Aula 10 - Diagrama de Fases (Parte 1)

Prévia do material em texto

UFR
Disciplina: Ciência dos Materiais
1°Semestre de 2019
Professora: Dra. Vanessa Motta Chad
E-mail: vanessamotta@ufmt.br
DIAGRAMA DE FASES
Um “mapa” que permite prever a microestrutura de um
material em função da pressão, temperatura e composição de
cada componente.
DIAGRAMA DE FASES
Diagrama de fase unitário para o Mg
DIAGRAMAS DE FASES
➢ Por que estudar diagrama de fases?
1. Porque a compreensão de diagramas de fases para sistemas de
ligas é extremamente importante, pois existe uma forte correlação
entre a microestrutura e as propriedades mecânicas, e o
desenvolvimento da microestrutura em uma liga está relacionado
às características do seu diagrama de fases.
2. Porque os diagramas de fases fornecem informações valiosas
sobre o fenômeno importantes, como: fusão e cristalização dos
materiais metálicos.
➢ Liga: uma substância metálica composta por dois ou mais elementos ou
componentes. Exemplo: aço: é uma liga ferro-carbono; latão: é uma liga cobre-
zinco.
➢ Componente: um constituinte químico (elemento) de uma liga, o qual pode
se usado para especificar a sua composição. Por exemplo: no latão os
componentes são Cu e Zn.
➢ Sistema: série de possíveis ligas que consistem nos mesmos componentes,
porém independe da composição da liga, por exemplo, o sistema ferro-
carbono.
➢ Soluto: um componente ou elemento de uma solução que está presente em
menor quantidade.
➢ Solvente: o componente ou elemento de uma solução que está presente
em maior quantidade.
➢ Fase: porção homogênea de um sistema que possui características físicas e
químicas uniformes.
DEFINIÇÕES IMPORTANTES
➢ Solução sólida: uma fase cristalina homogênea que contém dois ou
mais componentes químicos.
→ A estrutura cristalina do material que atua como matriz (solvente)
é mantida, ou seja, o soluto dentro da matriz não muda a estrutura
cristalina.
→ Nas soluções sólidas, as impurezas ou elementos de liga (soluto),
podem distorcer a rede cristalina, podendo ser do tipo substitucional
(átomos do solvente são substituídos pelos do soluto) e intersticial
(átomos do soluto estão localizados nos interstícios atômicos do
solvente).
▪ Em uma solução sólida substitucional, para que haja total
miscibilidade entre dois metais, é preciso que eles satisfaçam as
Regra de Hume-Rothery.
▪ A solução sólida intersticial ocorre quando a diferença de
tamanho entre soluto e solvente é grande.
DEFINIÇÕES
➢ Limite de solubilidade: a concentração máxima de soluto que pode
ser adicionada ao solvente sem que ocorra a formação de uma nova fase,
ou seja, concentração máxima de átomos de soluto que pode se dissolver
no solvente para formar uma solução sólida.
→ Quando o limite de solubilidade é ultrapassado forma-se uma
segunda fase com composição e estrutura cristalina diferente.
DEFINIÇÕES
➢ Equilíbrio de fases: o estado de um sistema em que as características
das fases permanecem constantes ao longo de períodos de tempo
indefinidos.
→ Equilíbrio Estável: quando as características do sistema não
mudam com o tempo e tendem a permanecer nas condições em que
se encontra indefinidamente, a não ser que haja perturbação externa.
Para atingir o estado de equilíbrio, a taxa de resfriamento aplicada à
liga deve ser extremamente lenta.
→ Equilíbrio Instável: quando à menor perturbação externa, ocorre
mudança no sistema.
→ Estado Metaestável: Quando os sistemas sólidos não atingem o
estado de equilíbrio se obtém um estado de não-equilíbrio ou estado
metaestável. É um estado fora de equilíbrio que pode persistir por um
longo período de tempo.
DEFINIÇÕES
➢ Microestrutura: em ligas metálicas, a microestrutura pode ser
caracterizada pelo número de fases presentes, por suas proporções, e
pela maneira pela qual elas estão distribuídas e arranjadas.
➢ Diagrama de fases: também chamado de diagramas de equilíbrio ou
diagramas constitucionais.
→ Os diagramas de fases em equilíbrio apresentam as relações entre
a temperatura e as composições, e as quantidades de cada fase em
condições de equilíbrio.
DEFINIÇÕES
➢ Além da pressão e temperatura, a composição é a outra variável do
sistema.
➢ Interpretar diagramas de fases em função das três variáveis exige o
emprego de figuras tridimensionais, o que torna tal tarefa complexa.
➢ Solução: redução do número de variáveis.
→ Na maioria dos processos industriais apenas os estados sólido e
líquido estão presentes.
→ Assim, manter a pressão constante e igual a 1 atm é uma alternativa
viável na análise dos diagramas de fase. O que torna o diagrama
bidimensional.
DEFINIÇÕES
➢ O conceito de se associar a pureza de um material ao ótimo
desempenho do mesmo nem sempre é correto em engenharia
→ Maioria dos produtos metálicos é combinação de dois ou mais
elementos ou componentes, com o objetivo de aprimorar
propriedades.
➢ Tipos de ligas em função da microestrutura:
→ Ligas monofásicas
▪ Existe solubilidade do soluto no solvente.
▪ Formação de uma única fase.
→ Ligas polifásicas
▪ Solubilidade do soluto no solvente foi ultrapassada.
▪ Formação de duas ou mais fases.
DEFINIÇÕES
DEFINIÇÕES - LIGAS METÁLICAS
Micrografia 
mostrando três 
fases:
Nb2Al
Al3Nb
AlNbNi
Austenita
Micrografia 
mostrando uma única 
fase:
Austenita: fase presente
em aços carbono. Em
aços eutetóides (aços
com 0,76%p C), é estável
em temperaturas entre
727°C e 1493°C.
➢ Muitas microestruturas se desenvolvem a partir de transformações de
