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13/5/2011 Paulo Emílio Valadão de Miranda | Professor Titular UFRJ

DIAGRAMA DE FASES

Introdução

São diagramas que mostram regiões de

estabilidade das fases, através de gráficos que

representam as relações entre temperatura,

pressão e composição química.



DIAGRAMA DE FASES

Para que serve:

• Investigar reações Químicas;

• Entender a microestrutura dos materiais;

• Prever as suas propriedades;

• Etc



DIAGRAMA DE FASES

Sistema

Série de possíveis ligas com mesmos componentes, mas composições e microestruturas distintas

Ex: Sistema Cobre-Oxigênio

A variação da composição de oxigênio leva a diferentes estruturas microscópicas, bem como à formação de diferentes fases



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Solução sólida

Fase homogênea que contem 2 ou mais componentes (solutos) dissolvidos em um solvente. Ex: Latão: Liga com até 30% de Zinco em Cobre



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Fase

Uma porção de um sistema que possui propriedades e composição homogêneas e que é fisicamente distinta das outras partes do sistema.

Cr+ 3% Nb – Região de contorno de grão



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Equilíbrio termodinâmico

Um sistema está em equilíbrio se a sua energia livre (G) se encontra em um valor mínimo para alguma combinação específica de temperatura, pressão e composição



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Energia Livre de Gibbs

A Energia Livre de Gibbs é uma medida de

estabilidade de um sistema de fases.

Quando a variação dessa energia é nula, diz-se

que o sistema está em equilíbrio ou está estável.



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Energia Livre de Gibbs (G)

∆G = ∆H – T∆S

Onde:

H = entalpia do sistema;T = temperatura;S = entropia do sistema.



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Entalpia (H)

Entalpia é o conteúdo de calor de um sistema, à pressão constante de fórmula:

H = E + PV

Onde:

E =energia interna do sistema;

P =pressão;

V =volume



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Entropia (S)

É a medida de desordem de um sistema. Quanto maior a desorganização do sistema, maior a entropia.

TdQdS =

Onde:

Q=Quantidade de calor;

T= temperatura.



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Capacidade Calorífica

Fonte: Porter e Easterling



DIAGRAMA DE FASES

Entalpia (H)

Fonte: Porter and Easterling



DIAGRAMA DE FASES

Entropia (S)

Fonte: Porter and Easterling



DIAGRAMA DE FASES

Entropia (S)

Fonte: Porter e Easterling



DIAGRAMA DE FASES

Limite de solubilidade

A uma dada temperatura existe uma

concentração máxima de soluto que pode se

dissolver no solvente. Esse limite chama-se

limite de solubilidade.



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Água e açúcar



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Solubilidade Total



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Efeito da Pressão



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Microestrutura

A microestrutura pode ser observada por microscópio ótico ou eletrônico. Podem ser identificadas as fases e a quantidade delas no material. Cada fase possui propriedades diferentes.

Nimonic (Ni+Co) – 400X

Al+4% Cu

Ti 6Al-4V – 400X

Cu+Sn – Estrutura Dentrítica

Aço Comum Baixo Carbono

Cu+Zn - Latão

Superliga de Niquel



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Microestrutura de um aço

O Aço possui diversas microestruturas definidas pelo seu diagrama de fases e pelos diferentes métodos de processamento utilizados



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Resfriamento lento

Resfriamento moderado

Resfriamento rápido (têmpera) Reaquecimento

Austenita

Perlita (∝ + Fe3C) +

Fase próeutetóide(Ferrita ou cementita)

Bainita(∝ + Fe3C)

Martensita(fase tetragonal)

Martensita Revenida

(∝ + Fe3C)



DIAGRAMA DE FASES


Resfriamento lento

Resfriamento moderado

Resfriamento rápido (têmpera) Reaquecimento



DIAGRAMA DE FASES

Identificação das Fases

Existem fronteiras onde há uma mudança abrupta de propriedades. Esses conjuntos de propriedades são definidas pelas fases presentes.

Micrografia de Compósito de Matriz metálica (Alumínio) com partículas cerâmicas



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Tipos de diagramas

• Binários

• Ternários

• Quaternários



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Binário



DIAGRAMA DE FASES

Ternário



DIAGRAMA DE FASES

Interpretação do diagrama

1. Quais fases estão presentes?

2. Qual é a composição das fases?

3. Qual é a fração relativa das fases?



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Regra da alavanca

A regra da alavanca é um método de

determinação da quantidade de cada fase

presente no material



DIAGRAMA DE FASES

Regra da alavanca



DIAGRAMA DE FASES

Regra da alavanca

( )( )( )L

L CCCC

SRSW

−−

=+

=α

α 0

( )( )( )L

L

CCCC

SRRW

−−

=+

=α

α0

Fração em peso de Líquido (WL)

Fração em peso de sólido (Wα)



