Aula 1 MTT1

Prévia do material em texto

UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MINAS GERAIS
Departamento de Ciências Exatas Aplicadas e dos Materiais
Metalografia e Tratamentos 
Térmicos I
1º semestre de 2019
Professor: Girley
Ementa do curso
• Análise dos métodos metalográficos. 
• Estudo dos Aços ao Carbono e Aços Ligas: 
baixa liga, aços ferramentas e aços 
inoxidáveis. 
• Análise do processamento de Aços 
Microligados
2
Bibliografia
• CHIAVERINI, V. Aços e Ferros Fundidos. 7 ed. São Paulo: ABM, 
2005.
• CHIAVERINI, V. Tratamentos Térmicos das Ligas Metálicas. São 
Paulo: ABM, 2003.
• COLPAERT, H. Metalografia dos Produtos Siderúrgicos Comuns. 3 
ed. São Paulo: IPT e Edgard Blucher,
• 1983.
• COUTINHO, T. A. Metalografia de Não-ferrosos; Análise e Prática. 
São Paulo: Edgard Blücher, 1980
• ASM. Metals Handbook: Materials Characterization. [S. l.] Editora 
ASM International Handbook Committee Knovel Corporation. 9.ed. 
1986. v.10.
3
Avaliações
• P1 : 09/04
• P2 : 14/05
• P3 : 18/06
• Segunda chamada: 25/06
4
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MINAS GERAIS
Departamento de Ciências Exatas Aplicadas e dos Materiais
DIAGRAMAS DE FASES
Metalografia e Tratamentos Térmicos I
1º semestre de 2018
Professor: Girley
Aula de Revisão
6
Roteiro da aula
• Importância do tema, aplicações.
• Definições : componente, sistema, fase, tipos de 
equilíbrios.
– Limite de solubilidade
– Metaestabilidade (sistemas fora do equilíbrio)
• Sistemas com um único componente
• Sistemas binários
– Regra da alavanca
– Regra das Fases
– Transformações : eutética, eutetóide, peritética, peritetóide
• Desenvolvimento de estruturas em sistemas binários
– em condições de equilíbrio
– fora do equilíbrio
– em sistemas com eutéticos 
7Por que estudar diagramas 
de fases?
Exemplo de Diagrama de Fases
Sistema Pb-Sn
• Os diagramas de fases
relacionam temperatura,
composição química e quantidade
das fases em equilíbrio.
– Um diagrama de fases é um
“mapa” que mostra quais fases
são as mais estáveis nas
diferentes composições, tempera-
turas e pressões.
• A MICROESTRUTURA dos
materiais pode ser relacionada
diretamente com o diagrama de
fases.
• Existe uma relação direta entre as
propriedades dos materiais e as
suas microestruturas.
8
Aplicações:
• peças fundidas como blocos de motores, soldagem branda para
aplicação em eletrônica, etc...
9
• COMPONENTES
– São elementos químicos e/ou
compostos que constituem uma fase.
• SISTEMA
– Definição 1: quantidade de matéria com
massa e identidade fixas sobre a qual
dirigimos a nossa atenção. Todo o resto
é chamado vizinhança. Exemplo: uma
barra da liga ao lado, com 40% de Sn.
– Definição 2: série de fases possíveis
formadas pelos mesmos componentes,
independendo da composição
específica. Exemplo: o sistema Pb-Sn.
• FASE
– Uma parte estruturalmente homogênea
do sistema, que possui propriedades
físicas e químicas características.
Exemplo: fases a, b e L da liga ao lado.
Definições (I):
Exemplo de Diagrama de Fases do Sistema Pb-Sn
50%p Sn - 50%p Pb
Ampliação x400
10Definições: tipos de equilíbrio (I)
• Equilíbrio mecânico:
– Dois sistemas, separados por uma parede não rígida (móvel), estão
em equilíbrio mecânico quando não existir diferença de pressão
entre eles. Da mesma maneira, não existe um desbalanceamento de
forças no interior do sistema nem sobre o mesmo, em outras
palavras, o sistema não possui aceleração. A propriedade
termodinâmica que caracteriza o equilíbrio mecânico é a pressão.
P1 > P2 P1 > Pe > P2
P1 P2
inicial
Pe Pe
final
11
• Equilíbrio térmico:
– Dois sistemas, separados por uma parede que permite o fluxo de
calor entre ambos, estarão em equilíbrio térmico quando não
houver fluxo de calor entre eles. Isto implica em uma temperatura
única entre os dois sistemas. Assim, toda propriedade física que se
altera com a temperatura (volume, densidade, pressão) tem que
permanecer constante com o tempo, desde que não haja
modificação em seu estado. A propriedade termodinâmica que
caracteriza o equilíbrio térmico é a temperatura.
T2
T1 > T2
T1
Fluxo de calor
Te Te
T1 >Te > T2
inicial final
Definições: tipos de equilíbrio (II)
12Definições: tipos de equilíbrio (III)
• Equilíbrio de fases:
– Um sistema fechado, formado por diversas fases, estará em equilíbrio quando o
potencial químico da cada componente das fases, for o mesmo em todas as
fases do sistema. Isto implica que o número de fases não se altera. O potencial
químico está relacionado com o fluxo de massa, que vai da região de maior
potencial para a de menor potencial, e mostra como as propriedades
termodinâmicas variam com a composição química. No caso de pressão e
temperatura constantes, o potencial químico (i) é dado pela variação da
energia livre de Gibbs (G) com a concentração do componente ‘i’ (Ni). A
composição química caracteriza o equilíbrio de fases.
TdSdHdG 
jNTpi
i N
G
,,






