Microestrutura (Fases) Parte 2 - felipeb.comfelipeb.com/unipampa/aulas/cm/fases_parte2.pdf ·...
Transcript of Microestrutura (Fases) Parte 2 - felipeb.comfelipeb.com/unipampa/aulas/cm/fases_parte2.pdf ·...
1
Microestrutura (Fases)Microestrutura (Fases)Parte 2Parte 2
1. MICROESTRUTURA1. MICROESTRUTURA
1-4 SOLUBILIDADE
1-5 FORMAÇÃO DE FASE EM SÓLIDOS
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
2
11--4 SOLUBILIDADE4 SOLUBILIDADEUm material pode ser resultado da combinação de diferentes componentes:
- por formação de misturas heterogêneas - por formação de soluções
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
Misturas heterogêneasContém mais de uma fase
Ex.: água e areia: duas fases diferentes, cada uma com seu arranjo atômico próprio
É possível ter-se uma mistura heterogênea a partir de duas soluções diferentes
SoluçõesCiência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
Ex.: alguns materiais usados em engenharia são puros
Em muitos casos, elementos estranhos são intencionalmente adicionados a um material
melhorar propriedades Latão: cobre com adição de zinco
Rubí (laser): alumina com adição de Cr2O3
cobre usado em condutores elétricosalumina usada em velas de ignição
Se tal adição passa a fazer parte integral da fase sólida, a fase resultante recebe o nome de solução sólida
- Formam-se mais facilmente se soluto e solvente têm dimensões e estruturas eletrônicas semelhante (ex.: latão)
- substitucional:os átomos de um elemento substituem os átomos de outro elemento
- intersticial: os átomos pequenos de um elemento se localizam no interstício de outro elemento (ex.: carbono no ferro)
3
Total miscibilidade: mistura água + álcool
um componente dissolve o outro em quantidade ilimitada
Ex.: CuNi Liga de total miscibilidade
Total MiscibilidadeTotal Miscibilidade
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
Classificação das soluções quanto a solubilidade
totalmente miscíveis
totalmente imiscíveis
miscibilidade parcial
1 FASE
2 COMPONENTES
Total Imiscibilidade: mistura água + óleo
mesmo com agitação e temperatura não se obtém
uma única fase
Ex.: Pb e Cu
Total ImiscibilidadeTotal Imiscibilidade
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
4
Miscibilidade Limitada: misturaMiscibilidadeMiscibilidade LimitadaLimitada
um componente dissolve o outro em quantidade limitada
Ex.: Sn e Pb
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
água + açúcar
água + sal
Limite de solubilidade:Limite de solubilidade:
para muitos sistemas e em determinadas temperaturaspara muitos sistemas e em determinadas temperaturasconcentração máxima de átomos do concentração máxima de átomos do
soluto que podem se dissolver no soluto que podem se dissolver no solvente para formar uma solução sólidasolvente para formar uma solução sólida
A adição de soluto em excesso resulta na formação de outra solução sólida ou
outro composto com composição
distintamente diferente.
Curva de solubilidade da solução água e açúcar
Regra de Regra de HumeHume RotheryRothery
COMO DEFINIR A SOLUBILIDADE DE UM ELEMENTO EM OUTRO?
Regra de HUME-ROTHERY
São condições necessárias, mas não suficientes para que dois metais apresentem solubilidade total:
1. Tamanho: diferença entre raios < 15%
2. Estrutura cristalina: deve ser a mesma (ou com plano de continuidade)
3. Eletronegatividade: deve ser semelhante
4. Valências: devem ser iguais
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
5
Exemplo 1: Com os dados necessários fazer análise da solubilidade das ligas AgAu, AlSi e AgCu.
