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Capítulo 4 -
Microestrutura (Fases)
Ciência dos Materiais
Prof. Silvana Da Dalt – CEng – UFPel
Adaptado de Prof. C.P. Bergmann - UFRGS
4. MICROESTRUTURA
4-1 INTRODUÇÃO
4-2 CRITÉRIOS DE ANÁLISE DA MICROESTRUTURA
4-3 PROPRIEDADES ADITIVAS E INTERATIVAS
4-4 SOLUBILIDADE
4-5 FORMAÇÃO DE FASE EM SÓLIDOS
4-6 DIAGRAMA DE FASES
Ciência dos Materiais
4-1 INTRODUÇÃO
A MICROESTRUTURA compreende o estudo das fases presentes em um material.
Essas são avaliadas quanto a sua natureza, composição, quantidade, tamanho,
forma, distribuição e orientação. A conjugação destes fatores complementa a
definição de propriedades iniciadas pela ESTRUTURA ATÔMICA e ESTRUTURA
CRISTALINA do material.
Ciência dos Materiais
ESTRUTURA PROPRIEDADES
CIÊNCIA DOS MATERIAIS
ESTRUTURA ATÔMICA
ESTRUTURA CRISTALINA
MICROESTRUTURA
Ciência dos Materiais
Algumas microestruturas:
Microestrutura de uma única fase
de um molibdênio puro, com
muitos grãos de composição
uniforme (200x).
Microestrutura de duas fases da
perlita (aço com 0,8% de C),
apresenta camadas alternada de
ferrita e cementita (500x).
4-1 INTRODUÇÃO
Ciência dos Materiais
Nas microestruturas (a) e (b), pode-se verificar:
- fases, proporção, tamanho
- forma, distribuição análise da microestrutura
- orientação
CRITÉRIOS DE ANÁLISE DA MICROESTRUTURA
Diferentes fases são
apresentadas:
- cristalina ou não (fase vítrea),
- orientada ou não,
- fase vítrea
-etc.
FASE É A PORÇÃO HOMOGÊNEA DE UM SISTEMA QUE TEM
IGUAL COMPOSIÇÃO QUÍMICA, ESTRUTURA CRISTALINA E
INTERFACES COM O MEIO
4-1 INTRODUÇÃO
4-2 CRITÉRIOS DE ANÁLISE DA MICROESTRUTURA
Ciência dos Materiais
Os CRITÉRIOS DE ANÁLISE da microestrutura são:
1. FASES PRESENTES
2. COMPOSIÇÃO DAS FASES
3. PROPORÇÃO DAS FASES
4. TAMANHO (DISTRIBUIÇÃO DE
TAMANHO) DAS FASES
5. DISTRIBUIÇÃO DAS FASES
6. FORMA DAS FASES
7. ORIENTAÇÃO DAS FASES
-Em um projeto de engenharia,
procura-se manter a
microestrutura de um material
sob controle, sendo estes
critérios os parâmetros de
análise da microestrutura.
-As propriedades de um material
vão variar de acordo com a
variação de qualquer um destes
critérios no material.
-A variação pode ser significativa
ou não significativa, depende da
propriedade e do projeto.
4-3 SOLUBILIDADE Ciência dos Materiais
Um material pode ser resultado da combinação de diferentes
componentes:
- por formação de soluções
(tipo de solubilização, dependendo do tamanho dos raios:
substucional ou intersticial)
- por formação de misturas heterogêneas
- totalmente miscíveis
- totalmente imiscíveis
- miscibilidade parcial
Quanto a solubilidade pode-se
classificar as soluções em:
Ciência dos Materiais
Total miscibilidade: mistura água + álcool
um componente dissolve o
outro em quantidade ilimitada
Ex.: CuNi
Liga de total
miscibilidade
4.3.1 Total Miscibilidade
4-3 SOLUBILIDADE
Ciência dos Materiais
Total Imiscibilidade: mistura água + óleo
mesmo com agitação e
temperatura não se obtém
uma única fase
Ex.: Pb e Cu
4.3.2 Total Imiscibilidade
4-3 SOLUBILIDADE
Ciência dos Materiais
Miscibilidade Limitada: mistura água + açúcar
água + sal
4.3.3 Miscibilidade Limitada
um componente dissolve o outro em
quantidade limitada
Ex.: Sn e Pb
4-3 SOLUBILIDADE
Ciência dos Materiais
4.3.4 Regra de Hume Rothery
COMO DEFINIR A SOLUBILIDADE DE UM ELEMENTO EM OUTRO?
