resistência dos materiais Diagrama de Fases

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Diagramas de fase
1) Diagrama de fase são mapas que representam a relação de fases em função da temperatura, pressão e composição química e fornecem informação necessária para o controle das fases / microestrutura em um dado material, desde que a liga esteja em equilíbrio
No diagrama de fases, obtemos as seguintes informações:
- Temperatura de fusão
- Fases presentes em função da temperatura
- Composição química das fases
- Proporção das fases
- Limite de Solubilidade
- Distribuição de fases
A importância do diagrama de fases reside no fato de:
- Permitir a visualização da fusão e solidificação.
- Prever as transformações de fases.
- Fornecer informações sobre microestrutura e propriedades mecânicas em função da temperatura e composição química.
2) Diagramas de fase isomorfo ou isotérmicos ou TTT
Quando analisamos um diagrama de equilíbrio como é o caso do diagrama metaestável ferro-cementita (presentes FeC) vemos que existem várias transformações que ocorrem a temperaturas determinadas e que são dependentes da temperatura e da composição. Estas transformações ocorrem para resfriamentos muito lentos e em temperaturas determinadas. Mas o que irá ocorrer quando tivermos velocidades de resfriamento mais rápidas que não permitam a transformação em equilíbrio? Isto é o que nos é mostrado por um outro tipo de diagrama que é chamado de Diagrama Isotérmico ou Diagrama TTT (tempo-temperatura-transformação).
Estes diagramas nos dão um mapa do que acontece quando, através de um resfriamento rápido, por exemplo, levamos a austenita para temperaturas abaixo daquelas de equilíbrio onde a mesma é instável e mantemos o aço a esta temperatura por um tempo determinado. Neste caso teremos que considerar um fator que não precisa ser considerado no diagrama de equilíbrio que é o tempo. Isto significa dizer que as transformações que irão concorrer são dependentes do tempo e que teremos a transformação parcial ou total do aço dependendo do tempo em que o mesmo for deixado nesta temperatura.
3) Fase
Fase é a porção homogênea de um sistema que tem características físicas e químicas definidas.
Exemplo: Mistura água / gelo - duas fases.
- Quimicamente idênticas - H2O
- Fisicamente distintas – líquida / sólida
Exemplo: Mistura água/açúcar com açúcar precipitado – duas fases
- Quimicamente distintas - solução H2O / açúcar e açúcar puro
- Fisicamente distintas - solução em fase líquida e fase sólida
Quando se combinam dois ou mais elementos, sabe-se a composição química não se sabe como é que o material é constituído em termos de fases 
3.1) Composição de cada fase
Cada fase tem uma composição, expressa como porcentagem de cada um dos elementos da fase. Em geral, a composição é expressa em porcentagem em peso (% peso). 
Quando está presente na liga uma única fase, sua composição é igual a da liga. Se a composição original da liga se modifica, então também deverá modificar-se a da fase. Entretanto, quando coexistem duas fases como líquido e sólido, suas composições diferirão entre si como da composição geral original. Se esta se altera ligeiramente, a composição das duas fases não se afetará, sempre que a temperatura se conserve constante. 
Figura 1 - Composição de cada uma das fases a uma determinada temperatura.
O equilíbrio de fases é o reflexo da constância das características das fases com o tempo
4) Limite de solubilidade
É a concentração máxima de átomos de soluto que pode dissolver-se no solvente, a uma dada temperatura, para formar uma solução sólida.
Quando o limite de solubilidade é ultrapassado forma-se uma segunda fase com composição distinta. Podemos ver no gráfico 1 abaixo o limite de solubilidade entre água e o açúcar.
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Figura 2 - Limite de solubilidade entre água e o açúcar.
Os diagramas de fase podem representar sistemas com:
- Solubilidade total
- Solubilidade parcial
- Insolubilidade
5) Soluções sólidas
São misturas heterogêneas com mais de uma fase presente. Essas soluções são também chamadas de ligas.
Exemplos: 
Liga de cobre (Cu) e níquel (Ni), o soluto é o níquel e o solvente é o cobre. 
A liga de cobre e estanho (Sn) é conhecida como bronze, e dá origem a vários objetos.
6) Metais
Todo metal puro e considerado uma fase.
- Nos metais, uma fase é identificada pela composição química e microestrutura.
- A interação de duas ou mais fases em um material permite a obtenção de propriedades diferentes.
