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Universidade Federal do Paran
Setor de Tecnologia
Departamento de Engenharia Mecnica
Prof. Rodrigo Perito Cardoso
TM343 Materiais de Engenharia
Captulo 9 Reviso - Diagramas de Fase e Sistema Fe-C
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Prof. Rodrigo Perito Cardoso
Onde estamos?
Introduo Reviso dos conceitos de mecanismos de endurecimento e
diagramas de fase (invertendo a ordem do Callister) Alumnio e suas ligas
Classificao das ligas de Al Tratamentos trmicos das ligas de Alumnio Metalurgia das ligas de Alumnio
Ligas ferrosas Aos e ferros fundidos Diagramas TTT e TRC Tratamentos trmicos dos metais ferrosos Metalurgia dos metais ferrosos Tratamentos termoqumicos
Noes de Outras ligas (Mg, Ti, Co, Ni, etc)
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Roteiro da aula
Introduo
Definies e conceitos bsicos Limite de solubilidade
Fases
Microestrutura
Equilbrio de fases
Diagramas de sistemas em condies de equilbrio Interpretao do diagrama
Desenvolvimento da microestrutura
Sistemas binrios
Pontos invariantes
Diagramas ternrios
O Sistema Ferro-carbono
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Prof. Rodrigo Perito Cardoso
Introduo
Existncia de diversas fases
Importante para tratamentos trmicos (mudana de fase)
Importante de se conhecer
mesmo para casos fora do equilbrio (tendncia final o equilbrio)
Forte relao com a microestrutura da liga
Ao AISI1045 (3000X)
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Definies e conceitos
Componente: metal ou composto
Soluto e solvente
Sistema: diferentes ligas possveis com os mesmos componentes
Soluo slida
Substitucional ou intersticial (estrutura cristalina do solvente mantida)
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Limite de solubilidade
Concentrao mxima de soluto em soluo slida a uma dada temperatura. (ex: gua e acar)
Soma = 100%
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Fases Poro homognea do sistema com
caractersticas fsicas e qumicas uniformes
Ex: gua acar (xarope + acar)
Fronteira abrupta de propriedades (ex: solido-liquido)
Polimorfismo (CCC - CFC)
Sistema homogneo (1 fase)
Mistura (+ de 1 fase)
Maioria dos materiais -> Mistura
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Microestrutura
Nmero de fase, sua poro e como elas esto distribudas
Depende da composio, do tratamento, etc
Ao AISI1045 (3000X) Perlita grossa e fina
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Equilbrio de fases
Equilbrio -> Energia Livre (energia interna e desordem)
O sistema est em equilbrio se, para uma determinada temperatura, presso e composio, est com o mnimo de sua Energia Livre -> o sistema no muda com o tempo
Se mudarmos temperatura, presso ou composio o sistema sai do mnimo e uma mudana espontnea pode ocorrer
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Equilbrio de fases
Nos metais pode envolver somente fases slidas
No envolve o intervalo de tempo para que o processo ocorra
Equilbrio Metaestvel -> cintica lenta
Aquecimento
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Curvas de energia
- Alotropia do Ferro:
???