Regra de HUME-ROTHERY
São condições necessárias, mas não suficientes para que
dois metais apresentem solubilidade total:
1. Tamanho: diferença entre raios < 15%
2. Estrutura cristalina: deve ser a mesma (ou com plano de
continuidade)
3. Eletronegatividade: deve ser semelhante
4. Valências: devem ser iguais
4-3 SOLUBILIDADE
Ciência dos Materiais
AgAu:
1. Tamanho: rAg - 0,145 nm rAu - 0,144 nm
2. Estrutura cristalina: Ag e Au - CFC
3. Eletronegatividade: Ag (1,9eV)
Au(2,4eV)
4. Valências: Ag+1 Au+1
Ag e Au satisfazem e são totalmente
miscibilidade total (solução sólida
ilimitada)
AlSi:
1. Tamanho: rAl - 0,143 nm rSi - 0,118 nm 2. Estrutura cristalina: Al-CFC
e Si-Cúbica do diamante
3. Eletronegatividade: Al (1,5eV) Si(1,8eV)
4. Valências: Al+3 Si+4
Al e Si imiscíveis
AgCu: 1. Tamanho: rAg - 0,145 nm rCu - 0,128 nm 2. Estrutura cristalina: Ag - Cu -CFC
3. Eletronegatividade: Ag (1,9eV)
Cu(1,9eV)
4. Valências: Ag+1 Cu+1
Ag e Cu satisfazem mas não são
totalmente miscíveis (solução sólida
limitada)
Exemplo 1: Com os dados necessários fazer análise da solubilidade das ligas AgAu, AlSi e AgCu.
4.3.4 Regra de Hume Rothery
4-3 SOLUBILIDADE
Ciência dos Materiais
4.4.1 Introdução Transformações microestruturais em sólidos (reações no estado sólido) envolvem rearranjo de átomos. A classificação das
reações pode ser:
→ Crescimento de grão: - átomos se movem através do contorno de grão;
- não há variação na composição;
- não há mudança no tipo de estrutura cristalina;
- não há novos grãos;
- prevalece difusão atômica.
→ Recristalização: - grãos novos e mais perfeitos;
- rearranjos atômicos apenas locais;
- não há variação na composição;
- não há mudança no tipo de estrutura cristalina.
- prevalece difusão atômica.
→ Solubilização: - desaparecimento de uma fase existente, por solução na fase matriz;
- prevalece difusão atômica;
→Precipitação: - separação de uma nova fase a partir de uma solução sólida supersaturada;
- prevalece a difusão atômica;
→Eutetóide: - decomposição de uma fase (no resfriamento) em duas novas fases;
- prevalece a difusão atômica;
→Variações alotrópicas: - nova fase: nova coordenação atômica por rearranjos locais;
- não há variação na composição;
→Transformação martensítica: - variação alotrópica decorrente do cisalhamento de um ou mais planos
cristalinos em relação a planos adjacentes;
- sem difusão;
4-4 FORMAÇÃO DA MICROESTRUTURA
Ciência dos Materiais
4.4.2 Difusão atômica em sólidos
Difusão: mecanismo pelo qual a matéria é transportada através da matéria
Átomos em sólidos, líquidos e gases: migram ao longo do tempo
Gases: movimentos atômicos relativamente rápidos. Ex.: movimento rápido de
aromáticos ou fumaças.
Líquidos: movimentos atômicos mais lentos que nos gases. Ex.: movimento da tinta
em solventes.
Sólidos: movimentos atômicos dificultados devido a ligação dos átomos em
posições de equilíbrio; temperatura (vibrações térmicas) permitem o movimento
atômico. Ex.: reações no estado sólido: precipitação de 2ª fase; nucleação e
crescimento de novos grãos na recristalização de um metal deformado.
Dois tipos de mecanismos de difusão atômica em redes cristalinas: substitucional
(ou por lacunas) e intersticial
4-4 FORMAÇÃO DA MICROESTRUTURA
4-5 DIAGRAMA DE FASES Ciência dos Materiais
4.5.1 Diagramas
Diagrama de fases:
- Informa sobre a microestrutura conseqüência: pode predizer
propriedades mecânicas em
função da temperatura e
composição
- Permite a visualizar a solidificação e fusão
- Prevê as transformações de fases
- Gera informações eminentemente termodinâmicas e não
apresentam qualquer consideração sobre a cinética das reações
Ciência dos Materiais
4.5.1 Diagramas
Solubilidade do sal na água em função da temperatura:
DIAGRAMA DE FASES
4-5 DIAGRAMA DE FASES
Ciência dos Materiais
4.5.1 Diagramas
Quando o limite de
solubilidade é
ultrapassado, forma-se uma
segunda fase com
composição distinta a
solução líquida, já saturada.
No caso, salmoura + sal.
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 líquida, no caso salmoura
4-5 DIAGRAMA DE FASES
Ciência dos Materiais
A DIAGRAMA DE FASES FORNECE INFORMAÇÕES SOBRE OS
SEGUINTES CRITÉRIOS DE ANÁLISE DA MICROESTRUTURA:
1. FASES PRESENTES
2. COMPOSIÇÃO DAS FASES
3. PROPORÇÃO DAS FASES
4.5.1 Diagramas
REGRA DA ALAVANCA
4-5 DIAGRAMA DE FASES
Ciência dos Materiais
Miscibilidade Limitada: mistura água + açúcar
4.5.1 Diagramas
A
B
C
Quantas fases estão
presentes em cada um
dos sistemas A, B, C
indicados na figura?
