CIÊNCIA DOS MATERIAIS - Diagramas de Fases.pdf

CINCIA DOS MATERIAIS I

PROF: RICARDO HENRIQUES LEAL

Email: [email protected]

Carga Horria: 75 horas (Terica: 60 hrs; Prtica: 15 hrs)

BIBLIOGRAFIA:

1) Cincia e Engenharia dos Materiais Uma Introduo; William D. Callister Jr. e David G. Rethwisch, 8a edio, Editora LTC/GEN

2) Princpios de Cincia e Tecnologia dos Materiais; L.H. Van Wlack

AVALIAO:

2 Provas

3a Nota: 40% Prova, 30% Seminrio, 30% Exerccios

RESUMO DA EMENTA

Introduo Reviso de Estrutura Cristalina Difrao de Raios X Imperfeies Cristalinas Difuso Propriedades Mecnicas dos Metais Mecanismos de Endurecimento Fratura, Fadiga e Fluncia Diagramas de Fases Transformao de Fases em Metais

Diagramas de Fases

Definies e Conceitos Bsicos

Diagramas de Fases Binrios

Diagrama Fe-C

Bibliografia:

1. Cincia e Engenharia dos Materiais Uma Introduo, William D. Callister Jr. e David G. Rethwisch, 8a edio, Editora LTC/GEN

Diagramas de Fases

Diagramas de Fases: Definies e Conceitos Bsicos Componente: so metais puros e/ou compostos que compem uma liga, p.ex., no lato

os componentes so Cu e Zn

Sistema: tem dois significados: Pode referir-se a uma parte especfica do material sendo considerado, p.ex, cadinho de ao fundido Pode estar relacionado srie de possveis ligas compostas pelos mesmos componentes, porm de

maneira independente composio da liga, p.ex, o sistema ferro-carbono

Soluo slida: consiste em tomos de pelo menos dois tipos diferentes, com os tomos de soluto ocupando posies substitucionais ou intersticiais na rede do solvente, sem alterao da estrutura cristalina do solvente

Limite de Solubilidade: concentrao mxima de tomos de soluto em uma temperatura especfica que podem se dissolver no solvente formando uma soluo slida; a adio de mais tomos de soluto alm do limite de solubilidade provoca a formao de outra soluo slida ou outro composto com composio marcadamente diferente Ex: adio de aucar em gua: medida que mais aucar introduzido, a soluo gua + aucar

fica mais concentrada at que o limite de solubilidade alcanado, quando se diz que a soluo ficou saturada com aucar; a partir desse ponto qualquer adio de aucar torna a soluo supersaturada, no sendo mais capaz de dissolver o aucar, que sedimentado no fundo do recipiente; nessa condio o sistema consiste de duas substncias separadas: uma soluo lquida de agua + aucar e cristais slidos de aucar no dissolvidos

Diagramas de Fases: Definies e Conceitos Bsicos

Diagramas de Fases: Definies e Conceitos Bsicos Fases: poro homognea de um sistema que possui caractersticas fsicas e qumicas

uniformes; todo material puro considerado uma fase, bem como solues slidas, lquidas e gasosas; p.ex, no sistema gua-aucar, a soluo lquida de xarope uma fase, bem como o aucar slido outra fase; quando mais de uma fase est presente em um sistema, cada uma ter suas prprias propriedades individuais e existir uma fronteira separando as fases, atravs da qual haver mudna descontnua e abrupta nas caractersticas fsicas e/ou qumicas; diferenas em apenas caractersticas fsicas ou qumicas define duas fases, no sendo necessrio que haja diferenas nos dois conjuntos, p.ex, gua e gelo so duas fases com mesma composio qumica porm com estados fsicos diferentes

Sistema Homogneo: sistema monofsico (apenas uma fase presente)

Sistema Heterogneo ou Misturas: sistema compostos por duas ou mais fases; normalmente presente na maioria das ligas metlicas, em cermicos, polmeros e compsitos, apresentando em geral propriedades mais atrativas do que os sistemas monofsicos

