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Chapter 9 - 1 Centro Universitário Una Engenharia Mecânica Capítulo 6 Diagramas de Fases Disciplina: Ciência e Tecnologia dos Materiais Chapter 9 - 2 Questões para tratar... • Quando combinamos dois elementos... qual estado de equilíbrio vamos alcançar? • Em particular, se especificarmos... --uma composição (ex., %pCu - %pNi), e uma temperatura (T ) então... Quantas fases teremos? Qual a composição de cada fase? Qual o teor de cada fase? Capítulo 9: Diagramas de Fases Fase B Fase A Átomos de Ni Átomos de Cu Chapter 9 - 3 Equilíbrio de Fases: Limite de Solubilidade Introdução – Soluções – solução sólida, monofásica. – Misturas – mais que uma fase, heterogênea. • Limite de Solubilidade: Concentração máxima para a qual somente uma solução monofásica ocorre. Questão: Qual o limite de solubilidade a 20°C? Resposta: 65%p açúcar. Se Co < 65%p de açúcar: xarope Se Co > 65%p açúcar: xarope + açúcar. 65 Diagrama de fase açúcar/água A çú ca r p u ro T e m p e ra tu ra ( °C ) 0 20 40 60 80 100 Co =Composição (%p açúcar) L (solução líquida ex., xarope) Limite de solubilidade L (líquido) + S (açúcar sólido) 20 4 0 6 0 8 0 10 0 Á g u a p u ra Chapter 9 - 4 • Componentes: Os elementos ou compostos que estão presentes na mistura (ex., Al e Cu). • Fases: Regiões no material que se distinguem fisicamente e quimicamente (ex., a e b). Liga de cobre- alumínio Componentes e Fases a (fase escura) b (fase clara) Adapted from chapter- opening photograph, Chapter 9, Callister 3e. Chapter 9 - 5 Efeito da T & Composição (Co) • Alteração na T - pode mudar a fase: Adapted from Fig. 9.1, Callister 7e. D (100°C,90%) 2 fases B (100°C,70%) 1 fase Caminho de A para B. • Alteração na Co - pode mudar a fase : Caminho de B para D. A (20°C,70%) 2 fases 70 80 100 60 40 20 0 T e m p e ra tu re ( °C ) Co =Composição (%p açúcar) L ( solução líquida ex., xarope) 20 100 40 60 80 0 L (líquido) + S (açúcar sólido) Sistema açúcar- água Chapter 9 - 6 Equilíbrio de Fases Estrutura cristalina Eletronega- tividade r (nm) Ni CFC 1,9 0,1246 Cu CFC 1,8 0,1278 • Ambos tem a mesma estrutura cristalina (CFC), tem eletronegatividades similares e raio atômico muito próximos, (Regra de Hume-Rothery) sugerindo alta solubilidade. Sistema de solução simples (ex., solução de Ni-Cu) • Ni e Cu são totalmente miscíveis em todas as proporções. Chapter 9 - 7 Diagramas de Fases: sistema isomorfo binário • Indica as fases como função da T, Co, e P. • Neste caso: -sistemas binários: apenas 2 componentes. -variáveis independentes: T e Co (P = 1 atm é quase sempre usada). • Diagrama de fase para o sistema Cu-Ni Adapted from Fig. 9.3(a), Callister 7e. (Fig. 9.3(a) is adapted from Phase Diagrams of Binary Nickel Alloys, P. Nash (Ed.), ASM International, Materials Park, OH (1991). • 2 fases: L (líquido) a (solução sólida CFC) • 3 campos de fase: L L + a a %pNi 20 40 60 80 100 0 