Regra de Regra de HumeHume RotheryRotheryCiência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
+ 11,9CFC0,128Cu
+ 41,8Cúbica - diamante0,118Si
+ 3
+ 1
+1
valência
1,5
2,4
1,9
eletronegatividade
CFC0,143Al
CFC0,144Au
CFC0,145Ag
estrutura cristalinaraio (nm)elemento
AgAu:1. Tamanho: rAg - 0,145 nm
rAu - 0,144 nm2. Estrutura cristalina: Ag e Au - CFC
3. Eletronegatividade: Ag (1,9eV) ≈Au(2,4eV)
4. Valências: Ag+1 Au+1
Ag e Au satisfazem e são totalmente miscíveis
(solução sólida ilimitada)
AlSi:1. Tamanho: rAl - 0,143 nm
rSi - 0,118 nm2. Estrutura cristalina: Al-CFCe Si-Cúbica do diamante
3. Eletronegatividade: Al (1,5eV) ≈Si(1,8eV)4. Valências: Al+3 Si+4
Al e Si imiscíveisAgCu:
1. Tamanho: rAg - 0,145 nmrCu - 0,128 nm
2. Estrutura cristalina: Ag - Cu -CFC
3. Eletronegatividade: Ag (1,9eV) ≈Cu(1,9eV)
4. Valências: Ag+1 Cu+1
Ag e Cu satisfazem mas não são totalmente miscíveis (solução sólida limitada)
Exemplo 1: Com os dados necessários fazer análise da solubilidade das ligas AgAu, AlSi e AgCu.
Regra de Regra de HumeHume RotheryRotheryCiência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
6
11--5 FORMAÇÃO DE FASES5 FORMAÇÃO DE FASES⇒ Transformações microestruturais em sólidos (reações no estado sólido) envolvem rearranjo de átomos. A classificação das reações pode ser:
→ Crescimento de grão: - átomos se movem através do contorno de grão;- não há variação na composição;- não há mudança no tipo de estrutura cristalina;- não há novos grãos.
→ Recristalização: - grãos novos e mais perfeitos;- rearranjos atômicos apenas locais;- não há variação na composição;- não há mudança no tipo de estrutura cristalina.
→Variações alotrópicas: - nova fase: nova coordenação atômica por rearranjos locais;- não há variação na composição;
→ Solubilização: - desaparecimento de uma fase existente, por solução na fase matriz;- prevalece difusão atômica;
→Precipitação: - separação de uma nova fase a partir de uma solução sólida supersaturada;- prevalece a difusão atômica;
→Eutetóide: - decomposição de uma fase (no resfriamento) em duas novas fases;- prevalece a difusão atômica;
→Transformação martensítica: - variação alotrópica decorrente do cisalhamento de um ou mais planos cristalinos em relação a planos adjacentes;- sem difusão;
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
Difusão atômica em sólidosDifusão atômica em sólidosDifusão: mecanismo pelo qual a matéria é transportada através da matéria⇒ Átomos em sólidos, líquidos e gases - movimento constante
- migram ao longo do tempo
Gases: - movimentos atômicos relativamente rápidos;- ex.: movimento rápido de aromáticos ou fumaças.
Líquidos: - movimentos atômicos mais lentos que nos gases;- ex.: movimento da tinta em solventes.
Sólidos: - movimentos atômicos dificultados devido a ligação dos átomos emposições de equilíbrio;- temperatura (vibrações térmicas) permitem o movimento atômico;- metais e ligas: a difusão é importante, pois as reações no estado sólido envolvem movimentos atômicos;
- ex. reações no estado sólido: - precipitação de 2ª fase;- nucleação e crescimento de novos grãos na recristalização de um metal deformado a frio.
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
7
Difusão atômica em sólidosDifusão atômica em sólidos
Redes cristalinas dois tipos de mecanismos de difusão atômica:
- mecanismo substitucional ou por lacunas
- mecanismo intersticial
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
Mecanismos de difusãoMecanismos de difusão
Engrenagem de aço
a superfície externa foi endurecida por tratamento térmico em
atmosfera rica em carbono – os átomos de carbono se difundiram
pela superfície promovendo seu endurecimento
⇒ Átomos podem mover-se de uma posição normal para uma lacuna adjacente:- a energia de ativação (pela vibração térmica dos átomos) for suficiente para
quebrar as ligações atômicas;- existirem na rede lacunas ou outros defeitos cristalinos (mobilidade átomos).
