Introdução a Ciência e Tecnologia dos Materiais - Diagramas de fase

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Introdução à Ciência e 
Tecnologia dos Materiais
Cursos de Graduação em Engenharia de 
Produção e Engenharia Mecânica
Diagramas de fase
Por que estudar?
� Muitas estruturas estão submetidas a variações de temperatura 
sob condições de serviço.
� O conhecimento do diagrama de fases permite o projeto e o 
controle dos tratamentos térmicos aplicados.
� O desenvolvimento da microestrutura de uma liga está
relacionado com as características do seu diagrama de fases.
Processamento
Estrutura Desempenho
Propriedades
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Conceitos Básicos
� COMPONENTE: são metais puros e/ou compostos que 
compõem uma liga.
Exemplos: Latão = Cu-Zn
Bronze = Cu-Sn
� SISTEMA: se refere à série de possíveis ligas que 
consistem nos mesmos componentes, porém independente 
da composição específica da liga.
Exemplo: Sistema Fe-C
Conceitos Básicos
� SOLUÇÃO SÓLIDA: forma-se a partir da dissolução do 
átomo de soluto na rede cristalina do solvente. As posições 
ocupadas pelo soluto podem ser intersticiais (Fe-C) ou 
substitucionais (Cu-Ni).
Em geral, as soluções 
sólidas são representadas 
por letras gregas 
minúsculas nos 
diagramas de fases.
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Conceitos Básicos
� LIMITE DE SOLUBILIDADE: concentração máxima de 
soluto que pode se dissolver no solvente para formar a 
solução sólida.
� A adição de soluto em excesso a esse limite resulta na 
formação de outra solução sólida ou de um composto com 
composição marcadamente diferente.
� Depende da temperatura, apresentando, em geral, 
comportamento crescente com o aumento da temperatura.
DIAGRAMA ÁGUA-AÇÚCAR
Solução líquida 
(xarope)
Limite de 
solubilidade
Solução 
líquida 
(xarope)
Açúcar 
sólido
Açúcar
Água
Composição (% peso)
T
em
p
er
at
u
ra
 (
ºC
)
T
em
p
er
at
u
ra
 (
ºF
)
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Conceitos básicos
� FASE: porção homogênea de um sistema que possui 
características físicas e químicas uniformes. Todo metal 
puro é considerado como uma fase, assim como as 
soluções sólidas, líquidas e gasosa.
Sistemas de 1 fase: homogêneos
Sistemas de 2 ou mais fases: heterogêneos
Observação: Quando 2 fases estão presentes, não é necessário 
que existam diferenças nas suas propriedades físicas E químicas.
Exemplo: água e gelo.
Conceitos básicos
� 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 
morfologia e distribuição das fases.
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Conceitos básicos
� Se mais de uma fase estiver presente em um dado sistema, 
cada uma possuirá suas propriedades individuais e irá
existir um contorno separando as fases, através do qual 
haverá uma mudança abrupta nas propriedades físicas e/ou 
químicas. 
Conceitos Básicos
LIGA MONOFÁSICA LIGA BIFÁSICA
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Conceitos básicos
� MICROESTRUTURA: é caracterizada pelo número de fases 
presentes, por suas proporções e pela maneira na qual estão 
distribuídas ou arranjadas. Parâmetros externos que alteram a 
microestrutura: temperatura, pressão e composição.
� A microestrutura de uma liga depende de variáveis tais como:
- Os elementos de liga que estão presentes;
- As concentrações dos componentes;
- O tratamento térmico a que a liga foi submetida, isto é: 
temperatura, tempo de aquecimento a temperatura do tratamento 
e taxa de resfriamento ate a temperatura ambiente.
Ex: Microestrutura de um aço
Fonte: Prof. Paulo Emílio Valadão de Miranda 
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Conceitos básicos
� EQUILÍBRIO: um sistema está em equilíbrio quando a energia 
livre alcança o menor valor possível sob condições combinadas de 
temperatura, pressão e composição. As características do sistema 
não mudam com o tempo, sendo este estado considerado estável.
� EQUILÍBRIO DE FASES: constância das características das fases 
de um sistema ao longo do tempo. Situação de menor energia 
livre interna.
