Aula 7 - Diagrama de fases

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Aula 7 - Diagramas de fase
EMT002 - Materiais Cerâmicos
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ
CURSO DE ENGENHARIA DE MATERIAIS
quinta-feira, 3 de maio de 12
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Introdução
} Muitas cerâmicas são óxidas
} Pressão parcial de oxigênio é uma variável importante
} Para obter metais
} Processo de redução direta
} Muitas cerâmicas são multicomponentes
} Muitos diagramas são ternários ou quaternários
} Tijolos refratários de sílica : 1625oC
} 0,2 até 1,0wt% Al2O3
} Tijolos de argila refratária: 1587oC
} 22 até 33wt% Al2O3
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Introdução
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Tijolos Refratários
Tijolos Refratários de Argilas
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Diagrama de fase
} Do ponto de vista termodinâmico:
} A fase com a menor energia livre, G, é 
termodinâmicamente estável
} O potencial químico de um componente é o mesmo em 
todas as fases na qual está presente
} No equilíbrio, a temperatura e pressão de todas as fases 
são iguais
} Para cerâmicas há dois desafios:
} As medidas são realizadas em altas temperaturas
} Valência dos cátions podem mudar com altas 
temperaturas e pressões. Influência da pressão parcial 
de oxigênio
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Diagrama de fase
} Algumas técnicas para analisar as fases em altas 
temperaturas:
} Difração de raios-X:
} 2500oC em vácuo
} 2300oC em atmosferas inertes
} 1700oC ao ar
} Microscopia eletrônica de transmissão:
} 1300oC com vácuo (~10-4 Pa)
} Sem controle de pO2
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Diagrama de fases
} A maioria das técnicas usa métodos indiretos
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Diagrama de fases
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Estimação temperatura líquidus e eutético
} A partir da equação de Clausius-Clapeyron
} XA= fração molar do componente A
} ΔHf = Entalpia de fusão
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Estimação temperatura líquidus e eutético
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Estimação de liquidus e solidus com solubilidade
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Estimação de liquidus e solidus com solubilidade
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Regra de Fase (Gibbs)
} 1o passo:
} C : Componentes
} X : número de fases
} XC : composições variáveis
} P : influência da Pressão
} T : influência da Temperatura
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XC + 2
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Regra de Fase (Gibbs)
} 2o passo:
} Composição é descrita em termos de fração molar
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Dedução de X
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Regra de Fase (Gibbs)
} 3o passo:
} No equilíbrio, o potencial químico deve ser o mesmo em 
todas as fases
} Se a concentração de uma fase é conhecida
} X-1 variáveis
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Dedução de (X-1)C
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Regra de Fase (Gibbs)
} Número de variáveis independentes (Graus de 
liberdade - F):
} F = (XC+2) - X - (X-1)C
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F + X = C + 2
Número de componentes
Número de fases
Número de graus de liberdade
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Sistema de um Componente (C=1)
} Água
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F + X = C + 2
Em A e B: F = 0
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Sistema de um Componente (C=1)
} Carbono
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Sistema de dois Componentes (C=2)
} Sistema mais importante para os cerâmistas
} Combinação metal com oxigênio
} Combinação de dois óxidos
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Sistema de dois Componentes (C=2)
} Sistema mais 
importante para os 
cerâmistas
} Combinação metal 
com oxigênio
} Combinação de dois 
óxidos
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Sistema de dois Componentes (C=2)
} Alguns sistemas 
apresentam solubilidade 
completa
} NiO-CoO
} Estrutura Sal de Rochele
} Regra Hume-Rothery
} Cristais de mesma estrutura
} Mesma valência
} Raio iônico (±15%)
} Sem reatividade química
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Sistema de dois Componentes (C=2)
} Outros sistemas 
apresentam solubilidade 
parcial
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Sistema de dois Componentes (C=2)
} Outros 
apresentam 
sistemas 
combinados
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Sistema de dois Componentes (C=2)
} Outros 
apresentam 
sistemas 
combinados
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Sistema de dois Componentes (C=2)
} Outros 
apresentam 
sistemas 
combinados
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Sistema de três Componentes (C=3)
} Alguns sistemas 
são compostos por 
3 componentes
} Triângulo de Gibbs
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Sistema de três Componentes (C=3)
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Modelo com 3 eutéticos
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Sistema de três Componentes (C=3)
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Sistema de três Componentes (C=3)
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Composição com variação da pressão de O2
} A pressão parcial de oxigênio influencia na valência 
do cátion
} Os experimentos são realizados em 1 atm
} A variação na pressão de O2 normalmente é feita:
} CO + 1/2 O2 = CO2
} H2 + 1/2 O2 = H2O
} X + F = C + 2 ∴ F = 3
} Variação de T, P e (CO2/CO) ou (H2/H2O)
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Composição com variação da pressão de O2
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Sistema de quatro Componentes (C=4)
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Fusão Congruente e Incongruente
} Congruente:
} Fusão direta
} Sem mudança em X
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Fusão Congruente e Incongruente
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