Análise Microestrutural - AULA II Introdução a Diagrama de Fases

Aula II – Considerações sobre Diagramas de Fase

Professor Wanderson Santana da Silva

1 – Considerações Gerais

2 – Diagramas de Fase

3 – Diagrama Fe-C e Microestruturas de Aços

4 – Temas de Monografia.

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTECENTRO DE TECNOLOGIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE MATERIAISMTR0615 - ANALISE MICROESTRUTURAL

Considerações Iniciais

- A importância de estudar as transformações de fases para uma determinada liga reside no fato que podemos variar a resistência mecânica somente mudando a microestrutura do Material a partir de tratamentos térmicos.

- A formação de uma nova fase que envolve uma composição e/ou uma estrutura cristalina diferente daquela que a originou, exige alguns rearranjos atômicos via difusão.

- Transformação de fase pode ocorrer também sem o processo de difusão (Transf. Martensítica).

- Nucleação: Primeiro processo a acompanhar uma transformação de fase.– Sítios de imperfeições são posições favoráveis para formação desses núcleos

• Contornos de Grão, Discordâncias, Átomos Estranhos; Partículas.- Crescimento: Segundo estágio.

Microestrutura:

- A microestrutura é caracterizada pelo número de fases presentes que podem ser observados no microscópio.

- Diagramas de fases: Úteis para prever as transformações de fases e as microestruturas resultantes, que podem apresentar caráter de equilíbrio ou ausência de equilíbrio.

- Estruturas em Equilíbrio: Obtidos com taxas resfriamento extremamente lentas.

- A compreensão de diagramas de fases para sistema de ligas é extremamente importante, pois existe uma forte correlação entre microestrutura e a propriedade mecânica.

- O desenvolvimento da micro estrutura em uma liga está relacionada as características do arranjo cristalográfico dos componentes da liga.

Tratamentos Próximos do Equilíbrio e Distante do Equilíbrio

Estrutura Estável (de Equilíbrio)Resfriamento Lento.

Descrita pelo Diagrama de Fases

Estrutura Metaestável (de não-Equilíbrio)

Resfriamento ForçadoNão Descrito pelo DF

Definições FundamentaisComponentes:- São elementos químicos ou compostos pelos quais uma liga é constituída.

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 abaixo, 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 homogênea do sistema, que possui propriedades físicas e químicas características. Exemplo: fases , e L da liga ao lado.

Ilustração de fases e solubilidade: (a) As três formas da água: sólida, líquida e gasosa; (b) água e álcool têm solubilidade ilimitada; (c) Sal e água possuem solubilidade limitada; (d) Água e óleo não possuem solubilidade.

Fonte: Donald R. Askeland; Pradeep P. Phulé - The Science and Engineering of Materials, 4th ed.

O que é Equilíbrio

1- 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.

2 - 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).

Energia Livre: G = H - TS

O que é Metaestabilidade???

SISTEMAS METAESTÁVEIS

- 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.

- Uma microestrutura metaestável pode permanecer inalterada ou somente sofrer pequenas alterações ao longo do tempo: pode acontecer (isso é muito comum) que todo o período de utilização prática de um material aconteça em condições que não são as condições de equilíbrio termodinâmico.

- Por isso, em termos práticos, sistemas metaestáveis podem ter grande aplicação.

(PARA PENSAR EM CASA!!!)

Diagramas de Fase

Os diagramas de equilíbrio relacionam temperaturas, composições químicas e as quantidades das fases em equilíbrio.A partir de uma dada composição de um certo sistema podemos prever a microestrutura obtidas a partir de resfriamentos lentos.

POR QUE ESTUDAR DIAGRAMAS 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. Exemplo de Diagrama de Fases

Sistema Pb-Sn

Diagrama de fase binário – Diagrama de fase para um sistema de dois componentes;

Diagrama de fase ternário – Diagrama de fase para um sistema de três componentes;

Diagrama de fase isomorfo – Diagrama de fase no qual os componentes apresentam solubilidade sólida ilimitada;

Temperatura liquidus – Temperatura na qual o primeiro sólido se forma durante a solidificação;

Temperatura solidus – Temperatura abaixo da qual todo o líquido está completamente solidificado.

Diagramas de Fase

REGRA DAS FASES DE GIBBS

P + F = C + NP = número de fases presentesC = número de componentes do sistemaN = número de variáveis além da composição (p.ex., temperatura, pressão)F = número de graus de liberdade

- Descreve o número de graus de liberdade, ou o número de variáveis que devem ser fixadas para especificar a temperatura e composição de uma fase (2 + C = F + P, onde pressão e temperatura podem mudar; 1 + C = F + P, onde pressão e temperatura são constantes).

