Diagramas de Fase.

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1 Diagramas de Fase

2 - Definições e conceitos básicos: identificação das fases, limite de solubilidade, microestrutura das fases -  Diagramas de equilíbrio binários isomorfos, eutéticos e eutetoides -   Reações eutecticas, eutetóides e peritéticas - Sistema Fe-C e microestruturas que se formam no resfriamento lento

3 Importância dos Diagramas de Fase
Um diagrama de fases pode ser comparado a um “mapa” para determinação das fases presentes, para qualquer temperatura e composição (em equilíbrio); Eles permitem prever a microestrutura de um material em função da temperatura e composição dos constituintes;

4 Definições e Conceitos Básicos
Materiais puros, soluções sólidas, soluções líquidas e soluções gasosas são considerados monofásicos; As variações polimórficas são consideradas fases: Ex.: Fe  (CFC) e Fe  (CCC) têm a mesma composição química, mas estruturas diferentes => fases diferentes; Os sistemas de uma única fase são chamados de sistemas homogêneos, e os com mais de uma fase sistemas heterogêneos ou misturas;

5 Definições e Conceitos Básicos
Limite de solubilidade: é a concentração máxima de soluto que pode ser dissolvido no solvente para formar uma solução sólida (uma única fase). Açucar pura Temperatura (°C) 20 40 60 80 100 Co = Composição (%p de açúcar) L Solução líquida (xarope) Limite de solubilidade (líquido) + S (açúcar sólido) 4 6 8 10 Água 65

6 Definições e Conceitos Básicos
O equilíbrio de fases é refletido por uma constância das características das fases presentes em relação ao tempo => as fases presentes não variam com o tempo; Exemplo: Sistema açúcar-água (C12H22O11 – H2O) Açucar puro Temperatura (°C) 20 40 60 80 100 Co = Composição (%p de açúcar) L Solução líquida (xarope) Limite de solubilidade (líquido) + S (açúcar sólido) 4 6 8 10 Água pura D (100°C,90) 2 phases B (~100°C) - 1 fase A (20°C,70) 2 fases 70

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8 Diagramas de Fases em Condições de Equilíbrio
Um diagrama de fases (ou diagrama de equilíbrio) é similar a um “mapa” para determinação das fases presentes, para qualquer temperatura e composição, desde que a liga esteja em equilíbrio;

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10 Diagramas de Fases em Condições de Equilíbrio
Exemplo de Diagrama Unário - Fe puro Exemplo de Diagrama Binário – Sistema Cu-Ni

11 Diagramas de Fases em Condições de Equilíbrio
Exemplo de Diagrama Ternário - Sistema SiO2- FeO - Al2O3

12 Uma fase pode ser definida como uma porção
homogênea de um sistema que possui características físicas e químicas uniformes.

13 Equilíbrio de fases: significa que as características do sistema não mudam ao longo do tempo, persistem indefinidamente. Uma alteração na temperatura, na pressão e/ou na composição de um sistema em equilíbrio resultará em uma possível mudança espontânea para um outro estado.

14 Três regiões, ou campos de fases diferentes aparecem no diagrama,

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23 Fases presentes

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25 L+Fe3C

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27 Linha de amarração

28 Diagramas Eutéticos

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36 Diagramas Eutéticos

37 Diagramas de Fases Binários
Cálculo da quantidade relativa dos microconstituentes (eutético e a primário) Fração de fase a primária Fração de fase eutética A P Q R Fração total de fase a Fração total de fase b

38 Resumo As composições das fases são expressas em termos de percentuais em peso dos componentes (por exemplo, %p Cu, %p Ni). Para qualquer liga que consista em uma única fase. a composição daquela fase é a mesma que a composição global da liga. Se duas fases estiverem presentes, deve ser empregada a linha de amarração, cujas extremidades determinam as composições das respectivas fases

39 Resumo Em relação às quantidades fracionais das fases (por exemplo, a fração mássica da fase a ou da fase líquida), quando existe uma única fase, a liga é composta totalmente por aquela fase. para uma liga bifásica, é utilizada a regra da alavanca, na qual é tomada a razão entre os comprimentos dos segmentos da linha de amarração

40 PROPRIEDADES MECÂNICAS DE LIGAS ISOMORFAS

41 solda de estanho 60-40,

42 Para uma liga com Pb-40%p Sn-60%p a 150°C , (a) qual(is) fase(s) está(ão) presente(s)? (b) Qual(is) é(são) a(s) composição(ões) da(s) fase(s); calcule as quantidades relativas de cada fase

43 SISTEMAS EUTÉTICOS BINÁRIOS
reação eutética

44 Diagramas de Fases Binários
Cálculo da quantidade relativa dos microconstituentes (eutético e a primário) Fração de fase a primária Fração de fase eutética A P Q R Fração total de fase a Fração total de fase b

