02 DiagramasDeFase

Prévia do material em texto

Universidade Federal do Paraná 
Setor de Tecnologia 
Departamento de Engenharia Mecânica 
Prof. Rodrigo Perito Cardoso 
TM343 
Materiais de Engenharia 
Capítulo 9 – Revisão - Diagramas de 
Fase e Sistema Fe-C 
Prof. Rodrigo Perito Cardoso 
Onde estamos? 
• Introdução 
• Revisão dos conceitos de mecanismos de endurecimento e 
diagramas de fase (invertendo a ordem do Callister) 
• Alumínio e suas ligas 
– Classificação das ligas de Al 
– Tratamentos térmicos das ligas de Alumínio 
– Metalurgia das ligas de Alumínio 
• Ligas ferrosas 
– Aços e ferros fundidos 
– Diagramas TTT e TRC 
– Tratamentos térmicos dos metais ferrosos 
– Metalurgia dos metais ferrosos 
– Tratamentos termoquímicos 
• Noções de Outras ligas (Mg, Ti, Co, Ni, etc) 
Prof. Rodrigo Perito Cardoso 
Roteiro da aula 
• Introdução 
• Definições e conceitos básicos 
– Limite de solubilidade 
– Fases 
– Microestrutura 
– Equilíbrio de fases 
• Diagramas de sistemas em condições de equilíbrio 
– Interpretação do diagrama 
– Desenvolvimento da microestrutura 
– Sistemas binários 
– Pontos invariantes 
– Diagramas ternários 
• O Sistema Ferro-carbono 
Prof. Rodrigo Perito Cardoso 
Introdução 
• Existência de diversas fases 
• Importante para tratamentos 
térmicos (mudança de fase) 
• Importante de se conhecer 
mesmo para casos fora do 
equilíbrio (tendência final é o 
equilíbrio) 
• Forte relação com a 
microestrutura da liga 
 
Aço AISI1045 (3000X) 
Prof. Rodrigo Perito Cardoso 
Definições e conceitos 
• Componente: metal ou composto 
• Soluto e solvente 
• Sistema: diferentes ligas possíveis com os 
mesmos componentes 
• Solução sólida 
– Substitucional ou intersticial (estrutura cristalina 
do solvente é mantida) 
Prof. Rodrigo Perito Cardoso 
Limite de solubilidade 
• Concentração máxima de soluto em solução 
sólida a uma dada temperatura. (ex: água e 
açúcar) 
Soma = 100% 
Prof. Rodrigo Perito Cardoso 
Fases 
• Porção homogênea do sistema com 
características físicas e químicas uniformes 
– Ex: água açúcar (xarope + açúcar) 
– Fronteira abrupta de propriedades (ex: solido-
liquido) 
– Polimorfismo (CCC - CFC) 
 
Sistema homogêneo (1 fase) 
Mistura (+ de 1 fase) 
 
Maioria dos materiais -> Mistura 
Prof. Rodrigo Perito Cardoso 
Microestrutura 
• Número de fase, sua porção e como elas estão 
distribuídas 
– Depende da composição, do tratamento, etc 
 
Aço AISI1045 (3000X) Perlita grossa e fina 
Prof. Rodrigo Perito Cardoso 
Equilíbrio de fases 
• Equilíbrio -> Energia Livre (energia interna e 
desordem) 
• O sistema está em equilíbrio se, para uma 
determinada temperatura, pressão e 
composição, está com o mínimo de sua 
Energia Livre -> o sistema não muda com o 
tempo 
• Se mudarmos temperatura, pressão ou 
composição o sistema sai do mínimo e uma 
mudança espontânea pode ocorrer 
Prof. Rodrigo Perito Cardoso 
Equilíbrio de fases 
• Nos metais pode envolver somente fases sólidas 
• Não envolve o intervalo de tempo para que o 
processo ocorra 
• Equilíbrio Metaestável -> cinética lenta 
Aquecimento 
Prof. Rodrigo Perito Cardoso 
Curvas de energia 
- Alotropia do Ferro: 
??? 
Prof. Rodrigo Perito Cardoso 
Diagramas de Fase em Equilíbrio 
• Muitas informação sobre o controle de 
microestruturas pode ser retirado do digrama de 
fases -> úteis para previsão de transformações de 
fase 
• Temperatura, pressão e composição (1 atm) 
 
