Embed Size (px)
Citation preview
Diagramas de Fases
Universidade de São Paulo
Escola de Engenharia de São Carlos
Departamento de Engenharia de Materiais
Engenharia e Ciência dos Materiais I
Prof. Dr. Cassius O.F.T. Ruchert
Revisão: Prof. Dr. Eduardo Bellini Ferreira
http://www.eesc.usp.br/smm/materiais/
Duas fases em equilíbrio
a) óleo flutuando em água
b) emulsão de óleo em água
Ambos sistemas possuem as
mesmas fases, mas (a) possui
“microestrutura” diferente de (b).
• Fase é uma porção homogênea de um sistema que possui características
físicas e/ou químicas uniformes.
• Se mais de uma fase estiver presente em um sistema, cada fase terá suas próprias
propriedades e existirá uma fronteira separando as diferentes fases.
• Contorno entre fases: ocorre uma mudança abrupta das características físicas
e/ou químicas.
DIAGRAMAS DE FASES
Ilustração de fases e solubilidade:
a) três formas de H2O – gasosa, líquida e sólida – cada uma constitui uma fase
b) água e álcool possuem solubilidade ilimitada – formam uma única fase
c) sal e água possuem solubilidade limitada – dissolvido: uma fase; precipitado: duas
d) água e óleo não possuem solubilidade entre si – duas fases
SOLUÇÕES SÓLIDAS
São formadas quando átomos de soluto ocupam posições
substitutivas ou intersticiais formando com o solvente
uma única fase.
A concentração máxima de soluto que pode ser dissolvida
no solvente é chamada limite de solubilidade. A adição de
soluto além desse limite resulta na formação de uma
segunda fase: outra solução sólida ou composto, de
composição e estrutura diferentes.
Formação de solução
sólida entre dois
metais. ex: Au e Ag
O equilíbrio de fases se
refere ao equilíbrio em
sistemas que possuem
mais de uma fase.
Nesse caso, a composição
das fases presentes é
constante com o tempo.
Energia livre (propriedade termodinâmica) é uma função da energia interna de um
sistema e também da entropia dos átomos ou moléculas (entropia=desordem).
Um sistema está em equilíbrio se sua energia livre se encontra em um valor
mínimo, isso significa que as características do sistema não mudam ao longo do
tempo. O sistema é estável.
Alterações na temperatura, pressão ou composição podem resultar em mudanças
de fases.
EQUILÍBRIO DE FASES
DIAGRAMAS DE FASES
• Muitas informações para o controle da microestrutura ou das fases presentes em
um sistema ou liga são mostradas no chamado diagrama de fases.
• Diagramas de fases são mapas (esquemas) úteis para prever as transformações
de fases e as microestruturas resultantes de um determinado processo.
• Representam as relações entre composição, variáveis de processo (temperatura,
pressão) e as fases presentes em condições de equilíbrio.
DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO DO Fe
Cinco fases:
• Vapor
• Líquido
• Sólidos: Fe-α (ferrita), Fe-γ
(austenita), Fe-δ (diferentes
estruturas cristalinas)
Parâmetro invariável: composição
Parâmetros Variáveis
• Temperatura
• Pressão http://en.wikipedia.org/wiki/Iron
Diagrama isomorfo:
sistema binário Cu-Ni Duas fases:
• L (líquido)
• α (solução sólida)
Isomorfo: completa solubilidade entre os dois componentes
Parâmetro invariável: (P = 1 atm)
Parâmetros variáveis
• Temperatura
• Composição
Liquidus – linha acima da qual só líquido existe no sistema
Solidus – linha abaixo da qual só sólido existe no sistema
%Ni aumenta
Interpretação do Diagrama de Fases
Para um sistema binário com composição
e temperatura conhecidas e em equilíbrio,
pelo menos 3 informações estão
disponíveis em um diagrama de fases:
(1) As fases presentes
(2) As composições dessas fases
(3) As porcentagens (frações) de cada fase
FASES PRESENTES
Para se estabelecer quais fases estão presentes é preciso apenas localizar o
ponto temperatura-composição de interesse no diagrama de fases e observar em
qual campo de fases o ponto está identificado.
