Materiais de construção Mecânica - 04

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Disciplina: Materiais de Construções Mecânicas
2020/1
AULA 04
Prof: Ícaro Galvão da Silva Ribeiro
Engenheiro Industrial Mecânico- IFBA
Pós-graduado em Engenharia de Produção
DIAGRAMA DE FASES
PORQUE ESTUDAR O DIAGRAMA DE FASES?
Dá informações sobre microestrutura e propriedades mecânicas em função da temperatura e composição.
Permite a visualização da solidificação e fusão
Prediz as transformações de fases
Dá informações sobre outros fenômenos
DIAGRAMA DE FASES
PORQUE ESTUDAR O DIAGRAMA DE FASES?
Os diagramas de fases (também chamados de diagrama de equilíbrio) 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, temperaturas 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.
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DIAGRAMA DE FASES
DEFINIÇÕES
• 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 α, β e L da liga ao lado.
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LIMITE DE SOLUBILIDADE
SOLUBILIDADE COMPLETA
SOLUBILIDADE INCOMPLETA
INSOLUBILIDADE
LIMITE DE SOLUBILIDADE: é a concentração máxima de átomos de soluto que pode dissolver-se no solvente, a uma dada temperatura, para formar uma solução sólida.
Açucar
pura 
Temperatura (°C)
0
20
40
60
80
100
Co
= Composição 
 (%p de açúcar)
L
 
Solução líquida 
 (xarope) 
 Limite de
solubilidade 
L 
(líquido) 
+ 
S 
(açúcar sólido)
20
4
0
6
0
8
0
10
0
Água
pura 
65
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FASES
Fase é a porção homogênea de um sistema que tem características físicas e químicas definidas
Uma fase é identificada pela composição química e microestrutura
A interação de 2 ou mais fases em um material permite a obtenção de propriedades diferentes
É possível alterar as propriedades do material alterando a forma e distribuição das fases
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DIAGRAMA DE FASES
Ilustração de fases e solubilidade:
a)três formas de H2O – gasosa, líquida e sólida – cada uma constitui uma fase
b)água e álcool possuem solubilidade ilimitada – formam uma única fase
c)sal e água possuem solubilidade limitada – dissolvido: uma fase; precipitado: duas
d)água e óleo não possuem solubilidade entre si – duas fases
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DEFINIÇÕES : EQUILÍBRIO
• Em termos “macroscópicos”
– Um sistema está em equilíbrio quando suas características não mudam com o tempo, e tende a permanecer nas condições em que se encontra indefinidamente, a não ser que seja perturbado externamente.
• Em termos termodinâmicos
– Um sistema está em equilíbrio quando sua energia livre é mínima, consideradas as condições de temperatura, pressão e composição em que ele se encontra.
– Variações dessas condições resultam numa alteração da energia livre, e o sistema pode espontaneamente se alterar para um outro estado de equilíbrio (no qual a energia livre seja mínima para as novas condições de temperatura, pressão e composição).
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SISTEMAS COM UM ÚNICO COMPONENTE
O equilíbrio entre duas fases num sistema monocomponente chama-se equilíbrio univariante.
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SISTEMAS COM UM ÚNICO COMPONENTE
O equilíbrio entre duas fases num sistema monocomponente chama-se equilíbrio univariante.
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DIAGRAMA DE FASES OU DE EQUILÍBRIO
É como um mapa para a determinação das fases presentes, para qualquer temperatura e composição, desde que a liga esteja em equilíbrio
Energia livre (propriedade termodinâmica) é uma função da energia interna de um sistema e também da entropia dos átomos ou moléculas (entropia=desordem).
Termodinamicamente o equilíbrio é descrito em termos de energia livre
Um sistema está em equilíbrio quando a energia livre é mínima
O equilíbrio de fases é o reflexo da constância das características das fases com o tempo
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DIAGRAMA DE FASES OU DE EQUILÍBRIO
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Duas fases: 
L (líquido) 
α (solução sólida) 
Isomorfo: 
completa solubilidade 
entre os dois componentes
 
