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1 Endurecimento por dispersão de fases e diagramas de fases eutéticos Prof. Dra. Lauralice Canale 1º semestre de 2017 UNIVESIDADE DE SÃO PAULO EESC/IFSC/IQSC SCM5757 Ciência dos Materiais I

Equilíbrio de fases e fortalecimento por solução sólida e ... … · 1 Endurecimento por dispersão de fases e diagramas de fases eutéticos Prof. Dra. Lauralice Canale 1º semestre

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Endurecimento por dispersão de fases e diagramas de

fases eutéticos

Prof. Dra. Lauralice Canale1º semestre de 2017

UNIVESIDADE DE SÃO PAULO

EESC/IFSC/IQSC

SCM5757 – Ciência dos Materiais I

Compostos intermetálicos

• Formado por dois ou mais elementos

metálicos que produzem uma fase com

composição, estrutura cristalina e

propriedades próprias.

• Ligas endurecidas por dispersão

frequentemente contem um composto

intermetálico como fase dispersa.

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• Compostos intermetálicos estequiométricos:Possuem uma composição química fixa. Cementita é um

exemplo. Tem 3 átomos de C para um de Fe. Importante fase

endurecedora no caso de aços.

• Compostos intermetálicos não -

estequiométricos:Podem se formar em uma faixa de composição química e são

chamados as vezes de soluções sólidas intermediárias. Por

exemplo a precipitação de Cu Al2 no envelhecimento de liga

de Al.

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Diagramas de fases com reações

trifásicas• São mais complexos do que os isomorfos e envolvem 3

diferentes fases.

4(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license.

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1150ºC, 15% B, peritética:δ + L γ

920ºC, 40%B, monotética:L1 γ + L2

750ºC, 70% B, eutética:L γ + β

450ºC, 20% B, eutetóide:γ α + β

300ºC, 50% B, peritetóide:α + β μ

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Cada uma dessas reações trifásicas ocorre em uma temperatura e composição fixas.

A regra de fase de Gibbs para uma reação trifásica (com pressão constante) é:

F=C-P+1 C=2 P=3 F=0

Não há graus de liberdade. São conhecidas como invariantes, ou seja a temperatura e a composição de cada fase envolvida na reação trifásica são fixas

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Sistemas binários eutéticos

Diagrama de fases cobre-prata.

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• Três fases são observadas neste diagrama: α, β e líquida.

• A fase α é uma solução sólida rica em cobre, tem prata como soluto e estrutura cristalina CFC.

• A fase β é uma fase sólida de estrutura CFC, mas tem o cobre como soluto.

• Abaixo da linha BEG estes elementos têm sua solubilidade limitada. O limite de solubilidade de α é limitado pela linha CBA.

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Estruturas cristalinas: (a) cúbico de face centrada, CFC, (b) cúbico de corpo centrado, CCC e (c) tetragonal de corpo centrado.

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Solidificação e microestrutura da liga Pb-2%Sn. A liga apresenta apenas uma fase sólida.

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(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license.

Solidificação, precipitação e microestrutura da liga Pb-10%Sn. O fortalecimento por dispersão acontece devido aos precipitados sólidos de β.

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Reação eutética

• Na composição eutética a liga se solidifica a uma temperatura inferior de qualquer outra liga.

• A reação eutética ou invariante pode ser escrita assim:

• Para o sistema chumbo-estanho:

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Microestrutura em ligas eutéticas

(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license.

Diagrama de fases chumbo-estanho

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Solidificação e microestrutura de uma liga Pb-61.9%Sn. (Eutética)

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Curva de arrefecimento tempo-temperatura da liga Pb-Sn, na temperatura eutética.

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(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license.

(a) Redistribuição dos átomos durante o crescimento lamelar de um eutético chumbo-estanho. Átomos de estanho do líquido preferencialmente se difundem às lamelas β, e os átomos de chumbo se difundem às lamelas de α. (b) Microestrutura da composição eutética (x400).

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Reação Eutética

Reação hipoeutética

Reação hipereutética

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(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license.

Solidificação e microestrutura em uma liga hipoeutética (Pb-30%Sn)

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Microestruturas de ligas Pb-Sn (a) hipoeutética (α primário) e (b) hipereutética (β primário). (x400)

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Resistência das ligas eutéticas

(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license.

(a) Colônias eutéticas da liga Pb-Sn, (b) espaçamento interlamelar da microestrutura eutética.

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(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license.

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Solidificação de não-equilíbrio nos sistemas eutéticos

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Microestrutura e solidificação de não-equilíbrio da liga Pb-15%Sn. Um microconstituinte de não-equilibrio eutético pode se formar se a solidificação for muito rápida.

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Diagramas ternários

• Liga ternária: uma liga formada pela combinação de três elementos ou componentes.

• Diagrama de fases ternários: tem três componentes, cujas composições estão indicadas usando como base um triângulo equilátero, sendo que os componentes puros se localizam nos vértices dos triângulos.

