Diagrama de fases São diagramas que mostram regiões de estabilidade das fases, através de gráficos que representam as relações entre temperatura, pressão.

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1 Diagrama de fases São diagramas que mostram regiões de estabilidade das fases, através de gráficos que representam as relações entre temperatura, pressão e composição química.

2 Para que serve: Investigar reações Químicas;
Entender a microestrutura dos materiais; Prever as suas propriedades; Etc.

3 Sistema Série de possíveis ligas com mesmos componentes, mas composições e microestruturas distintas Ex: Sistema Cobre-Oxigênio A variação da composição de oxigênio leva a diferentes estruturas microscópicas, bem como a formação de diferentes fases

4 Solução sólida Fase homogênea que contem 2 ou mais componentes (solutos) dissolvidos em um solvente. Ex: Latão Liga com até 30% de Zinco em Cobre

5 Fase Uma porção de um sistema que possui propriedades e composição homogêneas e que é fisicamente distinta das outras partes do sistema. Cr+ 3% Nb – Região de contorno de grão

6 Equilíbrio termodinâmico
Um sistema está em equilíbrio se a sua energia livre (G) se encontra em um valor mínimo para alguma combinação específica de temperatura, pressão e composição

7 Energia Livre de Gibbs

8 Energia Livre de Gibbs A Energia Livre de Gibbs é uma medida de estabilidade de um sistema de fases. Quando a variação dessa energia é nula, diz-se que o sistema está em equilíbrio ou está estável.

9 Energia Livre de Gibbs ( G )
∆G = ∆H – T∆S Onde: H = entalpia do sistema; T = temperatura; S = entropia do sistema.

10 Entalpia (H) Entalpia é o conteúdo de calor de um sistema, à pressão constante de fórmula: H = E + PV Onde: E =energia interna do sistema; P =pressão; V =volume.

11 Entropia (S) É a medida de desordem de um sistema. Quanto maior a desorganização do sistema, maior a entropia. Onde: Q=Quantidade de calor; T= temperatura.

12 Fonte: Porter e Easterling

13 Fonte: Porter and Easterling

14 Fonte: Porter and Easterling

15 Fonte: Porter e Easterling

16 Limite de solubilidade
A uma dada temperatura existe uma concentração máxima de soluto que pode se dissolver no solvente. Esse limite chama-se limite de solubilidade

17 Água e açúcar

18 Solubilidade Total

19 Efeito da Pressão

20 Superliga de Niquel Microestrutura A microestrutura pode ser observada por microscópio ótico ou eletrônico. Podem ser identificadas as fases e a quantidade delas no material. Cada fase possui propriedades diferentes. Nimonic (Ni+Co) – 400X Ti 6Al-4V – 400X Aço Comum Baixo Carbono Al+4% Cu Cu+Sn – Estrutura Dentrítica Cu+Zn - Latão

21 Microestrutura de um aço
O Aço possui diversas microestruturas devido ao seu diagrama de fases e aos diferentes metodos de processamento

22 Austenita Resfriamento rápido (têmpera) Martensita (fase tetragonal)
Resfriamento moderado Resfriamento lento Bainita ( + Fe3C) Perlita ( + Fe3C) + Fase próeutetóide (Ferrita ou cementita) Reaquecimento Martensita Revenida ( + Fe3C)

23 Identificação das Fases
Existem fronteiras onde há uma mudança abrupta de propriedades. Esses conjuntos de propriedades pertencem as fases presentes Micrografia de Compósito de Matriz metálica (Alumínio) com partículas cerâmicas

24 Tipos de diagramas Binários Ternários Quaternários

25 Binário

26 Ternário

27 Interpretação do diagrama
Quais fases estão presentes? Qual é a composição das fases? Qual é a fração relativa das fases?

