Diagramas de Fases

1. Diagramas de Fases • Definições e Conceitos: • Componente: metais puros e/ou compostos que compõem a liga; • Sistema: 1 - refere-se a um corpo específico de material sob consideração; 2 - série de possíveis ligas que consistem nos mesmos componentes, porém independente da composição da liga. • Solução Sólida: formada por pelo menos 2 átomos diferentes. Os átomos do soluto ocupam posições substitucionalmente ou intersticialmente na rede cristalina do solvente, que mantém sua estrutura cristalina; • Limite de Solubilidade: concentração máxima de átomos de soluto que pode se dissolver no solvente para formar uma solução sólida; • Fases: porção homogênea de um sistema que tem características físicas e químicas uniformes. Todo material puro ou solução sólida é considerada uma fase; • Fronteiras de Fases: interface entre diferentes fases. Cruzando esta fronteira as propriedades físicas e/ou químicas variam repentinamente; • Sistema Homogêneo: contém uma única fase; • Sistema Heterogêneo: contém mais de uma fase;

2. Diagramas de Fases • Definições e Conceitos: • Energia Livre: função da energia interna de um sistema e da aleatoriedade dos seus átomos e moléculas: G = H - TS Onde: H = entalpia (energia interna), S = entropia (aleatoriedade) • Equilíbrio: um sistema está em equilíbrio quando a energia livre alcance o menor valor possível sob condições combinadas de temperatura, pressão e composição. As características do sistema não mudam com o tempo, sendo considerado estável; • Equilíbrio de Fases: refere-se ao estado de equilíbrio de um sistema com 2 ou mais fases, cujas características não se alteram com o tempo; • Não-equilíbrio ou Metaestabilidade: como a situação de equilíbrio pode levar muito tempo para ser alcançada (relações sólido-sólido), uma situação de não-equilíbrio ou metaestabilidade pode se configurar; Energia Livre Equilíbrio Metaestabilidade

3. Diagramas de Fases Temperatura o C Temperatura o F Vapor Fronteira de fases Limite de solubilidade Líquido Solução líquida (xarope) + Açúcar sólido Solução líquida (xarope) Composição %p ou %at

4. Sistemas Binários Duas fases sólidas podem co-existir

5. Sistemas Binários A adição de mais elemento B à liga faz com que a temperatura de fusão da mistura caia. Segmento QR = estado de equilíbrio

6. Sistemas Binários Isomorfos TfB Linha liquidus • Binário: 2 componentes • Isomorfo: os componentes apresentam completa solubilidade nos estados líquido e sólido, para todas as composições. L L +  • Três regiões de fase: • = fase sólida L = fase líquida L+  = campo de 2 fases TfA Linha solidus  Linha liquidus: separa o líquido da região L+; Linha solidus: separa o sólido da região L+ %p A %p B

7. Determinação das Composições e Quantidades das Fases L Linha de amarração +L  Frações de massa

8. Regra da Alavanca • Princípios da regra: • Todo material precisa precisa estar em uma fase ou outra: W + WL = 1 • A massa de um componente que está presente em ambas as fases é igual à massa do componente presente em uma fase mais a massa do componente na segunda fase: WC + WLCL = C0 • A solução das equações nos dá a regra da alavanca: WL = (C- C0)/(C- CL) W = (C0- CL)/(C- CL)

9. Desenvolvimento da Microestrutura em Ligas Isomorfas Nas condições de equilíbrio Fora das condições de equilíbrio

10. Propriedades Mecânicas de Ligas Isomorfas % em 50 mm MPa Composição %p Ni Composição %p Ni

11. Sistemas Eutéticos Binários Isoterma eutética Ponto invariante Três regiões de fase simples: , , L Três regiões de 2 fases: +, +L e +L

12. Desenvolvimento da Microestrutura em Ligas Eutéticas

13. Desenvolvimento da Microestrutura em Ligas Eutéticas • Liga 1: • Começa a se solidificar em T1; • O líquido fica mais rico em B; • À TE alcança-se a composição eutética (fase sólida).

14. Desenvolvimento da Microestrutura em Ligas Eutéticas Curva de resfriamento da liga 1 Intervalo de solidificação tempo

15. Desenvolvimento da Microestrutura em Ligas Eutéticas • Liga 3: • Começa a se solidificar em T3; • O líquido fica mais rico em A; • A solidificação ocorre entre T3 e TE

16. Desenvolvimento da Microestrutura em Ligas Eutéticas • Liga 2: • A solidificação inicia-se em TE Sem intervalo de solidificação tempo

17. Desenvolvimento da Microestrutura em Ligas Eutéticas temperatura Fase líquidaLeutético Cristais de B na matris L2 Cristais de A na matris L1 Microestrutura eutética fina: camadas alternativas de A e B composição

18. Desenvolvimento da Microestrutura em Ligas Eutéticas

19. Desenvolvimento da Microestrutura em Ligas Eutéticas Micrografia da liga mostrada no diagrama ao lado. As camadas escuras são a solução sólida rica em Pb e as camadas claras a solução sólida rica em Sn. Esquema da transformação estrutural de uma liga de Pb na composição eutética, abaixo e acima da temperatura eutética.

