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Capítulo 4 - Microestrutura (Fases) Ciência dos Materiais Prof. Silvana Da Dalt CEng UFPel Adaptado de Prof. C.P. Bergmann - UFRGS

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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

– DIVISÃO DA ESTRUTURA NOS MATERIAIS

Ciência dos Materiais

4-1 INTRODUÇÃO

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

fefos aços Fe

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.

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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%

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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

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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

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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

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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.

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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