A: 60% em peso , 1100o C
1 fase: α
B: 35% em peso, 1250o C
2 fases: L + α
DETERMINAÇÃO DA COMPOSIÇão DAS FASES
• Se apenas uma fase está presente (região monofásica) a composição dessa
fase é simplesmente a mesma da composição global da liga.
• Para uma liga que possui composição e temperatura localizadas em uma
região bifásica é utilizado o seguinte procedimento:
1. Construir uma linha de amarração (“tie
line”) entre as duas extremidades da região
bifásica, paralela à temperatura em questão.
2. Anotar os valores das composições (CL,
Cα) nas intersecções entre a linha de
amarração e as fronteiras entre as fases nos
dois lados. Para isso, basta traçar linhas
perpendiculares à linha de amarração a
partir das intersecções até o eixo horizontal
das composições, onde cada uma das
respectivas composições pode ser lida.
DETERMINAÇÃO DA COMPOSIÇÃO DAS FASES
No exemplo do sistema Cu - Ni tem–se :
Composição: CO = 35% Ni
Em TA:
Somente líquido
CL= CO
Em TD:
Somente sólido
Cα = CO
Em TB:
CL= Clíquido = 32%Ni
Cα = Csólido = 43%Ni
DETERMINAÇÃO DAS QUANTIDADES DAS FASES
• Para uma região monofásica a liga é composta inteiramente por aquela fase
presente, ou seja a proporção é de 100% da fase em questão.
• Para regiões em que a composição e temperatura estão dentro de uma região
bifásica é utilizada a regra da alavanca, da seguinte forma:
1. Uma linha de amarração é construída
através da região bifásica na temperatura
desejada, como já visto;
2. A composição global da liga (Co) é
localizada sobre a linha de amarração;
3. A fração de uma fase é calculada
tomando-se o comprimento da linha de
amarração desde a composição global da
liga (Co) até a fronteira com a outra fase
e divide-se pelo comprimento total da
linha de amarração (em % ou cm, por
exemplo); e
4. A fração da outra fase é determinada de
maneira semelhante, invertendo-se o
segmento tomado na linha de amarração.
DETERMINAÇÃO DAS QUANTIDADES DAS FASES
No emprego da regra da alavanca, os comprimentos dos segmentos podem
ser determinados por medição direta, usando-se régua com escala linear, ou
através da subtração das composições.
Em um sistema Cu-Ni por exemplo: Composição global: CO = 35% Ni
Em TA : somente líquido
WL = 100% , Wα =0
Em TD: somente sólido
Wα = 100%, WL=0
Em TB: regra da alavanca
Desenvolvimento da Microestrutura em Ligas Isomorfas
A: liga completamente líquida
B: linha liquidus - primeiro sólido α começa a se formar
C: fases líquida e α em equilíbrio
D: linha solidus - termina o processo de solidificação, fração mínima de líquido
E: liga completamente formada pela fase α
Sistemas Eutéticos Binários
Sistema cobre-prata: forma um sistema eutético binário, com um diagrama
de fases eutético binário
Três regiões monofásicas
distintas:
• α = solução sólida rica em
cobre, prata é o soluto
• β = solução sólida rica em
prata, cobre é o soluto
• Líquida
TE = temperatura eutética,
menor temperatura em que há
líquido no sistema
CE = composição eutética
Reação invariante!
