Estudo dos diagramas de fases

Prévia do material em texto

Estudo dos diagramas de fases 
Curso: Técnico em Metalurgia Disciplina: Estudo dos diagramas de fases 
Professor: Cassiano Lino dos Santos Costa 
 
Estudo dos diagramas de fases Página 1 
 
 
1. INTRODUÇÃO 
 
Muitas vezes as propriedades físicas e, em particular, o comportamento mecânico de 
um material, dependem da microestrutura. A microestrutura é submetida a uma observação 
direta através de um microscópio, com a utilização de aparelhos ópticos ou eletrônicos. Nas 
ligas metálicas, a microestrutura é caracterizada pelo número de fase presentes, por suas 
proporções e pela maneira pela qual elas estão distribuídas ou arranjadas. A microestrutura de 
uma liga depende de variáveis tais como os elementos da liga presentes, suas concentrações e 
o tratamento térmico da liga (isto é, a temperatura, o tempo de aquecimento à temperatura do 
tratamento e a taxa de resfriamento até a temperatura ambiente). 
 
2. DESENVOLVIMENTO DA MICROESTRUTURA EM LIGAS ISOMORFAS 
 
Nesse ponto, é instrutivo examinar o desenvolvimento da microestrutura que ocorre 
nas ligas isomorfas durante a solidificação. Em primeiro lugar, vamos tratar da situação em 
que o resfriamento ocorre muito lentamente, de modo que o equilíbrio entre as fases é 
mantido continuamente. 
Vamos considerar o sistema cobre-
níquel (Figura 1 do Texto 3 - Tipos de 
diagramas de fase); especificamente, uma 
liga com composição de 35%p Ni-65%p Cu, 
conforme ela é resfriada a partir de 1300°C. 
A região do diagrama de fases Cu-Ni na 
vizinhança dessa composição está mostrada 
Figura 1. O resfriamento de uma liga com 
essa composição corresponde a um 
movimento para baixo ao longo da linha 
vertical tracejada. A 1300°C, no ponto a, a 
liga é totalmente líquida (com uma 
composição de 35%p Ni-65%p Cu) e tem a 
microestrutura representada no detalhe na 
figura. 
 
Figura 1 – Esquema do desenvolvimento da 
microestrutura no diagrama de fases Cu-Ni 
 
Estudo dos diagramas de fases 
Curso: Técnico em Metalurgia Disciplina: Estudo dos diagramas de fases 
Professor: Cassiano Lino dos Santos Costa 
 
Estudo dos diagramas de fases Página 2 
 
 
Conforme o resfriamento começa, nenhuma alteração microestrutural ou de 
composição ocorrerá até que a linha lilquidus (ponto b, ~1260°C) seja alcançada. Nesse 
ponto, o primeiro sólido α começa a se formar, com a composição especificada pela linha de 
amarração traçada nessa temperatura [isto é, 46%p Ni-54%p Cu, representada como α(46 
Ni)]; a composição do líquido ainda e de aproximadamente 35%p Ni-65%p Cu [L(35 Ni)], 
que é diferente daquela do sólido α. Com o prosseguimento do resfriamento, tanto as 
composições quanto as quantidades relativas de cada uma das fases mudarão. As composições 
das fases líquida e α seguirão as linhas liquidus e solidus, respectivamente. Além disso, a 
fração da fase α aumentará com o prosseguimento do resfriamento. Observe que a 
composição global da liga (35%p Ni-65%p Cu) permanece inalterada durante o resfriamento, 
apesar de haver uma redistribuição do cobre e do níquel entre as fases. 
A 1250°C, no ponto c da Figura 1, as composições das fases líquida e α são de 32%p 
Ni-68% p Cu [L(32 Ni)] e 43%p Ni-57%p Cu [α(43 Ni)], respectivamente. 
O processo de solidificação está virtualmente concluído em aproximadamente 1220°C, 
ponto d; a composição do sólido α é de aproximadamente 35%p Ni-65%p Cu (a composição 
global da liga), enquanto a composição da última fração de líquido remanescente é de 24%p 
Ni-76%p Cu. Ao cruzar a linha solidus, esse resto de líquido remanescente se solidifica; o 
produto final é, então uma solução sólida policristalina de fase α, com uma composição 
uniforme de 35%p Ni-65%p Cu (ponto e, Figura 1). O resfriamento subsequente não 
produzirá nenhuma alteração microestrutural ou de composição. 
As condições da solidificação em equilíbrio e o desenvolvimento de microestruturas, 
como foram descritos acima, são conseguidos somente para taxas de resfriamento 
extremamente lentas. A razão para tal é que, com as mudanças na temperatura, deverá haver 
reajustes nas composições das fases líquida e sólida de acordo com o diagrama de fases (isto 
é, com as linhas liquidus e solidus), como foi discutido. Em virtualmente todos os casos 
práticos de solidificação, as taxas de resfriamento são muito rápidas para permitir que 
ocorram esses reajustes na composição e para manter o equilíbrio; consequentemente, são 
desenvolvidas microestruturas distintas daquelas que foram descritas anteriormente. 
 