Qual a composição
de cada fase em cada
sistema?
Qual a proporção de
cada fase nos sistemas
acima?
REGRA DA ALAVANCA
4-5 DIAGRAMA DE FASES
Ciência dos Materiais
4.5.2 Regra da Alavanca
FASES PRESENTES, PROPORÇÃO E COMPOSIÇÃO
X Y
YO x 100 =%xarope
XY
XO x 100 =% açúcar
XY
PROPORÇÃO DAS FASES NO
XAROPE 2
% açúcar no xarope COMPOSIÇÃO DO XAROPE 3 FASES
PRESENTES 1
O
Composição inicial da mistura
4-5 DIAGRAMA DE FASES
Ciência dos Materiais
4.5.2 Regra da Alavanca
Exemplo 2: Determine as fases presentes, proporção e composição para o diagrama
Água+Açúcar na T 15°C com composição inicial 25% de H2O e 75% de açúcar.
4-5 DIAGRAMA DE FASES
Para T 15°C e 25% de H2O e 75% de açúcar
Fases Presentes: xarope (açúcar e água)
sólido (açúcar)
Proporção das Fases - Regra da Alavanca
% açúcar = xo = 75-67 *100= 24,2%
xy 100-67
% xarope = oy = 100-75 *100= 75,8%
xy 100-67
Composição das Fases:
Xarope: 67% açúcar e 33% de água
Sólido: 100%açúcar
Ciência dos Materiais
•Todo diagrama de fases de solução sólida ilimitada possui a linha
LÍQUIDUS e SÓLIDUS
LINHA LÍQUIDUS: determina o lugar geométrico das
temperaturas acima das quais tem-se somente líquido
LINHA SÓLIDUS: determina o lugar geométrico das
temperaturas abaixo das quais tem-se somente sólido
4.5.3 Diagrama de Fases de Solução Sólida Ilimitada
4-5 DIAGRAMA DE FASES
Ciência dos Materiais
Microestruturas características de diferentes regiões em um diagrama de fases com
com solução ilimitada.
4.5.3 Diagrama de Fases de Solução Sólida Ilimitada
4-5 DIAGRAMA DE FASES
Ciência dos Materiais
Exemplo de diagrama de solução sólida ilimitada: Cu Ni
4.5.3 Diagrama de Fases de Solução Sólida Ilimitada
4-5 DIAGRAMA DE FASES
Ciência dos Materiais
Exemplo 3: Determine as fases presentes, proporção e composição para o diagrama CuNi
na T 1250°C com composição inicial de 40%Ni 60%Cu.
4.5.3 Diagrama de Fases de Solução Sólida Ilimitada
4-5 DIAGRAMA DE FASES
Proporção das Fases:
% L = 43-40 *100 = 30%
43-33
% = 40-33 *100= 70%
43-33
Fases Presentes: L
Composição das Fases:
L 33% Ni e 77% Cu
43% Ni e 57% Cu
Ciência dos Materiais
4.5.4 Regra de Gibbs
Quantas fases estão
presentes em um
determinado ponto?
Quantos componentes a
mistura apresenta?
Quantos graus de
liberdade tem o sistema?
REGRA DE GIBBS
4-5 DIAGRAMA DE FASES
Ciência dos Materiais
Exemplo 6: Determine os graus de liberdade do sistema para os pontos
indicados no diagrama Cu Ni. O que significa o valor calculado para cada
ponto?
A
B
C
4.5.4 Regra de Gibbs
4-5 DIAGRAMA DE FASES
Ciência dos Materiais
Exemplo 6: Determine os graus de liberdade do sistema para os pontos
indicados no diagrama Cu Ni. O que significa o valor calculado para cada
ponto? F = C - P +1
Ponto A:
F = 2 - 1 +1 = 2
Pode-se variar a composição e a
temperatura da liga e obtém-se a mesma
fase.
A
B
C Ponto C:
F = 2 - 1 +1 = 2
Pode-se variar a composição e a
temperatura da liga e obtém-se a mesma
fase.
4.5.4 Regra de Gibbs
4-5 DIAGRAMA DE FASES
C
Ciência dos Materiais
Exemplo 6: Determine os graus de liberdade do sistema.
Ponto B: F = 2 - 2 +1 = 1
Pode-se variar ou a composição ou a temperatura da liga para coexistir as fases L e .
A
B F = C - P +1
C
4.5.4 Regra de Gibbs
4-5 DIAGRAMA DE FASES
Ciência dos Materiais
4.5.5 Diagrama de Fases sem Solução Sólida
Diagrama de fase de eutético binário sem solução sólida
REAÇÃO EUTÉTICA:
L A + B
Fases: 1 líquida e 2 sólidas
Temperatura eutética
Composição eutética
Linha líquidus
Linha sólidus = Temperatura
eutética
Ex: Al-Si
4-5 DIAGRAMA DE FASES
Ciência dos Materiais
4.5.5 Diagrama de Fases sem Solução Sólida
Exemplo 7: Determine as fases presentes, proporção e composição para o
diagrama abaixo, no ponto indicado.
