Diagramas de fases:
●Limite de solubilidade
●Microestrutura
●Diagramas em sistemas metálicos monocomponentes
●Diagramas em sistemas binários
●Nucleação
●Crescimento e segregação de fases
●Transformação de fases em metais
Diagramas de fases:
●Limite de solubilidade
●Microestrutura
●Diagramas em sistemas metálicos monocomponentes
●Diagramas em sistemas binários
Os Diagramas de Fase são ferramentas para:
1- A formulação e desenvolvimento de novas ligas metálicas,
2- Estudo do efeito da adição de elementos de liga sobre a estabilidade e formação de fases em função da temperatura,
3- Análise e previsão da formação de morfologias das microestruturas a partir da solidificação e mudanças de fase no estado sólido,
4- Estudo da formação de segunda fase para reforço de ligas, 5- São a base termodinâmica para os tratamentos térmicos, termoquímicos e termomecânicos.
Diagrama de fase Binário Cu-Ni
Sistema isomorfo:
É o sistema binário mais simples onde ocorre um único tipo de estrutura cristalina para todas as proporções dos dois componentes totalmente miscíveis que compõe a liga, ou seja, para quaisquer proporções apresentam-se como soluções sólidas.
Composições:
♦
Em T
A: somente líquido (L)
C
L= C
0= 35 % Ni
♦
Em T
D: somente sólido (
α
)
C
α= C
0= 35 % Ni
♦
Em T
B: L +
α
C
L= 32 % Ni
C
α= 43 % Ni
Ponto A
Número de componentes, C =1 (Cu puro)
Número de fases, P = 2 (fases: sólida e líquida).
2 + F = 1 + 1 F = 0
Assim, o ponto A é um ponto
invariante, isto é, a
temperatura de fusão do cobre puro é única.
●
A
Ponto B ou ponto C
Número de componentes, C = 2 (Cu + Ni)
Número de fases, P = 1
(B: fase líquida e C: fase sólida).
1 + F = 2 + 1 F = 2
Assim, nos pontos B e C são
necessárias duas variáveis para definir o estado do sistema, a composição e a temperatura. Em B a temperatura é de 1450 °C e a composição é 20 % em Ni. Em C a temperatura é de 1100 °C e a composição é 60 % de Ni. ●B ● C Diagrama de fases Cu – Ni
Assim, para descrever o estado no ponto D
basta uma variável, ou a temperatura ou a composição química de uma das fases (L ou α). Desta maneira, se for especificada a temperatura de 1275 °C, a composição da fase líquida é de 38 % de Ni e da fase
sólida de 50 % de Ni. Por outro lado, se for especificada a composição química de
uma das fases em equilíbrio termodinâmico, a composição da outra fase e a temperatura são automaticamente definidas.
Ponto D
Número de componentes, C = 2 (Ni e Cu) Número de fases, P = 2 (sólido em equilíbrio termodinâmico com o líquido).
2 + F = 2 + 1 F = 1 Diagrama de fases Cu – Ni ● D CL ● Cα ●
De acordo com a regra das fases:
+ = + 1 (pressão constante)
- Condições para equilíbrio invariante: = 2; = 3, = 0
(não existe 3 fases em equilíbrio neste sistema) -Condições para equilíbrio univariante:
= 2; = 2; = 1 (aplicável na região em branco L + α) - Condições para equilíbrio bivariante:
= 2; = 1; = 2
(aplicável nas regiões verde (L) e azul (α)
Determinação das quantidades das fases L e
α
na região bifásica
♦ As quantidades relativas das fases em
equilíbrio podem ser calculadas do
diagrama de fases. Na região monofásica apenas uma fase está presente, então, a liga está composta integralmente por essa fase. Exemplo, no ponto D, a liga é composta integralmente da fase α,
contendo 35 % de Ni e 65 % de Cu.
♦ Na região bifásica, a determinação é
mais complexa, aplica-se a Regra da
Determinação das frações mássicas de L e
α
na região bifásica de equilíbrio
Na temperatura de 1250 °C, ponto B, ambas as fases, L e α, estão presentes, para uma liga contendo 35 % em peso de Ni e 65 % em peso de Cu. As frações mássicas de cada uma
dessas fases, ,podem ser calculadas a partir dos comprimentos dos segmentos R e S, empregando-se a Regra da Alavanca.
Composição global da liga: = 35 % 65 %
Em TA: fase somente líquida, = 100 %, = 0, ou seja, a liga contém 35 % de Ni e 65 % de Cu
Em TD: fase somente sólida, = 100 %, = 0, a liga contém 35 % de Ni e 65 % de Cu
Em TB: = = !" # !" $ = %&"&' %&"&( = 0,73 (73 %); = = #" $ !" $ = &'"&( %&"&( = 0,27 (27 %)
α(43%Ni)
Resfriamento lento da liga 35 % em peso de Ni:
♦ A 1300 °C (ponto a), a liga está no estado líquido,
composição: L (35 % p. de Ni e 65 % p. de Cu).