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 T(°C) L (líquido) a (solução sólida CFC) Chapter 9 - 8 %pNi 20 40 60 80 100 0 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 T(°C) L (líquido) a (solução sólida) Diagrama de fase Cu-Ni Diagramas de Fases: número e tipos de fases • Regra nº1: Se conhecemos T e Co, então nós sabemos: --o número e os tipos de fases presentes. • Exemplos: A(1100°C, 60): 1 fase: a B (1250°C, 35): 2 fases: L + a Adapted from Fig. 9.3(a), Callister 7e. (Fig. 9.3(a) is adapted from Phase Diagrams of Binary Nickel Alloys, P. Nash (Ed.), ASM International, Materials Park, OH, 1991). B ( 1 2 5 0 °C ,3 5 ) A(1100°C,60) Chapter 9 - 9 %p Ni 20 1200 1300 T(°C) L (líquido) a (sólido) 30 40 50 Sistema Cu-Ni Diagramas de Fases: composições das fases • Regra nº2: Se conhecemos T e Co, então nós sabemos: --a composição de cada fase. • Exemplos: T A A 35 C o 32 C L A T A = 1320°C: Somente Líquido (L) C L = C o ( = 35%p Ni) A T B = 1250°C: Ambos a e L C L = C liquidus ( = 32%p Ni) C a = C solidus ( = 43%p Ni) A T D = 1190°C: Somente Sólido ( a ) C a = C o ( = 35%p Ni ) C o = 35%p Ni Adapted from Fig. 9.3(b), Callister 7e. (Fig. 9.3(b) is adapted from Phase Diagrams of Binary Nickel Alloys, P. Nash (Ed.), ASM International, Materials Park, OH, 1991.) B T B D T D linha de amarração 4 C a 3 Chapter 9 - 10 • Regra nº3: Se conhecemos T e Co, então nós sabemos: --a quantidade de cada fase (dada em %p). • Exemplos: A T A : Somente Líquido (L) W L = 100%p, W a = 0 A T D : Somente sólido ( a ) W L = 0, W a = 100%p C o = 35%p Ni (composição base) Adapted from Fig. 9.3(b), Callister 7e. (Fig. 9.3(b) is adapted from Phase Diagrams of Binary Nickel Alloys, P. Nash (Ed.), ASM International, Materials Park, OH, 1991.) Diagramas de Fases: quantidades relativas das fases %p Ni 20 1200 1300 T(°C) L (líquido) a (sólido) 3 0 4 0 5 0 Sistema Cu-Ni T A A 35 C o 32 C L B T B D T D tie line 4 C a 3 R S A T B : Ambos a e L p%73 3243 3543 WL S R + S Wa R R + S % 27 3243 3235 wt 27%p Chapter 9 - 11 • Linha de amarração – conecta as fases em equilíbrio – essencialmente uma isoterma. A Regra da Alavanca Quanto de cada fase? Pense nisso como uma alavanca (gangorra) ML Ma R S RMSM L a L L LL L L CC CC SR R W CC CC SR S MM M W a a a a a 00 %p Ni 20 1200 1300 T(°C) L (liquid) a (solid) 3 0 4 0 5 0 B T B tie line C o C L C a S R Adapted from Fig. 9.3(b), Callister 7e. Chapter 9 - 12 %p Ni 20 120 0 130 0 3 0 4 0 5 0 110 0 L (líquido) a (sólido) T(°C) A 35 C o L: 35%p Ni Sistema Cu-Ni • Diagrama de fases: Sistema Cu-Ni. • O sistema é: --binário ex., 2 componentes: Cu e Ni. --isomorfos ex., completa solubilidade de um componente em outro; campo da fase a se extende de 0 a 100%p Ni. Adapted from Fig. 9.4, Callister 7e. • Considere Co = 35%p Ni. Ex: Resfriamento em condições de equilíbrio: Liga Cu-Ni 46 35 43 32 a : 43%p Ni L: 32%p Ni L: 24%p Ni a : 36%p Ni B a: 46%p Ni L: 35%p Ni C D E 24 36 Chapter 9 - 13 • Ca muda à medida que solidifica. • Caso Cu-Ni: • Alta taxa de resfriamento: Núcleo da estrutura • Baixa taxa de resfriamento: Estrutura em equilíbrio Primeiro a a solidificar tem Ca = 46%p Ni. Último a a solidificar tem Ca = 35%p Ni. Núcleo x Equilíbrio de Fases resfriamento fora do equilíbrio Primeiro a a solidificar: 46%p NiC a 35%p Ni ùltimo a a solidificar: < 35%p Ni uniforme: Chapter 9 - 14 Propriedades Mecânicas: Sistema Cu-Ni • Efeito do aumento de resistência por formação de solução sólida: --Limite de Resistência à tração (LRT) --Ductilidade (%AL,%RA) --Pico em função da Co --Mín. Em função daCo Adapted from Fig. 9.6(a), Callister 7e. Adapted from Fig. 9.6(b), Callister 7e. L R T ( M P a ) Composição, %p Ni Cu Ni 0 20 40 60 80 100 200 300 400 LRT para Ni puro LRT para Cu puro A lo n g a m e n to ( % A L ) Composição, %p Ni Cu Ni 0 20 40 60 80 100 20 30 40 50 60 %AL para Ni puro %AL para Cu puro Chapter 9 - 15 : T.F. (TE ) da liga Adapted from Fig. 9.7, Callister 7e. Sistemas Eutéticos Binários • Transição Eutética L(CE) a(CaE) + b(CbE) • 3 regiões monofásicas (L, a, b ) • Limite de solubilidade: a : principalmente Cu b : principalmente Ag • TE : Nenhum líquido abaixo deTE • CE composition Ex.: sistema Cu-Ag L (líquido) a L + a L + b b a b Co , %p Ag 20 40 60 80 100 0 200 1200 T(°C) 400 600 800 1000 CE TE 8.0 71.9 91.2 779°C Chapter 9 - 16 L + a L + b a + b 200 T(°C) 18.3 C, %p Sn 20 60 80 100 0 300 100 L (líquido) a 183°C 61.9 97.8 b • Para uma liga com 40%p Sn-60%p Pb a 150°C, quais fases estão presentes? Ex: Sistema Eutético Pb-Sn (1) a + b --composição das fases: CO = 40%p Sn --a quantidade relativa de cada fase: 150 40 Co 11 Ca 99 Cb S R Ca = 11%p Sn Cb = 99%p Sn W a = Cb - CO Cb - Ca = 99 - 40 99 - 11 = 59 88 = 67%p S R+S = W b = CO - Ca Cb - Ca = R R+S = 29 88 = 33%p = 40 - 11 99 - 11 Adapted from Fig. 9.8, Callister 7e. Chapter 9 - 17 L + b a + b 200 T(°C) C, %p Sn 20 60 80 100 0 300 100 L (liquid) a b L + a 183°C • Para uma liga com 40%p Sn-60%p Pb a 220°C, , quais fases estão presentes? Adapted from Fig. 9.8, Callister 7e. Ex: Sistema Eutético Pb-Sn (2) a + L -- composição das fases: CO = 40%p Sn -- a quantidade relativa de cada fase: W a = CL - CO CL - Ca = 46 - 40 46 - 17 = 6 29 = 21%p W L = CO - Ca CL - Ca = 23 29 = 79%p 40 Co 46 CL 17 Ca 220 S R Ca = 17%p Sn CL = 46%p Sn Chapter 9 - 18 • Co < 2%p Sn • Resultado: --grãos policristalinos da fase a ex., somente uma fase sólida. Adapted from Fig. 9.11, Callister 7e. Microestruturas em Ligas Eutéticas: I 0 L + a 200 T(°C) Co , %p Sn 10 2 20 Co 300 100 L a 30 a + b 400 (limite de solubilidade do Sn no Pb a temp. ambiente) TE (Sistema Pb-Sn) a L L: Co %p Sn a: Co %p Sn Solidus Liquidus Solvus Chapter 9 - 19 • 2%p Sn < Co < 18,3%p Sn • Resultado: Inicialmente líquido + a então somente a finalmente duas fases a policristalino finas inclusões da fase b Adapted from Fig. 9.12, Callister 7e. Microestruturas