Aula 16 - Diagrama de fases (1).pdf

8/17/2019 Aula 16 - Diagrama de fases (1).pdf

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Aula 16 – Diagrama de fases

Universidade Federal de Santa CatarinaCentro de Engenharias da Mobilidade

Prof. Gabriel Benedet Dutra


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Nível de Observação

Como controlar a microestrutura, variando temperatura, pressãoe composição química


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Objetivos

Compreender a importância do entendimento de um diagrama de

fase no desenvolvimento e aprimoramento dos materiais, em termos

de microestrutura e propriedades.

Interpretar um diagrama de fases: quais fases estão presentes em

um material a uma determinada temperatura e pressão , qual a

quantidade e composição de cada fase,


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Por que estudar?

Diagrama de fase

Propriedades microestruturais do

material e história térmica.


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Por que estudar?

Diagrama de fase

Relacionam temperatura,composição química e

quantidade de fase em equilíbrio

Apresenta-se como um mapa onde é possívelverificar quais estruturas são mais estáveis parauma dada temperatura, pressão e composição.


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Definições e conceitos básicos

• Componentes: Elementos químicos ou compostos que constituem a

fase;

• Sistema: corpo específico de material sob consideração (por exemplo,

uma panela de fundição com aço fundido) ou ligas que possuem os

mesmos componentes (por exemplo o sistema ferro-carbono);

• Fase: uma parte estruturalmente homogênea de um sistema (por

exemplo fases líquida, ferro α, austenita etc.).


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• Limite de solubilidade: concentração máxima de átomos do soluto

que podem se dissolver no solvente para formar uma solução sólida.

Ilustração de fases e solubilidade: (a) As três formas da água: sólida, líquida egasosa; (b) água e álcool têm solubilidade ilimitada; (c) Sal e água possuem

solubilidade limitada; (d) Água e óleo não possuem solubilidade.


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• Sistemas isomorfos: quando os componentes apresentam completa

solubilidade nos estados líquido e sólido.

• Equilíbrio termodinâmico: condição na qual o sistema apresenta um

valor mínimo para sua energia livre (energia interna e entropia) em

determinada combinação específica de temperatura, pressão e

composição;

• Diagrama de fases: representação gráfica do equilíbrio termodinâmico

em função da temperatura, pressão e composição;


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• Equilíbrio de fases: melhor descrito em termos da energia livre

Energia livre é mínima para umacombinação de T, P e composição.

Sistemaestável

Equilíbrio de fases: sistemasque apresentam mais de uma

fase em equilíbrio



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Como construir são obtidos diagrama de fases?

Técnica experimental termo-analítica que identifica mudanças de estado em função da

temperatura, como por exemplo a passagem do estado líquido para o estado sólido.

* Extrapolações matemáticas

utilizando as Lei da energia

livre de Gibbs preenchem

linhas em diagramas de fases


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Diagramas de Fase/Equilíbrio

Informações paraobtenção de

determinada estrutura

TemperaturaPressão

Composição

Diagrama defase

Apresentam diferentes combinações dessesparâmetros em um gráfico

Afetam a estrutura das fases

Diagrama de fases


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1 componente: Diagrama de fases

- Sistema : A

- Fases 1 e 2

- Componentes: A

P r e s s ã

o

Temperatura

Fase 1

Fase 2

Fase 1 + Fase 2


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Diagramas remetem a uma composição constante

Único componente

1 componente: Diagrama de fases

Pontro tríplece (invariante): três fases encontram-se em equilíbrio

Cruza a linha:transformação de fase


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2 componentes: Diagrama de fases

- Sistema : AB

- Fases 1 e 2

- Componentes: A e B

T e m p e r a t u r

a

Composição química ( % componente A e % componente B)

Fase 1

Fase 2

Fase 1 + Fase 2

Pressão constante (1atm) –

composição e temperatura variáveis

Possibilitam prever as transformações de fases e as

microestruturas resultantes


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Temp. Fusão

Solução

Sólida

Sistema

Isomorfobinário


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Interpretação dos diagramas de fases: quais fases?

Fases presentes

Localizar o ponto

temperatura-composição e observar

o número de fases

A – 60%Ni / 40% Cu

B –

35%Ni / 65%Cu

Diagrama de fases: informam

sobre as fases presentes, as

composições destas fases e as

porcentagens ou fração desta

fases.


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Interpretação dos diagramas de fases: qual composição?

Determinação da composição:

RegiãoMonofásica

Composição da fase é a mesma que acomposição global da liga. Ex.: liga

30%Ni/70%Cu – 1300ºC tem 30%Ni e70%Cu - fase L


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Fase α – 42,5%Ni/57,5%Cu – CαFase L – 31,5%Ni/68,5%Cu - CL

Região Bifásica

- Na temperatura solicitadadesenhar a linha de amarração

(isoterma)- Verificar as intersecções com as

fronteiras entre as fases

- A partir das intersecções traçarlinhas perpendiculares à linha

de amarração até o eixohorizontal das composições

- Ex.: 35%Ni /65%Cu – T=1250º C

Determinação da composição:

Interpretação dos diagramas de fases: qual composição?


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Interpretação dos diagramas de fases: qual a quantidade?

Determinação da quantidade das fases:

RegiãoMonofásica

100% da fase avaliada ou fração =1


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Interpretação dos diagramas de fases: qual a quantidade?

