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DIAGRAMA DE FASE OU DE EQUILÍBRIO. 2 ROTEIRO DA AULA Importância do tema Definições : componente, sistema, fase, equilíbrio Limite de solubilidade Metaestabilidade.

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1 DIAGRAMA DE FASE OU DE EQUILÍBRIO

2 2 ROTEIRO DA AULA Importância do tema Definições : componente, sistema, fase, equilíbrio Limite de solubilidade Metaestabilidade (sistemas fora do equilíbrio) Sistemas com um único componente Sistemas binários Regra da alavanca Regra das Fases Transformações : eutética, eutetóide, peritética, peritetóide Desenvolvimento de estruturas em sistemas binários em condições de equilíbrio fora do equilíbrio em sistemas com eutéticos

3 3 DIAGRAMA DE FASE OU DE EQUILÍBRIO 1. IMPORTÂNCIA: - Dá informações sobre microestrutura e propriedades mecânicas em função da temperatura, composição e quantidade de fase em equilíbrio; - Permite a visualização da solidificação e fusão; - Prediz as transformações de fases; - Dá informações sobre outros fenômenos.

4 4 DIAGRAMA DE FASE OU DE EQUILÍBRIO 2.Definições: Componentes: - Componentes: São metais puros e/ou compostos químicos e/ou compostos que constituem uma liga. (Latão = Cu + Zn) Sistema: Sistema: – Definição 1 : quantidade de matéria com massa e identidade fixas sobre a qual dirigimos a nossa atenção. Todo o resto é chamado vizinhança. Exemplo: uma panela de fundição com aço fundido. – Definição 2 : série de ligas formadas pelos mesmos componentes, independendo da composição específica. Exemplo: o sistema Ferro-Carbono. Fase: Fase: – Uma porção homogênea do sistema, que possui propriedades físicas e químicas características. Exemplo: fases a, b e L da liga ao lado.

5 5 DIAGRAMA DE FASE OU DE EQUILÍBRIO 2.Definições: Fase: Fase:

6 6 DIAGRAMA DE FASE OU DE EQUILÍBRIO 2.Definições:EQUILÍBRIO Em termos “macroscópicos” – Um sistema está em equilíbrio quando suas características não mudam com o tempo, e tende a permanecer nas condições em que se encontra indefinidamente, a não ser que seja perturbado externamente. Em termos termodinâmicos Em termos termodinâmicos – Um sistema está em equilíbrio quando sua energia livre é mínima, consideradas as condições de temperatura, pressão e composição em que ele se encontra. – Variações dessas condições resultam numa alteração da energia livre, e o sistema pode espontaneamente se alterar para um outro estado de equilíbrio (no qual a energia livre seja mínima para as novas condições de temperatura, pressão e composição). Energia Livre DG = DH – T DS

7 7 DIAGRAMA DE FASE OU DE EQUILÍBRIO 2.Definições:

8 8 DIAGRAMA DE FASE OU DE EQUILÍBRIO

9 9 2.Definições:Microestrutura é caracterizada pelo número de fases existentes, por suas proporções e pela maneira pela qual elas estão distribuídas ou arranjadas. Molibdênio puro Latão (cobre-zinco) Alumínio- 18% silício)

10 10 4. FASES DE EQUILÍBRIO E FASES METAESTÁVEIS Fases de equilíbrio: Fases de equilíbrio: suas propriedades ou características não mudam com o tempo. Geralmente são representadas nos diagramas por letras gregas Fases metaestáveis: Raio-X 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  Raio-X

11 11 SISTEMAS BINÁRIOS ISOMORFOS L: L: Solução líquida homogênea contendo Ni+ CU : : Solução sólida homogênea contendo Ni+ CU. Isomorfo: Isomorfo: sistema em que existe solubilidade completa dos dois componentes nos estados líquidos e sólidos Linha liquidus: Linha liquidus: a fase líquida está presente em todas as temperaturas e composições localizadas acima desta linha. Linha solidus Linha solidus: abaixo da qual, para qualquer temperatura e composição, existe apenas a fase sólida.

