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Diagrama de Fases Conceitos Fundamentais DIAGRAMA DE FASES Mapas que permitem prever a microestrutura formada em um material em função da temperatura e composição de cada componentes. COMPONENTES São elementos químicos e/ou compostos que constituem um material. 2 Conceitos Fundamentais SISTEMA Série de fases possíveis formadas pelos mesmos componentes, independendo da composição específica. FASE Uma parte estruturalmente homogênea do sistema, que possui propriedades físicas e químicas características. 3 Conceitos Fundamentais Limite de Solubilidade Concentração máxima de átomos de soluto que pode ser dissolvida no solvente para formar uma solução sólida. Essa concentração máxima é chamada limite de solubilidade. 4 OBS: a adição em excesso de soluto resulta na formação de uma nova fase. Conceitos Fundamentais Equilíbrio de Fases Termodinamicamente, um sistema está em equilíbrio quando sua energia livre é mínima, consideradas as condições de temperatura, pressão e composição em que ele se encontra. Macroscopicamente, um sistema está em equilíbrio quando suas características não mudam com o tempo, e tendem a permanecer nas condições em que se encontra indefinidamente, a não ser que seja perturbado externamente. 5 Sistemas Isomorfos Binários Sistemas Binários Isomorfos Uma liga binária e uma liga que contem dois componentes completamente solúveis um no outro. Isomorfo: completa solubilidade dos dois componentes no estado líquido e sólido. 6 Sistemas Isomorfos Binários LINHA LIQUIDUS A linha que separa os campos da fases L e α + L. A fase liquida esta presente em todas as temperaturas e composições localizadas acima desta linha a linha que separa os campos das fases α e α + L. 7 Sistemas Isomorfos Binários LINHA SOLIDUS A linha que separa os campos das fases α e α + L. Abaixo dela existe somente a fase solida α. 8 Sistemas Isomorfos Binários Regra da Alavanca É usada para se determinar as proporções das fases em equilíbrio em um campo de duas fases. Fração de Líquido 9 Sistemas Isomorfos Binários Fração de Sólido C0 – Composição global da liga WL – Fração mássica da fase líquida Wα – Fração mássica da fase sólida 10 Sistemas Isomorfos Binários Desenvolvimento de Microestruturas em Ligas Isomorfas Resfriamento extremamente lento da Liga 35%p Ni-65%p Cu 1300ºC – fase líquida 1260ºC – formação dos primeiros sólidos 1220ºC – solidificação está virtualmente encerrada Abaixo da curva solidus o restante de líquido de solidifica 11 Sistemas Isomorfos Binários Desenvolvimento de Microestruturas fora da condição de equlíbrio O estado de equilíbrio nunca é totalmente atingido devido a taxa para se chegar a tal, ser extremamente lenta, diz-se então que um sistema é metaestável Uma microestrutura metaestável pode permanecer inalterada ou somente sofrer pequenas alterações ao longo do tempo 12 Sistemas Isomorfos Binários 1300ºC – 100% líquido 1260ºC – formação dos primeiros sólidos (fase α) Deslocamento da curva solidus para teores maiores de Ni. Não há alteração da fase α e a composição do grão vai se alterando radialmente 1220ºC – existência de porção de líquido 1205ºC – fim da solidificação 13 Regra das Fases A regra das fases representa um critério para o número de fases que coexistirão num sistema no equilíbrio. P + F = C + N P = número de fases presentes C = número de componentes do sistema N = número de variáveis além da composição p.ex., temperatura, pressão F = número de graus de liberdade número de variáveis externamente controladas 14 Regra das Fases Região A N = 1 (temperatura); C = 2 (Cu e Ag); P =1 F = 2 + 1 – 1 = 2 Para descrever as fases existentes, é preciso especificar dois parâmetros (temperatura e composição) Região B N = 1; C = 2 e P = 2 F = 2 + 1 – 2 = 1 Para descrever as fases existentes, basta especificar um parâmetro (temperatura T1 ou composição de uma das fases, CL ou Cα) 15 Sistemas Eutéticos Binários Três regiões monofásicas distintas: α – solução sólida rica em cobre (soluto: prata) β – solução sólida rica em prata (soluto: cobre) L – Líquida 16 Sistemas Eutéticos Binários Para uma liga 40%p Sn-60%p Pb a 150ºC identifique a(s) fase(s) presente(s) e a(s) composição(ões) da(s) fase(s). 