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* CAPÍTULO 8/1 DIAGRAMAS DE EQUILÍBRIO DE FASES * * Determinação dos diagramas de equilíbrio: técnicas mais importantes. Metalografia Raios X Dilatometria Resistividade elétrica Análise térmica Técnica mais antiga: observações no aquecimento e no resfriamento. DIAGRAMAS DE EQUILÍBRIO DE FASES * DIAGRAMAS DE EQUILÍBRIO DE FASES Metal puro: solidificação a uma temperatura fixa. T Variação de fase líquida para fase sólida: ocorre evolução de calor latente. Tempo ponto de fusão * DIAGRAMAS DE EQUILÍBRIO DE FASES Solidificação: fenômeno de nucleação e crescimento. * DIAGRAMAS DE EQUILÍBRIO DE FASES Metal A e metal B são completamente solúveis entre si, nos estados sólido e líquido. Metal A e metal B são completamente solúveis no estado líquido e completamente insolúveis no estado sólido. Metal A e metal B são completamente no estado líquido, mas somente parcialmente solúveis no estado sólido. * Temperatura P. fusão de A P. fusão de B Composição (%p) Diagrama de fases binário, com solução sólída completa. O campo de fase líquída é denominado L e a solução sólida é designada SS. Observe a região de duas fases designada L + SS. * A regra da alavanca é uma analogia mecânica para o cálculo do balanço de massas. Em (a), a linha horizontal na região de duas fases é análoga em (b) a uma viga com apoio. Apoio * DIAGRAMAS DE EQUILÍBRIO DE FASES Solubilidade completa no estado sólido Exemplos: Cu-Ni e Au-Pt Ref: Metals Handbook, 8 ed., v. 8, Metallography Structures and Phase Diagrams, ASM, Metals Park OH, 1973, e Binary Alloy Phase Diagrams, v. 1, Massalski, T. R., ASM, Metals Park OH, 1986. % atômica Ni % peso Ni * DIAGRAMAS DE EQUILÍBRIO DE FASES Solubilidade parcial no estado sólido Exemplos: Al-Si; Pb-Sn; Cu-Ag. Sistema eutético % peso Si % atômica Si Diagrama de fases Al-Si Ref: Binary Alloy Phase Diagrams, v. 1, Massalski, T. R., ASM, Metals Park OH, 1986. * DIAGRAMAS DE EQUILÍBRIO DE FASES DIAGRAMAS DE FASES forte correlação entre microestrutura e propriedades mecânicas; desenvolvimento da microestrutura de uma liga; informação sobre fusão, vazamento, recristalização, etc. CONCEITOS BÁSICOS COMPONENTES: metais puros e/ou compostos dos quais uma liga é constituída (por exemplo: Cu-Zn). SOLVENTE: elemento/composto que está presente em maior quantidade. SOLUTO: elemento/composto que está presente em menor quantidade. * DIAGRAMAS DE EQUILÍBRIO DE FASES SISTEMA: reunião íntima e uniforme de moléculas (ou átomos ou íons diferentes). LIMITE DE SOLUBILIDADE: máxima concentração de átomos do soluto, que pode ser dissolvida no solvente, para formar uma solução sólida. excesso=precipitado/saturação. Depende da temperatura. * DIAGRAMAS DE EQUILÍBRIO DE FASES FASE: porção homogênea de um sistema, que possui características físicas e químicas uniformes. [material puro uma fase] [solução sólida/líquida/gasosa uma fase] Açúcar sólido– Água: uma fase. Cada uma das fases possui propriedades físicas e químicas diferentes . Mais de uma fase presente: descontinuidade entre as fases. * Temperatura Água Gelo Vapor Pressão (escala log) Gás Líquido Sólido (a) Representação esquemática do diagrama de fases de um componente, para a água; (b) A projeção das informações do diagrama de fases para 1 atm gera uma escala de temperaturas com a designação das temperaturas de transformação para a água (fusão a 0°C e ebulição a 100°C). Ref: Shackelford * Temperatura Gás Líquido Líquido Pressão (escala log) austenita ferrita (a) Representação esquemática do diagrama de fases de um componente, para o ferro puro; (b) A projeção das informações do diagrama de fases para 1 atm gera uma escala de temperaturas com a designação das temperaturas de transformação para o ferro. Ref: Shackelford * DIAGRAMAS DE EQUILÍBRIO DE FASES SISTEMA MONOFÁSICO: homogêneo . SISTEMAS COMPOSTOS DE DUAS OU MAIS FASES: misturas ou sistemas heterogêneos . SISTEMAS metálicos cerâmicos heterogêneos poliméricos compósitos * DIAGRAMAS DE EQUILÍBRIO DE FASES MICROESTRUTURA: número de fases presentes, suas proporções e as formas pelas quais são distribuídas e arranjadas. A microestrutura depende dos elementos de liga presentes, suas concentrações e do tratamento térmico da liga. EQUILÍBRIO: função da energia livre. SISTEMA EM EQUILÍBRIO: a energia livre é mínima sob uma combinação específica de temperatura, pressão e composição. Macroscopicamente: sistema estável. EQUILÍBRIO DE FASE: equilíbrio aplicável a sistemas em que mais de uma fase pode existir. * DIAGRAMAS DE EQUILÍBRIO DE FASES Diagrama de equilíbrio de fases ou diagrama constitucional temperatura Relacionam composição quantidades de fases no equilíbrio unário binário monofásico Componentes ternário Sistemas bifásico quaternário trifásico polinário * DIAGRAMAS DE EQUILÍBRIO DE FASES SISTEMAS BINÁRIOS ISOMORFOS Exemplo: Cu-Ni (completa solubilidade sólida e líquida dos dois componentes). Cobre-Níquel: obedece às regras de Hume- Rothery. fator tamanho (ou fator 15%); cristalografia (ambos cfc); mesma valência; e eletronegatividades próximas. * DIAGRAMAS DE EQUILÍBRIO DE FASES INTERPRETAÇÃO DOS DIAGRAMAS DE FASES fases que estão presentes; composições dessas fases; e porcentagens ou frações dessas fases. Exemplo: diagrama Cu-Ni Fases presentes Ponto A: 60% Ni e 40% Cu (1100ºC) (somente fase alfa) Ponto B: 35% Ni e 65% Cu (1250ºC) (alfa e líquido em equilíbrio) * DIAGRAMAS DE EQUILÍBRIO DE FASES Fases presentes Ponto A: 60% Ni e 40% Cu (1100ºC) (somente fase alfa). Ponto B: 35% Ni e 65% Cu (1250ºC) (alfa e líquido em equilíbrio). * Temperatura Composição (% B) Tratamento quantitativo da linha horizontal., E que permite o cáculo das quantidades de cada fase (L e SS), a serem calculadas pela regra da balança. Ref: Shackelford * DIAGRAMAS DE EQUILÍBRIO DE FASES Problema: Calcular as frações de alfa e da fase líquida. * DIAGRAMAS DE EQUILÍBRIO DE FASES DESENVOLVIMENTO DA MICROESTRUTURA EM LIGAS ISOMORFAS (resfriamento em equilíbrio) Exemplo: liga 35% Ni e 65% Cu (resfriada a partir de 1300ºC). Ponto a 1300ºC Ponto b 1260ºC Ponto c 1250ºC Ponto d 1220ºC * DIAGRAMAS DE EQUILÍBRIO DE FASES DESENVOLVIMENTO DA MICROESTRUTURA (resfriamento em não-equilíbrio) Ponto a’ 1300ºC Ponto b’ 1260ºC Ponto c’ 1240ºC Ponto d’ 1220ºC Ponto e’ 1205ºC Fenômeno de segregação. Estrutura nucleada (cored): eliminada por tratamento térmico de homogeneização. * DIAGRAMAS DE EQUILÍBRIO DE FASES REGRA DAS FASES OU REGRA DE GIBBS [P+F=C+N] P = número de fases (partes homogêneas de um sistema que tendo superfícies limítrofes definidas, são passíveis de separação por meios mecânicos (por exemplo: sólido, líquido ou gasoso). F= número de graus de liberdade (condições extremamente controláveis de temperatura, pressão e composição, que são independentemente variáveis e que podem ser especificadas, de forma a definir completamente o estado do sistema em equilíbrio. C = número de componentes(menor número de substâncias com composição independentemente variável, fazendo