Diagrama de Fases - Rogério Pontes

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Universidade Federal de Pernambuco
Centro de Tecnologia e Geociências
Departamento de Engenharia Mecânica
Disciplina: Ciência e Engenharia dos Materiais
Curso: Engenharias Mecânica e de Materiais
Diagrama de Fases
Professor: Rogério Pontes
Recife, 04 de fevereiro de 2014
Por que Estudar Diagrama de Fases?
 Os diagramas de fases (também chamados de 
diagramas de equilíbrio) relacionam temperatura, 
composição química e quantidade de fases em 
equilíbrio.
 Um diagrama de fases é um “mapa” que mostra 
quais fases são as mais estáveis nas diferentes 
composições, temperaturas e pressões.
 A microestrutura dos materiais pode ser 
relacionada diretamente com o diagrama de fases.
 Existe uma relação direta entre as propriedades 
dos materiais e suas microestruturas.
Exemplo de Diagrama de Fases Sistema Pb-Sn
Definições e Conceitos Básicos
 Componentes:
 Sistema:
 Fase:
Exemplo de Diagrama de Fases Sistema Pb-Sn
 São elementos químicos e/ou compostos que 
constituem uma fase.
 Definição 1: quantidade de matéria com massa 
e identidade fixas sobre a qual dirigimos a nossa 
atenção. Todo o resto é chamado vizinhança. 
Exemplo: um cadinho com aço fundido.
 Definição 2: série de fases possíveis formadas 
pelo mesmos componentes, independendo da 
composição específica. Exemplo: o sistema Pb-Sn.
 Uma parte estruturalmente homogênea do 
sistema, que possui propriedades físicas e 
químicas características. Exemplo: fases α, β e L.
Definições e Conceitos Básicos
 Solubilidade:
- Quantidade de material que é completamente dissolvida na outra sem formar uma segunda fase.
Limite de Solubilidade
 Existe uma concentração máxima de átomos de 
soluto que pode dissolver no solvente para formar 
uma solução sólida (limite de solubilidade);
 Soluto em excesso resulta na formação de outra 
solução sólida ou de um composto que possui uma 
composição diferente.
Duas substâncias separadas
Solução líquida de 
xarope açúcar-água
Cristais sólidos de 
açúcar não dissolvidos
Equilíbrio de Fases
 Em termos “macroscópicos”
 Em termos “termodinâmicos”
 Estado de “não equilíbrio”
 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.
 Um sistema está em equilíbrio quando sua energia livre é mínima, consideradas as 
condições de temperatura, pressão e composição em que ele se encontra.
 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).
 Ocorre frequentemente, especialmente nos sistemas sólidos, que um estado de 
equilíbrio nunca é completamente atingido, pois a taxa pela qual o sistema se aproxima do 
equilíbrio é extremamente baixa; um sistema desse tipo é dito “metaestável”.
Informações Dadas Pelos Diagramas 
de Fases
 Fornece informações sobres os seguintes critérios da análise da 
microestrutura:
 Fases presentes;
 Composição das fases;
 Temperatura ou faixas de temperatura de transformação de uma liga em condições 
de equilíbrio;
 Proporção das fases – Regra da alavanca.
 Métodos:
 Análise térmica diferencial;
 Dilatometria;
 Resistividade elétrica;
 Metalografia;
 Difração de raios-x
Diagrama de Fases de Um Único 
Componente (ou Unário) 
 Existem três parâmetros que podem ser 
controlados externamente que irão afetar a 
estrutura das fases: temperatura, pressão e 
composição. 
 O diagrama de fases mais simples e mais 
fácil de se entender, é o que possui apenas 
um único componente.
Composição Constante
A pressão e a temperatura são as variáveis
Diagrama de Fases de Um Único 
Componente (ou Unário) 
 Regiões para três fases diferentes estão 
indicadas no gráfico;
 As três curvas mostradas no gráfico são 
fronteiras entre as fases;
 Em qualquer ponto sobre uma dessas 
curvas as duas fases em ambos os lados irão 
coexistir em equilíbrio;
 Ao se cruzar uma fronteira, conforme a 
temperatura e/ou pressão é alterada, uma 
fase se transforma na outra;
 O ponto O é chamado de ponto triplo ou 
ponto invariante e as três fases estão em 
equilíbrio.
Ponto Invariante
Diagrama de Fases Binário
 Temperatura e composição são 
parâmetros variáveis;
 Pressão é mantida constante, 
normalmente em 1 atm;
 Embora a maioria das ligas contenha mais 
do que dois componentes, nos 
concentraremos naqueles que possuem 
apenas dois componentes;
 São mapas que representam as relações 
entre a temperatura e as composições e 
quantidades das fases em equilíbrio;
 Afetam a microestrutura de uma liga.
