8 Diagrama de Fases

Prévia do material em texto

Diagrama de fases
Prof. Dr. José Henrique Alano
Roteiro da Aula
✓ Conceitos básicos (componentes de um sistema, fases,
limite de solubilidade, etc.);
✓ Sistemas isomorfos binários;
✓ Interpretação de diagramas de fases;
✓ Desenvolvimento de microestruturas em sistemas
isomorfos;
✓ Sistemas eutéticos binários;
✓ Desenvolvimento de mircroestruturas em ligas eutéticas;
✓ Reações peritéticas e eutetóides.
2
Definições Básicas
▪ Componentes: são elementos puros ou compostos
que fazem parte de um sistema;
▪ Exemplo: O aço é uma liga do sistema Fe-C, onde Fe e
C são componentes deste sistema.
▪ Sistema: apresenta dois significados; primeiro: um
corpo específico de material sob investigação; ou pode
estar relacionado à uma série de ligas que possuem os
mesmos componentes básicos.
▪ Exemplos: sistema Fe-C, sistema Ni-Cr-Mo...
3
Definições Básicas
Limite de solubilidade: em uma dada temperatura existe
uma quantidade limite de soluto que pode ser dissolvida em
um solvente, essa concentração máxima é o limite de
solubilidade.
4
Definições Básicas
▪ Fase: porção de um sistema que é fisicamente
homogênea.
5
Definições Básicas
▪ Sistemas homogêneos: apresentam uma única fase;
▪ Sistemas heterogêneos: apresentam mais de uma
fase;
6
Definições Básicas
7
Definições Básicas
▪ Equilíbrio: um sistema está em equilíbrio quando sua
energia livre é mínima ( ∆𝐺 = 0 ) em uma dada
combinação de temperatura, pressão e composição;
▪ Energia livre: é uma função da energia interna e da
desordem do sistema (entropia).
8
∆𝐺 = ∆𝐻 − 𝑇∆𝑆
Definições Básicas
▪ Metaestável: os diagramas de equilíbrio não levam em
consideração as taxas que determinadas transformações
ocorrem; sistemas metaestáveis são aqueles nos quais
em uma dada combinação de T, P e C, apresentam fases
fora do estado de equilíbrio.
9
Diagramas de fases binários
▪ Diagramas binários: apresentam dois componentes;
são mapas que apresentam as relações existentes entre
temperatura, composição e quantidade de fases
presentes.
▪ Nota: o desenvolvimento de microestruturas é feito com
o uso de diagramas de fases.
10
Diagramas de fases binários
▪ Sistemas binários isomorfos: apresentam solubilidade
líquida e sólida completa dos dois componentes.
▪ Exemplo: sistema Cu-Ni.
11
Diagramas de fases binários
12
Linha Liquidus: separa uma
região líquida de uma
região sólido + líquido;
Diagramas de fases binários
13
Neste sistema, acima da
linha liquidus, existe uma
solução líquida homogênea
contendo Cu e Ni.
Diagramas de fases binários
14
Linha Solidus: separa uma
região sólido + líquido e um
sólido;
Diagramas de fases binários
15
Solução sólida homogênea
de Cu e Ni em qualquer
composição.
Diagramas de fases binários
16
Por que cobre e níquel são
totalmente solúveis um no
outro para qualquer
composição?
Solução sólida homogênea
de Cu e Ni em qualquer
composição.
Diagramas de fases binários
17
Qual a temperatura de
fusão do cobre puro e do
níquel puro?
Diagramas de fases binários
18
Nesta região sólido e
líquido coexistem. A fusão
ocorre dentro de uma faixa
de temperatura.
Diagramas de fases binários
Interpretação dos diagramas de fases
Para uma dada composição e temperatura podemos
determinar:
▪ As fases presentes;
▪ A composição química de cada fase;
▪ O percentual ou fração de cada fase.
19
Diagramas de fases binários
▪ Fases presentes
▪ É relativamente simples de determinar:
▪ Quais fases estão presentes no ponto A, B e C,
respectivamente?
20
A
C
Diagramas de fases binários
▪ Fases presentes
▪ É relativamente simples de determinar:
▪ Quais fases estão presentes no ponto A, B e C,
respectivamente?
