diagrama de fases - Parte 1

Prévia do material em texto

DIAGRAMA DE FASES 
Callister – Cap. 9 
Auxilia a determinação da composição da liga ou de um sistema 
cerâmico. 
Permite correlacionar a microestrutura dos materiais com suas 
respectivas propriedades. 
Fornece informações valiosas sobre os fenômenos da fusão, 
fundição (sinterização para cerâmicas) e cristalização (crescimento 
de grão). 
Fornece informações sobre microestrutura e propriedades 
mecânicas em função da temperatura e composição. 
Prediz as transformações de fases. 
“Em ligas metálicas, a microestrutura é caracterizada pelo número de fases presentes, suas 
proporções e o modo pela qual estão distribuídas ou organizadas 
LIGAS 
3 
LIGA 
Mistura de aspecto metálico e homogêneo de um ou mais 
metais entre si ou com outros elementos 
 Têm propriedades mecânicas e tecnológicas melhores que os metais puros. 
TIPOS 
• MISTURAS MECÂNICAS: Cristais dos metais simplesmente 
misturados. 
Ex: liga estanho-chumbo 
•SOLUÇÕES SÓLIDAS: Há interligação dos cristais na 
solidificação. 
Ex: Aço: o carbono faz parte do grão de ferro 
•COMPOSTOS QUÍMICOS: Formam um composto químico 
diverso. 
Ex: liga de cobre e zinco 
DIAGRAMAS DE EQUILÍBRIO 
- Na Fusão: 
 O metal vai sendo aquecido, aumenta a 
atividade. 
Enquanto a massa não está fundida – T cte 
Após fusão total: recomeça a ascenção 
- No Resfriamento: 
 T permanece estável durante a 
solidificação. 
- Normalmente: 
- Alguns Casos: 
 Temperatura de 
solidificação abaixo da 
temperatura de fusão. 
 É preciso que se chegue a 
temperaturas menores e quando 
iniciada a solidificação, a temperatura 
do metal sobe para um trecho em que 
permanece constante durante a 
transformação. 
 Patamares do diagrama de esfriamento ou aquecimento 
Momentos em que há formação de diferentes tipos de 
cristais 
7 
 Tomando uma liga de dois metais, traçando diagramas de 
esfriamento para diversas composições, tem-se um sistema 
de curvas. 
Ex: Liga chumbo-antimômio 
Componentes: metais puros e compostos que compõem uma 
liga. Ex: latão – cobre e zinco 
Soluto e Solvente 
Solução Sólida: Pelo menos dois diferentes tipos de 
átomos. 
Átomos de soluto: posições substitutivas ou 
intersticiais 
Solvente: a estrutura cristalina é mantida 
Sistemas: Corpo específico de material relacionado a uma 
série de ligas formadas pelos mesmos componentes mas 
independente da composição. 
 
CONCEITOS 
• 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. Em geral cresce com a 
temperatura. 
 Limite de solubilidade: Concentração máxima de solutos que podem se 
dissolver para formar uma solução sólida para os sistemas de ligas em 
uma dada temperatura. 
 Interseção da coordenada com o limite de solubilidade. 
 Soluto em excesso: outra solução sólida ou composto com 
composição diferente; 
 Depende da temperatura 
 
10 
10 
• Fase é a porção homogênea de um sistema que tem 
características físicas e químicas definidas 
 
 
 Todo metal puro é considerado uma fase. 
 Uma fase é identificada pela composição química e microestrutura. 
 A interação de duas 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. 
Fases: 
Porção homogênea de um sistema com características 
físicas e químicas uniformes 
Ex: material puro 
 soluções sólidas, líquidas e gasosas 
Propriedades físicas diferentes (líquido e sólido) 
Quimicamente diferentes 
 
 Ex: maioria das ligas metálicas, sistemas cerâmicos, 
compósitos e poliméricos 
A combinação de propriedades do sistema multifásico é 
mais diferente e atrativa do que qualquer das fases 
individuais 
 Microestrutura: 
O comportamento mecânico depende da micorestrutura 
que em ligas estão caracterizadas pelo número de fases 
presentes, suas proporções e a forma que estão 
arranjadas. 
Depende de: 
Elementos; 
Concentrações 
Tratamento térmico 
 
 
13 
• 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” 
 
• No ponto de Fusão: 
Energias Livres (G) são 
iguais para as fases sólida e 
liquida. 
 
