Aula I - Revisão de Diagrama de Fases

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REVISÃO:
DIAGRAMAS DE FASE
UNIVERSIDADE FEDERAL DO PIAUÍ
CENTRO DE TECNOLOGIA
ENGENHARIA MECÂNICA
Engenharia e Ciência dos Materiais II
1
Liquidus
Solidus
Solvus

E
G
 + L
 + L
A
C
H
F
 + 
TEMPERATURA ( ̊C)
%p Sn
300
200
100
20
40
60
80
100
0
0
B

Sistema Pb-Sn
L
Liquidus
Solidus
Solvus

E
G
 + L
 + L
A
C
H
F
 + 
TEMPERATURA ( ̊C)
%p Sn
300
200
100
20
40
60
80
100
0
0
B

Sistema Pb-Sn
L
 L
β
β
β
β
95 % Sn
80 % Sn
37 % L
DIAGRAMAS DE FASES
Engenharia e Ciência dos Materiais II
2
Definição de diagrama de fases;
Informações que se podem obter através de um diagrama:
Fases presentes;
Composição de cada fase;
Proporção entre as fases;
Temperaturas de início de fusão/solificação.
DEFINIÇÕES E CONCEITOS BÁSICOS
COMPONENTE: pode ser METAL PURO ou um COMPOSTO.
METAL PURO
COMPOSTO
SISTEMA: há dois significados possíveis:
1º) Porção específica de matéria submetida a estudo. Exemplo: panela de fundição com aço fundido.
2º) Conjunto de ligas possíveis formadas a partir de determinados componentes. Exemplo: ligas Cu-Zn.
Massa de metal fundida em um cadinho.
LATÕES: ligas de COBRE e ZINCO.
SOLUÇÃO SÓLIDA: pode ser:
INTERSTICIAIS
FERRO
CARBONO
SUBSTITUCIONAIS
ZINCO
COBRE
Engenharia e Ciência dos Materiais II
3
FASES
Mistura heterogêna: duas FASES (água + óleo)
Engenharia e Ciência dos Materiais II
4
FASES
Sistema homogêneo: 1 fase
Sistema heterogêneo: + de 1 fase
Aço ABNT 1006
Aço ABNT 1080
Engenharia e Ciência dos Materiais II
5
MICROESTRUTURA #1
MICROESTRUTURA #2
MICROESTRUTURA #3
MICROESTRUTURA
Engenharia e Ciência dos Materiais II
MICROESTRUTURA
PERLITA, formada pelas fases FERRITA (escura) e CEMENTITA (clara).
Engenharia e Ciência dos Materiais II
ALGUMAS MICROESTRUTURA DOS AÇOS
BAINITA SUPERIOR
(ferrita + cementita em AGULHAS)
PERLITA (ferrita + cementita em LAMELAS)
FERRITA
CEMENTITA
Engenharia e Ciência dos Materiais II
8
FASE X MICROESTRUTURA
Aço hipoeutetóide com 0,38 %C. FERRITA PRÓ-EUTETÓIDE (grãos claros) e PERLITA (grão lamelares).
Engenharia e Ciência dos Materiais II
9
LIMITE DE SOLUBILIDADE
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
Engenharia e Ciência dos Materiais II
10
DIAGRAMAS DE FASES EM CONDIÇÕES DE EQUILÍBRIO
Vapor
Líquido
Linha de solidificação
T(ºC)
P(atm)
100
1
Linha de vaporização
Sólido
DIAGRAMA DE FASES DA ÁGUA
Ponto triplo (-0,01 ̊C, ~0,006 atm)
Engenharia e Ciência dos Materiais II
11
FASES SÓLIDAS EM UM DIAGRAMA A + B
%A
%A
%B
METAL PURO
SOLUÇÃO
COMPOSTO
%A
%B
100 %
COMPOSIÇÃO (%)
Engenharia e Ciência dos Materiais II
12
SISTEMAS ISOMORFOS BINÁRIOS
1500
1400
1300
1200
1100
Ni puro
80% Ni
50% Ni
20% Ni
Cu puro
Tempo
Temperatura (̊C)
1500
1400
1300
1200
1100
Temperatura (̊C)
20
40
60
80
100%
Solidus
Liquidus
Líquido (L)

1455 ̊̊C
1084 ̊C
L+
Composição (%p Ni)
Curvas de Resfriamento
Diagrama Isomorfo
0
Engenharia e Ciência dos Materiais II
13
20
30
40
50
TEMPERATURA (⁰C)
COMPOSIÇÃO (%p Ni)
1290
1250
1265
1220
1180












+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)
L 
35%p Ni
RESFRIAMENTO DE LIGA ISOMORFA EM CONDIÇÕES DE EQUILÍBRIO
Engenharia e Ciência dos Materiais II
14
A REEGRA DA ALAVANCA
100
CL
C0
C
0
T (°C)
%B
T0
L