em Ligas Eutéticas: II Sistema Pb-Sn L + a 200 T(°C) Co , %p Sn 10 18.3 20 0 Co 300 100 L a 30 a + b 400 (sol. limit at TE) TE 2 (sol. limit at T room ) L a L: Co %p Sn a b a: Co %p Sn Chapter 9 - 20 • Co = CE • Resultado: Microestrutura eutética (estrutura lamelar) --lamelas alternadas das fases a e b. Adapted from Fig. 9.13, Callister 7e. Microestruturas em Ligas Eutéticas: III Adapted from Fig. 9.14, Callister 7e. 160 m Micrografia da microestrutura eutética de Pb-Sn Sistema Pb-Sn L b a b 200 T(°C) C, %p Sn 20 60 80 100 0 300 100 L a b L + a 183°C 40 TE 18.3 a: 18.3 %p Sn 97.8 b: 97.8 wt% Sn CE 61.9 L: Co %p Sn Chapter 9 - 21 • 18,3%p Sn < Co < 61,9%p Sn • Resultado: cristais da fase a em uma microestruttura eutética. Microestruturas em Ligas Eutéticas: IV 18.3 61.9 S R 97.8 S R primary a eutectic a eutectic b WL = (1- W a ) = 50%p C a = 18,3%p Sn CL = 61,9%p Sn S R + S W a = = 50%p • Logo acima de TE : • Logo abaixo de TE : C a = 18,3%p Sn C b = 97,8%p Sn S R + S W a = = 73%p W b = 27%p Adapted from Fig. 9.16, Callister 7e. Sistema Pb-Sn L + b 200 T(°C) Co, %p Sn 20 60 80 100 0 300 100 L a b L + a 40 a + b TE L: Co %p Sn L a L a Chapter 9 - 22 L + a L + b a + b 200 Co, wt% Sn 20 60 80 100 0 300 100 L a b TE 40 (Sistema (Pb-Sn) Hipoeutética & Hipereutética Adapted from Fig. 9.8, Callister 7e. (Fig. 9.8 adapted from Binary Phase Diagrams, 2nd ed., Vol. 3, T.B. Massalski (Editor-in- Chief), ASM International, Materials Park, OH, 1990.) 160 m Microconstituinte eutético Adapted from Fig. 9.14, Callister 7e. hipereutética: (somente ilustração) b b b b b b Adapted from Fig. 9.17, Callister 7e. (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 m a a a a a a hipoeutética: Co = 50%p Sn Adapted from Fig. 9.17, Callister 7e. T(°C) 61.9 eutectic eutética: Co = 61.9%p Sn Chapter 9 - 23 Compostos Intermetálicos ou Intermediários Nota: os compostos intermetálicos formam uma linha – não uma área – por causa da estequiometria (ex. composição) ser exata. Adapted from Fig. 9.20, Callister 7e. Chapter 9 - 24 Reações Eutetóides e Peritéticas • Eutética – líquido em equilíbrio com dois sólidos L a + b resf. aquec. cool heat • Eutetóide - fase sólida que se transforma em duas outras fases sólidas S2 S1+S3 a + Fe3C cool heat • Peritética - líquido + sólido 1 sólido 2 S1 + L S2 + L Chapter 9 - 25 Eutetóide & Peritético Diagrama de fase Cu-Zn Adapted from Fig. 9.21, Callister 7e. Transição eutetóide + Transição peritética + L Chapter 9 - O sistema Ferro-Carbono Diagrama de Fases Fe-Fe3C 26 Fe-α (ferrita) Torna-se magnética em T < 768ºC. Fe- (austenita) Não é magnética. Chapter 9 - 27 Aço Eutetóide • 2 pontos importantes -Eutetóide (B): a + Fe3C -Eutético (A): L + Fe3C Adapted from Fig. 9.24,Callister 7e. F e 3 C ( c e m e n ti ta ) 1600 1400 1200 1000 800 600 400 0 1 2 3 4 5 6 6.7 L (austenita) +L +Fe3C a +Fe3C L+Fe3C (Fe) Co, %p C 1148°C T(°C) a 727°C = T eutetóide A S R 4.30 