25
50
75
C
4-5 DIAGRAMA DE FASES
Ciência dos Materiais
4.5.5 Diagrama de Fases sem Solução Sólida
Exemplo 7: Determine as fases presentes, proporção e composição para o
diagrama abaixo, no ponto indicado.
25
50
75
Proporção das Fases:
% L = 100-75 *100 = 41,67%
100-40
% B = 75-40 *100= 58,33%
100-40
Fases Presentes: L
B
Composição das Fases:
L 40% B e 60% A
B 100% B
C
4-5 DIAGRAMA DE FASES
Ciência dos Materiais
4.5.6 Diagrama de Fases de Solução Sólida limitada
Diagrama de fase de eutético binário de solução sólida limitada
Componentes:
A e B
Fases:
L - líquido
- solução sólida de B em A
- solução sólida de A em B
Linhas:
SÓLVUS: limite de solubilidade de A em B
ou de B em A
Líquidus
Sólidus
Líquidus
Sólidus
Sólvus
4-5 DIAGRAMA DE FASES
4.5.6 Diagrama de Fases de Solução Sólida limitada
Exemplo 8: Determine as fases presentes, proporção e composição para
uma liga Pb-10Sn nas temperaturas de 350°C, 300°C, 200°C e 100°C.
Ciência dos Materiais
4-5 DIAGRAMA DE FASES
4.5.6 Diagrama de Fases de Solução Sólida limitada
Exemplo 8: Determine as fases presentes, proporção e composição para
uma liga Pb-10Sn nas temperaturas de 350°C, 300°C, 200°C e 100°C.
A
B
C
D
Proporção das Fases:
% L = 100% líquido
Fases Presentes: L
Composição das Fases:
L 10% Sn e 90% Pb
A - 350°C
Ciência dos Materiais
4-5 DIAGRAMA DE FASES
4.5.6 Diagrama de Fases de Solução Sólida limitada
Exemplo 8: Determine as fases presentes, proporção e composição para
uma liga Pb-10Sn nas temperaturas de 350°C, 300°C, 200°C e 100°C.
A
B
C
D
B - 300°C
Proporção das Fases:
% L = 10-5 *100 = 38,46%
18-5
% = 18-10 *100= 61,54%
18-5
Fases Presentes: L
Composição das Fases:
L 18% Sn e 82% Pb
5% Sn e 95% Pb
Ciência dos Materiais
4-5 DIAGRAMA DE FASES
4.5.6 Diagrama de Fases de Solução Sólida limitada
Exemplo 8: Determine as fases presentes, proporção e composição para
uma liga Pb-10Sn nas temperaturas de 350°C, 300°C, 200°C e 100°C.
A
B
C
D
C - 200°C
Proporção das Fases:
% = 100% sólido
Fases Presentes:
Composição das Fases:
10% Sn e 90% Pb
Ciência dos Materiais
4-5 DIAGRAMA DE FASES
4.5.6 Diagrama de Fases de Solução Sólida limitada
Exemplo 8: Determine as fases presentes, proporção e composição para
uma liga Pb-10Sn nas temperaturas de 350°C, 300°C, 200°C e 100°C.
A
B
C
D
D - 100°C
Proporção das Fases:
% = 99,9-10 *100 = 93,74%
99,9-4
% = 10-4 *100= 6,26%
99,9-4
Fases Presentes:
Composição das Fases:
4% Sn e 96% Pb
99,9% Sn e 0,1% Pb
Ciência dos Materiais
4-5 DIAGRAMA DE FASES
4.5.6 Diagrama de Fases de Solução Sólida limitada
T eutética: 183°C
Composição eutética: 61,9% Sn
Microestruturas observadas no resfriamento de uma liga eutética PbSn.
REAÇÃO EUTÉTICA
L61,9%Sn 19%Sn + 97,5%Sn
Ciência dos Materiais
4-5 DIAGRAMA DE FASES
4.5.6 Diagrama de Fases de Solução Sólida limitada
Exemplo 9: Qual a composição e a proporção de e eutéticos?
Ciência dos Materiais
4-5 DIAGRAMA DE FASES
4.5.6 Diagrama de Fases de Solução Sólida limitada
Exemplo 9: Qual a composição e a proporção de e eutéticos?
