8. Diagramas de fase
em condições de
equilíbrio
- Definições e conceitos básicos:
identificação das fases, limite de
solubilidade, microestrutura das fases
- Diagramas de equilíbrio binários
isomorfos e eutéticos
- Reações eutetóides e peritéticas
- Sistema Fe-C e microestruturas que
se formam no resfriamento lento
2
SOLIDIFICAÇÃO
TODO O PROCESSO DE FABRICAÇÃO DE PEÇAS
METÁLICAS TEM INÍCO EM UM PROCESSO DE
SOLIDIFICAÇÃO
3
DIAGRAMA DE FASE OU DE
EQUILIBRIO
1. IMPORTÂNCIA:
- Permite a visualização da fusão e solidificação
- Prediz as transformações de fases
- Dá informações sobre microestrutura e
propriedades mecânicas em função da
temperatura e composição
4
2. SOLUBILIDADE DO SOLUTO E FASES
SOLUBILIDADE COMPLETA
SOLUBILIDADE INCOMPLETA
INSOLUBILIDADE
LIMITE DE SOLUBILIDADE: é a concentração máxima de
átomos de soluto que pode dissolver-se no solvente, a uma dada
temperatura, para formar uma solução sólida. Quando o limite de solubilidade é ultrapassado forma-se
uma segunda fase com composição distinta
5
3. FASES
FASE É A PORÇÃO HOMOGÊNEA DE UM SISTEMA QUE TEM
CARACTERÍSTICAS FÍSICAS E QUÍMICAS DEFINIDAS
Todo metal puro e uma considerado uma fase
Uma fase é identificada pela composição
química e microestrutura
A interação de 2 ou mais fases em um material
permite a obtenção de propriedades diferentes
É possível alterar as propriedades do material
alterando a forma e distribuição das fases
6
4. DIAGRAMA DE FASES OU DE EQUILÍBRIO
É COMO UM MAPA PARA A DETERMINAÇÃO DAS FASES
PRESENTES, PARA QUALQUER TEMPERATURA E
COMPOSIÇÃO, DESDE QUE A LIGA ESTEJA EM
EQUILÍBRIO
- Termodinamicamente o equilíbrio é descrito em termos de
energia livre (G)
- Um sistema está em equilíbrio quando a energia livre é
mínima
O equilíbrio de fases é o reflexo da constância das
características das fases com o tempo
7
FUSÃO E ENERGIA LIVRE (G)
8
4. FASES DE EQUILÍBRIO E FASES
METAESTÁVEIS
Fases de equilíbrio: suas propriedades ou
características não mudam com o tempo.
Geralmente são representadas nos diagramas
por letras gregas
Fases metaestáveis: suas propriedades ou
características mudam lentamente com o tempo,
ou seja, o estado de equilíbrio não é nunca
alcançado. No entanto, não há mudanças muito
perceptíveis com o tempo na microestrutura das
fases metaestáveis.
9
SOLIDIFICAÇÃO DE UM METAL PURO
10
SOLIDIFICAÇÃO DE UMA LIGA BINÁRIA
11
CONSTRUÇÃO DOS DIAGRAMAS DE
FASE A PARTIR DAS CURVAS TÉRMICAS
São obtidas curvas térmicas para diferentes teores de
soluto
12
4.1. DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO PARA
SISTEMAS BINÁRIOS E ISOMÓRFOS
Isomorfo quando a solubilidade é completa (Exemplo:
Sistema Cu-Ni)
13
CURVA DE SOLIDIFICAÇÃO PARA UMA
LIGA BINÁRIA ISOMORFA
Remoção do calor
latente de fusão
Curva de solidificação
14
INTERPRETAÇÃO DO DIAGRAMA DE
EQUILÍBRIO
(CONSTITUIÇÃO DA LIGA)
- Fases presentes localiza-se a temperatura e
composição desejada e verifica-se o número de fases presentes
- Composição química das fases usa-se o método
da linha de conecção (isotérma)
Para um sistema monofásico a composição é a
mesma da liga
- Percentagem das fases (quantidades
relativas das fases) regra das alavancas
15
SISTEMA Cu-Ni
DETERMINAÇÃO DAS FASES PRESENTES E DA
COMPOSIÇÃO QUÍMICA DAS FASES
Comp. Liq= 32% de Ni e 68% de Cu
Comp. Sol. = 45% de Ni e 55% de Cu
B
16
SISTEMA Cu-Ni
Determinação das quantidades relativas das
fases
Composição das fases
Percentagem das fases
Fase líquida
Fase sólida
Comp. Liq= 31,4% Ni e 68,9%Cu
Comp. Sol. = 42,5,4 %Ni e %57,5Cu
L = S
R+S
S = R
R+S
L = C-C0
C-CL
L = Co-CL
C-CL
17
Mudança na composição das fases
durante o processo de solidificação Ex: o centro do grão mais rico do elemento com o elemento de maior ponto de fusão)
centro do grão
A distribuição dos 2 elementos no grão não é uniforme.
