Aula 05 MAT.CONST.MEC

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Materiais de Construção Mecânica
Aula 05
Diagramas de Fases
ESTÁCIO
Profª. Soraia Simões Sandes
ESTÁCIO
INTRODUÇÃO
POR QUE ESTUDAR DIAGRAMAS DE FASES?
Controle dos processos de tratamentos térmicos;
A microestrutura dos materiais pode ser relacionada diretamente com o diagrama de fases.
Existe uma relação direta entre as propriedades dos materiais e as suas microestruturas.
São úteis na compreensão do desenvolvimento e na preservação de estruturas que não estão em equilíbrio, assim como de suas respectivas propriedades. 
Os diagramas de fases (também chamados de diagrama de equilíbrio) relacionam temperatura, composição química e quantidade das fases em equilíbrio.
ESTÁCIO
DEFINIÇÕES E CONCEITOS BÁSICOS
Componentes: são metais puros e/ou os compostos que constituem uma liga.
Solvente: elemento ou composto que está presente em maior quantidade.
Soluto: elemento ou composto que está presente em menor concentração.
Sistema
– Definição 1 : pode se referir a um corpo específico do material que está sendo considerado. Ex.: um cadinho com aço fundido.
– Definição 2 : pode estar relacionado à série de ligas possíveis que são compostas pelos mesmos componentes, porém de maneira independente à composição da liga. 
Ex.: o sistema Fe-C.
Solução Sólida: consiste em átomos de pelo menos dois tipos diferentes; os átomos de soluto ocupam posições que podem intersticiais ou substitucionais na rede do solvente e a estrutura cristalina do solvente é mantida.
ESTÁCIO
DEFINIÇÕES E CONCEITOS BÁSICOS
Limite de Solubilidade
	Para muitos sistemas e para uma determinada temperatura, existe uma concentração máxima de átomos de soluto que pode ser dissolvida no solvente formando uma solução sólida. Essa concentração máxima é chamada limite de solubilidade.
	A adição de soluto em excesso a esse limite de solubilidade resulta na formação de outra solução sólida: o sistema açúcar-água. 
ESTÁCIO
DEFINIÇÕES E CONCEITOS BÁSICOS
Fase: porção homogênea de um sistema que possui características físicas e químicas uniformes. 
	Se mais de uma fase estiver presente em um dado sistema, cada uma irá possuir suas próprias propriedades individuais e irá existir um contorno separando as fases através do qual haverá uma mudança descontinua e abrupta nas características físicas e/ou químicas. 
	Quando duas fases estão presentes, não é necessário que existam diferenças tanto nas propriedades físicas quanto nas propriedades químicas. 
	Sistema Homogêneo - sistema que possui apenas uma única fase. 
	Sistema Heterogêneo (ou mistura) - sistemas compostos por duas ou mais fases. 
ESTÁCIO
DEFINIÇÕES E CONCEITOS BÁSICOS
Equilíbrio: descrito em termos de uma grandeza termodinâmica chamada de energia livre. Um sistema está em equilíbrio se a sua energia livre é mínima para uma combinação específica de temperatura, pressão e composição.
Em termos “macroscópicos”
- Um sistema está em equilíbrio quando suas características não mudam com o tempo, e tende a permanecer nas condições em que se encontra indefinidamente, a não ser que seja perturbado externamente. O sistema é estável. 
- Variações dessas condições resultam numa alteração da energia livre, e o sistema pode espontaneamente se alterar para um outro estado de equilíbrio (no qual a energia livre seja mínima para as novas condições de temperatura, pressão e composição).
Estado de não-equilíbrio ou metaestável: o sistema não está em equilíbrio e existem mudanças muito pequenas nas características das fases ao longo do tempo. 
Equilíbrio de Fases
ESTÁCIO
DEFINIÇÕES E CONCEITOS BÁSICOS
	
Diagramas de Fases de um Componente (ou Unário)
Parâmetros que ao serem controlado externamente irão afetar a estrutura das fases:
- Temperatura
- Pressão
- Composição
	