12 12 % atômica Ni L = Solução líquida homogênea de Cu + Ni Solução sólida homogênea de Cu + Ni SISTEMAS BINÁRIOS ISOMORFOS

13 DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO PARA SISTEMAS BINÁRIOS E ISOMÓRFOS Isomorfo quando a solubilidade é completa (Exemplo: Sistema Cu-Ni) linha liquidus linha solidus FILME

14 14 INTERPRETAÇÃO DO DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO Fases presentes - Fases presentes localiza-se a temperatura e composição desejada e verifica-se o número de fases presentes Composição química das fases - Composição química das fases usa-se o método da linha de conexão (isotérma) Para um sistema monofásico a composição é a mesma da liga Percentagem das fases - Percentagem das fases (quantidades relativas das fases) regra das alavancas

15 15 SISTEMA BINÁRIO Cu-Ni DETERMINAÇÃO DAS FASES PRESENTES B 1- determina a temperatura e composição no diagrama. Ex: T 1150ºC 50%p de Ni B – 100% fase sólida A composição é a mesma da liga. C

16 16 SISTEMA BINÁRIO Cu-Ni DETERMINAÇÃO DA COMPOSIÇÃO QUÍMICA DAS FASES Comp. Liq= 32% de Ni e 68% de Cu Comp. Sol. = 45% de Ni e 55% de Cu B Existe duas formas: 1- Região monofásica: 1- Região monofásica: a composição é a mesma da liga presente. Ex: T 1100ºC; 80%p de Ni (A) %100 fase sólida 80% de Ni e 20%Cu. 2- Região bifásica: Ex: T= 1240ºC; 60%Ni A 1- determina a temperatura e composição no diagrama.

17 17 SISTEMA Cu-Ni Determinação das quantidades relativas das fases Existe duas formas: 1- Região monofásica:%100 fase. 1- Região monofásica: somente uma fase está presente %100 fase. 2- Região bifásica : 2- Região bifásica : usa-se a linha de amarração em conjunto à regra da alavanca. Seguindo o procedimento: Constroi-se a linha de amarração e localiza a composição global sobre esta linha; Calcula-se a fração de fase: toma-se o comprimento da linha de amarração desde a composição global até a fronteira com a fase oposta e divide-se pelo comprimento total da linha de amarração A fração da outra fase é determinada de maneira semalhante;

18 18 SISTEMA Cu-Ni Determinação das quantidades relativas das fases Comp. Liq= 31,4% Ni e 68,9%Cu Comp. Sol. = 42,5,4 %Ni e %57,5Cu Composição das fases Percentagem das fases L = S R+S S = R R+S L = C  -C 0 C  -C L L = C o -C L C  -C L Fase líquida: Fase sólida:

19 19 SISTEMA Cu-Ni Exercício: Determinação das quantidades relativas das fases (tomando: 1250ºC; 35%pNi) Comp. Liq= 31,4% Ni e 68,9%Cu Comp. Sol. = 42,5,4 %Ni e %57,5Cu Composição das fases

20 20 SISTEMA Cu-Ni Exercício: Determinação das quantidades relativas das fases (tomando: 1250ºC; 35%pNi) Comp. Liq= 31,4% Ni e 68,9%Cu Comp. Sol. = 42,5,4 %Ni e %57,5Cu Composição das fases

21 21 a.Exercício: Uma liga Cu-Ni com composição 70%pNi-30%pCu é aquecida lentamente a partir de 1300ºC. Determine: Temperatura que se forma a primeira fração de fase líquida; Qual a composição desta fase líquida Qual a temperatura que ocorre a fusão completa da liga. Qual a composição da última fração de sólido que permanece no meio antes da fusão completa

22 22 DESENVOLVIMENTO DA MICROESTRUTURA SOLIDIFICAÇÃO EM EQUÍLIBRIO 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).