21
A
C
Diagramas de fases binários
▪ Composição química das fases
▪ Se apenas uma única fase está presente, a composição
da fase é a mesma da composição da liga.
22
Diagramas de fases binários
▪ Composição química das fases
▪ Qual a composição química do líquido (“ponto” A) e do
sólido (“ponto” B)?
23
A
B
Diagramas de fases binários
▪ Composição química das fases
▪ Duas fases presentes (ponto B):
24
Diagramas de fases binários
▪ Composição química das fases
▪ Qual a composição química do líquido e do sólido no
ponto B?
25
Diagramas de fases binários
▪ Quantidade de fases (regra da alavanca)
▪ Para uma região com uma única fase a quantidade é
obviamente igual a 100%;
26
Diagramas de fases binários
▪ Quantidade de fases (regra da alavanca)
▪ Qual o percentual de fase α presente no ponto A (40%p.
Cu - 60%p. Ni a 1100ºC)?
27
A
Diagramas de fases binários
▪ Quantidade de fases (regra da alavanca)
▪ Se a composição e temperatura está localizada em uma
região bifásica, aplica-se a regra da alavanca para
determinar a quantidade de cada fase no ponto
específico;
28
Diagramas de fases binários
▪ Quantidade de fases (regra da alavanca)
▪ Aplicação da regra da alavanca:
1. Uma linha de amarração é construída através da
região bifásica;
2. A fração de fase é obtida pela razão entre o
comprimento da linha de amarração, desde a
composição da liga até a fronteira de fase oposta, e o
comprimento total da linha de amarração.
29
Diagramas de fases binários
▪ Quantidade de fases (regra da alavanca)
▪ Aplicação da regra da alavanca:
30
Percentual de líquido no ponto B
%𝐿 =
𝑆
𝑅 + 𝑆
𝐶𝛼 = 42,5%𝑝.
𝐶𝑜 = 35%𝑝.
𝐶𝑙 = 31,5%𝑝.
Diagramas de fases binários
▪ Quantidade de fases (regra da alavanca)
▪ Aplicação da regra da alavanca:
31
Percentual de alfa no ponto B
Diagramas de fases binários
▪ Quantidade de fases (regra da alavanca)
▪ Aplicação da regra da alavanca:
32
Percentual de alfa no ponto B
𝐶𝛼 = 42,5%𝑝.
𝐶𝑜 = 35%𝑝.
𝐶𝑙 = 31,5%𝑝.
%𝛼 =
𝑅
𝑅 + 𝑆
%𝛼 = 100 −%𝐿
Diagramas de fases binários
▪ Quantidade de fases (regra da alavanca)
▪ Aplicação da regra da alavanca:
33
Percentual de alfa no ponto B
𝐶𝛼 = 42,5%𝑝.
𝐶𝑜 = 35%𝑝.
𝐶𝑙 = 31,5%𝑝.
%𝛼 =
𝑅
𝑅 + 𝑆
%𝛼 = 100 −%𝐿
Diagramas de fases binários
▪ Desenvolvimento de microestruturas em sistemas
isomorfos
Resfriamento no equilíbrio
34
35
Ponto a: 100% líquido, 35%p. Ni.
36
Ponto b: Os primeiros sólidos
alfa começam a solidificar, com
composição 46%p.Ni.
37
Ponto c: crescimento de grãos
alfa; composição de alfa é 43%p.
Ni e a composição do L é
32%p.Ni.
38
Ponto d: praticamente todo
líquido foi solidificado; o líquido
remanescente apresenta
24%p.Ni e o os grãos alfa
possuem a composição global da
liga.
39
Ponto e: estrutura solidificada
formada por grãos de fase alfa
(35%p.Ni).
Diagramas de fases binários
▪ Propriedades mecânicas de ligas isomorfas
✓ Aumento de resistência por solução sólida.
40
Diagramas de fases binários
▪ Propriedades mecânicas de ligas isomorfas
✓ Aumen
41
Efeito de diferentes elementos
de liga no LE do cobre.
Diagramas de fases binários
▪ Propriedades mecânicas de ligas isomorfas
✓ Aumen
42
Efeito de diferentes elementos
de liga no LE do cobre.
