Metalurgia - Diagrama de Fases

Diagramas de fases

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ndice

Introduo Regra das fases Diagramas binrios Regras das alavancas Diagrama binrio euttico Diagrama binrio perittico Estruturas longe das condies de equilbrioMetalurgia II 2

Diagramas de fasesIntroduoOs diagramas de equilbrio so grficos que mostram as fases presentes num material em equilbrio com o seu ambiente. Indica o nmero de fases presentes, suas composies e a percentagem de cada fase, em funo da temperatura, da presso e da composio global do material. Embora a maioria dos materiais de engenharia exista em condio metastvel, isto , fora de equilbrio, qualquer modificao espontnea se dar em direo ao equilbrio e muitas informaes teis sobre mudanas de fase em tais materiais podem ser deduzidas a partir dos diagramas de equilbrio adequados.Metalurgia II 3

Diagramas de fases

Diagrama de fases, de constituio ou de equilbrio, a representao grfica de um sistema de ligas, por meio da qual os estados fsicos e os constituintes estruturais em suas quantidades relativas so conhecidos, em funo da composio, temperatura e sob presso atmosfrica, permitindo com isso prever o comportamento do metal na solidificao, fuso, tratamentos trmicos, processos de difuso.

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Diagramas de fasesDiagrama simplificado da gua

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Diagramas de fasesDiagrama presso temperatura para o ferro

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Diagramas de fasesA Regra das FasesAtravs de consideraes termodinmicas, Gibbs deduziu uma relao entre o nmero de fases (P) que podem coexistir em equilbrio em um dado sistema, o nmero mnimo de componentes (C) que podem ser usados para formar o sistema e os graus de liberdade (F). A relao pode ser apresentada sob a forma de equao: P+F= C+2 que conhecida como a regra das Fases de Gibbs. Nesta equao, os graus de liberdade so definidos como o nmero de variveis (temperatura, presso e composio) que podem sofrer variaes, independentemente, sem alterar o nmero de fases em equilbrio.Metalurgia II 8

Diagramas de fasesPara os sistemas unrios ou mono-componentes, apenas a temperatura e a presso podem ser alteradas. As coordenadas dos diagramas de equilbrio unrios so, portanto, presso (abscissa) e temperatura (ordenada). A forma genrica do diagrama unrio pode ser deduzida da regra das fases. Como o nmero de componentes um e o nmero de fases dois, haver um grau de liberdade, pois: F+P-C=2 ou F+2-1=2, portanto F=1 Existe, portanto, um grau de liberdade: definida uma temperatura, haver apenas uma presso para a qual as duas fases estaro em equilbrio. Portanto, o equilbrio de duas fases uma linha ou curva num diagrama unrio.Metalurgia II

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Diagramas de fases

Se as fases slida, lquida e gasosa estiverem em equilbrio, verifica-se que o nmero de componentes ainda um, o nmero de fases trs; portanto, no existe nenhum grau de liberdade (F=C+2-P F=1+2-3=0). Concluso: as trs fases s podem coexistir em equilbrio numa temperatura e presso determinadas. Estes valores definem um ponto nico no diagrama, denominado ponto trplice.Metalurgia II 10

Diagramas de fasesSistemas de dois componentes solubilidade no estado slido Dois componentes so completamente solveis um no outro se o estado de equilbrio de qualquer combinao dos dois uma fase nica:(a) gua lquida e lcool so solveis um no outro em qualquer proporo, temperatura ambiente; formam um lquido homogneo, monofsico; (b) cobre e nquel so tambm solveis um no outro em todas as propores, tanto no estado lquido como no slido.

tomos ou molculas de um componente podem se acomodar na estrutura do outro componente.Metalurgia II 11

Diagramas de fasesSistemas de dois componentes solubilidade no estado slidoSoluo slida pode ser: Substitucional (o tomo do soluto pode substituir um tomo do solvente) e que podem ser formadas em todas as propores de ambos os componentes e so usualmente formadas entre dois tipos de tomos que tenham aproximadamente o mesmo tamanho.

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Diagramas de fasesSistemas de dois componentes solubilidade no estado slido Intersticial (o tomo do soluto pode ocupar uma posio intersticial entre tomos do solvente). As solues slidas intersticiais se formam usualmente entre tomos de tamanhos bastante diferentes. Para metais, os quatro mais importantes tomos de soluto intersticial so o carbono (C), nitrognio (N), oxignio (O) e o hidrognio (H).

