Diagrama de fases AULA 9

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Profa. Marjorie Benegra 
Diagrama de Fases 
Solução 
 
Revisão 
 Pode ser sólida ou líquida 
 Uma única fase com mais de um componente 
(monofásica), ambos componentes se unem 
formando um novo 
cobre e níquel são 
também solúveis um 
no outro em todas as 
proporções, tanto no 
estado líquido como no 
sólido. 
água líquida e álcool são solúveis um no outro em 
qualquer proporção, à temperatura ambiente; 
formam um líquido homogêneo, monofásico; 
Solução 
Líquida 
Solução 
Sólida 
Para metais, os quatro mais importantes átomos de soluto 
intersticial são o carbono (C), nitrogênio (N), oxigênio (O), o 
hidrogênio (H) e o boro (B) 
Soluções sólidas 
substitucionais 
Formadas entre dois tipos 
de átomos que tenham 
aproximadamente o mesmo 
tamanho 
Soluções sólidas 
intersticiais 
Se formam usualmente 
entre átomos de tamanhos 
bastante diferentes 
Revisão 
O soluto não modifica a estrutura do solvente. 
Uma solução sólida não é uma mistura. As misturas contêm mais de um tipo de fase 
e seus componentes conservam suas propriedades individuais. Os componentes de 
uma solução sólida se dissolvem um no outro e não retêm suas características 
próprias. 
Revisão 
As regras de Hume-Rothery 
 
Para que haja total miscibilidade entre dois metais, é 
preciso que eles satisfaçam as seguintes condições 
 Seus raios atômicos não difiram de mais de 15% 
 Tenham a mesma estrutura cristalina 
 Tenham eletronegatividades similares 
 Tenham a mesma valência 
Fases de 
um material 
Regiões homogêneas que se 
diferenciam em termos de 
estrutura e/ou composição 
Exemplo: 
Água e gelo mesma composição 
Estruturas diferentes 
Água é um líquido 
Gelo é um sólido com estrutura 
hexagonal 
Definições e Conceitos 
Mistura 
 
Definições e Conceitos 
Sistema com mais de uma fase (mistura polifásica). Os 
componentes se misturam mas um não se dissolve no 
outro. 
1) contém mais de uma estrutura (padrão estrutural) Ex: 
areia e água. 
2) Em cada um dos agregados existem duas fases 
diferentes, cada uma com seu próprio arranjo atômico. 
3) As propriedades resultantes não correspondem as das 
fases componentes individuais. Ex. concreto armado 
Fronteira 
de Fase 
 
Representa uma DESCONTINUIDADE na 
estrutura e/ou composição de um material, 
estão representadas por linhas que dividem 
cada região do diagrama de fase. 
EQUILÍBRIOS DE FASES 
Um sistema se encontra em equilíbrio se sua energia livre 
estiver num mínimo sob alguma especificada combinação 
de temperatura, pressão e composição 
Sentido 
macroscópico 
As características do sistema 
não mudam com o tempo 
Uma mudança em temperatura, pressão e/ou composição para 
um sistema em equilíbrio resultará num aumento na energia livre 
e numa possível mudança espontânea para um outro estado 
mediante o que a energia livre é abaixada. 
ENERGIA LIVRE OU DE GIBBS 
Energia de Gibbs é um parâmetro indicador da 
estabilidade em sistemas sob temperatura e pressão 
constantes. O sistema tende a seu estado de mínima 
energia livre. 
Entropia (S) 
Grandeza termodinâmica que mede a organização 
de um sistema 
sistema organizado baixa entropia 
sistema desorganizado elevada entropia 
A tendência espontânea dos sistemas é de 
adquirir MAIOR ENTROPIA 
Entalpia (H) 
Quantidade de calor existente na substância 
“estocada” na forma de amplitude de vibração dos 
átomos. 
Reflete uma medida da energia 
de ligação entre os átomos. 
Estado de não-equilíbrio ou 
metaestável 
Ás vezes um estado de equilíbrio nunca é atingido 
completamente porque a taxa de aproximação do equilíbrio é 
extremamente lenta 
Um estado metaestável ou uma microestrutura metaestável 
pode persistir indefinidamente, experimentando apenas 
extremamente leves e quase imperceptíveis mudanças com o 
progresso do tempo 
Diagrama de Fase ou de Equilibrio 
 