Prof. Rodrigo Perito Cardoso 
Sistemas Isomorfos Binários 
• É o mais Simples -> 1 Fase sólida (Cu-Ni) 
– Solubilidade total (4 fatores) 
– Sol. Sólida -> letras gregas minúsculas (α, β, γ, etc) 
Curva liquidus Curva solidus 
Prof. Rodrigo Perito Cardoso 
Interpretação dos diagramas 
1. Fases presentes -> ver onde o ponto se localiza 
2. Composição das fases -> Reta a temperatura cte 
3. Porcentagem das fases -> Regra da alavanca 
A: Fase a 
B: Fase a + L 
Prof. Rodrigo Perito Cardoso 
Demonstração 
Regra da alavanca -> Conservação da massa 
A: Fase a 
B: Fase a + L 
Fração Mássica 
Prof. Rodrigo Perito Cardoso 
Regra da alavanca -> Conservação da massa 
A: Fase a 
B: Fase a + L 
Fração Volumétrica -> pode ser determinada por microscopia (importante) 
Prof. Rodrigo Perito Cardoso 
Exercício 1 
• Para uma liga 20% Ni + 
80% Cu é aquecida 
lentamente, determine: 
– Temperatura de 
aparecimento do primeiro 
líquido e sua composição 
– Temperatura de 
desaparecimento total do 
sólido, a composição do 
líquido nesse momento e a 
composição do ultimo 
sólido a fundir 
– Fração de sólido e líquido 
no ponto C e a composição 
das fases presentes 
C 
Prof. Rodrigo Perito Cardoso 
Exercício 2 
A 
B 
C 
Para os pontos A, B e C 
determinar: 
 
1. Fases presentes 
2. Composição destas fases 
3. Porcentagem das fases 
 
Caso estas ligas sejam resfriadas 
até a temperatura ambiente 
lentamente determinar: 
 
1. Fases presentes 
2. Composição destas fases 
3. Porcentagem das fases 
 
Prof. Rodrigo Perito Cardoso 
Desenvolvimento da microestrutura 
Ligas isomorfas 
• Resfriamento em condições de equilíbrio (lento) 
Equilíbrio é mantido 
 
b - Curva Liquidus 
d - Curva Sólidus 
Prof. Rodrigo Perito Cardoso 
Desenvolvimento da microestrutura 
Ligas isomorfas 
• Resfriamento fora das condições de equilíbrio (rápido) – 
animação – Mundo real Equilíbrio -> Difusão 
Difusão lenta no sólido 
 
Segregação -> Estrutura Zonada 
-> contorno funde antes 
 
Estrutura Zonada -> corrigida por 
tratamento térmico de homogeneização 
Ainda existe líquido 
Composição média do grão 
Prof. Rodrigo Perito Cardoso 
Propriedades mecânicas de ligas 
isomorfas 
• Tamanho de grão constante 
• Sem Trabalho a Frio 
• Aumento de resistência -> Solução Sólida 
Prof. Rodrigo Perito Cardoso 
Sistemas Eutéticos Binários 
• Solubilidade não é total 
 
 
 
 
 
 
 
• Três regiões monofásicas e três bifásicas (quais?) 
• Descreva as soluções é a e b? 
 
Curva Solvus 
Curva Solidus 
Curva Liquidus 
Ponto invariante 
(eutético) 
Reação eutética 
Prof. Rodrigo Perito Cardoso 
Ex: Solda de estanho 
Prof. Rodrigo Perito Cardoso 
Ex: Solda de estanho sem Pb 
Prof. Rodrigo Perito Cardoso 
Ex: H2O + NaCl 
Olhando o diagrama: 
 
Porque colocar sal sobre o gelo faz 
com que ele derreta? 
 
