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DIAGRAMAS DE FASE

Prof. Rubens Caram

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CONCEITOS GERAIS

DIAGRAMAS DE FASES: REPRESENTAÇÃO GRÁFICA DAS FASES PRESENTES EM UM SISTEMA MATERIAL DE ACORDO COM AS CONDIÇÕES DE PRESSÃO, TEMPERATURA E COMPOSIÇÃOFASE: EM TERMOS DE MICROESTRUTURA, FASE É UMA REGIÃO QUE DIFERE DE OUTRA EM RELAÇÃO À ESTRUTURA CRISTALINA E/OU COMPOSIÇÃOMAIORIA DOS DIAGRAMAS DE FASE É OBTIDA EM CONDIÇÕES DE EQUILÍBRIO

INFORMAÇÕES OBTIDAS DE DIAGRAMAS DE FASES:FASES PRESENTES EM DIFERENTES CONDIÇÕESSOLUBILIDADES SÓLIDAS DE UM COMPONENTE NO OUTROTRANSFORMAÇÕES DE FASEFORMAÇÃO DE NOVAS FASES DE UM SISTEMA

Equilíbrio Instável Equilíbrio

Metaestável

Equilíbrio Estável

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LIGAS METÁLICAS

CONCEITO DE SE ASSOCIAR PUREZA DE UM MATERIAL AO ÓTIMO DESEMPENHO DO MESMO NEM SEMPRE É CORRETO EM ENGENHARIAMAIORIA DOS PRODUTOS METÁLICOS É COMBINAÇÃO DE DOIS OU MAIS ELEMENTOS, COM O OBJETIVO DE APRIMORAR PROPRIEDADESTIPOS DE LIGAS EM FUNÇÃO DA MICROESTRUTURA:

LIGAS MONOFÁSICASEXISTE SOLUBILIDADE DO SOLUTO NO SOLVENTENÃO OCORRE A FORMAÇÃO DE PRECIPITADOS

LIGAS POLIFÁSICASSOLUBILIDADE DO SOLUTO NO SOLVENTE FOI ULTRAPASSADA, FORMANDO UM SEGUNDA FASE QUE PODE SER: SOLUÇÃO SÓLIDA OU COMPOSTO INTERMETÁLICO

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LIGAS METÁLICAS

LIGA MONOFÁSICA

LIGA POLIFÁSICA

Austenita

Nb2Al

Al3Nb

AlNbNi

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SUBSTÂNCIA PURA

Diagrama de Fases do CobreFASES:SÓLIDOLÍQUIDOVAPOR

NO PONTO TRIPLO:AS TRÊS FASES EM EQUILÍBRIO

NA LINHA DE SOLIDIFICAÇÃO:SÓLIDO E LÍQUIDO EM EQUILÍBRIO

NA LINHA DE VAPORIZAÇÃO:VAPOR E LÍQUIDO EM EQUILÍBRIO

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MAIS DE UM COMPONENTE

UM DIAGRAMA DE FASE É MUITO ÚTIL QUANDO SE ANALISA A INFLUÊNCIA DA COMPOSIÇÃO NA ESTABILIDADE DE FASESALÉM DA PRESSÃO E TEMPERATURA, A COMPOSIÇÃO É A OUTRA VARIÁVEL DO SISTEMAINTERPRETAR DIAGRAMAS DE FASES EM FUNÇÃO DAS TRÊS VARIÁVEIS EXIGE O EMPREGO DE FIGURAS TRIDIMENSIONAIS, O QUE TORNA TAL TAREFA COMPLEXASOLUÇÃO: REDUÇÃO DO NÚMERO DE VARIÁVEIS

EM METALURGIA, O ESTADO DE VAPOR É IMPORTANTE EM APENAS POUCAS OCASIÕESNA MAIORIA DOS PROCESSOS INDUSTRIAIS APENAS OS ESTADOS SÓLIDO E LÍQUIDO ESTÃO PRESENTESASSIM, MANTER A PRESSÃO CONSTANTE E IGUAL A 1 ATM É UMA ALTERNATIVA INTERESSANTE NA ANÁLISE DOS DIAGRAMAS DE FASE.

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TIPOS DE DIAGRAMAS DE FASES

Tem

pera

tura

Composição em % em peso ou em % atômica

fase 1

fase 2

fase 3

fase 4

VARIÁVEIS DE DIAGRAMAS DE FASES METÁLICOS: TEMPERATURA E COMPOSIÇÃO

DIAGRAMAS DE FASES COM MAIS DE UM COMPONENTE PODEM SER DE DOIS TIPOS, EM FUNÇÃO DA PRECIPITAÇÃO OU NÃO DE SEGUNDAS FASES

DIAGRAMA DE FASES ISOMORFOSAPENAS UMA FASE NO ESTADO SÓLIDO EXISTE

DIAGRAMA DE FASES ANISOMORFOSDUAS OU MAIS FASES SÓLIDAS SÃO OBSERVADAS

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SISTEMAS ISOMORFOS

COMPONENTES TÊM A MESMA ESTRUTURA CRISTALINARAIOS ATÔMICOS TEM VALORES PRÓXIMOSCOMPATIBILIDADE ELETROQUÍMICAEXEMPLO CÁSSICOS: SISTEMA Ni-Cu

OBS.: EM DIAGRAMAS DE FASES, AS FASES SÓLIDAS SÃO DESIGNADAS POR LETRAS GREGAS: α, β, χ, δ, ε, φ, γ.....