- É possível alterar as propriedades do material alterando a forma e distribuição das fases
- Termodinamicamente o equilíbrio é descrito em termos de energia livre (G).
- Um sistema está em equilíbrio quando a energia livre é mínima.
7) Diagrama de fases Cu-Ni: determinação das fases.
Exemplos:
A: 1 fase (α)
B: 2 fases (L + α)
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Figura 3 – Diagrama de Equilíbrio Cu-Ni.
8) Desenvolvimento da microestrutura
a) A microestrutura só segue o diagrama de equilíbrio para velocidades de solidificação lentas
b) Na prática, não há tempo para a difusão completa e as microestruturas não são exatamente iguais às do equilíbrio
c) O grau de afastamento do equilíbrio dependerá da taxa de resfriamento
d) Como conseqüência da solidificação fora do equilíbrio tem-se a segregação (a distribuição dos dois elementos no grão não é uniforme).
9) Diagrama de equilíbrio Ferro-Carbono (FeC)
As ligas ferro-carbono ainda hoje representam os materiais de maior utilização prática. Isto se deve ao fato de que estas ligas podem apresentar uma grande variação nas suas propriedades pela simples variação na quantidade de carbono e ainda possibilitam que se tenha uma gama maior de propriedades se considerarmos a possibilidade de deformação plástica e os tratamentos térmicos. A base para que este material tenha estas características está principalmente atrelado ao fato de que o ferro puro apresenta transformação alotrópica e que o carbono forma uma solução sólida intersticial com o ferro. Isto conduz a uma série de possibilidades de transformações, cada uma com suas microestruturas típicas, resultando na grande variação das propriedades. 
As transformações em uma liga ferro-carbono são influenciadas basicamente pela temperatura e pelo teor de carbono. Se considerarmos apenas este dois fatores poderemos montar um diagrama de fases (diagrama de equilíbrio) das transformações que irão ocorrer. Nesta representação podemos ver as fases que estarão presentes para cada temperatura e composição e também os pontos que são fundamentais para a compreensão das transformações. 
9.1) Algumas considerações a respeito do diagrama FeC.
Em primeiro lugar deve ser observado que o diagrama vai somente até 6,69% de carbono. Isto se deve ao fato de que as ligas acima deste teor não têm qualquer importância comercial. Em segundo lugar deve ficar claro que as ligas comerciais não são constituídas apenas por ferro e carbono, mas podem ter em sua composição outros elementos de liga além de pequenas quantidades de impurezas que são inerentes ao processo de obtenção do material. Assim sendo, o diagrama não representa fielmente o que ocorre na prática, mas como pequenas quantidades de outros elementos não produzem grandes alterações, podemos utilizá-lo como base para o nosso estudo. 
O diagrama ferro-carbono utilizado na prática na realidade é um falso diagrama de equilíbrio, isto é, ele representa o equilíbrio metaestável entre ferro e um carboneto de ferro chamado cementita que tem fórmula estequiométrica Fe3C. O fato é que a forma mais estável da liga ferro carbono seria ferro e grafita, mas como a grafita pode levar até mesmo anos para se formar, o diagrama estável não possui aplicação prática. 
Em um diagrama de equilíbrio as fases são sempre representadas por letras gregas, mas no caso das ligas ferro carbono estas fases além de serem identificadas por letras gregas também receberam um nome. Desta forma teremos as fases denominadas ferrita, austenita 
e cementita, quepodem ou não estar presentes na microestrutura do material, dependendo do teor de carbono e da temperatura. 
Observando-se o diagrama nota-se que este apresenta vários pontos que merecem ser destacados. O primeiro deles é o que corresponde a uma composição de 2,11% de carbono a 1148 C. Este ponto representa uma fronteira entre as ligas ferro-carbono que são caracterizadas como aços e as ligas que são caracterizadas como ferro fundido. Assim, aço é uma liga com menos de 2,11% de carbono e ferro fundido é uma liga com mais de 2,11% de carbono. A escolha deste ponto deve-se ao fato de que, quando resfriamos um aço desde o estado líquido, este sempre passará por uma faixa de temperaturas em que a sua microestrutura será composta de uma única fase chamada austenita, o que não acontece para os ferros fundidos que possuem teores de carbono acima deste valor.
A austenita, também chamada fase γ, é uma fase derivada do ferro α que como se sabe é formado por uma estrutura cúbica de faces centradas. Quando combinamos o ferro com o carbono forma-se uma solução sólida intersticial em que é mantida a estrutura cristalina original do ferro.