fases, as alterações ocorrem entre as fases quando a temperatura é
alterada.
→ Isso pode envolver a transição de uma fase para outra, ou o
aparecimento ou desaparecimento de uma fase.
➢ Os diagramas de fases são úteis para prever as transformações de
fases e as microestruturas resultantes que apresentam caráter de
equilíbrio.
➢ Existem diversos tipos de diagramas de fases, a mudança se dá de
acordo com os componentes envolvidos.
LIGAS BINÁRIAS
➢ Sistema isomorfo: sistema que
apresenta completa solubilidade dos
componentes nos estados líquido e
sólido.
➢ Liga binária: é uma liga que
contém dois componentes.
→ Existe apenas uma fase no estado
sólido (chamada fase ).
→ Soluto e solvente obedecem as
Regras de Hume-Rothery.
▪ Exemplos: Bismuto-Antimônio;
Cobre-Níquel
SISTEMAS ISOMORFOS BINÁRIOS
Diagrama de fases Cu-Ni
➢ As soluções sólidas são
designadas usualmente por letras
gregas minúsculas (, , , etc.).
➢ Em relação às fronteiras entre as
fases, a curva que separa os
campos das fases L e  + L é
chamada curva liquidus.
➢ A fase líquida está presente em
todas as temperaturas e
composições localizadas acima da
curva liquidus.
+L
SISTEMAS ISOMORFOS BINÁRIOS
➢ A curva solidus está
localizada entre as regiões  e
 + L, abaixo da qual existe
somente a fase sólida .
➢ As curvas solidus e liquidus
se interceptam nas duas
extremidades de composição,
esses pontos correspondem às
temperaturas de fusão do cobre
puro (1085°C) e do níquel puro
(1453°C).
SISTEMAS ISOMORFOS BINÁRIOS
Diagrama de fases Cu-Ni
➢ A composição varia de 0% de Ni na
extremidade horizontal esquerda e
100% de Ni na outra extremidade, à
direita.
➢ Três regiões, ou campos, de fases
diferentes aparecem no diagrama, um
campo alfa (), um campo líquido (L) e
o campo bifásico ( + L).
➢ O líquido L consiste em uma
solução líquida homogênea, composta
tanto por cobre como por níquel.
SISTEMAS ISOMORFOS BINÁRIOS
➢ A fase  consiste em uma solução
sólida substitucional que contém
átomos tanto de Cu como de Ni, a
estrutura cristalina do cobre e do
níquel é CFC.
➢ A solubilidade completa é explicada
pelo fato de que a liga formada pelo
Cu e pelo Ni obedece as Regras de
Rhume-Rothery.
➢ O sistema Cu-Ni é chamado de
isomorfo devido a essa completa
solubilidade dos dois componentes
nos estados líquido e sólido.Diagrama de fases Cu-Ni
SISTEMAS ISOMORFOS BINÁRIOS
➢ Para um sistema binário com composição e temperatura conhecidas e
que se encontra em equilíbrio, pelo menos três tipos de informaçãoestão
disponíveis:
1 – As fases que estão presentes: precisa-se apenas localizar o ponto
temperatura-composição no diagrama de fases e observar qual a fase
o campo de fase correspondente está identificado.
2 – As composições dessas fases.
3 – As porcentagens e frações dessas fases.
SISTEMAS ISOMORFOS BINÁRIOS
➢ Determinação das composições das fases
→ Se apenas uma fase está presente, a composição dessa fase é
simplesmente a mesma da composição global da liga.
→ Em todas as regiões bifásicas, e somente nas regiões bifásicas,
podem ser imaginadas diversas linhas horizontais, uma a cada
temperatura diferente; cada uma dessas linhas é conhecida por
linha de amarração, ou por isoterma.
→ Essas linhas de amarração se estendem através da região bifásica
e terminam nas curvas de fronteira entre as fases em ambos os
lados.
DETERMINAÇÃO DAS COMPOSIÇÕES DAS FASES
➢ Para calcular as composições das duas fases em condições de equilíbrio,
é usado o seguinte procedimento:
3) Traçam-se linhas perpendiculares à
linha de amarração a partir dessas
interseções até o eixo horizontal das
composições, onde a composição em
cada uma das respectivas fases pode
ser lida.
CL: composição do líquido
C0: composição da liga
C: composição da fase 
1) Constrói-se uma linha de amarração através da região bifásica à
temperatura da liga.
2) Marcam-se as interseções da linha de amarração com as fronteiras
entre as fases em ambos os lados (curva solidus e curva liquidus).
T
DETERMINAÇÃO DAS COMPOSIÇÕES DAS FASES
C0: composição da liga
C: composição da fase 
CL: composição do líquido
C0: 35%p Ni, 65%p Cu
C → 42,5%p Ni, 57,5%p Cu
CL → 31,5%p Ni, 68,5%p Cu
T
DETERMINAÇÃO DAS COMPOSIÇÕES DAS FASES
➢ Determinação das quantidades das fases (Regra da
Alavanca)
→ Na região monofásica, uma vez que somente uma fase está
presente, a liga é composta inteiramente por aquela fase, isto é, o
percentual é de 100%.
→ Se a posição para a composição e temperatura especificada
estiver localizada dentro de uma região bifásica, a linha de
amarração deve ser utilizada em conjunto com um procedimento
chamado de Regra da Alavanca.
DETERMINAÇÃO DAS QUANTIDADES DAS FASES
→ Aplicação da Regra da Alavanca:
1. A linha de amarração ou isoterma é construída através da região
bifásica na temperatura da liga;
2. A composição global da liga é localizada sobre a linha de amarração;
3. A fração de uma fase é calculada tomando-se o comprimento da linha
de amarração desde a composição global da liga até a fronteira entre
fases com a outra fase e então divide-se esse valor pelo comprimento
total da linha de amarração;
4. A fração da outra fase é determinada de maneira semelhante;
5. Se forem desejadas as porcentagens das fases, a fração de cada fase
é multiplicada por 100.
DETERMINAÇÃO DAS QUANTIDADES DAS FASES
➢ Exemplo: Determinar a quantidade de líquido e a quantidade da 
fase  em uma liga 35%p Ni – 65%p Cu a 1250°C (Ponto B).
CL C0 C


