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13/5/2011 Paulo Emílio Valadão de Miranda | Professor Titular UFRJ
DIAGRAMA DE FASES
Introdução
São diagramas que mostram regiões de
estabilidade das fases, através de gráficos que
representam as relações entre temperatura,
pressão e composição química.
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DIAGRAMA DE FASES
Para que serve:
• Investigar reações Químicas;
• Entender a microestrutura dos materiais;
• Prever as suas propriedades;
• Etc
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DIAGRAMA DE FASES
Sistema
Série de possíveis ligas com mesmos componentes, mas composições e microestruturas distintas
Ex: Sistema Cobre-Oxigênio
A variação da composição de oxigênio leva a diferentes estruturas microscópicas, bem como à formação de diferentes fases
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Solução sólida
Fase homogênea que contem 2 ou mais componentes (solutos) dissolvidos em um solvente. Ex: Latão: Liga com até 30% de Zinco em Cobre
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Fase
Uma porção de um sistema que possui propriedades e composição homogêneas e que é fisicamente distinta das outras partes do sistema.
Cr+ 3% Nb – Região de contorno de grão
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Equilíbrio termodinâmico
Um sistema está em equilíbrio se a sua energia livre (G) se encontra em um valor mínimo para alguma combinação específica de temperatura, pressão e composição
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Energia Livre de Gibbs
A Energia Livre de Gibbs é uma medida de
estabilidade de um sistema de fases.
Quando a variação dessa energia é nula, diz-se
que o sistema está em equilíbrio ou está estável.
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DIAGRAMA DE FASES
Energia Livre de Gibbs (G)
∆G = ∆H – T∆S
Onde:
H = entalpia do sistema;T = temperatura;S = entropia do sistema.
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DIAGRAMA DE FASES
Entalpia (H)
Entalpia é o conteúdo de calor de um sistema, à pressão constante de fórmula:
H = E + PV
Onde:
E =energia interna do sistema;
P =pressão;
V =volume
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Entropia (S)
É a medida de desordem de um sistema. Quanto maior a desorganização do sistema, maior a entropia.
TdQdS =
Onde:
Q=Quantidade de calor;
T= temperatura.
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DIAGRAMA DE FASES
Capacidade Calorífica
Fonte: Porter e Easterling
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DIAGRAMA DE FASES
Entalpia (H)
Fonte: Porter and Easterling
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DIAGRAMA DE FASES
Entropia (S)
Fonte: Porter and Easterling
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DIAGRAMA DE FASES
Entropia (S)
Fonte: Porter e Easterling
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DIAGRAMA DE FASES
Limite de solubilidade
A uma dada temperatura existe uma
concentração máxima de soluto que pode se
dissolver no solvente. Esse limite chama-se
limite de solubilidade.
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Água e açúcar
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Solubilidade Total
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Efeito da Pressão
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Efeito da Pressão
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DIAGRAMA DE FASES
Microestrutura
A microestrutura pode ser observada por microscópio ótico ou eletrônico. Podem ser identificadas as fases e a quantidade delas no material. Cada fase possui propriedades diferentes.
Nimonic (Ni+Co) – 400X
Al+4% Cu
Ti 6Al-4V – 400X
Cu+Sn – Estrutura Dentrítica
Aço Comum Baixo Carbono
Cu+Zn - Latão
Superliga de Niquel
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Microestrutura de um aço
O Aço possui diversas microestruturas definidas pelo seu diagrama de fases e pelos diferentes métodos de processamento utilizados
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DIAGRAMA DE FASES
Microestrutura de um aço
Resfriamento lento
Resfriamento moderado
Resfriamento rápido (têmpera) Reaquecimento
Austenita
Perlita (∝ + Fe3C) +
Fase próeutetóide(Ferrita ou cementita)
Bainita(∝ + Fe3C)
Martensita(fase tetragonal)
Martensita Revenida
(∝ + Fe3C)
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Microestrutura de um aço
Resfriamento lento
Resfriamento moderado
Resfriamento rápido (têmpera) Reaquecimento
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DIAGRAMA DE FASES
Identificação das Fases
Existem fronteiras onde há uma mudança abrupta de propriedades. Esses conjuntos de propriedades são definidas pelas fases presentes.
