Perlita grosseira Perlita fina Martensita Ferrita Cementita
Processos de Fabricação I
Aula 1 : Diagramas de Fases
Diagramas de Fases
(de equilíbrio ou constitucional)
O estudo dos diagramas de fase permitem:
• Obter Informações sobre a microestrutura e as propriedades
mecânicas do material em função da temperatura e da
composição
• Visualizar a solidificação e a fusão
• Predizer as transformações de fases
Definições e conceitos básicos
Limite de Solubilidade é a concentração máxima de átomos de
soluto que pode dissolver no solvente, a uma dada temperatura,
para formar uma solução sólida
• Quando o limite de solubilidade é ultrapassado forma-se uma
outra solução sólida ou um outro composto
Definições e conceitos básicos
Qual a máxima solubilidade do açúcar na água a 20º C?
Limite de solubilidade ou curva de saturação
Campo Homogêneo (Uma única fase)
Fase é a parte homogênea de um sistema que tem
características físicas e químicas definidas
• Todo metal puro é considerado uma fase
• A interação de duas ou mais fases em um material permite
a obtenção de propriedades diferentes
Microestrutura
As propriedades físicas e o comportamento mecânico dos
materiais dependem de sua microestrutura.
Em ligas metálicas sua microestrutura é caracterizada por
fatores tais como:
• Número de fases presentes
• As proporções das fases presentes
Equilíbrio de Fases
Um sistema está em equilíbrio quando:
• A sua energia livre se encontra em um valor mínimo para
alguma combinação especifica de temperatura, pressão e
composição
• As características do sistema não mudam ao longo do tempo,
mas persistem indefinidamente (sistema estável)
Uma alteração na temperatura, na pressão ou na composição de
um sistema em equilíbrio resultará em aumento na energia livre
e em possível mudança espontânea para outro estado no qual a
energia livre seja reduzida, buscando o equilíbrio.
Equilíbrio de Fases
Energia Livre: É uma função da energia interna (entalpia “H”) de
um sistema e também da aleatoriedade molecular (entropia “S”)
Energia Livre= F (entalpia,entropia)= F (H,S)
Os diagramas de fases fornecem informações sobre as
características de equilíbrio, porém eles não indicam o intervalo
de tempo necessário para que se atinja um novo estado de
equilíbrio.
Obs.: Normalmente para sistemas metalúrgicos o interesse
envolve apenas as fases sólidas
Sistemas Binários e Isomorfos
Isomorfo: quando a solubilidade é completa dos componentes
nos estados líquidos e sólidos (ex. a liga cobre-níquel)
Curva
“Líquidus”: indica a região no diagrama de fases onde as
composições são líquidas
Curva
“Sólidus”: indica a região onde todas as composições são
sólidas
Sistema Isomorfo Binário (Cu-Ni)
Linha Liquidus
Linha Solidus α
L
Líquido L => solução homogênia cobre-níquel Fase α => solução sólida substitutiva com átomos de Cu e Ni
A curva liquidus separa os campos L e α + L A curva solidus separa os campos α e α + L
50
1280
Sistema Isomorfo Binário (Cu-Ni)
Linha Liquidus
Linha Solidus α
L
Composição da Fase (região monofásica):
Ponto A => liga com 60% p Ni - 40%p Cu 100% fase sólida α a 1100 ◦C
Temperatura de fusão dos componentes puros Cu - 1085◦C e Ni - 1453◦C
Diagramas de Fases
-
Interpretação
Fases presentes: localiza-se no diagrama de fases a temperatura e
composição desejadas e verifica-se o número de fases presentes.
