02_DiagramasDeFase.pdf

Universidade Federal do Paran

Setor de Tecnologia

Departamento de Engenharia Mecnica

Prof. Rodrigo Perito Cardoso

TM343 Materiais de Engenharia

Captulo 9 Reviso - Diagramas de Fase e Sistema Fe-C


Onde estamos?

Introduo Reviso dos conceitos de mecanismos de endurecimento e

diagramas de fase (invertendo a ordem do Callister) Alumnio e suas ligas

Classificao das ligas de Al Tratamentos trmicos das ligas de Alumnio Metalurgia das ligas de Alumnio

Ligas ferrosas Aos e ferros fundidos Diagramas TTT e TRC Tratamentos trmicos dos metais ferrosos Metalurgia dos metais ferrosos Tratamentos termoqumicos

Noes de Outras ligas (Mg, Ti, Co, Ni, etc)


Roteiro da aula

Introduo

Definies e conceitos bsicos Limite de solubilidade

Fases

Microestrutura

Equilbrio de fases

Diagramas de sistemas em condies de equilbrio Interpretao do diagrama

Desenvolvimento da microestrutura

Sistemas binrios

Pontos invariantes

Diagramas ternrios

O Sistema Ferro-carbono


Introduo

Existncia de diversas fases

Importante para tratamentos trmicos (mudana de fase)

Importante de se conhecer

mesmo para casos fora do equilbrio (tendncia final o equilbrio)

Forte relao com a microestrutura da liga

Ao AISI1045 (3000X)


Definies e conceitos

Componente: metal ou composto

Soluto e solvente

Sistema: diferentes ligas possveis com os mesmos componentes

Soluo slida

Substitucional ou intersticial (estrutura cristalina do solvente mantida)


Limite de solubilidade

Concentrao mxima de soluto em soluo slida a uma dada temperatura. (ex: gua e acar)

Soma = 100%


Fases Poro homognea do sistema com

caractersticas fsicas e qumicas uniformes

Ex: gua acar (xarope + acar)

Fronteira abrupta de propriedades (ex: solido-liquido)

Polimorfismo (CCC - CFC)

Sistema homogneo (1 fase)

Mistura (+ de 1 fase)

Maioria dos materiais -> Mistura


Microestrutura

Nmero de fase, sua poro e como elas esto distribudas

Depende da composio, do tratamento, etc

Ao AISI1045 (3000X) Perlita grossa e fina


Equilbrio de fases

Equilbrio -> Energia Livre (energia interna e desordem)

O sistema est em equilbrio se, para uma determinada temperatura, presso e composio, est com o mnimo de sua Energia Livre -> o sistema no muda com o tempo

Se mudarmos temperatura, presso ou composio o sistema sai do mnimo e uma mudana espontnea pode ocorrer


Equilbrio de fases

Nos metais pode envolver somente fases slidas

No envolve o intervalo de tempo para que o processo ocorra

Equilbrio Metaestvel -> cintica lenta

Aquecimento


Curvas de energia

- Alotropia do Ferro:

???


Diagramas de Fase em Equilbrio Muitas informao sobre o controle de

microestruturas pode ser retirado do digrama de fases -> teis para previso de transformaes de fase

Temperatura, presso e composio (1 atm)


Sistemas Isomorfos Binrios

o mais Simples -> 1 Fase slida (Cu-Ni)

Solubilidade total (4 fatores)

Sol. Slida -> letras gregas minsculas (, , , etc)

Curva liquidus Curva solidus


Interpretao dos diagramas 1. Fases presentes -> ver onde o ponto se localiza

2. Composio das fases -> Reta a temperatura cte

3. Porcentagem das fases -> Regra da alavanca

A: Fase a

B: Fase a + L


Demonstrao

Regra da alavanca -> Conservao da massa

A: Fase a

B: Fase a + L

Frao Mssica


Regra da alavanca -> Conservao da massa

A: Fase a

B: Fase a + L

Frao Volumtrica -> pode ser determinada por microscopia (importante)


