Microestrutura (Fases) Parte 3 - felipeb.comfelipeb.com/unipampa/aulas/cm/fases_parte3.pdf · 1 Microestrutura (Fases) Parte 3 Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS 1-6 DIAGRAMA DE

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Microestrutura (Fases)Microestrutura (Fases)Parte 3Parte 3

Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS

11--6 DIAGRAMA DE FASES6 DIAGRAMA DE FASES““MAPA” que permite responder a questão:MAPA” que permite responder a questão:

Que microestrutura deveria existir em uma dada temperatura para uma dada composição?

PORTANTO, UM DIAGRAMA DE FASES:

- Informa sobre a microestrutura conseqüência: pode predizer propriedades mecânicas em função da temperatura e composição

- Permite a visualizar a solidificação e fusão

- Prevê as transformações de fases

- Gera informações eminentemente termodinâmicas e não apresentam qualquer consideração sobre a cinética das reações – O sistema deve estar em equilíbrio

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Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGSTipos de Diagramas

Temperatura (°C)0 0,01 100

Pres

são

(atm

)

1

0,0006

Diagrama de equilíbrio da água

PONTO TRIPLO:

0,01 °C

0,0006 atm

Coexistem as fases líquida

sólida

gasosa

Relaciona pressão e temperatura

Linha de vaporização

Linha de condensação ou fusão

Linha de sublimação

SISTEMA MONOCOMPONENTE – substâncias puras


Tipos de DiagramasDiagrama binário Dois elementos estão presentes

Limite de solubilidade

Quando o limite de solubilidade é ultrapassado, forma-se uma segunda fase com composição distinta àsolução líquida, já saturada. No caso, salmoura + sal.

Ao se aumentar a quantidade de sal até 23,3%, diminui a temperatura de solidificação da água. Esta propriedade é usada para evitar a formação de gelo nas estradas européias durante o inverno. A zona do gráfico acima de 0 ºC é semelhante ao gráfico de água e açúcar.

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Tipos de DiagramasDiagrama binário isomorfo Dois elementos estão presentes, mas só se

forma uma fase sólida

Os dois componentes do sistema apresentam solubilidade sólida ilimitada

Diagrama de fases do sistema isomorfo Cu-Ni


Tipos de DiagramasDiagrama binário eutético Os dois componentes do sistema apresentam

solubilidade sólida limitada

L α + β

Reação eutética:

fase α e fase β - soluções sólidas terminais ou fases primárias

Regiões de solubilidade limitada no estado sólido

fase α - solução sólida de B em A ou rica do elemento A

fase β - solução sólida de A em B ou rica do elemento B

liquidus

solidus

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Diagrama ternário do sistema CaO – SiO2 - MgO

Diagrama ternário –3 componentes

Tipos de Diagramas

As composições são geralmente indicadas usando como base um triângulo eqüilátero

Vértices – componentes puros : A, B e C

Lados – composições binárias:

AB, BC e CAPara temperatura variável: eixo vertical

As temperaturas podem ser colocadas em linhas de nível. Similar a altitude em um mapa plano


Tipos de Diagramas Diagrama ternário

Composto pelos diagramas binários AB, BC e CA

Visão tridimensional

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Avaliação dos diagramas de fase

Informações obtidas nos diagramas de fase: 1. Solubilidade, no estado sólido e no equilíbrio, de um elemento (ou composto) em outro; 2. Temperatura na qual uma liga resfriada sob condições de equilíbrio (resfriamento lento) começa a solidificar e a temperatura na qual ocorre a solidificação – temperaturas liquidus e solidus; 3. Temperatura de fusão de diferentes fases. 4. Fases presentes em diferentes composições e temperaturas nas condições de equilíbrio; 5. Composição das fases presentes;6. Proporção das fases presentes.

Itens 4, 5 e 6 – Critérios de análise da microestrutura

REGRA DA ALAVANCA

REGRA DAS FASES DE GIBBS


Linha liquidus: determina o lugar geométrico das temperaturas acima das quais tem-se somente líquido

As ligas se fundem e se solidificam dentro de um intervalo de temperatura, entre a linha liquidus e a linha solidus. A diferença de temperatura entre liquidus e solidus se denomina intervalo de solidificação. Dentro deste intervalo, coexistirão duas fases: uma líquida e uma sólida. O sólido é uma solução de átomos dos compostos envolvidos; as fases sólidas geralmente são designadas através de uma letra grega minúscula, como alfa.


Linha solidus: determina o lugar geométrico das temperaturas abaixo das quais tem-se somente sólido

Característico das soluções sólidas ilimitadas

Linha solidus

Linha liquidus

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Linha solidus

Linha liquidus

LINHA SOLVUS: limite de solubilidade de A em B ou de B em A

Linha solvus

Característico das soluções sólidas limitadas


Avaliação dos diagramas de faseFases presentes:

L - líquidoSS - sólida

Componentes:A e B

No intervalo de solidificação coexistem as fases líquida e sólida

Regra das Fases de Gibbs permite calcular o número de fases que podem coexistir em equilíbrio em qualquer sistema

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Avaliação dos diagramas de faseRegra das Fases de Gibbs - permite calcular o número de fases que podem coexistir

em equilíbrio em qualquer sistema

P + F = C + 2

P = número de fases que podem coexistir no

sistema

C = número de componentes no sistema

(elemento, composto ou solução).

F = graus de liberdade (número de variáveis:

pressão, temperatura e composição)

À PRESSÃO CTE: P + F = C + 1


Avaliação dos diagramas de faseRegra das Fases de Gibbs

Exercício 1: Determine os graus de liberdade do sistema para os pontos indicados no diagrama Cu Ni. O que significa o valor calculado para cada ponto?

A

B

C

Sistema à pressão constante:

F = C - P + 1

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A

B

C

Ponto A:

F = 2 - 1 +1 = 2

Pode-se variar a composição E a temperatura da liga para obter-se a mesma fase.




A

B

C

Ponto C:

F = 2 - 1 +1 = 2

Pode-se variar a composição E a temperatura da liga para obter-se a mesma fase.

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A

B

C

Ponto B:

F = 2 - 2 +1 = 1

Pode-se variar OU a composição OU a temperatura da liga para as fases L e αcoexistirem.



Temperatura (°C)0 0,01 100

Pres

são

(atm

)

1

0,0006

No ponto triplo:

F = ?P = 3C = 1

P + F = C + 2

O sistema tem zero graus de liberdade, ou seja, não se pode alterar nenhuma das variáveis -pressão, temperatura e composição – para manter a coexistência das três fases.

O ponto triplo é um ponto invariante!

F =0

Regra das Fases de GibbsExercício 2: Determine o número de graus de liberdade para o ponto triplo no diagrama da água. O que significa o valor calculado?

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Fases presentes

Composição e proporção das fases REGRA DA ALAVANCA

Cada fase tem uma composição expressa como porcentagem de cada um dos elementos da fase

Uma única fase sua composição é igual a da liga

Quantidades relativas de cada fase expressa em porcentagem de peso

Em regiões de uma única fase a quantidade da fase simples é 100%

Técnica: balanço de materiais

Se constrói uma alavanca sobre a isoterma com seu ponto de apoio na composição original da liga (ponto dado). O braço da alavanca, oposto a composição da fase cuja quantidade se calcula é dividido pelo comprimento total da alavanca, para obter a quantidade desta fase.


Avaliação dos diagramas de faseREGRA DA ALAVANCA Cálculo da porcentagem das fases líquida e

sólida em uma determinada composição e em uma determinada temperatura

Ex.: na composição e temperatura no ponto O

x: composição da liga

wo:fração de peso de B em A

T: temperatura de análise

Em T, a liga x é constituída por uma mistura de líquido, cuja fração em peso de B é wl, e de sólido, cuja fração em peso de B é ws.

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Avaliação dos diagramas de faseREGRA DA ALAVANCA Quanto da fase líquida

existe no ponto O?

LSOSL =%

Quanto da fase sólida existe no ponto O?

LSOLS =%

FASE LÍQUIDA: wl de B

FASE SÓLIDA: wS de B

Assim, uma fórmula geral para a regra da alavanca pode ser escrita como,

Composição das fases

Proporção das fases


Avaliação dos diagramas de faseExercício 3: Determine as fases presentes, proporção e composição para o diagrama Água+Açúcar na T de 15°C com composição inicial 25% de H2O e 75% de açúcar.

Fases Presentes: xarope (açúcar e água)

sólido (açúcar)

Composição das Fases:Xarope: 67% açúcar e 33% de águaSólido: 100%açúcar

Proporção das Fases - Regra da Alavanca

%4,24100*671006775% =−−

==xyxoaçúcar

%8,75100*6710075100% =

−−

==xyoyxarope

O

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Fases Presentes: Líquido

α

Proporção das Fases

%30100*33434043% =

−−

=L

%70100*33433340% =

−−

=α

Exemplo 4: Determine as fases presentes, proporção e composição para o diagrama CuNi na T de 1250°C com composição inicial de 40%Ni 60%Cu.

Composição das fases:L 33% Ni e 77% Cuα 43% Ni e 57% Cu

Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS4.6 Diagrama de fases

Avaliação dos diagramas de faseExemplo 6: Determine as fases presentes, proporção e composição para o diagrama abaixo, no ponto indicado.

C

7525

50

Fases Presentes: Líquido

β

Composição das fases:L 40% B e 60% Aα 100% B

Proporção das Fases

%67,41100*4010075100% =

−−

=L

%33,58100*401004075% =−−

=B

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