⇒Metais e ligas lacunas são defeitos de equilíbrio
pode ocorrer a difusão atômica substitucional
T↑, número de lacunas↑, energia térmica disponível↑
velocidade de difusão é maior em Tmais elevadas
MECANISMOS DE DIFUSÃO SUBSTITUCIONAL OU POR LACUNASMECANISMOS DE DIFUSÃO SUBSTITUCIONAL OU POR LACUNAS
Se um átomo junto à lacuna tiver energia de ativação suficiente, pode mover-se para a posição da lacuna e contribuir para a autodifusão dos átomos de Cu na rede.
Energia de ativação da autodifusão:energia de formação de uma lacuna + energia de ativação para mover a lacuna
Exemplo de difusão por lacunas dos átomos do plano (111) do Cu:
Difusão atômica em sólidosDifusão atômica em sólidosCiência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
Mecanismos de difusãoMecanismos de difusão
8
⇒ Energia de ativação para a autodifusão de metais puros
4602155-2540CCC2600Molibdênio240808-884CCC1530Ferro-α293900-1200CFC1452Níquel196700-990CFC1083Cobre165400-610CFC660Alumínio91,6240-418HC419Zinco
Eativação(KJ/mol)
Gama de T estudadas (°C)
Estrutura Cristalina
T fusão (°C)
Metal ↑ TFUSÃO ↑ Eativação
Explicação: Metais com T fusão elevada têm tendência a ter maiores energias de ligação entre os átomos.
⇒ Soluções sólidas também podem ter difusão por lacunas
- velocidade de difusão pelas diferenças de tamanho atômico e de energias de ligação entre os átomos
MECANISMOS DE DIFUSÃO SUBSTITUCIONAL OU POR LACUNASMECANISMOS DE DIFUSÃO SUBSTITUCIONAL OU POR LACUNAS
Difusão atômica em sDifusão atômica em sóólidoslidosCiência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
Mecanismos de difusãoMecanismos de difusão
⇒ Em redes cristalinas átomos se movem de um interstício para outro, sem provocar deslocamentos permanentes na rede cristalina da matriz
⇒ Mecanismo de difusão intersticial ocorre, se:
- átomos que se difundem são pequenos em relação à rede;
- ex.: C, H, O se difundem na rede de metais.⇒ Difusão intersticial do C no Fe. Átomos de C ao saírem e entrarem nos interstícios têm que “abrir caminho” entre os átomos de Fe da matriz
MECANISMOS DE DIFUSÃO INTERSTICIALMECANISMOS DE DIFUSÃO INTERSTICIAL
Difusão atômica em sólidosDifusão atômica em sólidosCiência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
Na maioria das ligas é maior a probabilidade de que ocorra difusão intersticial do que por lacunas: átomos menores têm maior mobilidade e existem mais interstícios do que lacunas
Mecanismos de difusãoMecanismos de difusão
9
C1 – Concentração de átomos no plano 1C2 – Concentração de átomos do plano 2
Plano 1
Plano 2
Não há variação com o tempo da concentração de átomos de soluto nos planos
xCONDIÇÕES ESTACIONÁRIAS DE DIFUSÃO
Ex.: Condições de difusão estacionária são atingidas quando o Hgás se difunde em uma folha de paládio. Condição: pressão Hgásseja alta em um lado e baixa no outro.
Se no sistema não ocorrem interações químicas entre soluto e solvente, pois C1 ≠ C2, ocorre um movimento global de átomos das concentrações mais altas para mais baixas:
dXdCDJ −=
J: fluxo ou corrente global de átomos (átomos/m2.s);D: cte de proporcionalidade – difusividade ou coeficiente de difusão(m2/s)dC/dX: gradiente de concentração (átomos/m3 .1/m)Sinal “-” pois a difusão ocorre das concentrações mais altas para mais baixas, o gradiente de difusão é negativo.