L + 
C - CL
C0 - CL
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15
SISTEMA ISOMORFO: Bi-Sb
C1 = 30%p Sb, T1 = 600 °C:
1
~450 °C
~320 °C
3
4
 Início da solidificação:
 Fim da solidificação:
C2 = 70%p Sb, T2 = 500 °C:
 CL
~84%
 C
 REGRA DA ALAVANCA
~43%
Bi-Sb, Bismuto-Antimônio
Ti ~450 °C
Tf ~320 °C
~43%
~84%
2
Engenharia e Ciência dos Materiais II
16
1290
1250
1265
1220
1180
L 
35%p Ni
+L
L

a
b
c
d
e
20
30
40
50
TEMPERATURA (ºC)
COMPOSIÇÃO (%p Ni)
Solidus
Liquidus
35%
RESFRIAMENTO DE LIGA ISOMORFA FORA DO EQUILÍBRIO
f
Grão com estrutura ZONADA
Engenharia e Ciência dos Materiais II
17
PROPRIEDADES MECÂNICAS DE LIGAS ISOMORFAS
Limite de Resistência à Tração (MPa)
0
20
40
60
80
100
200
300
400
(Ni)
(Cu)
Composição (%p Ni)
0
20
40
60
80
100
(Ni)
Composição (%p Ni)
Alongamento (% em 50 mm)
20
50
40
30
60
(Cu)
Engenharia e Ciência dos Materiais II
18
EXERCÍCIOS SUGERIDOS
9.17 e 9.20
Engenharia e Ciência dos Materiais II
REAÇÕES INVARIANTES
resfriamento 
aquecimento 
L 
α 
β 
+ 
REAÇÃO EUTÉTICA
resfriamento 
aquecimento 
L 
α 
β 
+ 
REAÇÃO PERITÉTICA
Engenharia e Ciência dos Materiais II
20
REAÇÕES INVARIANTES
resfriamento 
aquecimento 
δ 
α 
β 
+ 
REAÇÃO EUTETÓIDE
resfriamento 
aquecimento 
δ 
α 
β 
+ 
REAÇÃO PERITETÓIDE
Engenharia e Ciência dos Materiais II
21
SISTEMAS EUTÉTICOS BINÁRIOS
Liquidus
Solidus
Solvus

E
G
 + L
 + L
A
C
H
F
61,9
L
 + 
183 ̊C
Temperatura ( ̊C)
%p Sn
300
200
100
20
40
60
80
100
0
0
B

Sistema Pb-Sn
327 ̊C
232 ̊C
C = 10%
C = 98%
 C = 40%p Sn, T = 150 ̊C:
L
 REAÇÃO EUTÉTICA
Engenharia e Ciência dos Materiais II
22
 + 
 + L
L
Liquidus
Solidus

Solvus
C1
 + 
 + L
L
Liquidus
Solidus

Solvus
C0
200
300
100
10
20
30
0
Temperatura ( ̊C)
%p Sn


L
 L




 




L
 L




 




 
~6
200
300
100
10
20
30
0
Temperatura ( ̊C)
%p Sn
Sistema Chumbo-Estanho
 
 
 
DESENVOLVIMENTO DA MICROESTRUTURA EM LIGAS EUTÉTICAS
Engenharia e Ciência dos Materiais II
23
Liquidus
Solidus
Solvus
 + L
 + L
L
 + 
183 ̊C

Temperatura ( ̊C)
%p Sn
300
200
100
20
40
60
80
100
0
0
L
REAÇÃO EUTÉTICA



Sistema Pb-Sn
61,9
DESENVOLVIMENTO DA MICROESTRUTURA EM LIGAS EUTÉTICAS
Engenharia e Ciência dos Materiais II
24
LIGA EUTÉTICA
EUTÉTICO da liga CHUMBO-ESTANHO (lamelas escuras: FASE α; lamelas claras: FASE β).
Engenharia e Ciência dos Materiais II
DESENVOLVIMENTO DA MICROESTRUTURA EM LIGAS EUTÉTICAS
Pb
Pb







Pb
Pb
Sn
Sn
Sn
Sn
Pb
Pb
Pb
Sn
Sn
L
Direção do crescimento do eutético
Engenharia e Ciência dos Materiais II
26
Liquidus
Solidus
Solvus
 + L
 + L
L
 + 
183 ̊C

Temperatura ( ̊C)
%p Sn
300
200
100
20
40
60
80
100
0
0
L
REAÇÃO EUTÉTICA
 eutético