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Diagramas de fasesSistemas de dois componentes solubilidade no estado slido Regras de Hume-Rothery para se prever a existncia de solubilidade em solues slidas metlicas:1- Tamanho atmico: Quando maior for a diferena entre os tamanhos dos tomos do soluto e do solvente, menor a faixa de solues. 2- Estrutura cristalina: o tipo de estrutura cristalina deve ser o mesmo. 3- Valncia qumica: o metal de menor valncia (soluto) provavelmente se dissolver no metal de maior valncia (solvente) (ligas Cu, Ag e Au com metais de maior valncia). 4 - Eletronegatividade: as eletronegatividades devem ser quase iguais; quanto mais eletropositivo for um componente e mais eletronegativo o outro, maior ser a tendncia formao de compostos entre eles e menor ser a solubilidade.Metalurgia II 14

Diagramas de fasesDiagramas Binrios Um par de elementos puros ou de compostos puros pode ser misturado segundo um nmero infinito de propores diferentes. Para cada composio global, o estado de equilbrio (o nmero de fases presentes, suas composies e as propores relativas de cada fase) uma funo da temperatura e da presso. A maior parte das operaes usadas no processamento dos materiais feita presso atmosfrica ou a uma presso prxima desta. Portanto, freqentemente, a presso no uma varivel significativa.Metalurgia II 15

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Regra da Alavanca: Quantidade Relativa de Fases Os diagramas de equilbrio, alm de especificarem : i - quais as fases presentes a uma dada temperatura; ii - suas composies; permitem tambm calcular as quantidades relativas de cada fase presente, temperatura considerada.

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Diagramas de fasesRegra da Alavanca: Quantidade Relativa de Fases

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Diagramas de fasesAnlise Trmica Os diagramas de equilbrio podem ser interpretados, e tambm determinados, atravs das curvas de resfriamento de diferentes composies.

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O Diagrama Euttico BinrioUm dos tipos de diagramas de equilbrio que podem existir quando h apenas uma solubilidade limitada no estado slido o diagrama euttico binrio.

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Diagramas de fasesDiagrama Euttico BinrioDiagrama de equilbrio binrio hipottico para os elementos A e B que so completamente solveis em todas as propores no estado lquido, mas apenas parcialmente solveis no estado slido. TA e TB so os pontos de fuso de A puro e B puro; Te a temperatura euttica.

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Diagramas de fasesDiagrama Euttico Binrio Liga chumbo-estanho

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Diagramas de fasesCurva de resfriamento Pb-Sn

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Calculo das fases presentes Regra das alavancas

Diagramas de fasesLiquido

Slido

A0 10 20 30 40 50Metalurgia II

B60 70 80 90 10039

Diagramas de fasesCalculo das fases presentes Regra das alavancasLiquidoA

B

CD

Slido

X0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Y100

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Diagramas de fasesDiagrama Euttico Al-Si

660 CLquido +

Lquido Ponto EutticoLquido +

577 C 1,65% +

12,5%

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

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13

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Diagramas de fasesDiagrama Perittico

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Diagramas de fasesDiagrama Perittico

Reao perittica no ponto P onde +L Metalurgia II 43

Diagramas de fasesReao perittica Reao eutetide

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Diagramas de fasesReaes Invariantes Os diagramas de equilbrio dos sistemas binrios reais usualmente no so diagramas de soluo slida, eutticos ou peritticos simples. Ao contrrio, so diagramas compostos, contendo uma srie de regies de duas fases e uma srie de reaes invariantes. As reaes invariantes mais comuns receberam nomes especficos e so de dois tipos gerais:1 - No resfriamento, uma fase se separa em duas outras fases. Euttica: Lquido + 2 - No resfriamento, duas fases reagem para produzir uma terceira fase, distinta das duas iniciais. Perittica: Lquido + Metalurgia II 45

Diagramas de fasesEstruturas Longe das Condies de Equilbrio Introduo Muitas transformaes de fase que ocorrem em materiais de engenharia, durante o processo de solidificao, no produzem estruturas em equilbrio termodinmico, sendo denominadas transformaes de fase fora de equilbrio. As microestruturas que resultam dessas transformaes podem ser indesejveis, ou, ao contrrio, podem apresentar propriedades tecnolgicas interessantes. Assim, por meio do conhecimento e do controle das transformaes de fase fora de equilbrio pode-se atuar sobre as propriedades tecnolgicas dos materiais slidos.Metalurgia II 46

