Diagrama de fases

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 Diagramas de Fase
- Definições e conceitos básicos: identificação das fases, limite de solubilidade, microestrutura das fases
-  Diagramas de equilíbrio binários isomorfos e eutéticos
-   Reações eutetóides e peritéticas
- Sistema Fe-C e microestruturas que se formam no resfriamento lento
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Importância dos Diagramas de Fase
Um diagrama de fases pode ser comparado a um “mapa” para determinação das fases presentes, para qualquer temperatura e composição (em equilíbrio);
Eles permitem prever a microestrutura de um material em função da temperatura e composição dos constituintes;
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Portanto, a compreensão dos diagramas de fase é importante para o projeto e controle de procedimentos em tratamentos térmicos, bem como para análise de fenômenos de fusão, fundição, cristalização e outros
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Fase: é uma porção homogênea do material que apresenta propriedades físicas e/ou químicas uniformes;
Exemplos:
Mistura água/gelo (2 fases)
Quimicamente idênticas: H2O;
Fisicamente distintas: líquida/sólida;
Mistura água/açúcar c/ açúcar precipitado (2 fases)
Quimicamente distintas: solução H2O/C12H22O11 e C12H22O11 puro;
Fisicamente distintas: uma solução em fase líquida (xarope água/açúcar) e uma fase sólida;
Definições e Conceitos Básicos
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Definições e Conceitos Básicos
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Materiais puros, soluções sólidas, soluções líquidas e soluções gasosas são considerados monofásicos;
As variações polimórficas são consideradas fases: 		Ex.: Fe  (CFC) e Fe  (CCC) têm a mesma composição 		química, mas estruturas diferentes => fases diferentes;
 Os sistemas de uma única fase são chamados de sistemas homogêneos, e os com mais de uma fase sistemas heterogêneos ou misturas;
Definições e Conceitos Básicos
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 As fases são visualmente identificáveis;
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Fe-C (Perlita)
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Definições e Conceitos Básicos
Limite de solubilidade: é a concentração máxima de soluto que pode ser dissolvido no solvente para formar uma solução sólida (uma única fase). 
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Definições e Conceitos Básicos
O equilíbrio de fases é refletido por uma constância das características das fases presentes em relação ao tempo => as fases presentes não variam com o tempo;
Exemplo: Sistema açúcar-água (C12H22O11 – H2O)
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Diagramas de Fases em Condições de Equilíbrio
Um diagrama de fases (ou diagrama de equilíbrio) é similar a um “mapa” para determinação das fases presentes, para qualquer temperatura e composição, desde que a liga esteja em equilíbrio;
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Diagramas de Fases em Condições de Equilíbrio
Exemplo de Diagrama Unário - Fe puro
Exemplo de Diagrama Binário – Sistema Cu-Ni
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Diagramas de Fases em Condições de Equilíbrio
Exemplo de Diagrama Ternário - Sistema SiO2- FeO - Al2O3
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Uma fase pode ser definida como uma porção
homogênea de um sistema que possui características físicas e químicas uniformes.
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Equilíbrio de fases: significa que as características do sistema não mudam ao longo do tempo, persistem indefinidamente. Uma alteração na temperatura, na pressão e/ou na composição de um sistema em equilíbrio resultará em uma possível mudança espontânea para um outro estado.
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Três regiões, ou campos de fases diferentes aparecem no diagrama,
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Fases presentes
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L+Fe3C
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Linha de amarração
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As composições das fases são expressas em termos de percentuais em peso dos componentes (por exemplo, %p Cu, %p Ni).
Para qualquer liga que consista em uma única fase. a composição daquela fase é a mesma que a composição global da liga.
Se duas fases estiverem presentes, deve ser empregada a linha de amarração, cujas extremidades determinam as composições das respectivas fases
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Em relação às quantidades fracionais das fases (por exemplo, a fração mássica da fase a ou da fase líquida), quando existe uma única fase, a liga é composta totalmente por aquela fase.
