Ciência dos Materiais - Diagramas de fases

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“Não é que eles não vêem a solução. O que eles não enxergam é o problema.” 
G. K. Chesterton, escritor britânico
1º SEMESTRE 2014
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Prof. Ruy Ernesto Nóbrega Schwantes
DIAGRAMAS DE FASES
Livro texto:
Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução 
Willian D Callister Jr, (sétima edição); LTC – Livros Técnicos e Científicos Editora S.A. Capítulos 9 e 10 (págs 184 a 257)
Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução 
Willian D Callister Jr e David G Rethwisch, (oitava edição); Gen LTC
Capítulo 9 e 10(págs 240 a 333)
Livros de apoio:
Princípios de Ciência dos Materiais; Lawrence H Van Vlack; Editora Edgard Blücher
Capítulo 9 (págs 229 a 268)
Ciência dos Materiais; James F. Shakelford; Pearson Prentice Hall
Capítulo 9 (págs 195 a 224)
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??? Por que estudar 
DIAGRAMA de FASES ? 
Através de um Diagrama de fases podemos conhecer a possível estrutura de um material, e isso é muito importante pois existe forte correlação entre: 
Microestrutura e Propriedades mecânicas
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Definições e conceitos básicos
COMPONENTES: 
Substâncias que compõem uma liga
SISTEMA: 
Corpo específico de material
LIMITE DE SOLUBILIDADE:
 Concentração máxima de soluto que pode se dissolver no solvente para formar uma solução
 Exemplo: Solução de açúcar em água
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O Limite de solubilidade se altera com a temperatura.
Para uma mesma composição
Em A temos uma solução (mistura homogênea)
Em B temos um sistema heterogêneo com duas fases
A
B
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FASES - Uma porção homogênea de um sistema que possui características físicas e químicas uniformes. 
 Exemplo:
 água e sal - uma fase 
 água e óleo - 2 fases
 água líquida e gelo (água sólida) – 2 fases polimórfica.
Quando uma substância sólida pode existir em duas ou mais formas polimórficas, possuindo por exemplo estruturas CCC e CFC, cada uma dessas estruturas é uma fase.
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MICROESTRUTURA: 
Pode ser observada em microscópios ópticos ou eletrônicos
É caracterizada pelo número de fases, pelas proporções e pela maneira como estão arranjadas.
Microestrutura de uma liga depende:
elementos que constituem a liga
das concentrações desses elementos
do tratamento térmico da liga ( temperatura, tempo de aquecimento)
da taxa de resfriamento até a temperatura ambiente.
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EQUILÍBRIO
 É o estado no qual processos opostos ocorrem com mesma velocidade.
Exemplo: H2O(l) H2O(s) (0ºC, 1 atm)
Um sistema em equilíbrio é estável.
EQUILÍBRIO DE FASES :
Especialmente em sistemas sólidos, um estado de equilíbrio nunca é completamente atingido pois a taxa para chegar ao equilíbrio é extremamente lenta. O sistema geralmente fica em um estado de não-equilíbrio também chamado de metaestável. 
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Diagrama de fases dá informações conveniente e concisa sobre o controle da estrutura das fases de um sistema específico de um só componente: ex água. 
H2O(s) 	 H2O(l) H2O(g)
Parâmetros que afetam a estruturas das fases são:
 Temperatura, pressão
Quando tenho um sistema 
Com mais de um componente 
É importante também a sua
composição
Diagrama de fase da água pura
(Coordenadas não estão em escala)
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 É a representação gráfica das relações entre as restrições do ambiente (tais como temperatura e algumas vezes pressão), a composição e as regiões de estabilidade das fases, normalmente sob condições de equilíbrio. 
Ex.
O diagrama de fases pode prever as transformações de fases
Diagrama de fases da água
Diagrama de fases da liga metálica Cu-Ni 
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Sistema
Isomorfo (completa solubilidade)
Binário (dois componentes)
Temperatura – na ordenada
Composição – na abscissa
Pressão constante.
Regiões diferentes:
α: Sol. Sólida substitucional de Cu e NI
 de estrutura CFC.
L: Sol.líquida Cu e Ni.
α+ L: bifásica 
( liga de Cu e Ni sólida e líquida)
Linha Liquidus – linha acima da qual só existem líquidos
Linha Solidus – linha abaixo da qual só existem sólidos
Abaixo de 1085ºC Cu e Ni são
completamente solúveis um no outro.
 (pelas regras de Hume-Rothery)
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 Para um diagrama de fases de um sistema binário, com composição e temperatura conhecida, pelo menos cinco informações estão presentes:
1.As fases que estão presentes: 
 α, L
2.Quantas são as regiões do diagrama e que fases cada uma apresenta? 
 3 regiões => α, L, α+ L
3.Quais são os dois componentes que formam essas fases?
 Ni e Cu
4.As porcentagens ou frações mássicas das fases
 Será vista em detalhes depois
5. Ponto de fusão do Cu e do Ni puros
 1085ºC e 1453 ºC respectivamente
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 Composições e fração mássica das fases em:
a.Regiões monofásicas
 Composição: Leitura direta na abscissa (por exemplo ponto A)
	Fração mássica (100%) 
b.Regiões Bifásicas
 Uma liga de composição 35%p Ni a 1250ºC estaria localizada no ponto B do gráfico e tem duas fases (Líquida e α) em equilíbrio. O procedimento para descobrir a fração mássica de cada fase na liga é dado pela regra da alavanca
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Liga metáliga de Cu e Ni
Exemplos:
 1-Composição da liga no ponto A na temperatura de 1100ºC:
