Capitulo7CienciadosMateriais(Prof.Durval)DiagramasdeFases

Prévia do material em texto

Diagramas de 
Fases 
Vamos tentar responder...
Quando nós combinamos dois elementos...
que estado de equilíbrio teremos?
• Em particular, se nós especificamos...
-- uma composição (por ex., %peso Cu - %peso Ni), e
-- uma temperatura (T )
então...
Quantas fases teremos?
Qual a composição de cada fase?
Quanto de cada fase teremos?
Diagramas de Fases 
Fase BFase A
Ni
Cu
Limite de Solubilidade
Introdução
– Soluções –soluções sólidas , fase única
– Misturas – mais do que uma fase
• Limite de Solubilidade:
Máxima concentração na qual 
uma fase única ocorre.
Questão: Qual o limite de 
solubilidade a 20°C?
Resposta: 65 %peso açucar.
se Co < 65 %p açúcar: xarope
se Co > 65 %p açúcar: xarope + açúcar
65
Sucrose/Water Phase Diagram
P
u
r
e
 
S
u
g
a
r
T
e
m
p
e
r
a
t
u
r
e
 
(
°
C
)
0 20 40 60 80 100
Co =Composition (wt.% sugar)
L
(liquid solution 
i.e., syrup)
Solubility 
Limit L
(liquid) 
+ 
S
(solid 
sugar)20
40
60
80
100
P
u
r
e
 
W
a
t
e
r
• Componentes:
Elementos ou compostos que estão presentes em uma mistura
(por ex., Al e Cu)
• Fases:
Distinção física e química de regiões de um material
(por ex., α e β).
Liga Al-Cu
Componentes e Fases
α (fase escura) 
β ( fase clara)
Efeitos da Temperatura e da
Composição (Co)
• Mudando Temp pode mudar # de fases: 
D (100°C,90%p)
2 fases 
B (100°C,70%p)
1 fase 
de A para B.
• Mudando Co pode mudar # de fases: de B para D.
A (20°C,70%p)
2 fases
70 80 1006040200
T
e
m
p
e
r
a
t
u
r
a
 
(
°
C
)
Co =Composição (%peso açúcar)
L
(Solução liquida 
i.e., xarope)
20
100
40
60
80
0
L
(liquido) 
+ 
S
(açúcar solido) 
Sistema Água - Açúcar
Equilíbrio de Fase
Estrutura Eletro-negatividade r (nm)
Ni FCC 1.9 0.1246
Cu FCC 1.8 0.1278
• (Regra de W. Hume –Rothery) sugere alta solubilidade mutua.
Sistema de solução Completa (por ex., Ni-Cu)
• Ni e Cu são totalmente miscíveis em todas as proporções
• As soluções sólidas formam-se mais facilmente quando os 
átomos do solvente e do soluto têm dimensões e estruturas 
eletrônicas comparáveis.
• No caso do latão, o cobre e o zinco têm raios atômicos de 
0,1278 e 0,1332 nm, respectivamente. Ambos têm, 
excetuando-se o nível de valência, 28 elétrons e apresentam, 
quando isolados, número de coordenação NC = 12. Portanto, 
o zinco substitui facilmente até um máximo de cerca de 40% 
dos átomos de cobre no reticulado CFC. Este é um exemplo 
de solução sólida substitucional, bastante comum em vários 
sistemas metálicos. 
5.2.1. SOLUÇÕES SÓLIDAS EM METAIS
SOLUÇÕES SÓLIDAS SUBSTITUCIONAIS
• Outro exemplo é a solução de cobre e níquel formando 
o monel. Estas soluções vão desde praticamente a 
ausência de níquel até quase 100% de átomos de 
níquel. Todas as ligas cobre-níquel são CFC. Os raios 
atômicos do cobre e do níquel são 0,1278 e 0,1246 nm, 
respectivamente, e eles têm a mesma estrutura CFC.
• Por outro lado, há um limite muito bem definido na 
quantidade de estanho que pode substituir cobre para 
formar bronze e ainda manter a estrutura CFC do 
cobre. O estanho em excesso, além da quantidade 
correspondente à solubilidade sólida, forma uma outra 
fase. Isto é definido pelo limite de solubilidade.
• Conforme aumenta a diferença de dimensões entre os 
átomos, ocorre cada vez menos substituição. Apenas 
20% dos átomos de Cu podem ser substituídos por 
alumínio.
• Para ocorrer a completa miscibilidade em soluções sólidas 
metálicas, os metais devem ser bastante similares, como 
definido pela Regras de Hume-Rothery (metalurgista inglês, 
1899-1968):
1) Menos que cerca de 15% de diferença nos raios atômicos
2) A mesma estrutura cristalina
3) Eletronegatividades similares (atração de elétrons)
4) A mesma valência.
• A Tabela 4-1 e a Figura 4-3 mostram a solubilidade sólida 
máxima, no cobre, de vários metais com a mesma estrutura 
CFC do cobre. 
Diagrama de fases do sistema Cu-Sn
rCu = 0,1278 nm rSn = 0,1509 nm
Diagrama de fases do sistema Cu-Al
rCu = 0,1278 nm rAl = 0,1431 nm
Diagrama de fases do sistema Cu-Ni
rCu = 0,1278 nm rNi = 0,1246 nm
Diagramas de Fases 
• Indica as fases como função da Temperatura, Co, e P. 
Neste curso:
- Sistemas binários: apenas 2 componentes.
- Variáveis independentes : Temperatura e Co (P = 1 atm).
•Diagrama de Fases para o sistema Cu-Ni
• 2 Fases:
L (liquido)
α (solução sólida CFC)
• 3 Campos de Fases: 
L
L + α
α
%peso Ni
20 40 60 80 1000
1000
1100
1200
1300
1400
1500
1600
T
e
m
p
e
r
a
t
u
r
a
 