Parâmetro invariável:
 (P = 1 atm) 
Parâmetros variáveis 
• Temperatura 
• Composição 
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Exemplo de Diagrama Unário - Fe puro
Exemplo de Diagrama Binário – Sistema Cu-Ni
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SISTEMAS BINÁRIOS ISOMORFOS
• Num sistema binário isomorfo, os dois
componentes são completamente
solúveis um no outro.
• A leitura de diagramas isomorfos é feita
primeiramente definindo o par
composição-temperatura desejado.
Esse par define um ponto no diagrama.
• Se o ponto desejado estiver num campo
onde somente existe uma fase, a
composição já está definida, e a fase é
a indicada no campo do diagrama.
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SISTEMAS BINÁRIOS ISOMORFOS
• Se o ponto estiver numa região onde
existem duas fases em equilíbrio, a
determinação da composição das fases
presentes é possível traçando-se um
segmento de reta horizontal que passa
pelo ponto e atinge as duas linhas que
delimitam o campo de duas fases
(linhas liquidus e solidus). As
composições das fases líquida e sólida
são dadas pelas intersecções deste
segmento de reta e as respectivas
linhas de contorno.
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INTERPRETAÇÃO DO DIAGRAMA DE FASES
Para um sistema binário com composição e temperatura conhecidas e em equilíbrio, pelo menos 3 informações estão disponíveis em um diagrama de fases:
As fases presentes 
(2) As composições dessas fases 
(3) As porcentagens (frações) de cada fase 
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FASES PRESENTES
Para se estabelecer quais fases estão presentes é preciso apenas localizar o ponto temperatura-composição de interesse no diagrama de fases e observar em qual campo de fases o ponto está identificado. 
A: 60% em peso , 1100o C 
1 fase: α 
B: 35% em peso, 1250o C 
2 fases: L + α 
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DETERMINAÇÃO DA COMPOSIÇÃO DAS FASES
Se apenas uma fase está presente (região monofásica) a composição dessa fase é simplesmente a mesma da composição global da liga. 
Para uma liga que possui composição e temperatura localizadas em uma região bifásica é utilizado o seguinte procedimento:
Construir uma linha de amarração
 (“tie line”) entre as duas extremidades 
da região bifásica, paralela à temperatura
 em questão. 
Anotar os valores das composições (CL, Cα) 
nas intersecções entre a linha de amarração e 
as fronteiras entre as fases nos dois lados. Para 
isso, basta traçar linhas perpendiculares à linha 
de amarração a partir das intersecções até o eixo
horizontal das composições, onde cada uma das 
respectivas composições pode ser lida.
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DETERMINAÇÃO DA COMPOSIÇÃO DAS FASES
No exemplo do sistema Cu - Ni tem–se : 
Composição: CO = 35% Ni 
Em TA: 
Somente líquido 
CL= CO 
Em TD: 
Somente sólido 
Cα = CO 
Em TB: 
CL= Clíquido = 32%Ni 
Cα = Csólido = 43%Ni 
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DETERMINAÇÃO DAS QUANTIDADES DAS FASES
Para uma região monofásica a liga é composta inteiramente por aquela fase presente, ou seja a proporção é de 100% da fase em questão. 
Para regiões em que a composição etemperatura estão dentro de uma região bifásica é utilizada a regra da alavanca, da seguinte forma: 
Uma linha de amarração é construída
através da região bifásica na temperatura
desejada, como já visto; 
A composição global da liga (Co) é localizada
sobre a linha de amarração; 
A fração de uma fase é calculada tomando-se
o comprimento da linha de amarração desde a
composição global da liga (Co) até a fronteira com
a outra fase e divide-se pelo comprimento total da
linha de amarração (em % ou cm, por exemplo); 
A fração da outra fase é determinada de maneira
semelhante, invertendo-se o segmento tomado na
 linha de amarração. 
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REGRA DA ALAVANCA
É usada para se determinar as proporções das fases em equilíbrio em um campo de duas fases.
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REGRA DA ALAVANCA
É usada para se determinar as proporções das fases em equilíbrio em um campo de duas fases.
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REGRA DA ALAVANCA
É usada para se determinar as proporções das fases em equilíbrio em um campo de duas fases.
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DETERMINAÇÃO DAS QUANTIDADES DAS FASES
No emprego da regra da alavanca, os comprimentos dos segmentos podem ser determinados por medição direta, usando-se régua com escala linear, ou através da subtração das composições.
Em um sistema Cu-Ni por exemplo:
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DESENVOLVIMENTO DA MICROESTRUTURA EM LIGAS ISOMORFAS
A: liga completamente líquida 
B: linha liquidus - primeiro sólido α começa a se formar 
C: fases líquida e α em equilíbrio 
D: linha solidus - termina o processo de solidificação, fração mínima de líquido 
E: liga completamente formada pela fase α 
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DESENVOLVIMENTO DA MICROESTRUTURA EM LIGAS ISOMORFAS
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DEFINIÇÕES : SISTEMAS FORA DO EQUILÍBRIO
• Considerações termodinâmicas e diagramas como o do sistema água-açúcar dão 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.
• Um sistema pode permanecer longo tempo em condições fora do equilíbrio.
• Um sistema nessas condições é chamado de metaestável.
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REGRA DAS FASES
• Considerações termodinâmicas e diagramas como o do sistema água-açúcar dão 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.
• Um sistema pode permanecer longo tempo em condições fora do equilíbrio.
• Um sistema nessas condições é chamado de metaestável.
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REGRA DAS FASES
P = número de fases presentes
C = número de componentes do sistema
N = número de variáveis além da composição
– Exemplo; temperatura, pressão
F = número de graus de liberdade
– Número de variáveis que pode ser alterado 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.
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REGRA DAS FASES : EXEMPLO – Sistema Cu-Ag
• Região A
– P = 1 (α); C = 2;
– N = 1 (pressão é fixa)
– F = 2
– Para descrever as fases existentes, é preciso especificar dois parâmetros (temperatura e composição)
• Região B
– P = 2 (fases α e L); C = 2;
– N = 1 (pressão é fixa)
– F = 1
– Para descrever as fases existentes, basta especificar um parâmetro (temperatura T1 ou composição de uma das fases, CL ou Cα)
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BOA NOITE!