CIÊNCIA E ENG MATERIAIS

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DIAGRAMA DE FASES Um componente Existem três parâmetros que podem ser controlados externamente que irão afetar a estrutura das fases – temperatura, pressão e composição – e os diagramas de fases são construídos quando várias combinações desses parâmetros são plotadas umas contra as outras. O diagrama para um sistema com um único componente, onde a composição é mantida constante, é representado como um gráfico bidimensional da pressão em função da temperatura.

Diagrama de fases pressão-temperatura para a água Callister, J. W. D., Ciência e engenharia de materiais: uma introdução, LTC, 7ª Ed, 2008

DIAGRAMA DE FASES Pode ser observado regiões para três fases diferentes, sólido, líquido e vapor. Cada uma das fases irá existir sob condições de equilíbrio ao longo das faixas de temperatura-pressão de sua área correspondente. As três curvas são as fronteiras entre as fases; em qualquer ponto sobre uma dessas curvas, as duas fases em ambos os lados da curva estão em equilíbrio uma com a outra, isto é o equilíbrio entre as fases sólida e vapor ocorre ao longo da curva aO.

DIAGRAMA DE FASES Ao se cruzar uma fronteira, uma fase se transforma na outra. Por exemplo, sob pressão de uma atmosfera, no aquecimento, a fase sólida se transforma na fase líquida no ponto identificado como 2; esse ponto corresponde a uma temperatura de 0ºC. As curvas para as três fronteiras entre fases se interceptam em um ponto comum, que está identificado como O (para esse sistema, em uma temperatura de 273,16 K e uma pressão de 6.04 x 10-3 atm).

DIAGRAMA DE FASES Neste ponto (O) todas as fases se encontram simultaneamente em equilíbrio umas com as outras. Apropriadamente, esse, e qualquer outro ponto em um diagrama de fases P – T onde três fases estão em equilíbrio, é chamado de ponto triplo. Qualquer desvio desse ponto devido a uma variação na temperatura e/ou na pressão irá causar o desaparecimento de pelo menos uma das fases.

DIAGRAMA DE FASES Binário É o diagrama onde a temperatura e a composição são os parâmetros variáveis, enquanto a pressão é mantida constante – normalmente em 1 atm. Os diagramas de fases binários são úteis para prever as transformações de fases e as microestruturas resultantes, que podem apresentar uma natureza de equilíbrio ou de ausência de equilíbrio.

DIAGRAMA DE FASES Sistemas isomorfos binários O tipo de diagrama de fases binário mais fácil de ser compreendido e interpretado é aquele caracterizado pelo sistema cobre-níquel. A temperatura é traçada ao longo da ordenada, enquanto a abscissa representa a composição da liga, em porcentagem em peso (escala inferior) e em porcentagem atômica (escala superior) de níquel.

Diagrama de fases cobre-níquel Callister, J. W. D., Ciência e engenharia de materiais: uma introdução, LTC, 7ª Ed, 2008

DIAGRAMA DE FASES A composição varia entre 0%p Ni (100%p Cu), na extremidade horizontal à esquerda, e 100%p Ni (0%p Cu), à direita. Três regiões, ou campos, de fases diferentes aparecem no diagrama, um campo alfa (α), um campo líquido (L) e um campo bifásico α + L. Cada região é definida pela fase ou fases que existem ao longo das faixas de temperaturas e de composições que estão delimitadas pelas curvas de fronteira entre as fases.

DIAGRAMA DE FASES O líquido L é uma solução líquida homogênea, composta tanto por cobre quanto por níquel. A fase α é uma solução sólida substitucional contendo átomos de Cu e de Ni e possuindo uma estrutura cristalina CFC. Em temperaturas abaixo de aproximadamente 1080ºC, o cobre e o níquel são mutuamente solúveis um no outro no estado sólido para todas as composições.

DIAGRAMA DE FASES Esta solubilidade completa é explicada pelo fato de que tanto o Cu quanto o Ni possuem a mesma estrutura cristalina (CFC), raios atômicos e eletronegatividades praticamente idênticos, e valências semelhantes. O sistema cobre-níquel é denominado isomorfo devido a essa completa solubilidade dos dois componentes nos estados líquido e sólido.

DIAGRAMA DE FASES Para as ligas metálicas, as soluções sólidas são designadas usualmente por letras gregas minúsculas. Nas fronteiras entre as fases, a curva que separa os campos das fases L e α + L é denominada linha liquidus. A fase líquida está presente em todas as temperaturas e composições acima dessa linha. A linha solidus está localizada entre as regiões α e α + L, e abaixo dela existe somente a fase sólida.

DIAGRAMA DE FASES As linhas solidus e liquidus se interceptam nas duas extremidades de composição. Esses pontos correspondem às temperaturas de fusão dos compostos puros. Por exemplo a temperatura de fusão do cobre puro e do níquel puro são de 1085ºC e 1453ºC, respectivamente. O aquecimento do cobre puro corresponde a um movimento vertical para cima, ao longo do eixo da temperatura do lado esquerdo.

