Aula - Diagramas de Fases 1

Universidade Federal do Espírito SantoUniversidade Federal do Espírito SantoCentro TecnológicoCentro Tecnológico

Departamento de Engenharia MecânicaDepartamento de Engenharia Mecânica

Cap. 9 - Diagramas de FasesCap. 9 - Diagramas de Fases

Princípios de Ciência dos Princípios de Ciência dos MateriaisMateriais

1) Introdução

2) Limite de Solubilidade

3) Fases

4) Microestrutura

5) Equilíbrio de Fases

6) Sistemas Isomorfos Binários

7) Sistemas Eutéticos Binários

8) Diagramas de Equilíbrio de Sistemas que possuem Compostos Intermediários

9) Reações Eutetóides e Peritéticas

10) Transformações de Fases Congruentes

11) Diagramas de Fases Cerâmico e Ternário

12) Diagramas de Fases do Sistema Ferro-Carbono

13) Desenvolvimento de Microestruturas em Ligas Ferro-Carbono

Por que Estudar Diagramas de Fases?

Diagramas de fases X Microestruturas

Fusão, Cristalização, etc

Tratamentos térmicos

Diagramas de Fases em Equilíbrio

Diagramas de Fases Metaestáveis

Aço hipo-eutetóide com 0.38 %C, composto por ferrita pro-eutetóide (fase clara) e perlita [fase com lamelas claras (ferrita) e escuras (cementita)]

DEFINIÇÕES E CONCEITOS BÁSICOS

Componentes

Soluto

Solvente

Sistema: série de possíveis ligas dos mesmos componentes com composição variada (ex: Sistema Fe-C, Cu-Ni, Pb-Sn, Chocolate-Baunilha)

Solução sólida

Corresponde à concentração máxima de soluto que pode ser dissolvida em um solvente formando uma única fase

O limite de solubilidade depende da temperatura e, em geral, cresce com a temperatura

Limite de Solubilidade

Diagrama Cobre-Níquel

???

???

Diagrama Cádmio-Bismuto

Limite de Solubilidade dos Elementos no Aço

“Fase é uma porção homogênea de um sistema que possui propriedades físicas OU químicas uniformes”

Mistura vapor d´água/água/gelo - Três fases

• Quimicamente idênticas - H2O

• Fisicamente distintas – Vapor/Líquido/Sólido

Fases

Ferro puro CCC e Ferro puro CFC

???

Mistura água/açúcar com açúcar precipitado – duas fases:

Quimicamente distintas – solução H2O/açúcar e açúcar sólido

Fisicamente distintas – Solução líquida e fase sólida

Sn Branco

Sn Cinza

Transformação alotrópica do estanho: Estanho branco () Estanho cinza ()

Microestruturas

Número de fases presentes

Proporções

Forma ou maneira de distribuição

Solução Sólida Ferro-Carbono

Ferrita (): Fe-C (CCC) Austenita (): Fe-C (CFC)

Diagrama Ferro-Carbono

Equilíbrio de Fases Equilíbrio

Energia livre: função da energia interna de um sistema e também da desordem dos átomos ou moléculas (entropia)

Sistema em equilíbrio

Equilíbrio de fases

Sistemas sólidos (difusão lenta) Sistema em estado de não-equilíbrio ou metaestável

Diagramas de equilíbrio ou diagramas constitucionais

Existem diversos tipos de diagramas de fases

Geralmente, os diagramas de fase em equilíbrio representam as relações entre a temperatura, as composições, as fases presentes e as quantidades destas em condições de equilíbrio

Eles são MAPAS que permitem prever as transformações de fases e as microestruturas de um material em função da temperatura e da composição de cada componente em condições de equilíbrio

Além disso, eles são úteis para as microestruturas fora do equilíbrio

Diagramas de Fases

1) Fases presentes para cada temperatura/composição da liga

2) Composições das fases presentes para cada temperatura/composição da liga

3) Quantidades relativas das fases presentes para cada temperatura/composição da liga

Diagramas de Fases

Sistemas Isomorfos Binários

Cu-Ni

Experimental Ex: por análise térmica

Teórico: Modelamento computacional

Construção de um Diagrama de Fases

Interpretação dos Diagramas

Interpretação dos Diagramas

Fases presentes Composição de cada fase:

Para uma coordenada qualquer do diagrama, verifica-se quantas fases existem Uma fase => trivial => Composição lida direto do

gráfico Duas fases => Usa-se o método da linha de

amarração (tie-line) A tie-line se estende de uma fronteira a outra Marca-se as intersecções entre a tie-line e as

fronteiras e verifica-se as concentrações correspondentes no eixo horizontal

Determinação das frações relativas de cada fase: Uma fase => trivial => 100% da própria fase Duas fases => Regra da Alavanca ou Regra da

Alavanca Inversa (lever rule)

A (0,77 % de C) e T< 727oC

A

Composição

Microestrutura

Propriedades

Diagramade

Fase

Diagrama de Fases e Microestrutura

Nos diagramas de fase isomorfos, existe uma faixa de temperaturas em que há completa miscibilidade de um constituinte no outro

Uma condição implicitamente mostrada até agora é de que os diagramas são de equilíbrio. Isto quer dizer que qualquer variação de temperatura ocorre lentamente o suficiente para permitir um rearranjo entre as fases através de processos difusionais

Também quer dizer que as fases presentes a uma dada temperatura são estáveis.