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Diagrama ternário hipotético.Diagrama de fases binários são apresentados em 3 faces.

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Diagrama ternário hipotético, onde x=α, y= α+ γ e z= α+β+ γ.

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Ligas Ferrosas

• Aços: uma liga Ferro-Carbono cujo teor em Carbono varia entre 0.03% e 2.06%, contendo Si, Mn, P e S

– Designação: AISI (American Iron and Steel Institute) e SAE (Society of Automotive Engineers) usam um sistema de classificação de quatro ou cinco dígitos.

– Classificação: os aços podem ser classificados pela sua composição ou pela forma de como foram processados.

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•Ferro fundido branco: liga Fe-C-Si com 1,8-3,6% C e 0,5-1,9% Si. Apresenta grande quantidade de carboneto de ferro numa matriz perlítica. Assim quando fraturam revelam uma superfície branca.

•Ferro fundido cinzento: liga Fe-C-Si com 2,5-4,0% C e 1-3% Si. Contém grande quantidade de carbono, sob a forma de lamelas de grafite. Quando sofre fratura, a superfície aparece cinzenta devido à grafita exposta.

•Ferro fundido nodular: grafita em forma de nódulos. Chamado de ferro fundido dúctil. Contem Si (grafitizante e nodulizantes (Mg))

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Diagrama Ferro-Carbono

• Apresenta as seguintes fases sólidas:– Ferrita α: solução sólida intersticial de carbono no ferro CCC,

a solubilidade (sólida) máxima do carbono no ferro CCC é de 0,02%.

– Austenita γ: solução sólida intersticial de carbono no ferro CFC, a solubilidade (sólida) máxima do carbono na austenita é de 2%.

– Cementita (Fe3C): composto intermetálico Fe3C; substância dura e frágil.

– Ferrita δ: solução sólida de carbono intersticial no ferro δ. Como a ferrita α, tem estrutura CCC, embora tenha um parâmetro de rede superior. A solubilidade do carbono no ferro δ é de 0.,09%.

– Perlita: α+Fe3C– Ledeburita: γ+ Fe3C

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Diagrama de fases Ferro-Carbono.

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Diagrama Metaestável Fe-Fe3C

Componentesou Elementos:

Fases:

Fe3C

Fe Fe3C

+ Fe3C

+ Fe3C

Fe 6,66% C

Fe

C

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Diagrama Metaestável Fe-Fe3C

Constituintes:

Fe3C

Perlita (+Fe3C)

Ledeburita (+Fe3C)

Ledeburita Transformada

Const.Bifásicos

Const.Monofásicos

(+Fe3C)

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Diagrama de fases Ferro-Carbono.

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Micrografia: (a) Ferrita (x90) e (b) austenita (x325)

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Microestruturas nas ligas Fe-C

Transformação de um aço eutetóide (0,8% de C) em arrefecimento lento. No ponto a sua estrutura permanece austenítica. Abaixo da temperatura eutetóide, ponto b, aparece uma estrutura lamelar denominada perlita.

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(a)Microestrutura de um aço eutetóide arrefecido lentamente. Consiste em perlita lamelar. A fase mais escura é a cementita, e a fase branca ferrita. (b) Representação esquemática da formação de perlita da austenita: a direção da difusão do carbono está indicado pelas setas.

(a) (b)

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Transformação de uma aço hipoeutetóide (0,76% de C) em arrefecimento lento. A 875ºC, no ponto c, a microestrutura se constitui apenas de austenita. No ponto d se observa γ+α. No ponto f toda a austenita presente se transforma em perlita.

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Microestrutura de um aço carbono hipoeutetóide com 0,38% de carbono arrefecido lentatamente. O constituinte branco é a ferrita pró-eutetoíde; o constituinte escuro é a perlita.

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Transformação de um aço hipereutetóide arrefecido lentamente. Em g se observa apenas austenita, em h, austenita e cementita. No ponto i toda a austenita remanescente é convertida em perlita, de forma que a microestrutura resultante consiste de perlita e cementita pró-eutetóide.

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Microestrura de um aço carbono hipereutetóide com 1,4% de carbono arrefecido lentamente. O constituinte branco é a cementita pró-eutetoíde que se formou nos contornos de grão da austenita inicial; o constituinte escuro é perlita lamelar grosseira.

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Influência de outros elementos de liga

(a)(b)

(a) Variação da temperatura eutetóide em função da concentração de diversos elementos de liga, (b)Variação da composição eutetóide (%C) em função da concentração dos elementos de liga.

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Diagrama de fases dos materiais cerâmicos

(a) Diagrama de equilíbrio do sistema oxido de alumínio - oxido de cobre e (b) do sistema oxido de alumínio - oxido de magnésio, (ss significa solução sólida).

(a) (b)

46Diagrama de equilíbrio do sistema sílica-alumina

47Diagrama de equilíbrio do sistema ZrO2–CaO