tec06 Ligas Metálicas

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Tecnologia dos Materiais
01
UNIDADE
VI
LIGAS
METÁLICAS
CONTEÚDO DESTA UNIDADE
Introdução.
Difusão.
Ligas Metálicas.
Diagramas de Equilíbrio ou de Constituição.
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Ligas Metálicas
INTRODUÇÃO
Os processos metalúrgicos geralmente produzem os metais com uma quantidade de impurezas que varia de menos de 0,01% até 2,0%, em peso.
Essas impurezas afetam as propriedades dos metais. 
METAL COMERCIALMENTE PURO: com pureza de 99,0 a 99,999%.
Alguns metais, como COBRE, ZINCO e o CHUMBO, podem ser produzidos com pureza próxima ou superior a 99,99%.
Em geral, elementos estranhos são adicionados INTENCIONALMENTE a um metal, a fim de melhorar suas propriedades ou de se obter propriedades específicas.
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DIFUSÃO
DIFUSÃO: processo de transporte de massa que ocorre através do movimento atômico causado por um GRADIENTE (DIFERENÇA) DE CONCENTRAÇÃO.
Ocorre em materiais gasosos, líquidos e sólidos. Os átomos do material soluto se movem da região de MAIOR CONCENTRAÇÃO para as de MENOR CONCENTRAÇÃO.
 Está presente em diversos processos importantes:
TRATAMENTOS TÉRMICOS.
TRATAMENTOS DE CEMENTAÇÃO.
TRANFORMAÇÃO DE FASES.
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Aquecimento por tempo prolongado, abaixo da temperatura de fusão dos materiais.
Resfriamento até a temperatura ambiente.
PAR DE DIFUSÃO
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Concentração de Cu, Ni (%)
Posição
100
0
Cu
Ni
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MECANISMOS DA DIFUSÃO
DIFUSÃO POR LACUNA: envolve a AUTO-DIFUSÃO (ÁTOMOS DO PRÓPRIO MATERIAL) e a INTERDIFUSÃO (ÁTOMOS DE IMPUREZA). Condições: 
Existência de um sítio adjacente vazio.
Átomo com energia suficiente para quebrar as ligações com seus vizinhos e causar uma distorção na rede.
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LACUNA
ÁTOMO HOSPEDEIRO OU SUBSTITUCIONAL
LACUNA
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Mecanismos da difusão
DIFUSÃO INTERSTICIAL: é muito mais rápida do que a lacunar.
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ÁTOMO INTERSTICIAL
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VELOCIDADE DE DIFUSÃO 
Depende dos seguintes fatores: 
DIMENSÕES RELATIVAS DOS ÁTOMOS SOLUTOS E SOLVENTES: quanto maior a diferença de tamanho, mais rápido é o processo.
GRADIENTE DE CONCENTRAÇÃO: a velocidade de difusão aumenta com o aumento da diferença de concentração do soluto no material.
TEMPERATURA: fator que exerce grande influência sobre a difusão: o aumento da temperatura acelera o processo difusivo (aumenta a AGITAÇÃO ATÔMICA).
TAMANHO DE GRÃO: materiais com granulometria mais fina apresentam maiores velocidades de difusão (o processo é mais rápido ao longo do contorno de grão do que dentro dos grãos). 
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Ligas Metálicas
LIGAS METÁLICAS
São misturas íntimas de dois ou mais elementos químicos (SENDO QUE PELO MENOS UM É METAL) que apresenta propriedades metálicas. 
Essa combinação de átomos diferentes resulta em um material com propriedades químicas e físicas diferentes dos constituintes puros.
Ligas estudadas atualmente: 8.000 sistemas.
Ligas ainda por estudar: 8x1025 (considerando-se apenas 86 elementos químicos)
De acordo com o número de componentes, as ligas se classificam em:
BINÁRIAS: formadas por dois componentes.
TERCIÁRIAS: três componentes.
QUATERNÁRIAS...
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Ligas Metálicas
Ligas metálicas
Os componentes de uma liga metálica podem formar:
MISTURAS HOMOGÊNEAS (SOLUÇÕES SÓLIDAS): as forças de ligação entre os átomos iguais são semelhantes às forças de atração entre átomos diferentes. Exemplos: Cu-Ni, Sb-Bi, Cu-Zn, Fe-Cr.
MISTURAS HETEROGÊNEAS (SISTEMAS INSOLÚVEIS): as forças de atração entre átomos iguais são mais fortes do que entre átomos diferentes. Exemplos: Cd-Bi, Cu-Pb, Fe-Pb.
COMPOSTOS: as forças de atração entre átomos diferentes são mais fortes que entre átomos iguais. Exemplos: Fe3C, CuAl2, SbSn, TiN.
SOLUÇÕES SÓLIDAS MAIS PRECIPITADOS (SISTEMAS PARCIALMENTE SOLÚVEIS): uma parte da mistura forma uma solução sólida () e o excesso de soluto precipita. O precipitado pode ser: 
Outra solução sólida (). 
Um metal puro.
Um composto (fase intermediária com composição química constante).
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SOLUÇÕES SÓLIDAS
Podem ser de dois tipos: 
