A1_solubilidade entre ligas metalicas

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Ligas metálicas 
Marcelo F. Moreira 
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LIGAS METÁLICAS 
 
Os metais são geralmente utilizados na forma de ligas, ou seja; consistem em 
“misturas” de dois ou mais elementos químicos. Nas ligas metálicas, pelo menos um 
dos elementos é metal e a liga resultante apresenta características metálicas. (elevada 
condutibilidade térmica e elétrica) 
 
IMPUREZAS NOS METAIS 
 
Metais puros possuem inúmeras propriedades que os tornam importantes do 
ponto de vista industrial: Condutibilidade elétrica (Au, Cu), temperatura de fusão (W), 
etc. 
Entretanto, a maioria dos processos metalúrgicos produz metais com uma 
quantidade de impurezas que normalmente varia entre 0,01% a 1% em peso. 
 
O efeito das impurezas sobre as propriedades de um metal é relativo e 
dependente de questões tecnológicas e econômicas (custo/benefício). 
 
Quando a influência das impurezas é mínima o metal é conhecido como 
“COMERCIALMENTE PURO”. Na prática um metal puro nunca será 100%, ou seja sua 
pureza pode variar entre 99 e 99,9999% 
Metais como o cobre, zinco e Pb podem, por exemplo serem produzidos com 
pureza próxima ou superior a 99,99%. 
 
Exemplo: Padrões analíticos de Ferro 
ƒ Pó de Fe (-200#) 99+% $ 1,65 (25 g) 
ƒ Pó de Fe (-200#) 99,9% $ 19,10 (25 g) 
ƒ Pó de Fe (-22 #) 99,999% $ 86,00 (25 g) 
 
Na maioria dos casos, um ou mais elementos podem ser intencionalmente 
adicionados a um metal, objetivando-se melhorar as propriedades mecânicas ou obter 
certas propriedades específicas. 
 
Se tal adição se tornar parte integral da fase sólida, a fase resultante é 
chamada SOLUCÃO SÓLIDA, ou seja o metal puro (solvente) dissolve o elemento 
adicionado propositadamente (soluto). 
 
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LIMITE DE SOLUBILIDADE 
 
Para diversos sistemas de ligas (componentes) e sobre uma determinada 
temperatura, existe uma concentração máxima de átomos de soluto para formar uma 
solução sólida; esta concentração define o limite de solubilidade daquele sistema. 
 
A adição de soluto em quantidades superiores ao limite de solubilidade resulta 
na formação de outra solução sólida ou um composto de composição diferente. 
Exemplo: SISTEMA C12H22O11 - H2O (Água - açúcar) 
 
 
 
FASES 
 
•Uma fase pode ser definida como uma porção homogênea de um sistema que 
possui características físicas e químicas uniformes. 
 
Todo metal puro é considerado como uma fase, bem como toda solução sólida 
líquida ou gasosa. No exemplo do sistema água-açúcar: a solução líquida (água-doce) 
foi discutida como uma fase e o açúcar como outra. Cada qual possui diferentes 
características físicas (uma é sólida e outra é líquida) e químicas (composições 
químicas diferentes - uma fase apresenta C12H22O11 e H2O e a outra apenas C12H22O11) 
 
Nos sistemas com mais de uma fase, cada uma apresenta propriedades 
distintas e um contorno (contorno de fase) separando estas fases, sobre o qual existe 
uma mudança descontínua e abrupta nas características físicas e/ou químicas 
 
 
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MICROESTRUTURA 
 
Na maior parte dos materiais, as propriedades físicas e particularmente o 
comportamento mecânico são dependentes de sua microestrutura. A microestrutura 
é sujeita a observação direta através de microscópios ópticos ou eletrônicos. 
 
•Nas ligas metálicas, a microestrutura é caracterizada pelo número de fases, suas 
proporções e suas morfologias. 
 
 
 
EQUILÍBRIO ENTRE FASES 
 
Um sistema está em equilíbrio, quando sua energia livre é mínima em uma 
condição específica de temperatura pressão e composição. 
Isso significa que as características de um sistema não se alteram com o tempo ou 
seja, o sistema está estável. 
 
Alterações na pressão, temperatura e/ou composição química do sistema em 
equilíbrio podem resultar em um aumento da energia livre e, conseqüentemente, uma 
mudança espontânea para outro estado no qual a energia livre é menor. 
 
Os diagramas de equilíbrio, como o diagrama água-açúcar, fornecem 
informações importantes sobre o equilíbrio entre fases, mas não indicam o tempo 
necessário para que um novo estado de equilíbrio seja atingido. 
 
