Materiais Cerâmicos
Diagrama de Fases
Prof. Edney Neves – IFPR – Câmpus Campo Largo – Curso Técnico em Cerâmica
Diagrama de Fases
• São mapas que permitem
prever a microestrutura
de
um material em função da temperatura e composições
de cada componente.
Fonte: Callister
• Definições e conceitos básicos:
Componente
: termo empregado para referenciar compostos (ou
materiais puros) que compõem uma mistura (liga);
Sistema
: está relacionado a série de possíveis misturas compostas
pelos mesmos componentes;
Solução
Sólida
:
consiste
em
átomos de pelo menos dois tipos
diferentes, os átomos de soluto
ocupam posições substitucionais
ou
intersticiais
na
rede
do
solvente, sem alterar a estrutura
cristalina do mesmo.
Fonte: Site www.cienciadosmateriais.org
Limite de Solubilidade
: Para muitos sistemas de ligas e em alguma
temperatura específica existe uma concentração máxima de átomos
de soluto que pode se dissolver no solvente para formar uma
solução sólida, isso é chamado de limite de solubilidade. Exemplo:
Sistema açúcar-água (C
12H
22O
11– H
2O).
Fonte: Callister
Fases
: É definida como porção homogênea de um sistema que
possui características físicas e químicas uniformes.
Todo material puro é considerado uma fase, e também todas as
soluções sólidas, líquidas e gasosas.
Sistema homogêneo
uma fase
Sistema heterogêneo
duas ou mais fases
(misturas)
(a) As três formas da água: sólida, líquida e gasosa. (b) Água e Álcool têm solubilidade ilimitada. (d) Água e Óleo não possuem solubilidade. (c) Sal e Água possuem solubilidade limitada.Diagramas de mudança de estado
físico da água
Na pressão atmosférica constante
de 1 atm, temos:
Temperatura de Fusão: 0 °C
Temperatura de Ebulição: 100 °C
Verificamos que o aquecimento
(ou resfriamento) de uma
substância pura apresenta 2
patamares (PF e PE constantes).
Sól. Sól. + Líq. Líq. Vap. Líq. + Vap Sól. Sól. + Líq. Líq. Vap. Líq. + VapDiagramas de mudança de estado
físico de uma mistura
Para a mistura, a temperatura
não se mantém constante do
início ao fim da mudança de
estado.
Verifica-se que o ponto de
solidificação
de
um
líquido
abaixa, quando se dissolve uma
substância no mesmo, e que o
ponto de ebulição do líquido
aumenta,
quando
nele
se
dissolve uma substância.
Diagrama de Fases Unários (de Um
Componente)
• Muitas das
informações sobre o controle da
estrutura das fases
de um sistema específico são
mostradas de maneira conveniente e concisa no
que é chamado
Diagrama de Fases
ou
Diagrama
de Equilíbrio
;
• Há três parâmetros que podem ser controlados
externamente, os quais afetarão a estrutura das
fases:
Temperatura
,
Pressão
e
Composição
.
Diagrama de fases da água pura
• Exemplo: Diagrama de fases pressão-temperatura para a água.
1
0
-1
-2
2
3
4
Ponto O Fonte: CallisterDiagrama de fases da água pura
• Ponto triplo da água.
Diagrama de fases do ferro puro
• Exemplo: Diagrama de fases pressão-temperatura para o ferro (Fe).
Diagrama de fases do ferro puro
• Exemplo: Curva de temperatura-tempo para resfriamento do ferro
(Fe).
Fonte: Site www.cienciadosmateriais.org
Diagrama de Fases Binários
• Diagrama de fases onde a
temperatura e a
composição são os parâmetros variáveis
, enquanto
a pressão é mantida constante (normalmente 1
atm). Possuem dois componentes;
• Os diagramas de fases binários são mapas que
representam as relações entre a temperatura e as
composições e quantidades das fases em equilíbrio,
as quais influenciam a microestrutura de uma
mistura;
• São úteis para prever as
transformações de fases
e
as
microestruturas
resultantes.
Interpretação dos Diagramas de
Fases
• Determinação das fases presentes:
Deve-se apenas localizar o ponto temperatura-composição no
diagrama e
observar a(s) fase(s) correspondente(s)
ao campo
de fases identificado;
• Determinação das composições das fases:
O primeiro passo é localizar o ponto temperatura-composição
no diagrama de fases,
se houver apenas uma fase
a
composição dessa fase é simplesmente a mesma que a
composição global da mistura
;
Interpretação dos Diagramas de
Fases
Para uma mistura com composição e temperatura localizadas
na
região bifásica
:
- Deve ser traçado uma linha horizontal, conhecida como
linha de amarração
ou isoterma, terminam nas curvas de
fronteira entre as fases (liquidus e solidus);
- São
anotadas as interseções
, em ambas as extremidades, da
linha de amarração com as fronteiras entre as fases;
- A
partir
dessas
interseções,
são
traçadas
linhas
perpendiculares
à linha de amarração, até o eixo horizontal
das composições,
onde é lida a composição de cada uma
das respectivas fases
.
Diagrama de Fases Binários
Quais são os componentes?O que significa TAe TB?
O que indica a linha liquidus?
O que indica a linha solidus?
Fonte: Site www.cienciadosmateriais.org
Diagrama de Fases Binários
Qual fase presente no ponto a? Qual composição desta fase?
Qual(is) fase(s) presente(s) no ponto b? Qual composição desta(s) fase(s)?
Diagrama de Fases Binários
Qual(is) fase(s) presente(s) no ponto c? Qual composição desta(s) fase(s)?
Qual(is) fase(s) presente(s) no ponto d? Qual composição desta(s) fase(s)?
