Diagrama de Fases

8. Diagramas de fase

em condições de

equilíbrio

- Definições e conceitos básicos:

identificação das fases, limite de

solubilidade, microestrutura das fases

- Diagramas de equilíbrio binários

isomorfos e eutéticos

- Reações eutetóides e peritéticas

- Sistema Fe-C e microestruturas que

se formam no resfriamento lento

2

SOLIDIFICAÇÃO

TODO O PROCESSO DE FABRICAÇÃO DE PEÇAS

METÁLICAS TEM INÍCO EM UM PROCESSO DE

SOLIDIFICAÇÃO

3

DIAGRAMA DE FASE OU DE

EQUILIBRIO

1. IMPORTÂNCIA:

- Permite a visualização da fusão e solidificação

- Prediz as transformações de fases

- Dá informações sobre microestrutura e

propriedades mecânicas em função da

temperatura e composição

4

2. SOLUBILIDADE DO SOLUTO E FASES

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

5

3. 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

6

4. DIAGRAMA DE FASES OU DE EQUILÍBRIO

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 (G)

- 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

7

FUSÃO E ENERGIA LIVRE (G)

8

4. 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,

ou seja, o estado de equilíbrio não é nunca

alcançado. No entanto, não há mudanças muito

perceptíveis com o tempo na microestrutura das

fases metaestáveis.

9

SOLIDIFICAÇÃO DE UM METAL PURO

10

SOLIDIFICAÇÃO DE UMA LIGA BINÁRIA

11

CONSTRUÇÃO DOS DIAGRAMAS DE

FASE A PARTIR DAS CURVAS TÉRMICAS

São obtidas curvas térmicas para diferentes teores de

soluto

12

4.1. DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO PARA

SISTEMAS BINÁRIOS E ISOMÓRFOS

Isomorfo quando a solubilidade é completa (Exemplo:

Sistema Cu-Ni)

13

CURVA DE SOLIDIFICAÇÃO PARA UMA

LIGA BINÁRIA ISOMORFA

Remoção do calor

latente de fusão

Curva de solidificação

14

INTERPRETAÇÃO DO DIAGRAMA DE

EQUILÍBRIO

(CONSTITUIÇÃO DA LIGA)

- Fases presentes localiza-se a temperatura e

composição desejada e verifica-se o número de fases presentes

- Composição química das fases usa-se o método

da linha de conecção (isotérma)

Para um sistema monofásico a composição é a

mesma da liga

- Percentagem das fases (quantidades

relativas das fases) regra das alavancas

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SISTEMA Cu-Ni

DETERMINAÇÃO DAS FASES PRESENTES E DA

COMPOSIÇÃO QUÍMICA DAS FASES

Comp. Liq= 32% de Ni e 68% de Cu

Comp. Sol. = 45% de Ni e 55% de Cu

B

16

SISTEMA Cu-Ni

Determinação das quantidades relativas das

fases

Composição das fases

Percentagem das fases

Fase líquida

Fase sólida

Comp. Liq= 31,4% Ni e 68,9%Cu

Comp. Sol. = 42,5,4 %Ni e %57,5Cu

L = S

R+S

S = R

R+S

L = C-C0

C-CL

L = Co-CL

C-CL

17

Mudança na composição das fases

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

centro do grão

A distribuição dos 2 elementos no grão não é uniforme.

18

Mudança na composição das fases

durante o processo de solidificação

19

DESENVOLVIMENTO DA MICROESTRUTURA

A microestrutura só segue o diagrama de equilíbrio para

velocidades de solidificação lentas

Na prática, não há tempo para a difusão completa e as

microestruturas não são exatamente iguais às do

equilíbrio

O grau de afastamento do equilíbrio dependerá da taxa de

resfriamento

Como conseqüência da solidificação fora do equilíbrio

tem-se a segregação (a distribuição dos 2 elementos no

grão não é uniforme).

20

SOLUBILIDADE

É dada pela linha solvus

LINHA SOLVUS

()

()

+

LINHA SOLVUS

+ l l +

21

SISTEMAS EUTÉTICOS BINÁRIOS

Reação eutética:

Líquido +

Neste caso a solidificação processa-se como num

metal puro, no entanto o produto é 2 fases sólidas

distintas.

Microestrutura do eutético:

LAMELAR camadas alternadas de fase e .

Ocorre desta forma porque é a de menor percurso para a

difusão

22

REAÇÃO EUTÉTICA

Líquido +

LINHA SOLVUS

() +

()

Indica solubilidade

23

HIPOEUTÉTICO E HIPEREUTÉTICO

HIPOEUTÉTICO COMPOSIÇÃO

MENOR QUE O EUTÉTICO

HIPEREUTÉTICO COMPOSIÇÃO

MAIOR QUE O EUTÉTICO

24

MICROESTRUTURA DE UMA LIGA DE

Sn-Pb HIPOEUTÉTICA

Região preta é a fase

primária rica em Pb

Lamelas são

constituídas de fase

rica em Pb e fase

rica em Sn

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REAÇÃO EUTETÓIDE:

+

( a diferença do eutético é que uma fase sólida, ao invés de

uma líquida, transforma-se em duas outras fases sólidas.