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Diagramas de Fase em Equilbrio Muitas informao sobre o controle de
microestruturas pode ser retirado do digrama de fases -> teis para previso de transformaes de fase
Temperatura, presso e composio (1 atm)
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Sistemas Isomorfos Binrios
o mais Simples -> 1 Fase slida (Cu-Ni)
Solubilidade total (4 fatores)
Sol. Slida -> letras gregas minsculas (, , , etc)
Curva liquidus Curva solidus
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Interpretao dos diagramas 1. Fases presentes -> ver onde o ponto se localiza
2. Composio das fases -> Reta a temperatura cte
3. Porcentagem das fases -> Regra da alavanca
A: Fase a
B: Fase a + L
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Demonstrao
Regra da alavanca -> Conservao da massa
A: Fase a
B: Fase a + L
Frao Mssica
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Regra da alavanca -> Conservao da massa
A: Fase a
B: Fase a + L
Frao Volumtrica -> pode ser determinada por microscopia (importante)
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Exerccio 1
Para uma liga 20% Ni + 80% Cu aquecida lentamente, determine: Temperatura de
aparecimento do primeiro lquido e sua composio
Temperatura de desaparecimento total do slido, a composio do lquido nesse momento e a composio do ultimo slido a fundir
Frao de slido e lquido no ponto C e a composio das fases presentes
C
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Exerccio 2
A
B
C
Para os pontos A, B e C
determinar:
1. Fases presentes
2. Composio destas fases
3. Porcentagem das fases
Caso estas ligas sejam resfriadas
at a temperatura ambiente
lentamente determinar:
1. Fases presentes
2. Composio destas fases
3. Porcentagem das fases
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Desenvolvimento da microestrutura Ligas isomorfas
Resfriamento em condies de equilbrio (lento) Equilbrio mantido
b - Curva Liquidus
d - Curva Slidus
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Desenvolvimento da microestrutura Ligas isomorfas
Resfriamento fora das condies de equilbrio (rpido) animao Mundo real Equilbrio -> Difuso
Difuso lenta no slido
Segregao -> Estrutura Zonada
-> contorno funde antes
Estrutura Zonada -> corrigida por
tratamento trmico de homogeneizao
Ainda existe lquido
Composio mdia do gro
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Propriedades mecnicas de ligas isomorfas
Tamanho de gro constante
Sem Trabalho a Frio
Aumento de resistncia -> Soluo Slida
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Sistemas Eutticos Binrios Solubilidade no total
Trs regies monofsicas e trs bifsicas (quais?)
Descreva as solues a e b?
Curva Solvus
Curva Solidus
Curva Liquidus
Ponto invariante
(euttico)
Reao euttica
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Ex: Solda de estanho
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Ex: Solda de estanho sem Pb
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Ex: H2O + NaCl
Olhando o diagrama:
Porque colocar sal sobre o gelo faz
com que ele derreta?
A partir de que momento colocar mais
sal no auxilia no derretimento do
gelo?
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Desenvolvimento da estrutura em ligas eutticas
Diversas possibilidades
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Desenvolvimento da estrutura em ligas eutticas
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Desenvolvimento da estrutura em ligas eutticas
Redistribuio de
componentes -> Difuso
Estrutura euttica
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Desenvolvimento da estrutura em ligas eutticas
Difuso no lquido
Distncias curtas
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Desenvolvimento da estrutura em ligas eutticas
a primria
aEuttica
Microconstituinte
de fase
2 fases, dois microconstituintes
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Calculo dos microconstituintes
Se fora do equilbrio: 1 - Gros zonados
2 Maior frao do microconstituinte euttico
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Diagramas de fase com compostos intermetlicos
Soluo slida terminal (tambm presente no euttico)
Soluo slida intermediria (fases intermedirias, ex. Cu-Zn - Lato)
Soluo slida ordenada (militar)
Linha tracejada -> sem exatido (baixa temperatura - difuso)
Compostos intermedirios (ex. Mg2Pb) -> composio bem definida -> linha vertical
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Diagramas de fase com intermetlicos
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Diagramas de fase com compostos intermetlicos
Pode ser considerado como dois diagramas de equilbrio eutticos (Mg-Mg2Pb e Mg2Pb-Pb)
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Reaes Eutetides e Peritticas
Eutetide
Perittico
Alm do euttico existem diversos pontos invariantes
Reao eutetide
Reao Perittica
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Transformao de fases congruentes e incongruentes
Transformao congruente: sem alterao de composio (ex. mudana alotrpica e fuso de metais puros, fuso de compostos)
Transformao incongruente: com alterao de composio (maioria das transformaes, transformao, ex. euttica e eutetide e fuso de sistemas isomsfos)
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Transformao de fases congruentes e incongruentes
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Diagramas ternrios
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Diagramas ternrios
Isomorfo Euttico
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Diagramas ternrios
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Exerccio Para a Liga C4 (30% Sn):
Calcular os percentuais mssicos de alpha e beta a 50C
Calcular o percentual mssico do microconstituinte euttico
Calcular os percentuais mssicos da fase alpha primria e secundria
Calcular os percentuais mssicos da fase beta primria e secundria
Calcular o percentual mssicos da fase alpha e beta no microconstiuinte euttico
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Diagrama Ferro-Carbono (Fe-Fe3C)
Aos Ferros Fundidos
Ferro Puro 0,008%C
Ferr
ita
- A
uste
nita
CC
C -
CF
C
Au
ste
nita
F
err
ita
d
CF
C -
CC
C
Fe3C
Cementita
Dura e frgil
6,7% C ou
100% Fe3C
Ferrita CCC
7,88 g/cm3
Ferrita d pouca importncia Austenita CFC
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Ferrita max. C 0,022% Austenita max. C 2,14%
CFC mais densa e tem maior solubilidade? Como?