1ª LEI DE FICK:
Difusão atômica em sólidosDifusão atômica em sólidosCiência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
Difusão estacionáriaDifusão estacionária
Valores de D de alguns sistemas de difusão substitucional e intersticial
(2 x 10-11)3 x 10-16Ti HCC10-11Ag (limite de grão)Ag
10-12 (calc.)10-17Ag (cristal)Ag2 x 10-1310-18CuCu
10-10 (calc.)4 x 10-14AlCu5 x 10-134 x 10-18CuZn
10-16(3 x 10-24)Fe CFCMn2 x 10-1610-23Fe CFCNi
(3 x 10-14)10-20Fe CCCFe2 x 10-16(2 x 10-23)Fe CFCFe(2 x 10-9)10-12Fe CCCC3 x 10-11(5 x 10-15)*Fe CFCC1000°C500 °C
Soluto Coeficiente de Difusão - D (m2/s)Solvente (estrutura da matriz) Valores de D dependem das variáveis:
1. Mecanismo de difusão
2. Temperatura
3. Estrutura cristalina do solvente
4. Defeitos cristalinos presentes
5. Concentração de soluto
* Parênteses indicam fase é metaestável, calc.=calculado, mesmo que T > TF.
Difusão atômica em sólidosDifusão atômica em sólidosCiência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
Difusão estacionáriaDifusão estacionária
10
1. Mecanismo de difusão: intersticial ou substitucional afeta D- átomos pequenos podem difundir-se intersticialmente na rede cristalina do solvente de átomos maiores. Ex: C em FeCCC e Fe CFC.
- átomos de tamanhos similares entre soluto e solvente difundem-se substitucionalmente. Ex: Cu na rede de Al.
2. Temperatura onde ocorre a difusão: afeta grandemente D- Conforme T aumenta, D também aumenta (Tabela anterior valores de D500°C< D1000°C).
3. Estrutura cristalina do solvente: Ex: DC em Fe CCC-500°C = 10-2m2/s >> DC em Fe CFC-500°C = 5.10-15m2/s. Explicação: FECCC= 0,68 < FECFC= 0,74, espaços interatômicos no FeCCC> FeCFC, logo é mais fácil difundir carbono em FeCCC que em FeCFC.
4. Defeitos cristalinos presentes: Estruturas mais abertas permitem uma difusão mais rápida dos átomos. Ex: - Em metais e cerâmicos a difusão ocorre mais rapidamente ao longo dos
limites do grão do que no interior destes.- Em metais um excesso de lacunas provoca um aumento da velocidade de difusão.
5. Concentração da espécie a difundir: concentrações elevadas de soluto afetam D, aspecto muito complexo da difusão no estado sólido.
Difusão atômica em sólidosDifusão atômica em sólidosCiência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
Difusão estacionáriaDifusão estacionária
⇒ Ocorre na maioria dos materiais de uso em Engenharia: a concentração de átomos de soluto, em qualquer ponto do material, varia com o tempo.
Ex: C difunde na superfície durante a cementação de aço, endurecendo sua superfície. A concentração de C em qualquer ponto abaixo da superfície varia com o tempo, conforme progride a difusão.