Conceitos básicos
� ESTADO DE NÃO-EQUILÍBRIO (METAESTÁVEL): a taxa pela 
qual o sistema se aproxima do equilíbrio é extremamente lenta. Um 
sistema pode permanecer longo tempo em condições fora do 
equilíbrio. Sendo assim, um estado ou microestrutura metaestável 
pode existir indefinidamente, sofrendo mudanças quase 
imperceptíveis ao longo do tempo.
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Diagramas de Fase
� DEFINIÇÃO: representam as relações entre temperatura e as 
composições de cada fase em condições de equilíbrio, 
considerando uma pressão constante (1 atm). São úteis para 
prever as transformações de fases e as microestruturas 
resultantes.
� Os diagramas de fases não indicam o tempo necessário para que 
uma transformação ocorra.
� Os diagramas de equilíbrio mostram as estruturas que se formam 
sob condições de resfriamento LENTO. As taxas de resfriamento 
encontradas na prática provocam o SURGIMENTO DE 
ESTRUTURAS ADICIONAIS, não previstas nestes diagramas.
Diagramas de fase de 1 componente
(unário)
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Diagramas de fase de 1 componente
(unário)
� Diagramas de composição constante (substância pura);
� Gráfico pressão x temperatura;
Diagrama de fases pressão-temperatura a para água.
Diagramas de fase de 1 componente
(unário)
� Para o diagrama do slide anterior:
- Cada fase (sólida, líquida, gasosa) existe sob condições de 
equilíbrio ao longo das áreas do diagrama correspondentes;
- As curvas em vermelho são as fronteiras entre as fases. Em 
cima da linha, as duas fases coexistem em equilíbrio.
- Ponto O é o ponto triplo ou ponto invariante.
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Diagramas de fase binários
Diagramas de fase binários
� Pressão constante (1 atm);
� Gráfico temperatura x composição (variáveis que alteram a 
microestrutura);
� Transformação de fase: mudança que ocorre quando a 
temperatura é modificada.
� Estes diagramas são úteis para prever transformações de 
fases e as microestruturas resultantes.
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Sistemas isomorfos binários
� Completa solubilidade dos componentes em 
estado líquido e sólido.
Exemplo: Cu-Ni
- Mesma estrutura cristalina (CFC)
- Raios atômicos próximos
- Eletronegatividades próximas
- Valências semelhantes
DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Cu-Ni
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Sistemas isomorfos binários
� Para o diagrama do slide anterior:
- Eixo das ordenadas (y): temperatura;
- Eixo das abscissas (x): composição;
- L: solução líquida homogênea, composta por Cu e Ni;
- α: solução sólida substitucional contendo átomos de Cu e Ni, com 
estrutura cristalina CFC.
- Linha liquidus e linha solidus;
- Para ligas, a fusão não ocorre em uma temperatura fixa, mas sim 
em um intervalo de temperaturas.
Interpretação dos diagramas de fases
� Informações fornecidas pelos diagramas de fases:
1 – Fases presentes;
2 – Composição das fases;
3 – Quantidade das fases;
4 – Morfologia.
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Interpretação dos diagramas de fases
1: Fases presentes
� Basta localizar o ponto temperatura-composição 
no diagrama e observar as fases que 
correspondem ao campo de fases identificado.
Interpretação dos diagramas de fases
2: Composição das fases
� Regiões monofásicas: a composição da fase corresponde à
composição global da liga.
� Regiões bifásicas: constrói-se uma linha de amarração
(isoterma) através da região bifásica na temperatura 
desejada; em seguida, são anotadas as interseções da linha 
de amarração com as fronteiras de fases. A composição da 
fase será a composição correspondente ao ponto de 
interseção.
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3: Quantidade das fases
� Regiões monofásicas: a liga é composta inteiramente (100%) por 
aquela fase.
� Região bifásica: utiliza-se a regra da alavanca. A fração de uma 
fase é calculada tomando-se ocomprimento da linha de 
amarração desde a composição global até a fronteira entre fases 
com a OUTRA fase e, então, dividindo-se esse valor pelo 
comprimento total da linha de amarração.
Interpretação do diagrama
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Desenvolvimento da microestrutura em 
ligas isomorfas
� Condição de equilíbrio: o resfriamento é lento 
suficientemente para permitir a redistribuição dos átomos 
através da difusão.
� 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.