3. DESENVOLVIMENTO DA MICROESTRUTURA EM LIGAS EUTÉTICAS 
 
Dependendo da composição, são possíveis vários tipos de microestruturas diferentes 
para o resfriamento lento de ligas que pertencem aos sistemas eutéticos binários. Essas 
Estudo dos diagramas de fases 
Curso: Técnico em Metalurgia Disciplina: Estudo dos diagramas de fases 
Professor: Cassiano Lino dos Santos Costa 
 
Estudo dos diagramas de fases Página 3 
 
 
possibilidades serão consideradas em termos do diagrama de fases chumbo-estanho, Figura 1 
do Texto 4 - Fórmulas, cálculos e diagramas eutéticos. 
O primeiro caso se aplica às 
composições que variam entre o componente 
puro e a solubilidade sólida máxima para 
aquele componente à temperatura ambiente 
(20°C). Para o sistema chumbo-estanho, isso 
inclui as ligas ricas em chumbo que contêm 
entre 0 e aproximadamente 2%p Sn (a 
solução sólida da fase α) e, também, entre 
aproximadamente 99%p Sn e o estanho puro 
(para a fase β). Por exemplo, considere uma 
liga com composição C1 (Figura 2) conforme 
ela é resfriada lentamente a partir de uma 
temperatura na região da fase líquida, 
digamos, 350°C; isso corresponde a um 
deslocamento vertical para baixo ao longo da 
linha tracejada ww’ na figura. 
 
Figura 2 – Esquema do desenvolvimento da 
microestrutura no diagrama de fases Pb-Sn (C1) 
A liga permanece totalmente líquida e com composição C1 até a linha liquidus ser 
cruzada a aproximadamente 330°C, quando a fase α sólida começa a se formar. Ao passar por 
essa estreita região bifásica α + L, a solidificação prossegue da mesma maneira como foi 
descrito para a liga cobre-níquel na seção anterior; isto é, com prosseguimento do 
resfriamento, uma quantidade maior da fase α sólida se forma. Além disso, as composições 
das fases líquidas e sólidas são diferentes, seguindo, respectivamente, ao longo das linhas 
liquidus e solidus fronteiriças. A solidificação atinge seu término no ponto onde alinha ww’ 
cruz a linha solidus. A liga resultante é policristalina, com uma composição uniforme C1, e 
nenhuma mudança subsequente ocorrerá no resfriamento até a temperatura ambiente. Essa 
microestrutura está representada esquematicamente no detalhe no ponto c na Figura 2. 
O Segundo caso considerado aplica-se às composições que se encontram na faixa entre 
o limite de solubilidade à temperatura ambiente e a solubilidade sólida máxima na 
temperatura do eutético. Para o sistema chumbo-estanho, essas composições se estendem 
Estudo dos diagramas de fases 
Curso: Técnico em Metalurgia Disciplina: Estudo dos diagramas de fases 
Professor: Cassiano Lino dos Santos Costa 
 
Estudo dos diagramas de fases Página 4 
 
 
desde aproximadamente 2%p Sn até 18,3%p Sn (para as ligas ricas em chumbo) e desde 
97,8%p Sn até aproximadamente 99%p Sn (para as ligas ricas em estanho). 
Vamos examinar uma liga com 
composição C2 à medida em que ela é 
resfriada ao longo da linha vertical xx’ 
Figura 3. Até a interseção da linha xx’ com a 
linha solvus, as mudanças que ocorrem são 
semelhantes ao caso anterior, conforme 
passamos pelas regiões de fases 
correspondentes (como demonstrado pelosdetalhes nos pontos d, e, e f). Imediatamente 
acima da interseção com a linha solvus, 
ponto f, a microestrutura consiste de grãos de 
α com composição C2. Ao cruzar a linha 
solvus, a solubilidade sólida de α é excedida, 
o que resulta na formação de pequenas 
partículas de fase β; essas partículas estão 
indicadas no detalhe da microestrutura no 
ponto g. Com o prosseguimento do 
resfriamento, essas partículas crescerão em 
tamanho, pois a fração mássica da fase β 
aumenta ligeiramente com a diminuição da 
temperatura. 
 
 
Figura 3 - Esquema do desenvolvimento da 
microestrutura no diagrama de fases Pb-Sn (C2) 
 
O terceiro caso envolve a 
solidificação da composição eutética, 61,9%p 
Sn (C3 na Figura 4). Vamos considerar uma 
liga com essa composição que seja resfriada 
a partir de uma temperatura na região da fase 
líquida (por exemplo, 250°C) ao longo da 
linha vertical yy’ na Figura 4. 
 
