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1 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Ciência dos Materiais I Prof. Nilson C. Cruz

2 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Aula 6 Equilíbrio Termodinâmico: Estado e Fase

3 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Conceitos Básicos Componente: metais puros e/ou compostos que compõem uma liga. Ex. latão = Cu + Zn Sistema: conjunto de possíveis ligas formadas pelos mesmos componentes. Ex. sistema Fe-C

4 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Limite de Solubilidade Concentração máxima do soluto que pode ser dissolvida no solvente para formar uma solução sólida. A adição de soluto além do limite de solubilidade resulta na formação de outra solução ou de outro composto com composição diferente. O limite de solubilidade é uma função da temperatura do sistema.

5 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Açúcar Água Solução líquida + Açúcar sólido Solução líquida Limite de solubilidade Temperatura (°C) Limite de Solubilidade

6 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Composto de Cu e Zn Limite de Solubilidade Solução sólida de Zn em Cu

7 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Fases Porção homogênea de um sistema que possui características físicas e químicas uniformes.

8 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Sistemas homogêneos possuem uma única fase.Quando mais de uma fase estiver presente (sistemas heterogêneos): a) cada fase terá suas propriedades individuais b) existirá um fronteira entre as fases com mudança abrupta nas características Fases

9 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Ferrita Perlita Perlita = Ferrita + Cementita Ferrita = Fe CCC Cementita = Fe 3 C Fases

10 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Microestrutura A microestrutura determina as propriedades físicas e o comportamento de um material. Em ligas metálicas, a microestrutura: a) é caracterizada pelo número de fases e pela distribuição delas. b) é função da composição e do histórico térmico da liga.

11 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Um sistema está em equilíbrio se sua energia livre é mínima para uma dada combinação de composição, temperatura e pressão. As características de um sistema em equilíbrio não mudam com o tempo. Ele é estável! Se ocorrerem alterações na temperatura, pressão e/ou composição, ocorrerão mudanças para um estado no qual a energia do sistema seja reduzida. Equilíbrio

12 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Equilíbrio de Fases Constância temporal das características das fases de um sistema.

13 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Estados de não-equilíbrio (Metaestável) Às vezes o sistema não tem tempo suficiente para atingir o estado de equilíbrio!

14 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Diagramas de Fase em Estados de Equilíbrio Fornecem relações entre a temperatura, as composições e as quantidades de cada fase na condição de equilíbrio.

15 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Sistemas Isomorfos Binários Sistemas isomorfos: apresentam solubilidade completa dos componentes nos estados sólido e líquido. Sistemas binários: são formados por apenas dois elementos.

16 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Sistema Cu-Ni Temperatura (°C) Líquido (L) Linha Solidus Composição (%p Ni)(Cu)(Ni) (solução sólida substitucional CFC) Temperatura (°F) +L Linha Liquidus Composição (%at Ni) Temperatura de fusão Cu Temperatura de fusão Ni

17 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Interpretação dos Diagramas de Fases O diagrama de fases de um sistema binário em equilíbrio fornece: 1) As fases presentes. 2) A composição dessas fases. 3) As proporções de cada fase.

18 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Fases Presentes Sistema Cu-Ni Temperatura (°C) Líquido Composição (%p Ni)(Cu)(Ni) Temperatura (°F) +L Composição (%at Ni) 60%Cu-40%Ni, 1100°C: fase 60%Cu-40%Ni, 1250°C: fases e L 60%Cu-40%Ni, 1400°C: fase L

19 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Determinação da composição das fases Para ligas monofásicas, a composição de uma dada fase é a própria composição da liga naquele ponto do diagrama. Para ligas bifásicas deve-se traçar uma linha horizontal, a linha de amarração, na temperatura desejada e determinar a interseção desta reta com as fronteiras entre as fases.

