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Ciência dos Materiais Diagrama de Fases Prof. Guilherme Stocco Diagrama de Fases de um Componente • Provavelmente, o tipo mais simples e mais fácil de diagrama de fases para ser compreendido é aquele para um sistema com um único componente, no qual a composição é mantida constante (isto é, o diagrama de fases para uma substância pura); • isso significa que a pressão e a temperatura são as variáveis. Esse diagrama de fases para um único componente (ou diagrama de fases unário) [algumas vezes também chamado diagrama pressão-temperatura (ou P-T)] é representado como um gráfico bidimensional da pressão (nas ordenadas, ou eixo vertical) em função da temperatura (nas abscissas, ou eixo horizontal). Mais frequentemente, o eixo da pressão é traçado em escala logarítmica. • Os diagramas de fases pressão-temperatura para diversas substâncias foram determinados experimentalmente, nos quais também estão presentes as regiões para as fases sólido, líquido e gás. Naqueles casos em que existem múltiplas fases sólidas, o diagrama tem uma região para cada fase sólida e também outros pontos triplos. Diagramas de Fases Binários • Outro tipo de diagrama de fases extremamente comum é aquele em que a temperatura e a composição são os parâmetros variáveis, enquanto a pressão é mantida constante – normalmente em 1 atm. • Existem vários tipos de diagramas diferentes, mas vamos nos concentrar nas ligas binárias – aquelas com dois componentes. Se mais de dois componentes estiverem presentes, os diagramas de fases se tornam extremamente complicados e difíceis de serem representados. • Uma explicação dos princípios que regem os diagramas de fases e sua interpretação pode ser obtida por meio das ligas binárias, apesar de a maioria das ligas conterem mais que dois componentes. • Os diagramas de fases binários são mapas que representam as relações entre a temperatura e as composições e quantidades das fases em equilíbrio, as quais influenciam a microestrutura de uma liga. • Muitas microestruturas se desenvolvem a partir das transformações de fases, que são as alterações que ocorrem quando a temperatura é modificada (normalmente, durante o resfria- mento). • Isso pode envolver a transição de uma fase em outra, ou o aparecimento ou desapareci- mento de uma fase. Os diagramas de fases binários são úteis para prever as transformações de fases e as microestruturas resultantes, que podem ser de equilíbrio ou fora de equilíbrio. Sistemas Isomorfos Binários • Possivelmente, o tipo de diagrama de fases binário mais fácil de ser compreendido e interpretado é aquele caracterizado pelo sistema cobre- níquel • A temperatura é traçada ao longo da ordenada e a abscissa representa a composição da liga, em porcentagem em peso (escala inferior) e em porcentagem atômica (escala superior) de níquel. • A composição varia entre 0%p Ni (100%p Cu), na extremidade horizontal à esquerda, e 100%p Ni (0%p Cu), à direita. • Três regiões, ou campos, de fases diferentes aparecem no diagrama: um campo alfa (α), um campo líquido (L) e um campo bifásico α + L. Cada região é definida pela fase ou pelas fases que existem ao longo das faixas de temperaturas e composições delimitadas pelas curvas de fronteira entre as fases. • O líquido L é uma solução líquida homogênea composta tanto por cobre quanto por níquel. A fase α é uma solução sólida substitucional, contendo átomos de Cu e de Ni, e com uma estrutura cristalina CFC. • Em temperaturas abaixo de aproximadamente 1080°C, o cobre e o níquel são mutuamente solúveis entre si no estado sólido para todas as composições. • Essa solubilidade completa é explicada pelo fato de que tanto o Cu quanto o Ni possuem a mesma estrutura cristalina (CFC), raios atômicos e eletronegatividades praticamente idênticos, e valências semelhantes. • O sistema cobre-níquel é denominado isomorfo devido a essa completa solubilidade dos dois componentes nos estados líquido e sólido. • Alguns comentários são importantes em relação à nomenclatura. Em primeiro lugar, para as ligas metálicas, as soluções sólidas são designadas usualmente por letras gregas minúsculas (α, β, γ, etc.). • Além disso, em relação às fronteiras entre as fases, a curva que separa os campos das fases L e α + L é denominada linha liquidus, como indicado na Figura anterior; a fase líquida está presente em todas as temperaturas e composições acima dessa curva. • A linha solidus está localizada entre as regiões α e α + L, e abaixo dela existe somente a fase sólida α. • Para a Figura anterior, as linhas solidus e liquidus se interceptam nas duas extremidades de composição; esses pontos correspondem às temperaturas de fusão dos componentes puros. • Por exemplo, as temperaturas de fusão do cobre puro e do níquel puro são de 1085°C e 1453°C, respectivamente. • O aquecimento do cobre puro corresponde a um movimento vertical, para cima, ao longo do eixo da temperatura à esquerda. O cobre permanece sólido até ser atingida sua temperatura de fusão. • A transformação de sólido para líquido ocorre na temperatura de fusão, e nenhum aquecimento adicional é possível até que essa transformação tenha sido completada. • Para qualquer composição que não aquelas dos componentes puros, esse fenômeno de fusão ocorrerá ao longo de uma faixa de temperaturas entre as linhas solidus e liquidus; as duas fases, sólido α e líquido, estarão em equilíbrio nessa faixa de temperaturas. • Por exemplo, ao se aquecer uma liga com composição de 50%p Ni-50%p Cu, a fusão tem início a aproximadamente 1280°C (2340°F); a quantidade da fase líquida aumenta continuamente com a elevação da temperatura até aproximadamente 1320°C (2410°F), quando a liga fica completamente líquida.