parte do sistema. N = número de variáveis (por exemplo: pressão e temperatura). * DIAGRAMAS DE EQUILÍBRIO DE FASES Temperatura Composição Aplicação da regra das fases, para vários pontos no diagrama de equilíbrio de fases. Ref: Shackelford * DIAGRAMAS DE EQUILÍBRIO DE FASES REAÇÕES QUE OCORREM EM DIAGRAMAS DE FASES 1 – Eutética L α + β Exemplos: Ag-Cu Fe-C Al-Si Pb-Bi Al-Sn 2 – Eutetóide α + β Exemplos: Fe-C Cu-Zn 3 – Monotética L1 α + L2 Exemplo: Cu-Pb * DIAGRAMAS DE EQUILÍBRIO DE FASES REAÇÕES QUE OCORREM EM DIAGRAMAS DE FASES 4 – Peritética α + L β Exemplo: Pt-Ag 5 - Peritetóide α + β Exemplo: Ag-Al 6 – Sintética L1 + L2 β Exemplo: Na-Zn * DIAGRAMAS DE EQUILÍBRIO DE FASES Temperatura Composição Todo líquido (Lliq) Cristalitos de B em matriz L2 Cristalitos de A em matriz L1 Microestruturas características de diferentes regiões em um diagrama binário eutético sem solução sólida. Ref: Shackelford * Temperatura Composição Diagrama de fases binário eutético com solução sólida limitada. Observar a presença de regiões de solução sólida (α e β). Ref: Shackelford * Temperatura Composição Cristalitos de α3 em matriz L1 Cristalitos de β1 em matriz L2 Todo líquido (Leut) (Leut) Sólido policristalino (α1 ) Microestrutura eutética. Camadas finas alternadas de α2 e β2. Microestruturas características de diferentes regiões em um diagrama binário eutético com solução sólida limitada. Esta ilustração é essencialmente equivalente à figura anterior, exceto que as fases sólidas são, agora, soluções sólidas (α e β) em vez dos componentes puros (A e B). Ref: Shackelford * Diagrama de fases Al-Si (Ref: Binary Alloy Phase Diagrams, v. 1, Massalski, T. R., ASM, Metals Park OH, 1986. %p de silício %at de silício Ref: Shackelford * %p de estanho %at de estanho Diagrama de fases Pb-Sn (Ref: Metals Handbook, 8 ed., v. 8, Metallography Structures and Phase Diagrams, ASM, Metals Park OH, 1973, e Binary Alloy Phase Diagrams, v. 1, Massalski, T. R., ASM, Metals Park OH, 1986. Ref: Shackelford * %at de carbono %p de carbono Diagrama de fases Fe-Fe3C. Observar que o eixo da composição é dado em %p de carbono, embora Fe3C e não carbono, é o componente. (Ref: Metals Handbook, 8 ed., v. 8, Metallography Structures and Phase Diagrams, ASM, Metals Park OH, 1973, e Binary Alloy Phase Diagrams, v. 1, Massalski, T. R., ASM, Metals Park OH, 1986). Ref: Shackelford * %at de carbono %p de carbono Diagrama de fases Fe-C. O lado esquerdo deste diagrama é aproximadamente idêntico ao do diagrama Fe-Fe3C. Neste caso, entretanto, o composto intermediário Fe3C não existe. (Ref: Metals Handbook, 8 ed., v. 8, Metallography Structures and Phase Diagrams, ASM, Metals Park OH, 1973, e Binary Alloy Phase Diagrams, v. 1, Massalski, T. R., ASM, Metals Park OH, 1986). Ref: Shackelford * Temperatura Composição Diagrama de fases peritético, mostrando uma reação peritética. Por simplicidade, não são mostradas soluções sólidas. Ref: Shackelford * Temperatura Composição Cristalitos de B em matriz L1 Microestruturas representativas para o diagrama peritético da figura anterior. Ref: Shackelford Sólido policristalino (composto AB) * Diagrama de fases Al2O3. A mulita é um composto intermediário com estequiometria ideal 3 Al2O3 . 