PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS Aula 04: Diagramas de Equilíbrio PROF.: IRAN ARAGÃO
OBJETIVO DA AULA Ao final desta aula, você deverá: Saber ler e interpretar Diagramas de Equilíbrio; Identificar as fases presentes, suas composições químicas e suas frações mássicas; 3. Conhecer a temperatura e composição de Eutéticos e Eutetóides; 4. Saber ler e interpretar Diagramas de Equilíbrio da Liga FeC.
INTRODUÇÃO Regras das Fases permite identificar o número de fases microscópicas associadas a determinada condição de estado.
INTRODUÇÃO Regras das Fases permite identificar o número de fases microscópicas associadas a determinada condição de estado. A condição de estado é o conjunto de valores para temperatura, pressão e outras variáveis que descrevem a natureza do material;
INTRODUÇÃO Fases: Porção de matéria fisicamente homogênea e perfeitamente distinguível. É identificada pela composição química e microestrutura. A interação entre duas ou mais fases em um material permite a obtenção de propriedades diferentes. É possível alterar as propriedades do material alterando a forma e distribuição das fases.
INTRODUÇÃO Fases: As propriedades e características das fases não mudam com o tempo. Geralmente, as fases sólidas são representadas nos diagramas por letras gregas.
DIAGRAMA FASES Também chamados diagramas de equilíbrio, são representações gráficas das fases presentes em um sistema em função da temperatura, pressão e composição; Usaremos o diagrama de fase para ver o desenvolvimento microestrutural no diagrama do Fe - Fe3C, que é a base para grande parte da indústria do ferro e do aço.
DIAGRAMA FASES Em sua maioria, são obtidos em condições de equilíbrio e são usados para entender e prever o comportamento dos materiais; É aplicável quando o resfriamento é lento e contínuo - equilíbrio estável
DIAGRAMA FASES Diagrama de fases da água (1 atm = 760 torr)
DIAGRAMA FASES Diagrama de equilíbrio para o cobre (puro), indicando as condições – pressão e temperatura, onde este metal se encontra na fase sólida, líquida ou vapor (1 N/m2 = 9,868×10-6 atm; Ponto de fusão aprox 1085°C)
DIAGRAMA FASES A determinação é feita experimentalmente através dos seguintes métodos: análise térmica, dilatometria, resistência elétrica, metalografia, difração de raios X.
DIAGRAMA FASES Conceitos básicos: Em metais puros, a fusão se dá numa temperatura bem definida e em ligas, numa faixa de temperatura onde se distingue o início e o término da fusão. Estes pontos de inflexão são pontos do diagrama de equilíbrio.
DIAGRAMA FASES
DIAGRAMA FASES Curvas de resfriamento para ligas com composições diferentes.
SOLUBILIDADE Com a adição de elementos de liga à um material puro, os átomos desse elemento farão parte da rede cristalina, ocupando posições atômicas ou interstícios. Em outras palavras, esses átomos serão inicialmente dissolvidos, formando uma solução sólida. Nas soluções sólidas, os átomos em maior quantidade são chamados de átomos “solvente”, enquanto os átomos “soluto” são aqueles que são dissolvidos.
SOLUBILIDADE A capacidade de uma dada fase em dissolver um elemento de liga ou impureza tem limite. Esse limite é chamado limite de solubilidade. Uma vez excedido este limite, precipita-se uma nova fase, mais rica nos elementos de liga ou impurezas que não foram dissolvidos.
SOLUBILIDADE O limite de solubilidade corresponde a concentração máxima que se pode atingir de um soluto dentro de um solvente. O limite de solubilidade depende da temperatura. Em geral, tendem a crescer juntos.
DIAGRAMAS DE EQUILÍBRIO Sistemas Binários: Isomorfo Eutético Peritético Monotético Eutetóide Peritetóide Sintético
DIAGRAMAS DE EQUILÍBRIO Sistemas Ternários: Sistema Ternário Pseudobinário
DIAGRAMAS DE EQUILÍBRIO Sistemas Ternários: Sistema Ternário Pseudobinário Veremos os seguintes Sistemas Binários: Isomorfo Eutético Eutetóide
SISTEMAS BINÁRIOS (características)
SISTEMAS BINÁRIOS (características) Os diagramas de fase binários utilizados no estudo da metalurgia física são construídos, geralmente, para uma pressão de 1 atm. Possuem eixo vertical a temperatura e no horizontal a porcentagem – em peso ou atômica – dos elementos que compõem o sistema binário. Com esses diagramas é possível determinar quais as fases mais estáveis termodinamicamente, para uma dada composição, em uma dada temperatura. É também possível determinar a composição química das fases e a porcentagem relativa das fases.
