ICMAT – Profa. Simone P. T. Borges Diagrama de fases 1bizuando.com/material-apoio/icmat/4_Diagrama_Fases.pdf · ICMAT – Profa. Simone P. T. Borges Diagrama de fases 2 Parte I

ICMAT – Profa. Simone P. T. Borges Diagrama de fases 1


Parte Parte II

SolubilidadeFases e fases em equilíbrio

Diagrama de fases binários Sistemas isomorfos (Ni-Cu)

Linha liquidus, linha solidusProcesso de solidificaçãoTie-linesRegra da alavancaCurvas de resfriamento


SolubilidadeSolubilidade e e solusoluççãoãoNeste exemplo existe 2 fases no sistema e estão em equilibrio:

Exemplo: Solubilidade do sal na águaExiste uma quantidade máxima de sal que pode ser completamente dissolvido em água; O excesso de sal permanece sólido. Esta máxima quantidade é a solubilidade do sal na água. A concentração máxima de sal na água échamada solução saturada.

Resfriamento da solução saturada resulta na formação de sal sólido, indicando que a solubilidade decresce com o decréscimo da temperatura. Este processo é chamado precipitação e o sólido é chamado precipitado. O aquecimento da sol. Leva a dissolução dos precipitados.

Solução de água/sal

Sal sólidoprecipitado

Solução SólidoDissolução

Precipitação

O mesmo é aplicado para sólidos: solução sólida, saturação, solubilidade, precipitação


DiagrmaDiagrma de de fasesfases

Líquido

Sólido

Gas

Flui

dosu

per-

críti

co

Pontotriplo

Pontocrítico

Temperatura

0°C 100°C 374°C

0 bar

1 bar

221 bar

Pre

ssão

Diagrama de fases da águaDiagrama de fase são usados como mapas da existência e de várias condições de fases de um dado sistema. A água, por exemplo, pode estar no estado sólido, líquido ou gasoso, em diferentes regiões de pressão-temperatura. O contorno destas regiões indicam a condição de equilíbrio em termos de P e T. Água é um sistema monolítico. Para sistemas binários, que contém 2 constituintes, os diagramas de fases são geralmente expressos em função da temperatura e composição.


1455°C

1085°C

fase α (cfc) -Solução sólida

de Cu e Ni

Fase liquida -Solução de Cu e Ni

DiagramaDiagrama de de fasesfases binbinááriosrios

Um tipo simples de DF Binário é o sistma isomorfo, em que 2 constituintes formam uma fase sólida continua para toda faixa de composição; Ex. sistema Ni-Cu. CS1

T1

CL2

Co

T2

T3

CS2

Co

CL3

Tem

pera

tura

A solidificação da liga Co começa em T1. O primeiro sólido formado tem a composição Cs1 e o líquido Co. Ao longo do resfriamento as partículas de sólido vão crescendo de tamanho e mudam sua composição para Cs2 seguindo a linha solidus, e então Co, segue a linha liquidus decrescendo de volume e mudando a composição até CL3 , onde a solidificação se completa em T3.

Cu NiComposição

L

α


A composição das fases édeterminada pela tie line

As frações relativas das fases são determinadas pela regra da alavanca

CL CS

L2L1

1455°C

1085°CTe

mpe

ratu

ra

DiagramaDiagrama de de fasesfases binbinááriosrios

CS

T* CL

Co

Fase liquida -Solução de Cu e Ni

fase α (cfc) -Solução sólida

de Cu e Ni

Cu NiComposição


RegraRegra dada alavancaalavanca

CL CS

L2L1

21 LCLC SL ×=×

1=+ SL CC

Fração (quantidade) da fase:

o L

s L

C CWC Cα

−= =

−

s oL

s L

C CWC C

−=

−

1 LW Wα = −ou


ExemploExemplo

CL CS

Co

Na temperatura T1, a liga de composição Co está numaregião de duas fases (fase líquida e fase α.

(i) Determinar a composição das duas fases;(ii) Determinar a quantidade das duas fases.

