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9. Diagramas de fase em condições de equilíbrio - Definições e conceitos básicos: identificação das fases, limite de solubilidade, microestrutura das fases.

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1 9. Diagramas de fase em condições de equilíbrio - Definições e conceitos básicos: identificação das fases, limite de solubilidade, microestrutura das fases - Diagramas de equilíbrio binários isomorfos e eutéticos - Reações eutetóides e peritéticas - Sistema Fe-C e microestruturas que se formam no resfriamento lento

2 Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS 2 DIAGRAMA DE FASE OU DE EQUILIBRIO 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

3 Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS 3 2. LIMITE DE SOLUBILIDADE b SOLUBILIDADE COMPLETA b SOLUBILIDADE INCOMPLETA b 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 Quando o limite de solubilidade é ultrapassado forma-se uma segunda fase com composição distinta

4 Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS 4 3. FASES FASE É A PORÇÃO HOMOGÊNEA DE UM SISTEMA QUE TEM CARACTERÍSTICAS FÍSICAS E QUÍMICAS DEFINIDAS Todo metal puro e uma considerado uma fase b Uma fase é identificada pela composição química e microestrutura b A interação de 2 ou mais fases em um material permite a obtenção de propriedades diferentes b É possível alterar as propriedades do material alterando a forma e distribuição das fases

5 Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS 5 4. DIAGRAMA DE FASES OU DE EQUILÍBRIO b 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

6 Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS 6 4. FASES DE EQUILÍBRIO E FASES METAESTÁVEIS b Fases de equilíbrio: suas propriedades ou características não mudam com o tempo. Geralmente são representadas nos diagramas por letras gregas b 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.

7 Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO PARA SISTEMAS BINÁRIOS E ISOMÓRFOS b Isomorfo quando a solubilidade é completa (Exemplo: Sistema Cu-Ni)

8 Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS 8 SOLUÇÃO SÓLIDA COM GAP DE MISCIBILIDADE Gap de miscibilidade

9 Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS 9 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

10 Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS 10 SISTEMA Cu-Ni DETERMINAÇÃO DAS FASES PRESENTES E DA COMPOSIÇÃO QUÍMICA DAS FASES Comp. Liq= 32% de Ni e 68% de Cu Comp. Sol. = 45% de Ni e 55% de Cu B

11 Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS 11 SISTEMA Cu-Ni Determinação das quantidades relativas das fases b Composição das fases b Percentagem das fases Fase líquida Fase sólida Comp. Liq= 31,4% Ni e 68,9%Cu Comp. Sol. = 42,5,4 %Ni e %57,5Cu L = S R+S S = R R+S L = C -C 0 C -C L L = C o -C L C -C L

12 Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS 12 DESENVOLVIMENTO DA MICROESTRUTURA b A microestrutura só segue o diagrama de equilíbrio para velocidades de solidificação lentas b Na prática, não há tempo para a difusão completa e as microestruturas não são exatamente iguais às do equilíbrio b O grau de afastamento do equilíbrio dependerá da taxa de resfriamento b Como conseqüência da solidificação fora do equilíbrio tem-se a segregação (a distribuição dos 2 elementos no grão não é uniforme.

13 Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS 13 Mudança na composição das fases durante o processo de solidificação b Ex: o centro do grão mais rico do elemento com o elemento de maior ponto de fusão)

14 Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS 14 Curva de solidificação e Remoção do calor latente de fusão Remoção do calor latente de fusão

15 Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS 15 FORMAÇÃO DA MICROESTRUTURA A distribuição dos 2 elementos no grão não é uniforme, sendo neste caso o centro do grão mais rico do elemento com o elemento de menor ponto de fusão

16 Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS 16 SOLUBILIDADE É dada pela linha solvus LINHA SOLVUS ( ) + LINHA SOLVUS + l l +

17 Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS 17 SISTEMAS EUTÉTICOS BINÁRIOS Reação eutética: Líquido + Líquido + b 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