Exemplo: sistema água-açúcar com 50% açúcar a 60°C 
ƒ Adição de mais açúcar 
ƒ Redução rápida da temperatura para 20°C 
 
No caso de soluções sólidas (movimentação atômica muito menor) os estados 
de equilíbrio nunca são estabelecidos e assim o sistema é chamado de não equilíbrio 
ou metaestável. 
Os estados e microestruturas metaestáveis podem persistir indefinidamente e 
freqüentemente possuem aplicações práticas mais expressivas que estados / 
microestruturas de equilíbrio. 
Exemplo: Tratamentos térmicos dos aços - têmpera 
Tratamentos térmicos em ligas de Al (solubilização e envelhecimento) 
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SOLUÇÃO SÓLIDA SUBSTITUCIONAL 
 
Ocorre quando os átomos do soluto substituem as posições atômicas 
ocupadas pelos átomos do metal solvente 
 
Para a formação de uma solução sólida substitucional é necessário que os 
componentes (solvente e soluto) apresentem: 
ƒ dimensões atômicas similares (diferença de ~15% máx.) 
ƒ estruturas eletrônicas semelhantes (eletronegatividade e valência) 
ƒ mesma estrutura cristalina (CCC, CFC ou HC ). 
 
Exemplo Cu - Ni 
Metal Cobre Níquel 
Raio atômico 0,128 0,125 (Diferença: 2,3% 
Eletronegatividade 1,9 1,8 
Valência + comum +1 (+2) +2 
Estrut. cristalina CFC CFC 
 
Soluto Solvente Diferença entre os 
raios atômicos 
[%] 
Solubilidade 
máxima 
[%] 
Ni Cu -2,5 100 
Al Cu +12,0 9 
Pb Cu +36,9 0 
Ni Ag -13,7 0,1 
Cu Ag -11,5 9 
Pb Ag +21,2 5 
Cu Ni +2,56 100 
Al Ni +14,8 12 
Ni Al -12,9 0,05 
Cu Al -10,7 6 
Ag Al +0,9 48 
 
 
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SOLUÇÃO SÓLIDA INTERSTICIAL 
 
Geralmente ocorre quando os átomos de soluto apresentam dimensões 
menores que os átomos de solvente. 
Na solução sólida intersticial os átomos de soluto se localizam nos interstícios 
existentes entre átomos maiores (solvente) 
Exemplo clássico: Fe-C 
 
 
 
 
 
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DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO ISOMORFO (Cu-Ni) 
 
ƒ Isomorfo: (uma só forma) Completa solubilidade no sólido e no líquido 
É composto por três campos: 
ƒ Campo de α: Solução sólida substitucional composta por átomos de Cu e Ni com 
estrutura cristalina CFC 
ƒ Campo de L: Solução líquida homogênea composta por Cu e Ni 
ƒ Campo L +α : Mistura em equilíbrio das fases L e α 
 
 
 
Propriedades mecânicas das soluções sólidas Cu-Ni 
 
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INTERPRETAÇÃO DOS DIAGRAMAS DE FASE 
 
n FASES PRESENTES: 
Para uma dada composição e temperatura, as fases presentes são determinadas 
pela localização destas coordenadas (ponto composição-temperatura) no diagrama, 
ou seja o campo do diagrama que contêm a coordenada. 
Ex. Liga 60% Ni a 1100°C (Ponto A) e liga 35% Ni a 1250°C (Ponto B) 
 
o COMPOSIÇÃO DAS FASES PRESENTES: 
Localizar o ponto composição - temperatura no diagrama de fase: 
ƒ Para campo monofásico: a composição da fase é a própria composição da liga 
ƒ Para campo bifásico: 
a- Construir uma isoterma ("tie line") na temperatura fornecida para a 
localização do ponto. 
b- Identificar os pontos onde a isoterma intercepta as linhas de contorno de 
fase 
c- As composições das respectivas fases são indicadas no eixo de composição 
com o auxílio de linhas horizontais (CL e Cα) 
 
p DETERMINAÇÃO DA QUANTIDADE DAS FASES PRESENTES: 
 
“REGRA DAS ALAVANCAS” (Só aplicável emcampos bifásicos) 
A fração de uma fase é calculada tomando-se o comprimento da isoterma da 
composição da liga até o contorno de fase (CL e Cα) para a outra fase e dividindo-se 
pelo comprimento total da isoterma ("tie line" ) 
Assim, para a fração de líquido temos: 
 .100 .100 % 0
LCC
CC
SR
SL −
−=+= α
α 
 
ou para a fase α: .100 .100 % 0
L
L
CC
CC
SR
R
−
−=+= α
α 
 
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DESENVOLVIMENTO DA MICROESTRUTURA EM UM DIAGRAMA ISOMORFO 
 
ƒ Liga contendo 35% Ni: 
 
 
ZONAMENTO (“CORING”) 
 
 O zonamento é caracterizado por um gradiente de composições químicas em 
uma fase. Como no equilíbrio termodinâmico (resfriamento extremamente lento), a 
fase teria uma única composição, o zonamento representa uma condição de não-
equilíbrio em que não houve tempo suficiente para a homogeneização da composição 
química. 
É relevante citar que as condições de processamento industriais, quase 
sempre, são condições de não-equilíbrio e que microestruturas zonadas são comuns 
em diversas ligas metálicas.