Diagrama de Fases Ampliação de um floco de neve. A fase sólida da água em uma de suas formas (Courtesia de Kenneth G. Libbrecht, Cal Tech)

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1 Diagrama de Fases Ampliação de um floco de neve. A fase sólida da água em uma de suas formas (Courtesia de Kenneth G. Libbrecht, Cal Tech)

2 9. Diagrama de Fases Definições e Conceitos Básicos:
Solvente: Componente de uma solução em maior quantidade. Ex.: Al na liga Al-4,5%pCu; Soluto: Componente de uma solução em menor quantidade. Ex.: Cu na liga Al-4,5%pCu; Componente: Metais puros e/ou compostos que compõe uma liga. Ex.: Al e Cu; Sistema: Série de possíveis ligas que consistem nos mesmos componentes. Ex.: Al-Cu = Al1%pCu, Al4,5%pCu; Diagramas de Fases

3 9.2. Limite de Solubilidade
Máxima concentração de átomos de soluto que pode se dissolver no solvente para formar solução. Sistema C12H12O11-H20 Diagramas de Fases

4 9.3. Fases Porção homogênea do sistema que possui características físicas e químicas uniformes. Todo material puro é considerado uma fase; Soluções podem ser sólidas, líquidas e gasosas; Açúcar sólido + solução de açúcar formam duas fases distintas; Formas polimórficas como o Fe-α CCC e Fe- γ CFC; Ex.: Água líquida e gelo num copo. -Sistema homogêneo formado por uma fase; -Sistema heterogêneo formada por várias fases. Diagramas de Fases

5 9.4. Microestrutura Propriedades físicas, em particular, o comportamento mecânico de um material depende da microestrutura. Ferrita – α Macia e Dúctil Perlita Mais Dura Diagramas de Fases

6 9.5. Equilíbrios de Fases Melhor compreendido em termos de uma grandeza termodinâmica, a entropia, entalpia e energia livre; Através do método de minimização de energia livre das fases presentes os diagramas são calculados; Equações Diferenciais para Energia Livre de uma Fase Equações Analíticas para o sistema Isomorfo Cu-Ni Diagramas de Fases

7 9.5. Equilíbrios de Fases Diagramas de Fases

8 9.5. Equilíbrios de Fases Equilíbrio de fases refere-se ao equilíbrio, uma vez que se aplica a sistemas nos quais podem existir mais de uma fase; Diagramas de Fases

9 Diagrama de Equilíbrio
9.5. Equilíbrio de Fases Diagrama Metaestável Diagrama de Equilíbrio 1147 oC 1153 oC 2.14 4.30 2.02 4.30 Fe3C 6.7 727 oC 736 oC 0.022 0.022 Diagramas de Fases

10 Diagrama de Fases em Equilíbrio
Diagrama de Equilíbrio ou Diagrama Constitucional -Representam as relações entre a temperatura, composições e as quantidades de cada fase em condições de equilíbrio. -A temperatura e a composição são os parâmetros variáveis para ligas binárias; -A maioria das ligas apresentam mais de dois componentes; -Muito embora a pressão externa exerça influência sobre a microestrutura, geralmente, os diagramas de fases correspondem a pressão de 1 atm; Diagramas de Fases

11 Diagrama de Fases em Equilíbrio
Influência da pressão sobre o diagrama de fases Fe-C Diagramas de Fases

12 9.6. Diagrama de Fases Isomorfo
Chamado de diagrama isomorfo devido a solubilidade completa do Ni no Cu. A solubilidade completa ocorre devido: Estrutura cristalina de ambos é CFC; Os raios atômicos são muito próximos; As eletronegatividades próximas; As valências são semelhantes. Diagramas de Fases

13 9.6. Interpretação do Diag. Isomorfo
Para um sistema binário em equilíbrio com composição e temperatura conhecidas encontram-se disponíveis as seguintes informações: Fases presentes; Composições dessas fases, e Frações das fases. A Fases presentes A (1240 oC; 35,0%p) - α + líquido B (1100 oC; 40,0%p) - α B Diagramas de Fases

14 9.6. Interpretação do Diag. Isomorfo
2. Composição das Fases: i. Constrói-se linhas de amarração; ii. Anotam-se as intersecções; B 35,0 31,5 42,5 Diagramas de Fases

15 9.6. Interpretação do Diag. Isomorfo
3. Determinação da Composição das Quantidades das Fases: i. Para região monofásica a solução é óbvia; ii. Para a região bifásica traça-se linhas de amarração; iii. Localiza-se a composição global; iv. A fração da fase é calculada sempre linha oposta pela valor total linha de amarração B R S 35,0 31,5 42,5 Diagramas de Fases