61,9

 pró-eutético
Sistema Pb-Sn
DESENVOLVIMENTO DA MICROESTRUTURA EM LIGAS EUTÉTICAS
Engenharia e Ciência dos Materiais II
27
LIGA HIPOEUTÉTICA
HIPO-EUTÉTICO da liga CHUMBO-ESTANHO, 50% p Sn. Microestrutura: α PRÓ-EUTÉTICO (grandes regiões escuras) + EUTÉTICO.
Engenharia e Ciência dos Materiais II
EXERCÍCIOS SUGERIDOS
9.5, 9.7, 9.11, 9.15, 9,21 a 9.24, 9.26, 9.28 e 9.33
Engenharia e Ciência dos Materiais II
DIAGRAMAS COM FASES INTERMEDIÁRIAS
COMPOSIÇÃO (%p Cu)
TEMPERATURA (⁰C)
Diagrama de fases do sistema COBRE e ZINCO.
200
400
600
800
1000
1200
20
40
60
80
100
α
β
γ
ε
η
β’ 
δ
α + β
α+β’
β +
γ
β’+γ
γ +ε
ε+η 
ε + L 
δ + L 
γ + L 
 L 
α + L 
β + L 
η + L 
δ + ε
γ + δ
Engenharia e Ciência dos Materiais II
DIAGRAMAS COM FASES INTERMEDIÁRIAS
COMPOSIÇÃO (%p Cu)
TEMPERATURA ( ̊C)
Diagrama de fases do sistema COBRE e ZINCO.
500
600
700
70
60
80
90
γ
ε
δ
γ +ε
ε + L 
δ + L 
γ + L 
 L 
δ + ε
γ + δ
REAÇÃO PERITÉTICA
γ + L ↔ δ
REAÇÃO EUTETÓIDE
δ ↔ γ + ε
598 °C
560 °C
Engenharia e Ciência dos Materiais II
COMPOSTOS INTERMETÁLICOS
COMPOSIÇÃO (%p Pb)
TEMPERATURA
( ̊C)
Diagrama de fases do sistema MAGNÉSIO e CHUMBO.
20
40
60
80
100
100
200
300
400
500
600
700
α
α + L 
β + L 
β
 L 
 Mg2Pb 
 α + Mg2Pb 
 β + Mg2Pb 
 L + Mg2Pb 
 L + Mg2Pb 
REAÇÃO EUTÉTICA
L ↔ α +Mg2Pb
Engenharia e Ciência dos Materiais II
EXERCÍCIOS SUGERIDOS
9.41 e 9.42
Engenharia e Ciência dos Materiais II
O SISTEMA FERRO-CARBONO
Engenharia e Ciência dos Materiais II
34
LIGAS FERRO-CARBONO: DEFINIÇÕES
Ferro Puro
Carbono
Liga
Cinzento
Branco
Maleável
Nodular
Aço
Ligas Ferrosas
Ferro Fundido
%p C < 0,008
%p C ≤ 2,1
%p C > 2,1
Engenharia e Ciência dos Materiais II
35
ALOTROPIA DO FERRO
A
B
C
D
→
→
→L (FUSÃO)
tempo
Temperatura, °C
Transformações do Fe PURO
912
1394
1538
Fe- (CCC)
Fe- γ (CFC)
Fe- δ (CCC)
Engenharia e Ciência dos Materiais II
O DIAGRAMA Fe-C: FASES SÓLIDAS
FERRITA
AUSTENITA
Solução de carbono em FERRO-δ.
Engenharia e Ciência dos Materiais II
37
O DIAGRAMA Fe-C: FASES SÓLIDAS
CEMENTITA (Fe3C) – lamelas escuras
Engenharia e Ciência dos Materiais II
38
O DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO Fe-C
Temperatura, ̊C
Composição, %p C
1
2
3
4
5
6
6,7
0
1600
1400
1200
1000
800
600
400
L
Fe3C 
γ + L
L + Fe3C
 + Fe3C
γ + Fe3C
γ

δ
4,30
2,14
0,76
912 
1394
1538
727 ̊C
A
B
C
D
E
1148 ̊C
F
G
S
P
N
J
K
Solidus
Liquidus
Liquidus
A1
Acm
A3
Q
+γ 
REAÇÃO EUTÉTICA
L ↔ γ + Fe3C
REAÇÃO EUTETÓIDE
γ ↔ α + Fe3C
REAÇÃO PERITÉTICA
L + δ ↔ γ
Engenharia e Ciência dos Materiais II
39
Temperatura, ̊C
Composição, %p C
1
2
3
4
5
6
6,7*
0
1600
1400
1200
1000
800
600
400
C
D
E
F
S
P
K
4,30
Liquidus
Liquidus
L
2,14
1148 ̊C
Solidus
Solidus
γ + L
L + Fe3C
0,76
A3
Acm
γ