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DESENVOLVIMENTO DA MICROESTRUTURA EM SISTEMAS 
ISOMORFOS BINÁRIOS
(resfriamento em condições de equilíbrio)
Desenvolvimento da microestrutura em 
ligas isomorfas
� a: o material possui apenas uma fase (L), com composição 
igual à composição global da liga.
� b: início da solidificação; formam-se os primeiros núcleos 
sólidos da fase α no líquido.
� c: com o prosseguimento do resfriamento dentro do campo 
bifásico, tanto as composições quanto as quantidades das 
fases mudam. Contudo, a composição global da liga 
permanece a mesma.
� d: término da solidificação.
� e: o resfriamento após o fim da solidificação não causa 
mudanças na microestrutura.
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Sistemas eutéticos binários
� Eutético = que se funde com facilidade.
� Exemplo: Sistema Cu-Ag
- 3 regiões monofásicas: solução líquida (L) e soluções 
sólidas α (rica em Cu) e β (rica em Ag), ambas com 
estrutura cristalina CFC.
- Solubilidade limitada em cada solução sólida.
- Fronteira CB: linha solvus.
SISTEMA COBRE-PRATA
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Diagramas eutéticos binários
� Ponto E: ponto invariante. Caracteriza o ponto (composição, 
temperatura) onde ocorre a reação eutética e todo o líquido se 
transforma em 2 fases sólidas distintas. Neste ponto, as 3 fases 
coexistem em equilíbrio.
� Aplicações: Um exemplo é a solda 60%Sn-40%Pb que é
facilmente fundida e utilizada em soldas de baixa temperatura.
Reação eutética: L ↔ α + β
Desenvolvimento da microestrutura em 
ligas eutéticas (condição de equilíbrio)
� A microestrutura resultante depende da composição.
� Considerando o diagrama de fases do sistema Sn-Pb:
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CASO 1
Composições ricas 
em Pb ou Sn
A microestrutura se 
desenvolve de forma 
semelhante ao que ocorre 
nas ligas isomorfas. 
CASO 2
Composições que excedem a 
solubilidade da fase α ou da 
fase β, mas que não cruzam a 
linha eutética
O cruzamento da linha solvus
excede a solubilidade da fase α, 
formando pequenas partículas de 
β nos grãos da fase α. Com o 
prosseguimento do resfriamento, 
essas partículas crescem em 
tamanho, pois a quantidade da 
fase β aumenta com a diminuição 
da temperatura.
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CASO 3
Composição eutética
Durante a reação eutética, deve haver redistribuição dos 
componentes, através da difusão.
A microestrutura resultante é
composta por camadas alternadas 
(lamelas) das fases α e β. O resfriamento 
subsequente não resulta em alterações 
microestruturais significativas. A 
morfologia lamelar é justificada porque 
assim a difusão ocorre ao longo de 
distâncias menores.
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Microestrutura de uma liga à base de 
estanho de composição eutética
CASO 4
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Microestrutura de uma liga Pb-Sn contendo 
50%Pb-50%Sn.
Diagramas de equilíbrio contendo fases 
intermediárias
α
η
β
γ
δ
ε
Soluções sólidas terminais
Soluções sólidas intermediárias
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� Composto intermetálico: possui composição exata. É representado 
por uma linha vertical no diagrama de fases. O intermetálico age 
como constituinte independente, dividindo o diagrama de fases em
outros diagramas.
Reações eutetóides e peritéticas
Além do eutético, outros pontos invariantes envolvendo três 
fases diferentes são encontrados em alguns sistemas de ligas.
� Reação eutetóide: β ↔ α + γ � Reação peritética: β + L ↔ α
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Exercício 9.5
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O diagrama Fe-C
� Sistema de liga binário mais importante, constituindo os materiais 
mais utilizados pelo homem. O diagrama de equilíbrio Fe-C permite 
uma melhor compreensão desses materiais e dos tratamentos 
térmicos a que são submetidos normalmente.
� Normalmente, na extrema esquerda do eixo das composições, 
representa-se o ferro puro sem nenhuma adição de carbono, e na 
extrema direita desse eixo, representa-se o ferro com a máxima 
adição de carbono que é de 6,7%, pois o carbono forma com o ferro o 
composto Fe3C, que contem, aproximadamente 6,7% de carbono. 