Resultado: Perlita = lamelas alternadas de a e Fe3C 120 m (Adapted from Fig. 9.27, Callister 7e.) R S 0.76 C e u te tó id eB Fe3C (cementita-dura) a (ferrita-macia) Chapter 9 - 28 Aço Hipoeutetóide Adapted from Figs. 9.24 and 9.29,Callister 7e. (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.) F e 3 C ( c e m e n ti ta ) 1600 1400 1200 1000 800 600 400 0 1 2 3 4 5 6 6.7 L (austenita) +L + Fe3C a + Fe3C L+Fe3C (Fe) Co , %p C 1148°C T(°C) a 727°C Sistema Fe-C C0 0 .7 6 Adapted from Fig. 9.30,Callister 7e. ferrita proeutetóide perlita 100 m Aço hipoeutetóide R S a w a = S /( R + S ) w Fe3 C = (1- w a ) w pearlite = w perlita r s w a = s /( r + s ) w = (1- w a ) a a a Chapter 9 - 29 Aço Hipereutetóide F e 3 C ( c e m e n ti ta ) 1600 1400 1200 1000 800 600 400 0 1 2 3 4 5 6 6.7 L (austenita) +L +Fe3C a +Fe3C L+Fe3C (Fe) Co , %p C 1148°C T(°C) a Adapted from Figs. 9.24 and 9.32,Callister 7e. (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 Co Adapted from Fig. 9.33,Callister 7e. Fe3C proeutetóide 60 m Aço hipereutetóide perlita R S w a = S /( R + S ) w Fe3C = (1- w a ) w pearlite = w pearlite s r w Fe3C = r /( r + s ) w =(1- w Fe3C ) Fe3C Chapter 9 - 30 Exemplo: Equilíbrio de Fases Para uma liga composta por 99,6%p Fe-0,40%p C a uma temperatura imediatamente abaixo da eutetóide, determine o seguinte: a) Composição da Fe3C e ferrita (a). b) A quantidade de carbeto (cementita) em gramas formados por 100 g de aço. c) A quantidade de perlita e ferritapró. Chapter 9 - 31 Solução: g 3.94 g 5.7 CFe g7.5100 022.07.6 022.04.0 100x CFe CFe 3 CFe3 3 3 a a a a x CC CCo b) the amount of carbide (cementite) in grams that forms per 100 g of steel a) Composiçõa da Fe3C e ferrita (a) CO = 0,40%p C Ca = 0,022%p C CFe C = 6,70%p C 3 F e 3 C ( c e m e n ti ta ) 1600 1400 1200 1000 800 600 400 0 1 2 3 4 5 6 6.7 L (austenite) +L + Fe3C a + Fe3C L+Fe3C Co , %p C 1148°C T(°C) 727°C CO R S CFe C 3 Ca Chapter 9 - 32 c. A quantidade de perlita e ferrita proeutetóide nota: quantidade de perlita = quantidade de logo acima de TE Co = 0,40%p C Ca = 0,022%p C Cperlita = C = 0,76%p C a Co Ca C Ca x 100 51.2 g perlita = 51,2 g proeutetóide a = 48,8 g F e 3 C ( c e m e n ti ta ) 1600 1400 1200 1000 800 600 400 0 1 2 3 4 5 6 6.7 L (austenita) +L + Fe3C a + Fe3C L+Fe3C Co , %p C 1148°C T(°C) 727°C CO R S C Ca Chapter 9 - 33 Influência de Outros Elementos de Liga • Muda a Teutetóide: • Muda a Ceutetóide: Adapted from Fig. 9.34,Callister 7e. (Fig. 9.34 from Edgar C. Bain, Functions of the Alloying Elements in Steel, American Society for Metals, 1939, p. 127.) Adapted from Fig. 9.35,Callister 7e. (Fig. 9.35 from Edgar C. Bain, Functions of the Alloying Elements in Steel, American Society for Metals, 1939, p. 127.) T E u te tó id e ( °C ) %p dos elementos de liga Ti Ni Mo Si W Cr Mn %p dos elementos de liga C e u te tó id e ( w t% C ) Ni Ti Cr Si Mn W Mo
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