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Energia livre de Gibbs para o Fe
Transformaes espontneas ocorrem para minimizar a energia (a fase mais estvel aquela que apresenta menor energia livre de Gibbs)
Interstcios da Estrutura do Ferro a Interstcios da Estrutura do Ferro
0,19 (0,15R) 0,52 (0,41R) 0,29 (0,23R) 0,36 (0,29R) Espao
ngstrons
Raio do Carbono 0,71
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Particularidades da Cementita Fe3C
Dura e Frcil -> Composto (cermica)
Rigorosamente metaestvel
A 700C durante alguns anos -> Grafite + ferrita (diagrama no de equilbrio)
A temperatura ambiente nunca se transforma
Adio de Silcio acelera a transformao (ferro fundido)
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Diagrama Ferro-Carbono Pontos invariantes
???
Importante
para os
tratamentos
trmicos
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Desenvolvimento da microestruturas em ligas Fe-C
Muitas microestruturas possveis
Vamos apresentar somente de resfriamento lento -> resfriamento rpido ser visto em tratamento trmico e diagramas de transformao
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Ligas Eutetide Espessura aproximada 8/1
Estrutura -> Perlita (lembra madreprola)
Direo das lamelas varia de uma colnia
para outra
Perlita -> propriedades intermedirias
entre ferrita e cementita
Ver animao
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Ligas Eutetide
Motivo das lamelas -> difuso
(semelhante ao euttico)
Redistribuio do carbono ->
distancia curtas
Nucleao no contorno de gro
da austenita
Microconstituinte Perlita
No existe gro de perlita mas sim
uma colnia de perlita
Abaixo do eutetide as mudanas
microestruturais so insignificantes
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Ligas Hipoeutetide
Hipoeutetide: Menos carbono que o eutetide
(entre 0,022 e 0,76 %C)
Alpha aparece no contorno de gro -> PQ????
Ferrita proeutetide
Ferrita eutetide
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Ligas Hipereutetide
Hipereutetide: Mais carbono que o eutetide
(entre 0,76 e 2,14%C)
Cementita proeutetide
Cementita eutetide
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Ferro fundido
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Exerccio
Para C0(0,20) e C1(1,10)
determinar:
Frao das fases ferrita e cementita
Frao de ferrita preutetoide, cementita
preutetoide e perlita
Frao de ferrita e cementita eutetide
Frao de ferrita e cementita na perlita
Qual a composio de uma liga Fe-C que contem 50% de perlita e ferrita proeutetde?
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Resfriamento fora das condies de equilbrio
Na maioria das situaes a taxa de resfriamento mais rpida que a necessria para o equilbrio
Conseqncia:
Mudana de fase em temperaturas diferentes da prevista no diagrama
Existncia de fases fora do equilbrio (ex. Martensita)
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Influencia de outros elementos de liga
Adio de elementos de liga trs mudanas dramticas no diagrama de fases
Ex. Nquel pode estabilizar a austenita a temperatura ambiente
Elementos alphagnios e gamagnios
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importante lembrar Saber interpretar o diagrama
Fases presentes
Composio das fase
Frao da fases
Descrever evoluo microestrutural no aquecimento ou resfriamento
Pontos invariante e suas reaes -> mecanismo e impacto nas propriedades do material (microestrutura)
Diagrama ferro carbono - > Tudo -> ser a base para o estudo dos aos e ferros fundidos!