20 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Determinação da composição em ligas bifásicas 1) Traça-se a linha de amarração, na temperatura desejada, através da região bifásica. +L Líquido 2) Determina-se as interseções da linha de amarração com as fronteiras entre ambas as fases. 3) Desenha-se linhas verticais dos pontos de interseção até o eixo horizontal, onde a composição em cada uma das respectivas fases pode ser lida. 31,5% 42,5%

21 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Determinação das proporções entre as fases. Exemplo: Determine as proporções das fases e L na liga Cu-36%Ni a 1250°C. Solução Se X for a fração da fase sólida na liga, então: (%Ni em )X + (%Ni em L)(1-X) = (%Ni na liga) que pode ser reescrito como X = (%Ni na liga) - (%Ni em L) (%Ni em ) - (%Ni em L)

22 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Determinação das proporções entre as fases. Assim, em 1250°C, X = = 0,41= 41% 36,0 – 31,5 42,5 – 31,5

23 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Determinação das proporções entre as fases: A Regra da Alavanca Inversa 1) Traça-se a linha de amarração na temperatura desejada. +L Líquido 2) Determina-se a composição global, ou original, C 0 (em termos de um dos componentes) da liga sobre a linha de amarração. 3) Desenha-se linhas verticais dos pontos de interseção até o eixo horizontal. C0C0 4) Mede-se as distâncias entre a composição global da liga até as fronteiras com as duas fases. R S

24 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 A fração da fase líquida, W L, é calculada pela razão entre a distância desde a composição global até a fronteira com a fase sólida e o comprimento total da linha de amarração. Ou seja, Determinação das proporções entre as fases: A Regra da Alavanca Inversa +L Líquido C0C0 R S CLCL C

25 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Analogamente, a proporção da fase, W, é Determinação das proporções entre as fases: A Regra da Alavanca Inversa +L Líquido C0C0 R S CLCL C

26 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Determinação das proporções entre as fases: A Regra da Alavanca Inversa +L Líquido 36,0 R S 31,5 42,5

27 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Não confunda! Para determinar a composição das fases: Linhas de Amarração. Para determinar a proporção de cada fase: Regra da Alavanca

28 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Determinação das proporções entre as fases: Fração volumétrica Às vezes é melhor especificar a quantidade relativa de fases sólidas em termos de frações volumétricas, que podem ser determinadas a partir do exame da microestrutura. A fração volumétrica da fase em uma liga com fases sólidas e é V i = volume da fase i i = densidade da fase i

29 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Determinação das proporções entre as fases: Fração volumétrica A relação entre as frações volumétrica, F V, e em massa, W, é:

30 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Resfriamento de ligas isomorfas em condições de equilíbrio Temperatura (°C) Composição (%pNi)

31 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Resfriamento de ligas isomorfas fora das condições de equilíbrio Em praticamente todos os casos reais de solidificação, as taxas de resfriamento são rápidas demais para que ocorram os reajustes de composição necessários para a manutenção dos estados de equilíbrio. Em conseqüência disto, desenvolvem-se microestruturas diferentes no sólido.

32 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Resfriamento de ligas isomorfas fora das condições de equilíbrio

33 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Resfriamento de ligas isomorfas fora das condições de equilíbrio Conseqüências: Segregação = gradiente de concentração dos elementos ao longo dos grãos. Estrutura Zonada = o centro do grão é rico no elemento com maior ponto de fusão e a proporção do elemento de menor ponto de fusão aumenta em direção à fronteira dos grãos. Nota: Estrutura zonada causa perda da integridade mecânica, quando o material é aquecido, pela formação de uma película líquida entre os grãos.

34 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Estrutura Zonada

35 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Propriedades de Ligas Isomorfas A presença de átomos de impureza (= formação de ligas) causa deformações na rede cristalina do solvente restringindo o movimento de discordâncias e, desta forma, Aumenta a resistência mecânica e a dureza. Diminui a ductibilidade e a condutividade elétrica. Melhora o desempenho em elevadas temperaturas.

36 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Resistência à deformação (psi) % do elemento na liga Propriedades Mecânicas de Ligas Isomorfas O grau de modificação das propriedades de uma liga depende da diferença entre os raios atômicos e da proporção dos elementos. Resistência à deformação do cobre em ligas com diferentes elementos e em diferentes proporções.

37 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Sistemas binários com mais de uma fase sólida Fase : CFC, rica em Cu Fase : CFC, rica em Ag CBA = limite de solubilidade de Ag em Cu. Linha Solvus = separação entre e +. Adição de Ag reduz temperatura de fusão do Cu Liquidus Solidus Solvus Ponto invariante

38 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Sistemas binários com mais de uma fase sólida No ponto invariante, L + resfriamento aquecimento Reação eutética! Sistema Eutético Isoterma eutética

39 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Sistemas Eutéticos Binários 1) Três fases (, e L) podem estar em equilíbrio apenas ao longo da isoterma eutética. 2) Regiões monofásicas são sempre separadas por regiões bifásicas compostas pelas duas fases que ela separa.