Exerccio 1

Para uma liga 20% Ni + 80% Cu aquecida lentamente, determine: Temperatura de

aparecimento do primeiro lquido e sua composio

Temperatura de desaparecimento total do slido, a composio do lquido nesse momento e a composio do ultimo slido a fundir

Frao de slido e lquido no ponto C e a composio das fases presentes

C


Exerccio 2

A

B

C

Para os pontos A, B e C

determinar:

1. Fases presentes

2. Composio destas fases

3. Porcentagem das fases

Caso estas ligas sejam resfriadas

at a temperatura ambiente

lentamente determinar:

1. Fases presentes

2. Composio destas fases

3. Porcentagem das fases


Desenvolvimento da microestrutura Ligas isomorfas

Resfriamento em condies de equilbrio (lento) Equilbrio mantido

b - Curva Liquidus

d - Curva Slidus


Desenvolvimento da microestrutura Ligas isomorfas

Resfriamento fora das condies de equilbrio (rpido) animao Mundo real Equilbrio -> Difuso

Difuso lenta no slido

Segregao -> Estrutura Zonada

-> contorno funde antes

Estrutura Zonada -> corrigida por

tratamento trmico de homogeneizao

Ainda existe lquido

Composio mdia do gro


Propriedades mecnicas de ligas isomorfas

Tamanho de gro constante

Sem Trabalho a Frio

Aumento de resistncia -> Soluo Slida


Sistemas Eutticos Binrios Solubilidade no total

Trs regies monofsicas e trs bifsicas (quais?)

Descreva as solues a e b?

Curva Solvus

Curva Solidus

Curva Liquidus

Ponto invariante

(euttico)

Reao euttica


Ex: Solda de estanho


Ex: Solda de estanho sem Pb


Ex: H2O + NaCl

Olhando o diagrama:

Porque colocar sal sobre o gelo faz

com que ele derreta?

A partir de que momento colocar mais

sal no auxilia no derretimento do

gelo?


Desenvolvimento da estrutura em ligas eutticas

Diversas possibilidades



Redistribuio de

componentes -> Difuso

Estrutura euttica



Difuso no lquido

Distncias curtas



a primria

aEuttica

Microconstituinte

de fase

2 fases, dois microconstituintes


Calculo dos microconstituintes

Se fora do equilbrio: 1 - Gros zonados

2 Maior frao do microconstituinte euttico


Diagramas de fase com compostos intermetlicos

Soluo slida terminal (tambm presente no euttico)

Soluo slida intermediria (fases intermedirias, ex. Cu-Zn - Lato)

Soluo slida ordenada (militar)

Linha tracejada -> sem exatido (baixa temperatura - difuso)

Compostos intermedirios (ex. Mg2Pb) -> composio bem definida -> linha vertical


Diagramas de fase com intermetlicos


Diagramas de fase com compostos intermetlicos

Pode ser considerado como dois diagramas de equilbrio eutticos (Mg-Mg2Pb e Mg2Pb-Pb)


Reaes Eutetides e Peritticas

Eutetide

Perittico

Alm do euttico existem diversos pontos invariantes

Reao eutetide

Reao Perittica


Transformao de fases congruentes e incongruentes

Transformao congruente: sem alterao de composio (ex. mudana alotrpica e fuso de metais puros, fuso de compostos)

Transformao incongruente: com alterao de composio (maioria das transformaes, transformao, ex. euttica e eutetide e fuso de sistemas isomsfos)


Transformao de fases congruentes e incongruentes


Diagramas ternrios


Diagramas ternrios

Isomorfo Euttico


Diagramas ternrios


Exerccio Para a Liga C4 (30% Sn):

Calcular os percentuais mssicos de alpha e beta a 50C

Calcular o percentual mssico do microconstituinte euttico

Calcular os percentuais mssicos da fase alpha primria e secundria

Calcular os percentuais mssicos da fase beta primria e secundria

Calcular o percentual mssicos da fase alpha e beta no microconstiuinte euttico


Diagrama Ferro-Carbono (Fe-Fe3C)