16 9.6. Interpretação do Diag. Isomorfo
Revisão de Conceitos: Para sistemas multifásicos é mais conveniente especificar as quantidades relativas em função da fração volumétrica ao invés da mássica. *Fração mássica da fase α *Fração mássica da fase β *Fração volumétrica da fase α Diagramas de Fases

17 9.6. Interpretação do Diag. Isomorfo
*Fração volumétrica α *Massa específica α Diagramas de Fases

18 9.6. Interpretação do Diag. Isomorfo
*Fração volumétrica β *Fração mássica e volumétrica *Fração mássica e volumétrica Diagramas de Fases

19 Desenvolvimento da Microestrutura
Em condições de Equilíbrio. L (35Ni) L 35 L 32 α 46 α 43 L 24 α 35 α 35 Ni α α α α α Diagramas de Fases

20 Desenvolvimento da Microestrutura
Em condições fora de Equilíbrio. L (35Ni) L 35 L 29 α 46 α 42 L 24 α 38 L 21 α 31 Diagramas de Fases

21 Propriedades Mecânicas dos Isomorfos
Aumento de resistência mecânica devido a formação de solução sólida. Diagramas de Fases

22 9.7. Sistemas Eutéticos Binários
1085 oC A Liquidus Líquido F Solidus L+α B 779 oC (TE) E L+β G α 8.0CαE 71.9 CE 91.2CβE β Solvus α +β C H Diagramas de Fases

23 9.7. Sistemas Eutéticos Binários
Líquido L+α E L+β α 8.0 CαE 71.9 CE 91.2CβE β α +β Diagramas de Fases

24 9.7. Sistemas Eutéticos Binários
327 oC Líquido L+α 232 oC L+β 183 oC (TE) α 18.3CαE 61.9 CE 97.8CβE β α +β Diagramas de Fases

25 Desenvolvimento da Microestrutura
Em condições de Equilíbrio. a Líquido Acontece em composições de 0-2%Sn e 99% Sn b L (2%Sn) α L+α α L c 2% Sn α +β α α α α α Diagramas de Fases

26 Desenvolvimento da Microestrutura
Em condições de Equilíbrio. d Líquido L (15%Sn) e α L f L+α α α α g α α α α α +β Curva Solvus α α α β α Diagramas de Fases

27 Desenvolvimento da Microestrutura
Em condições de Equilíbrio. L (61,9%Sn) Líquido h α Sn α β L+α L α β Pb i α β Microestrutura α +β Curva Solvus α eut 18,3% Sn β eut 97,8% Sn Diagramas de Fases

28 Desenvolvimento da Microestrutura
Em condições de Equilíbrio. L (40,0%Sn) Líquido Microestrutura j α k L L+α α l L+β α L m α α +β Diagramas de Fases

29 Desenvolvimento da Microestrutura
Em condições de Equilíbrio. Líquido L+α α L+β P Q R α +β Diagramas de Fases

30 Desenvolvimento da Microestrutura
Em condições de Equilíbrio. Líquido L+α α L+β P Q R α +β Diagramas de Fases

31 Compostos Intermediários e Intermetálicos
Líquido L+α L+β β L+γ α + β β + γ γ+δ α L+δ γ γ L+ϵ η ϵ α + β’ γ+ϵ η+ϵ β' + γ β'

32 Compostos Intermediários e Intermetálicos

33 9.9. Reação Eutetóide e Peritética
Ponto E Eutetóide 560 oC e 74 %Zn L+γ L Reação Eutetóide γ+δ L+δ Ponto P Peritético 598 oC e 78,6 %Zn γ δ P 578,6oC γ+ϵ 560oC E L+ϵ γ+ϵ ϵ Reação Peritética

34 Exercícios EC*- Para uma liga com Pb-40%Sn a 150 oC, (a) quais as fases que estarão presentes? (b) Quais são as composições das fases? A B C 10.5 97.6 Diagramas de Fases

35 Exercícios EC*- Para a liga Pb-40%Sn, calcule as quantidades relativas de cada fase presente em termos da fração (a) mássica e (b) volumétrica. Dados: Massa específica do Pb e do Sn, e 7.24 g/cm3. Revisão de Conceitos: *Fração da fase α *Fração da fase β Diagramas de Fases

36 Exercícios Revisão de Conceitos: *Massa Específica α
*Fração Volumétrica α Diagramas de Fases

37 Exercícios EC*- Para a liga Al-6.2Cu a 500 oC, calcule as quantidades relativas de cada fase presente em termos da fração (a) mássica e (b) volumétrica. Dados: Massa específica do Al e do Cu, 2.55 e 8.96 g/cm3. Calcular a massa específica do eutético. 548oC 5.65 33.0 52.4 3.77 52.8 6.2 Diagramas de Fases