Proporção das Fases:
% eutético= 97,5-61,9 *100 = 45,5%
97,5-19,2
% eutético= 61,9-19,2 *100= 54,5%
97,5-19,2
Composição das Fases:
19,2% Sn e 80,8% Pb
97,5% Sn e 2,5% Pb
Reação eutética
L61,9%Sn 19%Sn + 97,5%Sn
Ciência dos Materiais
4-5 DIAGRAMA DE FASES
4.5.6 Diagrama de Fases de Solução Sólida limitada
Exemplo 10: Para uma liga 30SnPb determine as fases presentes,
proporção e composição de cada fase para as temperaturas de 320°C,
250°C, 190°C e 180°C?
Ciência dos Materiais
4-5 DIAGRAMA DE FASES
4.5.6 Diagrama de Fases de Solução Sólida limitada
Exemplo 10: Para uma liga 30SnPb determine as fases presentes,
proporção e composição de cada fase para as temperaturas de 320°C,
250°C, 190°C e 180°C?
Proporção das Fases:
% L = 100% líquido
Fases Presentes: L
Composição das Fases:
L 30% Sn e 70% Pb
A - 320°C A
B
C
D
Ciência dos Materiais
4-5 DIAGRAMA DE FASES
4.5.6 Diagrama de Fases de Solução Sólida limitada
Exemplo 10: Para uma liga 30SnPb determine as fases presentes,
proporção e composição de cada fase para as temperaturas de 320°C,
250°C, 190°C e 180°C?
B - 250°C A
B
C
D
Proporção das Fases:
% L = 30-12 *100 = 64,3%
40-12
% = 40-30 *100= 35,7%
40-12
Fases Presentes: L
Composição das Fases:
L 40% Sn e 60% Pb
12% Sn e 88% Pb
Ciência dos Materiais
4-5 DIAGRAMA DE FASES
4.5.6 Diagrama de Fases de Solução Sólida limitada
Exemplo 10: Para uma liga 30SnPb determine as fases presentes,
proporção e composição de cada fase para as temperaturas de 320°C,
250°C, 190°C e 180°C?
C - 190°C A
B
C
D
Proporção das Fases:
% L = 30-19 *100 = 26,8%
60-19
% = 60-30 *100= 73,2%
60-19
Fases Presentes: L
Composição das Fases:
L 60% Sn e 40% Pb
19% Sn e 81% Pb
Ciência dos Materiais
4-5 DIAGRAMA DE FASES
4.5.6 Diagrama de Fases de Solução Sólida limitada
Exemplo 10: Para uma liga 30SnPb determine as fases presentes,
proporção e composição de cada fase para as temperaturas de 320°C,
250°C, 190°C e 180°C. Qual a proporção de primário e eutético?
D - 180°C A
B
C
D
Proporção das Fases:
% = 98-30 *100 = 84%
98-17
% = 30-17 *100= 16%
98-17
Fases Presentes:
Composição das Fases:
17% Sn e 83% Pb
98% Sn e 2% Pb
Ciência dos Materiais
4-5 DIAGRAMA DE FASES
4.5.6 Diagrama de Fases de Solução Sólida limitada
Exemplo 11: Para uma liga 80SnPb determine as fases presentes,
proporção e composição de cada fase para as temperaturas de 300°C,
200°C, 185°C e 180°C. Qual a proporção de primário e eutético?
Ciência dos Materiais
4-5 DIAGRAMA DE FASES
4.5.6 Diagrama de Fases de Solução Sólida limitada
Exemplo 11: Para uma liga 80SnPb determine as fases presentes,
proporção e composição de cada fase para as temperaturas de 300°C,
200°C, 185°C e 180°C?
Proporção das Fases:
% L = 100% líquido
Fases Presentes: L
Composição das Fases:
L 80% Sn e 20% Pb
A - 300°C A
B
C D
Ciência dos Materiais
4-5 DIAGRAMA DE FASES
4.5.6 Diagrama de Fases de Solução Sólida limitada
Exemplo 11: Para uma liga 80SnPb determine as fases presentes,
proporção e composição de cada fase para as temperaturas de 300°C,
200°C, 185°C e 180°C?
B - 200°C
Proporção das Fases:
% L = 98-80 *100 = 64,3%
98-70
% = 80-70 *100= 35,7%
98-70
Fases Presentes: L
Composição das Fases:
L 70% Sn e 30% Pb
98% Sn e 2% Pb
A
B
C D
Ciência dos Materiais
4-5 DIAGRAMA DE FASES
4.5.6 Diagrama de Fases de Solução Sólida limitada
Exemplo 11: Para uma liga 80SnPb determine as fases presentes,
proporção e composição de cada fase para as temperaturas de 300°C,
200°C, 185°C e 180°C?
A
B
C D
C - 185°C
Proporção das Fases:
% L = 98-80 *100 = 51,4%
98-63
% = 80-63 *100= 48,6%
98-63
Fases Presentes: L
Composição das Fases:
L 63% Sn e 37% Pb
98% Sn e 2% Pb
Ciência dos Materiais
4-5 DIAGRAMA DE FASES
4.5.6 Diagrama de Fases de Solução Sólida limitada
Exemplo 11: Para uma liga 80SnPb determine as fases presentes,
proporção e composição de cada fase para as temperaturas de 300°C,
200°C, 185°C e 180°C?