- O 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 para um dado sistema termodinâmico (Composição, Temperatura e Pressão).

-A regra das fases não representa um critério para quantidade relativa das fases que coexistem num sistema no equilíbrio.

- Neste caso, se aplica a Regra das Alavancas.

.C

.D

REGRA DAS FASES- Em um sistema binário, quando 3 fases estão em equilíbrio o número de graus de liberdade F é zero.

- Assim, o equilíbrio é invariante, ou seja, o equilíbrio entre 3 fases ocorre em uma determinada temperatura constante e as composições das 3 fases são fixas.

As principais reações,em sistemas bináriosenvolvendo 3 fases são

P = 3C = 2N = 1F = 0

Ponto Invariante.

Fonte: Donald R. Askeland; Pradeep P. Phulé - The Science and Engineering of Materials, 4th ed.

Diagrama de fase unitário para o magnésioDiagrama P-T – Um diagrama que descreve a estabilidade termodinâmica de fases sob diferentes condições de temperatura e pressão (o mesmo que um diagrama de fase unitário).

Ponto Triplo, onde Coexistem três fases (F=0)

Ponto Triplo, onde Coexistem três fases (F=0)

Solubilidade – A quantidade de um material (elemento) que se dissolve completamente em outro sem a criação de uma segunda fase.

Solubilidade e soluções sólidas

Solubilidade Ilimitada – Quando não existe restrição na quantidade de material (elemento soluto) que se dissolve em outro (elemento solvente). Não ocorre formação de uma segunda fase.

Solubilidade Limitada – Quando apenas uma determinada quantidade de soluto pode ser dissolvida no elemento solvente. Ultrapassado o limite de solubilidade haverá a formação de uma segunda fase.

Exemplos de solubilidade: (a) Cu líquido e Zn líquido são completamente solúveis; (b) Ligas de Cu-Ni sólidas apresentam solubilidade sólida completa, com átomos de Cu e Ni ocupando posições aleatórias no reticulado; (c) Em ligas Cu-Zn contendo mais de 30%Zn, uma segunda fase se forma, em função da limitada solubilidade do zinco no cobre.

Fonte: Donald R. Askeland; Pradeep P. Phulé - The Science and Engineering of Materials, 4th ed.

Fonte: Donald R. Askeland; Pradeep P. Phulé - The Science and Engineering of Materials, 4th ed.

Condições para Solubilidade Ilimitada

Regras de Hume-Rothery – Condições que ligas metálicas ou materiais cerâmicos devem satisfazer para apresentarem solubilidade sólida ilimitada. As regras de Hume-Rothery são necessárias mas não suficientes para que os materiais tenham solubilidade ilimitada.

Regras de Hume-Rothery:- Raios atômicos do soluto e solvente (r 15%); - Mesma estrutura cristalina;- Mesma valência;- Eletronegatividades semelhantes.

Exemplo: MgO e NiO possuem estruturas cristalinas, raios iônicos e valências similares. Assim sendo, estes dois compostos cerâmicos podem formar soluções sólidas.

Fonte: Donald R. Askeland; Pradeep P. Phulé - The Science and Engineering of Materials, 4th ed.

LEVANTAMENTO DE DIAGRAMAS DE EQUILÍBRIO

ANÁLISE TÉRMICA

Metal puroMetal puro Liga metálicaLiga metálica

TEMPERATURA

TEMPO

50%B 70%B 100%B

DIAGRAMA ISOMORFO COMPONENTES A e B

TEMPERATURA

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

% B

S

L+S

L

20%B

0%B

0%B 30%B 50%B

80%B100%B

TEMPERATURA

TEMPO

7%B

DIAGRAMA COM TRANSFORMAÇÃO EUTÉTICA

L

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

TEMPERATURA

% B

L

L

E E

L S1 + S2

Sistema Binário Isomorfo- 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.

-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 sólidasão dadas pelas intersecções deste segmento de reta e as respectivas linhas de contorno.

Diagrama de Fases:Sistema Cu - Ni

Quantificação de Fases- A leitura de diagramas isomorfos é feita definindo o par composição-temperatura.- No campo de duas fases, a determinação das fases presentes e de suas composições corresponde à interseção da isoterma (segmento de reta para temperaturas constantes) com os limites dos campos de duas fases.-As composições das fases líquida e sólida é dada pelo par definido pela intersecção deste segmento de reta e a respectiva linha de contorno.

REGRA DAS ALAVANCAS:Utilizada para se determinar as proporções das fases em equilíbrio em um campo de fases

Seqüência de solidificação em sistemas isomorfos

Solidificação em Condições de EquilíbrioSolidificação em Condições FORA do Equilíbrio

Seqüência de Solidificação Fora do Equilíbrio

Conseqüências da solidificação fora do equilíbrio:

- Segregação;- Zonamento;- Redução na Temperatura liquidus;- Diminuição das Propriedades;- Necessidade de Recozimento de Homogeneização.