Regra de Hume-Rothery
 Para que dois elementos tenham solubilidade total no estado sólido, 
têm de verificar uma ou mais das seguintes condições:
 A estrutura cristalinas dos dois elementos da solução sólida deve ser a 
mesma;
 Os tamanhos dos átomos de cada uma dos dois elementos não devem 
diferir mais de 15%;
 Os elementos não devem formar compostos, isto é, as eletronegatividades 
dos dois não devem ser consideravelmente diferentes;
 Os elementos devem ter a mesma valência.
Sistemas Isomorfos Binários
 O sistema cobre-níquel é denominado 
isomorfo devido a completa solubilidade dos 
dois componentes nos estados líquido e 
sólido;
 O líquido L é uma solução líquida 
homogênea composta por cobre e níquel;
 A completa solubilidade se explica por: 
possuírem mesma estrutura (CFC), raios 
atômicos e eletronegatividades semelhantes 
e valências semelhantes.
 A fase α é uma solução sólida 
substitucional contendo átomos de Cu e Ni e 
possui estrutura CFC;
 Para ligas metálicas, as soluções sólidas 
são designadas por letras gregas minúsculas 
(α,β,Ɣ, etc.).
Fusão do cobre puro
Fusão do níquel puro
Sistemas Isomorfos Binários
Interpretação dos Diagramas de Fases: 
 Fases Presentes;
 Determinação das Composições das Fases;
 Determinação das Quantidades das Fases;
Sistemas Isomorfos Binários
 Fases Presentes
Exemplo 1: 60%p Ni-40%p Cu a 1100°C
Ponto A Fase α 
Exemplo 2: 35%p Ni-65%p Cu a 1250°C
Ponto B Fases α + L
Sistemas Isomorfos Binários
 Composições das Fases 
Exemplo 1: 60%p Ni-40%p Cu a 1100°C
Ponto A 60% Ni-40% Cu 
Exemplo 2: 35%p Ni-65%p Cu a 1250°C
Ponto B Região bifásica
Sistemas Isomorfos Binários
 Composições das Fases 
 Composição de CL
31,5% Ni-68,5% Cu 
Linha de amarração
 Composição de Cα
42,5% Ni-57,5% Cu 
Sistemas Isomorfos Binários
 Quantidades das Fases 
Linha de amarração Quantidades relativas (como fração ou como 
porcentagem) das fases presentes em equilíbrio;
 Em regiões monofásicas a fração da fase é 1,0 
ou 100%
 Em regiões bifásicas a complexidade é maior.
Regra da alavanca
Regra da Alavanca
SR
SWL +
=
L
L CC
CCW
−
−
=
α
α 0
SR
RW
+
=α
L
L
CC
CCW
−
−
=
α
α
0
 Fração da fase líquida:
 Fração da fase sólida:
Regra da Alavanca
68,0
5,315,42
355,42
=
−
−
=LW
32,0
5,315,42
5,3135
=
−
−
=αW
 Para uma liga binária, a composição precisa 
ser especificada em termos de apenas um dos 
constituintes. 
 Para o ponto B temos: C0 = 35%p Ni, 
Cα = 42,5%p Ni e CL = 31,5%p Ni.
Desenvolvimento da Microestrutura 
em Ligas Isomorfas
Desenvolvimento da Microestrutura 
em Ligas Isomorfas
Sistemas Eutéticos Binários
Sistemas Eutéticos Binários
Desenvolvimento de Microestruturas 
em Sistemas Eutéticos
Desenvolvimento de Microestruturas 
em SistemasEutéticos
Desenvolvimento de Microestruturas 
em Sistemas Eutéticos
Desenvolvimento de Microestruturas 
em Sistemas Eutéticos
Transformação de Fases 
Congruente e Incongruente
Reações Eutetóides e Peritéticas
Regra das Fases de Gibbs
 A regra das fases representa um critério para o número de fases que irá coexistir 
em um sistema em equilíbrio. 
P +F = C + N
 A regra das fases não representa um critério para quantidade relativa das fases 
que coexistem num sistema no equilíbrio.
Regra das Fases de Gibbs
Diagrama de Fases Ferro-Carbeto de 
Ferro (Fe-Fe3C)
Ligas Eutétóide
Ligas Eutétóide
Ligas Hipoeutétóide
Ligas Hipereutétóide
Obrigado!
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