 
 GS = GL 
 
EQUILÍBRIO DE FASES 
Descrito em termos de energia livre (função da energia interna de um 
sistema e desordem dos átomos. Está em equilíbrio se a energia livre 
está em um valor mínimo para alguma combinação específica de 
temperatura, pressão e composição 
Refletido por uma constância no que se refere às características da 
fase de um sistema em relação ao tempo. 
Sistemas metalúrgicos e materiais de interesse – equilíbrio envolve 
apenas fases sólidas. 
A taxa segundo a qual se chega ao equilíbrio é muito lenta, então o 
estado de equilíbrio nunca é completamente atingido – Equilíbrio 
metaestável 
Importância: A resistência de alguns aços e ligas de 
alumínio dependem do desenvolvimento de microestruturas 
metaestáveis durante tratamentos térmicos. 
• Sistema: um corpo especifico do material ou uma série de ligas 
possíveis que são formadas pelos mesmos componentes, porém 
com composições independentes à da liga. 
• Fase: porção homogênea do material que tem propriedades físicas 
ou químicas uniformes. 
– Ex: Mistura água/gelo – duas fases 
 Quimicamente idênticas – H2O 
 Fisicamente distintas – líquida / sólida 
• Microestrutura: características estruturais dos grãos ou das fases 
que estejam sujeitas a observação sob um microscópio. 
• Diagramas de Fase: mapas que permitem prever a microestrutura 
de uma material em função da temperatura e composição de cada 
componente. 
Úteis para prever as transformações de fases e as 
microestruturas resultantes que podem apresentar 
caráter de equilíbrio ou ausência de equilíbrio; 
Os diagramas são binários ou ternários 
Sistemas com mais de 3 materiais não podem ser 
representados no plano ou no espaço 
• A partir de considerações termodinâmicas, J. W. Gibbs 
estabeleceu uma equação que permite determinar o número 
de fases que podem coexistir, em equilíbrio, em um 
determinado sistema. 
 
• Esta equação é designada por REGRA DAS FASES DE 
GIBBS 
 
 
 
 
 
 Onde: 
 
F + N = C + 2 
 
F = número de fases que coexistem num determinado sistema. 
C = número de componentes do sistema. 
N = número de graus de liberdade. 
• Componente – C  é definido, como sendo: Um elemento, 
um composto ou uma solução sólida presente no sistema. 
 
• Número de graus de liberdade – N  É o número de 
variáveis (pressão, temperatura e composição) que podem 
ser alteradas de modo independente, sem que ocorra no 
sistema qualquer alteração da fase ou fases em equilíbrio. 
 
• Diagrama PT da água pura 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
• No ponto triplo  3 fases 
 
 
 
 
 
• Significa que para manter as três fases em equilíbrio, 
nenhuma das variáveis (temperatura ou pressão) pode ser 
alterada. O ponto triplo é designado por ponto invariante. 
 
F + N = C + 2 
3 + N = 1 + 2 
N = 0  (zero grau de liberdade)• Sobre a linha de solidificação líquido-sólido  2 fases 
 
 
 
 
 
• Este resultado indica que uma das variáveis (T ou P) pode 
ser alterada independentemente da outra, mantendo-se a 
coexistência das duas fases do sistema. 
 
F + N = C + 2 
2 + N = 1 + 2 
N = 1  (um grau de liberdade) 
 
 
 
F + N = C + 2 
1 + N = 1 + 2 
N = 2  (dois graus de liberdade) 
 
 
 Como a maioria dos diagramas binários, usados em ciência 
de materiais, são diagramas temperatura – composição nos 
quais a pressão é mantida constante, geralmente 1 atm. 
Neste caso, temos a REGRA DAS FASES “CONDENSADA”, 
que é dada por: 
F + N = C + 1 
 
• Exemplo: Ferro puro  existem três fases sólidas separadas 
e distintas: o Fe- (alfa), o Fe- (gama) e o Fe- (delta). 
 