Micrografia de Compósito de Matriz metálica (Alumínio) com partículas cerâmicas
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DIAGRAMA DE FASES
Tipos de diagramas
• Binários
• Ternários
• Quaternários
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Binário
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Ternário
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DIAGRAMA DE FASES
Interpretação do diagrama
1. Quais fases estão presentes?
2. Qual é a composição das fases?
3. Qual é a fração relativa das fases?
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DIAGRAMA DE FASES
Regra da alavanca
A regra da alavanca é um método de
determinação da quantidade de cada fase
presente no material
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DIAGRAMA DE FASES
Regra da alavanca
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DIAGRAMA DE FASES
Regra da alavanca
( )( )( )L
L CCCC
SRSW
−−
=+
=α
α 0
( )( )( )L
L
CCCC
SRRW
−−
=+
=α
α0
Fração em peso de Líquido (WL)
Fração em peso de sólido (Wα)
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DIAGRAMA DE FASES
Reações de Fases
1. Reação Eutética
2. Reação Eutetóide
3. Reacão Peritética
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DIAGRAMA DE FASES
Reações de Fases
)()()( EEE CCCL βα βα +⇔Resfriamento
aquecimento
Reação Eutética
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DIAGRAMA DE FASES
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DIAGRAMA DE FASES
Reação Eutética Líquido → Sólido α + Sólido β
Microestrutura Eutética da Liga Nb (81.8%) – Si (18.2%): Nióbio é a fase
clara, dispersa na matriz de Nb3Si
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DIAGRAMA DE FASES
Reação Eutetóide Sólido → Sólido γ + Sólido ε
Sólido → Sólido γ + Sólido ε
Crescimento de microestrutura Eutetóide em aço:http://www-g.eng.cam.ac.uk/mmg/teaching/typd/addenda/eutectoidmicrostructure1.html
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DIAGRAMA DE FASES
Reação Eutetóide Sólido → Sólido γ + Sólido ε
Exemplos de microestrutura Euteróide em AçosCrescimento de microestrutura Eutetóide em aço:http://www-g.eng.cam.ac.uk/mmg/teaching/typd/addenda/eutectoidmicrostructure1.html
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Reação Peritética: Líquido + sólido A → sólido B
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Diagrama de Fases - Parte II
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DIAGRAMA DE FASES
No equilíbrio
• Reações ocorrem com composições do líquido e do sólido homogêneas
• Há tempo o suficiente para a difusão em ambas as fases
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DIAGRAMA DE FASES
Fora do equilíbrio
• O primeiro metal formado é mais rico em soluto;
• Não há tempo para que a difusão leve a composição química das fases à posição de equilíbrio;
• A variação da concentração de soluto real desloca a linha Sólidus.
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Microestruturas Resultantes
Diagrama de fases Chumbo - Estanho
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DIAGRAMA DE FASES
Microestruturas Resultantes
Segundo a regra da alavanca, haverão proporções específicas de fase α e β na composição acima, mas a morfologia depende do histórico de resfriamento
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Microestruturas Resultantes
• Concentração de soluto menor que α da linha Solvus.
• Formação de grão de a diretamente a partir do líquido.
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DIAGRAMA DE FASES
Microestruturas Resultantes
• Concetração de Soluto acima da linha solvus, mas abaixo da concentração mínima para Eutético (CEα)
• Nucleação de fase β no interiror de grão já formados de α
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Microestruturas Resultantes
)%8,97()%3,18()%9,61( SnSnSnL ppp βα +⇔
• Concentração de Soluto igual a Composição Eutética da Liga
• Formação de microestrutura eutética a partir do líquido
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DIAGRAMA DE FASES
Microestruturas Resultantes
• Concentração de Soluto entre a Composição Eutética (CE) e CEα;
• Formação de grãos de α a partir do líquido, mas havendo líquido remanescente ao chegar a Temperatura Eutética;
• Formação de microestrutura eutética a partir do líquido,entre os grãos de α Pré-Eutetóides;
• Com composição entre CE e CEβ, a microestrutura é análoga.
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Diagramas com muitas transformações
Diagrama Cobre - Zinco
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Diagramas com muitas transformações
Diagrama Cobre - Zinco
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Compostos Intermediários
• Algumas ligas possuem compostos Inter-Metálicos: Composições específicas aonde os dois metais formam uma fase de estequiometria e cristalografia definida (substituição de átomos na rede em posições específicas). Ex: Cu3Sn, AuSn, FeAl2, Fe2Al5, etc...
Diagrama Ferro-Alumínio Diagrama Ouro-Estanho Diagrama Estanho-cobre
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DIAGRAMA DE FASES
Diagrama de Fases - Parte IIITransformações congruentes
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DIAGRAMA DE FASES
Reações Congruentes:
Ocorrem quando um líquido da origem a um líquido de propriedades diferentes e mais uma fase sólida
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DIAGRAMA DE FASES
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Diagrama Fe-Fe3C
Ferrita (90x)
Austenita (325x)
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DIAGRAMA DE FASES
Perlita (α + Fe3C)
Microestrutura resultante do resfriamento rápido
de uma liga composta de fase γ (austenita) com
composição eutetóide (≈0,76% C)
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DIAGRAMA DE FASES
Perlita (α + Fe3C)
Aço eutetóide com microestrutura perlítica
Liga eutetóide (≈ 0,76% C)
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DIAGRAMA DE FASES
Liga Hipoeutetóide
Aço (0,38% C) com microestrutura composta de perlita e ferrita proeutetóide
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DIAGRAMA DE FASES
Liga Hipereutetóide
Aço ( 1,4% C) com microsestrutura constituida de cementita proeutetóide (branca) que envolve as colônias de perlita
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DIAGRAMA DE FASES
Influência de outros elementos de liga
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DIAGRAMA DE FASES
Diagrama de fases dos materiais cerâmicos
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DIAGRAMA DE FASES
Lei das Fases de Gibbs
P + F = C + N
Onde:
P= número de fases
F= números de graus de liberdade
C= componentes do sistema
N= quantidade de variáveis não relacionadas com
a composição (temperatura, pressão...)
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DIAGRAMA DE FASES
Lei das Fases de Gibbs
Pressão constante (1 atm)
N = 1 (temperatura é a única variável)C= 2 ( Cu e Ag)
P + F = C + N
2 + F = 2 + 1
F= 1 ( grau de liberdade)
Faz-se necessário especificar a temperatura e a composição para determinar o número de fases.
Por exemplo: Para a temperatura T1 e composições entre Cα e CL , existem 2 fases (α e líquida) P= 2