Diagramas de fases binários
▪ Sistemas binários eutéticos
43
Diagramas de fases binários
▪ Sistemas binários eutéticos
▪ Características do eutético Cu-Ag:
▪ O diagrama apresenta três regiões monofásicas: alfa,
beta e líquido e três regiões bifásicas: alfa + L, beta +
L e alfa + beta;
▪ Alfa é uma solução sólida rica em cobre e beta uma
solução sólida rica em prata;
44
Diagramas de fases binários
▪ Sistemas binários eutéticos
45
A linha solvus (CB) representa o
limite de solubilidade da prata
no cobre.
Assim como a linha solvus (HG)
representa o limite de
solubilidade de cobre na prata.
Nota: a solubilidade aumenta
com o aumento da temperatura.
Diagramas de fases binários
▪ Sistemas binários eutéticos
46
A temperatura de fusão
decresce ao longo da linha
liquidus (AE), ou seja, com o
aumento do teor de prata no
cobre.
Diagramas de fases binários
▪ Sistemas binários eutéticos
47
O ponto E é um ponto
invariante, ou seja, a
temperatura não muda até quetodo o líquido solidifique.
Um reação importante ocorre
neste ponto, a reação eutética.
Diagramas de fases binários
▪ Desenvolvimento de microestruturas em ligas
eutéticas
48
49
Ponto a: Líquido de composição C1.
Ponto b: grãos α + fase líquida.
Ponto c: grãos α de composição C1
totalmente solidificados.
50
Ponto d: Líquido de composição C2.
Ponto e: grãos α + fase líquida.
Ponto f: grãos α de composição C2
totalmente solidificados.
Ponto g: grãos α com precipitados β
no interior dos grãos.
51
Ponto h: Líquido com composição C3 =
61,9%p.Sn.
Ponto i: lamelas alternadas de α e β.
Estrutura eutética!
Diagramas de fases binários
▪ Formação da estrutura eutética
52
Para que a fase líquida se transforme
em dois sólidos simultaneamente, a
redistribuição de elementos deve ser
feita da forma mais eficiente possível.
53
Ponto j: Líquido de composição C4.
Ponto k: nucleação de grãos α + L.
Ponto l: crescimento dos grãos α + L.
Nota: como α é rico em Pb,
a composição do líquido
vai tendendo para a
composição eutética. Assim
Ponto m: o ultimo líquido
remanescente solidifica com
estrutura eutética.
Diagramas de fases binários
▪ Estrutura hipoeutética
54
Fase alfa rica
em Pb
Lamelas
alternadas de
alfa (rica em
Pb) e beta
(rica em Sn).
Diagramas de fases binários
▪ Reações
▪ Eutética: líquido → dois sólidos;
▪ Eutetóide: sólido → dois sólidos;
▪ Peritética: Um sólido e um líquido → um sólido;
55
Diagrama Fe-Fe3C
56
1
2
3
1 Peritético
2 Eutético
3 Eutetóide
HipereutéticoHiporeutético
Diagrama Fe-Fe3C
57
Diagrama Fe-Fe3C
58
Reação eutetóide
Diagrama Fe-Fe3C
59
Eutetóide
Hipoeutetóide Hipereutetóide
Diagrama Fe-Fe3C – Desenvolvimento de 
microestrutura
60
Ponto a: Grãos de austenita.
Ponto b: estrutura lamelar formada por
lamelas alternadas de ferrita e
cementita. Esse microconstituinte é
conhecido por Perlita.
Diagrama Fe-Fe3C – Desenvolvimento de 
microestrutura
61
A ferrita (CCC) tem menor solubilidade
ao C que a austenita (CFC). O excesso
de carbono é rejeitado e difunde
lateralmente formando carboneto de
ferro (Fe3C).
Diagrama Fe-Fe3C – Desenvolvimento de 
microestrutura
62
Composição hipoeutetóide
Ponto c: grãos de austenita.
Ponto d: nucleação de ferrita nos
contornos de grão austeníticos.
Ponto e: crescimento de grão ferrítico.
Ponto f: a austenita remanescente
transforma em perlita.
A ferrita dentro da perlita é chamada
de ferrita eutetóide, enquanto que a
ferrita formada na região bifásica
(austenita + ferrita) é chamada de
ferrita proeutetóide.
63
Microestrutura de um aço 1045.
