CIÊNCIA E ENG MATERIAIS DIAGRAMA DE FASES Desenvolvimento da microestrutura em ligas isomorfas durante a solidificação, considerando que o resfriamento ocorrem muito lentamente e onde o equilíbrio entre as fases é continuamente mantido. Considerando o sistema cobre-níquel, especificamente uma liga com composição de 35%p Ni – 65%p Cu, resfriada a partir de 1300ºC. O resfriamento de uma liga com essa composição corresponde a um movimento para baixo ao longo da linha tracejada vertical.

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS Representação esquemática do desenvolvimento da microestrutura durante a solidificação em condições de equilíbrio Callister, J. W. D., Ciência e engenharia de materiais: uma introdução, LTC, 7ª Ed, 2008

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS DIAGRAMA DE FASES A 1300ºC, no ponto a, a liga está totalmente líquida e possui a microestrutura que está representada no detalhe circular da figura. Conforme o resfriamento começa, nenhuma alteração microestrutural ou de composição irá ocorrer até que seja atingida a linha liquidus (ponto b, ~1260ºC). Nesse ponto, o primeiro sólido 𝛼 começa a se formar, tendo a composição especificada pela linha de amarração traçada nessa temperatura (46%p Ni – 54%p Cu, representada como 𝛼 (46Ni).

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS DIAGRAMA DE FASES A composição do líquido ainda é de aproximadamente 35%p Ni – 65%p Cu [L(35 Ni)], a qual é diferente daquela do sólido 𝛼. Com o prosseguimento do resfriamento, tanto as composições quanto as quantidades relativas de cada uma das fases irá mudar. As composições das fases líquida e 𝛼 seguirão as linhas liquidus e solidus, respectivamente.

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS DIAGRAMA DE FASES A fração da fase 𝛼 irá aumentar com o prosseguimento do resfriamento. Deve-se observar que a composição global da liga (35%p Ni – 65%p Cu) permanece inalterada durante o resfriamento, apesar de haver uma redistribuição do cobre e do níquel entre as fases.

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS DIAGRAMA DE FASES A 1250ºC, no ponto c, as composições das fases líquida e 𝛼 são de 32%p Ni – 68%p Cu [L(32 Ni)] e 43%p Ni – 57%p Cu [𝛼(43 Ni)], respectivamente. O processo de solidificação está virtualmente concluído a aproximadamente 1220ºC, ponto d; a composição do sólido 𝛼 é de aproximadamente 35%p Ni – 65%p Cu (composição global da liga), enquanto a composição do último líquido remanescente é de 24%p Ni – 76%p Cu.

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS DIAGRAMA DE FASES Ao cruzar a linha solidus, esse líquido remanescente se solidifica; o ponto final é então uma solução sólida policristalina da fase 𝛼, com uma composição uniforme 35%p Ni – 65%p Cu (ponto e). O resfriamento subsequente não irá produzir qualquer alteração microestrutural ou de composição.

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS DIAGRAMA DE FASES Propriedades mecânicas de ligas isomorfas As propriedades mecânicas das ligas isomorfas sólidas são afetadas pela composição enquanto as demais variáveis estruturais (como o tamanho do grão, por exemplo) são mantidas constante. Para todas as temperaturas e composições abaixo da temperatura de fusão do componente com ponto de fusão mais baixo irá existir apenas uma única fase sólida.

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS DIAGRAMA DE FASES Cada componente apresentará um aumento de resistência por formação de solução sólida ou um aumento na resistência e na dureza pelas adições do outro componente. Em uma dada composição intermediária, a curva passa necessariamente por um valor máximo.

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS Limite de resistência à tração em função da composição para o sistema cobre-níquel à temperatura ambiente. Callister, J. W. D., Ciência e engenharia de materiais: uma introdução, LTC, 7ª Ed, 2008

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS DIAGRAMA DE FASES O comportamento ductilidade (%AL)-composição é simplesmente o oposto ao exibido pelo limite de resistência à tração. A ductilidade diminui com as adições do segundo componente e a curva exibe um mínimo.

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS Ductilidade (%AL) em função da composição para o sistema cobre-níquel em função da composição. Callister, J. W. D., Ciência e engenharia de materiais: uma introdução, LTC, 7ª Ed, 2008

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS DIAGRAMA DE FASES Sistema Eutéticos Binários Um outro tipo comum e relativamente simples de diagrama de fases para as ligas binárias é o sistema cobre-prata. Neste diagrama são encontradas três regiões monofásicas: 𝛼, 𝛽 e líquido.

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS Diagrama de fases cobre-prata Callister, J. W. D., Ciência e engenharia de materiais: uma introdução, LTC, 7ª Ed, 2008

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS DIAGRAMA DE FASES A fase 𝛼 é uma solução sólida rica em cobre; ela possui a prata como o componente soluto e uma estrutura cristalina CFC. A solução sólida que compõe a fase 𝛽 também possui uma estrutura CFC, mas nela o cobre é o soluto. O cobre e a prata puros são também considerados como as fases 𝛼 e 𝛽, respectivamente.