60%p Ni e 40%p Cu; uma fase: α.
2-Composição no ponto B a 1250º:
35%p Ni e 65%p Cu é a composição global. 
Temos duas fases em equilíbrio:
Líquida ==:> 32%p Níquel (68%p Cu)
α (sólida) ==:> 43%p Níquel (57%p Cu)
3-Composição no ponto C a 1450º: 
Uma liga de composição 22%p Ni e 78%p Cu localizada acima da curva liquidus com apenas uma fase (Líquida) 
● c
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Uma liga 72%p Ni - 28%p Cu é aquecida a partir de 1300ºC.
a)Em qual temperatura começa a 
formar a fase líquida?
Cerca de 1370ºC
b)Qual a composição na fase líquida?
62%p Ni e 38%p Cu
c)Em qual temperatura ocorre
 a fusão completa?
Cerca de 1395ºC
d)Qual a composição do último
 sólido remanescente?
81%p Ni e 19%p Cu
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Comparação entre o diagrama de fases de um sistema isomorfo binário e a curva de resfriamento de uma liga niquel-cobre
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Resfriamento em condições de equilíbrio
Fase α: liga de Cu e Ni
Para que as condições de equilíbrio sejam mantidas o resfriamento deve ser feito bem lentamente, para que a difusão dos elementos possa ocorrer 
(em fases sólidas a difusão é muito lenta)
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1260ºC (b)
1250ºC (c)
1230ºC (d)
Liquidus
Solidus
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Aproveitando o mesmo gráfico vamos ver como calcular a fração mássica de cada uma das fases, entre as linhas liquidus e solidus. Resfriando a partir de a, em:
a – 100% L (uma só fase)
b – começa a aparecer sólido de composição 46%p Ni 100% L
d – o final do líquido tem composição 24%p Ni 100% S 
e – 100% fase α (uma só fase)
Em c – vamos ver em detalhes: 
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A linha horizontal é chamada de amarração ou isoterma
Detalhes da composição em c
A composição da liga é de 35%p Ni
Nessa situação a composição da fase líquida é de 32%p Ni a da fase α é de 43%p Ni. Qual a porcentagem em massa de cada uma dessas fases? 
FL = S / (R + S)
S = 43 – 35 = 8
R = 35 – 32 = 3
FL = 8 / (3 + 8) = 0,727 
ou = 72,7%p na fase líquida
Fs = R / (R + S) 
Fs = 3 / (3 + 8) = 0,273 
ou = 27,3%p na fase sólida (α)
Outra forma de calcular: Fs=100 - FL
100%–72,7% = 27,3%p na fase α
R
S
27,3%
72,7%
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1. A linha de amarração é construída através da região bifásica na temperatura da liga (isoterma que passa pelo ponto)
2.A composição global da liga é localizada sobre a linha de amarração
3. A fração de uma fase é calculada tomando-se o comprimento da linha de amarração desde a composição global da liga até a fronteira entre fases para a outra fase, e dividindo-se esse valor pelo comprimento total da linha de amarração
4. A fração da segunda fase é determinada de maneira análoga
5. Para resultados em porcentagem multiplicar os resultados por 100. 
6. Depois de calculada a fração mássica de cada fase,
podemos saber a massa de cada fase multiplicando a fração mássica pela massa total da liga.
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Num resfriamento rápido não é possível atingir o equilíbrio. Para atingir o equilíbrio é necessária a difusão que depende do tempo de resfriamento (para reajustar a composição da liga). 
A difusão é rápida para a fase líquida (mantendo o equilíbrio) e lenta para a fase sólida.
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O grau de deslocamento da curva solidus para condições fora da linha de equilíbrio vai depender da taxa de resfriamento 
Composição das fases:
a - fase L 35%p Ni- 65%p Cu
b- fase L 35%p Ni e fase α 46%p Ni 
c - L alterada: 29%p de Ni . A composição da fase α foi mudando continuamente desde 46 %p de Ni no centro do grão até 40%p nos perímetros externos do grão. Assim a composição média da fase α pode ser considerada como sendo 42%p de Ni -58%pCu.
 d- L 24%pNi grão vai aumentando com menor composição: fase α 35%pNi.
e- L 21%pNi . Composição da última porção da fase α Ni 31%p
f- fase α totalmente solidificada
b - 1260ºC
 c - 1240ºC
d - 1220ºC
e - 1205ºC
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Segregação – distribuição não uniforme dos dois elementos no grão
O centro do grão é mais rico no elemento de maior ponto de fusão, a região periférica do grão é mais rica do outro elemento. Isto é conhecido como estrutura zonada.
 
As propriedades de uma estrutura zonada são inferiores às ótimas. Num aquecimento as regiões periféricas de cada grão fundirão primeiro provocando repentina perda da integridade mecânica.
A estrutura zonada pode ser eliminada por um processo térmico adequado.
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Gráfico 
Limite de resistência à tração em função da composição
Ductibilidade ( alongamento)
Propriedades mecânicas de ligas isomorfas sólidas são afetadas pela composição enquanto as demais variáveis ( ex. grão) estruturais são mantidas constantes 
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São dados nesse exercício as temperaturas solidus e liquidus para o sistema cobre-ouro. Construa o diagrama de fases para esse sistema e identifique cada região.
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Com o gráfico traçado no exercício anterior calcular a fração mássica para as fases (a e líquida) de uma liga de composição 60%p Au nas temperaturas de:
900 ºC
934ºC
946ºC
1000ºC
940ºC
 
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Aula ASSISTIDA HOJE é aula ESTUDADA HOJE
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FAZER EXERCÍCIOS
Lista 6
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