Ao ser ultrapassado o Limite de Solubilidade (linha solvus) de Sn no Pb, ocorre a precipitação da fase P, de reticulado cristalino distinto do da fase a e com distintas propriedades físico- químicas.

Quando se tem pequenas quantidades de soluto, este se dissolve na rede do solvente, de forma que se tem apenas uma fase.

DESENVOLVIMENTO DE MICROESTRUTURAS EM SISTEMAS COM EUTETICOS

Terminologias

Terminologias

Terminologias - Reações Peritética e Eutetóide

Reações invariantes em diagramas de fase

Fonte: Donald R. Askeland; Pradeep P. Phulé - The Science and Engineering of Materials, 4th ed.

Diagrama de equilíbrio Fe - Fe3C

Ferro puro Aços

Liga Fe-Carbono

Aço400

1000

800

600

1400

1200

912

1394Ferro

Ferro

Ferro

1538

Evolução Microestrutural

Evolução Microestrutural

Fonte: Donald R. Askeland; Pradeep P. Phulé - The Science and Engineering of Materials, 4th ed.

Evolução Microestrutural

Microconstituintes dos Aços- Austenita (Ferro Gama): Estrutura CFC, Estabilizada nas temperaturas de 912-1394°C, Solubilidade 0,77- 2,11%C à 1148°C, FE: 74%, Mole e Dúctil.

- Cementita Fe3C: Carboneto de ferro, Extremamente duro frágil, Zero % de Alongamento.

- Ferrita: Forma-se por difusão, nucleando-se preferencialmente nos contornos de grão da austenita, com um aumento da taxa de resfriamento passa a nuclear também no interior dos grãos austeníticos, propriedades: Ferro alfa, estrutura CCC, solubilidade de carbono 0,008-0,0218%C à 723°C, FE:68%, Mole e Dúctil.

- Perlita: Abaixo da temperatura de 727°C a estrutura austenítica ocorrerá a reação eutetóide produzindo uma mistura mecânica de duas fases, ferrita e cementita no formato de lamelas paralelas.

- Um aço resfriado lentamente a partir do campo austenítico apresentará: Ferrita/Perlita/Cementita dependendo do seu teor de carbono.

- Com o resfriamento muito rápido surgirão outros constituintes Metaestável: Martensita e Bainita.

Estrutura: Somente Ferrita

Estrutura: - Ferrita (Fundo Claro)- Perlita (Áreas Escuras)

Estrutura: - Ferrita (Fundo Claro)- Perlita (Áreas Escuras)

Estrutura: - Ferrita (Fundo Claro)- Perlita (Áreas Escuras)

Estrutura: Somente Perlita - Fundo Claro: Ferrita- Linhas Escuras: Cementita

As duas variáveis principais que afetam as propriedades mecânicas do aço são:

- Composição Química (efeito do teor de carbono) - Processamento:

- Tratamentos Térmicos- Conformação Mecânica

Propriedades Mecânicas das ligas Fe-C Esfriadas Lentamente

Efeito do Teor de Carbono sobre as Propriedades Mecânicas das Ligas Fe-C Esfriadas Lentamente

Ferros Fundidos

EFEITO DOS ELEMENTOS DE LIGA:- Si, Al e Ni- aumentam a atividade do C, ou seja, favorecem a formação da grafita, ampliando a faixa de temperatura entre os eutéticos estável e metaestável;

- P e S: são consideradas impurezas e devem ser mantidos em concentrações baixas. O S tem o efeito de segregar para os contornos de grão diminuindo a tenacidade do material. O P combina-se com o Fe e forma uma fase eutética de alta dureza, a esteadita (Fe3P);

- Cr, Mn, V, Mo e W: diminuem a atividade de C, ou seja, favorecem a formação da cementita e carbonetos, diminuindo a faixa entre os eutéticos estável e metaestável;

Mn – também é adicionado como dessulfurante, visando reduzir os efeitosdeletérios do S (combina-se com o S formando inclusões de MnS);

- Adições de Al, B e Ni possuem efeito grafitizante.

- Se a nucleação de sólido ocorrer acima da Temperatura de Eutética Estável (TEE), a solidificação será de acordo com o Diagrama Estável Fe-C.

- Se a nucleação de sólido ocorrer abaixo da TEM, ocorrerá a solidificação de acordo com o Diagrama Metaestável Fe-Fe3C.