 2
1 >  2
 1
Fluxo de massa
 e  e
 1 >  e >  2
inicial final
iC1 ieC
i
eC
iC2
13
Definições: equilíbrio termodinâmico 
(IV)
• Dois sistemas estão em equilíbrio termodinâmico quando
estão simultaneamente em:
1. Equilíbrio mecânico.
2. Equilíbrio térmico.
3. Equilíbrio de fases.
14
PMT 2100 Introdução à Ciência dos Materiais para Engenharia EPUSP - 2011
• O equilíbrio entre duas fases num sistema monocomponente
chama-se equilíbrio univariante.
Sistemas com um único componente
Diagrama de 
fases do ferro
Diagrama de 
fases da água
alotropia
15
• Para muitos sistemas e para uma determinada temperatura, existe
uma concentração máxima de átomos de soluto que pode ser
dissolvida no solvente formando uma solução sólida. Essa
concentração máxima é chamada LIMITE DE SOLUBILIDADE.
Limite de solubilidade
Água
Açúcar
16
Tipos de soluções sólidas 
(revisão):
Representação de átomos que formam 
soluções sólidas 
SUBSTITUCIONAIS e INTERSTICIAIS
SUBSTITUCIONAL
INTERSTICIAL
Como se forma uma solução sólida?
Resposta: Mistura-se os dois componentes no estado líquido
e forma-se a solução sólida durante a solidificação.
(ou produz por “mechanical alloying” no estado sólido.)
17
Ferrita
(solução sólida 
intersticial do carbono 
no Fe a)
Ferrita 
+ Fe3C
Analogia com o limite de solubilidade da 
mistura (água + açúcar) com o sistema Fe-C
• no estado sólido:
Parte do diagrama de 
fases Fe-C 
esquemático
18Regras de Hume-Rothery para solubilidade 
no estado sólido:
• Regra 1: solução sólida substitucional ilimitada ocorre quando a
diferença entre os raios atômicos dos componentes for menor que
15%. Se for maior que este valor, a solubilidade é limitada.
• Regra 2: uma solução sólida com solubilidade extensa é mais provável
quando os dois componentes devem ter a mesma estrutura cristalina.
• Regra 3: um componente (A) dissolve mais um outro componente (B)
com valência maior que (A), do que com valência menor que (A). O
ideal é que os dois tenham a mesma valência.
• Regra 4: quanto menor a diferença de eletronegatividade entre os dois
componentes, maior a possibilidade de formar solução sólida extensa.
Como se constrói 
experimentalmente um diagrama 
de fases?
20Análise térmica:
• Técnica experimental termo-analítica que identifica mudanças de estado em função da
temperatura, como por exemplo a passagem do estado líquido para o estado sólido.
Temperatura
Tempo
Sólido
Líquido 
+ 
Sólido
TF
Líquido
Resfriamento 
do líquido
Resfriamento 
do sólido
Solidificação
21Análise térmica da solidificação: metal puro
Temperatura
Tempo
TF
Solidificação
Início Fim
Líquido Sólido
• a solidificação ocorre em uma TEMPERATURA CONSTANTE,a
temperatura de fusão do metal (TF).
22Análise térmica da solidificação: liga metálica
Temperatura
Tempo
TF
Início Fim
• a solidificação ocorre em um INTERVALO DE TEMPERATURA (T).
solidusliquidus TTT 
Temperatura
Tempo
Tliquidus
Solidificação
Início Fim
Tsolidus
Líquido Sólido
T
Temperatura liquidus = temperatura onde existe equilíbrio entre o líquido e os primeiros 
núcleos de sólido que se formaram. Acima desta temperatura a fase líquida é a fase 
estável.
Temperatura solidus = temperatura abaixo da qual o material é completamente sólido.
23Diagrama de fase de uma liga A-B por 
análise térmica
Análise térmica de 
diversas composições 
químicas
Intervalos de 
solidificação em função 
da composição
(Despreza-se o tempo)
Diagrama de fases
Sólido
(solução sólida)
Líquido
Líquido
Sólido
Líquido
Sólido
Intervalo de 
solidificação
Tipos de diagramas de fase
Dendrita
Diagramas de fase binários
(DUAS FASES em equilíbrio termodinâmico)
26Diagramas de fase isomorfos
• Num sistema binário isomorfo,
os dois componentes são
completamente solúveis um no
outro.
Diagrama de fases do Sistema Cu - Ni
Compon. Raio 
atômico
Mis-
match
Estrut.
crist.
Valên-
cia
Eletro-
neg.
Ni 
(solvente)
0,125 
nm
2,3% CFC 2+ 1,9
Cu 
(soluto)
0,128 
nm
2,3% CFC 1+ 1,9
Regra de Hume-Rothery
