MCM – Tratamentos térmicos dos aços

1. MCM – Tratamentos térmicos dos aços DIAGRAMAS DE FASES

2. Componente: metais puros ou compostos que compõem uma liga. Definições e conceitos básicos • Sistema: série de possíveis ligas com os mesmos componentes. • Solução sólida: átomos de soluto são adicionados ao solvente sem que a estrutura cristalina deste último se altere. • Fase: porção homogênea de um sistema com características químicas e físicas uniformes.

3. Concentração máxima de átomos de soluto que pode se dissolver no solvente Limite de solubilidade • A adição de soluto além deste limite resulta na formação de um outro composto com composição química diferente. (Ex.: sistema água - açúcar)‏ • Varia com a temperatura.

4. Diagrama de solubilidade Solubilidade do açúcar na água Fonte: CALLISTER, W. D, Fundamentals of Materials Science and Engineering

5. Influi no comportamento mecânico do material. Microestrutura • Caracteriza-se pelo número de fases presentes, suas proporções, distribuições e arranjos. • Depende de variáveis como os elementos presentes, suas concentrações e tratamentos térmicos.

6. Microestrutura Microestrutura do ferro α (ferrita) ampliação 90X Fonte: CALLISTER, W. D, Fundamentals of Materials Science and Engineering

7. Microestrutura Microestrutura de um aço contendo 0,44%p C ampliação 3000X Fonte: CALLISTER, W. D, Fundamentals of Materials Science and Engineering

8. Microestrutura Microestrutura de um aço contendo 1,40%p C ampliação 1000X Fonte: CALLISTER, W. D, Fundamentals of Materials Science and Engineering

9. Energia livre: função da energia interna e da entropia de um sistema. Equilíbrio de fases • Sistema em equilíbrio → energia livre mínima. • Equilíbrio de fases: as características das fases de um sistema não se alteram com o tempo. • O equilíbrio de um sistema é perturbado com variações de P, T e composição.

10. Sistemas sólidos: estado do sistema caracteriza-se pela sua microestrutura. Equilíbrio de fases • Em sistemas sólidos, o tempo para atingir o equilíbrio é extremamente longo (taxas de difusão sólida baixas). • Sistema metaestável: sistema que ainda não atingiu o estado de equilíbrio. • Estruturas metaestáveis são de grande importância na engenharia de materiais.

11. Representam relações entre a temperatura e as composições, além das quantidades de cada fase em condições de equilíbrio. Diagramas de fases • São úteis para a previsão das transformações de fases e microestruturas resultantes. • Geralmente referem-se a ligas binárias. • A pressão externa também influencia a estrutura das fases.

12. Diagramas de fases Diagrama de fases do sistema Fe-Fe3C Fonte: CALLISTER, W. D, Fundamentals of Materials Science and Engineering

13. Exemplo: sistema Cu - Ni Sistemas isomorfos binários • Tanto o Cu como o Ni possuem estrutura CFC (isomorfos), raios atômicos, eletronegatividades e valências semelhantes. • São completamente solúveis um no outro, tanto na fase líquida como sólida. • Apenas duas fases (α e L).

14. Sistemas isomorfos binários Diagrama de fases do sistema Cu - Ni Fonte: CALLISTER, W. D, Fundamentals of Materials Science and Engineering

15. Determinação das fases presentes Diagrama de fases do sistema Cu - Ni Fonte: CALLISTER, W. D, Fundamentals of Materials Science and Engineering

16. %L = S . 100% R + S %L = Ca – C0. 100% Ca – CL %a = C0 – CL. 100% Ca – CL %a = R . 100% R + S Determinação das composições das fases presentes Detalhe do diagrama de fase Cu – Ni Fonte: CALLISTER, W. D, Fundamentals of Materials Science and Engineering

17. Exemplo: sistema Cu - Ni Desenvolvimento de microestruturas em ligas isomorfas • Condição: resfriamento muito lento, de forma a manter um equilíbrio contínuo entre as fases. • Composição: 35%p Ni – 65%p Cu • Temperatura inicial: 1300o C

18. Desenvolvimento de microestruturas em equilíbrio Detalhe do diagrama de fase Cu – Ni Fonte: CALLISTER, W. D, Fundamentals of Materials Science and Engineering

19. Sistemas em equilíbrio: variações de T devem ser lentas para que se completem os processos de difusão. Resfriamento de ligas isomorfas fora das condições de equilíbrio • Na prática, as taxas de resfriamento são muito rápidas para permitir a completa difusão e a manutenção do equilíbrio. • Como conseqüência, são desenvolvidas estruturas metaestáveis.