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS DIAGRAMA DE FASES A solubilidade em cada uma dessas fases sólidas é limitada, no sentido de que, em qualquer temperatura abaixo da linha BEG, apenas uma concentração limitada de prata irá se dissolver no cobre (para a fase 𝛼) e de maneira semelhante para o cobre na prata (para a fase 𝛽). O limite de solubilidade para a fase 𝛼 corresponde à linha fronteiriça identificada por CBA, entre as regiões das fases 𝛼/(𝛼 + 𝛽) e 𝛼/(𝛼 + L).

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS DIAGRAMA DE FASES O limite de solubilidade aumenta com o aumento da temperatura até um valor máximo (8,0%p Ag a 779ºC), no ponto B, e diminui novamente para zero na temperatura de fusão do cobre puro, ponto A (1085º C). Em temperaturas abaixo de 779ºC, a curva para o limite de solubilidade do sólido que separa as regiões das fases 𝛼 e 𝛼 + 𝛽 é denominada linha solvus, a fronteira AB entre os campos 𝛼 e 𝛼 + L é a linha solidus.

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS DIAGRAMA DE FASES Para a fase 𝛽, as linhas solvus e solidus também existem e são as linhas HG e GF, respectivamente. A solubilidade máxima do cobre na fase 𝛽, ponto G (8,8%p Cu), também ocorre a 779ºC. A linha horizontal BEG, paralela ao eixo das composições e que se estende entre essas posições de solubilidades máximas, também pode ser considerada como uma linha solidus, ela representa a temperatura mais baixa na qual pode existir uma fase líquida para qualquer liga cobre-prata que se encontre em estado de equilíbrio.

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS DIAGRAMA DE FASES Existem três regiões bifásicas no sistema cobre-prata: 𝛼 + L, 𝛽 + L e 𝛼 + 𝛽. As soluções sólidas 𝛼 e 𝛽 coexistem em todas as composições e temperaturas no campo das fases 𝛼 + 𝛽; as fases 𝛼 + líquido e 𝛽 + líquido também coexistem nas suas respectivas regiões bifásicas. As composições e as quantidades relativas das fases podem ser determinadas utilizando-se linhas de amarração e a regra da alavanca.

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS DIAGRAMA DE FASES Na medida em que a prata é adicionada ao cobre, a temperatura na qual a liga se torna totalmente líquida diminui ao longo da linha liquidus, a linha AE; dessa forma, a temperatura de fusão do cobre é reduzida por adições de prata. Da mesma forma na prata, a introdução do cobre reduz a temperatura para fusão completa ao longo da outra linha liquidus, FE.

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS DIAGRAMA DE FASES As linhas liquidus se encontram no ponto E do diagrama de fases, através do qual também passa a linha isoterma horizontal BEG. O ponto E é chamado de ponto invariante, e é designado pela composição CE e pela temperatura TE. Para o sistema cobre-prata, os valores de CE e TE são de 71,9%p Ag e 779ºC, respectivamente.

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS DIAGRAMA DE FASES Uma reação importante ocorre para uma liga com composição CE conforme ela varia de temperatura ao passar por TE. Essa reação pode ser escrita da seguinte maneira: 𝐿 𝐶 𝐸 𝛼 𝐶 𝛼𝐸 + 𝛽 𝐶 𝛽𝐸

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS DIAGRAMA DE FASES No resfriamento, uma fase líquida se transforma em duas fases sólidas, 𝛼 e 𝛽 na temperatura TE; a reação oposta ocorre no aquecimento. Essa reação é chamada reação eutética (eutético significa que se funde com facilidade), e CE e TE representam a composição e a temperatura do eutético, respectivamente. C𝛼E e C𝛽E são as respectivas composições das fases 𝛼 e 𝛽 na temperatura TE .

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS DIAGRAMA DE FASES Para o sistema cobre-prata, a reação eutética, pode ser escrita da seguinte maneira: 𝐿(71,9%p Ag 𝛼(8,0%p Cu)+ 𝛽 91,2%p Ag A linha solidus horizontal na temperatura TE é chamada de isoterma eutética.

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS DIAGRAMA DE FASES A reação eutética, no resfriamento, é semelhante à solidificação dos componentes puros, no sentido de que a reação prossegue até o seu término sob temperatura constante, ou isotermicamente, a TE. O produto sólido da solidificação eutética consiste sempre em duas fases sólidas, enquanto para um componente puro é formada apenas uma única fase. Devido a essa reação eutética, os diagramas de fases semelhantes ao apresentado para o cobre-prata são denominados diagramas de fases eutéticos, e os componentes que exibem esse comportamento formam um sistema eutético.

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS DIAGRAMA DE FASES Na construção dos diagramas de fases binários é importante compreender que uma ou, no máximo, duas fases podem coexistir em equilíbrio em um campo de fases. Para um sistema eutético, três fases (𝛼, 𝛽 e L) podem estar em equilíbrio, porém somente em pontos ao longo da isoterma eutética. As regiões monofásicas estão sempre separadas umas das outras por uma região bifásica, a qual é composta pelas duas fases das regiões monofásicas que essa região bifásicas está separando.