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EXEMPLO

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EXEMPLO

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EXEMPLO

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REGRA DA ALAVANCA

REGRA DA ALAVANCA PERMITE DETERMINAR A QUANTIDADE RELATIVA DE UMA FASE PARA UMA DADA CONDIÇÃO

ONDE:Co = CONCENTRAÇÃO DA LIGACα = CONCENTRAÇÃO DE B NA FASE αCβ = CONCENTRAÇÃO DE B NA FASE β%α = QUANTIDADE RELATIVA DA FASE α%β = QUANTIDADE RELATIVA DA FASE β

%100CCCC

% O ×−

−=α

αβ

β

%100CCCC% o ×

−−

=βαβ

α

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SISTEMAS ANISOMORFOS

CARACTERIZAM-SE POR FORMAR MAIS DE UMA FASE NO ESTADO SÓLIDOPRINCIPAIS SISTEMAS ANISOMORFOS:

SISTEMA EUTÉTICOLÍQUIDO FASE α + FASE βSISTEMAS SEMELHANTES AO EUTÉTICO

MONOTÉTICOLÍQUIDO LÍQUIDO + FASE αEUTETÓIDEFASE β FASE α + FASE γ

SISTEMA PERITÉTICOLÍQUIDO + FASE β FASE αSISTEMAS SEMELHANTES AO PERITÉTICO

PERITETÓIDEFASE α + FASE γ FASE β

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SISTEMA EUTÉTICO

REAÇÃO CARACTERÍSTICA:LÍQUIDO FASE α + FASE β

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SISTEMA EUTÉTICO

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SISTEMA EUTÉTICO

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SISTEMA EUTÉTICO

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SISTEMA EUTÉTICO

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SISTEMA EUTÉTICO

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SISTEMA EUTÉTICO

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LIGAS EUTÉTICAS

0 5 10 15 20 25Compressive Strain (%)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

Com

pres

sive

Str

ess

(MPa

) NiAl-Mo (300 K)

NiAl (300 K)

NiAl-Mo (1273 K)

NiAl (1273 K)

NiAl Mo

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EXERCÍCIO

Determine as fases presentes e suas quantidades relativas em umaliga Pb-50%Sn (em peso) nas seguintes condições:

À temperatura ambienteA 200 oCA 300 oC

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SISTEMA EUTÉTICO

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SISTEMA Ag-Cu

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SISTEMA Ag-Cu

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SISTEMA EUTÉTICO

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SISTEMA EUTÉTICO

NaCl % em peso

Tem

pera

tura

(o C)

5 10 15 20 25 30

-30

-20

-10

0

Patamar eutético

Ponto eutético

23,3%

Líquido

Gelo + Sal

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SISTEMA MONOTÉTICO

REAÇÃO CARACTERÍSTICA:

LÍQUIDO LÍQUIDO + FASE α

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SISTEMA MONOTÉTICO

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SISTEMA MONOTÉTICO

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SISTEMA EUTETÓIDE

REAÇÃO CARACTERÍSTICA:FASE β FASE α + FASE γ

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SISTEMA EUTETÓIDE

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SISTEMA PERITÉTICO

REAÇÃO CARACTERÍSTICA:LÍQUIDO + FASE β FASE α

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SISTEMA PERITÉTICO

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SISTEMA PERITÉTICO

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SISTEMA PERITETÓIDE

REAÇÃO CARACTERÍSTICA:

FASE α + FASE γ FASE β

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SISTEMA PERITETÓIDE

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EXEMPLO

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EXEMPLO

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EXEMPLO

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EXEMPLO

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EXEMPLO

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EXEMPLO

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OBTENÇÃO DE DIAGRAMAS

OBTENÇÃO DE DIAGRAMAS DE FASE ENVOLVE TÉCNICAS SOFISTICADAS COMO A DIFRAÇÃO DE RAIOS-X, DILATOMETRIA E ANÁLISE TÉRMICAANÁLISE DE CURVAS DE RESFRIAMENTO PERMITE OBTER DIAGRAMAS POUCO COMPLEXOS

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REGRAS DAS FASES

PARTINDO DE CONSIDERAÇÕES TERMODINÂMICAS, J.W. GIBBS ESTABELECEU A REGRAS DAS FASES:

P+F=C+2P – NO DE FASES QUE COEXISTEM NO SISTEMA

P – NO DE COMPONENTES NO SISTEMA

F – GRAU DE LIBERDADE DO SISTEMA OU NO DE VARIÁVEIS (P, T, C) QUE PODEM SER ALTERADAS INDEPENDENTEMENTE SEM ALTERAR A ESTABILIDADE DO SISTEMA