27
• P = número de fases presentes
• C = número de componentes do sistema
• N = número de variáveis além da composição química das
fases. Por exemplo: temperatura e pressão.
• F = graus de liberdade
– Número de variáveis externas controláveis que são especificadas
para definir completamente o estado de um sistema. Esta variáveis
podem ser alteradas de forma independente sem alterar o número
de fases existente no sistema.
• A regra das fases representa um critério para o número de
fases que coexistirão num sistema no equilíbrio.
• A regra das fases não representa um critério para quantidade
relativa das fases que coexistem num sistema no equilíbrio.
Regra das fases ou Lei das Fases de Gibbs
P + F = C + N
28Regra das fases de Gibbs aplicada em um 
diagrama de fases isomorfo.
P + F = C + N
N = variáveis além da composição quimica = 1 
(pressão é constante)
Ponto A
P = número de fases = 2 (sólido e
líquido).
2 + F = 1 + 1
F = 0
Assim, o ponto A é um ponto invariante,
isto é, a temperatura de fusão do cobre
puro é única.
C = componentes = 1 (Cu)
Diagrama de fases do Sistema Cu - Ni
B
A
C
D
29
Ponto B ou Ponto C
P = número de fases = 1 (ponto B fase
líquida e no ponto C a fase sólida).
1 + F = 2 + 1
F = 2
Assim, nos pontos B e C são necessárias
duas variáveis para definir o estado do
sistema, a composição química e a
temperatura. Em B a temperatura é de
1500oC e a composição de 20% de Ni.
Em C a temperatura é de 1100oC e a
composição é de 60% de Ni.
Regra das fases de Gibbs aplicada em um 
diagrama de fases isomorfo.
C = componentes = 2 (Cu e Ni)
Diagrama de fases do Sistema Cu - Ni
B
A
C
D
P + F = C + N
N = variáveis além da composição quimica = 1 
(pressão é constante)
30
Assim, para descrever o estado no ponto D
basta uma variável, ou a temperatura ou a
composição qúimica de uma das fases (CL
ou CS). Desta maneira, se for especificada
a temperatura de 1250oC, a composição da
fase líquida é de 33% de Ni e da fase
sólida de 44% Ni. Por outro lado, se for
especificada a composição química de uma
das fases em equilíbrio termodinâmico, a
composição da outra fase e a temperatura
são automaticamente definidas.
Diagrama de fases do Sistema Cu - Ni
B
A
C
D
CL CS
1250
Ponto D
P = número de fases = 2 (sólido em
equilíbrio termodinâmico com o
líquido). 2 + F = 2 + 1
F = 1
Regra das fases de Gibbs aplicada em um 
diagrama de fases isomorfo.
C = componentes = 2 (Cu e Ni)
P + F = C + N
N = variáveis além da composição quimica = 1 
(pressão é constante)
Leitura do diagrama de fases para 
solidificação em equilíbrio 
termodinâmico
32
Sistema Cu-Ni
1261
1247
1214
1186
• A leitura de diagramas de fases é feita
primeiramente definindo-se uma liga de
interesse, como por exemplo 35% Ni.
• Na temperatura de 1300oC (ponto a) a
fase em equilíbrio termodinâmico é a
fase líquida com 35% de Ni.
• Na temperatura de 1261oC (ponto b) ,
que é a temperatura líquidus desta liga,
começa a solidificação. Nesta
temperatura estão em equilíbrio
termodinâmico o líquido com 35% de Ni
e os primeiros núcleos de sólido com
46% de Ni.
• Na temperatura de 1247oC (ponto c)
estão em equilíbrio termodinâmico o
líquido com 32% de Ni e o sólido com
43% de Ni.
• Na temperatura de 1214oC (ponto d), que
é a temperatura solidus desta liga
estão em equilíbrio termodinâmico o
último líquido com 24% de Ni e o sólido
com 35% de Ni.
• Na temperatura de 1186oC (ponto a) a
fase em equilíbrio termodinâmico é a
fase sólida com 35% de Ni, que
apresenta a microestrutura da liga de
interesse.
33
Sistema Cu-Ni
1261
1247
1214
1186
Como pode, a partir de uma
composição química do
líquido de 35% Ni, ter em
condições de equilíbrio
termodinâmico a 1247oC,
um líquido com 32% de Ni e
um sólido com 43% Ni?
Resposta: A massa é
conservada, logo as
quantidades das fases em
equilíbrio termodinâmico
não podem ser iguais nesta
temperatura.
Como calcular as quantidades 
das fases em equilíbrio 
termodinâmico ?
35
L
L
CC
CCW