Para temperaturas inferiores, o fato de o ferro passar para ferro produz o aparecimento de uma nova fase chamada fase a ou ferrita. A ferrita também é uma solução sólida intersticial de ferro e carbono e, a exemplo da fase, é mantida a estrutura cristalina cúbica de corpo centrado do ferro.
Devido ao fato de que as duas fases citadas acima possuem diferenças em sua estrutura cristalina, existe também uma grande diferença de solubilidade do carbono entre elas. Como já foi visto no capítulo 2, os interstícios da estrutura CFC são maiores do que os interstícios da estrutura CCC. Isto conduz a uma solubilidade do carbono que pode chegar a 2,11% (aproximadamente 9% em átomos) na temperatura de 1148 C para a austenita e somente 0,025 % (aproximadamente 0,1% em átomos) a 727 C para a ferrita. 
Como pode ser observado no diagrama, a solubilidade do carbono não é fixa para estas fases, podendo variar com a temperatura. Desta maneira a austenita e a ferrita só apresentarão a sua solubilidade máxima nas temperaturas indicadas acima, variando tanto para temperaturas superiores como para temperaturas inferiores. Além disso, o carbono é um elemento estabilizador da austenita, e como podemos ver no diagrama, quando tivermos ferro puro a temperatura mínima em que a austenita é estável é de 912 0C mas à medida que o teor de carbono cresce esta temperatura vai diminuindo até que, para 0,77% de carbono chegamos ao mínimo de 727 0C. A partir daí a temperatura aumenta novamente até atingirmos o máximo de 2,11% para 1148 C. No caso da ferrita ela é estável até 912 C na ausência de carbono e à medida em que aumenta o teor a temperatura diminui até que se atinja a solubilidade máxima de 0,025% C a 727 0C. Abaixo desta temperatura a solubilidade diminui novamente chegando praticamente a zero na temperatura ambiente.
Como existe um limite de solubilidade do carbono tanto na austenita quanto na ferrita, o excesso de carbono poderá propiciar a formação de uma terceira fase que é chamada de cementita e que possui estrutura cristalina ortorrômbica, ainda em solução sólida intersticial com 6,69% de carbono. Isto acontece para teores de carbono maiores do que 0,77% acima de 727 0C e abaixo de 1.148 0C e, para teores maiores do que 0,025%, abaixo de 727 0C. Desta maneira teremos no diagrama regiões em que o aço é monofásico e regiões em que é bifásico. As regiões monofásicas podem ser formadas por austenita ou por ferrita e as regiões bifásicas podem ser formadas por austenita e ferrita, austenita e cementita ou ferrita e cementita.
Outro ponto importante que deve ser observado é o que ocorre para a composição de 0,77% de carbono a 727 0C. Este ponto, chamado ponto eutetóide, é o lugar do diagrama em que temos a convivência simultânea das três fases citadas acima, isto é, quando resfriamos o aço teremos a transformação da austenita em ferrita e cementita. Especificamente para esta composição a temperatura permanece constante enquanto a transformação não se completar totalmente. Adiante esta transformação será tratada com mais detalhes.
Quando tivermos outros elementos fazendo parte da composição do aço, o teor de carbono correspondente ao ponto eutetóide será deslocado mais para a esquerda ou para a direita e a temperatura em que ocorre esta reação irá aumentar ou diminuir. Este é um exemplo das influências dos elementos de liga dos aços 
10) Algumas Definições
- Fases de equilíbrio: suas propriedades ou características não mudam com o tempo. 
Geralmente são representadas nos diagramas por letras gregas
- Fases metaestáveis: suas propriedades ou características mudam lentamente com o tempo, ou seja, o estado de equilíbrio não é nunca alcançado. No entanto, não há mudanças muito perceptíveis com o tempo na microestrutura das fases metaestáveis.
- Regra das alavancas: Método utilizado para a determinação da percentagem das fases (quantidades relativas das fases).
11) Exemplos de diagramas de fase
Figura 4 -- Diagrama de fases Cu-Al.
Figura 1 - Diagrama de fases Cu-Al
Figura 2 -- Diagrama de fases Cu-Sn.
Figura 3 -- Diagrama de fases Cu-Zn.
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Figura 4 -- Diagrama de fases Mg-Pb.
Figura 5 - Diagrama Fe–Pu–U-Zr.
Figura 6 – Liga X
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