Diagramas de Fases Definies e Conceitos Componente metais

Diagramas de Fases • Definições e Conceitos: Ø Componente: metais puros e/ou compostos que compõem a liga; Ø 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. Ø 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; Ø Limite de Solubilidade: concentração máxima de átomos de soluto que pode se dissolver no solvente para formar uma solução sólida; Ø Fases: porção homogênea de um sistema que tem características físicas e químicas uniformes. Todo material puro ou solução sólida é considerada uma fase; Ø Fronteiras de Fases: interface entre diferentes fases. Cruzando esta fronteira as propriedades físicas e/ou químicas variam repentinamente; Ø Sistema Homogêneo: contém uma única fase; Ø Sistema Heterogêneo: contém mais de uma fase;

Diagramas de Fases • Definições e Conceitos: Ø 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) Ø 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; Ø 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; Ø 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

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

Sistemas Binários Duas fases sólidas podem co-existir

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

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

Determinação das Composições e Quantidades das Fases L Linha de amarração +L Frações de massa

Regra da Alavanca • Princípios da regra: 1. Todo material precisa estar em uma fase ou outra: W + W L = 1 2. 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 = C 0 3. A solução das equações nos dá a regra da alavanca: WL = (C - C 0)/(C - CL) W = (C 0 - CL)/(C - CL)

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

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

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

Desenvolvimento da Microestrutura em Ligas Eutéticas

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

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

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

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

Desenvolvimento da Microestrutura em Ligas Eutéticas temperatura Fase líquida Leutético Cristais de B na matris L 2 Cristais de A na matris L 1 Microestrutura eutética fina: camadas alternativas de Ae. B composição

Desenvolvimento da Microestrutura em Ligas Eutéticas

Desenvolvimento da Microestrutura em Ligas Eutéticas Esquema da transformação estrutural de uma liga de Pb na composição eutética, abaixo e acima da temperatura eutética. 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.

Desenvolvimento da Microestrutura em Ligas Eutéticas Esquema da transformação estrutural de uma liga com 40% em peso de Pb 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.

Diagramas de Equilíbrio com Fases ou Compostos Intermediários Transformação eutetóide: sólido + Temperatura eutética sólido Temperatura eutetóide composição eutética

Diagramas de Equilíbrio com Fases ou Compostos Intermediários

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

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.

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

Diagramas de Fases Fe-C Temp. de fusão (CFC) (CCC) ferrita reação eutética Solubilidade do C no Fe- a 1147 0 C Transformação polimórfica (CFC) (CCC) Ferro (austenita) reação eutetóide 100% Fe- (ferrita) Cementita Fe 3 C Solubilidade do C no Fe- a 727 o. C A solubilidade do carbono na austenita CFC é aproximadamente 100 vezes maior que na ferrita CCC.

Fases no Diagrama Fe-Fe 3 C Ø Fe- (ferrita): ü solução sólida do C no Fe-CCC; ü forma estável do Fe à temperatura ambiente; ü a máxima solubilidade do C é de 0, 022%p; ü transforma-se em Fe- (austenita) CFC aos 912 o C. Ø Fe- (austenita): ü solução sólida do C no Fe-CFC; ü a máxima solubilidade do C é de 2, 14%p; ü transforma-se em Fe- (ferrita) CCC aos 1395 o C; ü não é estável abaixo da temperatura eutética (727 o. C), a não ser sob resfriamento rápido; Ø Fe 3 C (cementita) ü 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 -700 o. C. Ø Fe-C : solução líquida

Mais Sobre o Diagrama Fe-Fe 3 C Ø O carbono: ü é uma impureza intersticial no Fe; ü forma solução sólida com as fases , , do ferro; ü a máxima solubilidade do C no Fe- (ferrita CCC) é limitada em 0, 022%p a 727 o. C: o CCC tem, relativamente, menos posições intersticiais; ü a máxima solubilidade do C no Fe- (austenita) é de 2, 14%p a 1147 o. C: o CFC possui mais posições intersticiais. Ø Propriedades Mecânicas: ü a cementita é muito dura e frágil e torna os aços mais resistentes mecanicamente; ü as propriedades mecânicas também dependem da microestrutura, ou seja, como a cementita e a ferrita se mistura. Ø Propriedades Magnéticas: o Fe- (ferrita) é magnético abaixo de 768 o. C e o Fe- (austenita) não é magnético. Ø Classificação dos aços: ü ferro: menos que 0, 008%p de C no Fe- à temperatura ambiente; ü aços: 0, 008 - 2, 14%p de C (geralmente < 1%): Fe- + Fe 3 C à temp. ambiente; ü ferro fundido: 2, 14 - 6, 7%p de C (geralmente < 4, 5%p)

Desenvolvimento de Microestrutura em Liga Eutetóide Fotomicrografia de um aço eutetóide mostrando a microestrutura perlítica consistindo de camadas alternadas de ferrita (camada clara) e Fe 3 C (camada mais escura e fina). 500 X Representação esquemática das microestruturas de uma liga Fe-C de composição eutetóide (0, 76%p C), abaixo e acima da temperatura eutetóide.

Desenvolvimento de Microestrutura em Liga Hipoeutetóide Mudança de composição em Fe- A camada de Fe- formada ao longo dos contornos de grão dos grão de 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- Liga hipoeutetóide Fotomicrografia de um aço com 0, 38%p C, com uma microestrutura consistindo de perlita e ferrita proeutetóide. 635 X

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. 635 X b a Liga hipereutetóide a) Mudança de composição na fase austenita; b) Mudança de composição da cementita não muda.

Cálculo das Frações de Fases Fração de Perlita = X/(X+V) = (6, 7 -C 1)/(6, 7 - 0, 76) Fração de Cementita Proeutetóide (Fe 3 C) = V/(V+X) = (C 1 - 0, 76)/(6, 7 - 0, 76)