Composição química das fases: usa-se o método da
“linha de
amarração” (isotérma). (Para um sistema monofásico a composição é a
mesma da liga)
Porcentagem das fases: quantidades relativas das fases presentes
Linha Liquidus
Linha Solidus α
L
Diagramas de Fases
-
Interpretação
Composição da Fase (região bifásica):
Ponto B => liga com 35% p Ni - 65%p Cu Líquida (L) ___%p Ni - ___%p Cu Sólida (α) ___%p Ni - ___%p Cu ou isoterma Traçar a linha de amarração 32 35 42
Co = concentração em peso de Ni presente na liga CL = concentração de Ni presente na fase líquida C = concentração de Ni presente na fase sólida ()
ou isoterma
Traçar a linha de amarração
32 35 42
Diagramas de Fases
- Frações mássicas:
𝑊𝐿 = 𝑆
𝑅+𝑆
𝑊α = 𝑅
𝑅+𝑆
Porcentagem das Fases (região bifásica):
Ponto B => liga com 35% p Ni - 65%p Cu
Frações mássicas:
𝑜𝑛𝑑𝑒: 𝑊α + 𝑊𝐿 = 1
Regra da Alavanca
Diagramas de Fases
- Fração volumétrica
Frações
volumétricas
Onde:
v, v = volume das respectivas fases e V = fração volumétrica da fase
, = densidade das respectivas fases
𝑉α = 𝑣α
𝑣α+𝑣β (para uma liga com fases α e β)
W / (W / ) + (W / ) V = V . (V . ) + (V . ) W = W / (W / ) + (W / ) V = V . (V . ) + (V . ) W = β α Frações mássicas
Diagramas de Fases
-
Fração volumétrica
Frações volumétricas: W / (W / ) + (W / ) V = W / (W / ) + (W / ) V = 𝑊α = 𝐶β− 𝐶1 𝐶β− 𝐶α 𝑊β = 𝐶1− 𝐶α 𝐶β− 𝐶α 100 (CSn() / Sn) + (CPb() / Pb) = 100 (CSn(β) / Sn) + (CPb(β) / Pb) β= 𝐶β α β 𝐶α 𝐶1 97,8%p Sn 2,2%p Pb 10%p Sn 90%p Pb 40%p Sn 60%p PbDensidade das respectivas fases
Sn= 7,24 g/cm3
Diagramas de Fases
-
Resfriamento em condições
de equilíbrio (resfriamento muito lento)
1220 1250 1260
Composição da Fase (região bifásica):
Ponto a => liga ___% Líquida (L)
___% p Ni - ___%p Cu [L (___ Ni)] Ponto b => formação do 1º sólido α
___%p Ni - ___%p Cu [α (___Ni)] - Sólido ___%p Ni - ___%p Cu [L (___ Ni)] - Líquido Ponto c => ___%p Ni - ___%p Cu [α (___Ni)] - Sólido ___%p Ni - ___%p Cu [L (___Ni)] - Líquido Ponto d => ___%p Ni - ___%p Cu [α (___Ni)] - Sólido
___%p Ni - ___%p Cu [L (___Ni)] - Líquido Ponto e => liga ___% Sólida (α)
Diagramas de Fases
-
Resfriamento fora das condições
de equilíbrio (taxas de resfriamento muito rápidas)
1220 1240 1260
1205
Composição da Fase (região bifásica):
Ponto a’ => liga ___% Líquida (L)
___% p Ni - ___%p Cu [L (___ Ni)] Ponto b’ => formação do 1º sólido α
___%p Ni - ___%p Cu [α (___ Ni)] - Sólido ___%p Ni - ___%p Cu [L (___ Ni)] - Líquido Ponto c’ => ___%p Ni - ___%p Cu [α (___Ni)] - Sólido
___%p Ni - ___%p Cu [L (___ Ni)] - Líquido Composição média [α (___ Ni)]
Ponto d’ => ___%p Ni - ___%p Cu [α (___Ni)] - Sólido ___%p Ni - ___%p Cu [L (___ Ni)] - Líquido Composição média [α (___ Ni)]
Diagramas de Fases
-
Resfriamento fora das condições
de equilíbrio (taxas de resfriamento muito rápidas)
1220 1240 1260
Composição da Fase (região bifásica):
Ponto e’ => ___%p Ni - ___%p Cu [α (___ Ni)] - Sólido ___%p Ni - ___%p Cu [L (___ Ni)] - Líquido Composição média [α (___ Ni)]
Obs.:
• O deslocamento da curva solidus para fora
de equilíbrio quando comparado para as condições de equilíbrio depende da taxa de resfriamento
• A solidificação fora das condições de equilíbrio pode gerar uma estrutura zonada
1205
Diagramas de Fases
-
Resfriamento fora das condições
de equilíbrio (taxas de resfriamento muito rápidas)
1220 1240 1260
1205
• Zonamento observado numa liga de Zn contendo Zr devido a solidificação fora das condições de equilíbrio
