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Ligas: Diagrama de FasesAdriano Weihmayer Almeida RA:980221-5
I. INTRODUÇÃO
Todos os metais possuem uma certa característica física
em um determinado estado físico. Sendo ele líquido, gasoso
ou sólido, suas características se repetem sempre que as
condições do meio necessárias são atingidas.
As ligas, apesar de serem misturas de elementos, não fo-
gem desta regra. Também apresentam suas características
definidas.
Para a qualquer aplicação que formos usar as ligas, seja
ela para construção civil ou para aplicações no setor elétrico,
temos que ter o conhecimento do comportamento do materi-
al, para que todo o tipo de situações seja previsto. Evitamos
assim surpresas e prejuízos tanto materiais, quanto monetá-
rios e perdas de vida.
Assim, o diagrama de fases é um método muito eficiente
de predizermos em que fases se encontram em equilíbrio
para uma dada composição de liga e uma certa temperatura.
Também podemos determinar a composição química de
cada fase e calcular a quantidade de cada fase presente.
Pretendo neste relatório e através da apresentação, mo s-
trar como funcionam os diagramas de fases, sua montagem e
suas aplicações.
II. VISÃO GERAL SOBRE DIAGRAMA DE
FASE
Antes de falarmos propriamente sobre o diagrama de fase
de ligas é importante termos uma noção sobre a teoria em-
pregada na construção do diagrama.
A Fig. 1 mostra a solubilidade do açúcar na água; a curva
na figura é uma curva de solubilidade. Todas as composi-
ções à esquerda da curva, correspondem a uma única fase,
pois todo o açúcar está dissolvido na fase líquida. Com por-
centagens mais elevadas de açúcar, que correspondem ao
lado direito da curva, é impossível dissolver completamente
o açúcar; logo, teremos uma mistura de duas fases, açúcar
sólido e um “xarope” líquido.
Figura1.
Solubilidade açúcar na água
Figura 2 Solubilidade do NaCl (curva superior à direita) e da água (curva supe-rior esquerda) em uma solução aquosa de sal.
A Fig. 2 mostra um outro sistema de dois componentes
que possui maior importância prática que o primeiro. Aqui,
os extremos da abscissa são 100% de H2O e 30% de NaCl.
Observe que a solubilidade do NaCl aumenta com a temp e-
ratura e que a solubilidade de H2O também aumenta com a
temperatura e que as composições intermediárias têm tem-
peraturas de fusão inferiores à da água pura (0o. C) e do sal
puro (800o. C). Essas relações de fusão e solidificação são
muito comuns em todos os tipos de combinações de dois
componentes. Quando dois metais formam uma fase líquida
homogênea, isto é, eles são completamente solúveis um no
outro, eles não necessariamente se solidificarão para formar
uma fase sólida homogênea. Quando solidificados dois
metais podem ser:
* completamente solúveis um no outro;
* completamente insolúveis um no outro;
* parcialmente solúveis um no outro;
* combinados para formar um composto intermetálico.
Os diagramas de equilíbrio ou de fase (algumas vezes
chamados curvas de solubilidade) são usados para mostrar a
percentagem de cada metal na liga com o eixo das ordenadas
indicando a temperatura. Este é um método conveniente
para indicar as mudanças de estado e estrutura pelas quais
cada liga passa durante o resfriamento lento a partir do esta-
do líquido para o estado sólido em condições de equilíbrio.
A situação mais comum ocorre quando dois metais são
parcialmente solúveis. O diagrama de fases para esta situa-
ção é mostrado na Fig. 3, que mostra a solubilidade sólida e
a formação de uma mistura eutética (derivada da palavra
grega que significa “fundindo bem”).
Figura 3 Diagrama de Fases para o caso de solubilidade parcial
Com referência a Fig. 3:
* a linha AEB é do líquido e a linha ACEDB é do sólido;
* a solução sólida á é metal (soluto) dissolvido no metal
A (solvente);
* a solução sólida â é metal A (soluto) dissolvido no me-
tal B (solvente);
* as linhas CF e DG denotam a máxima solubilidade de B
em A e de A em B, respectivamente.
Se uma pequena quantidade de qualquer dos metais está
presente, então a solução sólida (á ou â) se forma; para
proporções intermediárias a estrutura contem laminações de
ambas soluções sólidas. A mistura eutética contém ambas
soluções sólidas, e a microestrutura mostrada na Fig. 3. As
solubilidades sólidas de B em A e de A em B, ocorrem am-
bas na temperatura eutética (TE) e são representadas pelos
pontos C e D respectivamente. Se uma liga líquida tem uma
composição dada pelo ponto E, então quando resfriada para
TE, a mistura eutética é formada de acordo com a reação:
Figura 4 Reação para formação da mistura eutética
Considere o resfriamento de três ligas mostradas na Fig. 3
e representadas pelos pontos P, Q e R. Para liga P a solidifi-
cação começa em T1 e é completa em T2, formando a solu-
ção sólida completa (á).