Microestrutura: propriedades fsicas e mecnicas de um material dependem da micorestrutura, que observada atravs de microscpios ticos ou eletrnicos; nas ligas metlicas a microestrutura caracterizada pelo nmero de fases presentes, por suas propores e pela maneira pela qual esto distribudas ou arranjadas, sendo dependentes de variveis tais como os elementos de liga presentes, suas concentraes e o tratamento trmico da liga (temperatura e tempo de aquecemento na temperatura do aquecimento e a taxa de resfiramento at a temperatura ambiente)

Diagramas de Fases: Definies e Conceitos Bsicos Equilbrio: conceito descrito em funo da grandeza termodinmica chamada energia livre, que uma

funo da energia interna de um sistema (entalpia) e tambm da aleatoriedade ou desordem dos tomos e molculas (entalpia): um sistema est em equilbrio se sua energia livre est em um valor mnimo sob uma condio especfica de temperatura, presso e composio; em sentido macroscpico significa que as caractersticas do sistema no mudam ao longo do tempo e o sistem estvel; alteraes na temperatura, preso e/ou composio de um sistema em equilbrio resultar em aumento da energia livre e uma possvel mudana para outro estado no qual a energia livre seja menor

Equilbrio de fases: refere-se ao equilbrio que se aplica a sistemas de mais de uma fase, se refletindo numa constncia nas caractersticas das fases de um sistema ao longo do tempo, desde que as condies de temperatura, presso ou composio no sejam alterados

Sistema Metaestvel: em muitos sistemas, especialmente no estado slido, o tempo para se alcanar o equilbrio muito grande e na prtica nunca ser alcanado; em muitos desses sistemas as mudanas so to pequenas ao longo do tempo, praticamene imperceptveis, e, nesse caso, o sistema dito metaestvel

Diagramas de Fases de Um Componente (Unrios) Diagramas de Fases (ou Diagramas de Equilbrio): representao grfica de combinaes dos trs parmetros

controlados externamente (temperatura, presso e composio) que afetaro a estrutura das fases; os diagramas de fases so geralmente representados em duas dimenses considerando vrias combinaes de dois desses parmetros

Diagramas de Fases de um Componente: nesse caso a composio mantida constante, isto , o diagrama construdo para uma substncia pura considerando como variveis a presso e temperatura; diagramas de fases presso-temperatura foram desenvolvidos experimentalmente para diversas substncias, nos quais esto presentes as fases slida, lquida e gasosa, incluindo materiais com variaes alotropicas no estado slido

Diagramas de Fases Binrios Diagramas de Fases Binrios: so diagramas com dois componentes em que a temperatura e a composio

so as variveis enquanto a presso mantida constante, em geral igual a 1 atm; se mais de dois componentes estiverem presentes no material, os diagramas de fases se tornam extremamente complicados e difceis de serem representados, porm muitas vezes o diagrama de fase binrio com os principais componentes pode ser bastante interessante para o entendimento das fases e suas transformaes, p.ex, diagrama ferro-carbono para os aos

Sistemas Isomorfos Binrios: apresentam completa solubilidade dos dois componentes nos estados slido e lquido; o sistema binrio mais simples e fcil de ser entendido e interpretado, p.ex., sistema Cu-Ni Tres regies distintas aparecem no diagrama: um campo monofsico de soluo lquida homognea (L), um campo

monofsico de soluo slida homognea () e um campo bifsico ( + L)

Nomenclatura:

1. em geral solues slidas so designadas por letras gregas minsculas

2. a curva que separa o campo da fase lquida (L) do campo bifsico ( + L) denominada linha liquidus, sendo que a fase lquida est presente em toda combinao de temperatura e composio acima dessa curva

3. A curva que separa o campo da fase slida () do campo bifsico ( + L) denominado linha solidus, sendo que a fase slida est presente em toda combinao de temperatura e composio abaixo dessa curva

As linhas solidus e liquidus se interceptam nas duas extremidades de composio, correspondendo temperatura de fuso (ou solidificao) dos componentes puros; para qualquer composio diferente dos componentes puros a fuso (ou solidificao) se dar em uma faixa de temperaturas

