Ciência dos Materiais Aula 9. Diagrama de fases

a. diagrama de fasesb. microestruturas

c. diagrama Fe x Fe Cd. prática de metalografia

e. relatório

3

ftecciência dos materiais professor: ulisses caetano

a. diagrama de fasesOs diagramas de fases (de equilíbrio) são representações gráficas que indicam as microestruturas existentes a temperaturas (eixo y) e composições (eixo x) diferentes. A maioria dos diagramas é configurado em condições de equilíbrio (o equilíbrio é aproximado, mas nunca alcançado).

Le Funambule Philippe Petit's 1974

No diagrama de fases pode-se obter as seguintes

informações: Fases presentes, suas

composições e proporções.Uma idéia de quais serão as propriedades mecânicas em

função da temperatura e composição.

Permite visualizar os pontos de solidificação e fusão.

Permite visualizar as regiões de transformações

de fases.

A fase é a porção homogênea de um sistema com características físicas e químicas uniformes.

A fase é todo material puro ou soluções sólidas, liquidas ou gasosas formadas por dois ou mais componentes, podendo ser identificada pela composição química e microestrutural.

A interação de duas ou mais fases em um material permite a obtenção de propriedades diferentes.

É possível alterar as propriedades de um material alterando a morfologia e distribuição das fases.

a. diagrama de fases

Ao misturar o elemento A no B, durante a solidificação, pode-se formar uma solução sólida (A e B miscíveis) com características distintas de A e de B ou uma mistura de A e B (A e B imiscíveis).

solução sólida mistura

fase homogênea composição química variável

heterogêneamais de uma fase


Diagrama de fases de substâncias purasUm exemplo de diagrama de fases é apresentado a seguir:

Diagrama aproximado de pressão-temperatura PT para a água pura


A água pode existir nos estados sólido, líquido e gasoso, dependendo das condições de temperatura e pressão existentes.

Existe uma regra, conhecida como Regra de Gibbs, que informa os graus de liberdades presentes em um diagrama de fases.A regra é apresentada a seguir:P + F = C + 2

P = Número de fases presentes, a fase de um material é a região no espaço do diagrama de fases que apresenta microestrutura e/ou composição diferente de outra região.C = Número de componentes presentes, geralmente é um elemento, composto ou solução presente no sistema.F = Número de graus de liberdade, são as condições que podem ser alteradas de modo independente sem que ocorra no sistema qualquer alteração da fase, exemplo: pressão, temperatura ou composição.


Regra das fases de Gibbs

Diagrama de pressão-temperatura para a água pura

Por exemplo no ponto triplo do diagrama de fases da água.Existem 3 fases: líquida, sólida e gasosa.P = 3C = 1 (apenas existe água)Calculando os graus de liberdade.P + F = C + 23 + F = 1 + 2F = 0Ou seja, consegue-se manter a fase em equilíbrio não alterando nenhuma das duas variáveis, temperatura e pressão.


Regra das fases de Gibbs Considere agora um ponto sobre a linha de solidificação.Existem 2 fases: líquida, e sólida. P = 2.C = 1 (apenas existe água)Calculando os graus de liberdade.P + F = C + 22 + F = 1 + 2F = 1Ou seja, consegue-se manter a fase em equilíbrio alterando apenas uma das variáveis, temperatura ou pressão.



Regra das fases de Gibbs Considere agora um ponto no campo líquido da água.Existe 1 fase: líquida. P = 1C = 1 (apenas existe água)Calculando os graus de liberdade.P + F = C + 21 + F = 1 + 2F = 2Ou seja, consegue-se manter a fase em equilíbrio alterando as duas variáveis, temperatura e pressão.



Curvas de resfriamentoServe para determinar as temperaturas de transformação das fases para metais puros e ligas, registrando temperatura em função do tempo.

Curva de resfriamento do ferro puro na pressão de 1 atm


Ligas Binárias e SolubilidadeSão misturas de dois componentes metálicos, como por exemplo a ligas ferro e carboneto de ferro (Fe C).A solubilidade de um elemento no outro segue as regras propostas por Hume - Rothery.Vale lembrar que essas condições são necessárias, porém não suficientes para que dois metais apresentem solubilidade total: 1. Tamanho dos átomos: diferença entre raios < 15%.2. Estrutura cristalina: deve ser a mesma (ou com plano de continuidade). 3. Eletronegatividade: deve ser semelhante. 4. Valências: devem ser iguais.


3

Ligas totalmente miscíveisUm componente dissolve o outro em quantidade total, exemplo: Liga cobre níquel.

(Adaptado de “Metals Handbook”, vol. 8, 8. ed., American Society for Metals, 1973, p. 294.) Diagrama de fases cobre-níquel. O cobre e o níquel têm solubilidade total no estado líquido

e no estado sólido. As soluções sólidas cobre-níquel fundem num intervalo de

temperaturas, em vez de fundirem a uma determinada temperatura, como acontece no caso dos metais puros.

Soluções sólidas substitucionais Cobre - Níquel


Ligas totalmente miscíveisA construção dos diagramas de solubilidade, em que os componentes são completamente solúveis, é feita através de um conjunto de curvas de resfriamento líquido-sólido.

(“Metals Handbook”, vol. 8, 8. ed, American Society for Metals, 1973, p. 294. Usado com permissão de ASM International.) Construção do diagrama de equilíbrio de fases Cu-Ni a partir de curvas

de resfriamento líquido-sólido. (a) curvas de resfriamento, (b) diagrama de equilíbrio de fases.


Regra da alavanca . Ligas totalmente miscíveisNo diagrama de fases quando se conhece a temperatura e a composição de um estado em equilíbrio pode-se definir as fases presentes, suas composições e porcentagens presentes das fases. A regra da alavanca mede as porcentagens das fases.

%! = !! − !! − ! !!!100!

%! = !! − !! − ! !!!100!


Temperatura 1260°C - 40%Ni 60%Cu

a. diagrama de fasesRegra da alavanca . Ligas totalmente miscíveis

Desenvolvimento da microestrutura de uma liga 40%Ni e 60%Cu no equilíbrio.

O resfriamento é extremamente lento.

Microestrutura . Ligas totalmente miscíveisa. diagrama de fases

Reações presentes em diagramas de fases.

eutética

peritética

monotétic

eutetóide

pertetóide

não existe essa reação no diagrama


linhas liquiduslinhas solidus

linhas solvuscomponentes: A e B fases: L: líquido a: solução sólida de B em A b: solução sólida de A em B

Ligas parcialmente miscíveisa. diagrama de fases

Microestruturas características de diferentes regiões em um diagrama de fases binário com solução sólida limitada.

a. diagrama de fasesLigas parcialmente miscíveis

Determine as fases presentes, proporção e composição para 90%Pb - 10%Sn, temperaturas de 350°C, 300°C, 200°C e 100°C.

90%Pb - 10%Sn

A: 350°C

Ponto A (350 oC)Fases Presentes: LíquidoProporção das fases:%L = 100%Composição das fases:Líquido: 10%Sn e 90%Pb

a. diagrama de fasesRegra da Alavanca . Ligas parcialmente miscíveis


90%Pb - 10%Sn

B: 300°CPonto B (300 oC)Fases Presentes: Líquido + AlfaProporção das fases:%L = (10-8/18-8)x100%%L = 20%%alfa = (18-10/18-8)x100%%alfa = 80%

Composição das fases:Líquido: 18%Sn e 82%PbAlfa: 8%Sn e 92%Pb


18%8%


C: 200°C

90%Pb - 10%Sn

Ponto C (200 oC)Fases Presentes: AlfaProporção das fases:%alfa = 100%

Composição das fases:Alfa: 10%Sn e 90%Pb



90%Pb - 10%Sn

D: 100 °C

Ponto D (100 oC)Fases Presentes: Alfa + BetaProporção das fases:%alfa = (99-10/99-4)x100%%alfa = 94%%Beta = (10-4/99-4)x100%%Beta = 6%

Composição das fases:Alfa: 4%Sn e 96%PbBeta: 99%Sn e 1%Pb


Total imiscibilidadeMesmo com agitação e temperatura não se obtém uma fase única, exemplos: Água e óleo.

óleoágua


A microestrutura pode ser alterada para se fazer uso de propriedades mais adequadas em determinadas aplicações: deformação plástica, recristalização, adição de novas fases, manipular as fases pelas suas quantidades, proporções, tamanho e distribuição.

b. microestruturas

A microestrutura só segue o diagrama de equilíbrio em velocidades de solidificação muito lentas; na prática, não há tempo para a difusão completa e as microestruturas não são exatamente iguais às do equilíbrio,as taxas de resfriamento são muito rápidas para permitir reajustes de composição no estado sólido para manter um estado de equilíbrio; como consequência da solidificação fora do equilíbrio tem-se a segregação (a distribuição dos elementos no grão não é uniforme, sendo o centro do grão mais rico do elemento de maior ponto de fusão).

b. microestruturas

Nas microestruturas pode-se verificar: - A fases, proporção, tamanho,- A forma, distribuição da microestrutura, - Orientação dos grãos,

Microestrutura de uma única fase de molibdênio puro, composição

uniforme (aumento 200x)

Microestrutura de duas fases de perlita (aço com 0,8% de C), apresenta camadas alternadas de

ferrita e cementita (aumento 500x)

b. microestruturas

b. microestruturas

O aço é a denominação genérica para ligas de ferro-carbono com teores de carbono de 0,02 (727°C) à 2,11% (1148°C).

O ferro fundido (Fofo) é a designação genérica para ligas de ferro-carbono com teores de carbono acima de 2,11%.

Aços Fofos Gusa

O ferro gusa é a matéria prima para fabricação do aço e ferro fundido, possui mais de 4,3% de carbono.

c. diagrama Fe x Fe3C

transformação de austenita em ferrita

Aços Fofos Gusa

Aço com teor extra baixo de carbono.Grão de ferrita e pequenas inclusões não metálicas.


aços hipoeutetóides: menos que 0,77% de carbono

Microestrutura de perlita e ferrita Aço contendo 0,38% de carbonoFerrita é branca e perlita zebrada.

Ferrita

Perlita


aço eutetóide: 0,77% de carbono

Microestrutura de perlitaPerlita (ferrita + Fe3C)

Parte clara ferrita e a escura a cementita.


aços hipereutetóides: mais que 0,77% de carbono

Microestrutura de perlita e cementita. Aço contendo 1,4% de C.

Cementita no contorno de grão e perlita fase zebrada

Cementita

Perlita


Determine na liga FeC de 0,25%C as fases, proporção e composição de cada fase em 1000°C, 800°C e 720°C.

A: 1000°C


B: 800°C



C: 720°C



A:1000°C



B:800°C



D:720°C



MicrografiaEstudo dos produtos metalúrgicos, com o auxílio do microscópio.Observação das fases presentes e identificação do tamanho dos grãos do material (granulação), o teor aproximado de carbono no aço, a natureza, a forma, a quantidade, e a distribuição dos diversos constituintes ou de certas inclusões.

d. prática de laboratório

E t a p a s d e p r e p a r a ç ã o d a amostra1) C o r t e : é n e c e s s á r i o

particionar o corpo de prova para obter as amostras. Durante a operação de corte, deve-se ter o máximo de cuidado para não modificar a estrutura da amostra. O corte nunca deve ser contínuo, de m o d o q u e n ã o o c o r r a e x c e s s i v o a q u e c i m e n t o (acima de 100 ºC) por falta de penetração do refrigerante.


Etapas de preparação da amostra2) Embutimento: facilitar o manuseio de peças pequenas, evitar a danificação da lixa ou do pano de polimento, abaulamento da superfície, que traz sérias dificuldades ao observador.

embutidora desmoldante e baquelite


Etapas de preparação da amostra2) EmbutimentoPosicionar o embolo da prensa de embutimento de modo que a face fique completamente visível. Borrifar desmoldante no embolo inferior. Colocar a amostra com a face que se quer analisar para baixo. Baixar o embolo lentamente. Colocar a resina (baquelite . 3 a 5 medidas, 10 a 30 gramas). Borrifar desmoldante no embolo superior. Colocar o embolo superior, tampa e apertar a tecla partida. Manter a pressão durante o processo entre 125 e 150 kgf/mm2 Esperar a prensa de embutimento se desligar. Abrir a válvula de pressão e remover a tampa da prensa Fechar a válvula de pressão Erguer o embolo até ser possível pegar o corpo de prova Retirar o corpo de prova da prensa de embutimento, pegue com um papel, pois pode estar quente. Efetuar a limpeza do equipamento.


Etapas de preparação da amostra4) LixamentoOperação que tem por objetivo eliminar riscos e marcas mais profundas da superfície dando um acabamento a esta superfície, preparando-a para o polimento. A técnica de lixamento manual consiste em se lixar a amostra sucessivamente com lixas de granulometria cada vez menor, mudando-se de direção (90°) em cada lixa subsequente até desaparecerem os traços da lixa anterior.

A superfície deve estar rigorosamente limpa, isenta de líquidos e graxas que possam provocar reações químicas na superfície


Etapas de preparação da amostra5) PolimentoOperação pós lixamento que visa um acabamento superficial polido isento de marcas, utiliza para este fim abrasivos como pasta de diamante ou alumina. A superfície deve estar rigorosamente limpa e evite polimentos demorados e pressão excessiva sobre a amostra.


Etapas de preparação da amostra6) Ataque químicoSeu objetivo é permitir a identificação (visualização) dos contornos de grão e as diferentes fases na microestrutura. Um reagente ácido é colocado em contato com a superfície da peça por certo tempo. O reagente causará a corrosão da superfície. Antes de a amostra sofrer o ataque, a mesma deve estar perfeitamente limpa e seca, utilizar o álcool. Ataque por imersão: A superfície da amostra é imersa na solução de ataque, nesse caso o Nital 3% (97 ml álcool etílico + 3 ml ácido nítrico concentrado).


Visualização7) Microscopia

(After M. Eisenstadt, �Mechanical Properties of Materials�, Macmillan, 1971, p. 126.)

(Eisenstadt, M., Introduction to Mechanical Properties of Materials: Na Ecological Approach, 1. ed., ©1971. Reimpresso com permissão de Pearson Education, Inc., Upper Saddle River, NJ.) Efeito do ataque químico na microestrutura da superfície

polida de uma amostra de aço, observada por microscopia óptica. (a) Na condição de apenas polida, não se observam

quaisquer pormenores microestruturais. (b) Depois do contraste de um aço com teor muito baixo de carbono, apenas os contornos de grão são fortemente atacados

quimicamente, e aparecem como linhas escuras na microestrutura. (c) Depois do contraste de uma amostra polida, de um aço com médio teor de carbono, podem se

observar, na microestrutura, regiões escuras (perlita) e claras (ferrita). As regiões mais escuras de perlita foram mais fortemente atacadas pelo reagente e, por conseguinte,

refletem pouca luz.


Contagem de grãos ASTMFonte Smith e Hashemi (2010)O tamanho dos grãos de metais policristalinos é importante, já que a superfície dos contornos entre os grãos tem efeito importante em muitas propriedades dos metais, especialmente sua resistência mecânica.

O método para contagem de grão se baseia na norma ASTM E112, na qual define um número de tamanho de grão n, como sendo:

N = 2

Onde N, é o número de grãos por polegada quadrada (6,25 cm ) em uma superfície do material polida e atacada, observada com uma ampliação de 100x. O valor de n deve ser um número inteiro, que é designado de tamanho de grão ASTM.

n-1

2


Contagem de grãos ASTMFonte Smith e Hashemi (2010)

A tabela a seguir apresenta o número de tamanho de grão, a quantidade de grãos por polegada quadrada e por milímetro quadrado.



1) Após revelar a fotografia, demarque um espaço de 4" x 3" polegadas quadrada na imagem. Como contar os grãos.

4"

3"

2) Conte os meios grão das bordas da imagem. Nesse caso

existem 20 meios grãos, ou seja 10 grãos inteiros (indicados

pelos pontos vermelhos).

20 meios grãos ou seja 10 grãos inteiros



3) Agora conte o número de grãos inteiros. Foram contados 16 grãos inteiros (indicados pelos pontos azuis).

O total de grãos: 26 grãos

16 grãos inteiros

4"

3"

Porém, serão 26 grãos por 12", ou seja: N = 26/12" = 2,16 grãos/in2



Aplicando a equação: N = 2

2,16 grãos/in = 2 log 2,16 = (n-1)(log 2) 0,3344 = (n-1)(0,301) n = 2,11

O material possui n = 2

Classificação: n<3: grãos grosseiros 4<n<6: grãos médios 7<n<9: grãos refinados n>10: grãos ultrafinos

n-1

n-12


1. Capa: Nome da faculdade, título do trabalho, nome dos integrantes do grupo, nome do professor, nome da disciplina, cidade e ano.

2. Resumo e palavras chave.3. Abstract e key words.4. Lista de figuras e tabelas.5. Sumário.6. Introdução.7. Fundamentação teórica.8. Descrição da prática realizada.9. Contagem dos grãos ASTM.10. Medição de dureza da amostra (mínimo 5 medidas).11. Conclusões.

e. relatório . vale 3 pontos

valeu