A
B
C D
D - 180°C
Proporção das Fases:
% = 98-80 *100 = 22,2%
98-17
% = 80-17 *100= 77,8%
98-17
Fases Presentes:
Composição das Fases:
17% Sn e 83% Pb
98% Sn e 2% Pb
Ciência dos Materiais
4-5 DIAGRAMA DE FASES
4.5.7 Reações de três fases em diagrama de fases
resfriamento
Ciência dos Materiais
4-5 DIAGRAMA DE FASES
4.5.8 Principais pontos de um diagrama de fases
2000oC 10%B Peritético: + L
1400oC 50%B Eutético: L +
1100oC 80%B Monotético: L1 L2 +
600oC 15%B Eutetóide: +
400oC 95%B Eutético: L1 +
(não há reação peritetóide)
Ciência dos Materiais
4-5 DIAGRAMA DE FASES
4.5.9 Diagrama de fases do sistema Fe C
Ferros
Família dos aços
Família dos ferros fundidos
Soluções sólidas:
Ferro
Austenita
Ferrita
Composto estequiométrico:
Cementita Fe3C
Reações:
peritética
eutética
eutetóide
Ciência dos Materiais
4-5 DIAGRAMA DE FASES
4.5.9 Diagrama de fases do sistema Fe C
Soluções sólidas:
Ferro : solução sólida de C em FeCCC
Austenita : solução sólida de C em FeCFC (máxima solubilidade: 2,11%C a 1148oC)
Ferrita : solução sólida de C em FeCCC (máxima solubilidade: 0,02%C a 727oC)
Composto estequiométrico:
Cementita Fe3C 93,33%Fe e 6,67%C Fe C Fe3C
55,5 x 3 = 166,5 + 12 = 188,5
%C na Fe3C = 12 / 189,5 * 100 = 6,67 %
Ciência dos Materiais
4-5 DIAGRAMA DE FASES
4.5.9 Diagrama de fases do sistema Fe C
Característica das soluções sólidas do sitema Fe C:
Ferro solução sólida de C em FeCCC
Austenita solução sólida de C em FeCFC
Ferrita solução sólida de C em FeCCC
O espaço intersticial na rede do FeCFC é maior que no
FeCCC, assim pode-se acomodar mais C no FeCFC (limite de
solubilidade maior).
As soluções sólidas são relativamente moles e dúcteis,
mas mais fortes que o Fe puro devido ao reforço na
resistência pelo reforço de C.
Ciência dos Materiais
4-5 DIAGRAMA DE FASES FORMAS ALOTRÓPICAS DO FERRO
FERRITA AUSTENITA
Átomo Estrutura cristalina Raio (nm)
Fe 0,124
Fe 0,129
Fe 0,127
C 0,071
Tamanho dos átomos do aço, dependendo da estrutura cristalina
Reações:
Peritética: + L temperatura peritética: 1495°C
composição peritética: 0,25%C
ponto peritético: 1495°C e 0,25%C
Eutética: L + Fe3C temperatura eutética: 1148°C
composição eutética: 4,3%C
ponto eutético: 1148°C e 4,3%C
Eutetóide: + Fe3C temperatura eutetóide: 727°C
composição eutetóide: 0,77 %C
ponto eutetóide: 727°C e 0,77%C
4.5.9 Diagrama de fases do sistema Fe C
Ciência dos Materiais
4-5 DIAGRAMA DE FASES
6,67
Reação eutetóide: 0,77%C 0,02%C + Fe3C 6,67%C
a 727°C
4.5.9 Diagrama de fases do sistema Fe C
Ciência dos Materiais
4-5 DIAGRAMA DE FASES
Grão e estrutura da perlita (a) redistribuição do carbono no aço, (b) micrografia da perlita
lamelar.
Reação eutetóide: 0,77%C 0,02%C + Fe3C 6,67%C
PERLITA
4.5.9 Diagrama de fases do sistema Fe C
Ciência dos Materiais
4-5 DIAGRAMA DE FASES
Exemplo 13: Calcule o percentual de cementita e ferrita na perlita, quando
de sua formação a 727°C.
4.5.9 Diagrama de fases do sistema Fe C
Ciência dos Materiais
4-5 DIAGRAMA DE FASES
Exemplo 13: Calcule o percentual de cementita e ferrita na perlita, quando
de sua formação a 727°C.
