CINCIA E ENG MATERIAIS 1 DIAGRAMA DE FASES

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS 1 DIAGRAMA DE FASES A compreensão dos diagramas de fases para sistemas de ligas é extremamente importante, pois existe uma forte correlação entre a microestrutura e as propriedades mecânicas, e o desenvolvimento da microestrutura de uma liga está relacionado às características do seu diagrama de fases.

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS 2 DIAGRAMA DE FASES Definições e conceitos básicos O termo componente é definido como metais puros e/ou os compostos que compõem uma liga. Por exemplo, em um latão (cobre-zinco), os componentes são Cu e Zn. Solvente representa o elemento ou composto que está presente em maior quantidade. Soluto é usado para indicar um elemento ou composto que está presente em menor concentração.

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS 3 DIAGRAMA DE FASES Sistema possui dois significados. Em primeiro lugar, sistema pode se referir a um corpo específico do material que está sendo considerado (Ex. : um cadinho com aço fundido). Sistema também pode estar relacionado à série de ligas possíveis que são compostas pelos mesmos componentes, porém de maneira independente à composição da liga (Ex. : sistema ferro-carbono). Solução sólida consiste em átomos de pelo menos dois tipos diferentes.

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS 4 DIAGRAMA DE FASES Limite de solubilidade é a concentração máxima de átomos de soluto que pode se dissolver no solvente para formar uma solução sólida. A adição de soluto em excesso a esse limite de solubilidade resulta na formação de outra solução sólida ou composto que possui uma composição marcadamente diferente.

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS 5 DIAGRAMA DE FASES Considere o sistema açúcar-água. Inicialmente, conforme o açúcar é adicionado à água, uma solução ou xarope açúcar-água se forma. Na medida em que mais açúcar é introduzido, a solução se torna mais concentrada até atingir o limite de solubilidade, quando então a solução fica saturada com açúcar. Neste momento, a solução não é mais capaz de dissolver qualquer quantidade adicional de açúcar e as adições subsequentes simplesmente sedimentam no fundo do recipiente.

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS 6 DIAGRAMA DE FASES Dessa forma, o sistema consiste agora em duas substâncias separadas: uma solução líquida de xarope açúcarágua e cristais sólidos de açúcar que não foram dissolvidos. Esse limite de solubilidade do açúcar na água depende da temperatura da água e pode ser representado na forma de um gráfico, com a temperatura na ordenada e a composição (em porcentagem em peso de açúcar) na abscissa.

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS 7 Solubilidade do açúcar (C 12 H 22 O 11) em um xarope açúcar-água Callister, J. W. D. , Ciência e engenharia de materiais: uma introdução, LTC, 7ª Ed, 2008

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS 8 DIAGRAMA DE FASES Ao longo do eixo da composição, o aumento na concentração de açúcar ocorre da esquerda para a direita, enquanto a porcentagem de água é lida da direita para a esquerda. Para composições e temperaturas à esquerda da linha de solubilidade, existe apenas a solução líquida de xarope; à direita da linha, coexistem o xarope e o açúcar sólido. A 20ºC, a solubilidade do açúcar na água é de 65% p. O limite de solubilidade aumenta ligeiramente com o aumento da temperatura.

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS 9 DIAGRAMA DE FASES Uma fase pode ser definida como uma porção homogênea de um sistema que possui características físicas e químicas uniformes. Todo material puro é considerado como uma fase, da mesma forma que também o são todas as soluções sólidas, líquidas e gasosas.

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS 10 DIAGRAMA DE FASES A solução de xarope açúcar-água exemplificada é uma fase e o açúcar sólido constitui uma outra fase. Cada uma possui propriedade físicas diferentes (uma é um líquido, enquanto a outra é um sólido), além disso, cada uma é quimicamente diferente, uma é virtualmente açúcar puro, e a outra, uma solução de água e açúcar.