727 ̊C
A1
Fe3C
 + γ 
γ + Fe3C
 + Fe3C
*%p C (Fe3C) = mC/(mC + mFe) = 12/(12 + 3 x 55,8) = 6,7
A
B
Q
1394 
1538
912
G
Fe- (CCC)
Fe- γ (CFC)
Fe- δ (CCC)
O DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO Fe-C SIMPLIFICADO
Engenharia e Ciência dos Materiais II
40
AÇO EUTETÓIDE = 0,76%p Cc
 + γ
γ
γ + Fe3C
 + Fe3C

727 ̊C
Fe3C

TEMPERATURA (̊C)
1,0
2,0
400
500
600
700
800
900
1000
1100
COMPOSIÇÃO, %p C
0,76
REAÇÃO EUTETÓIDE
6,7
CFe3C=6,7
C=0,022
PERLITA
γ
γ
γ
Engenharia e Ciência dos Materiais II
41
AÇO EUTETÓIDE: PERLITA
Aço EUTETÓIDE (0,76 %C): PERLITA (grão lamelares).
Engenharia e Ciência dos Materiais II
42
AÇO HIPOEUTETÓIDE < 0,76 %p C
γ
γ + Fe3C
 + Fe3C
727 ̊C
TEMPERATURA, ̊C
1,0
2,0
400
500
600
700
800
900
1000
1100
COMPOSIÇÃO, %p C
0,76
6,7
γ
γ
γ
γ
γ
γ
γ
γ
γ
γ
γ
γ
γ
REAÇÃO EUTETÓIDE
C0

CFe3C = 6,7
Perlita
 pró
 + γ
C=0,022
Engenharia e Ciência dos Materiais II
43
AÇO HIPOEUTETÓIDE
PERLITA
FERRITA PRÓ-EUTETÓIDE
Aço HIPOEUTETÓIDE com 0,38 %C: FERRITA PRÓ-EUTETÓIDE (grãos claros) e PERLITA (grão lamelares).
Engenharia e Ciência dos Materiais II
44
AÇO HIPEREUTETÓIDE > 0,76%p C
 + γ
γ
γ + Fe3C
 + Fe3C
727 ̊C
TEMPERATURA, ̊C
1,0
2,0
400
500
600
700
800
900
1000
1100
COMPOSIÇÃO, %p C
6,7
REAÇÃO EUTETÓIDE
C0
γ
γ
γ
γ
γ

γ
γ
γ
γ
γ
γ
γ
γ
0,76
Perlita
Fe3C pró
Engenharia e Ciência dos Materiais II
45
AÇO HIPEREUTETÓIDE
Aço HIPEREUTETÓIDE com 1,4 %p C: PERLITA (grão lamelares) e CEMENTITA PRÓ-EUTETÓIDE (rede clara nos contornos da perlita).
PERLITA
CEMENTITA PRÓ-EUTETÓIDE
Engenharia e Ciência dos Materiais II
46
MICROESTRUTURA DOS AÇOS (EQUILÍBRIO)
AÇO
%p C
Microconstituintes
Fases
HIPOEUTETÓIDE
< 0,76
PERLITA + FERRITA PRÓ-EUTETÓIDE
FERRITA ()e CEMENTITA (Fe3C)
EUTETÓIDE
= 0,76
PERLITA
HIPEREUTETÓIDE
> 0,76
PERLITA + CEMENTITA PRÓ-EUTETÓIDE
Engenharia e Ciência dos Materiais II
47
RESFRIAMENTO FORA DAS CONDIÇÕES DE EQUILÍBRIO
MARTENSITA
BAINITA
Engenharia e Ciência dos Materiais II
48
INFLUÊNCIA DE OUTROS ELEMENTOS DE LIGA
14
0
2
4
6
8
10
12
Ti
Mo
Si
W
Cr
Mn
Ni
TEMPERATURA EUTETÓIDE, ̊C
600
800
1000
1200
CONCENTRAÇÃO DOS ELEMENTOS DE LIGA ( %p)
0
2
4
6
8
10
12
14
CONCENTRAÇÃO DOS ELEMENTOS DE LIGA ( %p)
Ti
Mo
Si
W
Cr
Mn
Ni
COMPOSIÇÃO EUTETÓIDE, %p ̊C
0,2
0,4
0,6
0,8
Engenharia e Ciência dos Materiais II
49
PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS AÇOS EM FUNÇÃO DO TEOR DE C
120
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
60
50
40
30
20
10
LIMITE DE RESISTÊNCIA À TRAÇÃO (kgf/mm2)
ALONGAMENTO (%)
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
DUREZA BRINELL
240
220
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
Alongamento
Limite de resistência à tração
Dureza Brinell
%p C
Engenharia e Ciência dos Materiais II
50
EXERCÍCIOS SUGERIDOS
9.47 a 9.59, 9.61, 9.62, 9,64 e 9.65
Engenharia e Ciência dos Materiais II