2SiO2. (Ref: Klug, F. J.; Prochaska, S.; e Doremus, . H. J. Am. Ceram. Soc. v. 70, p. 750, 1987). Ref: Shackelford * Temperatura Composição Ref: Shackelford * Temperatura Composição Ref: Shackelford * Diagrama de fases MgO - Al2O3. O espinélio é um composto intermediário com estequiometria ideal MgO - Al2O3 . (Ref: Phase Diagrams for Ceramists, v. 1 American Ceramic Society, Columbus, OH, 1964). Ref: Shackelford * Diagrama de fases Al-Cu (Ref: Binary Alloy Phase Diagrams, v. 1, Massalski, T. R., American Society of Metals, Metals Park OH, 1986. Ref: Shackelford %at de cobre * % atômica de magnésio % peso de magnésio Diagrama de fases Al-Mg (Ref: Binary Alloy Phase Diagrams, v. 1, Massalski, T. R., American Society of Metals, Metals Park OH, 1986. Ref: Shackelford * Diagrama de fases Cu-Zn (Ref: Metals Handbook, 8 ed., v. 8, Metallography Structures and Phase Diagrams, ASM, Metals Park OH, 1973, e Binary Alloy Phase Diagrams, v. 1, Massalski, T. R., ASM, Metals Park OH, 1986. Ref: Shackelford % atômica de zinco % peso de zinco * DIAGRAMAS DE EQUILÍBRIO DE FASES Análise do diagrama Cu-Zn Cu dissolve ~ 40%Zn na solução sólida primária, e o resfriamento de qualquer liga, nesse intervalo (CFC), produz uma estrutura de solução alfa. A outra solução primária é HC e extremamente limitada. Característica importante: várias soluções sólidas secundárias. Fase delta: torna-se instável a 560°C, com decomposição eutetóide em γ + ε . * DIAGRAMAS DE EQUILÍBRIO DE FASES Análise do diagrama Cu-Zn Transformação ordem-desordem: ocorre a 450°C – 470°C e 50% Zn. Acima de 450°C, aparece uma fase ccc (solução sólida desordenada). Para temperaturas menores, os átomos de zinco são distribuídos em rede ccc (fase ordenada beta). * DIAGRAMAS DE EQUILÍBRIO DE FASES Limitações dos diagramas de equilíbrio constituição das ligas e não distribuição estrutural das fases; somente estado de equilíbrio; regra das fases P + F = C + 1 * EXERCÍCIOS SOBRE DIAGRAMAS DE FASES * Para o sistema Bi-50%p – Sb, calcule: a) as temperaturas liquidus e solidus da liga; b) a composição do último sólido a solidificar; c) a composição do último sólido a fundir; d) as composições das fases sólida e líquida a 450ºC; e e) as quantidades das fases sólida e líquida a 450ºC. * * * 2) Para uma liga Pb – Sn, com a composição eutética, calcule as frações em peso (no equilíbrio), para Pb e Sn, em uma microestrutura : a) para 182ºC ; b) para 0°C . * * 3) Para a liga hipoeutética com 40%Sn, determine: a) as frações em peso (no equilíbrio) da fase proeutética (Pb) e do líquido, para a temperatura de 215°C; b) as frações em peso (no equilíbrio) da fase proeutética (Pb) e do líquido, para a temperatura de 184°C; c) as frações em peso do proeutético (Pb) e as lamelas eutéticas a 182°C; d) as frações em peso totais de Pb e Sn, a 182°C; e e) repetir o item (d) usando os resultados do item (c) e do problema anterior. * * 4) Calcule a porcentagem de carbono (em peso) no composto intermetálico Fe3C. Dados: Fe = 55,85g e C = 12,01g 5 ) Um aço com composição eutetóide foi resfriado, em condições de equilíbrio, a partir do campo austenítico. Determine: a) a porcentagem de perlita na microestrutura formada; b) a porcentagem de ferrita na microestrutura a 726°C; e c) a porcentagem de ferrita na microestrutura (no equilíbrio) a 400°C. * 6) Um aço hipoeutetóide com 0,4%C é resfriado em condições de equilíbrio, a partir da região austenítica, até abaixo da temperatura eutetóide.Determine: a) a temperatura para a qual a fase primária começa a formar; b) a fase primária; c) a fração em peso de austenita e sua composição, a 750°C; d) a fração em peso de perlita a 726°C; e e) a fração em peso de Fe3C na microestrutura. * * * *
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