% de = 6,67- 0,77 * 100= 88,7%
6,67- 0,02
% de Fe3C = 0,77 - 0,02 * 100 = 11,3%
6,67 - 0,02
0,02 0,77
6,67
Regra da alavanca
4.5.9 Diagrama de fases do sistema Fe C
Ciência dos Materiais
4-5 DIAGRAMA DE FASES
4.5.9 Diagrama de fases do sistema Fe C
100% PERLITA a
727°C
+ Fe3C
100% 100%
Reação eutetóide: 0,77%C 0,02%C + Fe3C 6,67%C
PERLITA
0% PERLITA a
727°C
+ Fe3C
0% 0%
0% PERLITA a
727°C
+ Fe3C
0% 0%
Ciência dos Materiais
4-5 DIAGRAMA DE FASES
Aço de composição eutetóide
4.5.9 Diagrama de fases do sistema Fe C
Formação da perlita
Ciência dos Materiais
4-5 DIAGRAMA DE FASES
Aço de composição eutetóide
100% perlita
Eutetóide: + Fe3C
4.5.9 Diagrama de fases do sistema Fe C
Microestrutura de um aço 100% perlítico
Ciência dos Materiais
4-5 DIAGRAMA DE FASES
Exemplo 14: Para uma liga FeC com 0,01%C determine as fases presentes,
proporção e composição de cada fase para as temperaturas de 1000°C,
727°C e 400°C.
4.5.9 Diagrama de fases do sistema Fe C
Ciência dos Materiais
4-5 DIAGRAMA DE FASES
Exemplo 14: Para uma liga FeC com 0,01%C determine as fases presentes,
proporção e composição de cada fase para as temperaturas de 1000°C,
727°C e 400°C.
4.5.9 Diagrama de fases do sistema Fe C
B
A
C
B - 727°C
Fases Presentes:
Composição das Fases:
0,01% C
Proporção das Fases:
% = 100%
Ciência dos Materiais
4-5 DIAGRAMA DE FASES
Exemplo 14: Para uma liga FeC com 0,01%C determine as fases presentes,
proporção e composição de cada fase para as temperaturas de 1000°C,
727°C e 400°C.
4.5.9 Diagrama de fases do sistema Fe C
B
A
C
C - 400°C
Proporção das Fases:
% = 6,67-0,01 *100 = 99,85%
6,67
% Fe3C = 0,01 *100= 0,15%
6,67
Fases Presentes:
Fe3C
Composição das Fases:
0,0001% C
Fe3C 6,67% C
Ciência dos Materiais
4-5 DIAGRAMA DE FASES
Exemplo 15: Para uma liga FeC com 0,25%C determine as fases presentes,
proporção e composição de cada fase para as temperaturas de 1000°C,
800°C, 730°C e 720°C.
4.5.9 Diagrama de fases do sistema Fe C
Ciência dos Materiais
4-5 DIAGRAMA DE FASES
Exemplo 15: Para uma liga FeC com 0,25%C determine as fases presentes,
proporção e composição de cada fase para as temperaturas de 1000°C,
800°C, 730°C e 720°C.
4.5.9 Diagrama de fases do sistema Fe C
B
A
C D
Fases Presentes:
Composição das Fases:
0,25% C
A - 1000°C
Proporção das Fases:
% = 100%
Ciência dos Materiais
4-5 DIAGRAMA DE FASES
Exemplo 15: Para uma liga FeC com 0,25%C determine as fases presentes,
proporção e composição de cada fase para as temperaturas de 1000°C,
800°C, 730°C e 720°C.
4.5.9 Diagrama de fases do sistema Fe C
B
A
C D
B - 800°C
Proporção das Fases:
% = 0,5-0,25 *100 = 51, 5%
0,5-0,015
% = 0,25-0,015 *100= 48,5%
0,5-0,015
Fases Presentes:
Composição das Fases:
0,015% C
0,5% C
Ciência dos Materiais
4-5 DIAGRAMA DE FASES
Exemplo 15: Para uma liga FeC com 0,25%C determine as fases presentes,
proporção e composição de cada fase para as temperaturas de 1000°C,
800°C, 730°C e 720°C.
4.5.9 Diagrama de fases do sistema Fe C
B
A
C D
C - 730°C
Proporção das Fases:
% = 0,75-0,25 *100 = 68,4%
0,75-0,019
% = 0,25-0,019 *100= 31,6%
0,75-0,019
Fases Presentes:
Composição das Fases:
0,019% C
0,75% C
Ciência dos Materiais
4-5 DIAGRAMA DE FASES
Exemplo 15: Para uma liga FeC com 0,25%C determine as fases presentes,
proporção e composição de cada fase para as temperaturas de 1000°C,
800°C, 730°C e 720°C.
4.5.9 Diagrama de fases do sistema Fe C
B
A
C D
D - 720°C
Proporção das Fases:
% = 6,67-0,25 *100 = 96,5%
6,67-0,019
% Fe3C = 0,25-0,019 *100= 3,5%
6,67-0,019
Fases Presentes:
Fe3C
Composição das Fases:
0,019% C
Fe3C 6,67% C
Ciência dos Materiais
4-5 DIAGRAMA DE FASES
Aço de composição
hipoeutetóide
Microestrutura de perlita e ferrita pró-
euteóide. Aço contendo 0,38% de C.