(
°
C
)
L (liquido)
α
(solução sólida CFC)
NiCu
%peso Ni
20 40 60 80 1000
1000
1100
1200
1300
1400
1500
1600
o
T
(
°
C
)
L (liquido)
α
(ss CFC)
Diagramas de Fases :
# e tipos de fases
• Regra 1: se conhecemos a Temp e a Co, então conhecemos:
-- o # e os tipos de fases presentes.
• Exemplos:
A(1100°C, 60%p): 
1 fase: α
B(1250°C, 35%p): 
2 fases: L + α
B
(
1
2
5
0
°
C
,
3
5
%
p
)
A (1100°C,60%p)
%peso Ni
20
1200
1300
T
(
°
C
)
L
α
30 40 50
Sistema Cu-Ni 
Diagramas de Fases :
composição e fases
• Regra 2: se conhecemos a Temp e a Co, então conhecemos:
-- a composição de cada fase.
• Exemplos:
TA A
35
Co
32
CL
TA = 1320°C: 
apenas Líquido (L) 
CL = Co ( = 35 %peso Ni)
TB = 1250°C: 
ambos α and L
CL = C liquidus ( = 32 %peso Ni ) 
Cα = Csolidus ( = 43 %peso Ni )
TD = 1190°C: 
apenas Sólido (α ) 
Cα = Co ( = 35 %peso Ni)
Co = 35 %peso Ni
BTB
DTD
4
Cα
3
• Regra 3: se conhecemos a Temp e a Co, então conhecemos:
-- a quantidade de cada fase (%peso ou %mol).
• Exemplos:
TA: apenas Líquido (L) 
WL = 100 %peso, Wα = 0
TD: apenas Sólido (α) 
WL = 0, Wα = 100 %peso
Co = 35 %peso Ni
Diagramas de Fases: 
frações de fases
%peso Ni
20
1200
1300
T(°C)
L
α
30 40 50
TA A
35
Co
32
CL
B
TB
DTD
4
Cα3
R S
TB: ambos α e L
% 73
3243
3543 =−
−=
= 27 %
WL = SR +S
Wα = RR +S
• Linha de interligação – conecta as fases em 
equilíbrio – essencialmente numa isoterma
Regra da Alavanca
Quanto de cada fase?
Pense nisso como uma alavanca (gangorra)
RMSM L ⋅=⋅α 
L
L
LL
L
L CC
CC
SR
RW
CC
CC
SR
S
MM
MW −
−=+=−
−=+=+= ααα
α
α
00 
%peso Ni
20
1200
1300
T(°C)
L
α
30 40 50
B
TB
CoCL Cα
SR
ML Mα
R S
%peso Ni
20
1200
1300
30 40 50
110 0
L (liquid)
α
(solid)
T(°C)
A
35
Co
L: 35%pNi
• Sistema é:
-- binário
i.e., 2 componentes:
Cu e Ni.
--isomórfico
i.e., solubilidade
completa de um
componente no outro; 
o campo da fase α
estende-se de 0 to 100% Ni.
• Considerar
Co = 35 %pesoNi.
Resfriamento em um sistema 
binários: Cu-Ni
4635
4332
α: 43 %p Ni
L: 32 %p Ni
L: 24 %p Ni
α: 36 %p Ni
Bα: 46 %p Ni
L: 35 %p Ni
C
D
E
24 36
• Cα no resfriamento.
• Cu-Ni :
• Altas taxas de resfriamento:
estrutura em partes
• baixas taxas de resfriamento:
estrutura em equilíbrio
Primeira fase α a solidificar possui Cα = 46 %peso Ni.
Última fase α a solidificar possui Cα = 35 %peso Ni.
Sistemas em equilíbrio
primeiro α
46 %peso Ni
Uniforme Cα:
35 %peso Ni
último α 
< 35 %peso Ni
Propriedades Mecânicas:
Sistema Cu-Ni
• Efeito da solução sólida na resistência:
-- Limite de Resistência (TS) --Ductilidade (%EL)
-- Máximoem função de Co -- Mínimo em função de Co
L
i
m
i
t
e
 