a
a
0
É usada para se determinar as quantidades das fases em equilíbrio 
em um campo de duas fases.
Dedução
Regra da alavanca
 Chega-se à regra das alavancas simplesmente
através de um balanço de massa.
 Consideremos WL e Wa as frações mássicas,
Respectivamente, da fase líquida, L, e da fase sólida, a.
Cada componente do sistema pode estar em cada uma
das fases, em concentração CL (no líquido) e Ca (no sólido)
 As duas equações abaixo podem ser escritas:
).(11 IeqWWWW LL aa 
).(0 IIeqCCWCW LL  aa
0)1( CCWCW L  aaa
0CCWCWC LL  aaa
LL CCCCW  0)( aa Se, ao invés de isolar WL na (eq.I) isolarmos Wa , chega-se à equação da fração de fase líquida.
36
SR
SWL 

L
O
L CC
CCW


a
a
68,0
5,315,42
355,42WL 

É usada para se determinar as proporções das fases em 
equilíbrio em um campo de duas fases.
FRAÇÃO DE LÍQUIDO
Regra da alavanca
37Regra da alavanca
SR
RW

a
L
LO
CC
CC


a
32,0
5,315,42
5,3135 


FRAÇÃO DE SÓLIDO
Sistemas fora do equilíbrio 
termodinâmico
39Definições: sistemas fora do equilíbrio 
termodinâmico
• Considerações termodinâmicas e diagramas de fases fornecem
informações a respeito das condições de equilíbrio dos
sistemas em suas diversas condições, mas não informam nada
a respeito do TEMPO necessário para que as condições de
equilíbrio sejam atingidas.
• É muito comum que em sistemas sólidos o tempo para que o
equilíbrio seja atingido seja muito longo, porque pode envolver
difusão no estado sólido, que é um fenômeno bastante lento.
• Um sistema pode permanecer longo tempo em condições fora
do equilíbrio.
• Um sistema nessas condições é chamado de METAESTÁVEL.
• Uma microestrutura metaestável pode permanecer inalterada
ou sofrer pequenas alterações ao longo do tempo. Pode
acontecer, isso é muito comum, que durante todo o período de
utilização prática de um material, este esteja em condições que
não são as condições de equilíbrio termodinâmico. Por isso, em
termos práticos, sistemas metaestáveis tem grande aplicação.
40
PMT 2100 Introdução à Ciência dos Materiais para Engenharia EPUSP - 2011
•Observar a redução na temperatura solidus quando a
solidificaçãoestá for a das condições de equilíbrio termodinâmico
SOLIDIFICAÇÃO EM 
CONDIÇÕES FORA 
DO EQUILÍBRIO
(METAESTÁVEIS)
ESTRUTURA ZONADA
DESENVOLVIMENTO DA 
MICROESTRUTURA EM 
SISTEMAS ISOMORFOS
Sistema Cu-Ni
1261
1240
1214
1205
41
DESENVOLVIMENTO DA 
ESTRUTURA EM SISTEMAS 
ISOMORFOS
Zonamento observado numa liga de Zn
contendo Zr (aumento 400X)
CONSEQÜÊNCIAS DA