Para a liga Q a solidificação começa em T3 e é completa
em T4, formando uma solução sólida completa (á). Se a
temperatura for reduzida um pouco além, então abaixo de
T5 o limite de solubilidade de B em A é excedido, e o metal
em excesso B é precipitado da solução sólida á.
Entretanto, não é B puro, mas um solução sólida â satura-
do. Esta fase â precipitada pode ocorrem nas bordas dos
grãos á ou dentro dos cristais á ou em ambas localizações.
Para a liga R a solidificação começa em T6 e produz uma
solução sólida á. A proporção de B no líquido remanescente
aumenta, até que a solidificação em TE é completada e a
estrutura contem á e o eutético (á +â). O resfriamento desta
mistura abaixo da temperatura TE causa a mudança da solu-
bilidade de A em B e de B em A e as composições da solu-
ção sólida (á e â) são dadas pelos pontos nas curvas CF e
DG respectivamente. A microestrutura para esta liga (sólida)
é mostrada também na Fig. 3. Resultados similares podem
ser deduzidos para o resfriamento de soluções líquidas com
composições de metal B maiores que a eutética.
Para uma composição particular de uma liga a microes-
trutura pode ser composta de uma ou duas fases. É freqüen-
temente necessário conhecer o quanto de cada fase está pré
sente. Informações quantitativas podem ser obtidas dos
diagramas de fases.
Duas fases nunca têm propriedades idênticas, pois têm
estruturas diferentes. Algumas das propriedades dos materi-
ais polifásicos são aditivas e podem ser determinadas pela
média, (levando-se em conta pesos adequados) das proprie-
dades individuais. Outras propriedades são interativas, pois
o comportamento de cada fase depende da natureza da adja-
cente.
A. Propriedades Aditivas
A densidade de uma estrutura polifásica pode ser calcula-
da diretamente a partir da densidade . de cada uma das fases
e da fração em volume f correspondente.
Quando se tem apenas duas fases a densidade é uma fun-
ção linear da fração em volume presente de cada uma das
fases. No caso de se ter poros o produto f . é nulo, já que
para essa fase a densidade é nula. Na figura 5 é mostrado um
exemplo para mistura de plástico e fibra de vidro.
Figura 5 Propriedades Aditivas para Materiais compostos.
As condutividades elétrica e térmica dos materiais polifá-
sicos também são aditivas. Entretanto, a escolha dos pesos é
mais complexa, pois tanto a forma como a distribuição das
fases, são importantes.
B. Propriedades Interativas
Propriedades tais como dureza e resistência não podem
ser interpoladas entre as das fases contribuintes, pois o com-
portamento de cada fase depende da natureza da adjacente.
Por exemplo, uma dispersão de partículas finas de uma fase
dura, inibe o escorregamento e evita o cisalhamento de uma
matriz dútil.
Esta interdependência das propriedades mecânicas das fa-
ses torna possível obter-se
materiais mais resistentes pela adição de reforçadores. Por
exemplo, a adição de carbono à borracha, de areia à argila,
de areia ao asfalto ou de serragem aos plásticos, aumenta a
resistência destes materiais à deformação. O efeito na resis-
tência no último exemplo está mostrado graficamente na
Fig. 6.
Embora uma resina fenol-formaldeido isolada seja bas-
tante resistente, ela é suscetível à ruptura por cisalhamento;
a incorporação de uma segunda fase produz uma resistência
adicional à deformação. No outro extremo da faixa de com-
posições, a resistência da serragem isolada é nula; não exis-
tem forças que mantenham as partículas de celulose na for-
ma de uma massa coerente. A resina adicionada age como
um cimento, unindo essas partículas. A resistência máxima é
conseguida em uma composição intermediária, na qual cada
fase age como reforçadora da outra.
Figura 6 Resistência de misturas (serragem de madeira como reforçador
de uma resina fenol-formaldeído).
III. DIAGRAMA DE FASE DE UM METAL PURO
A curva de fase de um material pode ser obtida através do
empirismo. Neste caso, devemos aquecer uma amostra do
metal puro por um aumento progressivo de calor, depois
anotar a elevação de temperatura desta amostra num dia-
grama em que os tempos de aquecimento serão o eixo x e as
temperaturas o eixo y.
A figura 7 nos mostra um gráfico característico de um
metal puro:
Fig.7 Gráfico de fase característico de um metal puro
Podemos notar no gráfico acima que a temperatura eleva-
se regularmente e em um determinado ponto, ela se fixa por
um determinado espaço de tempo. Esta temperatura cons-
tante caracteriza a mudança de estado da amostra. Assim
como a água, quando a primeira gota aparece entre o resto
de material sólido, toda energia dada à amostra será usada
para a transformação do estado sólido para o líquido, não
havendo aumento de temperatura.