Diagramas de Fases Binrios Interpretao dos Diagramas de Fases Informaes Fornecidas:

Fases Presentes

Determinao das Composies das Fases (a cada temperatura): linha de amarrao ou isoterma

Determinao das Quantidades das Fases (a cada temperatura): regra da alavanca

Diagramas de Fases Binrios Determinao das Composies (em % em peso):

Diagramas de Fases Binrios Determinao das Composies em Frao Volumtrica (% em volume):

Diagramas de Fases Binrios Desenvolvimento da Microestrutura em Ligas Isomorfas:

Resfriamento em Equilbrio: nesse processo o equilbrio alcanado em cada temperatura durante o resfriamento, o que s possvel com taxas de resfriamento muito lentas, permanncia por muito tempo em cada temperatura e processos difusionais extremamente rpidos, sendo que ao final a microestrutura composta de gros da fase slida com composies uniformes


Resfriamento Fora do Equilbrio: em virtualmente todos os processos de solidificao as taxas de resfriamento so muito rpidas para permitir que ocorram os reajustes na composio para manter o equilbrio e consequentemente so desenvolvidas microestruturas distintas daquelas que se formariam em um processo de equilbrio; nesses casos a composio da fase final no uniforme, gerando gradientes de composio, em um fenmeno chamado de segregao, que tanto mais intenso quanto maior for o afastamento da taxa de resfriamento em relao quela do equilbrio; materiais com essa estrutura, denominada zonada, tem propriedades inferiores aos resfriados em equilbrio, pois as regies dos contornos dos gros sero mais ricas em componentes com menores temperatura de fuso, podendo eventualmente gerar uma fina pelcula lquida no aquecimento do material, a qual pode comear em temperaturas mais baixas do que a temperatura solidus de equilbrio para a liga; estruturas zonadas podem ser eliminadas por tratamento trmico de homogeneizao, conduzido em uma temperatura abaixo do ponto solidus para a composio especfica da liga e durante o qual ocorre difuso atmica e homogeneza a composio dos gros


Resfriamento Fora do Equilbrio:

Diagramas de Fases Binrios Propriedades Mecnicas de Ligas Isomorfas: para temperaturas abaixo da menor temperatura de fuso dos

seus componentes todo o material ser monofsico e o endurecimento se dar apenas por soluo slida, com a dependncia da resistncia mecnica passando por um ponto de mximo e a ductilidade com comportamento oposto

Diagramas de Fases Binrios Sistemas Eutticos Binrios:

1. So encontradas trs regies monofsicas nesses diagramas: duas slidas, cada uma rica em um componente e a fase lquida

2. A solubilidade em cada uma das fases slidas limitada e as curvas indicando os limites de solubilidade dos solutos em cada fase slida denominada linha solvus

3. Esto presentes trs regies bifsicas, sendo que as composies e quantidades relativas das fases podem ser determinadas utilizando-se linhas de amarrao e regra da alavanca, similarmente aos sistemas binrios isomorfos

4. Esses sistemas apresentam um ponto invariante, de composio e temperatura fixas, respectivamente CEe TE , onde coexistem as trs fases e onde ocorre a chamada reao euttica, com a transformao da fase lquida nas duas fases slidas

5. A reao euttica no resfriamento semelhante solidificao de componentes puros, no sentido de que a reao prossegue at o final em temperatura constante, ou isotermicamente, a TE, porm o produto slido formado por duas fases ao invs de uma, como no caso dos componentes puros

Diagramas de Fases Binrios Sistemas Eutticos Binrios:

Diagramas de Fases Binrios Desenvolvimento da Microestrutura em Ligas Eutticas: % soluto < limite de solubilidade temperatura ambiente

Diagramas de Fases Binrios Desenvolvimento da Microestrutura em Ligas Eutticas: % soluto maior que limite de solubilidade temperatura

ambiente e menor que solubilidade mxima na temperatura do euttico

Diagramas de Fases Binrios Desenvolvimento da Microestrutura em Ligas Eutticas: solidificao da composio euttica


