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8. Diagramas de fase em condições de equilíbrio
- Definições e conceitos básicos: identificação das fases, limite de solubilidade, microestrutura das fases - Diagramas de equilíbrio binários isomorfos e eutéticos - Reações eutetóides e peritéticas - Sistema Fe-C e microestruturas que se formam no resfriamento lento
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SOLIDIFICAÇÃO TODO O PROCESSO DE FABRICAÇÃO DE PEÇAS METÁLICAS TEM INÍCO EM UM PROCESSO DE SOLIDIFICAÇÃO
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DIAGRAMA DE FASE OU DE EQUILIBRIO
IMPORTÂNCIA: - Permite a visualização da fusão e solidificação Prediz as transformações de fases Dá informações sobre microestrutura e propriedades mecânicas em função da temperatura e composição
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2. SOLUBILIDADE DO SOLUTO E FASES
SOLUBILIDADE COMPLETA SOLUBILIDADE INCOMPLETA INSOLUBILIDADE LIMITE DE SOLUBILIDADE: é a concentração máxima de átomos de soluto que pode dissolver-se no solvente, a uma dada temperatura, para formar uma solução sólida. Quando o limite de solubilidade é ultrapassado forma-se uma segunda fase com composição distinta
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Todo metal puro e uma considerado uma fase
3. FASES FASE É A PORÇÃO HOMOGÊNEA DE UM SISTEMA QUE TEM CARACTERÍSTICAS FÍSICAS E QUÍMICAS DEFINIDAS Todo metal puro e uma considerado uma fase Uma fase é identificada pela composição química e microestrutura A interação de 2 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
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4. DIAGRAMA DE FASES OU DE EQUILÍBRIO
É COMO UM MAPA PARA A DETERMINAÇÃO DAS FASES PRESENTES, PARA QUALQUER TEMPERATURA E COMPOSIÇÃO, DESDE QUE A LIGA ESTEJA EM EQUILÍBRIO - Termodinamicamente o equilíbrio é descrito em termos de energia livre (G) - Um sistema está em equilíbrio quando a energia livre é mínima O equilíbrio de fases é o reflexo da constância das características das fases com o tempo
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FUSÃO E ENERGIA LIVRE (G)
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4. FASES DE EQUILÍBRIO E FASES METAESTÁVEIS
Fases de equilíbrio: suas propriedades ou características não mudam com o tempo. Geralmente são representadas nos diagramas por letras gregas Fases metaestáveis: suas propriedades ou características mudam lentamente com o tempo, ou seja, o estado de equilíbrio não é nunca alcançado. No entanto, não há mudanças muito perceptíveis com o tempo na microestrutura das fases metaestáveis.
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SOLIDIFICAÇÃO DE UM METAL PURO
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SOLIDIFICAÇÃO DE UMA LIGA BINÁRIA
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CONSTRUÇÃO DOS DIAGRAMAS DE FASE A PARTIR DAS CURVAS TÉRMICAS
São obtidas curvas térmicas para diferentes teores de soluto
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4.1. DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO PARA SISTEMAS BINÁRIOS E ISOMÓRFOS
Isomorfo quando a solubilidade é completa (Exemplo: Sistema Cu-Ni)
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CURVA DE SOLIDIFICAÇÃO PARA UMA LIGA BINÁRIA ISOMORFA
Remoção do calor latente de fusão Curva de solidificação
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INTERPRETAÇÃO DO DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO (CONSTITUIÇÃO DA LIGA)
- Fases presentes localiza-se a temperatura e composição desejada e verifica-se o número de fases presentes - Composição química das fases usa-se o método da linha de conecção (isotérma) Para um sistema monofásico a composição é a mesma da liga - Percentagem das fases (quantidades relativas das fases) regra das alavancas
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SISTEMA Cu-Ni DETERMINAÇÃO DAS FASES PRESENTES E DA COMPOSIÇÃO QUÍMICA DAS FASES
B Comp. Liq= 32% de Ni e 68% de Cu Comp. Sol. = 45% de Ni e 55% de Cu
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SISTEMA Cu-Ni Determinação das quantidades relativas das fases
Composição das fases Percentagem das fases Fase líquida Fase sólida Comp. Liq= 31,4% Ni e 68,9%Cu Comp. Sol. = 42,5,4 %Ni e %57,5Cu L = S R+S L = C-C0 C-CL S = R R+S L = Co-CL C-CL
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Mudança na composição das fases durante o processo de solidificação
Ex: o centro do grão mais rico do elemento com o elemento de maior ponto de fusão) centro do grão A distribuição dos 2 elementos no grão não é uniforme.
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Mudança na composição das fases durante o processo de solidificação
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DESENVOLVIMENTO DA MICROESTRUTURA
A microestrutura só segue o diagrama de equilíbrio para velocidades de solidificação lentas Na prática, não há tempo para a difusão completa e as microestruturas não são exatamente iguais às do equilíbrio O grau de afastamento do equilíbrio dependerá da taxa de resfriamento Como conseqüência da solidificação fora do equilíbrio tem-se a segregação (a distribuição dos 2 elementos no grão não é uniforme).