28 Regra da alavanca A regra da alavanca é um método de determinação da quantidade de cada fase presente no material

29 Regra da Alavanca

30 Fração em peso de Líquido (WL)
Fração em peso de sólido (Wα)

31 Reações de Fases Reação Eutética Reação Eutetóide Reacão Peritética

32 (TE) Temperatura Reação Eutética Composição (at% Ag) Temperatura (°C)
Composição (wt% Ag) Resfriamento Reação Eutética aquecimento

33 Líquido → Sólido α + Sólido β
Reação Eutética Líquido → Sólido α + Sólido β Microestrutura Eutética da Liga Nb (81.8%) – Si (18.2%): Nióbio é a fase clara, dispersa na matriz de Nb3Si

34 Reação Eutetóide Sólido → Sólido γ + Sólido ε
Exemplos de microestrutura Euteróide em Aços Crescimento de microestrutura Eutetóide em aço:

35 Reação Peritética Líquido + sólido A → sólido B

36 Diagrama de Fases Parte II

37 No Equilíbrio Reações ocorrem com composições do líquido e do sólido homogêneas Há tempo o suficiente para a difusão em ambas as fases

38 Fora do equilíbrio O primeiro metal formado é mais rico em soluto;
Não há tempo para que a difusão leve a composição química das fases à posição de equilíbrio; A variação da concentração de soluto real desloca a linha Sólidus.

39 Microestruturas Resultantes
Diagrama de fases Chumbo - Estanho

40 Segundo a regra da alavanca, haverão proporções específicas de fase a e b na composição acima, mas a morfologia depende do histórico de resfriamento

41 Concentração de soluto menor que a da linha Solvus.
Formação de grão de a diretamente a partir do líquido.

42 Concetração de Soluto acima da linha solvus, mas abaixo da concentração mínima para Eutético (CEa)
Nucleação de fase b no interiror de grão já formados de a

43 Concentração de Soluto igual a Composição Eutética da Liga
Formação de microestrutura eutética a partir do líquido

44 Concentração de Soluto entre a Composição Eutética (CE) e CEa;
Formação de grãos de a a partir do líquido, mas havendo líquido remanescente ao chegar a Temperatura Eutética; Formação de microestrutura eutética a partir do líquido, entre os grãos de a Pré-Eutetóides; Com composição entre CE e CEb, a microestrutura é análoga.

45 Diagramas com muitas transformações
Diagrama Cobre - Zinco

46 Compostos Intermediários
Diagrama Ouro-Estanho Diagrama Ferro-Alumínio Diagrama Estanho-cobre Algumas ligas possuem compostos Inter-Metálicos: Composições específicas aonde os dois metais formam uma fase de estequiometria e cristalografia definida (substituição de átomos na rede em posições específicas). Ex: Cu3Sn, AuSn, FeAl2, Fe2Al5, etc...

47 Diagrama de Fases Parte III
Transformações congruentes

48 Reações Congruentes: Ocorrem quando um líquido da origem a um líquido de propriedades diferentes e mais uma fase sólida

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50 Diagrama Fe-Fe3C

51 Ferrita (90x) Austenita (325x)

52 Perlita (α + Fe3C) Microestrutura resultante do resfriamento rápido de uma liga composta de fase γ (austenita) com composição eutetóide (≈0,76% C)

53 Aço eutetóide com microestrutura perlítica
Liga eutetóide (≈ 0,76% C)

54 Liga Hipoeutetóide Aço (0,38% C) com microestrutura composta de perlita e ferrita proeutetóide

55 Liga Hipereutetóide Aço ( 1,4% C) com microsestrutura constituida de cementita proeutetóide (branca) que envolve as colônias de perlita

56 Influência de outros elementos de liga

57 Diagrama de fases dos materiais cerâmicos

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59 P + F = C + N Lei das Fases de Gibbs Onde: P= número de fases
F= números de graus de liberdade C= componentes do sistema N= quantidade de variáveis não relacionadas com a composição (temperatura, pressão...)

60 N = 1 (temperatura é a única variável)
Pressão constante (1 atm) N = 1 (temperatura é a única variável) C= 2 ( Cu e Ag) Faz-se necessário especificar a temperatura e a composição para determinar o número de fases. Por exemplo: Para a temperatura T1 e composições entre Cα e CL , existem 2 fases ( α e líquida) P= 2 P + F = C + N 2 + F = 2 + 1 F= 1 ( grau de liberdade)