Aula 16 – Diagrama de fasesUniversidade Federal de Santa Catarina Centro de Engenharias da Mobilidade Prof. Gabriel Benedet Dutra Nível de Observação Como controlar a microestrutura, variando temperatura, pressão e composição química Objetivos Compreender a importância do entendimento de um diagrama de fase no desenvolvimento e aprimoramento dos materiais, em termos de microestrutura e propriedades. Interpretar um diagrama de fases: quais fases estão presentes em um material a uma determinada temperatura e pressão , qual a quantidade e composição de cada fase, Por que estudar? Diagrama de fase Propriedades microestruturais do material e história térmica. Por que estudar? Diagrama de fase Relacionam temperatura. . pressão e composição. composição química e quantidade de fase em equilíbrio Apresenta-se como um mapa onde é possível verificar quais estruturas são mais estáveis para uma dada temperatura. uma panela de fundição com aço fundido) ou ligas que possuem os mesmos componentes (por exemplo o sistema ferro-carbono). .Definições e conceitos básicos • Componentes: Elementos químicos ou compostos que constituem a fase. austenita etc. • Sistema: corpo específico de material sob consideração (por exemplo. • Fase: uma parte estruturalmente homogênea de um sistema (por exemplo fases líquida. ferro α.). . Ilustração de fases e solubilidade: (a) As três formas da água: sólida.Definições e conceitos básicos • Limite de solubilidade: concentração máxima de átomos do soluto que podem se dissolver no solvente para formar uma solução sólida. (b) água e álcool têm solubilidade ilimitada. (d) Água e óleo não possuem solubilidade. líquida e gasosa. (c) Sal e água possuem solubilidade limitada. . pressão e composição.Definições e conceitos básicos • Sistemas isomorfos: quando os componentes apresentam completa solubilidade nos estados líquido e sólido. • Equilíbrio termodinâmico: condição na qual o sistema apresenta um valor mínimo para sua energia livre (energia interna e entropia) em determinada combinação específica de temperatura. pressão e composição. • Diagrama de fases: representação gráfica do equilíbrio termodinâmico em função da temperatura. Sistema estável Equilíbrio de fases: sistemas que apresentam mais de uma fase em equilíbrio .Definições e conceitos básicos • Equilíbrio de fases: melhor descrito em termos da energia livre Energia livre é mínima para uma combinação de T. P e composição. como por exemplo a passagem do estado líquido para o estado sólido.Como construir são obtidos diagrama de fases? Técnica experimental termo-analítica que identifica mudanças de estado em função da temperatura. * Extrapolações matemáticas utilizando as Lei da energia livre de Gibbs preenchem linhas em diagramas de fases . Diagrama de fases Diagramas de Fase/Equilíbrio Informações para obtenção de determinada estrutura Temperatura Pressão Composição Diagrama de fase Afetam a estrutura das fases Apresentam diferentes combinações desses parâmetros em um gráfico . 1 componente: Diagrama de fases Pressão Fase 1 Fase 1 + Fase 2 Fase 2 Temperatura .Componentes: A .Sistema : A .Fases 1 e 2 . 1 componente: Diagrama de fases Diagramas remetem a uma composição constante Único componente Cruza a linha: transformação de fase Pontro tríplece (invariante): três fases encontram-se em equilíbrio . 2 componentes: Diagrama de fases Pressão constante (1atm) – composição e temperatura variáveis Temperatura Fase 1 Fase 1 + Fase 2 Fase 2 .Componentes: A e B Possibilitam prever as transformações de fases e as microestruturas resultantes .Sistema : AB Composição química ( % componente A e % componente B) .Fases 1 e 2 . Temp. Fusão Solução Sólida Sistema Isomorfo binário . as composições destas fases e as porcentagens ou fração desta fases.Interpretação dos diagramas de fases: quais fases? Diagrama de fases: informam sobre as fases presentes. Fases presentes Localizar o ponto temperaturacomposição e observar o número de fases A – 60%Ni / 40% Cu B – 35%Ni / 65%Cu . : liga 30%Ni/70%Cu – 1300ºC tem 30%Ni e 70%Cu .Interpretação dos diagramas de fases: qual composição? Determinação da composição: Região Monofásica Composição da fase é a mesma que a composição global da liga.fase L . Ex. Ex.5%Ni/57.5%Cu .Interpretação dos diagramas de fases: qual composição? Determinação da composição: Região Bifásica .5%Ni/68.5%Cu – Cα Fase L – 31.Verificar as intersecções com as fronteiras entre as fases .: 35%Ni /65%Cu – T=1250º C Fase α – 42.CL .A partir das intersecções traçar linhas perpendiculares à linha de amarração até o eixo horizontal das composições .Na temperatura solicitada desenhar a linha de amarração (isoterma) . Interpretação dos diagramas de fases: qual a quantidade? Determinação da quantidade das fases: Região Monofásica 100% da fase avaliada ou fração =1 . A fração da outra fase é obtida de forma similar. dividindo este valor pelo comprimento total da linha de amarração.Interpretação dos diagramas de fases: qual a quantidade? Determinação da quantidade das fases: 1) 2) 3) 4) 5) 6) Construir a linha de amarração na região bifásica na temperatura da liga. Região Bifásica Regra da Alavanca Invertida . Obter a composição da liga com a linha de amarração A fração de uma fase é calculada assumindo o comprimento da linha de amarração desde a composição global da liga até a fronteira entre as fases para a outra fase. X 100 para obter o valor em %. Medir o segmento: régua em mm ou subtraindo as composições a partir da leitura das mesmas no eixo das composições. 