d
e
 
R
e
s
i
s
t
ê
n
c
i
a
 
 
(
M
P
a
)
%peso Ni
Cu Ni
0 20 40 60 80 100
200
300
400
E
l
o
n
g
a
m
e
n
t
o
 
(
%
E
L
)
%peso Ni
Cu Ni
0 20 40 60 80 10020
30
40
50
60
2 componentes
Possui uma composição com Temp de 
fusão inferior aos componentes puros
Sistemas Binários-Eutéticos
• Transição Eutética
L(CE) α(CαE) + β(CβE)
• 3 regiões com uma fase
(L, α, β) 
• solubilidade Limitada : 
α: rico em Cu 
β: rico em Ag 
• TE : mínima Temp de fusão
: Composição em TE• CE
Sistema Cu-Ag
L (liquid)
α L + α L+ββ
α + β
Co , %peso Ag
20 40 60 80 1000
200
1200
T(°C)
400
600
800
1000
CE
TE 8.0 71.9 91.2
779°C
Diagrama de fases do sistema Ag-Cu
rCu = 0,1278 nm rAg = 0,1444 nm
Diagrama de fases do sistema Cu-Pb
rCu = 0,1278 nm rPb = 0,1750 nm
L+α
L+β
α+ β
200
T(°C)
18.3
C, %peso Sn
20 60 80 1000
300
100
L (liquid)
α 183°C
61.9 97.8
β
• Para uma liga com 40 %p Sn – 60 %p Pb a 150°C, temos...
-- fases presentes:
EX: Sistema Eutético Pb-Sn
α + β
--composição das fases:
CO = 40 %peso Sn
-- Qtde de cada fase:
150
40
Co
11
Cα
99
Cβ
SR
Cα = 11 %peso Sn
Cβ = 99 %peso Sn
Wα= Cβ - COCβ - Cα
= 99 - 4099 - 11 =
59
88 = 67 %
S
R+S =
Wβ = CO - CαCβ - Cα=
R
R+S
= 29
88
= 33 %= 40 - 11
99 - 11
L+β
α+ β
200
T(°C)
C, wt% Sn
20 60 80 1000
300
100
L (liquido)
α β
L+α
183°C
• Para uma liga com 40 %p Sn – 60 %p Pb a 220°C, temos...
-- fases presentes : α + L
-- composição das fases :
CO = 40 %peso Sn
-- Qtde de cada fase :
Wα=
CL - CO
CL - Cα
=
46 - 40
46 - 17
=
6
29 = 21 %
WL =
CO - Cα
CL - Cα
=
23
29 = 79 %
40
Co
46
CL
17
Cα
220
SR
Cα = 17 %peso Sn
CL = 46 %peso Sn
EX: Sistema Eutético Pb-Sn
• Co < 2 %peso Sn
• Resultados:
-L
-L + α 
-policristais de grãos α
i.e., apenas uma fase sólida.
Microestruturas em Sistemas
Eutéticos:
0
L+ α
200
T(°C)
Co, %peso Sn
10
2
20
Co
300
100
L
α
30
α+β
400
(limite de solubilidade a Temp ambiente)
TE
α
L
L: Co %peso Sn
α: Co %peso Sn
• 2 %p Sn < Co < 18,3 %p Sn
• Resultados:
? L
? L + α
? apenas α
? finalmente duas fases