REAÇÃO PERITÉTICA: Envolve três fases em equilíbrio

+ Líquido

Uma fase sólida mais uma fase líquida transforma-se numa

outra fase sólida

DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO TENDO FASES

INTERMEDIÁRIAS

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PERITÉTICO E EUTÉTICO

27

PERITÉTICO

Envolve 3 fases em equilíbrio

28

PERITÉTICO DUPLO

29

EUTÉTICO, EUTETÓIDE E PERITÉTICO

Ponto de

fusão

congruente

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REAÇÃO MONOTÉTICA E EUTÉTICA

Dois líquidos imiscíveis formam uma fase sólida e

uma fase líquida (MONOTÉTICA)

31

GRÁFICO ESQUEMÁTICO: PONTO DE

FUSÃO E TRANSFORMAÇÕES ALOTRÓPICAS

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Sistema Fe-C ou Fe-Fe3C e

microestruturas que se

formam no resfriamento

lento

33

DIAGRAMA DE FASE Fe-Fe3C

TRANSFORMAÇÃO ALOTRÓPICA

+Fe3C

+l l+Fe3C

+Fe3C CCC

CFC

CCC

+

+l

As fases , e são soluções sólidas

com Carbono intersticial

34

FERRO PURO

FERRO = FERRITA

FERRO = AUSTENITA

FERRO = FERRITA

TF= 1534 C

Nas ligas ferrosas as fases , e FORMAM

soluções sólidas com Carbono intersticial

CARBONO

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DIAGRAMA DE FASE Fe-Fe3C

TRANSFORMAÇÔES

+l l+Fe3C

+l

PERITÉTICA

+l EUTÉTICA

l +Fe3C

EUTETÓIDE

+Fe3C

AÇO FOFO

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Ferro Puro /Formas Alotrópicas

FERRO = FERRITA

Estrutura= ccc

Temperatura

“existência”= até 912 C

Fase Magnética até 768 C

(temperatura de Curie)

Solubilidade máx do

Carbono= 0,02% a 727 C

FERRO = AUSTENITA

Estrutura= cfc (tem + posições intersticiais)

Temperatura “existência”= 912 -1394C

Fase Não-Magnética

Solubilidade máx do Carbono= 2,14% a 1148C

37


FERRITA AUSTENITA

38


FERRO = FERRITA

Estrutura= ccc

Temperatura “existência”= acima de 1394C

Fase Não-Magnética

É a mesma que a ferrita

Como é estável somente a altas temperaturas

não apresenta interesse comercial

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Sistema Fe-Fe3C

Ferro Puro= até 0,02% de Carbono

Aço= 0,02 até 2,06% de Carbono

Ferro Fundido= 2,1-4,5% de Carbono

Fe3C (CEMENTITA)= Forma-se quando o

limite de solubilidade do carbono é

ultrapassado (6,7% de C)

40

CEMENTITA (Fe3C)

Forma-se quando o limite de solubilidade do carbono é ultrapassado (6,7% de C)

É dura e frágil

Cristaliza no sitema ortorrômbico (com 12 átomos de Fe e 4 de C por célula unitária)

é um composto intermetálico metaestável, embora a velocidade de decomposição em ferro e C seja muito lenta

A adição de Si acelera a decomposição da cementita para formar grafita

41

PONTOS IMPORTANTES DO SISTEMA Fe-Fe3C

(EUTÉTICO)

LIGA EUTÉTICA: corresponde à liga de mais baixo de fusão

Líquido FASE (austenita) + cementita

- Temperatura= 1148 C

- Teor de Carbono= 4,3%

As ligas de Ferro fundido de 2,1-4,3% de C são chamadas de ligas hipoeutéticas

As ligas de Ferro fundido acima de 4,3% de C são chamadas de ligas hipereutéticas

42

PONTOS IMPORTANTES DO SISTEMA Fe-Fe3C

(EUTETÓIDE)

LIGA EUTETÓIDE corresponde à liga de mais baixa temperatura de transformação sólida

Austenita FASE (FERRITA) + Cementita

- Temperatura= 725 C

- Teor de Carbono= 0,8 %

Aços com 0,02-0,8% de C são chamadas de aços hipoeutetóides

Aços com 0,8-2,1% de C são chamadas de aços hipereutetóides

43

MICROESTRUTURAS / EUTETÓIDE

Supondo resfriamento lento para manter o equilíbrio

É similar ao eutético

Consiste de lamelas alternadas de fase (ferrita) e

Fe3C (cementita) chamada de

PERLITA

FERRITA lamelas + espessas e claras

CEMENTITA lamelas + finas e escuras

Propriedades mecânicas da perlita

• intermediária entre ferrita (mole e dúctil) e cementita

(dura e frágil)

44

MICROESTRUTURAS / EUTETÓIDE

45

MICROESTRUTURA DO AÇO EUTETÓIDE

RESFRIADO LENTAMENTE

Somente Perlita

46

MICROESTRUTURAS /HIPOEUTETÓIDE


Teor de Carbono = 0,002- 0,8

%

Estrutura

Ferrita + Perlita

As quantidades de ferrita e

perlita variam conforme a

% de carbono e podem ser

determinadas pela regra das

alavancas

Partes claras pró

eutetóide ferrita

47

MICROESTRUTURA DOS AÇOS BAIXO

TEOR DE CARBONO

Ferrita Perlita

AÇO COM ~0,2%C

48

MICROESTRUTURA DOS AÇOS MÉDIO TEOR DE

CARBONO RESFRIADOS LENTAMENTE

Ferrita Perlita

AÇO COM ~0,45%C

49

MICROESTRUTURAS /HIPEREUTETÓIDE


Teor de Carbono = 0,8-2,06

%

Estrutura

cementita+ Perlita

As quantidades de

cementita e perlita variam

conforme a % de carbono e

podem ser determinadas

pela regra das alavancas

Partes claras pró

eutetóide cementita

ALGUNS DIAGRAMAS

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52

53

54

Micrografia da Liga Al-3,5%Cu no

Estado Bruto de Fusão

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56

57

Sistema Mg-Pb

Documents

Diagrama de Fases