SUBSTITUCIONAIS: os átomos do soluto (impureza) tomam o lugar dos átomos do solvente (ÁTOMOS HOSPEDEIROS). Exemplo: Cu + Zn. 
INTERSTICIAIS: os átomos de impureza ocupam os interstícios entre os átomos do solvente. O raio atômico do soluto deve ser substancialmente menor do que o do solvente. Concentração máxima: <10%. Exemplo: Fe- + C (FERRITA).
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Ferro
Carbono
Zinco
Cobre
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LIMITE DE SOLUBILIDADE
Corresponde à concentração MÁXIMA de soluto, a uma dada TEMPERATURA, que pode se dissolver no solvente, formando SOLUÇÃO.
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Solução líquida (água + açúcar)
Solução líquida + açúcar
Temperatura (ºC)
Composição (% massa de açúcar)
20
40
60
80
100
20
40
60
80
100
Limite de solubilidade
 0
~65%
Solvus
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FASES
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Porção homogênea de um sistema que possui características físicas e químicas uniformes.
Tipos de fases: 
MATERIAIS PUROS.
SOLUÇÕES (SÓLIDAS, LÍQUIDAS E GASOSAS).
COMPOSTOS.
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Fases
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Aço ABNT 1006
Aço ABNT 1076
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MICROESTRUTURA
Arranjo de fases, sujeito à observação microscópica direta. 
A microestrutura é caracterizada pelo número de fases presentes, suas proporções, distribuição e morfologia.
Muitas vezes, as propriedades físicas e mecânicas de um material dependem de sua microestrutura.
A microestrutura depende:
ELEMENTOS DE LIGA PRESENTES.
CONCENTRAÇÕES DOS ELEMENTOS.
TRATAMENTOS TÉRMICOS:
Aquecimento.
Permanência na temperatura.
Resfriamento.
FASE NÃO É O MESMO QUE MICROESTRUTURA.
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ALGUMAS MICROESTRUTURA DOS AÇOS
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Ferrita
Martensita
PERLITA
Cementita
FASE X MICROESTRUTURA
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Aço hipoeutetóide com 0,38 %C. Ferrita pró-eutetóide (grãos claros) e perlita (grão lamelares)
2 FASES
1MICROESTRUTURA
Descrevem as relações entre TEMPERATURA, PRESSÃO, COMPOSIÇÃO e as QUANTIDADES DE CADA FASE existente em condições de equilíbrio.
Variáveis:
TEMPERATURA.
PRESSÃO.
COMPOSIÇÃO.
DIAGRAMAS DE FASES EM CONDIÇÕES DE EQUILÍBRIO
Ponto triplo (-0,01 ºC, ~0,006 atm)
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Diagrama de fases da água
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Diagramas de fases em condições de equilíbrio
A partir de um diagrama de equilíbrio (ou de FASES) é possível se obter as seguintes informações:
QUAIS AS FASES PRESENTES.
QUAIS A TEMPERATURAS DE INÍCIO E DE FIM DE SOLIDIFICAÇÃO DA LIGA. 
QUAL A COMPOSIÇÃO DE CADA FASE.
QUAL A QUANTIDADE (%) DE CADA FASE.
Para a maioria das aplicações em metalurgia, a pressão é constante (1 atm).
Tipos:
BINÁRIOS.
TERNÁRIOS.
Os diagramas mais simples são os das ligas binárias. A COMPOSIÇÃO é representada no EIXO HORIZONTAL, enquanto a TEMPERATURA é registrada no EIXO VERTICAL.
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Diagramas de equilíbrio ou de constituição
Os diagramas de equilíbrio para as ligas binárias podem ser agrupados em 4 categorias:
Ligas cujos componentes são totalmente miscíveis tanto no estado líquido, como no estado sólido (SISTEMAS ISOMORFOS).
Ligas cujos componentes são completamente insolúveis no estado sólido.
Ligas cujos componentes são parcialmente solúveis no estado sólido.
Ligas cujos componentes podem formar compostos intermetálicos, os quais podem ser:
Totalmente solúveis.
Parcialmente solúveis.
Completamente insolúveis.
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Ligas Metálicas
COMO IDENTIFICAR O TIPO DE FASE EM UM DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO
Considere um sistema binário
formado por A e B: 
METAL PURO: 100% A e 0% B ou 0% A e 100% B.
SOLUÇÃO SÓLIDA: x%A e y%B. A composição varia com a temperatura durante a sua formação.
COMPOSTO: x% A e y% B. A composição não varia com a temperatura.
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SISTEMAS ISOMORFOS BINÁRIOS
Os componentes apresentam MISCIBILIDADE TOTAL tanto na fase LÍQUIDA quanto na fase SÓLIDA (sistemas HOMOGÊNEOS). Exemplos: Cu + Ni, Sb + Bi.
22
1500
1400
1300
1200
1100
Ni puro
80% Ni
50% Ni
20% Ni
Cu puro
Tempo
Temperatura (ºC)
1500
1400
1300
1200
1100
Temperatura (ºC)
20
40
60
80
100%
Solidus
Liquidus
Líquido (L)