para uma liga bifásica, é utilizada a regra da alavanca, na qual é tomada a razão entre os comprimentos dos segmentos da linha de amarração
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PROPRIEDADES MECÂNICAS DE LIGAS ISOMORFAS
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solda de estanho 60-40,
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Para uma liga com Pb-40%p Sn-60%p a 150°C , (a) qual(is) fase(s) está(ão) presente(s)? (b) Qual(is) é(são) a(s) composição(ões) da(s) fase(s); calcule as quantidades relativas de cada fase
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SISTEMAS EUTÉTICOS BINÁRIOS
reação eutética
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Diagramas de Fases Binários
A
P
Q
R
Cálculo da quantidade relativa dos microconstituentes (eutético e a primário)
Fração de fase eutética
Fração total de fase b
Fração total de fase a 
Fração de fase a primária
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DESENVOLVIMENTO DA MICROESTRUTURA EM
LIGAS ISOMORFAS
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segregação
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DESENVOLVIMENTO DA MICROESTRUTURA EM LIGAS EUTÉTICAS
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DESENVOLVIMENTO DA MICROESTRUTURA EM LIGAS EUTÉTICAS
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(A fotografia é uma cortesia da Boeing Commercial Airplane Company.) : Uma micrografia eletrônica de transmissão mostrando a microestrutura da liga de alumínio que é usada para as camadas superiores da asa, de partes das estruturas internas da asa e de áreas selecionadas da fuselagem do Boeing 767 acima. Esta é uma liga 7150-T651 (6,2Zn, 2,3Cu, 2,3Mg, 0,12Zr, sendo o restante Al) que foi submetida a endurecimento por precipitação.
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Sistema Al-Cu
A fase endurecedora das ligas Al-Cu é CuAl2 () 
Solubilização
5,65%
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Tratamento térmico de solubilização seguido de envelhecimento
Chamado de 
envelhecimento que
 pode ser
natural ou artificial
A ppt se dá a T ambiente
A ppt se dá acima da T ambiente por reaqueci-mento
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Dessa forma, a fase α estará presente tanto na estrutura eutética como também naquela fase que se formou durante o resfriamento através do campo das fases a + L.
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DIAGRAMAS DE EQUILÍBRIO QUE POSSUEM FASES OU COMPOSTOS
INTERMEDIÁRIOS
diagrama eutético simples
diagrama eutético simples
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REAÇÕES EUTETÓIDES E PERITÉTICAS
uma fase sólida se transforma em 
duas outras fases sólidas
isoterma eutetóide
Mediante aquecimento, uma fase sólida se transforma em uma fase líquida e numa outra fase sólida.
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Sistema Ferro-Carbono
 Entre os sistemas binários o Fe-C é o mais importante, pois tanto os aços quanto os ferros fundidos que são essencialmente 
 ligas ferro-carbono, são os principais materiais estruturais;
Sistema
Ferro-Carbono
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Ferro Puro /Formas Alotrópicas
FERRO  = FERRITA
Estrutura= ccc
Temperatura “existência”= até 912 C
Fase Magnética até 770 C (temperatura de Curie)
Solubilidade máx. do Carbono= 0,0218% a 727 C e 0,008% a T ambiente.
FERRO  = AUSTENITA
Estrutura= cfc (tem + posições intersticiais)
Temperatura “existência”= 912 -1394C
Fase Não-Magnética
Solubilidade máx. do Carbono= 2,11% a 1148C
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Ferro Puro /Formas Alotrópicas
FERRITA
AUSTENITA
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Sistema Fe-Fe3C
Ferro Puro= até 0,008% de Carbono (727ºC)
Aço= 0,008 até 2,14% de Carbono (raramente >1%)
Ferro Fundido= 2,14- 4,5% de Carbono
Fe3C (CEMENTITA)= Forma-se quando o limite de solubilidade do carbono é ultrapassado (6,7% de C)
O carbono é uma impureza intersticial no ferro e forma uma solução sólida tanto com a ferrita α como com ferrita ɤ, e também com a austenita,
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CEMENTITA (Fe3C)
Forma-se quando o limite de solubilidade do carbono é ultrapassado (6,7% de C)
É dura e frágil
Cristaliza no sistema ortorrômbico (com 12 átomos de Fe e 4 de C por célula unitária)
É um composto intermetálico metaestável, embora a velocidadede decomposição em ferro  e C seja muito lenta
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PONTOS IMPORTANTES DO SISTEMA Fe-Fe3C (EUTÉTICO)
LIGA EUTÉTICA: corresponde à liga de 				mais baixo de fusão
 Líquido FASE  (austenita) + cementita
Temperatura= 1148 C
Teor de Carbono= 4,3%
As ligas de Ferro fundido de 2,1-4,3% de C são chamadas de ligas hipoeutéticas
As ligas de Ferro fundido acima de 4,3% de C são chamadas de ligas hipereutéticas
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PONTOS IMPORTANTES DO SISTEMA Fe-Fe3C (EUTETÓIDE)