NUCLEAÇÃO DE CÉLULAS EUTÉTICAS A PARTIR DO LÍQUIDO

VELOCIDADE DE RESFRIAMENTO DURANTE A SOLIDIFICAÇÃO

- Velocidades elevadas, promovidas pelo resfriamento contra superfícies metálicas (resfriadores ou coquilhas) - aumentam a formação de cementita ou carbonetos (dependendo dos teores de C e Si);

- Velocidades baixas, promovidas, por exemplo, por resfriamento em areia -aumentam a formação de grafita.

Curvas de resfriamento realizadas com velocidades crescentes, evidenciando a formação dos ferros fundidos branco, mesclado e cinzento

Resfriamento Rápido: FoFo Branco (Perlita e Ledeburita)

Resfriamento Lento: Fofo Cinzento Ferrítico (Ferrita e Grafita) ou

Perlítico (Perlita e Grafita)

INFLUÊNCIA DA VELOCIDADE DE RESFRIAMENTO

A – Eutética com Pequeno T;B – Hipoeutetóide com Moderado T ;C – Hipereutética e com Moderado T;D – Eutética com Elevado T;E - Hipoeutetóide com Elevado T

Adaptado de Goldenstein et al.

Influência da Adição de Nodularizante (Mg)

Os teores de Mg crescem da esquerda para a direita

- À esquerda se tem o Ferro Fundido Cinzento (Grafita em Veios)- No centro tem se o Ferro Fundido Vermicular (Grafita Intermediária);- À Direita se tem o Ferro Fundido Nodular (Grafita em Nódulos)

Retirado de Goldenstein et al.

● Microestruturas

de FoFo para vários

% Mg: 0,017%;

0,026% e 0,13% e

detalhes de um

nódulo de grafita

CC

CC

CC

CCCC

CCCC

CC

CCCC

CC

CC CC CCCC

CC

CC

CC

CC

CCCCCC

CCCC CC

CC

CCCC

CC

CC

Ponto 1

DIFUSÃODIFUSÃODO CDO C

Enriquecido com 6,67% de C

Empobrecido para 2,11% de C

Empobrecido para 2,11% de C

AUSTENITAAUSTENITA

CEMENTITACEMENTITA

912 Co

727 Co

0,77%C0,77%C

2,11 %C2,11 %C1148 Co

% C na Austenita % C na Austenita na temperatura Tna temperatura T

4,3%C4,3%C

+ Fe C 3

+ Fe C 3

Líquido

+ Fe C3LL +

LIQUIDO

Ponto 1 - 1147 CPonto 1 - 1147 C oo

Ponto 2 - TPonto 2 - T

Ponto 3 - 726 CPonto 3 - 726 Co

Ponto 3

Perlita

LEDEBURITALEDEBURITA

Eutético Fe-C:Eutético Fe-C:

LIQUIDOPonto 1 - Formação dos Ponto 1 - Formação dos primeiros cristais sólidos primeiros cristais sólidos de Austenitade Austenita

P.ex.: Fe - 3,5 %CP.ex.: Fe - 3,5 %C

Ponto 4 - 728 CPonto 4 - 728 C o

4,3%C4,3%C

912 Co

727 Co

0,77%C0,77%C

2,11 %C2,11 %C

1148 Co

+ Fe C 3

+ Fe C 3

Líquido

+ Fe C 3LL +

%C na Austenitaem solidificação

%C no líquido remanescente

Ponto 3 - 1147 CPonto 3 - 1147 C o%C na Austenita no resfriamento

Pto 2 - Temperatura TPto 2 - Temperatura T

Ponto 2Ponto 2

Dendritas de Austenita

Ponto 3Ponto 3

Ledeburita(Fe C + )3

Hipoeutético:Hipoeutético:

Líquidoremanescente

Agulhas de Cementita

Ponto 2Ponto 2

Líquidoremanescente

%C no líquidoremanescente

4,3%C4,3%C

912 Co

727 Co

0,77%C0,77%C

2,11 %C2,11 %C

1148 Co

+ Fe C 3

+ Fe C 3

Líquido

+ Fe C3LL +

LIQUIDO

%C na Austenita no resfriamento

Ponto 1 - Formação dos Ponto 1 - Formação dos primeiros cristais primeiros cristais sólidos de Cementitasólidos de Cementita

Pto 2 - Temperatura TPto 2 - Temperatura T

Pto 3 - 1147 CPto 3 - 1147 Coo

Ponto 3Ponto 3

Fe C3

Ledeburita(Fe C + )3

Hipereutético:Hipereutético:

● Branco

(perlita e

ledeburita)

● Cinzento

(veios grafita e

perlita)

● Nodular

(ferrita e

nódulos grafita)

● Nodular

(perlita e

nódulos grafita)