Composição: Ler diretamente a tie line:Fase líquida: Cu-30%Ni ou 30% de Ni em CuFase α: Cu-55%Ni ou 55% de Ni em Cu

55 50 0.2 20%55 30

s oL

s L

C CWC C

− −= = = =

− −

50%NiCu Ni

1455°C

1085°C

CS

C0

CLT1

55%Ni30%Ni

50 30 0.8 80%55 30

1 1 0.2 0.8 80%

o L

s L

L

C CWC C

orW W

α

α

− −= = = =

− −

= − = − = =Qua

ntid

ade:

Reg

ra

da a

lava

nca


CurvaCurva de de resfriamentoresfriamento –– determinadeterminaççãoão do diagram de do diagram de fasesfases

1085°C

II

(isoterma)

II I III

1455°C

1085°C

T1

T2

Solidus

LiquidusT

T

T2

T1

I

T

%Cu Ni

t


ParteParte IIIISistema eutético (Pb-Sn)Reação eutéticaLinha SolvusPrecipitação

Sistemas com fase intermediária (Mg-Pb)Diagrama de fase do Cu-Zn

Solidificação for a do equilíbrio Solidificação congruente e incongruente

Super resfriamento e formação de dendrítica


SistemasSistemas EutEutééticosticos Diagrama de fases Pb-Sn

Fase β: solução sólidade Pb no Sn

Fase α: solução sólidade Sn no Pb

Liquido

solvussolvus

solidus

Liquidus

PontoEutético

Pb(cfc)

Sn(Tetra)

α + β

α + LL + β

0

50

100

150

200

250

300

350

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Tem

pera

tura

% massa

O sistema Pb-Sn écaracterístico como sistemaEutético. O ponto central datie-line é chamado PontoEutético onde ocoore a reação Eutética: L α+β

Pb tem estrutura cfc e Sn tem estrutura tetragonal.

O sistema tem 3 fases: L, αand β.


SolidificaSolidificaççãoão emem sistemassistemas euteutééticosticos

Liga I:Ponto 1: LíquidoSolidificação começa na liquidus

Ponto 2: L+αA quantidade de α ↑ quando T ↓Solidificação termina na solidus

Ponto 3: αPrecipitação começa na solvus

Ponto 4: α+βSeguindo o resfriamento ocorre a formação e crescimento de mais precipitados β, onde a % de Sn em αdecresce seguindo a solvus.

Sn(Tetra)

Liquido

Pb(cfc)

α + β

0

50

100

150

200

250

300

350

α β

I1

2

3

4

III II

Diagrama de fases Pb-Sn

(1) (2) (4)

LL αL β

αα

(3)


(a) (b)

Precipitados na liga de Al-Si:(a) microscópio óptico,

(b) micrografia da superfície de fratura (MEV)


Liquido

Pb(cfc)

Sn(Tetra)

α + β

0

50

100

150

200

250

300

350

α β

I

1

2

3

III II

Diagrama de fases Pb-SnSolidificaSolidificaççãoão emem sistemassistemas euteutééticosticos

Liga II:Ponto 1: LiquidSolidificação começa no ponto eutético (tendo simultaneamente líquido e sólido)

Ponto 2: L (α+β) (reação eutética)A quantidade de α e β aumentam proporcionalmente com o tempo.Solidificação termina na mesma temperatura

Ponto 3: α+βSeguindo o resfriamento ocorre a diminuição de Sn em α e a diminuição de Pb em β, de acordo com as respectivas linhas solvus.

LL

(1) (2)

L

(3)


Pb-Sn eutetico

Nucleação:Lamelas alternadas de α e β

Estrutura eutetica: Íntima mistura de α e β para minimizar o caminho de difusão


SolidificaSolidificaççãoão emem sistemassistemas euteutééticosticos Diagrama de fases Pb-Sn

Liquido

Pb(cfc)

α + β

0

50

100

150

200

250

300

350

α β

I

1

2

3

III II

4

Liga III:Ponto 1: LiquidoSolidificação começa na liquidus

Ponto 2: L L+α (α pré-eutético)A quantidade de α ↑ quando ↓T

Ponto 3: L (α+β) (reação eutética)Solidificação termina na temperatura eutética

Ponto 4: α+β (α pré-eutético + (α+β) mistura eutética). Seguindo o resfriamento ocorre a diminuição de Sn em α e diminuição de Pb em β.

Sn(Tetra)


LL

(1)

α

L

(2)

αL

(3)

αEut

(3)

Estrutura eutética(lamelas de α e β)

Liga Cu-Agα Pre-eutectico

Curva de resfriamento


Sn

I III II IV

Líquido

Pb

α + β

0

50

100

150

200

250

300

350

α β

Hipoeutetico Hipereutetico

Diagrama de fases Pb-Sn


Regra das fases de Regra das fases de GibbsGibbsF =C+N-P

F: grau de liberdadeC: nº de variáveis químicasN: nº de variáveis não químicasP: nº de fases

Aplicação da regra das fases de Gibbs para sistema binário a pressão constante:C=2 (2 elementos)N=1 (temperatura)

1 fase →F=2: % e T

2 fases em equilíbrio →F=1: % ou T

3 fases em equilíbrio →F=0: ponto invariante

Posso ter 4 fases em equilíbrio no sistema binário?