1455 ºC
1084 ºC
L+
Percentagem ponderal de Ni
Curvas de Resfriamento
Diagrama Isomorfo
0
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Ligas Metálicas
1290
1250
1265
1220
1180
23
L 
35%p Ni
+L
L

a
b
c
d
e
~46%
L (35%p Ni)
 (46%p Ni)
Solidus
Liquidus
~43%
 (43%p Ni)
~32%
L (32%p Ni)
 (35%p Ni)
~24%
L (24%p Ni)
35%
 (35%p Ni)
RESFRIAMENTO DE LIGA ISOMORFA EM CONDIÇÕES DE EQUILÍBRIO
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A quantidade relativa de cada fase em uma região bifásica é determinada como se segue:
W + WL = 1
Onde WL e W são as frações das 
fases líquida e sólida. E ainda:
WC + WLCL = C0
WC + (1 - W)CL = C0 
(C - CL)W = C0 - CL 
De modo análogo:
A REGRA DA ALAVANCA
24
100
CL
C0
C
0
T (ºC)
%B
T0
L

L + 
R
O
C - CL
C0 - CL
F = 0:
W + WL = R = 1
Mo = 0:
W(C - CL) – R(C0 – CL) = 0
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Ligas Metálicas
SISTEMA ISOMORFO: Bi-Sb
25
C1 = 30%p Sb, T1 = 600ºC:
1
~450ºC
2
~320ºC
3
4
 Início da solidificação:
 Fim da solidificação:
C2 = 70%p Sb, T2 = 500ºC:
 CL
~84%
 C
 REGRA DA ALAVANCA:
~43%
Bi-Sb, Bismuto-Antimônio
Ti ~450ºC
Tf ~320ºC
~43%
~84%
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Ligas Metálicas
SISTEMAS EUTÉTICOS BINÁRIOS
26
Liquidus
Solidus
Materiais para Construção Mecânica
Diagramas de Fase
Solvus

E
B
G
 + L
 + L
A
C
H
F
18,3
97,8
61,9
L
(CE)
(CE)
(CE)
 + 
183 ºC
B

Sistema Pb-Sn
327 ºC
232 ºC
C = 10%
C = 98%
 C = 40%p Sn, T = 150 ºC:
DESENVOLVIMENTO DA MICROESTRUTURA EM LIGAS EUTÉTICAS
27
Materiais para Construção Mecânica
Diagramas de Fase
 + 
 + L
L
Liquidus
Solidus

Solvus
C1
C0


L
L
~6
Sistema Chumbo-Estanho
Desenvolvimento da microestrutura em ligas eutéticas
Materiais para Construção Mecânica
Diagramas de Fase
28
Liquidus
Solidus
Solvus
 + L
 + L
18,3
97,8
61,9
L
(CE)
(CE)
 + 
183 ºC

Sistema Pb-Sn
L
REAÇÃO EUTÉTICA



Desenvolvimento da microestrutura em ligas eutéticas
Materiais para Construção Mecânica
Diagramas de Fase
29
Liquidus
Solidus
Solvus
 + L
 + L
L
 + 
183 ºC

Sistema Pb-Sn
L
REAÇÃO EUTÉTICA
 eutético

61,9

 pró-eutético
O DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO FERRO-CARBONO
30
L
Fe3C 
γ + L
L + Fe3C
4,30
2,14
0,76
912 ºC
1394 ºC
1538 ºC
727 ºC
A
B
C
D
E
1148 ºC
F
G
S
P
N
J
K
Solidus
Liquidus
Liquidus
A1
Acm
A3
Q
0,022
AÇOS
0,08 ≤ %C ≤ 2,11
FERROS FUNDIDOS
%C ≥ 2,11
Fe
Materiais para Construção Mecânica
Diagramas de Fase
DIAGRAMA DE EQUILIBRIO Cu-Zn (LATÕES)
Materiais para Construção Mecânica
Diagramas de Fase
31
*
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