A partir de que momento colocar mais 
sal não auxilia no derretimento do 
gelo? 
Prof. Rodrigo Perito Cardoso 
Desenvolvimento da estrutura em 
ligas eutéticas 
• Diversas possibilidades 
Prof. Rodrigo Perito Cardoso 
Desenvolvimento da estrutura em 
ligas eutéticas 
Prof. Rodrigo Perito Cardoso 
Desenvolvimento da estrutura em 
ligas eutéticas 
Redistribuição de 
componentes -> Difusão 
Estrutura eutética 
Prof. Rodrigo Perito Cardoso 
Desenvolvimento da estrutura em 
ligas eutéticas 
Difusão no líquido 
Distâncias curtas 
Prof. Rodrigo Perito Cardoso 
Desenvolvimento da estrutura em 
ligas eutéticas 
a primária 
aEutética 
 
Microconstituinte 
≠ de fase 
 
2 fases, dois microconstituintes 
Prof. Rodrigo Perito Cardoso 
Calculo dos microconstituintes 
Se fora do equilíbrio: 1 - Grãos zonados 
 2 – Maior fração do microconstituinte eutético 
Prof. Rodrigo Perito Cardoso 
Diagramas de fase com compostos 
intermetálicos 
• Solução sólida terminal (também presente no eutético) 
• Solução sólida intermediária (fases intermediárias, ex. Cu-Zn - 
Latão) 
• Soluçãosólida ordenada (militar) 
• Linha tracejada -> sem exatidão (baixa temperatura - difusão) 
• Compostos intermediários (ex. Mg2Pb) -> composição bem 
definida -> linha vertical 
Prof. Rodrigo Perito Cardoso 
Diagramas de fase com 
intermetálicos 
Prof. Rodrigo Perito Cardoso 
Diagramas de fase com compostos 
intermetálicos 
• Pode ser considerado como dois diagramas de 
equilíbrio eutéticos (Mg-Mg2Pb e Mg2Pb-Pb) 
Prof. Rodrigo Perito Cardoso 
Reações Eutetóides e Peritéticas 
Eutetóide 
Peritético 
Além do eutético existem diversos pontos invariantes 
Reação eutetóide 
Reação Peritética 
Prof. Rodrigo Perito Cardoso 
Transformação de fases 
congruentes e incongruentes 
• Transformação congruente: sem alteração de 
composição (ex. mudança alotrópica e fusão de 
metais puros, fusão de compostos) 
 
• Transformação incongruente: com alteração de 
composição (maioria das transformações, 
transformação, ex. eutética e eutetóide e fusão 
de sistemas isomósfos) 
Prof. Rodrigo Perito Cardoso 
Transformação de fases 
congruentes e incongruentes 
Prof. Rodrigo Perito Cardoso 
Diagramas ternários 
 
Prof. Rodrigo Perito Cardoso 
Diagramas ternários 
Isomorfo Eutético 
Prof. Rodrigo Perito Cardoso 
Diagramas ternários 
Prof. Rodrigo Perito Cardoso 
Exercício 
Para a Liga C4 (30% Sn): 
• Calcular os percentuais 
mássicos de alpha e beta a 
50°C 
• Calcular o percentual mássico 
do microconstituinte eutético 
• Calcular os percentuais 
mássicos da fase alpha 
primária e secundária 
• Calcular os percentuais 
mássicos da fase beta 
primária e secundária 
• Calcular o percentual 
mássicos da fase alpha e beta 
no microconstiuinte eutético 
 
Prof. Rodrigo Perito Cardoso 
Diagrama Ferro-Carbono 
(Fe-Fe3C) 
Aços Ferros Fundidos 
Ferro “Puro” 
0,008%C 
F
e
rr
it
a
 -
 A
u
s
te
n
it
a
 
C
C
C
 -
 C
F
C
 
A
u
s
te
n
it
a
 –
 F
e
rr
it
a
 d
 
C
F
C
 -
 C
C
C
 
Fe3C 
Cementita 
Dura e frágil 
6,7% C ou 
100% Fe3C 
Ferrita CCC 
7,88 g/cm3 
Ferrita d – pouca importância 
Austenita CFC 
Prof. Rodrigo Perito Cardoso 
Ferrita max. C 0,022% 
Austenita max. C 2,14% 
CFC é mais densa e tem maior solubilidade? Como? 
Prof. Rodrigo Perito Cardoso 
Energia livre de Gibbs para o Fe 
• Transformações espontâneas ocorrem para minimizar a 
energia (a fase mais estável é aquela que apresenta menor 
energia livre de Gibbs) 
Interstícios da Estrutura do Ferro a Interstícios da Estrutura do Ferro  
0,19 (0,15R) 0,52 (0,41R) 0,29 (0,23R) 0,36 (0,29R) 
Espaço 
ângstrons 
Raio do Carbono 0,71 
Prof. Rodrigo Perito Cardoso 
Particularidades da Cementita Fe3C 
• Dura e Frácil -> Composto (cerâmica) 
• Rigorosamente metaestável 
• A 700°C durante alguns anos -> Grafite + 
ferrita (diagrama não é de equilíbrio) 
• A temperatura ambiente “nunca” se 
transforma 
• Adição de Silício acelera a transformação 
(ferro fundido) 
 