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REGRAS DAS FASES

ANÁLISE DO DIAGRAMA PT DA ÁGUA PURAPONTO TRIPLO:P+F=C+2 P=3, C=1 F=0

NENHUMA VARIÁVEL PODE SER ALTERADAUM PONTO SOBRE A LINHA DE SOLIDIFICAÇÃO:P+F=C+2 P=2, C=1 F=1

1 VARIÁVEL PODE SER ALTERADASUM PONTO DENTRO DE UM CAMPO MONOFÁSICO:P+F=C+2 P=1, C=1 F=2

2 VARIÁVEIS PODEM SER ALTERADAS

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REGRAS DAS FASES

ANÁLISE DE DIAGRAMAS BINÁRIOS

SISTEMAS METÁLICOS DE INTERESSE SÃO ANALISADOS SOB PRESSÃO CONSTANTE

VARIÁVEIS: TEMPERATURA E PRESSÃO:

P+F=C+1

QUADRO DE POSSIBILIDADE

032

1 (T ou C DAS FASES)22

2 (T e C DAS FASES)12

F – GRAU DE LIBERDADE

P- FASESC – COMPONENTES

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REGRAS DAS FASES

NO CASO DE 2 FASES EM EQUILÍBRIO EM UM SISTEMA BINÁRIO, F=1

ESCOLHIDA UMA TEMPERATURA NA QUAL 2 FASES ESTEJAM EM EQUILÍBRIO, AS COMPOSIÇÕES DAS MESMAS ESTÃO UNIVOCAMENTE DETERMINADAS

MUDANÇA DA TEMPERATURA IMPLICA NA ALTERAÇÃO DE COMPOSIÇÃO DAS FASES

032

1 (T ou C DAS FASES)22

2 (T e C DAS FASES)12

F – GRAU DE LIBERDADE

P- FASESC – COMPONENTES

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REGRA DAS FASES

ANÁLISE DO SISTEMA Pb-Sn(BINÁRIO)

P+F=C+1

PONTO 1:

P=1, C=2 F=2

PODE-SE ESCOLHER T E C DA FASE

PONTO 2:

P=2, C=2 F=1

PODE-SE ESCOLHER T OU C DA FASE

PONTO 3:

P=3, C=2 F=0

NÃO É POSSÍVEL ESCOLHER T OU C

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LIGAS DE ALUMÍNIO

ENDURECIMENTO ATRAVÉS DE SOLUBILIZAÇÃO, PRECIPITAÇÃO E ENVELHECIMENTO

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LIGAS DE ALUMÍNIO

SÃO DIVIDIDAS EM SÉRIES, DE ACORDO COM O PRINCIPAL ELEMENTO DE LIGA:

6XXX – MAGNÉSIO E SILÍCIO

7XXX – ZINCO

8XXX – OUTROS ELEMENTOS

9XXX – LIGAS NÃO USUAIS

1XXX – ALUMÍNIO PURO

2XXX – COBRE

3XXX – MANGANÊS

4XXX – SILÍCIO

5XXX – MAGNÉSIO

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LIGAS DE ALUMÍNIO

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LIGAS DE ALUMÍNIO

7050

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LIGAS DE ALUMÍNIO

LIGA 6061

titânio

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LIGAS FERROSAS

-LIGAS Fe-C SÃO DIVIDIDAS EM DOIS GRANDES GRUPOS:

•AÇOS (ATÉ 2,11% DE C)

•FERROS FUNDIDOS (ACIMA DE 2,11% DE C)

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AÇOS CARBONO

Aço 1045 Aço 1070Aço 1020

Ferrita + perlita Perlita

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AÇOS LIGA – CLASSIFICAÇÃO SAE

Ni 1,80, Cr 0,50 ou 0,80, Mo 0,2543XX

Ni 1,55 ou 1,80, Mo 0,20 ou 0,2546XX

Ni 1,05, Cr 0,45, Mo 0,2047XX

Mo 0,2540XX

Cr 0,50 ou 0,95, Mo 0,12 ou 0,2041XX

Ni 3,50 Cr 1,5533XX

Ni 3,50, Mo 0,2548XX

Ni 1,25 Cr 0,6531XX

Ni 5,025XX

Ni 3,523XX

Mn 1,7513XX

12XX

11XX

10XXTipo de aço

Tipo de aço

Ni 1,00, Cr 0,80, Mo 0,2598XX

Ni 3,25, Cr 1,20, Mo 0,1293XX

Mn 0,85, Si 2,0092XX

Ni 0,55, Cr 0,50 ou 0,65, Mo 0,2087XX

Ni 0,55, Cr 0,50 ou 0,65, Mo 0,2086XX

Cr 0,80 ou 0,95, V 0,10 ou 0,15 min

61XX

Cr 0,80 a 1,0551XX

Cr 0,28 ou 0,4050XX

Aços ferramenta