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Reações de Fases

1. Reação Eutética

2. Reação Eutetóide

3. Reacão Peritética



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Reações de Fases

)()()( EEE CCCL βα βα +⇔Resfriamento

aquecimento

Reação Eutética



DIAGRAMA DE FASES



DIAGRAMA DE FASES

Reação Eutética Líquido → Sólido α + Sólido β

Microestrutura Eutética da Liga Nb (81.8%) – Si (18.2%): Nióbio é a fase

clara, dispersa na matriz de Nb3Si



DIAGRAMA DE FASES

Reação Eutetóide Sólido → Sólido γ + Sólido ε

Sólido → Sólido γ + Sólido ε

Crescimento de microestrutura Eutetóide em aço:http://www-g.eng.cam.ac.uk/mmg/teaching/typd/addenda/eutectoidmicrostructure1.html

http://www-g.eng.cam.ac.uk/mmg/teaching/typd/addenda/eutectoidmicrostructure1.html�



DIAGRAMA DE FASES

Reação Eutetóide Sólido → Sólido γ + Sólido ε

Exemplos de microestrutura Euteróide em AçosCrescimento de microestrutura Eutetóide em aço:http://www-g.eng.cam.ac.uk/mmg/teaching/typd/addenda/eutectoidmicrostructure1.html

http://www-g.eng.cam.ac.uk/mmg/teaching/typd/addenda/eutectoidmicrostructure1.html�



DIAGRAMA DE FASES

Reação Peritética: Líquido + sólido A → sólido B



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Diagrama de Fases - Parte II



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No equilíbrio

• Reações ocorrem com composições do líquido e do sólido homogêneas

• Há tempo o suficiente para a difusão em ambas as fases



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Fora do equilíbrio

• O primeiro metal formado é mais rico em soluto;

• Não há tempo para que a difusão leve a composição química das fases à posição de equilíbrio;

• A variação da concentração de soluto real desloca a linha Sólidus.



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Microestruturas Resultantes

Diagrama de fases Chumbo - Estanho



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Segundo a regra da alavanca, haverão proporções específicas de fase α e β na composição acima, mas a morfologia depende do histórico de resfriamento



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• Concentração de soluto menor que α da linha Solvus.

• Formação de grão de a diretamente a partir do líquido.



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• Concetração de Soluto acima da linha solvus, mas abaixo da concentração mínima para Eutético (CEα)

• Nucleação de fase β no interiror de grão já formados de α



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)%8,97()%3,18()%9,61( SnSnSnL ppp βα +⇔

• Concentração de Soluto igual a Composição Eutética da Liga

• Formação de microestrutura eutética a partir do líquido



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• Concentração de Soluto entre a Composição Eutética (CE) e CEα;

• Formação de grãos de α a partir do líquido, mas havendo líquido remanescente ao chegar a Temperatura Eutética;

• Formação de microestrutura eutética a partir do líquido,entre os grãos de α Pré-Eutetóides;

• Com composição entre CE e CEβ, a microestrutura é análoga.



DIAGRAMA DE FASES

Diagramas com muitas transformações

Diagrama Cobre - Zinco



DIAGRAMA DE FASES

Diagramas com muitas transformações

Diagrama Cobre - Zinco

http://billbullet.com/images/products/detail/300mm6.jpg�



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Compostos Intermediários

• Algumas ligas possuem compostos Inter-Metálicos: Composições específicas aonde os dois metais formam uma fase de estequiometria e cristalografia definida (substituição de átomos na rede em posições específicas). Ex: Cu3Sn, AuSn, FeAl2, Fe2Al5, etc...

Diagrama Ferro-Alumínio Diagrama Ouro-Estanho Diagrama Estanho-cobre



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Diagrama de Fases - Parte IIITransformações congruentes



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Reações Congruentes:

Ocorrem quando um líquido da origem a um líquido de propriedades diferentes e mais uma fase sólida



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Diagrama Fe-Fe3C

Ferrita (90x)

Austenita (325x)



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Perlita (α + Fe3C)

Microestrutura resultante do resfriamento rápido

de uma liga composta de fase γ (austenita) com

composição eutetóide (≈0,76% C)



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Perlita (α + Fe3C)

Aço eutetóide com microestrutura perlítica

Liga eutetóide (≈ 0,76% C)



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Liga Hipoeutetóide

Aço (0,38% C) com microestrutura composta de perlita e ferrita proeutetóide



DIAGRAMA DE FASES

Liga Hipereutetóide

Aço ( 1,4% C) com microsestrutura constituida de cementita proeutetóide (branca) que envolve as colônias de perlita



DIAGRAMA DE FASES

Influência de outros elementos de liga



DIAGRAMA DE FASES

Diagrama de fases dos materiais cerâmicos



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Lei das Fases de Gibbs

P + F = C + N

Onde:

P= número de fases

F= números de graus de liberdade

C= componentes do sistema

N= quantidade de variáveis não relacionadas com

a composição (temperatura, pressão...)



DIAGRAMA DE FASES

Lei das Fases de Gibbs

Pressão constante (1 atm)

N = 1 (temperatura é a única variável)C= 2 ( Cu e Ag)

P + F = C + N

2 + F = 2 + 1

F= 1 ( grau de liberdade)

Faz-se necessário especificar a temperatura e a composição para determinar o número de fases.

Por exemplo: Para a temperatura T1 e composições entre Cα e CL , existem 2 fases (α e líquida) P= 2

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