? α policristalino
? inclusões finas de fase β
L + α
200
T(°C)
Co , %p Sn
10
18,3
200
Co
300
100
L
α
30
α+ β
400
(limite solub. a TE)
TE
2
L
α
L: Co %p Sn
αβ
α: Co %p Sn
Microestruturas em Sistemas
Eutéticos:
• Co = CE
• Resultados: microestrutura Eutética (estrutura lamelar)
-- camadas alternadas (lamelares) de cristais de α e β.
160μm
Micrografia de microestrutura
eutética Pb-Sn 
L + β
α + β
200
T(°C)
C, %peso Sn
20 60 80 1000
300
100
L
α β
L+α
183°C
40
TE
18,3
α: 18,3 %pesoSn
97,8
β: 97,8 %peso Sn
CE
61,9
L: Co %peso Sn
Microstruturas em Sistemas
Eutéticos:
Estrutura Eutética Lamelar 
• 18,3 %peso Sn < Co < 61,9 %peso Sn (hipoeutético)
• Resultados: cristais α e uma microestrutura eutética
18,3 61,9
SR
97,8
SR
primárioα
eutético α
eutéticoβ
WL = (1-Wα) = 50 %
Cα = 18,3 %p Sn
CL = 61,9 %p Sn
S
R + S
Wα= = 50 %
• logo acima TE :
• logo abaixo TE :
Cα = 18,3 %peso Sn
Cβ = 97,8 %peso Sn
S
R + S
Wα= = 73 %
Wβ = 27 %
L+β200
T(°C)
Co, %peso Sn
20 60 80 1000
300
100
L
α β
L+α
40
α+β
TE
L: Co %peso Sn Lα
Lα
Microstruturas em Sistemas
Eutéticos:
L+α
L+β
α+ β
200
Co, %peso Sn20 60 80 1000
300
100
L
α β
TE
40
(Sistema Pb-Sn) 
Hipoeutético & Hipereutético
160 μm
eutético micro-constituinte
hipereutético: (apenas ilustração)
β
ββ
β
β
β
175 μm 
α
α
α
ααα
hipoeutético: Co = 50 %p Sn
T(°C)
61,9
eutético
eutético: Co=61,9%p Sn
Compostos Intermetálicos
Mg2Pb
Composto intermetálico forma uma linha – não uma área –
composição estequiométrica exata
Eutetóide & Peritético
• Eutético
L α + βcool
heat
intermetallic compound 
- cementite
cool
heat
• Eutetóide
S2 S1+S3
γ α + Fe3C (727ºC)
cool
heat
• Peritético
S1 + L S2
δ + L γ (1493ºC)
Eutetóide & Peritético
Diagrama Fase Cu-Zn
Transição Eutetóide δ γ + ε
Transição Peritética γ + L δ
Diagrama de fases do sistema Cu-Zn
rCu = 0,1278 nm rZn = 0,1332 nm
Diagrama de Fase Ferro-Carbono (Fe-C)
• 2 pontos importantes 
-Eutetóide (B):
γ ⇒ α +Fe3C
-Eutético (A):
L⇒ γ +Fe3C
F
e
3
C
 