♦ A 1260 °C (ponto b), os primeiros núcleos de
sólido (α) começam a se formar, composições: α (49 % p. Ni e 51 % p. Cu) e L (35 % p. Ni e 65 p. Cu).
♦ A 1250°C (ponto c), a fração mássica da fase α
aumenta, mostrando uma redistribuição de Cu e Ni, composições: α(43 % p. Ni e 57 % p. Cu) e L (30 % p. Ni e 70 % p. Cu).
♦ A 1220°C (ponto d), a solidificação está quase
que concluída, composições: α(35 % p. Ni e 65 % p. Cu) e L (23 % p. Ni e 77 % p. Cu).
♦ A 1220°C (ponto d), a solidificação está quase
que concluída, composições: α(35 % p. Ni e 65 % p. Cu) e L remanescente (23 % p. Ni e 77 % p. Cu).
♦ A 1170°C (ponto e), a solidificação está concluída,
forma-se uma solução sólida policristalina de
composição uniforme, α (35 % p. Ni e 65 % p. Cu).
Resfriamento fora das
condições de equilíbrio
♦ Resfriamento levemente rápido
(condições que ocorre na indústria )
♦ A curva solidus se desloca
dependendo da taxa de resfriamento, quanto mais lento o resfriamento
menor o deslocamento.
♦ No líquido a difusão é rápida, mas no
sólido é lenta. Forma-se uma estrutura sólida estratificada.
Estruturas zonadas – segregação
Tratamento térmico de homogeneização:
Realizado em temperatura abaixo da linha de
solidus, por período de tempo adequado para
permitir o processo de difusão e homogeneização da composição do sólido
Taxa rápida de resfriamento:
Estrutura encaroçada
Taxa baixa de resfriamento:
Solidificação fora do equilíbrio:
Consequências: segregação zoneamento
prejudica propriedades
necessidade de recozimento
Microestrutura fora do equilíbrio
Propriedades mecânicas das ligas isomorfas
As propriedades mecânicas são afetadas pela composição, enquanto que as demais variáveis estruturais (ex.: tamanho de grão) são mantidas constantes
Diagrama de fases eutético binário
♦ Três regiões monofásicas: α, β e líquido (L). ♦ Fase α: Cu (solvente) e Ag (soluto), estrutura CFC. ♦ Fase β: Ag (solvente) e Cu (soluto), estrutura CFC. ♦ Solubilidade limitada da Ag no Cu e vice-versa. ♦ Três regiões bifásicas: α+ β, α + L e β + L.♦ Ponto invariante eutético, E. ♦ Linha liquidus: separa as
regiões L/(α+ L) e L/(β + L).
♦ Linha solidus: separa as
regiões (α + L)/ /α e (β + L)/β.
♦ Linha solvus: separa os
♦ As linhas liquidus, AE e FE, se encontram no ponto E, designado pela composição , (71,9 % em peso de Ag e 28,1 % em peso de Cu) e pela temperatura -, (779 °C). ♦ Linha BEG (isoterma eutética) a 779 °C, contém o ponto E.
♦ No ponto E, as três fases (α, β e L) estão em equilíbrio, uma fase líquida (L) se
transforma em duas fases sólidas (α + β) na temperatura em torno de -,: . ,
/ 0/ 1 23 ⇄
15 6 23
7 , + 8( 9,)
que é chamada de reação eutética.
♦ Reação eutética para o sistema Cu – Ag:
. 71,9 % . <=
/ 0/ 1 23 ⇄
15 6 23
Diagrama de fases chumbo – estanho
Ligas de baixa temperatura de fusão: Sn 60 % em peso e Pb 40 % em peso (solda de estanho 60-40) que se funde completamente em 185 °C.
Regra das fases
...
Regiões
α
ou (
α
+
β
)
C = 2 (Cu e Ag), P = 1 (α ou + ), N = 1 (P = const.) F = 2 (para descrever as fases existentes é
preciso especificar duas variáveis (temperatura e composição)).
Região (L +
α
)C = 2 (Cu e Ag), P = 2 (α e L), N = 1 (P = constante) F = 1 (para descrever as fases existentes é preciso apenas especificar uma variável (temperatura ou composição de uma das fases ( ou )).
Determinação das frações mássicas de
α
e
β
na região monofásica (
α
+
β
)
Para uma liga 40 % Sn e 60 % Pb a 150
°
C:Fases presentes: αe β Composição das fases:
= 11 % ?2 89 % @
9 = 99 % ?2 (1 % @)
Quantidade relativa de cada fase:
= 99 − 40 99 − 11 = 59 88 = 0,67 (67 % 7) 9 = 40 − 11 99 − 11 = 29 88 = 0,33 (33 % 8)
As transformações de fases envolvem difusão, que são dependentes do tempo