Fe-  CFC 
Fe-  CCC 
Fe-  CCC 
Pontos triplos: 
Líquido, vapor e Fe- 
vapor, Fe- e Fe- 
vapor, Fe- e Fe- 
 
TIPOS FUNDAMENTAIS 
1)Duas substâncias são solúveis em qualquer 
proporção nos estados líquido e sólido 
2)Duas substâncias são solúveis em qualquer 
proporção no estado líquido e insolúveis no 
sólido 
• Isomorfo: quando a solubilidade é completa (Exemplo: Sistema 
Cu-Ni) 
 • Duas fases: 
-Líquido 
-Solido 
 
• Três campos de fases: 
-Líquido 
-Líquido + Solido 
-Solido 
 
 
30 
• Curva liquidus: Separa os campos das fases L e α + L – é líquido acima dessa curva 
• Curva solidus: Separa os campos de fase sólida da bifásica 
•Para qualquer composição que não seja de componentes puros, o fenômeno de fusão 
ocorre ao longo de uma faixa de temperatura entre as curvas solidus e liquidus. As duas 
fases estão em equilíbrio dentro dessa faixa. 
Para determinar as fases: 
•Se está fora da região bifásica a solução 
é trivial: 
Ex: A:60% de Ni e 40% de Cu - Como 
esse ponto está localizado dentro da 
região α, exclusivamente a fase α estará 
presente. 
•A fração líquida é igual a : 
 
•A fração sólida é igual a : 
 
•Quanto maior o segmento, p ex. RT, mais próximo da curva Liquidus estará o ponto R e maior a fração 
líquida 
ST
RT
ST
RS
S 
T 
• 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 conexão (isoterma) 
“Para um sistema monofásico a composição é a mesma da liga” 
 
• Percentagem das fases  quantidades relativas das fases 
usando a regra das alavancas 
 
• Exemplo: Sistema binário cobre-níquel se aplica a condições da 
pressão atmosférica e resfriamento lento, ou seja, condições de 
equilíbrio. 
• Fases presentes: 
– Ponto A → apenas fase alfa 
– Ponto B → fase alfa e fase líquida 
 
• Composição de cada fase: 
– Uma fase → trivial → composição lida direto do gráfico. 
– Duas fases → Usa-se o método da linha de conexão (tie-line) 
• A tie-line se estende de uma fronteira a outra 
• Marca-se as intersecções entre a tie-line e as fronteiras e verifica-se as 
concentrações correspondentes no eixo horizontal 
• Consiste na solução de duas equações simultâneas de 
balanço de massa: 
– Com apenas duas fases presentes, a soma das suas frações tem que 
ser 1: 
Wα + WL = 1 
– A massa de um dos componentes (ex. Ni) que está presente em 
ambas as fases deve ser igual a massa deste componente na liga 
como um todo: 
WαC α + WLC L = C0 
 
• A regra da alavanca, na verdade, deveria ser chamada de 
regra da alavanca invertida. 
 
• Se uma liga consiste de mais de uma fase, a quantidade de cada fase 
presente pode ser encontrada aplicando-se a regra da alavanca no 
diagrama de fase. 
• A regra da alavanca pode ser explicada considerando uma balança 
simples. 
• A composição da liga é representada pelo apoio, e a composição das 
fases pelas extremidades da barra. 
• As proporções das fases presentes são determinadas pelos pesos 
necessários para equilibrar a balança. 
 
 
Fração da fase 1 = (C2-C)/(C2-C1) 
Fração da fase 2 = (C-C1)/(C2-C1). 
 
 
• 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-Co 
 C-CL 
S = Co-CL 
 C-CL 
 
37 37 
•A fração líquida é igual a : 
 
•A fração sólida é igual a : 
 
•Quanto maior o segmento, p ex. RT, mais próximo da curva Liquidus estará o ponto R e maior a fração 
líquida 
ST
RT
ST
RS
S 
T 
Ex: Considerando o ponto R = B = 60%Ni e 40% Cu 
T = Ni 71% e Cu 29% 
S = Ni 45% e 55% Cu 
Para determinar a composição de S e T: 
1. Constrói uma linha de amarração através da região bifásica à temperatura da liga. 
2. Anota-se as interseções da linha de amarraçào com as fronteiras em ambas as fases em 
ambos os lados. 
3. Traçam-se linhas perpendiculares à linha de amarração a partir dessas interseções até o 
eixo horizontal, onde as composições podem ser lidas. 
%7,57
26
15
4571
4560