Líquido
Linha de 
amarração
Lα
0α
CC
CC
%L
−
−
=
Lα
L0
CC
CC
%α
−
−
=
C → 42,5%p Ni, 57,5%p Cu
CL → 31,5%p Ni, 68,5%p Cu
C0 → 35%p Ni, 65%p Cu
(68% de líquido) (32% de )
T
DETERMINAÇÃO DAS QUANTIDADES DAS FASES
DESENVOLVIMENTO DE MICROESTRUTURAS EM LIGAS ISOMORFAS
➢ Resfriamento em condições de equilíbrio
→ Em condições de equilíbrio, o resfriamento ocorre muito lentamente
representando uma situação para a qual o equilíbrio entre as fases é
continuamente mantido.
Liga 35%p Ni – 65%p Cu
▪ Ponto a: A liga está completamente
líquida.
▪ Ponto b: Nesse ponto, o primeiro sólido
 começa a se formar, o qual tem uma
composição química especificada pela
linha de amarração.
▪ Ponto c: com o prosseguimento do
resfriamento, tanto as composições
quanto as quantidades relativas de cada
uma das fases serão alteradas. A fração
de  irá aumentar com o prosseguimento
do resfriamento.
DESENVOLVIMENTO DE MICROESTRUTURAS EM LIGAS ISOMORFAS
▪ Ponto d: o processo de solidificação
está virtualmente encerrado
▪ Ponto e: ao cruzar a curva solidus, o
restante de fase líquida se solidifica, o
produto final é então uma solução
sólida policristalina de fase , que
possui uma composição de 35%p Ni -
65%p Cu.
• O resfriamento do sistema em
temperaturas abaixo do Ponto e não irá
produzir qualquer alteração
microestrutural ou de composição.
Liga 35%p Ni – 65%p Cu
Liga 35%p Ni – 65%p Cu
➢ Resfriamento fora das condições de equilíbrio
→ Em condições fora de equilíbrio, o resfriamento ocorre mais
rapidamente representando uma situação para a qual o equilíbrio entre as
fases não é continuamente mantido.
▪ Ponto a’: a liga está completamente
líquida.
▪ Ponto b’: Nesse ponto o primeiro sólido
 começa a se formar, o qual tem uma
composição química especificada pela
linha de amarração.
▪ Ponto c’: com o prosseguimento do
resfriamento, ocorre um deslocamento da
linha solidus para maiores teores de Ni e
está representada pela linha tracejada.
DESENVOLVIMENTO DE MICROESTRUTURAS EM LIGAS ISOMORFAS
Liga 35%p Ni – 65%p Cu
▪ Ponto d’: para a condição de
solidificação fora do equilíbrio ainda
existe uma proporção apreciável de
líquido que permanece no sistema.
▪ Ponto e’: o restante de fase
líquida se solidifica.
▪ Ponto f’: Liga totalmente
solidificada.
• Esse fenômeno é conhecido como
segregação.
• O resultado é uma estrutura
conhecida como estrutura zonada.
DESENVOLVIMENTO DE MICROESTRUTURAS EM LIGAS ISOMORFAS
Primeira região 
a solidificar
Região rica no 
elemento com 
maior ponto de 
fusão
DESENVOLVIMENTO DE MICROESTRUTURAS EM LIGAS ISOMORFAS
Sist. Isomorfo ➔ Prop. Mecânicas
EXEMPLO
Pretende-se estudar a liga Cu-25Ni (% em peso), para isso
determine:
a) As fases presentes no
diagrama.
b) As fases presentes, a
composição e a quantidade
das mesmas a 1300°C.
c) As fases presentes, a
composição e a quantidade
das mesmas a 1200°C.
d) As fases presentes, a
composição e a quantidade
das mesmas a 1050°C.
EXEMPLO
a) As fases presentes no
diagrama.