20. Desenvolvimento da Microestrutura em Ligas Eutéticas Micrografia da liga Pb-Sn com 50% em peso de Pb. A parte escura corresponde à fase rica em Pb e a clara à fase rica em Sn. Esquema da transformação estrutural de uma liga com 40% em peso de Pb

21. Diagramas de Equilíbrio com Fases ou Compostos Intermediários Transformação eutetóide: sólido   sólido +  sólido Temperatura eutética Temperatura eutetóide composição eutetóide composição eutética

22. Diagramas de Equilíbrio com Fases ou Compostos Intermediários

23. Diagramas de Equilíbrio com Fases ou Compostos Intermediários Tf do Mg2Pb • Do diagrama: • A solubilidade do Pb no Mg é muito alta (*); • A solubilidade do Mg no Pb é muito baixa (**); • O diagrama pode ser dividido em 2 diagramas simples eutéticos (Mg-Mg2Pb e Mg2Pb-Pb), como indicam as linhas azul e verde. Composto intermetálico:Mg2Pb

24. A Lei das Fases de Gibbs A lei das fases de Gibbs : P +F = C + N Onde: P = número de fases presentes; F = número de graus de liberdade ou número de variáveis externamente controladas; C = número de componentes do sistema;’ N = quantidade de variáveis do processo não relacionadas com a composição, como a temperatura e a pressão.

25. Diagramas de Fases Fe-C • O diagrama Ferro - Carbeto de Ferro: • Genericamente falando, os aços são ligas de Fe e C; • Parte deste diagrama é mostrada abaixo:

26. Diagramas de Fases Fe-C Temp. de fusão • (CFC) (CCC)  ferrita reação eutética Solubilidade do C no Fe- a 1147 0C Transformação polimórfica (CFC)  (CCC) Ferro  (austenita) Cementita Fe3C reação eutetóide 100% Fe- (ferrita) Solubilidade do C no Fe- a 727 oC A solubilidade do carbono na austenita CFC é aproximadamente 100 vezes maior que na ferrita CCC.

27. Fases no Diagrama Fe-Fe3C • Fe- (ferrita): • solução sólida do C no Fe-CCC; • forma estável do Fe à temperatura ambiente; • a máxima solubilidade do C é de 0,022%p; • transforma-se em Fe- (austenita) CFC aos 912o C. • Fe- (austenita): • solução sólida do C no Fe-CFC; • a máxima solubilidade do C é de 2,14%p; • transforma-se em Fe- (ferrita) CCC aos 1395o C; • não é estável abaixo da temperatura eutética (727 oC), a não ser sob resfriamento rápido; • Fe3C (cementita) • composto intermetálico metaestável, continua sendo um composto à temperatura ambiente indefinidamente, mas se decompõe lentamente (após muitos anos), em Fe- e C (grafite) a 650-700oC. • Fe-C : solução líquida

28. Mais Sobre o Diagrama Fe-Fe3C • O carbono: • é uma impureza intersticial no Fe; • forma solução sólida com as fases , ,  do ferro; • a máxima solubilidade do C no Fe- (ferrita CCC) é limitada em 0,022%p a 727oC: o CCC tem, relativamente, menos posições intersticiais; • a máxima solubilidade do C no Fe- (austenita) é de 2,14%p a 1147oC: o CFC possui mais posições intersticiais. • Propriedades Mecânicas: • a cementita é muito dura e frágil e torna os aços mais resistentes mecanicamente; • as propriedades mecânicas também dependem da microestrutura, ou seja, como a cementita e a ferrita se mistura. • Propriedades Magnéticas: o Fe- (ferrita) é magnético abaixo de 768oC e o Fe- (austenita) não é magnético. • Classificação dos aços: • ferro: menos que 0,008%p de C no Fe- à temperatura ambiente; • aços: 0,008 - 2,14%p de C (geralmente < 1%): Fe- + Fe3C à temp. ambiente; • ferro fundido: 2,14 - 6,7%p de C (geralmente < 4,5%p)

29. Desenvolvimento de Microestrutura em Liga Eutetóide Fotomicrografia de um aço eutetóide mostrando a microestrutura perlítica consistindo de camadas alternadas de ferrita (camada clara) e Fe3C (camada mais escura e fina). 500X Representação esquemática das microestruturas de uma liga Fe-C de composição eutetóide (0,76%p C), abaixo e acima da temperatura eutetóide.

30. Desenvolvimento de Microestrutura em Liga Hipoeutetóide Quando a temperatura muda ao longo de C-D-E-F, a ferrita é formada ao longo dos contornos de grão da austenita no ponto D. Diminuindo a temperatura a composição da ferrita muda ao longo da flecha verde e a da austenita ao longo da flecha azul. Mudança de composição em Fe- A camada de Fe- formada ao longo dos contornos de grão dos grão de  Mudança de composição em Fe- Fotomicrografia de um aço com 0,38%p C, com uma microestrutura consistindo de perlita e ferrita proeutetóide. 635X Liga hipoeutetóide

31. Desenvolvimento de Microestrutura em Liga Hipereutetóide Fotomicrografia de um aço com 1,4%p C, com microestrutura consistindo de cementita proeutetóide (fase clara) circundando as colônias de perlita. 635X b a Liga hipereutetóide Mudança de composição na fase austenita; b) Mudança de composição da cementita não muda.

32. Cálculo das Frações de Fases Fração de Perlita = X/(X+V) = (6,7-C1)/(6,7 - 0,76) Fração de Cementita Proeutetóide (Fe3C) = V/(V+X) = (C1- 0,76)/(6,7 - 0,76)