,0%C, em peso. – FERROS FUNDIDOS são classificados como ligas ferrosas que contém entre 2,11 e 6,70%C, em peso. Entretanto, ferros fundidos comerciais normalmente contém menos do que 4,5%C, em peso. DIAGRAMA DE FASES • DIAGRAMA FERRO-CARBETO DE FERRO (Fe-Fe3C) Ferrita alfa Austenita DIAGRAMA DE FASES • DESENVOLVIMENTO DAS MICROESTRUTURAS EM LIGAS FERRO CARBONO • Liga de composição eutetóide (0,77%C, em peso) resfriada a partir de uma temperatura situada na região da fase gama a 800oC, isto é, começando no ponto a. • A microestrutura para este aço é formada por camadas alternadas ou lamelas (PERLITA) compostas pelas 2 fases (alfa e Fe3C) que se formam simultaneamente durante a trans- formação. • Mecanicamente, perlita tem pro- priedades intermediárias entre a ferrita dútil e macia e a cementita dura e frágil. 51 Diagrama de Fases Ferro-Carbono (Fe-C) • 2 pontos importantes: - Eutetóide (B): g a + Fe3C - Eutético (A): L g + Fe3C Adapted from Fig. 9.24, Callister & Rethwisch 8e. Fe 3 C ( ce m en ti ta ) 1600 1400 1200 1000 800 600 400 0 1 2 3 4 5 6 6.7 L g (austenita) g +L g +Fe3C a +Fe3C d (Fe) C, wt% C 1148ºC T(ºC) a 727ºC = T eutetóide 4.30 Resultado: Perlita = Camadas alternadas de Fases a e Fe3C. 120 mm (Adapted from Fig. 9.27, Callister & Rethwisch 8e.) 0.76 B g g g g A L+Fe3C Fe3C (cementita-dura) a (ferrita-macia) DIAGRAMA DE FASES • DESENVOLVIMENTO DAS MICROESTRUTURAS EM LIGAS FERRO CARBONO DIAGRAMA DE FASES • DESENVOLVIMENTO DAS MICROESTRUTURAS EM LIGAS FERRO CARBONO 54 Fe 3 C ( ce m en ti te ) 1600 1400 1200 1000 800 600 400 0 1 2 3 4 5 6 6.7 L g (austenita) g +L g + Fe3C a + Fe3C L+Fe3C d (Fe) C, wt% C 1148ºC T(ºC) a 727ºC (Sistema Fe-C) C0 0 .7 6 Aço Hipoeutetóide Adapted from Figs. 9.24 and 9.29,Callister & Rethwisch 8e. (Fig. 9.24 adapted from Binary Alloy Phase Diagrams, 2nd ed., Vol. 1, T.B. Massalski (Ed.-in-Chief), ASM International, Materials Park, OH, 1990.) Adapted from Fig. 9.30, Callister & Rethwisch 8e. Ferrita proeutetóide perlita 100 mm Aço Hipoeutetóide a perlita g g g g a a a g g g g g g g g DIAGRAMA DE FASES • DESENVOLVIMENTO DAS MICROESTRUTURAS EM LIGAS FERRO CARBONO DIAGRAMA DE FASES • DESENVOLVIMENTO DAS MICROESTRUTURAS EM LIGAS FERRO CARBONO 57 Aço Hipereutetóide Fe 3 C ( ce m en ti ta ) 1600 1400 1200 1000 800 600 400 0 1 2 3 4 5 6 6.7 L g (austenita) g +L g +Fe3C a +Fe3C L+Fe3C d (Fe) C, wt%C 1148ºC T(ºC) a Adapted from Figs. 9.24 and 9.32,Callister & Rethwisch 8e. (Fig. 9.24 adapted from Binary Alloy Phase Diagrams, 2nd ed., Vol. 1, T.B. Massalski (Ed.-in-Chief), ASM International, Materials Park, OH, 1990.) (Sistema Fe-C) 0 .7 6 C0 Fe3C g g g g g g g g g g g g Adapted from Fig. 9.33, Callister & Rethwisch 8e. Fe3C proeutetóide 60 mm Aço Hipereutetóide perlita perlita DIAGRAMA DE FASES • DESENVOLVIMENTO DAS MICROESTRUTURAS EM LIGAS FERRO CARBONO DIAGRAMA DE FASES • DESENVOLVIMENTO DAS MICROESTRUTURAS EM LIGAS FERRO CARBONO DIAGRAMA DE FASES • AULA RELACIONADA AO CAPÍTULO 9 DO LIVRO • LEIA E ANOTE AS DÚVIDAS
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