Micrografia com aumento 400X)
Diagramas de Fases
–
Sistemas eutéticos binários
α
β
Características:
• Três regiões monfásicas (α, β e líquida) • A fase α é uma solução sólida rica em Cu e possui Ag como soluto
• CBA é o limite de solubilidade para a fase α, entre as regiões α/(α+ β) e α/(α+ L)
• A curva solvus que separa as fases α e α+ β • A curva solidus que separa as fases α e α+L • Ponto E - ponto invariante
Isoterma eutética
Diagramas de Fases
–
Sistemas eutéticos binários
α β
Isoterma eutética
Fotomicrografia da liga Cu-Pb eutética Ampliação de 375x
Os diagramas de fases eutéticos das ligas Cu-Ag e Pb-Sn possuem apenas duas fases sólidas α e β, e são conhecidos por soluções sólidas terminais
Diagramas de Fases
–
Reações eutetóides e peritéticas
Para sistemas de ligas tal como Cu- Zn, podem ser encontradas soluções
sólidas intermediárias
Ponto eutetóide
Ponto peritético δ+L resfriamento aquecimento ε
Diagramas de Fases
–
Lei das Fases de Gibbs
A lei de Gibbs representa um critério para o número de fases existentes
dentro de um sistema em equilíbrio, dada a equação:
𝑃 + 𝐹 = 𝐶 + 𝑁
Onde:
P= nº de fases presentes
F= nº de graus de liberdade/variáveis externas controladas C= nº de componentes do sistema
N= nº de variáveis do processo que não estão relacionadas com a composição (temperatura e pressão)
Diagramas de Fases
–
Lei das Fases de Gibbs
• Para ligas monofásicas
Pressão cte 1atm e temperatura variável => N= 1
Nº de componentes => C= 2
As regiões α, β e L (apenas uma fase presente) => P= 1
𝑃 + 𝐹 = 𝐶 + 𝑁
1 + 𝐹 = 2 + 1 ∴ 𝐹 = 2
• Para ligas bifásicas => P= 2, C= 2 e N= 1
𝑃 + 𝐹 = 𝐶 + 𝑁
2 + 𝐹 = 2 + 1 ∴ 𝐹 = 1
Portanto, para descrever a liga temos dois parâmetros: a composição e a temperatura.
Diagramas de Fases
–
Lei das Fases de Gibbs
• Sistemas binários com 3 fases => P= 3, C= 2 e N= 1
𝑃 + 𝐹 = 𝐶 + 𝑁
3 + 𝐹 = 2 + 1 ∴ 𝐹 = 0
Composições e temperatura da liga estabelecidas Atendida para um sistema eutético pela isoterma eutética
Diagramas de Fases
–
Reações eutéticas, eutetóides,
peritéticas e peritetóides
As principais reações, em sistemas binários em equilíbrio
Diagramas de Fases
–
Lei das Fases de Gibbs
• Região A
P = 1 (α); C = 2;
N = 1 (pressão é fixa) F = ___
Para descrever as fases existentes, é preciso especificar dois parâmetros (temperatura e composição)
• Região B
P = 2 (fases α e L); C = 2; N = 1 (pressão é fixa) F = ___
Para descrever as fases existentes, basta especificar um parâmetro (temperatura
1- Determine as frações mássicas e volumétricas do ponto eutético
𝐶β α β 𝐶α 𝐶1 97,8%p Sn 2,2%p Pb 18,3%p Sn 81,7%p Pb 60%p Sn 40%p Pb 𝑊β =? 𝑊α =? cDensidade das respectivas fases
Sn= 7,24 g/cm3
Pb= 11,23 g/cm3
V = ? Vβ = ?
2- Para a liga com 32%p Sn - 68%p Pb, determine as frações mássicas e
volumétricas do ponto eutético
32
𝑊β =? 𝑊
α′ =? (𝑎𝑛𝑡𝑒𝑠 𝑑𝑎 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓. 𝑒𝑢𝑡é𝑡𝑖𝑐𝑎)
Densidade das respectivas fases
Sn= 7,24 g/cm3 Pb= 11,23 g/cm3 V = ? Vβ = ? 97,8% 18,3 𝑊𝑒 =? 𝑊α =? 𝐷
Bibliografia utilizada:
CALISTER, W. D. Fundamentos da Ciência e Engenharia de Materiais. 2ª edição. LTC, 2006. ISBN: 978-85-2161-515-6.
COLPAERT, H. Metalografia dos produtos siderúrgicos comuns. 4ª ed São Paulo: Edgard Blücher, 2008.
CHIAVERINI, Vicente. Aços e ferros fundidos: características gerais, tratamentos térmicos, principais tipos. 7 ed. São Paulo: Associação Brasileira de Metalurgia e Metais, 1998.