38 Exercícios α α L L α eutético (3.77 %p Cu) α β eutético (52.8 %p Cu)
52.4 5.65 3.77 52.8 α eutético (3.77 %p Cu) α β eutético (52.8 %p Cu) C1( 6.2 %p Cu) α primário (3.77 %p Cu) C4 Diagramas de Fases

39 Exercícios Diagramas de Fases

40 13. Exercícios Diagramas de Fases

41 Exercícios Diagramas de Fases

42 9.12. A Lei das Fases de Gibbs Lei das Fases Onde,
1085 oC A Líquido Onde, P – No de fases presentes. Ex.: L + α (2) Cα CL T1 F L+α B 779 oC (TE) E L+β G α F – No de variáveis externas controladas de forma independente. Ex.: 1 8.0CαE 71.9 CE 91.2CβE β C – No de componentes. Ex.: Ag e o Cu (2) α +β N – No de variáveis no processo não relacionadas a composição. Ex.: Temperatura e Pressão C H Cα CL Diagramas de Fases

43 9.12. A Lei das Fases de Gibbs Lei das Fases
Para diagramas binários C=2 e a pressão é CTE=1 atm, portanto N=1. 1085 oC A Líquido F L+α B 779 oC (TE) E L+β G α 8.0CαE 71.9 CE 91.2CβE β Região Monofásica Região Bifásica α +β C H Região Trifásica Diagramas de Fases

44 9.13. Diagrama Fe-Fe3C Diagrama Fe-C Equilíbrio
Diagrama Fe-C Meta-Estável 1147 oC 2.14 4.30 1147 oC 2.14 4.30 Fe3C 6.7 727 oC 727 oC Diagramas de Fases

45 9.13. Diagrama Fe-Fe3C Diagramas de Fases 1538 oC 1493 oC 1394 oC
2.14 4.30 Fe3C 912 oC 6.7 727 oC 727 oC 0.022 0.022 Diagramas de Fases

46 9.13. Diagrama Fe-Fe3C Reação Eutética Reação Eutetóide
1147 oC 2.14 4.30 Fe3C 6.7 727 oC 0.022 Diagramas de Fases

47 9.13. Diagrama Fe-Fe3C Ferro α Austenita Diagramas de Fases 1147 oC
2.14 4.30 Austenita Fe3C 6.7 727 oC 0.022 Diagramas de Fases

48 9.14. Desenvolvimento da Microestrutura
Composição Euteóide Microestrutura Diagramas de Fases

49 9.14. Diagrama de Fases Fe-C Mecanismo de Formação do Eutetóide
Diagramas de Fases

50 9.14. Diagrama de Fases Fe-C 0.76 > C > 0.022 Hipo-Eutetóide
α pro-eutetóide γ + Fe3C Hipo-Eutetóide 0.76 > C > 0.022 Microestrutura Diagramas de Fases

51 9.14. Diagrama de Fases Fe-C 2.14 > C > 0.76 Hiper-Eutetóide
Microestrutura Diagramas de Fases

52 9.14. Diagrama de Fases Fe-C - Frações
T U V X 6.7 γ + Fe3C α + Fe3C α γ Fe3C Diagramas de Fases

53 9.15. Influência de Outros Elementos de Liga
Diagrama Fe-Fe3C Diagrama Fe-C Meta-Estável 1147 oC 2.14 4.30 Fe3C 6.7 e 727 oC 0.76 Diagramas de Fases

54 9.15. Influência de Outros Elementos de Liga
Influência sobre a T e C Eutetóide Diagramas de Fases

55 Atividades ThermoCalc
EC 1 - Faça um diagrama Fe-C em equilíbrio. EC 2 - Faça um diagrama Fe-C metaestável. EC 3 - Faça um diagrama pseudo-binário Fe-C-Si em função do teor de C. EC 4 – Qual a temperatura liquidus do fofo UNS F10006 / SAE G3000, na composição média Diagramas de Fases

56 Atividades ThermoCalc
EC 5 – A partir da tabela de composição para a liga aeronáutica A356, a partir composição média calcular a temperatura liquidus, a entalpia em função da temperatura, o calor específico em [J/g.K] em função da temperatura e o caminho de solidificação (solidification path). Diagramas de Fases

57 Atividades ThermoCalc
EC 6 – A partir da tabela de classificação para o aço ferramenta ASTM A2 calcular para a composição média a entalpia em função da temperatura, o calor específico em [J/g.K] em função da temperatura e o caminho de solidificação (Sol. Path). Diagramas de Fases

58 Atividades ThermoCalc
EC 7 – A partir da tabela de classificação para o ferro fundido branco à abrasão ASTM A 532 calcular para o ferro II-A na composição média a temperatura liquidus, a entalpia em função da temperatura, o calor específico em [J/g.K] em função da temperatura e o caminho de solidificação (Sol. Path). Diagramas de Fases