18
Mudança na composição das fases
durante o processo de solidificação
19
DESENVOLVIMENTO DA MICROESTRUTURA
A microestrutura só segue o diagrama de equilíbrio para
velocidades de solidificação lentas
Na prática, não há tempo para a difusão completa e as
microestruturas não são exatamente iguais às do
equilíbrio
O grau de afastamento do equilíbrio dependerá da taxa de
resfriamento
Como conseqüência da solidificação fora do equilíbrio
tem-se a segregação (a distribuição dos 2 elementos no
grão não é uniforme).
20
SOLUBILIDADE
É dada pela linha solvus
LINHA SOLVUS
()
()
+
LINHA SOLVUS
+ l l +
21
SISTEMAS EUTÉTICOS BINÁRIOS
Reação eutética:
Líquido +
Neste caso a solidificação processa-se como num
metal puro, no entanto o produto é 2 fases sólidas
distintas.
Microestrutura do eutético:
LAMELAR camadas alternadas de fase e .
Ocorre desta forma porque é a de menor percurso para a
difusão
22
REAÇÃO EUTÉTICA
Líquido +
LINHA SOLVUS
() +
()
Indica solubilidade
23
HIPOEUTÉTICO E HIPEREUTÉTICO
HIPOEUTÉTICO COMPOSIÇÃO
MENOR QUE O EUTÉTICO
HIPEREUTÉTICO COMPOSIÇÃO
MAIOR QUE O EUTÉTICO
24
MICROESTRUTURA DE UMA LIGA DE
Sn-Pb HIPOEUTÉTICA
Região preta é a fase
primária rica em Pb
Lamelas são
constituídas de fase
rica em Pb e fase
rica em Sn
25
REAÇÃO EUTETÓIDE:
+
( a diferença do eutético é que uma fase sólida, ao invés de
uma líquida, transforma-se em duas outras fases sólidas.
REAÇÃO PERITÉTICA: Envolve três fases em equilíbrio
+ Líquido
Uma fase sólida mais uma fase líquida transforma-se numa
outra fase sólida
DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO TENDO FASES
INTERMEDIÁRIAS
26
PERITÉTICO E EUTÉTICO
27
PERITÉTICO
Envolve 3 fases em equilíbrio
28
PERITÉTICO DUPLO
29
EUTÉTICO, EUTETÓIDE E PERITÉTICO
Ponto de
fusão
congruente
30
REAÇÃO MONOTÉTICA E EUTÉTICA
Dois líquidos imiscíveis formam uma fase sólida e
uma fase líquida (MONOTÉTICA)
31
GRÁFICO ESQUEMÁTICO: PONTO DE
FUSÃO E TRANSFORMAÇÕES ALOTRÓPICAS
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Sistema Fe-C ou Fe-Fe3C e
microestruturas que se
formam no resfriamento
lento
33
DIAGRAMA DE FASE Fe-Fe3C
TRANSFORMAÇÃO ALOTRÓPICA
+Fe3C
+l l+Fe3C
+Fe3C CCC
CFC
CCC
+
+l
As fases , e são soluções sólidas
com Carbono intersticial
34
FERRO PURO
FERRO = FERRITA
FERRO = AUSTENITA
FERRO = FERRITA
TF= 1534 C
Nas ligas ferrosas as fases , e FORMAM
soluções sólidas com Carbono intersticial
CARBONO
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DIAGRAMA DE FASE Fe-Fe3C
TRANSFORMAÇÔES
+l l+Fe3C
+l
PERITÉTICA
+l EUTÉTICA
l +Fe3C
EUTETÓIDE
+Fe3C
AÇO FOFO
36
Ferro Puro /Formas Alotrópicas
FERRO = FERRITA
Estrutura= ccc
Temperatura
“existência”= até 912 C
Fase Magnética até 768 C