α + β

α β

Líquido 1 fase

2 fases em equilíbrio

3 fases em equilíbrio

Pb Sn


SistemasSistemas compostoscompostos ouou com com fasesfases intermediintermediááriasrias

O sistema Cu-Mg contém 2 compostos intermetálicos entre Cu e Mg: Cu2Mg e CuMg2.

O intermetálico age como constituinte independente, dividindo o diagrma de fases em 3 outros diagramas:

Cu-Cu2MgCu2Mg-CuMg2CuMg2-Mg

Cada um destes 3 diagramas possuem um sistema eutético.



O sistema Al-Cu contém inúmeras fases intermediárias.

Estas “divisões” não tem que ser compostos intermetálicos, elas também podem ser solução sólida.

A solução sólida intermediária pode ter sua própria estrutura cristalina, diferente da estrutura dos constituintes puros



Diagrama de fases do sistema Cu-Zn


SolidificaSolidificaççãoão forafora do do equilequilííbriobrio

Algumas transformações não causam mudanças na composição, como por exemplo a solidificação de metais puros. Já as ligas de solução sólida sofrem modificações na composição. O primeiro é conhecido como transformação congruente e o segundo de transformação incongruente.

As transformações congruentes não são sensíveis a taxa de resfriamento. As transformações incongruentes são sensíveis a taxa de resfriamento porque contam com a interdifusão para ocorrer.

A solidificação sob resfriamento rápido, onde a difusão é insuficiente para homogeneizar a composição simultaneamente durante o processo é conhecida como solidificação fora do equilíbrio. A conseqüência comum da solidificação fora do equilíbrio é a segregação dendrítica.


SegregaSegregaççãoão dendrdendrííticatica

A %B

Equilibriosolidus

T2

T3 (termina a solidificaçãono equilíbrio)

T4 (termina a solidificação

efetivamente)

T1 (começa a solidificação)

Solidusefetivo

Co

Cs1

Cs2

Cs2*

Cs3*

Liga com composição Co começa a solidificação em T1. O primeiro sólido formado tem composição Cs1. Prosseguindo o resfriamento a T2, uma casca de composição Cs2 é formado sobre Cs1. Devido a difusão inadequada do resfriamento rápido, uma diferença de composição é criada. A composição média do sólido na temperatura T2 é algo entre Cs1 e Cs2, podemos chamar de Cs2*. A mesmo ocorre nas outras temperaturas durante o processo de resfriamento.Sob a condição de equilíbrio, a solidificação se completa a T3. No entanto, sob condições fora do equilíbrio, a composição média do sólido em T3 é Cs3* <Co, indicando que a solidificação ainda não foi completada; a solidificação termina quando a composição for igual a Co, na temperatura T4.

Solidificação fora do equilíbrio: fusãoocorre numa temperatura mais baixa.


L

Cs1

T1

Cs1

Cs2

T2

T3

Composição média do sólido: Cs2*

Composição médiado sólido: Cs3*

T4

Composição médiado sólido: Co

SegregaSegregaççãoão dendrdendrííticatica

A %B

Equilibriosolidus

T2

T3 (termina a solidificaçãono equilíbrio)

T4 (termina a solidificação

efetivamente)

T1 (começa a solidificação)

Solidusefetivo

Co

Cs1

Cs2

Cs2*

Cs3*


SegregaSegregaççãoão emem sistemassistemas euteutééticosticos

α + β

α β

L

a b c d

coDe acordo com a regra daalavanca, a fração do produtoeutético pode ser:

Sob condição de equilíbrio:

eutc bWd b

−=

−

Fora do equilíbrio:

*eut

c aWd a

−=

−A B

*eut eutW W>


Super Super resfriamentoresfriamento

S L

A %B

Co

CS

CL

CS

CL

Co

C

x


EstruturaEstrutura dendrdendrííticatica de metalde metal

Uma conseqüência do super resfriamento e da desestabilização da interface sólido-líquido é a formação da estrutura dendrítica, comumente encontrada em ligas fundidas. A região entre as dendrítas e dedos dendríticos são ricas de fases de baixo ponto de fusão e impurezas. Uma forma de minimizar este efeito é fazer um tratamento térmico para homogeneizar a estrutura.

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