45 DESENVOLVIMENTO DA MICROESTRUTURA EM
LIGAS ISOMORFAS

46 segregação

47 DESENVOLVIMENTO DA MICROESTRUTURA EM LIGAS EUTÉTICAS

48 DESENVOLVIMENTO DA MICROESTRUTURA EM LIGAS EUTÉTICAS

49 (A fotografia é uma cortesia da Boeing Commercial Airplane Company
(A fotografia é uma cortesia da Boeing Commercial Airplane Company.) : Uma micrografia eletrônica de transmissão mostrando a microestrutura da liga de alumínio que é usada para as camadas superiores da asa, de partes das estruturas internas da asa e de áreas selecionadas da fuselagem do Boeing 767 acima. Esta é uma liga 7150-T651 (6,2Zn, 2,3Cu, 2,3Mg, 0,12Zr, sendo o restante Al) que foi submetida a endurecimento por precipitação.

50 Sistema Al-Cu Solubilização 5,65%
A fase endurecedora das ligas Al-Cu é CuAl2 ()

51 Tratamento térmico de solubilização seguido de envelhecimento
Precipitação Resfriamento em água Chamado de envelhecimento que pode ser natural ou artificial A ppt se dá acima da T ambiente por reaqueci-mento A ppt se dá a T ambiente

52 Dessa forma, a fase α estará presente tanto na estrutura eutética como também naquela fase que se formou durante o resfriamento através do campo das fases a + L.

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54 DIAGRAMAS DE EQUILÍBRIO QUE POSSUEM FASES OU COMPOSTOS INTERMEDIÁRIOS
diagrama eutético simples diagrama eutético simples

55 duas outras fases sólidas
REAÇÕES EUTETÓIDES E PERITÉTICAS isoterma eutetóide uma fase sólida se transforma em duas outras fases sólidas Mediante aquecimento, uma fase sólida se transforma em uma fase líquida e numa outra fase sólida.

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57 A Regra das Fases de Gibbs
Essa lei representa um critério para o número de fases que irá coexistir dentro de um sistema que se encontra em condições de equilíbrio, e é expressa através da equação, de características simples

58 A Regra das Fases de Gibbs
Através de considerações termodinâmicas, Gibbs deduziu uma relação entre o número de fases (P) que podem coexistir em equilíbrio em um dado sistema, o número mínimo de componentes (C) que podem ser usados para formar o sistema e os graus de liberdade (F). F representa o número de variáveis que podem ser modificadas de maneira independente sem alterar o número de fases que podem coexistir em condições de equilíbrio  A relação pode ser apresentada sob a forma de equação:

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62 Sistema Ferro-Carbono
Entre os sistemas binários o Fe-C é o mais importante, pois tanto os aços quanto os ferros fundidos que são essencialmente ligas ferro-carbono, são os principais materiais estruturais; Sistema Ferro-Carbono

63 Ferro Puro /Formas Alotrópicas
FERRO  = FERRITA Estrutura= ccc Temperatura “existência”= até 912 C Fase Magnética até 770 C (temperatura de Curie) Solubilidade máx. do Carbono= 0,0218% a 727 C e 0,008% a T ambiente. FERRO  = AUSTENITA Estrutura= cfc (tem + posições intersticiais) Temperatura “existência”= C Fase Não-Magnética Solubilidade máx. do Carbono= 2,11% a C

64 Ferro Puro /Formas Alotrópicas
FERRITA AUSTENITA

65 Sistema Fe-Fe3C Ferro Puro= até 0,008% de Carbono (727ºC)
Aço= 0,008 até 2,14% de Carbono (raramente >1%) Ferro Fundido= 2,14- 4,5% de Carbono Fe3C (CEMENTITA)= Forma-se quando o limite de solubilidade do carbono é ultrapassado (6,7% de C) O carbono é uma impureza intersticial no ferro e forma uma solução sólida tanto com a ferrita α como com ferrita ɤ, e também com a austenita,

66 CEMENTITA (Fe3C) Forma-se quando o limite de solubilidade do carbono é ultrapassado (6,7% de C) É dura e frágil Cristaliza no sistema ortorrômbico (com 12 átomos de Fe e 4 de C por célula unitária) É um composto intermetálico metaestável, embora a velocidade de decomposição em ferro  e C seja muito lenta

67 PONTOS IMPORTANTES DO SISTEMA Fe-Fe3C (EUTÉTICO)
LIGA EUTÉTICA: corresponde à liga de mais baixo de fusão Líquido FASE  (austenita) + cementita Temperatura= 1148 C Teor de Carbono= 4,3% As ligas de Ferro fundido de 2,1-4,3% de C são chamadas de ligas hipoeutéticas As ligas de Ferro fundido acima de 4,3% de C são chamadas de ligas hipereutéticas