Prof. Rodrigo Perito Cardoso 
Diagrama Ferro-Carbono 
Pontos invariantes 
??? 
Importante 
para os 
tratamentos 
térmicos 
Prof. Rodrigo Perito Cardoso 
Desenvolvimento da 
microestruturas em ligas Fe-C 
• Muitas microestruturas possíveis 
• Vamos apresentar somente de resfriamento 
lento -> resfriamento rápido será visto em 
tratamento térmico e diagramas de 
transformação 
 
Prof. Rodrigo Perito Cardoso 
Ligas Eutetóide 
Espessura aproximada 8/1 
 
Estrutura -> Perlita (lembra madrepérola) 
 
Direção das lamelas varia de uma colônia 
para outra 
 
Perlita -> propriedades intermediárias 
entre ferrita e cementita 
 
Ver animação 
Prof. Rodrigo Perito Cardoso 
Ligas Eutetóide 
Motivo das lamelas -> difusão 
(semelhante ao eutético) 
Redistribuição do carbono -> 
distancia curtas 
 
Nucleação no contorno de grão 
da austenita 
 
Microconstituinte Perlita 
 
Não existe grão de perlita mas sim 
uma colônia de perlita 
 
Abaixo do eutetóide as mudanças 
microestruturais são insignificantes 
Prof. Rodrigo Perito Cardoso 
Ligas Hipoeutetóide 
Hipoeutetóide: Menos carbono que o eutetóide 
(entre 0,022 e 0,76 %C) 
 
Alpha aparece no contorno de grão -> PQ???? 
 
Ferrita proeutetóide 
Ferrita eutetóide 
 
Prof. Rodrigo Perito Cardoso 
Ligas Hipereutetóide 
Hipereutetóide: Mais carbono que o eutetóide 
(entre 0,76 e 2,14%C) 
 
Cementita proeutetóide 
Cementita eutetóide 
 
 
 
 
Prof. Rodrigo Perito Cardoso 
Ferro fundido 
Prof. Rodrigo Perito Cardoso 
Exercício 
Para C0(0,20) e C1(1,10) 
determinar: 
 
• Fração das fases ferrita 
e cementita 
 
•Fração de ferrita 
próeutetoide, cementita 
próeutetoide e perlita 
 
•Fração de ferrita e 
cementita eutetóide 
 
•Fração de ferrita e 
cementita na perlita 
Qual a composição de uma liga Fe-C que contem 50% de perlita e ferrita proeutetíde? 
Prof. Rodrigo Perito Cardoso 
Resfriamento fora das condições 
de equilíbrio 
• Na maioria das situações a taxa de 
resfriamento é mais rápida que a necessária 
para o equilíbrio 
• Conseqüência: 
– Mudança de fase em temperaturas diferentes da 
prevista no diagrama 
– Existência de fases fora do equilíbrio (ex. 
Martensita) 
Prof. Rodrigo Perito Cardoso 
Influencia de outros elementos de 
liga 
Adição de elementos de liga trás mudanças “dramáticas no diagrama de fases 
 
Ex. Níquel pode estabilizar a austenita a temperatura ambiente 
 
Elementos alphagênios e gamagênios 
Prof. Rodrigo Perito Cardoso 
É importante lembrar 
• Saber interpretar o diagrama 
– Fases presentes 
– Composição das fase 
– Fração da fases 
– Descrever evolução microestrutural no aquecimento ou resfriamento 
• Pontos invariante e suas reações -> mecanismo e 
impacto nas propriedades do material 
(microestrutura) 
• Diagrama ferro carbono - > Tudo -> será a base para 
o estudo dos aços e ferros fundidos!