Figura 4 - Esquema do desenvolvimento da 
microestrutura no diagrama de fases Pb-Sn (C3) 
Estudo dos diagramas de fases 
Curso: Técnico em Metalurgia Disciplina: Estudo dos diagramas de fases 
Professor: Cassiano Lino dos Santos Costa 
 
Estudo dos diagramas de fases Página 5 
 
 
Conforme a temperatura é reduzida, nenhuma alteração ocorre até alcançar a 
temperatura do eutético, 183°C. Ao cruzar a isoterma eutética, o líquido se transforma nas 
duas fases α e β. Essa transformação pode ser representada pela reação 
 
𝐋(𝟔𝟏,𝟗%𝐩 𝐒𝐧) ⇌ 𝛂(𝟏𝟖,𝟑%𝐩 𝐒𝐧) + 𝛃(𝟗𝟕,𝟖%𝐩 𝐒𝐧) Equação 1 
 
em que as composições das fases α e β são ditada pelos pontos nas extremidades da isoterma 
eutética. 
Durante esssa transformação, deve haver necessariamente uma redistribuição dos 
componentes chumbo e estanho, visto que as fases α e β têm composições diferentes e 
nenhuma dessas composições é igual à do líquido (como indicado na Equação 1). A 
microestrutura do sólido que resulta dessa transformação consiste em camadas alternadas 
(algumas vezes chamadas de lamelas) das fases α e β, as quais se formam simultaneamente 
durante a transformação. Essa microestrutura, representada esquematicamente na Figura 4, 
ponto i, é chamada estrutura eutética, e é característica dessa reação. Uma fotomicrografia 
dessa estrutura para o eutético do sistema chumbo-estanho está mostrada na Figura 5. 
Essa microestrutura consiste em 
camadas alternadas de uma solução sólida de 
fase α rica em chumbo (camadas escuras) e 
de uma solução sólida da fase β rica em 
estanho (camadas claras). O resfriamento 
subsequente da liga desde uma posição 
imediatamente abaixo da temperatura 
eutética até a temperatura ambiente resultará 
apenas em alterações microestruturais de 
menor importância. 
 
Figura 5 – Micro-estrutura de uma liga Pb-Sn com a 
composição eutética 
O quarto e último caso microestrutural para esse sistema inclui todas as composições, 
à exceção da eutética, que, quando resfriada, cruzam a isoterma eutética. Considere, por 
exemplo, a composição C4, Figura 6, a qual se encontra à esquerda do eutético. Conforme a 
temperatura é reduzida, nos movemos para baixo a partir do ponto j, ao longo da linha zz’. O 
desenvolvimento da microestrutura entre os pontos j e l é semelhante àquele do segundo caso, 
tal que imediatamente antes do cruzamento da isoterma eutética (ponto l) as fases α e líquida 
Estudo dos diagramas de fases 
Curso: Técnico em Metalurgia Disciplina: Estudo dos diagramas de fases 
Professor: Cassiano Lino dos Santos Costa 
 
Estudo dos diagramas de fases Página 6 
 
 
estão presentes e apresentam composições de aproximadamente 18,3 e 61,9%p Sn, 
respectivamente, como determinado a partir da linha de amarração apropriada. Conforme a 
temperatura é reduzida para imediatamente abaixo daquela do eutético, a fase líquida, que 
possui a composição eutética, se transformará na estrutura eutética (isto é, lamelas alternadas 
de α e β); alterações insignificantes ocorrerão com a fase α que se formou, durante o 
resfriamento pela região α + L. Essa microestrutura está representada esquematicamente no 
detalhe do ponto m na Figura 6. 
Dessa forma, a fase α estará presente 
tanto na estrutura eutética quanto na fase que 
se formou durante o resfriamento pelo campo 
das fases α + L. Para distinguir uma fase α da 
outra, que se encontra na estrutura eutética é 
denominada α eutética, enquanto a outra, que 
se formou antes do cruzamento da isoterma 
eutética, é denominada α primária; ambas 
identificadas na Figura 6. 
 
Figura 6 - Esquema do desenvolvimento da 
microestrutura no diagrama de fases Pb-Sn (C4) 
 
Figura 7 – Microestrutura de uma liga Pb-Sn de 
composição 50%p Sn-50%p Pb 
A fotomicrografia na Figura 7 é de 
uma liga chumbo-estanho em que estão 
mostradas as estruturas α primária e eutética. 
Essa microestrutura é composta por uma fase 
α primária rica em chumbo (grandes regiões 
escuras) em uma estrutura eutética lamelar 
que consiste em uma fase β rica em estanho 
(camadas claras) e uma fase α rica em 
chumbo (camadas escuras). 
Ao lidar com microestruturas, algumas vezes é conveniente usar o termo 
microconstituinte – isto é, um elemento da microestrutura com uma estrutura característica e 
identificável. Por exemplo, no detalhe no ponto m, Figura 6, existem dois microconstituintes, 
quais sejam, a fase α primária e a estrutura eutética. Nesse sentido, a estrutura eutética é um 
Estudo dos diagramas de fases 
Curso: Técnico em Metalurgia Disciplina: Estudo dos diagramas de fases 
Professor: Cassiano Lino dos Santos Costa 
 
Estudo dos diagramas de fases Página 7 
 
 
microconstituinte, apensar de ser uma mistura de duas fases, já que tem uma estrutura lamelar 
distinta com uma ração fixa entre as duas fases. 
 