(temperatura de Curie)
Solubilidade máx do
Carbono= 0,02% a 727 C
FERRO = AUSTENITA
Estrutura= cfc (tem + posições intersticiais)
Temperatura “existência”= 912 -1394C
Fase Não-Magnética
Solubilidade máx do Carbono= 2,14% a 1148C
37
Ferro Puro /Formas Alotrópicas
FERRITA AUSTENITA
38
Ferro Puro /Formas Alotrópicas
FERRO = FERRITA
Estrutura= ccc
Temperatura “existência”= acima de 1394C
Fase Não-Magnética
É a mesma que a ferrita
Como é estável somente a altas temperaturas
não apresenta interesse comercial
39
Sistema Fe-Fe3C
Ferro Puro= até 0,02% de Carbono
Aço= 0,02 até 2,06% de Carbono
Ferro Fundido= 2,1-4,5% de Carbono
Fe3C (CEMENTITA)= Forma-se quando o
limite de solubilidade do carbono é
ultrapassado (6,7% de C)
40
CEMENTITA (Fe3C)
Forma-se quando o limite de solubilidade do carbono é ultrapassado (6,7% de C)
É dura e frágil
Cristaliza no sitema 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
A adição de Si acelera a decomposição da cementita para formar grafita
41
PONTOS IMPORTANTES DO SISTEMA Fe-Fe3C
(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
42
PONTOS IMPORTANTES DO SISTEMA Fe-Fe3C
(EUTETÓIDE)
LIGA EUTETÓIDE corresponde à liga de mais baixa temperatura de transformação sólida
Austenita FASE (FERRITA) + Cementita
- Temperatura= 725 C
- Teor de Carbono= 0,8 %
Aços com 0,02-0,8% de C são chamadas de aços hipoeutetóides
Aços com 0,8-2,1% de C são chamadas de aços hipereutetóides
43
MICROESTRUTURAS / EUTETÓIDE
Supondo resfriamento lento para manter o equilíbrio
É similar ao eutético
Consiste de lamelas alternadas de fase (ferrita) e
Fe3C (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)
44
MICROESTRUTURAS / EUTETÓIDE
45
MICROESTRUTURA DO AÇO EUTETÓIDE
RESFRIADO LENTAMENTE
Somente Perlita
46
MICROESTRUTURAS /HIPOEUTETÓIDE
Supondo resfriamento lento para manter o equilíbrio
Teor de Carbono = 0,002- 0,8
%
Estrutura
Ferrita + Perlita
As quantidades de ferrita e
perlita variam conforme a
% de carbono e podem ser
determinadas pela regra das
alavancas
Partes claras pró
eutetóide ferrita
47
MICROESTRUTURA DOS AÇOS BAIXO
TEOR DE CARBONO
Ferrita Perlita
AÇO COM ~0,2%C
48
MICROESTRUTURA DOS AÇOS MÉDIO TEOR DE
CARBONO RESFRIADOS LENTAMENTE
Ferrita Perlita
AÇO COM ~0,45%C
49
MICROESTRUTURAS /HIPEREUTETÓIDE
Supondo resfriamento lento para manter o equilíbrio
Teor de Carbono = 0,8-2,06
%
Estrutura
cementita+ Perlita
As quantidades de
cementita e perlita variam
conforme a % de carbono e
podem ser determinadas
pela regra das alavancas
Partes claras pró
eutetóide cementita
ALGUNS DIAGRAMAS
51
52
53
54
Micrografia da Liga Al-3,5%Cu no
Estado Bruto de Fusão
55
56
57
Sistema Mg-Pb
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