Ao resfriarmos este material, a curva continua sendo ver-
dadeira. Ele terá ainda uma queda linear e quando chegar ao
ponto de solidificação, a temperatura só tornará a diminuir
quando todo o material tiver se solidificado.
A. Transformações alotrópicas
Estudos do resfriamento de certos materiais, tais como
ferro, níquel, estanho e outros, mostram que além do pata-
mar da troca de estado o diagrama possui outros patamares
no estado sólido do material.
Transformação alotrópica é o nome dado ao patamar de
troca de estado aonde profundas transformações na estrutura
cristalina acontecem.
IV. DIAGRAMA DE FASE DE LIGAS
O fenômeno de fusão e solidificação para um só elemen-
to, metal puro, é feito a uma temperatura constante chamada
ponto de fusão.
Para a mistura de metais com outros elementos, metais ou
metalóides, a liga começa a fundir a uma certa temperatura e
passa inteiramente ao estado líquido a uma temperatura
mais elevada ou, inversamente, do estado líquido ao estado
sólido a uma temperatura mais baixa.
Entre estas duas temperaturas a liga forma uma massa
pastosa, constituída de metal líquido e de cristais sólidos,
cujas proporções variam em função da temperatura.
Conhecido também como diagrama de equilíbrio, este di-
agrama pode ser usado como um “mapa” através do qual
podemos identificar qualquer um dos dados da liga tendo os
outros a qual este dado depende.
Por exemplo, para 50% estanho e 100º C, o diagrama de
fase indica duas fases sólida á é uma solução sólida rica em
chumbo com algum estanho dissolvido; â é estanho quase
puro com pequena parcela de chumbo dissolvido. A 200ºC
uma liga de 10%de estanho e 90% de chumbo se situa numa
área que é inteiramente fase á. Ela é uma solução sólida de
chumbo com pouco estanho dissolvido. À mesma tempera-
tura, mas para 30% de estanho e 70% de chumbo, o diagra-
ma de fase indica uma mistura de duas fases – líquida e
solução sólida á; se esta liga for aquecida à temperatura de
300ºC, resultará totalmente líquida.
A .Faixas de solidificação
Como mostrado nos outros diagramas de fase anteriores, a
faixa de temperaturas durante a qual ocorre a solidificação
(cristalização) varia com a composição da liga.
Podemos notar na figura 8 a uma linha designada como
liquidus. Este termo é usado para designar o ligar geométri-
co das temperaturas acima das quais todas as composições
são líquidas. O termo solidus, nome dado à linha inferior,
indica que abaixo daquela linha toda a matéria será encon-
trada no estado sólido. Independentemente dos materiais
serem metálicos ou não metálicos, ‘há certas localizações
onde liquidus e solidus se encontram. Se o material for puro,
este encontro se dará nas extremidades do diagrama. Estas
linhas se encontrarão também no ponto eutético.
A figura 8 nos mostra as linhas de limiar se encontrando
na ponta. (1 e 11). Este diagrama não é de nenhum ele-
mento específico.
Líquido
Líquido + Sólido
Sólido
Liquidus
Solidus
Fig. 8 Diagrama de uma liga, mostrando as retas solidus e liquidus
Já a figura 9 nos mostra um exemplo prático, da liga de
metal de solda. Quando composta de 61,9% de estanho e
38,1% de chumbo, notamos que a liga se encontra inteira-
mente sólida abaixo da temperatura eutética e inteiramente
líquida acima dela. Na temperatura eutética podem coexistir
os três fases.
Fig 9 Diagrama de fases da liga usada para a soldagem de componentes
na indústria eletro-eletrônica.
Cortes Isotérmicos.
Podemos fazer uma linha que, como o próprio nome diz,
será horizontal e manterá sempre a mesma temperatura.
Através desta linha, teremos os vários estados do material
para diferentes combinações de elementos da liga sempre à
mesma temperatura.
V. COMPOSIÇÃO QUÍMICA DAS FASES.
Outra informação que a esta altura já ficou clara é que o
diagrama de fases também indica a composição química do
material, após completadas toda a reação pertinente.
Assim, temos a seguinte classificação para as áreas do di-
agrama:
Áreas monofásicas: A determinação da composição quí-
mica de uma fase simples é automática. A fase tem sempre a
mesma composição da liga. Isto na verdade já era esperado,
pois Por exemplo, em uma liga de 60 Sn-40 Pb a 225ºC
(Figura 10) apenas líquido está presente mas com a mesma
constituição 60/40. Isto também se aplica a localizações no
diagrama de fase que envolvam soluções sólidas monofási-
cas.
