Diagramas de Fase Definies e conceitos bsicos identificao

Diagramas de Fase

- Definições e conceitos básicos: identificação das fases, limite de solubilidade, microestrutura das fases - Diagramas de equilíbrio binários isomorfos, eutéticos e eutetoides - Reações eutecticas, eutetóides e peritéticas - Sistema Fe-C e microestruturas que se formam no resfriamento lento

Importância dos Diagramas de Fase Um diagrama de fases pode ser comparado a um “mapa” para determinação das fases presentes, para qualquer temperatura e composição (em equilíbrio); Eles permitem prever a microestrutura de um material em função da temperatura e composição dos constituintes;

Definições e Conceitos Básicos • Materiais puros, soluções sólidas, soluções líquidas e soluções gasosas são considerados monofásicos; • As variações polimórficas são consideradas fases: Ex. : Fe (CFC) e Fe (CCC) têm a mesma composição química, mas estruturas diferentes => fases diferentes; • Os sistemas de uma única fase são chamados de sistemas homogêneos, e os com mais de uma fase sistemas heterogêneos ou misturas;

Definições e Conceitos Básicos – Limite de solubilidade: é a concentração máxima de soluto que pode ser dissolvido no solvente para formar uma solução sólida (uma única fase). Temperatura (°C) 10 0 Limite de solubilidade 80 60 L Solução líquida (xarope) 40 L (líquido) + S (açúcar sólido) 20 Água pura 0 20 65 40 60 80 Co = Composição (%p de açúcar) 100 Açucar pura

Definições e Conceitos Básicos O equilíbrio de fases é refletido por uma constância das características das fases presentes em relação ao tempo => as fases presentes não variam com o tempo; Exemplo: Sistema açúcar-água (C 12 H 22 O 11 – H 2 O) B (~100°C) - 1 fase Temperatura (°C) 10 0 80 60 Limite de solubilidade L Solução líquida (xarope) 40 L (líquido) + S (açúcar sólido) A (20°C, 70) 2 fases 20 Água pura D (100°C, 90) 2 phases 0 20 40 60 70 80 Co = Composição (%p de açúcar) 100 Açucar puro

Diagramas de Fases em Condições de Equilíbrio Um diagrama de fases (ou diagrama de equilíbrio) é similar a um “mapa” para determinação das fases presentes, para qualquer temperatura e composição, desde que a liga esteja em equilíbrio;

Diagramas de Fases em Condições de Equilíbrio Exemplo de Diagrama Unário - Fe puro Exemplo de Diagrama Binário – Sistema Cu-Ni

Diagramas de Fases em Condições de Equilíbrio Exemplo de Diagrama Ternário - Sistema Si. O 2 - Fe. O - Al 2 O 3

• Uma fase pode ser definida como uma porção homogênea de um sistema que possui características físicas e químicas uniformes.

• Equilíbrio de fases: significa que as características do sistema não mudam ao longo do tempo, persistem indefinidamente. Uma alteração na temperatura, na pressão e/ou na composição de um sistema em equilíbrio resultará em uma possível mudança espontânea para um outro estado.

• Três regiões, ou campos de fases diferentes aparecem no diagrama,

Fases presentes 23

24

L+Fe 3 C 25

Linha de amarração

Diagramas de Fases Binários Cálculo da quantidade relativa dos microconstituentes (eutético e primário) Fração de fase primária Fração de fase eutética A P Q R Fração total de fase b

As composições das fases são expressas em termos de percentuais em peso dos componentes (por exemplo, %p Cu, %p Ni). Para qualquer liga que consista em uma única fase. a composição daquela fase é a mesma que a composição global da liga. Se duas fases estiverem presentes, deve ser empregada a linha de amarração, cujas extremidades determinam as composições das respectivas fases

Em relação às quantidades fracionais das fases (por exemplo, a fração mássica da fase a ou da fase líquida), quando existe uma única fase, a liga é composta totalmente por aquela fase. para uma liga bifásica, é utilizada a regra da alavanca, na qual é tomada a razão entre os comprimentos dos segmentos da linha de amarração

PROPRIEDADES MEC NICAS DE LIGAS ISOMORFAS

solda de estanho 60 -40,

Para uma liga com Pb-40%p Sn-60%p a 150°C , (a) qual(is) fase(s) está(ão) presente(s)? (b) Qual(is) é(são) a(s) composição(ões) da(s) fase(s); calcule as quantidades relativas de cada fase

SISTEMAS EUTÉTICOS BINÁRIOS reação eutética

Diagramas de Fases Binários Cálculo da quantidade relativa dos microconstituentes (eutético e primário) Fração de fase primária Fração de fase eutética A P Q R Fração total de fase b