IMPORTÂNCIA: 
 
 Existe uma forte correlação entre microestrutura e 
propriedades mecânicas. O desenvolvimento de 
microestrutura de uma liga está relacionado às 
características de seu diagrama de fases 
 
 
Diagrama de Fases 
ou de Equilíbrio 
 Mapas (consideram resfriamento 
muito lento, para haver tempo dos 
átomos difundirem mantendo o 
equilíbrio termodinâmico) 
O equilíbrio de fases é a constância 
 das características das fases com o tempo 
Ocorre quando a 
energia livre é 
mínima 
É descrito em termos 
de energia livre de 
Gibbs (G) 
Fusão e Energia Livre (G) 
Solidificação de um Metal Puro 
Solidificação de uma Liga Binária 
As temperaturas nas quais ocorrem variações bruscas são importantes. 
Elas indicam o início ou o término de uma transformação de fase. 
Componente puro 
Se solidifica a uma 
temperatura 
constante 
Material com mais de um componente 
Se solidifica em um 
intervalo de 
temperatura. 
 
Curvas de Resfriamento 
Composições diferentes, naturalmente, apresentam 
diferentes curvas de resfriamento. 
Imaginem que as três curvas do 
resfriamento sejam construídas sobre 
os eixos temperatura-tempo-
composicão. Um número infinito de 
outras curvas de resfriamento poderá 
ser inserido entre as três primeiras, 
até que uma figura sólida seja gerada. 
Construção do diagrama de fases 
Construção do diagrama de fases 
Se esta figura sólida for observada na direção indicada pela seta azul o que se 
verá é a projeção apresentada. Esta projeção é o diagrama de equilíbrio 
para o sistema cobre-níquel; a linha superior é a liquidus e a linha inferior é a 
solidus. 
 