Líquido
 + L
Fases presentes:

 + L
Líquido
EXEMPLO

Líquido
 + L
b) As fases presentes, a
composição e a quantidade
das mesmas a 1300°C.
C0
Resposta:
Fases presentes: Líquido
Composição do líquido:
25%p Ni, 75%p Cu (a
mesma da liga)
Quantidade da fase
presente: 100% de líquido
EXEMPLO

Líquido
 + L
c) As fases presentes, a
composição e a
quantidade das mesmas
a 1200°C.
C0
Resposta:
Fases presentes a
1200°C: fase sólida  e
Líquido.
Para a determinação da
composição e da
quantidade das fases
deve ser construída uma
linha de amarração.
EXEMPLO

Líquido
 + L
Construir a linha de
amarração na composição e
temperatura especificados.
C0
EXEMPLO

Líquido
 + L
Traçar linhas perpendiculares à
linha de amarração a partir das
interseções com a curva solidus
e a curva liquidus até o eixo
horizontal das composições,
onde a composição em cada
uma das respectivas fases
pode ser lida.
C
CL
C0
EXEMPLO

Líquido
 + L
Resposta:
Composição das fases:
C0: composição da liga
C0: 25%p Ni, 75%p Cu
C: composição da fase 
C → 32%p Ni, 68%p Cu
CL: composição do líquido
CL → 21%p Ni, 79%p Cu
C0
C
CL
EXEMPLO
Determinação da quantidade
das fases presentes na liga
Cu-25Ni (%p) a 1200°C.

Líquido
 + L
CCL C0
Lα
L0
CC
CC
%α
−
−
=
Considerando a porcentagem 
de Ni:
C → 32%p Ni
CL → 21%p Ni
C0 → 25%p Ni
Lα
0α
CC
CC
%L
−
−
=
EXEMPLO

Líquido
 + L
0,64
2132
2532
%L =
−
−
=
(64% de líquido)
Lα
0α
CC
CC
%L
−
−
=
CCL C0
Considerando a porcentagem 
de Ni:
C → 32%p Ni
CL → 21%p Ni
C0 → 25%p Ni
EXEMPLO

Líquido
 + L
36,0
21 -32
21 - 25
%α ==
(36% de )
Lα
L0
CC
CC
%α
−
−
=
CCL C0
Considerando a porcentagem 
de Ni:
C → 32%p Ni
CL → 21%p Ni
C0 → 25%p Ni
EXEMPLO

Líquido
 + L
d) As fases presentes, a
composição e a quantidade
das mesmas a 1050°C.
C0
Resposta:
Fases presentes:
somente a fasesólida 
Composição da fase :
25%p Ni, 75%p Cu (a
mesma da liga)
Quantidade da fase
presente: 100% de 