Diagrama Fe-Fe3C – Desenvolvimento de 
microestrutura
64
Composição hipereutetóide.
Ponto g: grãos de austenita.
Ponto h: nucleação de Fe3C nos
contornos de grão austeníticos.
Ponto i: formação de uma rede de
carbonetos e formação de perlita a
partir da austenita remanescente.
A rede de carbonetos é chamada de
cementita proeutetóide, enquanto que
a cementita na perlita é chamada de
cementita eutetóide.
Diagrama Fe-Fe3C – Desenvolvimento de 
microestrutura
65
Microestrutura de um aço hipereutetóide.
Pontos Relevantes do Diagrama Fe-C
66
A1
A2
Acm
A3
Pontos Relevantes do Diagrama Fe-C
67
Linha A1
▪ Indica a reação eutetóide 𝛾 → 𝛼 + 𝐹𝑒3𝐶 a 727 °C.
Linha A2
▪ Transformação magnética do ferro a 770 °C (temperatura
Curie da ferrita).
Linha A3
▪ Temperatura de transformação 𝛾 → 𝛼 ; para Fe puro
ocorre a 912 °C.
Linha ACM
▪ Temperatura de transformação 𝛾 → 𝐹𝑒3𝐶; 727 °C até 1148
°C.
Transformações alotrópicas
68
1394 °C: CFC→ CCC (ferrita delta)
912 °C
CCC → CFC 
ferrita → austenita
Ferrita CCC
As fases gama, alfa de delta são soluções sólidas com C intersticial
Fases presentes (sistema Fe-C)
69
Ferrita Austenita
Estrutura = CCC.
Estrutura = CFC (mais posições octaédricas).
Temperatura máx. de equilíbrio: 912 °C. Temperatura máx. de equilíbrio: 1394 °C.
Magnética até: 768 °C (temp. Curie). Fase não-magnética.
Solubilidade máx. de C: 0,02% a 727 °C. Solubilidade máx. de C: 2,14% a 1148 °C.
Fases presentes (sistema Fe-C)
70
Ferrita Austenita
Fases presentes (sistema Fe-C)
71
▪ Cementita
▪ Forma-se quando o limite de solubilidade do carbono é
ultrapassado (6,7% de C);
▪ É dura e frágil;
▪ Cristaliza no sistema ortorrômbico (com 12 átomos de Fe
e 4 de C por célula unitária) é um composto intermetálico
metaestável, embora a velocidade de decomposição em
ferro e C seja muito lenta;
▪ A adição de Si acelera a decomposição da cementita
para formar grafita.
Influência de elementos de liga
72
▪ O efeito da adição de elementos de liga nos diagramas
Fe-C depende do elemento.
▪ Um efeito significativo ocorre na temperatura eutetóide e
na composição eutetóide.
Exercício
73
▪ Para uma liga 99,65% em peso Fe e 0,35% em peso C a
uma temperatura imediatamente abaixo do eutetóide,
determine o seguinte:
▪ (a) As frações totais das fases ferrita e cementita.
▪ Dica: regra da alavanca até 6,7% carbono (100%
Fe3C)
▪ (b) As frações de ferrita proeutectóide e da perlita.
▪ Dica: linha de amarração até a composição eutetóide.
▪ (c) A fração de ferrita eutetóide
▪ Dica: pela diferença.
Exercício
74
Tentem fazer!
Exercício
75
%𝛼𝑡 =
6,7 − 0,35
6,7 − 0,022
%𝑝𝑒𝑟𝑙𝑖𝑡𝑎 =
0,35 − 0,022
0,76 − 0,022
%𝛼𝑡 = %𝛼𝑝 +%𝛼𝑒
Exercício
76
Ferrita proeutetóide
Qual a composição desta liga Fe-C?
Transformações congruentes e incongruentes
77
✓ Congruente: Não há alterações de composição.
▪ Exemplos: transformações alotrópicas, fusão de
metais puros, reações eutéticas e eutetóides.
✓ Incongruente: Há alterações de composição.
▪ Fases intermediárias são às vezes classificadas
naquelas com fusão congruente ou incongruente. O
composto intermetálico Mg2Pb funde
congruentemente.
Transformações congruentes e incongruentes
78
Transformações congruentes e incongruentes
79
▪ Reação peritética é um exemplo de transformação
incongruente.