Áreas bifásicas: A determinação das composições quími-
cas de duas fases obedece a um roteiro básico.
Traçamos uma isoterma que atravessa a área bifásica. Nas
suas extremidades da isoterma que atravessa a área bifásica
teremos a composição química das duas fases.
Áreas trifásicas:
Só encontramos esta área no ponto eutético. Nele pode-
mos ter três fases de maneira equilibrada. Se esta liga for
aquecida, as duas fases sólidas se fundem num líquido mo-
nofásico.
Fig 10 O diagrama dividido em várias retas isotermas, onde podemos achar as áreas mono, bi e trifásicas
VI. DIAGRAMA FERRO-CARBONO
A seguir, apresento um exemplo de diagrama de fase de
uma liga. Este exemplo foi retirado de [1] sem alterações.
Em anexo está o diagrama de fase e uma tabela com os
nomes dos vários aços e seu componentes:
Princípio
O diagrama é formado em abscissas:
• À esquerda 100% de ferrita (ferro puro);
• À direita 100% cementita (carbeto de fer-
ro),combinação química de ferro e de carbono, cuja
molécula é Fe3C;
• Em ordenadas a temperatura.
Nota
É importante conhecer o teor em carbono desta liga, razão
da introdução da escala de carbono. Peso atômico do ferro
55,84. Do carbono 12, da molécula Fe3C 179,52.
Para 100% de cementita pura há:
(12/179,52)×100 = 6,67% de carbono.
Estudo do Diagrama
Para estudar de uma maneira lógica o diagrama de ferro
carbono, é necessário distinguir:
1. Estamos em presença de um sistema binário com a
existência de dois diagramas de equilíbrio segundo
a influência da velocidade de resfriamento:
A. Diagrama meta-estável (traços cheios) Arrefeci-
mento bastante rápido, o carbono se encontra no
estado de carbeto de ferro ou cementita. Gusas
brancas.
B. Diagrama estável (em traço interrompido)
Arrefecimento lento, o carbono se encontra no es-
tado da grafita.
A liga não sofre nenhuma modificação sob a ação
do calor. Gusas cinzentas. (os elementos tais como
Si, Al têm o papel de catalisadores, favorecendo a
formação de um equilíbrio estável).
2. Uma zona líquida, acima do Liquidus.
Uma zona sólida, abaixo do Solidus.
Duas zonas de transformação de líquidos e, sólido
ou e sólido em líquido, conforme o sentido de vari-
ação da temperatura (estado pastoso).
3. Ponto Eutético C= Ledeburita
Ponto de formação bem determinado para: 4,3% de
carbono a 1145ºC. esta temperatura constante infe-
rior ao ponto de fusão do metal mais fusível.
Passagem do estado líquido homogêneo ao estado
sólido com dois constituintes distintos:
Austenita + Cementita
4. Ponto Eutetóide (perlita)
Mesma propriedade que o eutético mas se forma a
partir de corpos solidificados a: 721ºC para 0,83%
de carbono.
A austenita, cujo carbono está intimamente mistu-
rado com o ferro gama no interior do mesmo cris-
tal, se transforma por perda de calor num agregado.
Cada grão será composto por justaposição de redes
de cristais de ferro alfa e de redes de carbeto de fer-
ro (cementita).
Transformações alotrópicas do ferro gama em ferro
alfa à alta temperatura constante.
5. 768ºC ponto de Curie.
Perda do magnetismo do ferro alfa.
6. 210ºC
Perda do magnetismo da cementita.
VII. CONCLUSÃO
Com este trabalho objetivei mostrar um pouco da impor-
tância desta simples mas importante ferramenta no estudo
do comportamento das ligas.
Utilizar um diagrama é uma tarefa fácil, contudo deve ser
feita com muito cuidado para que não haja erros grotescos.
A parte mais difícil se encontra justamente no levantamento
da curva em que várias amostras têm que ser aquecidas, e a
cada nova troca de combinação entre os componentes da
mistura, tenho que testar tudo novamente.
Pode-se notar que o diagrama de fase serve como um ins-
trumento de otimização na escolha da mistura de dois com-
ponentes.
Esta mistura vem sempre com objetivo de proporcionar
novos avanços na ciência e construir materiais específicos
para aplicações.
VIII. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] A.remy/M. Gray/ R. Gonthier, “Materiais”, editora
Hermus, capítulo 3 inteiro.
[2] Lawrence H. Van Vlack, “Princípios de ciência e tec-
nologia dos materiais, Editora Campus 4ª Edição, pp 345-
360
[3] Texto extraído 26/08/02 de uma apostila da Internet,
autora: Profa. Rolim.