Diagramas de fasesEstruturas Longe das Condies de Equilbrio Os diagramas de fases em condies de equilbrio tratam da situao em que o resfriamento ocorre muito lentamente, representando uma situao para a qual o equilbrio entre as fases continuamente mantido. Quando uma liga binria fundida se solidifica em condies de equilbrio, passando por uma regio que contenha slido e lquido, as composies das fases lquida e slida e as quantidades relativas de cada uma das fases devem se reajustar continuamente, medida que a temperatura decresce. Estes reajustamentos so realizados por difuso dos tomos de ambos os elementos nas duas fases.Metalurgia II 47

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Estruturas Longe das Condies de Equilbrio

As estruturas fora de equilbrio so geralmente produzidas por um resfriamento to rpido do material que no h tempo ou energia trmica suficientes para que os tomos se redistribuam em uma configurao de equilbrio.Como a velocidade de difuso no estado slido tende a ser baixa, necessrio um tempo excessivamente longo para eliminar os gradientes de composio.

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Diagramas de fasesEstruturas Longe das Condies de Equilbrio Microestruturas Longe do Equilbrio: liga alumnio (Al)-silcio (Si)Parte do diagrama de equilbrio alumnio-silcio mostra a transformao euttica de equilbrio (resfriamento lento) e a transformao euttica longe do equilbrio (resfriamento rpido). No resfriamento lento, forma-se somente a mistura euttica + . No resfriamento muito rpido forma-se primrio e uma mistura euttica + com maior teor de . Se a composio inicial possuir 14% (em peso) de Si, mesmo com o resfriamento rpido somente se formar a mistura euttica.

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Diagramas de fases - FeCEstruturas Longe das Condies de Equilbrio O Sistema Ferro-Carbono: O Diagrama Binrio Fe-Fe3C

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Diagramas de fases - FeCDiagrama de equilbrio ferro carbono As transformaes responsveis pela formao dos constituintes das ligas ferro-carbono, onde os ferros fundidos se incluem, estudada e

analisada, a partir do diagrama de equilbrio ferrocarbono.

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Diagramas de fases - FeC

O diagrama de fase a seguir no um diagrama de equilbrio completo, pois representado somente at 6,7% de carbono, porque forma com o ferro o composto Fe3C que contm 6,67% de carbono. Ligas com mais de 4,0 a 4,5% de carbono, apresentam pouco ou nenhum interesse comercial, devido alta

dureza e fragilidade que elas apresentam.

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Diagramas de fases - FeCEsse diagrama no um diagrama de equilbrio verdadeiro, pois a cementita no uma fase de equilbrio. A grafita mais estvel que a cementita e sob condies adequadas, a cementita se decompe, formando grafita. Em aos comuns essa decomposio nunca observada, porque a nucleao da cementita no ferro supersaturado de carbono ocorre mais facilmente que a nucleao da grafita.Metalurgia II 55


O diagrama ferro-carbono se caracteriza por trs pontos principais:

Ponto perittico com 0,16% de carbono a 1493 0C;Ponto euttico com 4,3% de carbono a 1147 0C; Ponto eutetide com 0,8% de carbono a 723 0C.

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Ponto Perittico

Ponto Euttico

Ponto Eutetide

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A transformao perittica ocorre a temperaturaselevadas e em aos de baixo teor de carbono. Todas as composies desta fase passam, em seguida, pelo campo monofsico CFC. Assim, os efeitos sobre a estrutura temperatura ambiente so secundrios e normalmente so desprezados.

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A soluo slida cbica de face centrada CFC, ou fase

(gama), chamada de austenita. Todas as ligascontendo menos que 2,06% de C passam pela regio austentica no resfriamento. As ligas contendo menos que 2,06% de carbono so arbitrariamente chamadas de aos (maioria dos aos contm menos que 1,0% de carbono).Metalurgia II 59

Diagramas de fases - FeCAlotropia do ferro puro 1- Temperatura de Fuso a 15380C

2- Entre 15380C a 13940C, o ferro solidifica de acordocom o reticulado CCC (ferro delta - ). 3- A 13940C o ferro delta () sofre uma redisposio

espontnea e forma-se um novo reticulado CFC, (ferrogama - ) que permanece estvel at 9120C. 4- A 9120C o ferro sofre uma nova transformao, com um novo rearranjo atmico CCC, (ferro alfa - ), no havendo mais transformaes at a temperatura ambiente.Metalurgia II 60

Diagramas de fases - FeCConstituintes das ligas ferro-carbono metaestveis Ferrita ou ferro alfa (): Estrutura CCC menores espaamentos interatmicos e pronunciadamente alongados, no podem acomodar com

facilidade os tomos de carbono solubilidade de carbono cerca de 0,008% a temperatura ambiente, e 0,23% a 7270C.