ESTÁCIO
DIAGRAMAS DE FASES BINÁRIOS
SISTEMAS ISOMORFOS BINÁRIOS
	
	Outro tipo de diagrama comum é aquele em que a temperatura e a composição são os parâmetros variáveis, enquanto a pressão é mantida constante. 
	Os diagramas de fases binários são mapas que representam as relações entre a temperatura e as composições e quantidade das fases em equilíbrio. Muitas microestruturas se desenvolvem a partir de fases, que são as mudanças que ocorrem quando a temperatura é modificada. 
Diagrama de fases 
Sistema Cu - Ni
ESTÁCIO
DIAGRAMAS DE FASES BINÁRIOS
Diagrama de fases 
Sistema Cu - Ni
• A leitura de diagramas isomorfos é feita primeiramente definindo o par composição-temperatura desejado. Esse par define um ponto no diagrama.
• Se o ponto desejado estiver num campo onde somente existe uma fase, a composição já está definida, e a fase é a indicada no campo do diagrama.
ESTÁCIO
DIAGRAMAS DE FASES BINÁRIOS
Diagrama de fases 
Sistema Cu - Ni
• Se o ponto estiver numa região onde existem duas fases em equilíbrio, a determinação da composição das fases presentes é possível traçando-se um segmento de reta horizontal que passa pelo ponto e atinge as duas linhas que delimitam o campo de duas fases (linhas liquidus e solidus). As composições das fases líquida e sólida são dadas pelas intersecções deste segmento de reta e as respectivas linhas de contorno.
ESTÁCIO
DIAGRAMAS DE FASES BINÁRIOS
Diagrama de fases 
Sistema Cu - Ni
REGRA DA ALAVANCA
Fração da fase líquida
Fração da fase sólida
ESTÁCIO
DESENVOLVIMENTO DA MICROESTRUTURA EM LIGAS ISOMORFAS
ESTÁCIO
DESENVOLVIMENTO DA MICROESTRUTURA EM LIGAS ISOMORFAS
Resfriamento Fora das Condições de Equilíbrio
	Em situações práticas de solidificação, as taxas de resfriamento são muito rápidas para permitir reajustes de composição e a manutenção de um estado de equilíbrio. 
Consequências: 
Segregação
Estrutura Zonada 
Necessidade de tratamento térmico
ESTÁCIO
SISTEMAS EUTÉTICOS BINÁRIOS
Diagrama de fases cobre-prata
Liquidus
Solidus
Solvus
ESTÁCIO
SISTEMAS EUTÉTICOS BINÁRIOS
Reação Eutética
Diagrama de fases cobre-prata
Eutético : ponto onde o equilíbrio é invariante, portanto o equilíbrio entre três fases ocorre a uma determinada temperatura e as composições das três fases são fixas.
resfriamento
aquecimento
resfriamento
aquecimento
Liquidus
Solidus
Solvus
ESTÁCIO
A REGRA DAS FASES DE GIBS
	Gibbs deduziu uma relação entre o número de fases (P) que podem coexistir em equilíbrio em um dado sistema, o número mínimo de componentes (C) que podem ser usados para formar o sistema e os graus de liberdade (F), ou seja, o número de variáveis – temperatura, pressão e composição – que podem ser alteradas independentemente e arbitrariamente, sem variar o número de fases presentes. 
	Partindo de conceitos termodinâmicos, J.W. Gibbs derivou uma equação que define o número de fases que podem coexistir em um determinado sistema, em condições particulares de pressão, temperatura e composição. Esta equação é denominada de Regra das Fases de Gibbs e é dada pela relação: 
N é o número de variáveis que não estão relacionadas à composição.
ESTÁCIO
DIAGRAMA Fe-C
ESTÁCIO
DIAGRAMA Fe-C
ESTÁCIO
DIAGRAMA Fe-C
Cementita (Fe3C)
	O composto intermetálico Fe3C denomina-se cementita. Possui limites de solubilidade desprezíveis e possui uma composição de 6,67%p C e 93,3%p Fe.
	É um composto frágil e duro.
Perlita 
	Microestrutura bifásica encontrada nos aços e ferro fundido, resultante da transformação da austenita com composição eutetóide e consiste em camadas lamelar alternadas de ferrita e cementita.
ESTÁCIO
DIAGRAMA Fe-C
ESTÁCIO
DIAGRAMA Fe-C
Esquema das microestruturas para uma liga Fe-C com composição eutetóide (0,76%p C)
ESTÁCIO
DIAGRAMA Fe-C
Ligas Hipoeutetóides
Composição entre 0,022% – 0,76%p C
Perlita envolta por ferrita
	Ferrita Eutetóide: ferrita presente na perlita.
	 Ferrita Proeutetóide: ferrita que se formou antes da reação eutetóide.
ESTÁCIO
DIAGRAMA Fe-C
ESTÁCIO
DIAGRAMA Fe-C
Ligas Hipereutetóides
Composição entre 0,76% - 2,14%p C
Perlita
envolta por cementita
Cementita Eutetóide: cementita presente na perlita.
Cementita Proeutetóide: cementita que se formou antes da reação eutetóide.
ESTÁCIO
DIAGRAMA Fe-C
ESTÁCIO
DIAGRAMA TEMPERATURA-TEMPO-TRANSFORMAÇÃO (CURVAS T-T-T)
	O diagrama de fase Fe-C estudado anteriormente, permite a verificação das transformações que a austenita apresenta durante o resfriamento muito lento, resultando nos constituintes ferrita, cementita, perlita. 
	A formação da ferrita e da cementita (consequentemente da perlita), deverá acontecer com o polimorfismo (mudança de reticulado cristalino do ferro), através da movimentação atômica (difusão) da austenita. Essas transformações necessitam de tempo para ocorrer.
 