SISTEMAS BINÁRIOS (ISOMORFO) Os dois componentes formam uma única solução sólida em qualquer composição. Ou seja, há solubilidade total em qualquer proporção de soluto.
SISTEMAS BINÁRIOS (ISOMORFO) Interpretação do diagrama: Porcentagem de Ni e Cu em A e B Ponto A : 60%Ni e 40%Cu , Temp. = 1100ºC Apenas fase alfa. Ponto B : 35%Ni e 65%Cu, Temp. = 1250ºC Fase alfa e fase líquida
SISTEMAS BINÁRIOS (ISOMORFO) Interpretação do diagrama: Ponto A : Composição lida diretamente do gráfico. Ponto B : Usa-se o método da linha de conexão (tie-line). Regras da alavanca.
SISTEMAS BINÁRIOS (ISOMORFO) α α
SISTEMAS BINÁRIOS (EUTÉTICO) Reação Eutética transformação imediata de fase líquida em fase sólida. Nos sistemas eutéticos ocorre a reação, onde , durante a solidificação, um líquido se transforma em dois sólidos e vice versa na fusão. Reação eutética: L (sólido 1 + sólido 2) . . .
SISTEMAS BINÁRIOS (EUTÉTICO) Um exemplo importante de ligas Eutéticas na indústria eletrônica, é a utilização de Solda Branca proveniente da liga Pb-Sn. A grande desvantagem dessa liga é a velocidade em que a solda em fase líquida se transforma em fase sólida.
SISTEMAS BINÁRIOS (EUTÉTICO)
SISTEMAS BINÁRIOS (EUTÉTICO) Vejamos o ponto Eutético no Diagrama de Equilíbrio a seguir, e confira as seguintes denominações: Ligas Hipo-Eutéticas: estão antes do ponto eutético – composição química inferior a da liga eutética; e Ligas Hiper-Eutéticas: estão após o ponto eutético – composição química superior a da liga eutética.
SISTEMAS BINÁRIOS (EUTÉTICO)
SISTEMAS BINÁRIOS (EUTETÓIDE) Reação Eutetóide: sólido 1 (sólido 2 + sólido 3)
CONCEITOS DE GRÃOS Como a temperatura continua a ser diminuída, os núcleos formados crescem e novos núcleos são formados. O crescimento de cada núcleo individualmente gera partículas sólidas chamadas de GRÃOS.
CONCEITOS DE GRÃOS Um dos efeitos do tamanho de grão é influenciar na resistência dos materiais. Em baixas temperaturas, quanto menor o tamanho de grão (TG) maior a resistência mecânica. Já em altas temperaturas, quanto maior o TG maior a resistência.
CONCEITOS DE GRÃOS Encruamento do grão: Forjamento: Laminação
CONCEITOS DE GRÃOS Encruamento do grão: Forjamento: Processo de transformação de metais por prensagem ou materlamento. Laminação
CONCEITOS DE GRÃOS Encruamento do grão: Forjamento: Processo de transformação de metais por prensagem ou martelamento. Laminação: Processo de deformação plástica no qual o metal tem sua forma alterada ao passar entre rolos em rotação. É o de maior uso em função de sua alta produtividade e precisão dimensional.
ENCRUAMENTO DO GRÃO
ENCRUAMENTO DO GRÃO Aumento do grau de encruamento: aumento limite de resistência; diminuição da ductilidade do material, ficando mais frágil e resistindo menos a esforços de impacto.
DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO - FE – C
Diagrama de equilíbrio - Fe – C Temperatura Formas do Ferro Tamb – 912ºC Ferrita (α – Fe, CCC) 912ºC – 1394ºC Austenita ( – Fe, CFC) 1294ºC – 1538ºC Delta Ferrita (δ – Fe, CCC)
Diagrama de equilíbrio - Fe – C Solubilidade do C no Fe Na fase α Máximo de 0.022% Na fase Máximo de 2.11 %
Diagrama de equilíbrio - Fe – C Cementita – Fe3C Composto estável que se forma nas fases α e quando a solubilidade máxima é excedida, até 6.7 %C. É dura e quebradiça. A resistência de aços é aumentada pela sua presença.
REAÇÕES Eutética A 1148ºC ocorre a reação: L (4.3% C) (2.11%C) + Fe3C (6.7%C) Eutetóide A 727ºC ocorre a reação: Υ (0.77%C) α(0.22%C) + Fe3C (6.7%C)
Diagrama de equilíbrio - Fe – C
CLASSIFICAÇÃO DE LIGAS FERROSAS 0-0.008wt% C – Ferro Puro 0.008-2.11wt% C – Aços (na prática <1.0 wt%) 2.11-6.7wt% C – Ferros fundidos (na prática <4.5wt%)
Diagrama de equilíbrio - Fe – C
Bom Estudo! Até a próxima aula!