20. Resfriamento de ligas isomorfas fora das condições de equilíbrio • Exemplo: sistema Cu - Ni • Condição: velocidade de resfriamento não permite manter um equilíbrio contínuo entre as fases. • Composição: 35%p Ni – 65%p Cu • Temperatura inicial: 1300o C

21. Desenvolvimento de microestruturas metaestáveis Detalhe do diagrama de fase Cu – Ni Fonte: CALLISTER, W. D, Fundamentals of Materials Science and Engineering

22. Deslocamento da curva solidus depende da taxa de resfriamento e das taxas de difusão sólida. Resfriamento de ligas isomorfas fora das condições de equilíbrio • Segregação: gradientes de concentração ao longo dos grãos – estrutura zonada. • Propriedades mecânicas de estruturas zonadas são inferiores às ótimas.

23. Exemplo: Sistema Cu - Ag Sistemas eutéticos binários • Três fases: α, β e L. • Fases α: solução sólida na qual o Cu é o solvente e a Ag é o soluto. • Fases β : solução sólida na qual a Ag é o solvente e o Cu é o soluto.

24. Sistemas eutéticos binários Diagrama de fases do sistema Cu-Ag Fonte: CALLISTER, W. D, Fundamentals of Materials Science and Engineering

25. Reação eutética: • L(Ag 71,9%p) α (Ag 8,0%p) + β (Ag 91,2%p) resfriamento aquecimento Sistemas eutéticos binários • Ponto invariante → reação eutética • (eutético = facilmente fundido) • Composição do eutético: CE = Ag(71,9%p)

26. Desenvolvimento de microestruturas em ligas binárias eutéticas • Exemplo: sistema Pb - Sn • Condição: resfriamento muito lento, de forma a manter um equilíbrio contínuo entre as fases. • Composição: 99%p Pb – 1%p Sn • Temperatura inicial: 350o C

27. Desenvolvimento de microestruturas em ligas binárias eutéticas Detalhe do diagrama de fase Pb – Sn Fonte: CALLISTER, W. D, Fundamentals of Materials Science and Engineering

28. Desenvolvimento de microestruturas em ligas binárias eutéticas • Exemplo: sistema Pb - Sn • Condição: resfriamento muito lento, de forma a manter um equilíbrio contínuo entre as fases. • Composição: 85%p Pb – 15%p Sn • Temperatura inicial: 350o C

29. Desenvolvimento de microestruturas em ligas binárias eutéticas Detalhe do diagrama de fase Pb – Sn Fonte: CALLISTER, W. D, Fundamentals of Materials Science and Engineering

30. Desenvolvimento de microestruturas em ligas binárias eutéticas • Exemplo: sistema Pb - Sn • Condição: resfriamento muito lento, de forma a manter um equilíbrio contínuo entre as fases. • Composição: 38,1%p Pb – 61,9%p Sn (eutético) • Temperatura inicial: 350o C

31. Desenvolvimento de microestruturas em ligas binárias eutéticas Diagrama de fase Pb – Sn Fonte: CALLISTER, W. D, Fundamentals of Materials Science and Engineering

32. Desenvolvimento de microestruturas em ligas binárias eutéticas Fonte: CALLISTER, W. D, Fundamentals of Materials Science and Engineering

33. Fase β Fase α Desenvolvimento de microestruturas em ligas binárias eutéticas Microestrutura de uma liga eutética Pb - Sn ampliação 375X Fonte: CALLISTER, W. D, Fundamentals of Materials Science and Engineering

34. Desenvolvimento de microestruturas em ligas binárias eutéticas • Exemplo: sistema Pb - Sn • Condição: resfriamento muito lento, de forma a manter um equilíbrio contínuo entre as fases. • Composição: 60%p Pb – 40%p Sn (eutético) • Temperatura inicial: 300o C

35. Desenvolvimento de microestruturas em ligas binárias eutéticas Diagrama de fase Pb – Sn Fonte: CALLISTER, W. D, Fundamentals of Materials Science and Engineering

36. Fase β Fase α Fase α primária Desenvolvimento de microestruturas em ligas binárias eutéticas Microestrutura de uma liga 60%pPb – 40%pSn ampliação 400X Fonte: CALLISTER, W. D, Fundamentals of Materials Science and Engineering