	Se a velocidade de resfriamento da austenita for aumentada significativamente, não haverá tempo para a transformação nesses constituintes (ferrita e cementita). E a austenita formará outro constituinte, de grande importância para aplicação dos aços, a Martensita.
ESTÁCIO
DIAGRAMA TRANSFORMAÇÃO-TEMPO-TEMPERATURA (CURVAS T-T-T)
Martensita
	- A martensita se forma quando a taxa de resfriamento é rápida o suficiente para prevenir a difusão do carbono, ficando o mesmo retido em solução como impurezas intersticiais. 
	- A austenita com estrutura CFC apresenta transformação polimórfica para uma martensita de estrutura Tetragonal de Corpo Centrado (TCC).
	- A martensita não envolve difusão, sua formação independente do tempo. 
	- A transformação é função exclusivamente da temperatura
 para a qual a liga é resfriada rapidamente ou temperada (transformação
 atérmica).
Cúbico
de face centrada
Transformação 
Alotrópica com
aumento de volume.
ESTÁCIO
DIAGRAMA TRANSFORMAÇÃO-TEMPO-TEMPERATURA (CURVAS T-T-T)
ESTÁCIO
Perlita
Bainita
Martensita Revenida
Martensita 
ESTÁCIO
DIAGRAMA TEMPERATURA-TEMPO-TRANSFORMAÇÃO (CURVAS TTT)
	Uma maneira de representar a dependência da transformação da austenita, tanto em relação ao tempo como em relação à temperatura, é por meio dos diagramas de transformação isotérmica, ou diagramas transformação-tempo-temperatura, conhecidos como diagramas TTT ou curvas TTT. 
	
	Esse diagrama mostra as fases que irão se formar nos aços de acordo com a velocidade de resfriamento.
ESTÁCIO
DIAGRAMA TEMPERATURA-TEMPO-TRANSFORMAÇÃO (CURVAS TTT)
	Os eixos vertical e horizontal representam, respectivamente, a temperatura e o logaritmo do tempo. Duas curvas contínuas estão traçadas, sendo que uma representa o tempo necessário a cada temperatura para o início da transformação, e a outra representa a conclusão da transformação. A curva tracejada corresponde a um estado de 50% da transformada.
	A temperatura eutetóide (727°C) é indicada por uma linha horizontal pontilhada e acima dessa temperatura apenas a austenita estará presente.
ESTÁCIO
		Usando o diagrama TTT para uma liga de ferro-carbono com composição eutetóide, especifique a natureza da microestrutura final (em termos de microconstituintes presentes) para uma pequena amostra que foi submetida aos seguintes tratamentos tempo-temperatura. Para cada caso, suponha que a amostra se encontra inicialmente a uma temperatura de 8000C e que ela tenha sido mantida a essa temperatura por tempo suficiente para que atingisse uma completa e homogênea temperatura austenítica.
a) Resfriamento rápido até 3000C de 1s, manutenção dessa temperatura por 103s (isotérmico), seguido por um resfriamento lento por 104s até temperatura ambiente.
b) Resfriamento rápido até 6800C, manutenção dessa temperatura por 104s (isotérmico), seguido por um resfriamento lento por 105s até temperatura ambiente.
c) Resfriamento lento continuo até temperatura ambiente por 105s.
DIAGRAMA TEMPERATURA-TEMPO-TRANSFORMAÇÃO (CURVAS TTT)
a) 50% bainita b) 100% perlita grossa c) 100% perlita grossa
ESTÁCIO
	Utilizando o diagrama T-T-T para uma liga de ferro-carbono com composição eutetóide, especifique a natureza da microestrutura final (em termos de microconstituintes presentes) para uma pequena amostra que foi submetida aos seguintes tratamentos tempo-temperatura. Para cada caso, suponha que a amostra se encontra inicialmente a uma temperatura de 8000C e que ela tenha sido mantida a essa temperatura por tempo suficiente para que atingisse uma completa e homogênea temperatura austenítica.
Resfriamento rápido continuo por 8s até temperatura ambiente.
b) Resfriamento rápido até 5750C, manutenção dessa temperatura por 40s, resfriamento lento até 2000C.
c) Resfriamento rápido até 4000C até 1s, manutenção dessa temperatura por 12s, resfriamento rápido até 102s até temperatura ambiente.
d) Resfriamento rápido até 3000C, manutenção dessa temperatura por 104s, resfriamento lento até 105 segundos.
DIAGRAMA TEMPERATURA-TEMPO-TRANSFORMAÇÃO (CURVAS TTT)
a) 90% martensita b) 100% perlita fina
c) 25% bainita superior+ 90% martensita
d) 100% bainita inferior
ESTÁCIO
DIAGRAMA Fe-C
a) Têmpera em água até à temperatura ambiente. 
b) Arrefecimento em banho de sais até 680 °C, manutenção durante 2 horas, seguida de arrefecimento em água. 
c) Arrefecimento em banho de sais até 570 °C, manutenção durante 3 minutos, seguida de arrefecimento em água. 
d) Arrefecimento em banho de sais até 400 °C, manutenção durante 1 hora, seguida de arrefecimento em água. 
e) Arrefecimento em banho de sais até 300 °C, manutenção durante 1 minuto, seguida de arrefecimento em água. 
 f) Arrefecimento em banho de sais até 300 °C, manutenção durante 2 horas, seguida de 
 arrefecimento em água. 
a 90% martersita
b 100% perlita grossa
c 100% perlita fina
d 100% bainita superior
e 50% bainita inferior + martensita
f 100% bainita inferior