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MCM – Tratamentos térmicos dos aços DIAGRAMAS DE FASES.

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1 MCM – Tratamentos térmicos dos aços DIAGRAMAS DE FASES

2 Definições e conceitos básicos Componente: metais puros ou compostos que compõem uma liga. Sistema: série de possíveis ligas com os mesmos componentes. Solução sólida: átomos de soluto são adicionados ao solvente sem que a estrutura cristalina deste último se altere. Fase: porção homogênea de um sistema com características químicas e físicas uniformes.

3 Limite de solubilidade Concentração máxima de átomos de soluto que pode se dissolver no solvente A adição de soluto além deste limite resulta na formação de um outro composto com composição química diferente. (Ex.: sistema água - açúcar) Varia com a temperatura.

4 Diagrama de solubilidade Solubilidade do açúcar na água Fonte: CALLISTER, W. D, Fundamentals of Materials Science and Engineering

5 Microestrutura Influi no comportamento mecânico do material. Caracteriza-se pelo número de fases presentes, suas proporções, distribuições e arranjos. Depende de variáveis como os elementos presentes, suas concentrações e tratamentos térmicos.

6 Microestrutura do ferro α (ferrita) ampliação 90X Microestrutura Fonte: CALLISTER, W. D, Fundamentals of Materials Science and Engineering

7 Microestrutura de um aço contendo 0,44%p C ampliação 3000X Microestrutura Fonte: CALLISTER, W. D, Fundamentals of Materials Science and Engineering

8 Microestrutura de um aço contendo 1,40%p C ampliação 1000X Microestrutura Fonte: CALLISTER, W. D, Fundamentals of Materials Science and Engineering

9 Equilíbrio de fases Energia livre: função da energia interna e da entropia de um sistema. Sistema em equilíbrio energia livre mínima. Equilíbrio de fases: as características das fases de um sistema não se alteram com o tempo. O equilíbrio de um sistema é perturbado com variações de P, T e composição.

10 Equilíbrio de fases Sistemas sólidos: estado do sistema caracteriza-se pela sua microestrutura. Em sistemas sólidos, o tempo para atingir o equilíbrio é extremamente longo (taxas de difusão sólida baixas). Sistema metaestável: sistema que ainda não atingiu o estado de equilíbrio. Estruturas metaestáveis são de grande importância na engenharia de materiais.

11 Diagramas de fases Representam relações entre a temperatura e as composições, além das quantidades de cada fase em condições de equilíbrio. Geralmente referem-se a ligas binárias. A pressão externa também influencia a estrutura das fases. São úteis para a previsão das transformações de fases e microestruturas resultantes.

12 Diagramas de fases Diagrama de fases do sistema Fe-Fe 3 C Fonte: CALLISTER, W. D, Fundamentals of Materials Science and Engineering

13 Sistemas isomorfos binários Exemplo: sistema Cu - Ni São completamente solúveis um no outro, tanto na fase líquida como sólida. Apenas duas fases (α e L). Tanto o Cu como o Ni possuem estrutura CFC (isomorfos), raios atômicos, eletronegatividades e valências semelhantes.

14 Sistemas isomorfos binários Diagrama de fases do sistema Cu - Ni Fonte: CALLISTER, W. D, Fundamentals of Materials Science and Engineering

15 Determinação das fases presentes Diagrama de fases do sistema Cu - Ni Fonte: CALLISTER, W. D, Fundamentals of Materials Science and Engineering

16 Detalhe do diagrama de fase Cu – Ni %L = S. 100% R + S % = R. 100% R + S %L = C – C % C – C L % = C – C L. 100% C – C L Fonte: CALLISTER, W. D, Fundamentals of Materials Science and Engineering Determinação das composições das fases presentes

17 Desenvolvimento de microestruturas em ligas isomorfas Exemplo: sistema Cu - Ni Composição: 35%p Ni – 65%p Cu Temperatura inicial: 1300 o C Condição: resfriamento muito lento, de forma a manter um equilíbrio contínuo entre as fases.

18 Detalhe do diagrama de fase Cu – Ni Desenvolvimento de microestruturas em equilíbrio Fonte: CALLISTER, W. D, Fundamentals of Materials Science and Engineering

19 Resfriamento de ligas isomorfas fora das condições de equilíbrio Sistemas em equilíbrio: variações de T devem ser lentas para que se completem os processos de difusão. Como conseqüência, são desenvolvidas estruturas metaestáveis. Na prática, as taxas de resfriamento são muito rápidas para permitir a completa difusão e a manutenção do equilíbrio.