(
c
e
m
e
n
t
i
t
a
)
1600
1400
1200
1000
800
600
400
0 1 2 3 4 5 6 6.7
L
γ 
(austenita)
γ+L
γ+Fe3C
α+Fe3C
L+Fe3C
δ
(Fe) Co, %peso C
1148°C
T(°C)
α 727°C = Teutetóide
A
SR
4.30
Resultado: Perlita = 
Camadas alternadas de
α de Fe3C
120 μm
γ γ
γγ
R S
0.76
C
e
u
t
e
t
ó
i
d
e
B
Fe3C (cementita-dura)
α (ferrita - macia)
Aço Hipoeutetóide
F
e
3
C
 
(
c
e
m
e
n
t
i
t
a
)
1600
1400
1200
1000
800
600
4000 1 2 3 4 5 6 6.7
L
γ 
(austenita)
γ+L
γ +Fe3C
α+Fe3C
L+Fe3C
δ
(Fe) Co, %peso C
1148°C
T(°C)
α
727°C
(Sistema Fe-C)
C0
0
.
7
6
Ferrita pre-eutetóideperlita
100 μm Aço Hipoeutetóide
R S
α
wα =S/(R+S)
wFe3C =(1-wα)
wperlita = wγ
perlita
r s
wα =s/(r+s)
wγ =(1-wα)
γ
γ γ
γα
αα
γγ
γ γ
γ γ
γγ
Aço Hipereutetóide
F
e
3
C
 
(
c
e
m
e
n
t
i
t
a
)
1600
1400
1200
1000
800
600
4000 1 2 3 4 5 6 6.7
L
γ 
(austenita)
γ+L
γ +Fe3C
α +Fe3C
L+Fe3C
δ
(Fe) Co, %pesoC
1148°C
T(°C)
α
(Sistema Fe-C)
0
.
7
6
Co
preeutetóide Fe3C
60 μm Aço Hipereutetóide 
perlita
R S
wα =S/(R+S)
wFe3C =(1-wα)
wperlita = wγ
perlita
sr
wFe3C =r/(r+s)
wγ =(1-w Fe3C)
Fe3C
γγ
γ γ
γγ
γ γ
γγ
γ γ
Aços ligados com mais elementos
• Mudanças na Teutetóide • mudanças na Ceutetóide : 
T
e
u
t
e
t
ó
i
d
e
 
(
°
C
)
%peso de elementos de liga
Ti
Ni
Mo Si W
Cr
Mn
%peso de elementos de liga
C
e
u
t
e
t
ó
i
d
e
(
%
p
e
s
o
C
)
Ni
Ti
Cr
Si
MnWMo
Composição da escória em aços
• A escória adicionada no Refino tem a função tanto de proteção térmica 
(evitar perda de temperatura) quanto proteção atmosférica (evitar 
reoxidação), mas também pode ter a função de captação de inclusões.
• Os principais insumos de escórias são: cal (CaO), a fluorita (CaF2), a 
alumina (Al2O3), o óxido de magnésio (MgO), ou mais recentemente 
escórias pré-fundidas, escórias sintéticas em que, além da mistura 
mecânica dos componentes, é realizada também uma pré-fusão. 
• A utilização única ou combinada destes compostos fica a cargo dos 
engenheiros de processos, que são os responsáveis por desenhar o 
roteiro a ser seguido. Normalmente, seguem os diagramas 
quaternários CaO-Al2O3-SiO2-MgO, mas na prática são utilizados os 
ternários da combinação destes elementos.
• A composição da escória está diretamente ligada à formação de 
inclusões. Deseja-se evitar escórias de alto ponto de fusão, sólidas, 
com interação ruim com o aço, e pouca ou nenhuma captação de 
inclusões. Busca-se portanto escórias líquidas nas temperaturas de 
processamento(1550°C a 1650°C), com boa interação com o aço e que 
preferencialmente captem inclusões.
Diagrama ternário em corte isotérmico e em vista tridimensional do sistema CaO-Al2O3-
SiO2, evidenciando a região de menor ponto de fusão (Dave Finkelnburg. How Glazes 
Melt: In Search of the Elusive Eutectic. Ceramic Starts Daily. [Online] Dezembro 09, 2009. 
http://ceramicartsdaily.org/wp-content/uploads/2009/11/ternary-diagram-large.jpg).
Composição 
da escória 
em aços