18 Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS 18 REAÇÃO EUTÉTICA Líquido + LINHA SOLVUS ( ) + Indica solubilidade

19 Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS 19 HIPOEUTÉTICO E HIPEREUTÉTICO b HIPOEUTÉTICO COMPOSIÇÃO MENOR QUE O EUTÉTICO b HIPEREUTÉTICO COMPOSIÇÃO MAIOR QUE O EUTÉTICO

20 Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS 20 MICROESTRUTURA DE UMA LIGA DE Sn-Pb HIPOEUTÉTICA b Região preta é a fase primária rica em Pb b Lamelas são constituídas de fase rica em Pb e fase rica em Sn

21 Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS 21 b REAÇÃO EUTETÓIDE: + + ( a diferença do eutético é que uma fase sólida, ao invés de uma líquida, transforma-se em duas outras fases sólidas. ( a diferença do eutético é que uma fase sólida, ao invés de uma líquida, transforma-se em duas outras fases sólidas. b REAÇÃO PERITÉTICA: Envolve três fases em equilíbrio + Líquido + Líquido Uma fase sólida mais uma fase líquida transforma-se numa outra fase sólida DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO TENDO FASES INTERMEDIÁRIAS

22 Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS 22 PERITÉTICO E EUTÉTICO

23 Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS 23 PERITÉTICO Envolve 3 fases em equilíbrio

24 Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS 24 PERITÉTICO DUPLO

25 Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS 25 EUTÉTICO, EUTETÓIDE E PERITÉTICO Ponto de fusão congruente

26 Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS 26 REAÇÃO MONOTÉTICA E EUTÉTICA Dois líquidos imiscíveis formam uma fase sólida e uma fase líquida (MONOTÉTICA) EUTÉTICA

27 Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS 27 GRÁFICO ESQUEMÁTICO: PONTO DE FUSÃO E TRANSFORMAÇÕES ALOTRÓPICAS

28 Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS 28 Sistema Fe-C ou Fe-Fe 3 C e microestruturas que se formam no resfriamento lento

29 Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS 29 DIAGRAMA DE FASE Fe-Fe 3 C TRANSFORMAÇÃO ALOTRÓPICA +Fe 3 C +l l+Fe 3 C +Fe 3 C CCC CFC CCC + +l As fases, e são soluções sólidas com Carbono intersticial

30 Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS 30 FERRO PURO b FERRO = FERRITA b FERRO = AUSTENITA b FERRO = FERRITA b FERRO = FERRITA b TF= 1534 C b Nas ligas ferrosas as fases, e FORMAM soluções sólidas com Carbono intersticial CARBONO

31 Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS 31 DIAGRAMA DE FASE Fe-Fe 3 C TRANSFORMAÇÔES +l l+Fe 3 C +l PERITÉTICA +l EUTÉTICA l +Fe 3 C EUTETÓIDE +Fe 3 C AÇO FOFO

32 Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS 32 Ferro Puro /Formas Alotrópicas FERRO = FERRITA b Estrutura= ccc b Temperatura existência= até 912 C b Fase Magnética até 768 C (temperatura de Curie) b Solubilidade máx do Carbono= 0,02% a 727 C FERRO = AUSTENITA b Estrutura= cfc (tem + posições intersticiais) b Temperatura existência= C b Fase Não-Magnética b Solubilidade máx do Carbono= 2,14% a 1148 C

33 Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS 33 Ferro Puro /Formas Alotrópicas FERRITAAUSTENITA

34 Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS 34 Ferro Puro /Formas Alotrópicas FERRO = FERRITA FERRO = FERRITA b Estrutura= ccc b Temperatura existência= acima de 1394 C b Fase Não-Magnética b É a mesma que a ferrita b É a mesma que a ferrita b Como é estável somente a altas temperaturas não apresenta interesse comercial