SOLIDIFICAÇÃO FORA
DO EQUILÍBRIO:
 segregação.
 zonamento (coring).
 redução na temperatura
da linha solidus.
 degradação das propriedades.
 pode haver a necessidade de
tratamento térmico de solubi-
lização ou homogeneização.
ESTRUTURA ZONADA
42
Diagramas de fase binários
(TRÊS FASES em equilíbrio termodinâmico)
43Regra das fases de Gibbs aplicada em um 
diagrama de fases binário com três fases.
Ponto D
P = número de fases = 3.
3 + F = 2 + 1
F = 0
Assim, o equlíbrio de três fases é
invariante, isto é sua temperatura é única
e a composição das fases envolvidas
também são únicas.
C = componentes = 2 (Pb e Sn)
P + F = C + N
N = variáveis além da composição quimica = 1 
(pressão é constante)
L  S1 + S2 = eutético
S  S1 + S2 = eutetóide
TE
CE
D
Diagrama de fases eutético
45
TE
CE
• Eutético: ponto onde o equilíbrio é invariante, portanto o equilíbrio entre três
fases ocorre a uma determinada temperatura (TE) e a uma determinada
composição (CE), formando dois sólidos também com composições fixas.
EEE CCC
L
ba
ba 
aquecimento
resfriamento
SnSnSnL %8.97%3,18%9.61 ba 
aquecimento
resfriamento
46Análise térmica da solidificação: liga 
eutética.
Temperatura
Tempo
TE
Solidificação
Início Fim
Líquido Dois sólidos
(a + b)
• a solidificação ocorre em uma TEMPERATURA CONSTANTE, a
temperatura eutética (TE).
TE
CE
47Análise térmica da solidificação: liga 
hipoeutética.
TE
CE
Cliga
TL
Temperatura
TempoInício Fim
Líquido
Solidificação
Sólidos
a a + b
(pró-eutética)
48Diagrama de fase eutético Bi-Sn por 
análise térmica
Desenvolvimento de 
microestruturas em sistemas com 
eutéticos
50
• É muito pequena a faixa de 
composições químicas em 
que pode se formar estrutura 
monofásica a.
Microestrutura monofásica
51
PRECIPITAÇÃO
• Ao ser ultrapassado o limite de
solubilidade (linha solvus) de Sn
no Pb, ocorre a precipitação da
fase b, de reticulado cristalino
distinto do da fase a e com
distintas propriedades físico-
químicas.
Precipitação de b em a.
52
PMT 2100 Introdução à Ciência dos Materiais para Engenharia EPUSP - 2011
A transformação eutética corresponde 
à formação de uma mistura de 
duas fases (a + b) a partir do líquido
formando um arranjo interpenetrado
Crescimento cooperativo
T=Teut
Eutéticos
53
Em ligas hipo-eutéticas 
ocorre inicialmente 
precipitação de fase 
primária - dendritas de a
pró-eutéticas.
O líquido eutético 
residual L (61,9% Sn) se 
transforma em 
microestrutura eutética
[a(18,3% Sn)+b(97,8%Sn)].
Hipo-eutéticos.