23 23 DESENVOLVIMENTO DA MICROESTRUTURA SOLIDIFICAÇÃO EM EQUÍLIBRIO (35%p Ni – 65%pCu) 1260ºC Composição química das fases Quantidade relativa das fases LíquidosólidoLíquidosólido Ponto a35%pNi0%100%0% Ponto b35%pNi46%pNi100%0% Ponto c32%pNi43%pNi -73%pNi27%pNi Ponto d24%pNi35%pNi -0%100% Ponto e0%35%pNi -0%100%

24 24 DESENVOLVIMENTO DA MICROESTRUTURA SOLIDIFICAÇÃO EM EQUÍLIBRIO (35%p Ni – 65%pCu) 1260ºC

25 25 “CORED” x EQUILÍBRIO DE FASES Rápida taxa de resfriamento: Baixa taxa de resfriamento: Estrutura de “CORED” Equilíbrio

26 26 Microestrutura fora do equílibio CONSEQÜÊNCIAS DA SOLIDIFICAÇÃO FORA DO EQUILÍBRIO: Segregação zonamento (coring) diminuição das propriedades Pode haver a necessidade de recozimento Zonamento observado numa liga de Zn Contendo Zr (aumento 400X)

27 27 Mudança na composição das fases durante o processo de solidificação

28 28 Curva de solidificação e Remoção do calor latente de fusão

29 29 Propriedades mecânicas isomorfas

30 30 SISTEMAS EUTÉTICOS BINÁRIOS São encontradas 3 regiões monofásicas distintas: rica em cobre e prata como soluto rica em prata e cobre como soluto 1.Temperaturas baixo da linha BEG apenas uma concentração limitada de prata irá se dissolver no cobre – idem para o cobre. 2.CBA –limite de solubilidade para a fase 3.B (8%p Ag)Solubilidade máxima da prata no cobre na fase 4.G (8,8%pCu) solubilidade máxima do Cobre na Prata na fase

31 31 SISTEMAS EUTÉTICOS BINÁRIOS 1.3 regiões bifásicas 2.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. 1.Composição eutética – solidifica a uma T abaixo de qualquer outra liga 2.Temperatura eutética – T mais baixa a qual pode existir fase líquida

32 32 Exercício Faça uma análise das fases presentes nos seguintes pontos do diagrama de fases Pb-Sn: 40%Sn e T= 150ºC Composição das fases Alfa = 10% Sn – 90% Pb Beta =98%Sn-2%Pb Quantidade das fases

33 33 SISTEMAS EUTÉTICOS BINÁRIOS Exercício Faça uma análise das fases presentes nos seguintes pontos do diagrama de fases Pb-Sn: (fases presentes, composição das fases e proporção das fases) a.Composição eutética: b.40%Sn e T= 230ºC c.40%Sn e T= 185ºC d.40%Sn e T= 180ºC

34 34 SISTEMAS EUTÉTICOS BINÁRIOS Composição61,9%Sn 38,1%Pb Fases presentesalfabeta Composição das fases 19,2%pSn;80,8%p Pb97,5%p Sn ; 2,5%pPb Proporção das fases (97,5-61,9)/(97,5-19,2)*100% = 45,5% (61,9-19,2)/(97,5-19,2)*100%= 54,5% Composição40%Sn 60%Pb Fases presentesLíquidoalfa Composição das fases 48%pSn; 52%p Pb15%p Sn ; 85%pPb Proporção das fases (40-15)/(48-15)*100% = 76%(48-40)/(48-15)*100%= 24% 40%Sn e T= 230ºC a.Composição eutética:

35 35 SISTEMAS EUTÉTICOS BINÁRIOS Composição61,9% 38,1%Pb Fases presentesalfabeta Composição das fases 19,2%pSn;80,8%p Pb97,5%p Sn ; 2,5%pPb Proporção das fases (97,5-40)/(97,5-19,2)*100% = 73% (40-19,2)/(97,5-19,2)*100%= 27% Composição40%Sn 60%Pb Fases presentesLíquidoalfa Composição das fases 61,9%pSn; 38,1%p Pb19,2%p Sn ; 80,8%pPb Proporção das fases (40-19,2)/(61,9-19,2)*100% = 49% (61,9-40)/(61,9-19,2)*100%= 51% 40%Sn e T= 185ºC 40%Sn e T= 180ºC