DESENVOLVIMENTO DA MICROESTRUTURA EM LIGAS ISOMORFAS

segregação

DESENVOLVIMENTO DA MICROESTRUTURA EM LIGAS EUTÉTICAS C 1 C 2 C 4 C 3

DESENVOLVIMENTO DA MICROESTRUTURA EM LIGAS EUTÉTICAS

(A fotografia é uma cortesia da Boeing Commercial Airplane Company. ) : Uma micrografia eletrônica de transmissão mostrando a microestrutura da liga de alumínio que é usada para as camadas superiores da asa, de partes das estruturas internas da asa e de áreas selecionadas da fuselagem do Boeing 767 acima. Esta é uma liga 7150 -T 651 (6, 2 Zn, 2, 3 Cu, 2, 3 Mg, 0, 12 Zr, sendo o restante Al) que foi submetida a endurecimento por precipitação.

Sistema Al-Cu Solubilização 5, 65% A fase endurecedora das ligas Al-Cu é Cu. Al 2 ( )

Tratamento térmico de solubilização seguido de envelhecimento Solubilização Resfriamento em água Chamado de envelhecimento que pode ser natural ou artificial Precipitação A ppt se dá acima A ppt se dá da T ambiente por reaquecimento

Dessa forma, a fase α estará presente tanto na estrutura eutética como também naquela fase que se formou durante o resfriamento através do campo das fases a + L.

DIAGRAMAS DE EQUILÍBRIO QUE POSSUEM FASES OU COMPOSTOS INTERMEDIÁRIOS diagrama eutético simples

REAÇÕES EUTETÓIDES E PERITÉTICAS isoterma eutetóide uma fase sólida se transforma em duas outras fases sólidas Mediante aquecimento, uma fase sólida se transforma em uma fase líquida e numa outra fase sólida.

A Regra das Fases de Gibbs • Essa lei representa um critério para o número de fases que irá coexistir dentro de um sistema que se encontra em condições de equilíbrio, e é expressa através da equação, de características simples

A Regra das Fases de Gibbs • Através de considerações termodinâmicas, Gibbs deduziu uma relação entre o número de fases (P) que podem coexistir em equilíbrio em um dado sistema, o número mínimo de componentes (C) que podem ser usados para formar o sistema e os graus de liberdade (F). F representa o número de variáveis que podem ser modificadas de maneira independente sem alterar o número de fases que podem coexistir em condições de equilíbrio A relação pode ser apresentada sob a forma de equação:

Sistema Ferro-Carbono – Entre os sistemas binários o Fe-C é o mais importante, pois tanto os aços quanto os ferros fundidos que são essencialmente ligas ferro-carbono, são os principais materiais estruturais; Sistema Ferro-Carbono

Ferro Puro /Formas Alotrópicas FERRO = FERRITA § § Estrutura= ccc Temperatura “existência”= até 912 C Fase Magnética até 770 C (temperatura de Curie) Solubilidade máx. do Carbono= 0, 0218% a 727 C e 0, 008% a T ambiente. FERRO = AUSTENITA § § Estrutura= cfc (tem + posições intersticiais) Temperatura “existência”= 912 1394 C Fase Não-Magnética Solubilidade máx. do Carbono= 2, 11% a 1148 C

Ferro Puro /Formas Alotrópicas FERRITA AUSTENITA

Sistema Fe-Fe 3 C § Ferro Puro= até 0, 008% de Carbono (727ºC) § Aço= 0, 008 até 2, 14% de Carbono (raramente >1%) § Ferro Fundido= 2, 14 - 4, 5% de Carbono Fe 3 C (CEMENTITA)= Forma-se quando o limite de solubilidade do carbono é ultrapassado (6, 7% de C) § O carbono é uma impureza intersticial no ferro e forma uma solução sólida tanto com a ferrita α como com ferrita ɤ, e também com a austenita, 65

CEMENTITA (Fe 3 C) § § Forma-se quando o limite de solubilidade do carbono é ultrapassado (6, 7% de C) É dura e frágil Cristaliza no sistema ortorrômbico (com 12 átomos de Fe e 4 de C por célula unitária) É um composto intermetálico metaestável, embora a velocidade de decomposição em ferro e C seja muito lenta 66

PONTOS IMPORTANTES DO SISTEMA Fe-Fe 3 C (EUTÉTICO) § LIGA EUTÉTICA: corresponde à liga de mais baixo de fusão Líquido FASE (austenita) + cementita § Temperatura= 1148 C § Teor de Carbono= 4, 3% As ligas de Ferro fundido de 2, 1 -4, 3% de C são chamadas de ligas hipoeutéticas As ligas de Ferro fundido acima de 4, 3% de C são chamadas de ligas hipereutéticas § § § 67

aço

PONTOS IMPORTANTES DO SISTEMA Fe-Fe 3 C (EUTETÓIDE) § LIGA EUTETÓIDE § Austenita FASE (FERRITA) + Cementita § Temperatura= 727 C Teor de Carbono= 0, 77 % Aços com 0, 02 -0, 77% de C são chamadas de aços hipoeutetóides Aços com 0, 77 -2, 1% de C são chamadas de aços hipereutetóides § § § 69

mediante resfriamento, a fase y, sólida, se transforma em ferro α e em cementita Fe 3 C