68 aço

69 PONTOS IMPORTANTES DO SISTEMA Fe-Fe3C (EUTETÓIDE)
LIGA EUTETÓIDE Austenita FASE  (FERRITA) + Cementita Temperatura= 727 C Teor de Carbono= 0,77 % Aços com 0,02-0,77% de C são chamadas de aços hipoeutetóides Aços com 0,77-2,1% de C são chamadas de aços hipereutetóides

70 mediante resfriamento, a fase y, sólida, se transforma em ferro α e em cementita Fe3C

71 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)

72 MICROESTRUTURAS / EUTETÓIDE
perlita, Mecanicamente, a perlita apresenta propriedades intermediarias entre a macia e dútil ferrita e a dura e frágil cementita

73 a composição da fase que lhe deu origem [nesse caso a austenita (0,76%p C)] é diferente de ambas as fases geradas como produto [ferrita (0,022%p C) e cementita (6,7%p C)],

74 MICROESTRUTURA DO AÇO EUTETÓIDE RESFRIADO LENTAMENTE
Somente Perlita

75 MICROESTRUTURAS /HIPOEUTETÓIDE Supondo resfriamento lento para manter o equilíbrio
Teor de Carbono = 0,002- 0,77 % Estrutura Ferrita + Perlita As quantidades de ferrita e perlita variam conforme a % de carbono e podem ser determinadas pela regra das alavancas Partes claras ferrita pró eutetóide ou ferrita primária

76 MICROESTRUTURA DOS AÇOS BAIXO TEOR DE CARBONO
AÇO COM ~0,2%C Ferrita Perlita

77 MICROESTRUTURA DOS AÇOS MÉDIO TEOR DE CARBONO RESFRIADOS LENTAMENTE
AÇO COM ~0,45%C Ferrita Perlita

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80 Partes claras  cementita próeutetóide.
MICROESTRUTURAS /HIPEREUTETÓIDE Supondo resfriamento lento para manter o equilíbrio Teor de Carbono = 0,77 - 2,11 % Estrutura cementita+ Perlita As quantidades de cementita e perlita variam conforme a % de carbono e podem ser determinadas pela regra da alavanca Partes claras  cementita próeutetóide.

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84 Cite as fases que estão presentes, composições das fases e proporções relativas para as seguintes ligas: (a) 90%p Zn-10%p Cu a 400°C (b) 75%p Sn-25%p Pb a 175°C (c) 55%p Ag-45%p Cu a 900°C (d) 30%p Pb-70%p Mg a 425°C (e) 2,12 kg Zn e 1,88 kg Cu a 500°C (0 37 lbm Pb e 6,5 lbm Mg a 400°C

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87 Deformação elástica e plástica na temperatura
Ambiente ocorre instantaneamente e permanece constante ao longo do tempo. • Em alta temperatura, há fluência e o comportamento mecânico torna-se dependente do tempo.

88 O que é uma Alta Temperatura?
• Comparar com a temperatura de fusão do sólido (TM). • A partir de T > ~ 0,3 TM (em K) os fenômenos associados à fluência tornam-se predominantes.

89 Diagrama tensão deformação não depende da temperatura ou tempo

90 FLUÊNCIA É o fenômeno de deformação lenta, sob ação de uma carga constante aplicada durante longo período de tempo a uma temperatura superior a 0,4 vezes a Temperatura de fusão em Kelvin

91 Os diversos materiais sofrem deformação plástica quando submetidos a tensão constante em função do tempo. Esta deformação plástica limita a vida útil dos componentes elaborados com estes materiais.

92 Exemplo: filamento de tungstênio • TM ~ 3
Exemplo: filamento de tungstênio • TM ~ °C (3273 K) • Tamb (300 K) é muito baixa para o tungstênio • Temperatura de trabalho (2273 K) • O filamento de W apresenta fluência no trabalho • O peso-próprio das espiras causa deformação, até as mesmas se tocarem e haver “queima da lâmpada”

93 Aspecto da ruptura por fluência

94 Ensaio de fluência

95 Ensaio de fluência: curva típica
Deformação instantânea: Efeito do carregamento do corpo de prova, do tipo elástica Estágio primário: onde a velocidade de fluência é rápida ocorre nas primeiras horas. Velocidade de def. decrescente -encruamento Estágio secundário: A taxa de fluência é constante. Estágio de duração mais longo. Equilíbrio entre os processos de encruamento e recuperação Estágio terciário: Aceleração na taxa de fluência, estricção seguido de ruptura.