20 Exemplo: sistema Cu - Ni Composição: 35%p Ni – 65%p Cu Temperatura inicial: 1300 o C Condição: velocidade de resfriamento não permite manter um equilíbrio contínuo entre as fases. Resfriamento de ligas isomorfas fora das condições de equilíbrio

21 Detalhe do diagrama de fase Cu – Ni Fonte: CALLISTER, W. D, Fundamentals of Materials Science and Engineering Desenvolvimento de microestruturas metaestáveis

22 Resfriamento de ligas isomorfas fora das condições de equilíbrio Deslocamento da curva solidus depende da taxa de resfriamento e das taxas de difusão sólida. Propriedades mecânicas de estruturas zonadas são inferiores às ótimas. Segregação: gradientes de concentração ao longo dos grãos – estrutura zonada.

23 Sistemas eutéticos binários Exemplo: Sistema Cu - Ag Fases α: solução sólida na qual o Cu é o solvente e a Ag é o soluto. Três fases: α, β e L. Fases β : solução sólida na qual a Ag é o solvente e o Cu é o soluto.

24 Sistemas eutéticos binários Diagrama de fases do sistema Cu-Ag Fonte: CALLISTER, W. D, Fundamentals of Materials Science and Engineering

25 Sistemas eutéticos binários Ponto invariante reação eutética Ponto invariante (eutético = facilmente fundido) Composição do eutético: C E = Ag(71,9%p) Reação eutética: L(Ag 71,9%p) α (Ag 8,0%p) + β (Ag 91,2%p) aquecimento resfriamento

26 Desenvolvimento de microestruturas em ligas binárias eutéticas Exemplo: sistema Pb - Sn Composição: 99%p Pb – 1%p Sn Temperatura inicial: 350 o C Condição: resfriamento muito lento, de forma a manter um equilíbrio contínuo entre as fases.

27 Detalhe do diagrama de fase Pb – Sn Desenvolvimento de microestruturas em ligas binárias eutéticas Fonte: CALLISTER, W. D, Fundamentals of Materials Science and Engineering

28 Desenvolvimento de microestruturas em ligas binárias eutéticas Exemplo: sistema Pb - Sn Composição: 85%p Pb – 15%p Sn Temperatura inicial: 350 o C Condição: resfriamento muito lento, de forma a manter um equilíbrio contínuo entre as fases.

29 Detalhe do diagrama de fase Pb – Sn Desenvolvimento de microestruturas em ligas binárias eutéticas Fonte: CALLISTER, W. D, Fundamentals of Materials Science and Engineering

30 Desenvolvimento de microestruturas em ligas binárias eutéticas Exemplo: sistema Pb - Sn Composição: 38,1%p Pb – 61,9%p Sn (eutético) Temperatura inicial: 350 o C Condição: resfriamento muito lento, de forma a manter um equilíbrio contínuo entre as fases.

31 Diagrama de fase Pb – Sn Desenvolvimento de microestruturas em ligas binárias eutéticas Fonte: CALLISTER, W. D, Fundamentals of Materials Science and Engineering

32 Desenvolvimento de microestruturas em ligas binárias eutéticas Fonte: CALLISTER, W. D, Fundamentals of Materials Science and Engineering

33 Desenvolvimento de microestruturas em ligas binárias eutéticas Microestrutura de uma liga eutética Pb - Sn ampliação 375X Fonte: CALLISTER, W. D, Fundamentals of Materials Science and Engineering Fase α Fase β

34 Desenvolvimento de microestruturas em ligas binárias eutéticas Exemplo: sistema Pb - Sn Composição: 60%p Pb – 40%p Sn (eutético) Temperatura inicial: 300 o C Condição: resfriamento muito lento, de forma a manter um equilíbrio contínuo entre as fases.

35 Diagrama de fase Pb – Sn Desenvolvimento de microestruturas em ligas binárias eutéticas Fonte: CALLISTER, W. D, Fundamentals of Materials Science and Engineering

36 Desenvolvimento de microestruturas em ligas binárias eutéticas Microestrutura de uma liga 60%pPb – 40%pSn ampliação 400X Fonte: CALLISTER, W. D, Fundamentals of Materials Science and Engineering Fase α Fase β Fase α primária


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