MICROESTRUTURAS / EUTETÓIDE Supondo resfriamento lento para manter o equilíbrio § É similar ao eutético § Consiste de lamelas alternadas de fase (ferrita) e Fe 3 C (cementita) chamada de PERLITA § § § FERRITA lamelas espessas e claras CEMENTITA lamelas finas e escuras Propriedades mecânicas da perlita intermediária entre ferrita (mole e dúctil) e cementita (dura e frágil) 71

MICROESTRUTURAS / EUTETÓIDE 72 perlita, Mecanicamente, a perlita apresenta propriedades intermediarias entre a macia e dútil ferrita e a dura e frágil cementita

a composição da fase que lhe deu origem [nesse caso a austenita (0, 76%p C)] é diferente de ambas as fases geradas como produto [ferrita (0, 022%p C) e cementita (6, 7%p C)],

MICROESTRUTURA DO AÇO EUTETÓIDE RESFRIADO LENTAMENTE Somente Perlita 74

MICROESTRUTURAS /HIPOEUTETÓIDE Supondo resfriamento lento para manter o equilíbrio § Teor de Carbono = 0, 002 - 0, 77 % Estrutura Ferrita + Perlita As quantidades de ferrita e perlita variam conforme a % de carbono e podem ser determinadas pela regra das alavancas § § Partes claras ferrita pró eutetóide ou ferrita primária 75

MICROESTRUTURA DOS AÇOS BAIXO TEOR DE CARBONO AÇO COM ~0, 2%C Ferrita Perlita 76

MICROESTRUTURA DOS AÇOS MÉDIO TEOR DE CARBONO RESFRIADOS LENTAMENTE AÇO COM ~0, 45%C Ferrita Perlita 77

MICROESTRUTURAS /HIPEREUTETÓIDE Supondo resfriamento lento para manter o equilíbrio Teor de Carbono = 0, 77 - 2, 11 % Estrutura cementita+ Perlita § As quantidades de cementita e perlita variam conforme a % de carbono e podem ser determinadas pela regra da alavanca § Partes claras cementita próeutetóide. 80

Cite as fases que estão presentes, composições das fases e proporções relativas para as seguintes ligas: • • • (a) 90%p Zn-10%p Cu a 400°C (b) 75%p Sn-25%p Pb a 175°C (c) 55%p Ag-45%p Cu a 900°C (d) 30%p Pb-70%p Mg a 425°C (e) 2, 12 kg Zn e 1, 88 kg Cu a 500°C (0 37 lbm Pb e 6, 5 lbm Mg a 400°C

• Deformação elástica e plástica na temperatura Ambiente ocorre instantaneamente e permanece constante ao longo do tempo. • Em alta temperatura, há fluência e o comportamento mecânico torna-se dependente do tempo.

O que é uma Alta Temperatura? • Comparar com a temperatura de fusão do sólido (TM). • A partir de T > ~ 0, 3 TM (em K) os fenômenos associados à fluência tornam-se predominantes.

Diagrama tensão deformação não depende da temperatura ou tempo

FLUÊNCIA É o fenômeno de deformação lenta, sob ação de uma carga constante aplicada durante longo período de tempo a uma temperatura superior a 0, 4 vezes a Temperatura de fusão em Kelvin

Os diversos materiais sofrem deformação plástica quando submetidos a tensão constante em função do tempo. Esta deformação plástica limita a vida útil dos componentes elaborados com estes materiais.

Exemplo: filamento de tungstênio • TM ~ 3. 000 °C (3273 K) • Tamb (300 K) é muito baixa para o tungstênio • Temperatura de trabalho (2273 K) • O filamento de W apresenta fluência no trabalho • O peso-próprio das espiras causa deformação, até as mesmas se tocarem e haver “queima da lâmpada”

Aspecto da ruptura por fluência

Ensaio de fluência

Ensaio de fluência: curva típica • Deformação instantânea: Efeito do carregamento do corpo de prova, do tipo elástica • Estágio primário: onde a velocidade de fluência é rápida ocorre nas primeiras horas. Velocidade de def. decrescente -encruamento • Estágio secundário: A taxa de fluência é constante. Estágio de duração mais longo. Equilíbrio entre os processos de encruamento e recuperação • Estágio terciário: Aceleração na taxa de fluência, estricção seguido de ruptura.