É possível desenhar esquematicamente, curvas de resfriamento 
(temperatura em função do tempo) a partir de um diagrama de equilíbrio, 
observando que suas declividades devem mudar cada vez que uma linha no 
diagrama de equilíbrio for cruzada 
Remoção do calor 
latente de fusão 
Curva de solidificação 
Da variedade de 
materiais empregados 
em Engenharia 
Poucos são metais puros 
Para aprimorar as propriedades dos materiais adiciona-se 
intencionalmente ao metal original um ou mais elementos 
LIGAS METÁLICAS 
Monofásicas 
Polifásicas 
Os diagramas de equilíbrio são classificados em unários (de um componente), 
binários e de ordem superior (ternários, quaternários etc.), dependendo do 
número de componentes puros presente 
Diagrama de Fases 
ou de Equilíbrio 
Diagramas Binários 
Anisomorfos Isomorfos 
Os componentes são 
completamente 
solúveis um no outro 
A solubilidade decresce 
com a temperatura 
Solubilidade Ilimitada – 
Diagrama Isomorfo 
- uma região de uma única fase 
líquida 
- uma região de uma única fase 
sólida 
- uma região de duas fases 
(líquido + sólido). 
Dois componentes (A e B) 
completamente solúveis um 
no outro 
 TA e TB = pontos de fusão de A puro e B puro 
 As ligas se fundem e se solidificam dentro de um intervalo de temperatura, entre o 
liquidus e o solidus. A diferença de temperatura se denomina intervalo de solidificação 
da liga. 
 As fases sólidas geralmente são designadas através de uma letra grega minúscula. 
Solubilidade Limitada 
 Diagrama Anisomorfo 
uma grande quantidade de açúcar, o excesso 
se precipitará no fundo do recipiente. 
uma pequena quantidade de açúcar 
(primeira fase) a um recipiente com água 
(uma segunda fase), o açúcar se dissolve 
totalmente na água 
Obter-se-á uma única fase: água açucarada 
Agora existem duas fases: água saturada 
com açúcar e a fase sólida excedente 
O açúcar tem solubilidade limitada na água 
Solubilidade de açúcar em água 
O diagrama mostra como diminui a temperatura de solidificação da água, 
ao se aumentara quantidade de sal até 23,3%. Esta propriedade é usada 
para evitar a formação de gelo nas estradas européias durante o inverno. 
Diagrama de fases 
da solução água e sal 
Solubilidade Limitada 
 Diagrama Anisomorfo 
Indica 
 Fases presentes 
 Suas composições 
 Percentagem de cada fase (em função da 
temperatura, da pressão e da composição 
global do material.) 
Diagrama de Fases 
ou de Equilíbrio 
Obs: Embora a maioria dos materiais de engenharia exista em condição 
metastável, isto é, fora de equilíbrio, qualquer modificação espontânea se dará 
em direção ao equilíbrio e muitas informações úteis sobre mudanças de fase em 
tais materiais podem ser deduzidas a partir dos diagramas de equilíbrio 
adequados. 
Fases Presentes 
 Localizar o ponto com as coordenadas composição e temperatura no 
diagrama de fases 
 Observar em que campo de fases o ponto se encontra 
À medida que o resfriamento prossegue (bem lentamente para se manter o 
equilíbrio) a composição média do sólido segue a linha solidus e a composição 
média do líquido segue a linha liquidus, 
Que fases tem-se no ponto C? Que fases tem-se no ponto D? 
Composição das Fases 
Se apenas uma fase 
estiver presente 
a composição da fase será a 
composição da liga (traçar uma 
reta até o eixo das composições e 
obter a resposta 
Se for uma 
região bifásica 
1 – Traçar uma isoterma (linha horizontal que passa 
Pelo ponto e se estende até as regiões bifásicas) 
2 – Anotar as intersecções da isoterma com as fronteiras entre 
As fases em ambos os lados 
3 – Traçar linhas perpendiculares a isoterma até o eixo das 
Composições onde as composições em cada uma das fases 
pode ser lida 
 Localizar o ponto com as coordenadas composição e temperatura no 
diagrama de fases 
 Observar em que campo de fases o ponto se encontra 
Exemplo de Composição de fases 
Em regiões de uma fase não se usa o cálculo da regra da alavanca 
posto que a resposta é óbvia (existe 100% da fase presente). 
Quantidade das Fases 
1- Desenhar a isotérma 
2 - Encontrar o tamanho do braço 
oposto da composição desejada 
3 - Dividir o braço oposto pelo tamanho total da isoterma 
e multiplicar por 100 
L  
Braço oposto ao L = 65,6-60= 5,6 
Braço oposto a  = 60-47,5= 12,5 
Isoterma 
65,5-47,5 = 18 
L = (5,6/18).100 = ~30 % 
 = (12,5/18).100 =~70% 
Solubilidade Limitada 
 Pontos Invariantes 
Os diagramas de equilíbrio dos 
sistemas binários reais usualmente 
não são diagramas de solução sólida 
São diagramas compostos, contendo uma 
série de regiões de duas fases e uma 
série de reações invariantes. As reações 
invariantes mais comuns receberam 
nomes específicos e são de dois tipos 
gerais: 
 
1 - No resfriamento, uma fase se separa em duas outras fases. 
 
2 - No resfriamento, duas fases reagem para produzir uma terceira fase, 
distinta das duas iniciais. 
 
1. Localizar uma linha horizontal no diagrama de fases que indica a presença de 
uma reação de três fases e representa a temperatura na qual ocorre a reação em 
condições de equilíbrio. 
2. Localize três pontos distintos na linha horizontal: os dois extremos, mais um 
terceiro ponto, geralmente perto do centro da linha horizontal. O ponto central 
representa a composição na qual ocorre a reação de três fases. 
3. Busque diretamente acima do ponto central e identifique a fase ou fases 
presentes; busque imediatamente abaixo do ponto central e identifique a fase ou 
fases presentes. Depois escreva, em forma de reação, a fase ou fases acima do 
ponto central que se transformam na fase ou fases abaixo do ponto. 
 Pontos Invariantes 
(Invariante: aquilo que não 
muda durante uma 
transformação) 
Pontos Invariantes 
Solubilidade Limitada 
Evolução Microestrutural 
Diagrama Eutético Binário 
chumbo (Pb) - estanho (Sn) 
Evolução Microestrutural 
 
Binário Eutético chumbo (Pb) - 
estanho (Sn) 
Evolução Microestrutural 
Eutético, Eutetóide e 
Peritético 
Ponto de 
fusão 
congruente