DIAGRAMA DE FASES O cobre permanece sólido até ser atingida a sua temperatura de fusão. Para qualquer composição diferente daquela dos componentes puros, esse fenômeno de fusão irá ocorrer ao longo de uma faixa de temperaturas entre as linhas solidus e liquidus. Ao se aquecer uma liga com composição de 50%p Ni-50%p Cu, a fusão tem início a aproximadamente 1280ºC, a quantidade da fase líquida aumenta continuamente com a temperatura até aproximadamente 1320ºC, quando a liga fica completamente líquida.

DIAGRAMA DE FASES Para um sistema binário com composição e temperatura conhecidas e que está em equilíbrio, pelo menos três tipos de informação são disponíveis: As fases presentes; As composições dessas fases; e As porcentagens ou frações das fases.

DIAGRAMA DE FASES Fases presentes Para o estabelecimento de quais fases estão presentes, deve-se apenas localizar o ponto temperatura-composição no diagrama e observar a(s) fase(s) que corresponde(m) ao campo de fases identificado. Por exemplo, uma liga com composição de 60%p Ni–40%p Cu a 1100ºC estaria localizada no ponto que está dentro da região α, apenas a fase α estará presente. Por outro lado, uma liga com 35%p Ni–65%p Cu a 1250ºC, consistirá tanto na fase α quanto na fase líquida em equilíbrio.

DIAGRAMA DE FASES Determinação das composições das fases A primeira etapa na determinação das composições das fases é localizar o ponto temperatura-composição no diagrama de fases. Se apenas uma fase estiver presente, o procedimento é trivial: a composição dessa fase é simplesmente a mesma que a composição global da liga. Por exemplo, em uma liga com 60%p Ni–40%p Cu a 1100ºC, apenas a fase α está presente, possuindo uma composição de 60%p de Ni e 40%p de Cu.

DIAGRAMA DE FASES Para uma liga que possui composição e temperatura localizada em uma região bifásica, deve-se traçar uma linha horizontal passando pelo ponto, chamada linha de amarração, que se estende através da região bifásica e termina nas curvas de fronteira entre fases em ambas as extremidades da região bifásica.

DIAGRAMA DE FASES Para calcular as concentrações das duas fases em equilíbrio, o seguinte procedimento é usado: Uma linha de amarração é construída através da região bifásica na temperatura em que a liga se encontra; São anotadas as interseções da linha de amarração com as fronteiras entre as fases em ambas as extremidades da linha de amarração; A partir dessas interseções, são traçadas linhas perpendiculares à linha de amarração, até o eixo horizontal das composições, onde pode ser lida a composição de cada uma das respectivas fases.

DIAGRAMA DE FASES Por exemplo, seja uma liga com 35%p Ni–65%p Cu a 1250ºC, logo se encontra na região α + L. Assim, o problema consistem em se determinar a composição em %p Ni e Cu, tanto na fase α quanto na fase líquida. Quando traçamos a linha de amarração, a perpendicular traçada a partir da interseção dela com a fronteira liquidus encontra o eixo das composições em 31,5%p Ni – 68,5%p Cu, o que corresponde a fase líquida, CL. De maneira semelhante vê-se que encontramos para a fase composta pela solução sólida α, Cα, de 42,5%p Ni – 57,5%p Cu.

DIAGRAMA DE FASES Determinação das quantidades das fases Para a região monofásica, a liga é composta integralmente por aquela fase, isto é, a fração da fase é de 100%. Por exemplo a liga 60%p Ni – 40%p Cu a 1100ºC, somente a fase α está presente, portanto a liga é totalmente ou 100% α.

DIAGRAMA DE FASES Se a posição para a composição e temperatura estiver localizada em uma região bifásica, a linha de amarração deverá ser utilizada em conjunto com um procedimento chamado de regra da alavanca: A linha de amarração é construída através da região bifásica na temperatura da liga; A composição global da liga é localizada sobre a linha de amarração; A fração de uma fase é calculada tomando-se o comprimento da linha de amarração desde a composição global da liga até a fronteira entre fases para a outra fase, e dividindo-se esse valor pelo comprimento total da linha de amarração;

DIAGRAMA DE FASES A fração da outra fase é determinada de maneira análoga; Considere o exemplo de uma liga com 35%p Ni – 65%p Cu a 1250ºC. Uma linha de amarração foi construída para a determinação das composições das fases α e L. Considere que a composição global da liga está localizada ao longo da linha de amarração e é identificada como Co, enquanto as frações mássicas são representadas por WL e Wα, respectivamente para as fases L e α.

Diagrama de fases cobre-níquel onde as composições e as quantidades das fases estão determinadas para o ponto B. Callister, J. W. D., Ciência e engenharia de materiais: uma introdução, LTC, 7ª Ed, 2008

DIAGRAMA DE FASES A partir da regra da alavanca, o valor de WL pode ser calculado de acordo com W L = S R+S ou pela subtração das composições, W L = C α − C o C α − C L

DIAGRAMA DE FASES Para uma liga binária, a composição precisa ser especificada em termos de apenas um dos constituintes; para o cálculo anterior, a porcentagem em peso de níquel será usada (Co = 35%p Ni, Cα = 42,5%p Ni e CL = 31,5%p Ni) e W L = 42,5−35 42,5−31,5 =0,68 De maneira semelhante Wα = 0,32

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