ST
RS
daFraçãosóli
%3,427,57100 idaFraçãolíqu
• Para uma liga que contém 40%p Sn – 60%p Pb à temperatura de 150 oC 
(300 oF): 
a) Quais fases estão presentes? 
b) Quais são suas composições? 
c) Quais suas quantidades relativas? 
Cα Cβ 
C0 
66,0
1098
40980










CC
CC
W
34,0
1098
10400 









CC
CC
W
• Até agora foram vistos diagramas de fases Isomorfos nos 
quais existe uma faixa de temperatura em que há completa 
miscibilidade de um constituinte no outro. 
• Outra condição utilizada é de que os diagramas são de 
Equilíbrio. 
• Qualquer variação de temperatura ocorre lentamente o 
suficiente para permitir um rearranjo entre as fases por meio 
de Difusão. 
• As fases presentes a uma dada temperatura são estáveis 
 
wt% Ni 20 
120 0 
130 0 
3 0 4 0 5 0 
110 0 
L (líquido) 
 
(sólido) 
T(°C) 
A 
35 
C o 
L: 35wt%Ni 
46 35 
43 
32 
 : 43 wt% Ni 
L: 32 wt% Ni 
L: 24 wt% Ni 
 : 36 wt% Ni 
B : 46 wt% Ni 
L: 35 wt% Ni 
C 
D 
E 
24 36 
• Diagrama de fases: 
– Sistema Cu-NI 
 
• Sistema é: 
– Binário ( Cu e Ni) 
– Isomorfo (completa 
solubilidade entre Cu e 
Ni) 
 
• Considerando: 
– Co = 35% 
• Durante o resfriamento ocorrem mudanças na composição 
das duas fases. 
• Estas mudanças dependem de difusão  Processo lento 
• A região central de cada grão vai ser “RICA” no constituinte 
de PF mais alto. 
• A concentração do outro constituinte aumenta em direção ao 
contorno de grão. 
• Por isso os contornos de grão são mais sensíveis à T  no 
aquecimento eles derreterão e o material fundirá 
 
• Sistema Cu-Ni: composição de  
• Resfriamento rápido: 
 Estrutura zonada 
• Resfriamento lento: 
 Estrutura de equilíbrio 
46 wt% Ni Teor uniforme de Ni 
 
 35 wt% Ni 
 < 35 wt% Ni 
 
45 
46 
2) SISTEMA EUTÉTICO BINÁRIO 
•Possui 3 regiões monofásicas: , β e L; 
• - solução rica em cobre, prata como componente soluto e estrutura CFC 
•β – Estrutura CFC, o cobre é o soluto 
•A solubilidade de cada uma das fases é limitada, 
•Abaixo de BEG, apenas uma concentração limitada de prata dissolve no cobre e vice-
versa; 
• Curva solvus: separa  ou β de  + β – BC, HG 
• Curva solidus:separa  e +L e β e β+L – AB, FG, BEG 
• Curva liquidus: FE - a introdução do cobre reduz a temperatura de fusão da prata e 
vice-versa 
 
48 
BEG - Representa a temperatura mais baixana qual uma fase líquida 
pode existir para qualquer liga cobre-prata em equilíbrio; 
E = Ponto Eutético ou Invariante 
Sob resfriamento, uma fase líquida é transformada em duas 
fases sólidas. 
A reação oposta ocorre com o aquecimento. 
L (Ct)  (C E) + β (C βE) 
 
Resf. 
Aquec. 
Reação Eutética = Facilmente Fundido 
A curva BEG = isoterma eutética 
 Três fases podem estar em equilíbrio, mas apenas nos pontos ao longo da 
isoterma; 
As regiões monofásicas estão sempre separadas por uma bifásica 
 Podem ser espaciais com dificuldades de representação que, no entanto, podem ser contornados 
projetando em um plano horizontal os diversos pontos e curvas. 
Prática: estuda A e B com 10%C, 20%C, 30%C... 
CARACT: