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Introdução a
Ciência dos
Materiais Diagrama de Fases e
Equilíbrio
Prof. André Carvalho 1
IMPORTÂNCIA:
- Dá informações sobre microestrutura e propriedades mecânicas em função da temperatura e composição
- Permite a visualização da solidificação e fusão
- Prediz as transformações de fases
- Dá informações sobre outros fenômenos
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Os diagramas de fases (também chamados de diagrama de equilíbrio) relacionam temperatura, composição química e quantidade das fases em equilíbrio. Um diagrama de fases é um
“mapa” que mostra quais fases são as mais estáveis nas diferentes composições, temperaturas e pressões.
A microestrutura dos materiais pode ser relacionada diretamente com o diagrama de fases.
Existe uma relação direta entre as propriedades dos materiais e as suas microestruturas.
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SOLUBILIDADE COMPLETA
SOLUBILIDADE INCOMPLETA
INSOLUBILIDADE
LIMITE DE SOLUBILIDADE: é a concentração máxima de átomos de soluto que pode dissolver-se no solvente, a
uma dada temperatura, para formar uma solução sólida.
Quando o limite de solubilidade é ultrapassado forma-se uma
segunda fase com composição distinta
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FASE É A PORÇÃO HOMOGÊNEA DE UM SISTEMA QUE TEM CARACTERÍSTICAS FÍSICAS E QUÍMICAS DEFINIDAS
Todo metal puro e uma considerado uma fase
Uma fase é identificada pela composição química e microestrutura
A interação de 2 ou mais fases em um material permite a obtenção de propriedades diferentes É possível alterar as propriedades do material alterando a forma e distribuição das fases
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É COMO UM MAPA PARA A DETERMINAÇÃO DAS FASES PRESENTES, PARA QUALQUER TEMPERATURA E COMPOSIÇÃO, DESDE QUE A LIGA ESTEJA EM EQUILÍBRIO
- Termodinamicamente o equilíbrio é descrito em termos de energia livre
- Um sistema está em equilíbrio quando a energia livre é mínima
O equilíbrio de fases é o reflexo da constância das características das fases com o tempo
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Fases de equilíbrio: suas propriedades ou características não mudam com o tempo.
Geralmente são representadas nos diagramas por letras gregas
Fases metaestáveis: suas propriedades ou características mudam lentamente com o tempo, ou seja, o estado de equilíbrio não é nunca alcançado. No entanto, não há mudanças muito perceptíveis com o tempo na microestrutura das fases metaestáveis.
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Isomorfo quando a solubilidade é completa (Exemplo: Sistema Cu-Ni)
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INTERPRETAÇÃO DO DIAGRAMA DE
EQUILÍBRIO
- Fases presentes localiza-se a temperatura e
composição desejada e verifica-se o número de fases presentes
- Composição química das fases usa-se o método da linha de conecção (isotérma)
Para um sistema monofásico a composição é a mesma da liga
- Percentagem das fases (quantidades relativas das fases) regra das alavancas
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Comp. Liq= 32% de Ni e 68% de Cu
Comp. Sol. = 45% de Ni e 55% de Cu
B
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Ex: o centro do grão mais rico do elemento com o elemento
de maior ponto de fusão)
centro do grão
A distribuição dos 2 elementos no grão não é uniforme.
É usada para se determinar as proporções das
fases em equilíbrio em um campo de duas fases
è Chega-se à regra das fases simplesmente
através de um balanço de massa.
è Consideremos WL e Wα as frações mássicas,
Respectivamente, da fase líquida, L, e da fase sólida, α.
èCada componente do sistema pode estar em cada uma
das fases, em concentração CL (no líquido) e Ca (no sólido)
è As duas equações abaixo podem ser escritas:
EMBRIÕES DA
FASE SÓLIDA
LÍQUIDO
Nucleação e crescimento de grão
Contornos dos
grãos cristalinos
P = número de fases presentes C = número de componentes do sistema N = número de variáveis além da composição p.ex., temperatura, pressão F = número de graus de liberdade
número de variáveis que pode ser alterado de forma independente sem alterar o número de fases existente no sistema
A regra das fases representa um critério para o número de fases que coexistirão num sistema no equilíbrio.
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P + F = C + N
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A microestrutura só segue o diagrama de equilíbrio para velocidades de solidificação lentas
Na prática, não há tempo para a difusão completa e as microestruturas não são exatamente iguais às do equilíbrio
O grau de afastamento do equilíbrio dependerá da taxa de resfriamento
Como conseqüência da solidificação fora do equilíbrio tem-se a segregação (a distribuição dos 2 elementos no grão não é uniforme.
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É dada pela linha solvus
LINHA SOLVUS
() ()
+
LINHA SOLVUS
+ l l +
() +
()
n
Reação eutética:
Líquido +
Neste caso a solidificação processa-se como num metal puro, no entanto o produto é 2 fases sólidas distintas.
Microestrutura do eutético:
LAMELAR camadas alternadas de fase e .
Ocorre desta forma porque é a de menor percurso para a difusão
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Líquido +
LINHA SOLVUS
() +
()
Indica solubilidade
Eutético : ponto onde o equilíbrio é invariante, portanto o equilíbrio
entre três fases ocorre a uma determinada temperatura e as composições
das três fases são fixas.
HIPOEUTÉTICO COMPOSIÇÃO MENOR QUE O EUTÉTICO
HIPEREUTÉTICO COMPOSIÇÃO MAIOR
QUE O EUTÉTICO
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Região preta é a fase primária rica em Pb
Lamelas são constituídas de fase rica em Pb e fase rica em Sn
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REAÇÃO EUTETÓIDE:
+
( a diferença do eutético é que uma fase sólida, ao invés de uma líquida, transforma-se em duas outras fases sólidas.
REAÇÃO PERITÉTICA: Envolve três fases em equilíbrio
+ Líquido
Uma fase sólida mais uma fase líquida transforma-se numa outra fase sólida
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Ponto de
fusão
congruente