Pouco se conhece acima desse teor de carbono, na realidade acima
de 4,5% de carbono essas ligas não tem aplicação tecnológica.
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Reação 
eutética
Máxima 
solubilidade do C 
na austenita
Reação 
eutetóide
Máxima 
solubilidade do C 
na ferrita
O diagrama Fe-C
� Fe puro: ao ser aquecido, experimenta duas transformações 
polimórficas antes de se fundir:
- Ferrita α (CCC): solução sólida do C no Fe, estável até 912ºC. 
Máxima solubilidade do C é de 0,022% (727ºC).
- Austenita γ (CFC): estável no intervalo de temperaturas entre 
912 e 1394ºC. Máxima solubilidade do C é de 2,14% (1147ºC).
- Ferrita δ (CCC): estável entre 1394 e 1538ºC, sendo esta última 
a temperatura de fusão do Fe puro.
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O diagrama Fe-C
FERRITA AUSTENITA
O diagrama Fe-C
Mais resistenteDúctilPropriedades mecânicas
2,14% a 1147ºC0,002% a 727ºCSolubilidade máxima do 
carbono
NãoSim (até 768ºC)Magnética
912-1394ºCAté 912ºCTemperatura de equilíbrio
CFCCCCEstrutura cristalina
Austenita (γ)Ferrita (α)
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� A ferrita δ é estável somente em temperaturas relativamente altas 
e, portanto, não possui interesse tecnológico.
� No diagrama Fe-C, o eixo das composições se estende somente 
até 6,7% C, composição na qual se forma o composto 
intermediário Fe3C (ortorrômbico), chamado de CEMENTITA. 
Essa fase se forma quando o limite de solubilidade para o carbono 
na ferrita α é excedido à temperaturas abaixo de 727ºC. A 
cementita é um composto intermetálico metaestável, embora a 
velocidade de decomposição em ferro α e C seja muito lenta. É
uma fase muito dura e frágil.
O diagrama Fe-C
Porcentagem de Fe3C
Porcentagem de Fe3C
Composição (%C) Composição (%C)
Alongamento
Redução 
de área
Energia de 
impacto Izod
Tensão de 
escoamento
Dureza 
Brinell
Limite de resistência 
à tração (LRT)
T
en
sã
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d
e 
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to
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zo
d
(f
t.
lb
f)
Influência do teor de C nas propriedades mecânicas das ligas 
ferrosas.
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Classificação das ligas ferrosas
� 0-0,008%C: Fe puro
� 0,008-2,14%C: aços
- 0,008-0,76%C: aços hipoeutetóides
- 0,76%C: aços eutetóides
- 0,76-2,14%C: aços hipereutetóides
� 2,14-6,7%C: Fe fundidos
Desenvolvimento da microestrutura nos aços 
resfriados em condições de equilíbrio
Perlita=lamelas alternadas de 
ferrita (α) e cementita (Fe3C)
Micrografia de um aço de 
composição eutetóide.
Crescimento de microestrutura Eutetóide em aço:
http://www-g.eng.cam.ac.uk/mmg/teaching/typd/addenda/eutectoidmicrostructure1.html
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Desenvolvimento da microestrutura nos aços 
resfriados em condições de equilíbrio
Microestrutura de um aço 
com 0,38%C, composta por 
ferrita proeutetóide e perlita.
Desenvolvimento da microestrutura nos aços 
resfriados em condições de equilíbrio
Microestrutura de um aço 
com 1,4%C, composta por 
cementita proeutetóide e 
perlita.
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Desenvolvimento da microestrutura nos aços 
resfriados em condições de equilíbrioFERRITA (α) e 
CEMENTITA (Fe3C)
CEMENTITA PRÓ-EUTETÓIDE 
+ PERLITA
> 0,76HIPEREUTETÓIDE
FERRITA (α) e 
CEMENTITA (Fe3C)
PERLITA= 0,76EUTETÓIDE
FERRITA (α) e 
CEMENTITA (Fe3C)
FERRITA PRÓ-EUTETÓIDE + 
PERLITA
< 0,76HIPOEUTETÓIDE
FasesMicroconstituintes%p CAÇO
Bibliografia
� Callister Jr, W.D., (2008) Ciência e Engenharia de 
Materiais: Uma Introdução. 7a ed. Rio de Janeiro. LTC 
Editora. 705 p.