Aos Ferros Fundidos

Ferro Puro 0,008%C

Ferr

ita

- A

uste

nita

CC

C -

CF

C

Au

ste

nita

F

err

ita

d

CF

C -

CC

C

Fe3C

Cementita

Dura e frgil

6,7% C ou

100% Fe3C

Ferrita CCC

7,88 g/cm3

Ferrita d pouca importncia Austenita CFC


Ferrita max. C 0,022% Austenita max. C 2,14%

CFC mais densa e tem maior solubilidade? Como?


Energia livre de Gibbs para o Fe

Transformaes espontneas ocorrem para minimizar a energia (a fase mais estvel aquela que apresenta menor energia livre de Gibbs)

Interstcios da Estrutura do Ferro a Interstcios da Estrutura do Ferro

0,19 (0,15R) 0,52 (0,41R) 0,29 (0,23R) 0,36 (0,29R) Espao

ngstrons

Raio do Carbono 0,71


Particularidades da Cementita Fe3C

Dura e Frcil -> Composto (cermica)

Rigorosamente metaestvel

A 700C durante alguns anos -> Grafite + ferrita (diagrama no de equilbrio)

A temperatura ambiente nunca se transforma

Adio de Silcio acelera a transformao (ferro fundido)


Diagrama Ferro-Carbono Pontos invariantes

???

Importante

para os

tratamentos

trmicos


Desenvolvimento da microestruturas em ligas Fe-C

Muitas microestruturas possveis

Vamos apresentar somente de resfriamento lento -> resfriamento rpido ser visto em tratamento trmico e diagramas de transformao


Ligas Eutetide Espessura aproximada 8/1

Estrutura -> Perlita (lembra madreprola)

Direo das lamelas varia de uma colnia

para outra

Perlita -> propriedades intermedirias

entre ferrita e cementita

Ver animao


Ligas Eutetide

Motivo das lamelas -> difuso

(semelhante ao euttico)

Redistribuio do carbono ->

distancia curtas

Nucleao no contorno de gro

da austenita

Microconstituinte Perlita

No existe gro de perlita mas sim

uma colnia de perlita

Abaixo do eutetide as mudanas

microestruturais so insignificantes


Ligas Hipoeutetide

Hipoeutetide: Menos carbono que o eutetide

(entre 0,022 e 0,76 %C)

Alpha aparece no contorno de gro -> PQ????

Ferrita proeutetide

Ferrita eutetide


Ligas Hipereutetide

Hipereutetide: Mais carbono que o eutetide

(entre 0,76 e 2,14%C)

Cementita proeutetide

Cementita eutetide


Ferro fundido


Exerccio

Para C0(0,20) e C1(1,10)

determinar:

Frao das fases ferrita e cementita

Frao de ferrita preutetoide, cementita

preutetoide e perlita

Frao de ferrita e cementita eutetide

Frao de ferrita e cementita na perlita

Qual a composio de uma liga Fe-C que contem 50% de perlita e ferrita proeutetde?


Resfriamento fora das condies de equilbrio

Na maioria das situaes a taxa de resfriamento mais rpida que a necessria para o equilbrio

Conseqncia:

Mudana de fase em temperaturas diferentes da prevista no diagrama

Existncia de fases fora do equilbrio (ex. Martensita)


Influencia de outros elementos de liga

Adio de elementos de liga trs mudanas dramticas no diagrama de fases

Ex. Nquel pode estabilizar a austenita a temperatura ambiente

Elementos alphagnios e gamagnios


importante lembrar Saber interpretar o diagrama

Fases presentes

Composio das fase

Frao da fases

Descrever evoluo microestrutural no aquecimento ou resfriamento

Pontos invariante e suas reaes -> mecanismo e impacto nas propriedades do material (microestrutura)

Diagrama ferro carbono - > Tudo -> ser a base para o estudo dos aos e ferros fundidos!

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