DIAGRAMA DE FASE OU DE EQUILÍBRIO

DIAGRAMA DE FASE OU DE EQUILÍBRIO 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

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.

DIAGRAMA DE FASE OU DE EQUILÍBRIO 2.Definições: - Componentes: São metais puros e/ou compostos químicos e/ou compostos que constituem uma liga. (Latão = Cu + Zn) • 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: – Uma porção homogênea do sistema, que possui propriedades físicas e químicas características. Exemplo: fases a, b e L da liga ao lado.

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

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 – 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

DIAGRAMA DE FASE OU DE EQUILÍBRIO 2.Definições:

DIAGRAMA DE FASE OU DE EQUILÍBRIO

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

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

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

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

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

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 conexão (isotérma) Para um sistema monofásico a composição é a mesma da liga - Percentagem das fases (quantidades relativas das fases) regra das alavancas

SISTEMA BINÁRIO Cu-Ni DETERMINAÇÃO DAS FASES PRESENTES 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 B

SISTEMA BINÁRIO Cu-Ni DETERMINAÇÃO DA COMPOSIÇÃO QUÍMICA DAS FASES 1- determina a temperatura e composição no diagrama. Existe duas formas: 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 B A Comp. Liq= 32% de Ni e 68% de Cu Comp. Sol. = 45% de Ni e 55% de Cu

SISTEMA Cu-Ni Determinação das quantidades relativas das fases Existe duas formas: 1- Região monofásica: somente uma fase está presente %100 fase. 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;

SISTEMA Cu-Ni Determinação das quantidades relativas das fases Composição das fases Percentagem das fases Comp. Liq= 31,4% Ni e 68,9%Cu Comp. Sol. = 42,5,4 %Ni e %57,5Cu L = S R+S S = R L = C-C0 C-CL L = Co-CL Fase líquida: Fase sólida:

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

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

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

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).

DESENVOLVIMENTO DA MICROESTRUTURA SOLIDIFICAÇÃO EM EQUÍLIBRIO (35%p Ni – 65%pCu) Composição química das fases Quantidade relativa das fases Líquido sólido Ponto a 35%pNi 0% 100% Ponto b 46%pNi Ponto c 32%pNi 43%pNi - 73%pNi 27%pNi Ponto d 24%pNi 35%pNi - Ponto e 1260ºC

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

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

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)

Mudança na composição das fases durante o processo de solidificação

Curva de solidificação e Remoção do calor latente de fusão

Propriedades mecânicas isomorfas

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

SISTEMAS EUTÉTICOS BINÁRIOS 3 regiões bifásicas 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. Composição eutética –solidifica a uma T abaixo de qualquer outra liga Temperatura eutética – T mais baixa a qual pode existir fase líquida

Composição das fases Alfa = 10% Sn – 90% Pb Beta =98%Sn-2%Pb 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

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) Composição eutética: 40%Sn e T= 230ºC 40%Sn e T= 185ºC 40%Sn e T= 180ºC

SISTEMAS EUTÉTICOS BINÁRIOS 40%Sn e T= 230ºC Composição 40%Sn 60%Pb   Fases presentes Líquido alfa Composição das fases 48%pSn; 52%p Pb 15%p Sn ; 85%pPb Proporção das fases (40-15)/(48-15)*100% = 76% (48-40)/(48-15)*100%= 24% Composição eutética: Composição 61,9%Sn 38,1%Pb   Fases presentes alfa beta Composição das fases 19,2%pSn;80,8%p Pb 97,5%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%

SISTEMAS EUTÉTICOS BINÁRIOS 40%Sn e T= 185ºC Composição 40%Sn 60%Pb   Fases presentes Líquido alfa Composição das fases 61,9%pSn; 38,1%p Pb 19,2%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= 180ºC Composição 61,9% 38,1%Pb   Fases presentes alfa beta Composição das fases 19,2%pSn;80,8%p Pb 97,5%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%

Desenvolvimento de microestrutura em ligas eutéticas 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 Sn Pb

Desenvolvimento de microestrutura em ligas eutéticas 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. Sn Pb

Desenvolvimento de microestrutura em ligas eutéticas Caso 3 - Solidificação da composição eutética A transformação eutética corresponde à formação de uma mistura de duas fases a partir do líquido formando um arranjo interpenetrado

Desenvolvimento de microestrutura em ligas eutéticas Estrutura eutética A transformação eutética corresponde à formação de uma mistura de duas fases a partir do líquido formando um arranjo interpenetrado

Desenvolvimento de microestrutura em ligas eutéticas 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)]. A transformação eutética corresponde à formação de uma mistura de duas fases a partir do líquido formando um arranjo interpenetrado

Desenvolvimento de microestrutura em ligas eutéticas Fração de microconstituinte eutético = fração da fase líquida. P Q R A transformação eutética corresponde à formação de uma mistura de duas fases a partir do líquido formando um arranjo interpenetrado

Reação eutetóide e peritetóide Fração de microconstituinte eutético = fração da fase líquida. A transformação eutética corresponde à formação de uma mistura de duas fases a partir do líquido formando um arranjo interpenetrado

SISTEMA EUTÉTICO – REGRA DAS FASES

REAÇÕES NA REGIÃO DE SOLUBILIDADE

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

DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO TENDO FASES INTERMEDIÁRIAS 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

PERITÉTICO E EUTÉTICO

PERITÉTICO Envolve 3 fases em equilíbrio

PERITÉTICO DUPLO

EUTÉTICO, EUTETÓIDE E PERITÉTICO Ponto de fusão congruente

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

PONTO DE FUSÃO E TRANSFORMAÇÕES ALOTRÓPICAS

DIAGRAMA TERNÁRIO

COMPPOSIÇÃO EM DIAGRAMA TERNÁRIO TRIÂNGULO DE GIBBS

DIAGRAMA DE FASE Fe-C

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

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”= 912 -1394C Fase Não-Magnética Solubilidade máx do Carbono= 2,14% a 1147 C É mais dura

FERRO PURO ccc cfc ccc

Ferro Puro /Formas Alotrópicas FERRITA AUSTENITA

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

FERRO PURO ccc cfc ccc

Sistema Fe-Fe3C Ferro Puro= até 0,002% de Carbono Aço= 0,002 até 2,06% de Carbono Ferro Fundido= 2,1-4,5% de Carbono Fe3C (CEMENTITA)= Forma-se quando o limite de solubilidade do carbono é ultrapassado (6,7% de C)

DIAGRAMA DE FASE Fe-C

CEMENTITA (Fe3C) 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

PONTOS IMPORTANTES DO SISTEMA Fe-Fe3C (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

DIAGRAMA DE FASE Fe-C C

PONTOS IMPORTANTES DO SISTEMA Fe-Fe3C (EUTETÓIDE) PONTO S LIGA EUTETÓIDE é o liga de menor temperatura de transformação no estadp sólido sólida; Austenita FASE  (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.

DIAGRAMA DE FASE Fe-C S

MICROESTRUTURAS / EUTETÓIDE Supondo resfriamento lento para manter o equilíbrio É similar ao eutético Consiste de lamelas alternadas de fase  (ferrita) e Fe3C (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)

MICROESTRUTURAS / EUTETÓIDE

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.

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