17 Sistemas Eutéticos Binários C1 =40%p-Sn, Cα = 10%p-Sn, Cβ = 98%Sn 18 Sistemas Eutéticos Binários Calcule as frações volumétricas das fases presentes. 19 Sistemas Eutéticos Binários 20 Sistemas Eutéticos Binários Desenvolvimento de Microestruturas em Sistemas Eutéticos Região de solubilidade máxima de 0% a 2%p Sn. Resfriamento lento de uma composição C1 a partir de 350ºC. 21 Sistemas Eutéticos Binários Desenvolvimento de Microestruturas em Sistemas Eutéticos Composição C2 – solubilidade máxima na temperatura do eutético entre 2% a 18,3%p Sn Ao ser ultrapassado o limite de solubilidade (linha solvus) de Sn no Pb, ocorre a precipitação da fase β. 22 Sistemas Eutéticos Binários Desenvolvimento de Microestruturas em Ligas Eutéticas Solidificação da composição eutética 23 Formação da estrutura eutética: α – rica em chumbo (13,8%p Sn) β – rica em estanho (98,7%p Sn) Sistemas Eutéticos Binários Solidificação de composições diferentes da eutética quando cruzam a isoterma eutética Em ligas hipoeutéticas ocorre inicialmente precipitação da fase primária α próeutética. 24 Diagramas com Fases Intermediárias Presença de soluções sólidas intermediárias Seis soluções sólidas: Duas terminais (α e η) Quatro intermediárias (β, γ, δ e Є) 25 Diagramas com Fases Intermediárias Reações Eutetóides e Peritéticas Reação Eutetóide Reação Peritética 26 δ γ + Є Resfriamento Aquecimento δ + L Є Resfriamento Aquecimento Sistemas Binários Principais reações em sistemas binários envolvendo três fases 27 Diagrama Fe-C 28 Diagrama Fe-C Principais fases formadas: Ferrita: solução de carbono em Ferro-α (CCC). Apresenta solubilidade de 0,008%p de C a temperatura ambiente e de no máximo , 0,02%p a 727 ºC. Boa plasticidade, macia e dúctil. Austenita: solução de carbono em Ferro-γ (CFC). Solubilidade do carbono alcança até 2,11%p a 1148 ºC. Cementita: composto intermediário, denominado de carbeto de ferro (Fe3C), representado por uma linha vertical passando pela composição de 6,7%p C. Dura e frágil. Ferro-δ: solução de carbono em ferro com estrutura CCC, existente somente a altas temperaturas. 29 Diagrama Fe-C Principais Reações Ponto eutético Ponto eutetóide 30 e u te tó id e L γ + Fe3C Resfriamento Aquecimento γ (0,76%p C) α (0,022%pC) + Fe3C (6,7%p C) Resfriamento Aquecimento Diagrama Fe-C Aço Eutetóide – Teor de Carbono 0,77%p 800ºC – totalmente γ 727ºC – reação eutetóide Abaixo do eutetóide Formação da Perlita (α + Fe3O) Camadas mais claras – Ferrita α Lamelas finas escuras – Cementita Mecanicamente, propriedades intermediárias entre a ferrita e a cementita. 31 monofásico bifásico Diagrama Fe-C Ligas Hipoeutetóides – Teor de Carbono: 0,022% a 0,76% 875ºC – monofásica austenita 775ºC – formação de partículas de α nos contornos de γ. Abaixo do eutetóide – não há alteração da ferrita gerada anteriormente ao ponto. A ferrita está presente na perlita (ferrita eutetóide) e na fase formada acima do ponto Te (ferrita proeutetóide). 32 Diagrama Fe-C Ligas Hipereutetóides – Teor de Carbono 900ºC – fase γ Dentro da região γ + Fe3O – fase cementita se forma ao longo dos contornos dos grãos da fase γ, chamada de cementita proeutetóide. Abaixo do eutetóide a austenita se transforma em perlita. Microestrutura resultante: Perlita + Cementita proeutetóide. 33 Diagrama Fe-C Para uma liga composta por 99,65%p Fe-0,35%p C, a uma temperatura imediatamente abaixo da eutetóide, determine as frações das fases ferrita total e cementita. 34 0,022 6,70 0,035 Influência dos elementos de liga A adição de elementos de ligas permite obter melhoras de algumas propriedades dos metais. Deslocamento da posição eutetóide em relação à temperatura e à concentração do carbono Mn, Ni e Co alargam a faixa de temperaturas para austenita estável; Si, Cr, Mo, Ti, entre outros, estreitam a faixa de temperaturas de austenita estável. Mn e Ni diminuem à temperatura do eutetóide Cr, Si, Mo e Ti tendem a aumentá-la. 35 Influência dos elementos de liga 36
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