Necessariamente ocorre uma redistribuio dos componentes na solidificao, pois nenhuma das fases slidas tem composio igual fase lquida; essa redistribuio ocorre por difuso em distncias bem curtas no lquido localizado imediatamente frente da interface euttico-lquido

A microestrutura do slido euttico formado consiste em camadas alternadas, algumas vezes chamadas de lamelas; essa estrutura denominada estrutura euttica e caracterstica dessa reao

Diagramas de Fases Binrios Desenvolvimento da Microestrutura em Ligas Eutticas: % soluto maior que solubilidade mxima na temperatura

do euttico e menor que a composio do euttico CE

Nesses casos a fase estar presente tanto naestrutura euttica quanto na fase slida formadano resfriamento pelo campo + L. Para distinguiruma fase da outra, a que se forma no resfriamentopelo campo + L denominada primria e a quese forma no euttico chamada euttica.

Ao lidar com microestruturas s vezes convenienteusar o termo microconstituinte para um elementoda microestrutura com uma estrutura caractersticae identificvel; nesse caso existem dois microconstituintes, a fase primria e a estruturaeuttica que, embora seja uma mistura de duas fases, tem uma estrutura caracterstica (lamelar) identificvel


do euttico e menor que a composio do euttico CE


do euttico e menor que a composio do euttico CE clculo das quantidades relativas dos microconstituintes

Diagramas de Equilbrio Contendo Fases ou Compostos Intermedirios Diagramas de muitas ligas binrias podem ser bem mais complexos que aqueles estudados at agora (isomorfos

ou eutticos simples); alguns deles podem apresentar diversas fases e/ou compostos intermetlicos, alm de outras reaes invariantes envolvendo trs fases distintas em equilbrio:

Solues Slidas (ou Fases) Terminais: existem em faixas de composies prximas s extremidades de concentrao do diagrama

Solues Slidas (ou Fases) Intermedirias: presente em faixas de composies que no nos dois extremos de composio

Compostos Intermetlicos: so compostos com frmulas qumicas especficas e composio bem definida, sendo representados por uma linha reta vertical nos diagramas de fase

Reao Eutetide: no resfriamento uma fase slida se transforma em duas outras fases slidas, sendo, portanto uma reao 100 % no estado slido:

+

Reao Perittica: no aquecimento uma fase slida se transforma em uma fase lquida e outra fase slida

+ L

Resfriamento

Aquecimento

Resfriamento

Aquecimento

Diagramas de Equilbrio Contendo Fases ou Compostos Intermedirios

Transformaes de Fases Congruentes Transformaes de Fases Congruentes: so aquelas transformaes de fase nas quais no existem alteraes na

composio, p.ex, as transformaes alotrpicas (mudana de estrutura cristalina), a fuso de materiais puros e a formao de compostos intermetlicos a partir de um lquido de mesma composio; as fases intermedirias podem se formar de maneira congruente ou no

As reaes eutticas, eutetides, e peritticas, bem como a fuso de uma liga que pertence a um sistema isomorfo, so exemplos de reaes incongruentes, por envolverem mudanas de composio nas transformaes

Regra das Fases de Gibbs Regra da Fases de Gibbs: critrio para o nmero de fases que coexistir em equilbrio

P + F = C + N

onde P o nmero de fase presentes, F o nmero de graus de liberdade, ou o nmero de variveis que podem ser controladas externamente (p.ex. temperatura, presso, composio), C o nmero de componentes e N o nmero de variveis no relacionadas composio (presso e temperatura)

Para um sistema binrio a presso constante, C = 2 e N = 1, somente a temperatura independente da composio, ento:

P + F = 2 + 1 = 3 ou F = 3 - P

Para uma regio monofsica P = 1 e F = 2, ou seja, necessrio especificar 2 parmetros, temperatura e composio

Para uma regio bifsica P = 2 e F = 1, ou seja, necessrio especificar apenas 1 parmetro, temperatura ou composio

Para um ponto com 3 fases presentes, p.ex, pontos euttico ou eutetide, P = 3 e F = 0, ou seja, temperatura e concentrao so pr-definidas, sem nenhum grau de liberdade

Diagramas de Fases de Cermicos

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