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SOLUBILIDADE É dada pela linha solvus + l l + () () +
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SISTEMAS EUTÉTICOS BINÁRIOS
Reação eutética: Líquido + Neste caso a solidificação processa-se como num metal puro, no entanto o produto é 2 fases sólidas distintas. Microestrutura do eutético: LAMELAR camadas alternadas de fase e . Ocorre desta forma porque é a de menor percurso para a difusão
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REAÇÃO EUTÉTICA Líquido + () () + Indica solubilidade
LINHA SOLVUS Indica solubilidade
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HIPOEUTÉTICO E HIPEREUTÉTICO
HIPOEUTÉTICO COMPOSIÇÃO MENOR QUE O EUTÉTICO HIPEREUTÉTICO COMPOSIÇÃO MAIOR QUE O EUTÉTICO
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MICROESTRUTURA DE UMA LIGA DE Sn-Pb HIPOEUTÉTICA
Região preta é a fase primária rica em Pb Lamelas são constituídas de fase rica em Pb e fase rica em Sn
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DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO TENDO FASES INTERMEDIÁRIAS
REAÇÃO EUTETÓIDE: + ( a diferença do eutético é que uma fase sólida, ao invés de uma líquida, transforma-se em duas outras fases sólidas. REAÇÃO PERITÉTICA: Envolve três fases em equilíbrio + Líquido Uma fase sólida mais uma fase líquida transforma-se numa outra fase sólida
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PERITÉTICO E EUTÉTICO
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PERITÉTICO Envolve 3 fases em equilíbrio
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PERITÉTICO DUPLO
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EUTÉTICO, EUTETÓIDE E PERITÉTICO
Ponto de fusão congruente
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REAÇÃO MONOTÉTICA E EUTÉTICA
Dois líquidos imiscíveis formam uma fase sólida e uma fase líquida (MONOTÉTICA)
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GRÁFICO ESQUEMÁTICO: PONTO DE FUSÃO E TRANSFORMAÇÕES ALOTRÓPICAS
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Sistema Fe-C ou Fe-Fe3C e microestruturas que se formam no resfriamento lento
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DIAGRAMA DE FASE Fe-Fe3C TRANSFORMAÇÃO ALOTRÓPICA
CCC +l l+Fe3C CFC +Fe3C + CCC +Fe3C As fases , e são soluções sólidas com Carbono intersticial
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FERRO PURO FERRO = FERRITA FERRO = AUSTENITA FERRO = FERRITA
TF= 1534 C Nas ligas ferrosas as fases , e FORMAM soluções sólidas com Carbono intersticial CARBONO
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DIAGRAMA DE FASE Fe-Fe3C TRANSFORMAÇÔES
+l +l l+Fe3C PERITÉTICA +l EUTÉTICA l +Fe3C EUTETÓIDE +Fe3C AÇO FOFO
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Ferro Puro /Formas Alotrópicas
FERRO = FERRITA Estrutura= ccc Temperatura “existência”= até 912 C Fase Magnética até 768 C (temperatura de Curie) Solubilidade máx do Carbono= 0,02% a 727 C FERRO = AUSTENITA Estrutura= cfc (tem + posições intersticiais) Temperatura “existência”= C Fase Não-Magnética Solubilidade máx do Carbono= 2,14% a C
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Ferro Puro /Formas Alotrópicas
FERRITA AUSTENITA
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Ferro Puro /Formas Alotrópicas
FERRO = FERRITA Estrutura= ccc Temperatura “existência”= acima de 1394C Fase Não-Magnética É a mesma que a ferrita Como é estável somente a altas temperaturas não apresenta interesse comercial
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Sistema Fe-Fe3C Ferro Puro= até 0,02% de Carbono
Aço= 0,02 até 2,06% de Carbono Ferro Fundido= 2,1-4,5% de Carbono Fe3C (CEMENTITA)= Forma-se quando o limite de solubilidade do carbono é ultrapassado (6,7% de C)
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CEMENTITA (Fe3C) Forma-se quando o limite de solubilidade do carbono é ultrapassado (6,7% de C) É dura e frágil Cristaliza no sitema 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 A adição de Si acelera a decomposição da cementita para formar grafita
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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
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PONTOS IMPORTANTES DO SISTEMA Fe-Fe3C (EUTETÓIDE)
LIGA EUTETÓIDE corresponde à liga de mais baixa temperatura de transformação sólida Austenita FASE (FERRITA) + Cementita - Temperatura= 725 C - Teor de Carbono= 0,8 % Aços com 0,02-0,8% de C são chamadas de aços hipoeutetóides Aços com 0,8-2,1% de C são chamadas de aços hipereutetóides
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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)
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MICROESTRUTURAS / EUTETÓIDE
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MICROESTRUTURA DO AÇO EUTETÓIDE RESFRIADO LENTAMENTE
Somente Perlita
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MICROESTRUTURAS /HIPOEUTETÓIDE Supondo resfriamento lento para manter o equilíbrio
Teor de Carbono = 0,002- 0,8 % Estrutura Ferrita + Perlita As quantidades de ferrita e perlita variam conforme a % de carbono e podem ser determinadas pela regra das alavancas Partes claras pró eutetóide ferrita
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MICROESTRUTURA DOS AÇOS BAIXO TEOR DE CARBONO
AÇO COM ~0,2%C Ferrita Perlita
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MICROESTRUTURA DOS AÇOS MÉDIO TEOR DE CARBONO RESFRIADOS LENTAMENTE
AÇO COM ~0,45%C Ferrita Perlita
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MICROESTRUTURAS /HIPEREUTETÓIDE Supondo resfriamento lento para manter o equilíbrio
Teor de Carbono = 0,8-2,06 % Estrutura cementita+ Perlita As quantidades de cementita e perlita variam conforme a % de carbono e podem ser determinadas pela regra das alavancas Partes claras pró eutetóide cementita
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ALGUNS DIAGRAMAS
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Micrografia da Liga Al-3,5%Cu no Estado Bruto de Fusão
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Sistema Mg-Pb
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