Região Bifásica

Regra da Alavanca Invertida

Determinação da quantidade das fases:

1) Construir a linha de amarração na regiãobifásica na temperatura da liga;

2) Obter a composição da liga com a linhade amarração

3) A fração de uma fase é calculadaassumindo o comprimento da linha deamarração desde a composição globalda liga até a fronteira entre as fases paraa outra fase, dividindo este valor pelocomprimento total da linha de

amarração;4) A fração da outra fase é obtida de forma

similar;5) X 100 para obter o valor em %;6) Medir o segmento: régua em mm ou

subtraindo as composições a partir da

leitura das mesmas no eixo dascomposições.


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Regra da Alavanca: qual a quantidade?

Fração de líquido

Ex.: 35%Ni /65%Cu – T=1250º C



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Regra da alavanca: qual a quantidade?

Fração de alpha

Ex.: 35%Ni /65%Cu – T=1250º C



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Desenvolvimento de microestruturas em ligas isomorfasdentro das condições de equilíbrio

A composição da liga não muda durante o resfriamento: 35%Ni e 65%Cu


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Desenvolvimento de microestruturas em ligas isomorfas foradas condições de equilíbrio

Devido ao resfriamento em condições de não-equilíbrio e depende da taxa de resfriamento


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Propriedades mecânicas de ligas isomorfas

A composição da liga afeta as propriedades mecânicas mesmo sem a alteração

de outras variáveis estruturais

Sistema CuNi a temperatura ambiente. a) limite de resistência a tração em

função da composição; b) ductilidade em função da composição.


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Sistemas Eutéticos Binários

Reação eutética: transformação por solidificação onde um líquido

resfria até formar simultaneamente duas fases sólidas.

Monofásicas

Bifásicas

Solução Sólida


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Sistemas Eutéticos Binários

Com a adição de Ag ao Cu a T na qual

a liga se torna totalmente líquida

diminui – a temperatura de fusão doCu é reduzida por adição de Ag.

Ponto invarianteCE : 71,9%Ag

TE : 779oCIsoterma eutética


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183oC

Solda – 60%Sn/40%Pb

Sistemas Eutéticos Binários: Solda de componentes


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Sistemas Eutéticos Binários: Solda de componentes

Solda mais comum: 60%Sn/40%Pb –

Pbtóxico – descarte pode promover prejuízos

a natureza.Soldas novas: SnAgCu; SnAgBi – diagramas

ternários (< ponto de fusão)


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Microestrutura em ligas eutéticas

Com o resfriamento lento de ligas que pertençam

ao sistema binário surgem diferentesmicroestruturas no material.

C1 – 0% Sn - 2%Sn

Monofásica


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C2 –

2%Sn - 18,3%SnPrecipitação de fases


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C3 - Eutética61,9%Sn


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Microestrutura de uma liga de SnPb com

composição eutética – camadas de ss rica em

Pb – camadas escuras e ricas em Sn –

brancas - 375X

Representação esquemática da formação da

estrutura eutética para o sistema PbSn –

formação de lamelas por ser a condição de

menor gasto energético para os átomos


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C4 – 40%Sn - 60%Pb

Hipo-eutéticas A condição inicial ésemelhante aos outros

casos;

Ao atravessar a isoterma

eutética, a fase líquida se

transforma no eutético comlamelas;

A fase α estará presente na

estrutura eutética e na fase

que se formou devido ao

resfriamento do liquido + α.

α eutética – da fase eutética

α primária – se formou

primeiro


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Microestrutura de uma liga deSnPb 50%Sn – 50%Pb – Fase

α primária – rica em Pb –

grandes regiões escuras –

estrutura eutética lamelar –Fase β – rica em Sn – partes

brancas e fase α rica em Pb –

lamelas escuras - 400X


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Cálculo da quantidade relativa dos microconstituintes, eutético, α e primário

Microconstituinte eutético se forma a partir do líquido com composição

eutética – 61,9%Sn – apl ica-se a regra da alavanca


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Cálculo da quantidade relativa dos microconstituintes α total e

Para calcular as frações da fase α total, Wα e também da fase β e Wβ utiliza-se a regra da alavanca aplicada a uma linha de amarração que se estende

totalmente ao longo do campo α+β


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Diagramas de equilíbrio contendo fases ou compostosintermediários

Até agora: diagramas com duas fases sólidas (PbSn/SnPb) – α e β –

soluções sólidas terminais (existem em faixas e composições próximas as

extremidades de concentração do diagrama de fases.

Outros sistemas: soluções sólidas intermediárias - CuZn

Seis soluções sólidas diferentes – duas terminais (α e η) e quatrointermediárias – (β, γ, δ e ε)

- β’ – solução sólida ordenada – os átomos de Cu e Zn estão situados em

um arranjo específico e ordenado dentro de cada célula unitária.


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Baixas temperaturas e taxas de difusão - indeterminação


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Reações eutetóides e peritéticas

Existem outros pontos além do eutético que são invariantes em alguns sistemas de

ligas.

Reação eutetóide

Eutético: uma

solução líquida se

transforma em

duas soluções

sólidas


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Reações eutetóides e peritéticas

Reação peritética


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As principais reações invariantes que podem ocorrer num diagrama de fase

podem ser simplificadas por:

Reações eutéticas, eutetóides e peritéticas


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Diagramas de fases:

Monocomponente: Diagrama - Pressão vs Temperatura

Sistema isomorfo binário: Total solução sólida dos componentes, ex: Cu-Ni

Sistemas eutético binário: não há solução sólida total e há um ponto de fusão mais

baixo em uma determinada composição da liga, ex: Pb-Sn

Sistema contendo fases e compostos intermediários: ex: Cu-Zn

Revisão da aula


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Cerâmicas: diagramas ternários

• Pode-se extender o uso de

diagramas de fase

metal/metal para outros

materiais.

• São úteis para o projeto e

processamento de

sistemas de materiais

cerâmicos

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