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS 11 DIAGRAMA DE FASES Se mais de uma fase estiver presente em um dado sistema, cada uma irá possuir as suas próprias propriedades individuais e irá existir um contorno separando as fases através do qual haverá uma mudança descontínua e abrupta nas características físicas e/ou químicas. Quando duas fases estão presentes em um sistema, não é necessário que existam diferenças tanto nas propriedades físicas quanto nas propriedades químicas, basta em uma delas.

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS 12 DIAGRAMA DE FASES Quando água e gelo estão presentes em um recipiente, existem duas fases separadas; elas são fisicamente diferentes (uma é um sólido, enquanto a outra é um líquido), porém ambas são idênticas em sua composição química. Quando uma substância pode existir em duas ou mais formas polimórficas (possuindo tanto estrutura CFC quanto CCC), cada uma dessas estruturas é uma fase separada, pois as suas respectivas características físicas são diferentes.

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS 13 DIAGRAMA DE FASES Um sistema que possui uma única fase, ou monofásico, é denominado homogêneo. Os sistemas compostos por duas ou mais fases são denominados misturas ou sistemas heterogêneos. A maioria das ligas metálicas e, dentro desse contexto, os sistemas cerâmicos, poliméricos e compósitos, é heterogênea.

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS 14 DIAGRAMA DE FASES Microestrutura As propriedades físicas e, em particular, o comportamento mecânico de um material, dependem da microestrutura. A microestrutura está sujeita a uma observação direta através de um microscópio, com a utilização de microscópios ópticos ou eletrônicos. Nas ligas metálicas, a microestrutura é caracterizada pelo número de fases presentes, pelas suas proporções e pela maneira pela qual elas estão distribuídas ou arranjadas.

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS 15 DIAGRAMA DE FASES A microestrutura de uma liga depende de tais variáveis, tais como os elementos de ligas presentes, as suas concentrações, e o tratamento térmico da liga (i. e. , a temperatura, o tempo de aquecimento àquela temperatura e a taxa de resfriamento até a temperatura ambiente). Em uma amostra, após um polimento e um ataque químico apropriados, as diferentes fases podem distinguidas pelas suas aparências. ser

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS 16 DIAGRAMA DE FASES Para um sólido cristalino, quando o arranjo periódico e repetido dos átomos é perfeito ou se estende ao longo da totalidade da amostra, sem interrupções, o resultado é um monocristal. Todas as células unitárias se interligam da mesma maneira e possuem a mesma orientação. Os monocristais existem na natureza, mas eles também podem ser produzidos artificialmente.

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS 17 DIAGRAMA DE FASES Se for permitido que as extremidades de um monocristal cresçam sem qualquer restrição externa, o cristal irá assumir uma forma geométrica regular, com faces planas, como acontece com algumas pedras preciosas; a forma é um indicativo da estrutura cristalina.

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS 18 Fotografia de um monocristal Callister, J. W. D. , Ciência e engenharia de materiais: uma introdução, LTC, 7ª Ed, 2008

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS 19 DIAGRAMA DE FASES Nos últimos anos, os monocristais se tornaram extremamente importantes em muitas das nossas tecnologias modernas, em particular os microcircuitos eletrônicos, que empregam monocristais de silício, e outros semicondutores. A maioria dos sólidos cristalinos é composta por um conjunto de muitos cristais pequenos ou grãos, tais materiais são chamados de policristalinos.