40 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Reações entre três fases em sistemas binários Eutética Peritética Monotética Eutetóide Peritetóide

41 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Desenvolvimento da microestrutura em ligas eutéticas 2%

42 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Desenvolvimento da microestrutura em ligas eutéticas a) Composições entre um componente puro e a solubilidade máxima à temperatura ambiente

43 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Desenvolvimento da microestrutura em ligas eutéticas b) Composições entre o limite de solubilidade à temperatura ambiente e a solubilidade sólida máxima na temperatura do eutético.

44 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Desenvolvimento da microestrutura em ligas eutéticas c) Solidificação da composição eutética (61,9%p Sn)

45 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Desenvolvimento da microestrutura em ligas eutéticas c) Solidificação da composição eutética: Estrutura eutética Lamelas Como as fases e possuem composições diferentes, ocorre a difusão de Sn e Pb. Isto dá origem à formação das estruturas eutéticas, formadas por lamelas.

46 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Desenvolvimento da microestrutura em ligas eutéticas c) Solidificação da composição eutética: Formação de Lamelas Direção do crescimento eutético Líquido Difusão de Sn e Pb no líquido à frente da interface eutético-líquido

47 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Desenvolvimento da microestrutura em ligas eutéticas d) Solidificação de composições diferentes da eutética que, quando resfriadas, cruzam a isoterma eutética primária eutética

48 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Desenvolvimento da microestrutura em ligas eutéticas d) Solidificação de composições diferentes da eutética que, quando resfriadas, cruzam a isoterma eutética primária eutética

49 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Diagramas de equilíbrio com fases ou compostos intermediários Diagramas, como Cu-Ag e Pb-Sn, apresentam soluções sólidas terminais, que existem ao longo de faixas de composição próximas às extremidades de concentração do diagrama de fases. Outros sistemas podem apresentar soluções sólidas, ou ligas, intermediárias além daquelas composições nos dois extremos.

50 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Diagramas de equilíbrio com fases intermediárias Sistema Cu-Zn Duas soluções terminais e. Quatro soluções intermediárias,, e. é uma fase ordenada Latão

51 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Diagramas de equilíbrio com fases intermediárias Sistema Cu-Zn Reação eutetóide Reação peritética

52 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Diagramas de equilíbrio com compostos intermediários Sistema Mg-Pb Mg 2 Pb

53 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Transformações de Fases Congruentes e Incongruentes Nas transformações congruentes não ocorrem alterações de composição das fases envolvidas

54 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 A lei das Fases de Gibbs P + F = C + N A lei das fases de Gibbs indica o número de fases que irão coexistir em um sistema em equilíbrio: P = número de fases presentes F = número de variáveis externamente controladas (pressão, temperatura, composição, etc.) que deve ser especificado para definir o estado do sistema C = número de componentes do sistema N = número de variáveis que não estão relacionadas à composição (temperatura e pressão, por exemplo)

55 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 A lei das Fases de Gibbs Ex. Sistema Cu-Ag Como a pressão é constante, N = 1 (temperatura): Além disto, C = 2 (Cu, Ag): P + F = = 3 F = 3 - P P + F = C + 1 Considerando os campos monofásicos (P = 1) no diagrama: F = 2 (são necessários dois parâmetros, temperatura e composição, para descrever a liga)

56 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 O sistema ferro-carbono Diagrama de fases Fe- Fe 3 C Cementita (Fe 3 C), Austenita (CFC) Transformações polimórficas, Ferrita (CCC) Macia e magnética Dura e quebradiça eutético eutetóide 100X (metaestável) Aço Ferro Fundido

57 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Desenvolvimento de microestrutura em ligas ferro-carbono a) Composição eutetóide Perlita

58 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Desenvolvimento de microestrutura em ligas ferro-carbono b) Ligas hipoeutetóides Perlita proeutetóide Composição (%p C) Temperatura (°C) Eutetóide

59 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 6 Desenvolvimento de microestrutura em ligas ferro-carbono c) Ligas hipereutetóides


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