MCM – Tratamentos térmicos dos aços DIAGRAMAS DE FASES

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.

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.

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

Influi no comportamento mecânico do material. 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.

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

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

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

Energia livre: função da energia interna e da entropia de um sistema. 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.

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.

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

Diagrama de fases do sistema Fe-Fe3C Diagramas de fases Diagrama de fases do sistema Fe-Fe3C Fonte: CALLISTER, W. D, Fundamentals of Materials Science and Engineering

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

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

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

Determinação das composições das fases presentes %L = S . 100% R + S %L = Ca – C0. 100% Ca – CL %a = R . 100% R + S %a = C0 – CL. 100% Ca – CL Detalhe do diagrama de fase Cu – Ni Fonte: CALLISTER, W. D, Fundamentals of Materials Science and Engineering

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

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

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. Na prática, as taxas de resfriamento são muito rápidas para permitir a completa difusão e a manutenção do equilíbrio. Como conseqüência, são desenvolvidas estruturas metaestáveis.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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