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS 20 Diagramas esquemáticos dos vários estágios durante a solidificação de uma material policristalino Pequenos núcleos de cristalização Callister, J. W. D. , Ciência e engenharia de materiais: uma introdução, LTC, 7ª Ed, 2008

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS 21 Diagramas esquemáticos dos vários estágios durante a solidificação de uma material policristalino Crescimento dos núcleos Callister, J. W. D. , Ciência e engenharia de materiais: uma introdução, LTC, 7ª Ed, 2008

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS 22 Diagramas esquemáticos dos vários estágios durante a solidificação de uma material policristalino Formação de grãos com formas irregulares após a solidificação Callister, J. W. D. , Ciência e engenharia de materiais: uma introdução, LTC, 7ª Ed, 2008

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS 23 Diagramas esquemáticos dos vários estágios durante a solidificação de uma material policristalino Estrutura granular como ela apareceria em um microscópio Callister, J. W. D. , Ciência e engenharia de materiais: uma introdução, LTC, 7ª Ed, 2008

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS 24 DIAGRAMA DE FASES Inicialmente pequenos cristais ou núcleos se formam em várias posições. Esses cristais possuem orientações cristalográficas aleatórias, como indicam os retículos quadriculados. Os pequenos grãos crescem pela adição sucessiva de átomos à sua estrutura, oriundos do líquido circunvizinho. Na medida que o processo de solidificação se aproxima do seu fim, as extremidades de grãos adjacentes interferem umas contra as outras.

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS 25 DIAGRAMA DE FASES A orientação cristalográfica varia de grão para grão. Além disso, existe algum desalinhamento dos átomos na região onde dois grãos se encontram; essa área é chamada de contorno de grão.

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS 26 DIAGRAMA DE FASES Equilíbrio de fases Equilíbrio é um conceito essencial que é mais bem descrito em termos de uma grandeza termodinâmica chamada de energia livre. A energia livre á função da energia interna de um sistema e também da aleatoriedade ou da desordem dos átomos ou moléculas (entropia) Um sistema está em equilíbrio se a sua energia livre é mínima para uma combinação específica de temperatura, pressão e composição.

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS 27 DIAGRAMA DE FASES Equilíbrio de fases Em um sentido macroscópico, equilíbrio significa que as características do sistema não mudam ao longo do tempo, mas se mantém indefinidamente, isto é, o sistema é estável. Uma alteração na temperatura, na pressão e/ou na composição de um sistema em equilíbrio irá resultar em um aumento na energia livre e em uma possível mudança espontânea para um outro estado onde a energia livre seja reduzida.

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS 28 DIAGRAMA DE FASES A expressão equilíbrio de fases, se refere ao equilíbrio na medida em que ele se aplica a sistemas onde pode existir mais que uma única fase. O equilíbrio de fases se reflete em uma constância nas características das fases de um sistema ao longo do tempo. Seja um xarope açúcar-água que esteja contido em um vaso fechado e que a solução esteja em contato com açúcar no estado sólido a 20ºC.

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS 29 DIAGRAMA DE FASES Se o sistema estiver em equilíbrio, a composição do xarope será de 65%p e as composições e as quantidades do xarope e do açúcar sólido irão permanecer constantes ao longo do tempo. Se a temperatura do sistema for aumentada repentinamente, por exemplo para 100ºC, esse equilíbrio será temporariamente perturbado, no sentido de que o limite de solubilidade foi aumentado para 80%p. Dessa forma, uma parte do açúcar sólido irá entrar em solução no xarope. Esse fenômeno prosseguirá até que nova concentração de equilíbrio do xarope seja restabelecida na temperatura mais elevada.

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS 30 DIAGRAMA DE FASES Ocorre frequentemente, especialmente nos sistemas sólidos, que um estado de equilíbrio nunca é completamente atingido, pois a taxa pela qual o sistema se aproxima do equilíbrio é extremamente baixa; um sistema desse tipo é dito como estando em uma estado de não-equilíbrio ou metaestável. Um estado ou microestrutura metaestável pode persistir indefinidamente, experimentando apenas mudanças extremamente pequenas e praticamente imperceptíveis com o passar do tempo.

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS 31 DIAGRAMA DE FASES Com frequência, estruturas metaestáveis possuem um significado mais prático do que as estruturas em equilíbrio. Por exemplo, a resistência de algumas ligas de aço e de alumínio depende do desenvolvimento de microestruturas metaestáveis durante tratamentos térmicos cuidadosamente projetados.