Exemplo de sistema binário eutético
• Sistema Pb-Sn Considerando uma liga com
40% Sn e 60% Pb à 150oC:
Fases presentes:
α + β
Composição das fases:
cα = 11% Sn (solução solida a)
cβ = 99% Sn (solução solida b)
Quantidade relativa de cada fase:
peso em%6788
59
1199
4099C
a
peso em %3388
29
1199
1140C
b
Desenvolvimento da microestrutura em ligas eutéticas
Composições entre a do componente
puro e o limite de solubilidade à
temperatura ambiente do mesmo
componente:
• O resfriamento corresponde a um
deslocamento vertical para baixo
(diminuição da temperatura) ao longo
da linha tracejada
• A liga permanece líquida até que
atinge a linha liquidus, quando o
sólido α começa a se formar
• Com o prosseguimento do
resfriamento mais sólido α se forma
• A solidificação atinge o término
quando cruza a linha solidus
Composições que se encontram entre o
limite de solubilidade à temperatura
ambiente e a solubilidade máxima (na
temperatura eutética)
• No resfriamento da fase líquida até a
intersecção com a linha solvus que
separa a região de solução sólida da
de dois sólidos (a e b) as alterações
são iguais ao caso anterior
• Logo acima da intersecção com a linha
solvus citada, a microestrutura consiste
apenas de grãos da fase a
• Com o cruzamento dessa linha solvus
a solubilidade da fase α é excedida, o
que resulta na formação de pequenas
partículas de fase β (precipitadas)
Desenvolvimento da microestrutura em ligas eutéticas
Solvus – linha que separa uma região de solução sólida de outra contendo várias fases.
Desenvolvimento da microestrutura em ligas eutéticas
Solidificação da composição eutética
(composição de menor ponto de fusão
total)
• À medida que a liga é resfriada a partir
do líquido nenhuma alteração ocorre até
a temperatura eutética (183oC)
• Ao cruzar a isoterma eutética o líquido se
transforma (solidifica) simultaneamente
nas duas fases: α e β
Micrografia mostrando a microestrutura de uma liga
chumbo-estanho com a composição eutética.
Desenvolvimento da microestrutura em ligas eutéticas
Composições não-eutéticas, mas que
quando resfriadas cruzam a isoterma
eutética:
• Antes do cruzamento da isoterma
eutética as fases α (primária) e
líquida estão presentes
• Após o cruzamento da isoterma
eutética a fase líquida que possui a
composição do eutético se
transformará na microestrutura do
eutético
• A fase α estará presente tanto no
eutético quanto naquela fase que se
formou em α +L, assim dá-se o nome
de α eutética àquela que reside no
eutético e α primária aquela que se
formou antes da isoterma eutética
Microestrutura
de uma liga Ag-
Cu mostrando α
eutética e α
primária Observe que as fases mudam de composição na
região bifásica, no resfriamento!
©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein
under license.
Curva de resfriamento para uma liga isomorfa durante a solidificação. Assume-se que a taxa de resfriamento é pequena para permitir o equilíbrio térmico da liga. As mudanças de inflexão mostradas na curva de resfriamento indicam as temperaturas liquidus e solidus, neste caso para uma liga Cu-Ni com 40% em peso de Ni.
ESQUEMA DE CONSTRUÇÃO DO DIAGRAMA DE FASES
liquidus
©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license.
Seis curvas de resfriamento para diversos percentuais da liga Mo-V levantadas para a construção do diagrama de fases.
Diagrama de equilíbrio Mo-V
http://www.crct.polymtl.ca/fact/documentation/SGTE/SGTE_Figs.htm
Hipereutético
Cd-Zn (40%Zn)
Eutético
Cd-Zn (17,4%Zn) Hipoeutético
Cd-Zn (10%Zn)
Fusão Congruente versus Fusão Incongruente
Fusão
congruente
ocorre sem
mudança de
composição
entre as fases
envolvidas.
Fusão
incongruente
envolve
mudança de
composição.
Reação eutetóide também é
incongruente
Reação peritética também é
incongruente
Fusão Congruente versus Fusão Incongruente
Fusão congruente:
outros exemplos.
Fusões
incongruentes:
(todas as
outras).
Essas não são
congruentes!!!
O sistema Au-Hg
As cinco mais importantes reações contendo
três fases de um diagrama de fase binário
