AULA

DIAGRAMA DE FASES

Profa. Kaline Melo de Souto Viana

Importância

Auxilia a determinação da composição da liga ou sistemas cerâmicos. Permite correlacionar a microestrutura dos materiais com suas

respectivas propriedades.

Fornece informações valiosas sobre os fenômenos da fusão, fundição (sinterização para cerâmicas) e cristalização (crescimento de grão).

DIAGRAMAS DE FASES OU DIAGRAMAS DE EQUILÍBRIO

A partir dos diagramas de fases, pode-se

Mostrar, em condições de resfriamento lento (equilíbrio), quais as fases presentes para diferentes composições e temperaturas. Indicar, em condições de equilíbrio, a solubilidade no estado

sólido de um elemento (ou composto) no outro. Indicar a temperatura à qual uma liga ou sistema cerâmico,

resfriada em condições de equilíbrio, começa a solidificar, assim como o intervalo de temperaturas em que a solidificação ocorre. Indicar a temperatura à qual as diferentes fases começam a

fundir.

DEFINIÇÕES E CONCEITOS BÁSICOS

COMPONENTE:

Metais puros e/ou os compostos que compõem uma liga

Exemplo: latão (Cu + Zn) componentes Cu e Zn

SOLUTO e SOLVENTE:

Soluto: componente em menor quantidade

Solvente: componente em maior quantidade

DEFINIÇÕES E CONCEITOS BÁSICOS

SISTEMA:

(I) um corpo específico do material

(Ex.: cadinho com aço fundido)

(II) uma série de ligas possíveis que são formadas

pelos mesmos componentes, porém com composições

independentes à da liga

(Ex.: sistema ferro-carbono)

SOLUÇÃO SÓLIDA:

Mistura de 2 ou mais átomos diferentes (SSS ou SSI)

DEFINIÇÕES E CONCEITOS BÁSICOS

FASE:

Porção homogênea do material que tem propriedades físicas ou

químicas uniformes

(I) Mistura água/gelo – duas fases

Quimicamente idênticas – H2O

Fisicamente distintas – líquida/sólida

(II) Mistura água/açúcar com açúcar precipitado – duas fases

Quimicamente distintas – solução H2O/açúcar + açúcar puro

Fisicamente distintas – líquida/sólida

• 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

DIAGRAMAS DE FASES OU DIAGRAMAS DE EQUILÍBRIO

FASES DE EQUILÍBRIO E FASES METAESTÁVEIS

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

(o estado de equilíbrio não é nunca alcançado)

LIMITE DE SOLUBILIDADE

• 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.

Exemplo: a 20°C, a solubilidade máxima do açúcar na água é de 65% em peso.

FASES

• 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

Regra das Fases

A partir de considerações termodinâmicas, J. W. Gibbs estabeleceu uma equação que permite determinar o número de fase que podem coexistir, em equilíbrio, em um determinado sistema. Esta equação é designada por REGRA DAS FASES DE GIBBS

F + N = C + 2

F = número de fases que coexistem num determinado sistema. C = número de componentes do sistema. N = número de graus de liberdade.

Um elemento, um composto ou uma solução sólida

presente no sistema.

É o número de variáveis (pressão, temperatura e

composição) que podem ser alteradas de modo

independente, sem que ocorra no sistema qualquer

alteração da fase ou fases em equilíbrio.

COMPONENTE- C

NÚMERO DE GRAUS DE LIBERDADE – N

Aplicação da regra das fases ao diagrama PT da

água pura.

1. No ponto triplo 3 fases F + N = C + 2 3 + N = 1 + 2

N = 0 (zero grau de liberdade)

Significa que para manter as três fases em

equilíbrio, nenhuma das variáveis (temperatura ou

pressão) pode ser alterada. O ponto triplo é designado por ponto invariante.

1. Sobre a linha de solidificação líquido-sólido

F + N = C + 2 2 + N = 1 + 2

N = 1 (um grau de

liberdade)

Este resultado indica que uma das variáveis (T ou

P) pode ser alterada independentemente da outra,

mantendo-se a coexistência das duas fases do sistema.

3. Um ponto do diagrama PT, no interior de uma região monofásica

F + N = C + 2 1 + N = 1 + 2

N = 2 (dois graus de liberdade)

Este resultado indica-nos que mesmo alterando,

de modo independente, duas variáveis (temperatura

e pressão), o sistema continua a ser constituído pela mesma fase.

OBSERVAÇÃO: Como a maioria dos diagramas binários,

usados em ciência de materiais, são diagramas temperatura –

composição nos quais a pressão é mantida constante,

geralmente 1 atm.

Neste caso, temos a REGRA DAS FASES “CONDENSADA”, que

é dada por:

F + N = C + 1

Sistemas de um componente (UNÁRIO)

Exemplo 1: H2O pode existir no estado sólido, líquido ou vapor, de acordo com as condições de pressão e temperatura às quais se encontra.

Fe-

CfC

Exemplo 2: Ferro puro existem três fases sólidas

separadas e distintas: o Fe- (alfa), o Fe- (gama) e o Fe- (delta).

Fe- e o Fe- CCC

No diagrama PT do ferro três pontos triplos

em que coexistem três fases diferentes.

Líquido, vapor e Fe-

vapor, Fe- e Fe-

vapor, Fe- e Fe-

DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO PARA SISTEMAS BINÁRIOS E ISOMÓRFOS

• Isomorfo : quando a solubilidade é completa (Exemplo:

Sistema Cu-Ni) Sistemas de Dois Componentes

Exemplo 1 : sistema binário cobre-níquel – se aplica a condições da pressão atmosférica e resfriamento lento, ou seja, condições de equilíbrio.

Solução Sólida Substitucional Completa

Se uma liga consiste de mais de uma fase, a quantidade de cada fase presente pode ser encontrada aplicando-se a regra da alavanca no diagrama de fase. A regra da alavanca pode ser explicada considerando uma balança simples. A composição da liga é representada pelo apoio, e a composição das fases pelas extremidades da barra. As proporções de fases presentes são determinadas pelos pesos necessários para equilibrar a balança.

Então, fração da fase 1 = (C2 - C) / (C2 - C1) e, fração da fase 2 = (C - C1) / (C2 - C1).

Diagramas de fase e Microestrutura

Até agora foram vistos diagramas de fase ISOMORFOS nos quais

existe uma faixa de T em que há completa miscibilidade de um

constituinte no outro.

Outra condição utilizada é de que os diagramas são de EQUILÍBRIO.

Qualquer variação de T ocorre lentamente o suficiente para permitir

um rearranjo entre as fases por meio de DIFUSÃO.

As fases presentes a uma dada T são estáveis.

Não – equilíbrio e segregação

Durante o resfriamento ocorrem mudanças na composição das duas

fases.

Estas mudanças dependem de difusão PROCESSO LENTO

A região central de cada grão vai ser “RICA” no constituinte de P.F.

mais alto.

A concentração do outro constituinte aumenta em direção ao contorno

de grão.

Por isso os contornos de grão são mais sensíveis à T no

aquecimento eles derreterão e o material fundirá

Mudança na composição das fases durante o processo de solidificação

Ex: o centro do grão mais rico do elemento com maior ponto de fusão)