Aula3_Diagramas de fases

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Eng. e Ciência dos Materiais 
Curso de Engenharia 1º/2013 
Prof. Marcelo Zampieri 
Diagramas de Fase 
Capítulo 9 – PLT Calistter pg. 168 
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Diagramas de fase em condições de 
equilíbrio 
 
- Definições e conceitos básicos: identificação das fases, limite de 
solubilidade, microestrutura das fases. 
- Diagramas de equilíbrio binários isomorfos e eutéticos 
- Reações eutetóides e peritéticas 
- Sistema Fe-C e microestruturas que se formam no resfriamento 
lento 
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DIAGRAMA DE FASE OU DE EQUILIBRIO 
1. Importância: 
 
- Dá informações sobre microestrutura e propriedades 
mecânicas em função da temperatura e composição; 
- Permite a visualização da solidificação e fusão; 
- Prediz as transformações de fases; 
- Dá informações sobre outros fenômenos. 
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• 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. 
 Quando o limite de solubilidade é ultrapassado forma-se uma 
segunda fase com composição distinta 
LIMITE DE SOLUBILIDADE 
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FASES 
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 2 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. 
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DIAGRAMA DE FASES OU DE EQUILÍBRIO 
• 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 
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• Fases de equilíbrio: suas propriedades ou características não 
mudam com o tempo. 
 
Geralmente são representadas nos diagramas por letras gregas 
 
Fases metaestáveis: suas propriedades ou características mudam 
lentamente com o tempo, ou seja, o estado de equilíbrio não é 
nunca alcançado. No entanto, não há mudanças muito perceptíveis 
com o tempo na microestrutura das fases metaestáveis. 
FASES DE EQUILÍBRIO E FASES METAESTÁVEIS 
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DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO PARA SISTEMAS 
BINÁRIOS E ISOMÓRFOS 
Isomorfo quando a solubilidade é completa (Exemplo: Sistema 
Cu-Ni) 
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 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 
conecção (isotérma) 
 
 
 Para um sistema monofásico a composição é a mesma da liga 
 
 Percentagem das fases (quantidades relativas das fases) 
regra da alavanca 
INTERPRETAÇÃO DO DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO 
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SISTEMA Cu-Ni 
DETERMINAÇÃO DAS FASES PRESENTES E DA COMPOSIÇÃO 
QUÍMICA DAS FASES 
Comp. Liq= 32% de Ni e 68% de Cu 
Comp. Sol. = 45% de Ni e 55% de Cu 
B 
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• Composição das fases 
 
 
• Percentagem das fases 
Fase líquida 
 
 
Fase sólida 
SISTEMA Cu-Ni 
Determinação das quantidades relativas das fases 
Comp. Líq = 31,4% Ni e 68,9%Cu 
Comp. Sol. = 42,5% Ni e %57,5Cu 
L = S 
 R+S 
S = R 
 R+S 
L = C-C0 
 C-CL 
L = Co-CL 
 C-CL 
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DESENVOLVIMENTO DA MICROESTRUTURA 
• A microestrutura só segue o diagrama de equilíbrio para 
velocidades de solidificação lentas; 
• Na prática, não há tempo para a difusão completa e as 
microestruturas não são exatamente iguais às do equilíbrio; 
• O grau de afastamento do equilíbrio dependerá da taxa de 
resfriamento; 
• Como consequência da solidificação fora do equilíbrio tem-se a 
segregação (a distribuição dos 2 elementos no grão não é 
uniforme. 
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Mudança na composição das fases durante o processo de 
solidificação 
Ex: o centro do grão mais rico do elemento com o elemento de maior ponto de fusão) 
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Curva de solidificação e Remoção do calor latente de 
fusão 
Remoção do calor 
latente de fusão 
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FORMAÇÃO DA MICROESTRUTURA 
A distribuição dos 2 elementos no grão não é uniforme, sendo neste caso o centro do 
grão mais rico do elemento com o menor ponto de fusão 
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SOLUBILIDADE 
É dada pela linha solvus 
LINHA SOLVUS 
() 
() 
 +  
 
LINHA SOLVUS 
 + l 
l +  
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SISTEMAS EUTÉTICOS BINÁRIOS 
9.7 – Callister pg. 177 
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SISTEMAS EUTÉTICOS BINÁRIOS 
Reação eutética: 
Líquido  +  
 
• Neste caso a solidificação processa-se como num metal 
puro, no entanto tem-se como produto 2 fases sólidas 
distintas. 
Microestrutura do eutético: 
LAMELAR camadas alternadas de fase  e . 
Ocorre desta forma porque é a de menor percurso para a 
difusão 
 
Eutético vem do grego e 
significa “de fusão mais fácil” 
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Sistemas eutéticos binários 
• Um outro tipo comum e relativamente simples de 
diagrama de fases, encontrado em ligas binárias, é o 
diagrama de fases eutético binário. 
• Diversas características desse diagrama são importantes e 
dignas de observação. 
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 Em primeiro lugar, são encontradas três regiões 
monofásicas distintas: ,  e líquido. 
 
 Além disso, três regiões bifásicas também podem ser 
encontradas:  + líquido,  + líquido e  +  . 
 
 Como exemplo é mostrado a seguir o diagrama de fases 
para o sistema chumbo-estanho. 
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 Para o diagrama Pb-Sn, a fase  é uma solução sólida 
rica em chumbo e que possui o estanho como o 
componente soluto. 
 
 
 A fase  é uma solução sólida ricaem estanho e possui 
o chumbo como componente soluto. 
 
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 O componente chumbo possui uma estrutura cristalina 
CFC e o componente estanho uma estrutura cristalina 
tetragonal. 
 