4. DESENVOLVIMENTO DA MICROESTRUTURA EM LIGAS FERRO-CARBONO 
 
Muitas das várias microestruturas que podem ser produzidas em aços, assim como 
suas relações com o diagrama de fases ferro-carbeto de ferro, serão agora superficialmente 
discutidas, e mostraremos que a microestrutura que se desenvolve depende tanto do teor de 
carbono quanto do tratamento térmico. Essa discussão ficará restrita ao resfriamento muito 
lento dos aços, quando o equilíbrio é mantido continuamente. Uma exploração mais detalhada 
da influência do tratamento térmico sobre a microestrutura e, por fim, sobre as propriedades 
mecânicas dos aços, está incluída em nas disciplinas futuras. 
As mudanças de fases que ocorrem ao 
se passar da região γ para o campo das fases 
α + Fe3C (Figura 3 – Texto 4) são 
relativamente complexas e semelhantes 
àquelas descritas para os sistemas eutéticos. 
Considere, por exemplo, uma liga com a 
composição eutetóide (0,76%p C) na medida 
em que ela é resfriada desde uma temperatura 
na região de fase γ, digamos, 800°C – ou 
seja, começando no ponto a na Figura 8 e se 
movendo para baixo ao longo da linha 
vertical xx’. Inicialmente, a liga é composta 
inteiramente pela fase austenita, com uma 
composição de 0,76%p C e a microestrutura 
correspondente, também indicada na figura. 
 
Figura 8 – Esquema das microestruturas para uma liga 
ferro-carbono (0,76%p C) 
 
Com o resfriamento da liga, não haverá mudanças até a temperatura eutetoide (727°C) 
ser atingida. Ao cruzar essa temperatura e até o ponto b, a austenita se transforma de acordo 
com a equação abaixo. 
 
𝛄(𝟎,𝟕𝟔%𝐩 𝐂) ⇌ 𝛂(𝟎,𝟎𝟐𝟐%𝐩 𝐂) + 𝐅𝐞𝟑𝐂(𝟔,𝟕%𝐩 𝐂) Equação 2 
Estudo dos diagramas de fases 
Curso: Técnico em Metalurgia Disciplina: Estudo dos diagramas de fases 
Professor: Cassiano Lino dos Santos Costa 
 
Estudo dos diagramas de fases Página 8Note que a característica que distingue um “eutetoide” de um “eutético” é o fato de 
uma fase sólida, ao invés de um líquido, se transformar em duas outras fases sólidas em uma 
única temperatura. 
A microestrutura para esse aço eutetoide que é lentamente resfriado por meio da 
temperatura eutetoide consiste em camadas alternadas ou lamelas das duas fases (α e Fe3C), 
que se formam simultaneamente durante a transformação. Essa microestrutura, representada 
esquematicamente na Figura 8, ponto b, é chamada perlita, devido à sua aparência de 
madrepérola quando vista sob um microscópio em baixas ampliações. 
A Figura 9 é uma fotomicrografia de 
um aço eutetoide, exibindo a perlinta. A 
perlita existe como grãos, denominados 
frequentemente colônias; dentro de cada 
colônia as camadas estão orientadas 
essencialmente na mesma direção, a qual 
varia de uma colônia para outra. As camadas 
claras, mais grossas, são a fase ferrita, 
enquanto a fase cementita aparece como 
lamelas finas, a maioria das quais apresenta 
coloração escura. 
 
Figura 9 – Fotomicrografia de um aço eutetoide 
mostrando a microestrutura da perlita 
 Muitas camadas de cementita são tão finas que as fronteiras entre as fases adjacentes 
estão tão próximas que não podem ser distinguidas sob essa ampliação e, portanto, aparecem 
escuras. Mecanicamente, a perlita apresenta propriedades intermediárias entre a ferrita macia 
e dúctil e a cementita, dura e frágil. 
As camadas alternadas de α e Fe3C na perlita se formam como tal pela mesma razão 
que a estrutura eutética se forma – porque a composição da fase que lhe deu origem é 
diferente de ambas as fases geradas como produto, e porque a transformação de fases requer 
que haja uma redistribuição do carbono.