Diagrama de fases e equilibrio

Introdução a

Ciência dos

Materiais Diagrama de Fases e

Equilíbrio

Prof. André Carvalho 1

IMPORTÂNCIA:

- 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

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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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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.

Quando o limite de solubilidade é ultrapassado forma-se uma

segunda fase com composição distinta

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FASE É A PORÇÃO HOMOGÊNEA DE UM SISTEMA QUE TEM CARACTERÍSTICAS FÍSICAS E QUÍMICAS DEFINIDAS

Todo metal puro e uma considerado uma fase

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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É COMO UM MAPA PARA A DETERMINAÇÃO DAS FASES PRESENTES, PARA QUALQUER TEMPERATURA E COMPOSIÇÃO, DESDE QUE A LIGA ESTEJA EM EQUILÍBRIO

- 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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Fases de equilíbrio: suas propriedades ou características não mudam com o tempo.

Geralmente são representadas nos diagramas por letras gregas

Fases metaestáveis: suas propriedades ou características mudam lentamente com o tempo, ou seja, o estado de equilíbrio não é nunca alcançado. No entanto, não há mudanças muito perceptíveis com o tempo na microestrutura das fases metaestáveis.

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Isomorfo quando a solubilidade é completa (Exemplo: Sistema Cu-Ni)

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INTERPRETAÇÃO DO DIAGRAMA DE

EQUILÍBRIO

- Fases presentes localiza-se a temperatura e

composição desejada e verifica-se o número de fases presentes

- Composição química das fases usa-se o método da linha de conecção (isotérma)

Para um sistema monofásico a composição é a mesma da liga

- Percentagem das fases (quantidades relativas das fases) regra das alavancas

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Comp. Liq= 32% de Ni e 68% de Cu

Comp. Sol. = 45% de Ni e 55% de Cu

B

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Ex: o centro do grão mais rico do elemento com o elemento

de maior ponto de fusão)

centro do grão

A distribuição dos 2 elementos no grão não é uniforme.

É usada para se determinar as proporções das

fases em equilíbrio em um campo de duas fases

è Chega-se à regra das fases simplesmente

através de um balanço de massa.

è Consideremos WL e Wα as frações mássicas,

Respectivamente, da fase líquida, L, e da fase sólida, α.

èCada componente do sistema pode estar em cada uma

das fases, em concentração CL (no líquido) e Ca (no sólido)

è As duas equações abaixo podem ser escritas:

EMBRIÕES DA

FASE SÓLIDA

LÍQUIDO

Nucleação e crescimento de grão

Contornos dos

grãos cristalinos

P = número de fases presentes C = número de componentes do sistema N = número de variáveis além da composição p.ex., 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.

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P + F = C + N

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A microestrutura só segue o diagrama de equilíbrio para velocidades de solidificação lentas

Na prática, não há tempo para a difusão completa e as microestruturas não são exatamente iguais às do equilíbrio

O grau de afastamento do equilíbrio dependerá da taxa de resfriamento

Como conseqüência da solidificação fora do equilíbrio tem-se a segregação (a distribuição dos 2 elementos no grão não é uniforme.

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É dada pela linha solvus

LINHA SOLVUS

() ()

+

LINHA SOLVUS

+ l l +

() +

()

n

Reação eutética:

Líquido +

Neste caso a solidificação processa-se como num metal puro, no entanto o produto é 2 fases sólidas distintas.

Microestrutura do eutético:

LAMELAR camadas alternadas de fase e .

Ocorre desta forma porque é a de menor percurso para a difusão

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Líquido +

LINHA SOLVUS

() +

()

Indica solubilidade

Eutético : ponto onde o equilíbrio é invariante, portanto o equilíbrio

entre três fases ocorre a uma determinada temperatura e as composições

das três fases são fixas.

HIPOEUTÉTICO COMPOSIÇÃO MENOR QUE O EUTÉTICO

HIPEREUTÉTICO COMPOSIÇÃO MAIOR

QUE O EUTÉTICO

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Região preta é a fase primária rica em Pb

Lamelas são constituídas de fase rica em Pb e fase rica em Sn

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REAÇÃO EUTETÓIDE:

+

( a diferença do eutético é que uma fase sólida, ao invés de uma líquida, transforma-se em duas outras fases sólidas.

REAÇÃO PERITÉTICA: Envolve três fases em equilíbrio

+ Líquido

Uma fase sólida mais uma fase líquida transforma-se numa outra fase sólida

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Ponto de

fusão

congruente