4.5.9 Diagrama de fases do sistema Fe C
Ciência dos Materiais
4-5 DIAGRAMA DE FASES
Exemplo 16: Para uma liga FeC com 1,25%C determine as fases presentes,
proporção e composição de cada fase para as temperaturas de 900°C,
800°C, 730°C e 720°C.
4.5.9 Diagrama de fases do sistema Fe C
Ciência dos Materiais
4-5 DIAGRAMA DE FASES
Exemplo 15: Para uma liga FeC com 0,25%C determine as fases presentes,
proporção e composição de cada fase para as temperaturas de 1000°C,
800°C, 730°C e 720°C.
4.5.9 Diagrama de fases do sistema Fe C
B
A
C
D
Fases Presentes:
Composição das Fases:
1,25% C
A - 1000°C
Proporção das Fases:
% = 100%
Ciência dos Materiais
4-5 DIAGRAMA DE FASES
Exemplo 15: Para uma liga FeC com 0,25%C determine as fases presentes,
proporção e composição de cada fase para as temperaturas de 1000°C,
800°C, 730°C e 720°C.
4.5.9 Diagrama de fases do sistema Fe C
B - 800°C
Proporção das Fases:
% = 6,67-1,25 *100 = 97,3%
6,67-1
% Fe3C = 1,25-1 *100= 2,7%
6,67-1
Fases Presentes:
Fe3C
Composição das Fases:
1% C
Fe3C 6,67% C
B
A
C
D
Ciência dos Materiais
4-5 DIAGRAMA DE FASES
Exemplo 15: Para uma liga FeC com 0,25%C determine as fases presentes,
proporção e composição de cada fase para as temperaturas de 1000°C,
800°C, 730°C e 720°C.
4.5.9 Diagrama de fases do sistema Fe C
C - 730°C
Proporção das Fases:
% = 6,67-1,25 *100 = 92,3%
6,67-0,80
% Fe3C = 1,25-0,8 *100= 7,7%
6,67-0,80
Fases Presentes:
Fe3C
Composição das Fases:
0,80% C
Fe3C 6,67% C
B
A
C
D
Ciência dos Materiais
4-5 DIAGRAMA DE FASES
Exemplo 15: Para uma liga FeC com 0,25%C determine as fases presentes,
proporção e composição de cada fase para as temperaturas de 1000°C,
800°C, 730°C e 720°C.
4.5.9 Diagrama de fases do sistema Fe C
D - 720°C
Proporção das Fases:
% = 6,67-1,25 *100 = 81,5%
6,67-0,019
% Fe3C = 1,25-0,019 *100= 18,5%
6,67-0,019
Fases Presentes:
Fe3C
Composição das Fases:
0,019% C
Fe3C 6,67% C
B
A
C
D
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4-5 DIAGRAMA DE FASES
Aço de composição
hipereutetóide
Microestrutura de perlita e cementita
pró-euteóide. Aço contendo 1,4% de
C.
4.5.9 Diagrama de fases do sistema Fe C
Ciência dos Materiais
4-5 DIAGRAMA DE FASES
4.5.10 Exercícios
1 Quais são critérios de análise da microestrutura de um material?
2 O que são propriedades aditivas e interativas em um material polifásico?
3 Defina fases em um material.
4 Como pode ocorrer a solução sólida entre materiais?
5 O que é limite de solubilidade?
6 Quais são as condições necessárias definidas pela regra de Hume-Rothery para a miscibilidade
total entre dois componentes.
7 Determine se os seguintes sistemas formam solução sólida ilimitada: Ag-Cu, K-Ba, Al-Si.
8 Explique a regra das fases de Gibbs.
9 O que é e quais informações são possíveis pela leitura de um diagrama de fases?
10 Defina a linha liquidus e a solidus em um diagrama de fases.
11 Defina as seguintes reações: eutética; eutétóide; peritética; peritetóide; monotética.
Ciência dos Materiais
4-5 DIAGRAMA DE FASES
4.5.10 Exercícios
12 Determine as fases presentes, a composição e a quantidade de cada fase em porcentagem de peso
para a liga Ni-50% Cu a 1150oC, 1270oC e 1400oC.
13 Para uma liga 30%Pb-Sn, determine quais as fases presentes, sua proporção e composição a 300,
200, 184 e 0oC.
14 A microestrutura de um aço contém 33% de ferrita proeutetóide e 67% de perlita a 700oC. Qual é o
conteúdo de carbono do aço?
15 Calcule a proporção e a composição de cada microconstituinte em uma liga de Fe-0,25% C a 700oC.
16 A microestrutura de cada fase contém 9% de Fe3C e 91% Fe-alfa a 500oC. Qual é o conteúdo de
carbono do aço? É um aço hipoeutetóide ou hipereutetóide?
17 A microestrutura de um aço contém 33% de ferrita proeutetóide e 67% de perlita a 700oC. Qual é o
conteúdo de carbono do aço?
18 Defina ferrita, cementita, perlita e austenita.
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4-5 DIAGRAMA DE FASES