Ferrita mole e dctil, com limite de resistncia abaixo de 32 Kgf/mm2 e dureza Brinell em torno de 90 HB.Metalurgia II 61


Ferro puro gros de ferrita.Metalurgia II 62

Diagramas de fases - FeCAustenita ou ferro gama (): forma estvel do ferro

puro entre 910 C e 14000C.Estrutura CFC, com espaos interatomicos maiores, mas so menores que o tomo de carbono, de forma que a dissoluo de carbono na austenita introduz deformaes na estrutura, impedindo que todos os interstcios sejam preenchidos simultaneamente,

ficando a solubilidade mxima de carbono em 2,0% empeso (8,7% em tomos).Metalurgia II 63


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Ferrita delta ou ferro delta (): acima de 1400 0C, aaustenita deixa de ser a forma mais estvel, voltando a estrutura ser CCC. Este constituinte no apresenta importncia no estudo dos aos.

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Cementita ou carbeto de ferro: o excesso de carbono

em relao ao limite de solubilidade formando umasegunda fase. Possui reticulado ortorrmbico com 12 tomos de ferro e

4 de carbono por clula, correspondendo isso a 6.67% decarbono. Dada a proporo de tomos de ferro e carbono de 3

para 1 no reticulado cristalino usualmente representadacomo Fe3C.Metalurgia II 66


Comparado a ferrita e austenita, a cementita muitadura, cerca de 67HRC ou 900 HV. A cementita quando presente, associada a ferrita em

partcula finas, aumenta muito a resistncia do ao, poisinibe o escorregamento e evita o cisalhamento da fase dctil ferrita.

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Perlita com as lamelas de cementita em um fundo de ferrita. Ferro com 0,8% de carbono. 500X.Metalurgia II 68


Perlita: abaixo da temperatura eutetide as fases

estveis so a ferrita e a cementita. A 0,8% decarbono, ocorre uma reao, que envolve a formao simultnea de ferrita e cementita a partir da austenita de composio eutetide, resultando em uma mistura das fases ferrita e cementita denominada de perlita. Essa estrutura consiste de plaquetas alternadas de Fe3C e ferrita sendo a ferrita a fase contnua. A perlita contm 12% de cementita e 88% de ferrita.Metalurgia II 69

Diagramas de fases - FeC Fe3C

Fe3C

1-Nucleao inicial da cementita.

2- Nucleao de lamelas de ferrita ao lado da cementita.

3- Crescimento lateral e para frente da cementita.

Fe3C

4- Novo ncleo de cementita formado com orientao diferente dos anteriores.

5- Crescimento da nova colnia.70

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Diagramas de fases - FeCLiga eutetide1. Inicialmente, existe apenas . 2. A uma temperatura imediatamente abaixo da eutetide toda a fase transforma-se em perlite (ferrite + Fe3C) de acordo com a reao eutetide.

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3. Estas duas fases tem concentraes de carbono muito diferentes. Esta reao rpida. No h tempo para haver grande difuso de carbono. As fases organizam-se como lamelas alternadas de ferrita e 71 cementita.

Diagramas de fases - FeCLiga hipoeutetide1. Inicialmente, existe apenas . 2. Em seguida comea a surgir a fase nas fronteiras de gro da fase . A concentrao da austenita cai com a temperatura seguindo a linha que separa o campo + do campo .

3. A T imediatamente acima da eutetide a concentrao da fase 0.77 % C, euttide.4. A T imediatamente abaixo da eutetide toda a fase se transforma em perlita. A fase , que no muda, denominada ferrite pro-eutetide.

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Diagramas de fases - FeCLiga hipereutetide1. Inicialmente, existe apenas . 2. Em seguida comea a surgir a fase Fe3C nas fronteiras de gro da fase . A concentrao da Fe3C constante igual a 6.7 % C. A concentrao da austenita cai com a temperatura seguindo a linha que separa o campo +Fe3C do campo . 3. A T imediatamente acima da eutetide a concentrao da fase 0.77 % C, euttide. 4. A T imediatamente abaixo da eutetide toda a fase se transforma em perlita. A fase Fe3C , que no muda, denominada cementita proeutetide.Metalurgia II 73

Diagramas de fases - FeCExemplos de microestruturas

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