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS DIAGRAMA DE FASES Um outro sistema eutético comum é aquele para o chumbo e o estanho; o diagrama de fases possui um formato geral semelhante aquele para o sistema cobre-prata. No sistema chumbo-estanho, as fases da solução sólida também são designadas por 𝛼 e 𝛽, nesse caso, 𝛼 representa uma solução sólida de estanho no chumbo, enquanto para 𝛽 o estanho é o solvente e o chumbo é o soluto. O ponto invariante eutético está localizado em 61,9% p Sn a 183ºC.

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS Diagrama de fases chumbo-estanho Callister, J. W. D., Ciência e engenharia de materiais: uma introdução, LTC, 7ª Ed, 2008

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS DIAGRAMA DE FASES Ocasionalmente, são preparadas ligas com baixas temperaturas de fusão que possuem composições próximas às do eutético. Um exemplo é a solda 60-40, que contém 60%p Sn e 40%p Pb. A liga com essa composição está completamente fundida aproximadamente a 185ºC, o que torna esse material especialmente atrativo como uma solda de baixa temperatura, uma vez que ela pode ser facilmente fundida.

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS DIAGRAMA DE FASES A 700ºC, qual é a solubilidade máxima do a) Cu na Ag b) Ag no Cu

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS DIAGRAMA DE FASES A 700ºC, qual é a solubilidade máxima do a) Cu na Ag b) Ag no Cu a) A partir do diagrama de fases cobre-prata, a solubilidade máxima do Cu na Ag a 700ºC corresponde à posição da fronteira entre fases 𝛽−(𝛼 + 𝛽) nessa temperatura, ou aproximadamente 6%p Cu. b) A solubilidade máxima da Ag no Cu corresponde à posição da fronteira entre fases 𝛼−(𝛼+𝛽) nessa temperatura, ou aproximadamente 5%p Ag.

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS 2) Abaixo é apresentada uma parte do diagrama de fases para o sistema H2O-NaCl: Callister, J. W. D., Ciência e engenharia de materiais: uma introdução, LTC, 7ª Ed, 2008

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS DIAGRAMA DE FASES Usando esse diagrama de fases, explique resumidamente como o espalhamento de sal sobre gelo que se encontra a uma temperatura abaixo de 0ºC pode causar o derretimento do gelo. Em que temperatura o sal não é mais útil para causar o derretimento do gelo?

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS DIAGRAMA DE FASES Usando esse diagrama de fases, explique resumidamente como o espalhamento de sal sobre gelo que se encontra a uma temperatura abaixo de 0ºC pode causar o derretimento do gelo. Resposta O espalhamento de sal sobre gelo irá abaixar a temperatura de fusão, uma vez que a linha liquidus diminui de 0ºC (em 100% H2O) até a temperatura eutética de aproximadamente – 21ºC (23%p NaCl). Dessa forma, o gelo a uma temperatura abaixo de 0ºC (e acima de – 21ºC) pode formar uma fase líquida pela adição de sal.

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS DIAGRAMA DE FASES Em que temperatura o sal não é mais útil para causar o derretimento do gelo? Resposta Em – 21ºC e abaixo dessa temperatura, o sal não é mais útil para causar um derretimento do gelo, uma vez que essa é a temperatura mais baixa na qual se forma uma fase líquida, isto é, essa é a temperatura eutética para esse sistema.

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS 3) Para uma liga que contém 40%p Sn – 60%p Pb à temperatura de 150ºC: a) Qual(is) fase(s) está(ão) presente(s)? b) Qual(is) é(são) a(s) composição(ões) dessa(s) fase(s)? Callister, J. W. D., Ciência e engenharia de materiais: uma introdução, LTC, 7ª Ed, 2008

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS 3) Para uma liga que contém 40%p Sn – 60%p Pb à temperatura de 150ºC: a) Qual(is) fase(s) está(ão) presente(s)? Resposta Localize esse ponto temperatura-composição no diagrama de fases (ponto B). Uma vez que esse ponto está na região 𝛼+𝛽, tanto a fase 𝛼 quanto a fase 𝛽 irão coexistir.

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS 3) Para uma liga que contém 40%p Sn – 60%p Pb à temperatura de 150ºC: b) Qual(is) é(são) a(s) composição(ões) dessa(s) fase(s)? Resposta Uma vez que duas fases estão presentes, torna-se necessário construir uma linha de amarração através do campo das fases 𝛼+𝛽, a 150ºC. A composição da fase 𝛼 corresponde à interseção da linha de amarração com a fronteira (linha solvus) entre as fases α/𝛼+𝛽 em aproximadamente 10%p Sn – 90%p Pb, representada como C𝛼. De maneira semelhante para a fase 𝛽, a composição dessa será de aproximadamente 98%p Sn – 2%p Pb (C𝛽).