 
 À medida que átomos de Sn entram na estrutura CFC 
formada por átomos de Pb, a rede vai se tornando um 
tanto distorcida, em comparação com uma rede formada 
apenas por átomos de Pb, mas ainda é identificável como 
CFC. 
 
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 Entretanto, em uma certa composição, a adição de mais 
átomos de Sn faz com que a fase única se separe em duas 
fases: 
 
 Uma fase com estrutura cristalina CFC, designada como 
, constituída primariamente de átomos de Pb, com 
alguns átomos de Sn em solução sólida. 
 Outra fase com estrutura cristalina tetragonal, designada 
como , constituída primariamente de átomos de Sn, com 
alguns átomos Pb em solução. 
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 Pode ser observado no diagrama Pb-Sn que à medida 
que o estanho é adicionado ao chumbo, a temperatura na 
qual a liga se torna totalmente líquida diminui ao longo 
da linha liquidus. Dessa forma, a temperatura de fusão 
do chumbo é reduzida por adições de estanho. 
 
 
 A temperatura de fusão completa do estanho também é 
reduzida pela introdução do chumbo. 
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 Considere o resfriamento de uma liga rica em chumbo. 
 
 A solubilidade do estanho no chumbo cai quando a 
temperatura é reduzida para abaixo da temperatura 
eutética. 
 
 O excesso de estanho se precipita durante o resfriamento. 
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 Entretanto, os átomos de estanho em excesso, que não 
mais se dissolvem em  à temperatura mais baixa, não 
são mais rejeitados na forma de estanho puro, porque o 
chumbo é solúvel até uma certa proporção no estanho. 
 
 O precipitado é na realidade uma solução . 
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REAÇÃO EUTÉTICA 
Líquido  +  
LINHA SOLVUS 
() 
 +  
 
() 
Indica solubilidade 
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 As linhas liquidus e solidus se encontram num ponto 
invariante chamado ponto eutético. 
 
 Ocorre uma reação importante, para uma liga de 
composição eutética, à medida que ela muda de 
temperatura ao passar pela temperatura eutética. 
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 Sob resfriamento, uma fase líquida é transformada nas 
duas fases sólidas  e . Uma reação oposta ocorre no 
aquecimento. 
 
 Essa reação é chamada reação eutética. A forma geral da 
reação é: 
 
2S 1S L
OAQUECIMENT
TORESFRIAMEN

 
 
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 Para o sistema chumbo-estanho, um líquido possuidor de 
composição eutética (38,1%p Pb-61,9%p Sn) se separa 
em duas fases sólidas ( e ) na temperatura eutética 
(183C). 
 
 A reação eutética para o sistema chumbo-estanho é: 
Sn) (97,5%p Sn) (19,2%p )Sn p%9,61( L
C183


 

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 Somente na temperatura eutética as três fases (,  e 
líquido) podem estar em equilíbrio. 
 
 
 Se uma liga de composição eutética for aquecida, as duas 
fases sólidas se fundem num líquido monofásico. 
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 Uma adequada mistura de dois ou mais metais pode gerar 
ligas de baixo ponto de fusão. 
 
 
 Uma liga muito familiar é o metal de solda (40%p Pb-
60%p Sn). Esta liga está bem próxima da composição 
eutética que se funde a 183C. 
 
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 A figura a seguir apresenta um exemplo de 
representação esquemática do desenvolvimento das 
microestruturas, durante a solidificação em condições de 
equilíbrio, para uma liga com composição eutética, 
acima e abaixo da temperatura eutética. 
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 A figura a seguir é uma fotomicrografia mostrando a 
microestrutura de uma liga chumbo-estanho com 
composição eutética. Essa microestrutura consiste em 
camadas alternadas de uma solução sólida da fase  rica 
em chumbo (camadas escuras) e de uma solução sólida 
da fase  rica em estanho (camadas claras). 
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Liga chumbo-estanho com composição eutética 
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 A figura a seguir apresenta um exemplo de representação 
esquemática do desenvolvimento das microestruturas, 
durante a solidificação em condições de equilíbrio, para 
uma liga com composição à esquerda do ponto eutético, 
acima e abaixo da temperatura eutética. 
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 A figura a seguir é uma fotomicrografia mostrando a 
microestrutura de uma liga chumbo-estanho com 
composição 50%p Sn-50%p Pb. Essa microestrutura é 
composta por uma fase  primária rica em chumbo 
(grandes regiões escuras) no interior de uma estrutura 
eutética lamelar, que consiste de uma fase  rica em 
estanho (camadas claras) e uma fase  rica em chumbo 
(camadas escuras). 
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 Transformações e microestruturas análogas resultam para 
ligas que possuem composições à direita do ponto 
eutético (isto é, entre 61,9 e 97,8%p Sn). 
 
 Entretanto, abaixo da temperatura do eutético, a 
microestrutura consistirá nos microconstituintes eutético 
e primário , pois, com o resfriamento a partir da fase 
líquida, passa-se através do campo das fases  + líquido. 
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Problema-Exemplo 9.2 : 
Para uma liga com 40%p Sn – 60%p Pb a 150°C (300°F), (a) Qual(is) fase(s) está(ão) 
presente(s)? (b) Qual(is) é(são) a(s) composição(ões) da(s) fase(s)? 
 
Problema-Exemplo 9.3 : 
Para a liga chumbo-estanho no Problema-exemplo 9.2, calcule as quantidades relativas 
de cada fase presente em termos da (a) fração mássica e da (b) Fração volumétrica. 
Supondo que as densidades do Pb e do Sn a 150°C sejam de 11,23 e 7,24 g/cm3, 
respectivamente.