Desenvolvimento da Microestrutura em Ligas Isomorfas em Condições de Equilíbrio

Cu-Ni

Desenvolvimento de Microestruturas em Sistemas Isomorfos

Desenvolvimento da Microestrutura em Ligas Isomorfas em Condições de Não-Equilíbrio

Durante o resfriamento, ocorrem mudanças na composição das duas fases

Estas mudanças dependem de difusão, que é um processo lento na solução sólida

Na prática não vale a pena manter taxas tão lentas de resfriamento, o que implica que as estruturas obtidas não são exatamente as descritas até agora

Assim, a região central de cada grão vai ser rica no constituinte de alto ponto de fusão

A concentração do outro constituinte aumenta em direção ao contorno de grão

Estrutura zonada

Homogeneização

Propriedades Mecânicas de Ligas Monofásicas

???

???

Sistemas Eutéticos Binários

Cu-Ag

Aplicação e Desenvolvimento de Novos Materiais

“Solders” X “Welds”

Aplicação na indústria eletrônica

Ligas Pb-Sn

Eutético a 183°C, 63% de Sn e 37% de Pb

Soldas livres de Pb (Sn-Bi, Sn-In, Sn-Ag-Cu, Sn-Ag-Bi)

Sn-Bi

Diagrama Chumbo-Estanho

Pb-Sn

Desenvolvimento de Microestruturas em Ligas Eutéticas: Ligas Hipoeutéticas

Pb-Sn

Desenvolvimento de Microestruturas em Ligas Eutéticas: Ligas Hipoeutéticas

Pb-Sn

Desenvolvimento de Microestruturas em Ligas Eutéticas: Ligas Eutéticas

Pb-Sn

Desenvolvimento de Microestruturas em Ligas Eutéticas: Ligas Hipoeutéticas

Pb-Sn

Diagrama de Fases Chocolate-Baunilha

Diagrama de Fases com Fases Intermediárias

Cu-Zn

Diagrama de Fases com Compostos Intermediários

Mg-Pb

Reações Eutetóides e Peritéticas

Cu-Zn

E: Eutetóide ↔ +

P: Peritética + L↔

Peritetóide ↔

Monotética L1↔ L2 +

Transformações de Fases Congruentes

As transformações de fases podem ser classificadas de acordo com o fato de haver, ou não, qualquer alteração na composição das fases

Transformações congruentes: transformações alotrópicas, fusão de materiais puros

Transformações incongruentes: reações eutéticas e eutetóides

Fases intermetálicas: fusão congruente ou incongruente

Mg-Pb

Ni-Ti

Diagrama de Fases Ferro-Carbeto de Ferro

Fases do ferro puro

Solubilidade do carbono no ferro

Cementita

Metaestável???

Ferro puro, aços, ferros fundidos

Reação Eutética

A 1148°C ocorre a reação

L (4,3% C) ↔ ( 2,11% C) + Fe3C ( 6,7% C)

Reação Eutetóide

A 727°C ocorre a reação:

(0,77% C) ↔ α (0,022% C) + Fe3C (6,7% C)

Reação Peritética

A 1493°C ocorre a reação:

+ L ↔

Desenvolvimento de Microestruturas em Ligas Ferro-Carbono: Concentração Eutetóide

Inicialmente, temos apenas a fase A uma temperatura imediatamente abaixo da eutetóide toda

a fase se transforma em perlita (ferrita +Fe3C) de acordo com a reação eutetóide

Estas duas fases tem concentrações de carbono muito diferentes

Esta reação é rápida e assim não há tempo para haver grande difusão de carbono

As fases se organizam como lamelas alternadas de ferrita e cementita

Desenvolvimento de Microestruturas em Ligas Ferro-Carbono: Concentração Hipoeutetóide

Inicialmente, temos apenas a fase Em seguida começa a surgir fase α nas fronteiras de grãos

da fase A uma temperatura imediatamente acima da eutetóide a

fase α já cresceu, ocupando completamente as fronteiras da fase

A concentração da fase α é 0,022% de carbono

A concentração da fase é 0,77 de C (composição eutetóide)

A uma temperatura imediatamente abaixo da eutetóide toda a fase se transforma em perlita (ferrita eutetóide + Fe3C)

A fase α, que não muda, é denominada ferrita proeutetóide

???

b)

a)

c)

b)

Microconstituinte

Desenvolvimento de Microestruturas em Ligas Ferro-Carbono: Concentração Hipereutetóide

Inicialmente, temos apenas a fase

Em seguida começa a surgir fase Fe3C nas fronteiras de grão da fase

A concentração da Fe3C é constante igual a 6,7 % de C (em peso)

A concentração de cai com a temperatura seguindo a linha que separa o campo + Fe3C do campo

A uma temperatura imediatamente acima da eutetóide a concentração da fase é 0,77 % de C

A uma temperatura imediatamente abaixo da eutetóide toda a fase γ se transforma em perlita

A fase Fe3C, que não muda, é denominada cementita pro-eutetóide

Fração Relativa dos Microconstituintes

Glossário

Austenita: γ–Fe, fase γ

Ferrita: α–Fe, fase α

Cementita: Fe3C (6,7 % C em Fe)

Perlita: Ferrita e Cementita em lamelas alternadas

Hipo: menor que

Hiper: maior que

Ferrita pro-eutetóide: Ferrita que se forma a T > T eutetóide p/composição hipo-eutetóide (<0,77%C, em peso)

Cementita pro-eutetóide: Cementita que se forma a T > T eutetóide p/composição hiper-eutetóide

Influência de Outros Elementos de Liga

Mudança da Composição e Temperatura Eutetóide

FIM