35 Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS 35 Sistema Fe-Fe 3 C b Ferro Puro= até 0,02% de Carbono b Aço= 0,02 até 2,06% de Carbono b Ferro Fundido= 2,1-4,5% de Carbono b Fe 3 C (CEMENTITA)= Forma-se quando o limite de solubilidade do carbono é ultrapassado (6,7% de C)

36 Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS 36 CEMENTITA (Fe 3 C) b Forma-se quando o limite de solubilidade do carbono é ultrapassado (6,7% de C) b É dura e frágil b Cristaliza no sistema ortorrômbico (com 12 átomos de Fe e 4 de C por célula unitária) b é um composto intermetálico metaestável, embora a velocidade de decomposição em ferro e C seja muito lenta b A adição de Si acelera a decomposição da cementita para formar grafita

37 Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS 37 PONTOS IMPORTANTES DO SISTEMA Fe-Fe 3 C (EUTÉTICO) b LIGA EUTÉTICA: corresponde à liga de mais baixo de fusão Líquido FASE ( austenita) + cementita - Temperatura= 1148 C - Teor de Carbono= 4,3% b As ligas de Ferro fundido de 2,1-4,3% de C são chamadas de ligas hipoeutéticas b As ligas de Ferro fundido acima de 4,3% de C são chamadas de ligas hipereutéticas

38 Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS 38 PONTOS IMPORTANTES DO SISTEMA Fe-Fe 3 C (EUTETÓIDE) b LIGA EUTETÓIDE corresponde à liga de mais baixa temperatura de transformação sólida AustenitaFASE (FERRITA) + Cementita - Temperatura= 725 C - Teor de Carbono= 0,8 % b Aços com 0,02-0,8% de C são chamadas de aços hipoeutetóide b Aços com 0,8-2,1% de C são chamadas de aços hipereutetóides

39 Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS 39 MICROESTRUTURAS / EUTETÓIDE Supondo resfriamento lento para manter o equilíbrio b É similar ao eutético Consiste de lamelas alternadas de fase (ferrita) e Fe 3 C (cementita) chamada de PERLITA b FERRITA lamelas + espessas e claras b CEMENTITA lamelas + finas e escuras b Propriedades mecânicas da perlita intermediária entre ferrita (mole e dúctil) e cementita (dura e frágil)intermediária entre ferrita (mole e dúctil) e cementita (dura e frágil)

40 Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS 40 MICROESTRUTURAS / EUTETÓIDE

41 Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS 41 MICROESTRUTURA DO AÇO EUTETÓIDE RESFRIADO LENTAMENTE Somente Perlita

42 Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS 42 MICROESTRUTURAS /HIPOEUTETÓIDE Supondo resfriamento lento para manter o equilíbrio b Teor de Carbono = 0,002- 0,8 % b Estrutura Ferrita + Perlita Ferrita + Perlita b As quantidades de ferrita e perlita variam conforme a % de carbono e podem ser determinadas pela regra das alavancas % de carbono e podem ser determinadas pela regra das alavancas b Partes claras pró eutetóide ferrita

43 Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS 43 MICROESTRUTURA DOS AÇOS BAIXO TEOR DE CARBONO FerritaPerlita AÇO COM ~0,2%C

44 Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS 44 MICROESTRUTURA DOS AÇOS MÉDIO TEOR DE CARBONO RESFRIADOS LENTAMENTE FerritaPerlita AÇO COM ~0,45%C

45 Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS 45 MICROESTRUTURAS /HIPEREUTETÓIDE Supondo resfriamento lento para manter o equilíbrio b Teor de Carbono = 0,8-2,06 % b Estrutura cementita+ Perlita cementita+ Perlita b As quantidades de cementita e perlita variam conforme a % de carbono e podem ser determinadas pela regra das alavancas b Partes claras pró eutetóide cementita

46 ALGUNS DIAGRAMAS

47 Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS 47

48 Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS 48

49 Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS 49

50 Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS 50 Micrografia da Liga Al-3,5%Cu no Estado Bruto de Fusão

51 Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS 51

52 Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS 52


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