Diagrama de fases

São diagramas que mostram regiões de estabilidade das fases, através de gráficos

que representam as relações entre temperatura,

pressão e composição química.

Para que serve:

Investigar reações Químicas; Entender a microestrutura dos

materiais; Prever as suas propriedades; Etc.

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 a formação de diferentes fases

Solução sólida

Fase homogênea que contem 2 ou mais componentes (solutos) dissolvidos em um solvente.

Ex: LatãoLiga com até 30% de Zinco em Cobre

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

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

Energia Livre de Gibbs

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.

Energia Livre de Gibbs ( G )

∆G = ∆H – T∆S

Onde: H = entalpia do sistema; T = temperatura; S = entropia do sistema.

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.

Entropia (S)

É a medida de desordem de um sistema. Quanto maior a desorganização do sistema, maior a entropia.

T

dQdS

Onde:

Q=Quantidade de calor;

T= temperatura.

Fonte: Porter e Easterling

Fonte: Porter and Easterling

Fonte: Porter and Easterling

Fonte: Porter e Easterling

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

Água e açúcar

Solubilidade Total

Efeito da Pressão

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 DentríticaAço Comum Baixo Carbono Cu+Zn - Latão

Superliga de Niquel

Microestrutura de um aço

O Aço possui diversas microestruturas devido ao seu diagrama de fases e aos diferentes metodos de processamento

Perlita ( + Fe3C) +

Fase próeutetóide(Ferrita ou cementita)

Bainita( + Fe3C)

Martensita(fase tetragonal)

Martensita Revenida( + Fe3C)

Austenita

Resfriamento lento

Resfriamento moderado

Resfriamento rápido (têmpera)

Reaquecimento

Identificação das Fases

Existem fronteiras onde há uma mudança abrupta de

propriedades. Esses conjuntos de propriedades pertencem as

fases presentes

Micrografia de Compósito de Matriz metálica (Alumínio) com partículas cerâmicas

Tipos de diagramas

Binários

Ternários

Quaternários

Binário

Ternário

Interpretação do diagrama

Quais fases estão presentes?

Qual é a composição das fases?

Qual é a fração relativa das fases?

Regra da alavanca

A regra da alavanca é um método de determinação da quantidade

de cada fase presente no material

Regra da Alavanca

LL CC

CC

SR

SW

0

L

L

CC

CC

SR

RW

0

Fração em peso de Líquido (WL)

Fração em peso de sólido (Wα)

Reações de Fases

Reação Eutética

Reação Eutetóide

Reacão Peritética

)()()( EEE CCCL Resfriamento

aquecimento

Composição (wt% Ag)

Tem

pera

tura

(°C

)

Composição (at% Ag)

LL

Reação Eutética

(TE) Temperatura

Eutética

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

Reação Eutetóide

Exemplos de microestrutura Euteróide em Aços

Crescimento de microestrutura Eutetóide em aço:http://www-g.eng.cam.ac.uk/mmg/teaching/typd/addenda/eutectoidmicrostructure1.html

Sólido → Sólido γ + Sólido ε

Reação Peritética

Líquido + sólido A → sólido B

Diagrama de Fases Parte II

No Equilíbrio

•Reações ocorrem com composições do líquido e do sólido homogêneas

•Há tempo o suficiente para a difusão em ambas as 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.

Microestruturas Resultantes

Diagrama de fases Chumbo - Estanho

Segundo a regra da alavanca, haverão proporções específicas de fase e na composição acima, mas a morfologia

depende do histórico de resfriamento

•Concentração de soluto menor que a da linha Solvus.

•Formação de grão de diretamente a partir do líquido.

•Concetração de Soluto acima da linha solvus, mas abaixo da concentração mínima para Eutético (CE)

•Nucleação de fase no interiror de grão já formados de

)%8,97()%3,18()%9,61( SnSnSnL ppp

•Concentração de Soluto igual a Composição Eutética da Liga

•Formação de microestrutura eutética a partir do líquido

•Concentração de Soluto entre a Composição Eutética (CE) e CE

•Formação de grãos de 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 Pré-Eutetóides;

•Com composição entre CE e CE, a microestrutura é análoga.

Diagramas com muitas transformações

Diagrama Cobre - Zinco

Compostos Intermediários

Diagrama Ouro-Estanho

Diagrama Estanho-cobre

•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 de Fases Parte III

Transformações congruentes

Reações Congruentes: Ocorrem quando um líquido da origem a um líquido de propriedades diferentes e mais uma fase sólida

Diagrama Fe-Fe3C

Ferrita (90x)

Austenita (325x)

Perlita (α + Fe3C)

Microestrutura resultante do resfriamento rápido de uma liga composta de fase γ (austenita) com composição eutetóide (≈0,76% C)

Aço eutetóide com microestrutura

perlítica

Liga eutetóide (≈ 0,76% C)

Aço (0,38% C) com microestrutura

composta de perlita e ferrita

proeutetóide

Liga Hipoeutetóide

Liga Hipereutetóide

Aço ( 1,4% C) com microsestrutura

constituida de cementita proeutetóide (branca)

que envolve as colônias de perlita

Influência de outros elementos de liga

Diagrama de fases dos materiais cerâmicos

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...)

Pressão constante (1 atm)

N = 1 (temperatura é a única variável)

C= 2 ( Cu e Ag)

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

P + F = C + N

2 + F = 2 + 1

F= 1 ( grau de liberdade)