⇒ Na DIFUSÃO NÃO ESTACIONÁRIA aplica-se a 2ª LEI DE FICK:
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
dxdCD
dxd
dtdC xx
Variação da C(t) = D * taxa∆gradiente de C
Solução particular: caso da difusão de um gás em um sólido- Conforme aumenta tdifusão aumenta Cátomos de soluto para qualquer x- Se DgásA em B for independente da composição, solução da 2ªlei Fick:
⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛=−−
Dtxerf
CCCC
s
xs
20
Cs:concentração na superfície do gás que difundi-se ao interior;C0:concentrração inicial, uniforme, do elemento no sólidoCx:concentração do elemento, a x da superfície no instante tx: distância à superfícieD: coeficiente de difusão do elemento soluto que se difundet: tempoerf: função erro, valores tabelados
Difusão atômica em sDifusão atômica em sóólidoslidosCiência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
Difusão nãoDifusão não--estacionáriaestacionária
11
⇒ Experimentalmente, verifica-se que em muitos sistemas a dependência da velocidade de difusão em relação a T pode ser expressa pela equação de Arrhenius:
RTQ
eDD−
= 0
D: coeficiente de difusão, m2/s.D0: constante de proporcionalidade, independente de T na gama de valores em que a equação é válida, m2/sQ: energia de ativação para a difusão, J/molR: constantes dos gases ideais = 8,314 j/mol.KT: temperatura, K
⇒ Valores de D0 e Q para alguns sistemas metálicos
18251,0 x 10-5Ti HCC
1844,0 x 10-5AgAg
1972,0 x 10-5CuCu
1261,5 x 10-5AlCu
1913,4 x 10-5CuZn
2823,5 x 10-5Fe CFCMn
2807,7 x 10-5Fe CFCNi
24020,0 x 10-5Fe CCCFe
2682,2 x 10-5Fe CFCFe
12222,0 x 10-5Fe CCCC
1422,0 x 10-5Fe CFCC
Q (KJ/mol)D0 (m2/s)SolventeSoluto
Difusão atômica em sólidosDifusão atômica em sólidosCiência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
Efeito da temperatura na difusão em sólidosEfeito da temperatura na difusão em sólidos
Exercício: Calcule o valor do coeficiente de difusão D, em m2/s, do carbono no Feγ (CFC), a 927°C. Use os seguintes valores: D0 = 2,0 x 10-5 m2/s, Q = 142 KJ/mol.
Resolução:RTQ
eDD−
= 0
= (2,0 x 10-5 m2/s) exp -142000 J/mol[(8,314 J/(molK)] . (1200K)
= (2,0 x 10-5 m2/s) (e-14,23)
= (2,0 x 10-5 m2/s) (0,661 x 10-6)
= 1,32 x 10-11 m2/s
Difusão atômica em sólidosDifusão atômica em sólidosCiência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
Efeito da temperatura na difusão em sólidosEfeito da temperatura na difusão em sólidos
12
⇒ A equação da difusão pode ser escrita na forma logarítmica, tomando a forma de uma reta –Representação de Arrhenius:
RTQDD −= 0lnln RT
QDD303,2
loglog 01010 −=ou
Representação de Arrhenius dos valores de difusão de alguns sistemas metálicos.
Coeficientes de difusão de algumas impurezas no silício, em função da temperatura. Aplicação: indústria eletrônica.
Difusão atômica em sólidosDifusão atômica em sólidosCiência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
Efeito da temperatura na difusão em sólidosEfeito da temperatura na difusão em sólidos
Exercício: O coeficiente de difusão de prata na prata sólida é 1,0 x 10-17 m2/s a 500°C e é 7,0 x 10-13 m2/s a 1000 °C. Calcule a energia de ativação (J/mol) para a difusão da Ag na Ag, na gama de temperaturas de 500 a 1000 °C.
Resolução:
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡−−=
−−
=°
° )11(exp)/exp()/exp(
121
2
500
1000
TTRQ
RTQRTQ
DD
C
C
⎥⎦⎤
⎢⎣⎡ −−=
××
−
−
)7731
12731(exp
100,1100,7
17
13
RQ
( ) ( )4444 1005,5314,8
1094,1210855,7)100,7ln( −−− ×=×−×−=×Q
RQ
( )51011,616,11 −×= Q
kJ/mol 183 J/mol 183000 ==Q
Usando a equação T2= 1000°C = 1273K, T1= 500°C = 773K.RTQ
eDD−
= 0
Difusão atômica em sólidosDifusão atômica em sólidosCiência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
Efeito da temperatura na difusão em sólidosEfeito da temperatura na difusão em sólidos