Fonte: Site www.cienciadosmateriais.org Fonte: Site www.cienciadosmateriais.org
Diagrama de Fases Binários
Fonte: Site www.cienciadosmateriais.org
• Diagrama de fases Cu-Ni
Quais são os componentes?
O que significa 1085°C e 1455°C?
O que indica a linha liquidus?
O que indica a linha solidus?
Qual(is) fase(s) presente(s) no ponto a? Qual(is) fase(s) presente(s) no ponto b?
Interpretação dos Diagramas de
Fases
• Determinação quantidades das fases:
As quantidades relativas das fases presentes em equilíbrio
podem ser calculadas nos diagramas de fases com o uso da
REGRA DA ALAVANCA.
Procedimento para aplicação da Regra da Alavanca:
1. A linha de amarração é construída na região bifásica na temperatura em que se
encontra a mistura;
2. A composição global da mistura é localizada sobre a linha de amarração;
3. A fração de uma fase é calculada tomando-se o comprimento da linha de amarração
desde a composição global da mistura até a fronteira entre as fases. Em seguida, divide-se esse valor pelo comprimento total da linha de amarração;
4. A fração da outra fase é determinada de maneira análoga;
5. Se forem desejadas as porcentagens das fases, a fração de cada fase é multiplicada
por 100. Figura 9.2 – Uma porção do diagrama de fases cobre-níquel para o qual as composições e
quantidades das fases estão determinadas para o ponto B. Fonte: Callister.
Interpretação dos Diagramas de
Fases
• Exemplo de aplicação da Regra da Alavanca
=
+
=
−
−
ou
Fração Mássica da Fase L
Fração Mássica da Fase
α
=
+
=
−
−
ou
+
= 1
Evolução da microestrutura
Figura 9.3 – Representação esquemática do desenvolvimento da microestrutura durante a solidificação em condições de equilíbrio para uma liga 35%p Ni – 65%p Cu. Fonte: Callister.
Diagrama de Fases Binários
Figura 8.1 – Diagrama de fase do sistema MgO-CaO. Fonte: Ceramic Materials.
L L + MgO(ss) C a O(s s) M g O(s s) MgO(ss)+ CaO(ss) Solidusou isoterma eutética
(indica a temp. mais baixa que a fase líquida pode aparecer)
Diagrama de Fases Binários
Figura 8.1 – Diagrama de fase do sistema MgO-CaO. Fonte: Ceramic Materials. • 3 regiões monofásicas: L, MgO e CaO.
• A fase MgO (ss) significa solução sólida rica em MgO, possui o CaO como componente soluto. • A fase CaO (ss) significa solução sólida
rica em CaO, possui o MgO como componente soluto. Obs.: Para ambas ocorre uma solubilidade limitada.
Solidusou isoterma eutética (indica a temp. mais baixa que a fase líquida
pode aparecer)
Região onde as soluções sólidas das fases MgO e CaO coexistem.
Ponto Eutético (ponto invariante):
↔ +
(reação eutética) Consiste sempre na formação de duas fases sólidas.
Diagrama de Fases Binários
Figura 9.8 – Diagrama de fases para o sistema chumbo-estanho. Para uma liga com composição 40%p Sn – 60%p Pb a 150°C (Ponto B). Fonte: Callister.
Interpretação dos Diagramas de
Fases
Figura 9.8 – Diagrama de fases para o sistema chumbo-estanho. Para uma liga com composição 40%p Sn – 60%p Pb a 150°C
(Ponto B). Fonte: Callister. Em relação ao ponto B,
responda:
a) Qual(is) fase(s) está(ão) presente(s)?
α
+
β
b) Qual(is) é(são) a(s) composição(ões) da(s) fase(s)?
Fase α=aprox. 10%p Sn ( Cα) Fase β=aprox. 98%p Sn ( Cβ)
Interpretação dos Diagramas de
Fases
Figura 9.8– Diagrama de fases para o sistema chumbo-estanho. Para uma liga com composição 40%p Sn – 60%p Pb a 150°C
(Ponto B). Fonte: Callister. c) Calcule a quantidade
relativa de cada fase presente em termos de fração mássica.
=
−
−
=
−
−
=98 − 40 98 − 10= 0,66 != 40 − 10 98 − 10= 0,34Interpretação dos Diagramas de
Fases
Evolução da microestrutura
Figura 9.11 – Representações esquemáticas das microestruturas em equilíbrio para uma liga Pb-Sn com composição C1 conforme é resfriada a partir da região
da fase líquida. Fonte: Callister
Figura 9.12 – Representações esquemáticas das microestruturas em equilíbrio para uma liga Pb-Sn com composição C2 conforme é resfriada a partir da região
da fase líquida. Fonte: Callister
Evolução da microestrutura
Figura 9.16 – Representações esquemáticas das microestruturas em equilíbrio para uma liga Pb-Sn com composição C4, conforme é resfriada a partir da fase Líquida. Fonte: Callister
Flash Player
Evolução da microestrutura
Figura 9.13– Representações esquemáticas das microestruturas em equilíbrio para uma liga Pb-Sn com composição eutética C3, acima e abaixo da temperatura do eutético. Fonte: Callister
Aplicação do Diagramas de Fases
Fonte: Ceramic Processing and Sintering.
Compostos Intermediários
Figura 4.4 – (a) Diagrama esquemático binário com um composto intermediário AB formando um eutético com cada um dos membros finais A e B. Fonte: Physical Ceramics.
Compostos Intermediários
Figura 4.4 – (b) Diagrama binário MgO-Al2O3que mostra dois eutéticos e um composto intermediário MgAl2O4 (espinel). Fonte: Physical Ceramics.