5%Cu .: 35%Ni /65%Cu – T=1250º C Fração de líquido Fase α – 42.Regra da Alavanca: qual a quantidade? Ex.5%Ni/57.5%Ni/68.CL .5%Cu – Cα Fase L – 31. CL .: 35%Ni /65%Cu – T=1250º C Fração de alpha Fase α – 42.5%Cu – Cα Fase L – 31.5%Cu .5%Ni/57.Regra da alavanca: qual a quantidade? Ex.5%Ni/68. Desenvolvimento de microestruturas em ligas isomorfas dentro das condições de equilíbrio A composição da liga não muda durante o resfriamento: 35%Ni e 65%Cu . Desenvolvimento de microestruturas em ligas isomorfas fora das condições de equilíbrio Devido ao resfriamento em condições de não-equilíbrio e depende da taxa de resfriamento . b) ductilidade em função da composição. . a) limite de resistência a tração em função da composição.Propriedades mecânicas de ligas isomorfas A composição da liga afeta as propriedades mecânicas mesmo sem a alteração de outras variáveis estruturais Sistema CuNi a temperatura ambiente. Monofásicas Bifásicas Solução Sólida .Sistemas Eutéticos Binários Reação eutética: transformação por solidificação onde um líquido resfria até formar simultaneamente duas fases sólidas. 9%Ag TE : 779oC .Sistemas Eutéticos Binários Com a adição de Ag ao Cu a T na qual a liga se torna totalmente líquida diminui – a temperatura de fusão do Cu é reduzida por adição de Ag. Isoterma eutética Ponto invariante CE : 71. Sistemas Eutéticos Binários: Solda de componentes 183oC Solda – 60%Sn/40%Pb . Soldas novas: SnAgCu. SnAgBi – diagramas ternários (< ponto de fusão) .Sistemas Eutéticos Binários: Solda de componentes Solda mais comum: 60%Sn/40%Pb – Pb tóxico – descarte pode promover prejuízos a natureza. Microestrutura em ligas eutéticas Com o resfriamento lento de ligas que pertençam ao sistema binário surgem diferentes microestruturas no material.2%Sn Monofásica . C1 – 0% Sn . Microestrutura em ligas eutéticas C2 – 2%Sn .3%Sn Precipitação de fases .18. Microestrutura em ligas eutéticas C3 .9%Sn .Eutética 61. 375X Representação esquemática da formação da estrutura eutética para o sistema PbSn – formação de lamelas por ser a condição de menor gasto energético para os átomos .Microestrutura de uma liga de SnPb com composição eutética – camadas de ss rica em Pb – camadas escuras e ricas em Sn – brancas . Ao atravessar a isoterma eutética.Microestrutura em ligas eutéticas C4 – 40%Sn . α eutética – da fase eutética α primária primeiro – se formou . A fase α estará presente na estrutura eutética e na fase que se formou devido ao resfriamento do liquido + α.60%Pb Hipo-eutéticas A condição inicial é semelhante aos outros casos. a fase líquida se transforma no eutético com lamelas. 400X .Microestrutura em ligas eutéticas Microestrutura de uma liga de SnPb 50%Sn – 50%Pb – Fase α primária – rica em Pb – grandes regiões escuras – estrutura eutética lamelar – Fase β – rica em Sn – partes brancas e fase α rica em Pb – lamelas escuras . eutético. α e primário Microconstituinte eutético se forma a partir do líquido com composição eutética – 61.Microestrutura em ligas eutéticas Cálculo da quantidade relativa dos microconstituintes.9%Sn – aplica-se a regra da alavanca . Wα e também da fase β e Wβ utilizase a regra da alavanca aplicada a uma linha de amarração que se estende totalmente ao longo do campo α+β .Microestrutura em ligas eutéticas Cálculo da quantidade relativa dos microconstituintes α total e Para calcular as frações da fase α total. . δ e ε) . γ. Outros sistemas: soluções sólidas intermediárias .CuZn Seis soluções sólidas diferentes – duas terminais (α e η) e quatro intermediárias – (β.β’ – solução sólida ordenada – os átomos de Cu e Zn estão situados em um arranjo específico e ordenado dentro de cada célula unitária.Diagramas de equilíbrio contendo fases ou compostos intermediários Até agora: diagramas com duas fases sólidas (PbSn/SnPb) – α e β – soluções sólidas terminais (existem em faixas e composições próximas as extremidades de concentração do diagrama de fases. Baixas temperaturas e taxas de difusão .indeterminação . Reações eutetóides e peritéticas Existem outros pontos além do eutético que são invariantes em alguns sistemas de ligas. Reação eutetóide Eutético: uma solução líquida se transforma em duas soluções sólidas . Reações eutetóides e peritéticas Reação peritética . eutetóides e peritéticas As principais reações invariantes que podem ocorrer num diagrama de fase podem ser simplificadas por: .Reações eutéticas. ex: Cu-Ni Sistemas eutético binário: não há solução sólida total e há um ponto de fusão mais baixo em uma determinada composição da liga.Pressão vs Temperatura Sistema isomorfo binário: Total solução sólida dos componentes. ex: Pb-Sn Sistema contendo fases e compostos intermediários: ex: Cu-Zn .Revisão da aula Diagramas de fases: Monocomponente: Diagrama . Cerâmicas: diagramas ternários • Pode-se extender o uso de diagramas de fase metal/metal para outros materiais. • São úteis para o projeto e processamento de sistemas de materiais cerâmicos .