36 36 Desenvolvimento de microestrutura em ligas eutéticas Sn Pb Resfriamento a partir de 350ºC até 20ºC da Caso 1 Composição - 2%p Sn Varia entre a composição de um componente puro e a solubilidade sólida máx para o componente a temp. ambiente. Muito pequena a faixa de composições químicas em que pode se formar estrutura monofásica

37 37 Desenvolvimento de microestrutura em ligas eutéticas Sn Pb Resfriamento a partir de 350ºC até 20ºC da Caso 2 Composição - 15%p Sn PRECIPITAÇÃO Ao ser ultrapassado o limite de solubilidade (linha solvus) de Sn no Pb, ocorre a precipitação da fase, de reticulado cristalino distinto do da fase e com distintas propriedades físico-químicas.

38 38 Desenvolvimento de microestrutura em ligas eutéticas A transformação eutética correspondeà formação de uma mistura deduas fases a partir do líquidoformando um arranjo interpenetradoA transformação eutética correspondeà formação de uma mistura deduas fases a partir do líquidoformando um arranjo interpenetrado Caso 3 - Solidificação da composição eutética

39 39 Desenvolvimento de microestrutura em ligas eutéticas A transformação eutética correspondeà formação de uma mistura deduas fases a partir do líquidoformando um arranjo interpenetradoA transformação eutética correspondeà formação de uma mistura deduas fases a partir do líquidoformando um arranjo interpenetrado Estrutura eutética

40 40 Desenvolvimento de microestrutura em ligas eutéticas A transformação eutética correspondeà formação de uma mistura deduas fases a partir do líquidoformando um arranjo interpenetradoA transformação eutética correspondeà formação de uma mistura deduas fases a partir do líquidoformando um arranjo interpenetrado Caso 4 – todas as composições que durante o resfriamento cruzam a isoterma eutética (com exceção da composição eutética). Em ligas hipo-eutéticas ocorre inicialmente precipitação de fase primária - dendritas de a pró-eutéticas. O líquido eutético residual L (61,9% Sn) se transforma em microestrutura eutética [a(18,3% Sn)+b(97,8%Sn)].

41 41 Desenvolvimento de microestrutura em ligas eutéticas A transformação eutética correspondeà formação de uma mistura deduas fases a partir do líquidoformando um arranjo interpenetradoA transformação eutética correspondeà formação de uma mistura deduas fases a partir do líquidoformando um arranjo interpenetrado Fração de microconstituinte eutético = fração da fase líquida. PQR

42 42 Reação eutetóide e peritetóide A transformação eutética correspondeà formação de uma mistura deduas fases a partir do líquidoformando um arranjo interpenetradoA transformação eutética correspondeà formação de uma mistura deduas fases a partir do líquidoformando um arranjo interpenetrado Fração de microconstituinte eutético = fração da fase líquida.

43 43 SISTEMA EUTÉTICO – REGRA DAS FASES

44 44 REAÇÕES NA REGIÃO DE SOLUBILIDADE

45 45 HIPO-EUTÉTICO E HIPER-EUTÉTICO HIPO-EUTÉTICO COMPOSIÇÃO MENOR QUE O EUTÉTICO HIPER-EUTÉTICO COMPOSIÇÃO MAIOR QUE O EUTÉTICO

46 46 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 DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO TENDO FASES INTERMEDIÁRIAS

47 47 PERITÉTICO E EUTÉTICO

48 48 PERITÉTICO Envolve 3 fases em equilíbrio

49 49 PERITÉTICO DUPLO

50 50 EUTÉTICO, EUTETÓIDE E PERITÉTICO Ponto de fusão congruente

51 51 REAÇÃO MONOTÉTICA E EUTÉTICA Dois líquidos imiscíveis formam uma fase sólida e uma fase líquida (MONOTÉTICA) EUTÉTICA

52 52 PONTO DE FUSÃO E TRANSFORMAÇÕES ALOTRÓPICAS

53 53 DIAGRAMA TERNÁRIO

54 54 COMPPOSIÇÃO EM DIAGRAMA TERNÁRIO TRIÂNGULO DE GIBBS

55 55 DIAGRAMA DE FASE Fe-C

56 56 FERRO PURO FERRO  = FERRITA FERRO  = AUSTENITA FERRO  = FERRITA  TF= 1534  C As fases ,  e  são soluções sólidas com Carbono intersticial cfc ccc