LIGA EUTETÓIDE
Austenita	 FASE  (FERRITA) + Cementita
Temperatura= 727 C
Teor de Carbono= 0,77 %
Aços com 0,02-0,77% de C são chamadas de aços hipoeutetóides
Aços com 0,77-2,1% de C são chamadas de aços hipereutetóides
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mediante resfriamento, a fase y, sólida, se transforma em ferro α e em cementita Fe3C
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MICROESTRUTURAS / EUTETÓIDE Supondo resfriamento lento para manter o equilíbrio
É similar ao eutético 
Consiste de lamelas alternadas de fase  (ferrita) e Fe3C (cementita) chamada de 
 PERLITA
FERRITA 	 lamelas espessas e claras
CEMENTITA 	lamelas finas e escuras
Propriedades mecânicas da perlita 		
 intermediária entre ferrita (mole e dúctil) e cementita (dura e frágil)
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MICROESTRUTURAS / EUTETÓIDE
perlita,
Mecanicamente, a perlita apresenta propriedades intermediarias entre a macia e dútil ferrita e a dura e frágil cementita
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a composição da fase que lhe deu origem [nesse caso a austenita (0,76%p C)] é diferente de ambas as fases geradas como produto [ferrita (0,022%p C) e cementita (6,7%p C)],
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MICROESTRUTURA DO AÇO EUTETÓIDE RESFRIADO LENTAMENTE
Somente Perlita
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MICROESTRUTURAS /HIPOEUTETÓIDE Supondo resfriamento lento para manter o equilíbrio
Teor de Carbono = 0,002- 0,77 %
Estrutura 
		 Ferrita + Perlita
As quantidades de ferrita e perlita variam conforme a 
 % de carbono e podem ser determinadas pela regra das alavancas
Partes claras ferrita pró eutetóide ou ferrita primária
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MICROESTRUTURA DOS AÇOS BAIXO TEOR DE CARBONO
Ferrita	Perlita
AÇO COM ~0,2%C
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MICROESTRUTURA DOS AÇOS MÉDIO TEOR DE CARBONO RESFRIADOS LENTAMENTE
Ferrita	Perlita
AÇO COM ~0,45%C
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MICROESTRUTURAS /HIPEREUTETÓIDE Supondo resfriamento lento para manter o equilíbrio
Teor de Carbono = 0,77 - 2,11 %
		 Estrutura 		 
 cementita+ Perlita
As quantidades de cementita e perlita variam conforme a % de carbono e podem ser determinadas pela regra da alavanca
Partes claras  cementita próeutetóide.
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Cite as fases que estão presentes, composições das fases e proporções relativas para as seguintes ligas:
(a) 90%p Zn-10%p Cu a 400°C
(b) 75%p Sn-25%p Pb a 175°C
(c) 55%p Ag-45%p Cu a 900°C
(d) 30%p Pb-70%p Mg a 425°C
(e) 2,12 kg Zn e 1,88 kg Cu a 500°C
(0 37 lbm Pb e 6,5 lbm Mg a 400°C
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Deformação elástica e plástica na temperatura
Ambiente ocorre instantaneamente e permanece constante ao longo do tempo.
• Em alta temperatura, há fluência e o comportamento mecânico torna-se dependente do tempo.
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O que é uma Alta Temperatura?
• Comparar com a temperatura de fusão do sólido (TM).
• A partir de T > ~ 0,3 TM (em K) os fenômenos associados à fluência tornam-se predominantes.
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Diagrama tensão deformação não depende da temperatura ou tempo
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FLUÊNCIA
É o fenômeno de deformação lenta, sob ação de uma carga constante aplicada durante longo período de tempo a uma temperatura superior a 0,4 vezes a Temperatura de fusão em Kelvin
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Os diversos materiais sofrem deformação plástica quando submetidos a tensão constante em função do tempo. Esta deformação plástica limita a vida útil dos componentes elaborados com estes materiais.
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Exemplo: filamento de tungstênio
• TM ~ 3.000 °C (3273 K)
• Tamb (300 K) é muito baixa para o 
tungstênio
• Temperatura de trabalho (2273 K) 
• O filamento de W apresenta fluência no trabalho
• O peso-próprio das espiras causa deformação, até as mesmas se tocarem e haver “queima da lâmpada”
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Aspecto da ruptura por fluência
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Ensaio de fluência 
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Ensaio de fluência: curva típica
Deformação instantânea: Efeito do carregamento do corpo de prova, do tipo elástica 
Estágio primário: onde a velocidade de fluência é rápida ocorre nas primeiras horas. Velocidade de def. decrescente -encruamento 
Estágio secundário: A taxa de fluência é constante. Estágio de duração mais longo. Equilíbrio entre os processos de encruamento e recuperação
Estágio terciário: Aceleração na taxa de fluência, estricção seguido de ruptura. 
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