57 57 Ferro Puro /Formas Alotrópicas FERRO  = FERRITA Estrutura= ccc Temperatura “existência”= até 912  C Fase Magnética até 768  C (temperatura de Curie) Solubilidade máx do Carbono= 0,002% a 727  C É mole e dúctil FERRO  = AUSTENITA Estrutura= cfc Temperatura “existência”=  C Fase Não-Magnética Solubilidade máx do Carbono= 2,14% a 1147  C É mais dura

58 58 FERRO PURO cfc ccc

59 59 Ferro Puro /Formas Alotrópicas FERRITAAUSTENITA

60 60 Ferro Puro /Formas Alotrópicas FERRO  = FERRITA  Estrutura= ccc Temperatura “existência”= acima de 1394  C Fase Não-Magnética Como é estável somente a altas temperaturas não tem interesse comercial

61 61 FERRO PURO cfc ccc

62 62 Sistema Fe-Fe 3 C Ferro Puro= até 0,002% de Carbono Aço= 0,002 até 2,06% de Carbono Ferro Fundido= 2,1-4,5% de Carbono Fe 3 C (CEMENTITA)= Forma-se quando o limite de solubilidade do carbono é ultrapassado (6,7% de C)

63 63 DIAGRAMA DE FASE Fe-C

64 64 CEMENTITA (Fe 3 C) Forma-se quando o limite de solubilidade do carbono é ultrapassado (6,7% de C) É dura e frágil é um composto intermetálico metaestável, embora a velocidade de decomposição em ferro  e C seja muito lenta A adição de Si acelera a decomposição da cementita para formar grafita

65 65 PONTOS IMPORTANTES DO SISTEMA Fe- Fe 3 C (EUTÉTICO) PONTO C LIGA EUTÉTICA é o ponto mais baixo de fusão Líquido FASE  (austenita) + cementita - Temperatura= 1147  C - Teor de Carbono= 4,3% As ligas de Ferro fundido de 2,06-4,3% de C são chamadas de ligas hipo-eutéticas As ligas de Ferro fundido acima de 4,3% de C são chamadas de ligas hiper-eutéticas

66 66 DIAGRAMA DE FASE Fe-C C

67 67 PONTOS IMPORTANTES DO SISTEMA Fe- Fe 3 C (EUTETÓIDE) PONTO S LIGA EUTETÓIDE é o liga de menor temperatura de transformação no estadp sólido sólida; AustenitaFASE  (FERRITA) + Cementita - Temperatura= 723  C - Teor de Carbono= 0,8 % Aços com 0,002-0,8% de C são chamadas de aços hipo- eutetóide; Aços com 0,8-2,06% de C são chamadas de aços hiper- eutetóides.

68 68 DIAGRAMA DE FASE Fe-C S

69 69 MICROESTRUTURAS / EUTETÓIDE Supondo resfriamento lento para manter o equilíbrio É similar ao eutético Consiste de lamelas alternadas de fase  (ferrita) e Fe 3 C (cementita) chamada de PERLITA FERRITA lamelas + espessas e claras CEMENTITA lamelas + finas e escuras Propriedades mecânicas da perlita intermediária entre ferrita (mole e dúctil) e cementita (dura e frágil)

70 70 MICROESTRUTURAS / EUTETÓIDE

71 71 MICROESTRUTURAS /HIPOEUTETÓIDE Supondo resfriamento lento para manter o equilíbrio Teor de Carbono = 0,002- 0,8 % Estrutura Ferrita + Perlita As quantidades de ferrita e perlita variam conforme a % de carbono e podem ser determinadas pela regra da alavanca; Partes claras  pró eutetóide ferrita.

72 72 MICROESTRUTURAS /HIPEREUTETÓIDE Supondo resfriamento lento para manter o equilíbrio Teor de Carbono = 0,8-2,06 % Estrutura cementita+ Perlita As quantidades de cementita e perlita variam conforme a % de carbono e podem ser determinadas pela regra das alavancas Partes claras  pró eutetóide cementita


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