Diagrama de fases
São diagramas que mostram regiões de estabilidade das fases, através de gráficos
que representam as relações entre temperatura,
pressão e composição química.
Para que serve:
Investigar reações Químicas; Entender a microestrutura dos
materiais; Prever as suas propriedades; Etc.
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 a formação de diferentes fases
Solução sólida
Fase homogênea que contem 2 ou mais componentes (solutos) dissolvidos em um solvente.
Ex: LatãoLiga com até 30% de Zinco em Cobre
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
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
Energia Livre de Gibbs
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.
Energia Livre de Gibbs ( G )
∆G = ∆H – T∆S
Onde: H = entalpia do sistema; T = temperatura; S = entropia do sistema.
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.
Entropia (S)
É a medida de desordem de um sistema. Quanto maior a desorganização do sistema, maior a entropia.
T
dQdS
Onde:
Q=Quantidade de calor;
T= temperatura.
Fonte: Porter e Easterling
Fonte: Porter and Easterling
Fonte: Porter and Easterling
Fonte: Porter e Easterling
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
Água e açúcar
Solubilidade Total
Efeito da Pressão
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 DentríticaAço Comum Baixo Carbono Cu+Zn - Latão
Superliga de Niquel
Microestrutura de um aço
O Aço possui diversas microestruturas devido ao seu diagrama de fases e aos diferentes metodos de processamento
Perlita ( + Fe3C) +
Fase próeutetóide(Ferrita ou cementita)
Bainita( + Fe3C)
Martensita(fase tetragonal)
Martensita Revenida( + Fe3C)
Austenita
Resfriamento lento
Resfriamento moderado
Resfriamento rápido (têmpera)
Reaquecimento
Identificação das Fases
Existem fronteiras onde há uma mudança abrupta de
propriedades. Esses conjuntos de propriedades pertencem as
fases presentes
Micrografia de Compósito de Matriz metálica (Alumínio) com partículas cerâmicas
Tipos de diagramas
Binários
Ternários
Quaternários
Binário
Ternário
Interpretação do diagrama
Quais fases estão presentes?
Qual é a composição das fases?
Qual é a fração relativa das fases?
Regra da alavanca
A regra da alavanca é um método de determinação da quantidade
de cada fase presente no material
Regra da Alavanca
LL CC
CC
SR
SW
0
L
L
CC
CC
SR
RW
0
Fração em peso de Líquido (WL)
Fração em peso de sólido (Wα)
Reações de Fases
Reação Eutética
Reação Eutetóide
Reacão Peritética
)()()( EEE CCCL Resfriamento
aquecimento
Composição (wt% Ag)
Tem
pera
tura
(°C
)
Composição (at% Ag)
LL
Reação Eutética
(TE) Temperatura
Eutética
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
Reação Eutetóide
Exemplos de microestrutura Euteróide em Aços
Crescimento de microestrutura Eutetóide em aço:http://www-g.eng.cam.ac.uk/mmg/teaching/typd/addenda/eutectoidmicrostructure1.html
Sólido → Sólido γ + Sólido ε
Reação Peritética
Líquido + sólido A → sólido B
Diagrama de Fases Parte II
No Equilíbrio
•Reações ocorrem com composições do líquido e do sólido homogêneas
•Há tempo o suficiente para a difusão em ambas as fases
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.
Microestruturas Resultantes
Diagrama de fases Chumbo - Estanho
Segundo a regra da alavanca, haverão proporções específicas de fase e na composição acima, mas a morfologia
depende do histórico de resfriamento
•Concentração de soluto menor que a da linha Solvus.
•Formação de grão de diretamente a partir do líquido.
•Concetração de Soluto acima da linha solvus, mas abaixo da concentração mínima para Eutético (CE)
•Nucleação de fase no interiror de grão já formados de
)%8,97()%3,18()%9,61( SnSnSnL ppp
•Concentração de Soluto igual a Composição Eutética da Liga
•Formação de microestrutura eutética a partir do líquido
•Concentração de Soluto entre a Composição Eutética (CE) e CE
•Formação de grãos de 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 Pré-Eutetóides;
•Com composição entre CE e CE, a microestrutura é análoga.
Diagramas com muitas transformações
Diagrama Cobre - Zinco
Compostos Intermediários
Diagrama Ouro-Estanho
Diagrama Estanho-cobre
•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 de Fases Parte III
Transformações congruentes
Reações Congruentes: Ocorrem quando um líquido da origem a um líquido de propriedades diferentes e mais uma fase sólida
Diagrama Fe-Fe3C
Ferrita (90x)
Austenita (325x)
Perlita (α + Fe3C)
Microestrutura resultante do resfriamento rápido de uma liga composta de fase γ (austenita) com composição eutetóide (≈0,76% C)
Aço eutetóide com microestrutura
perlítica
Liga eutetóide (≈ 0,76% C)
Aço (0,38% C) com microestrutura
composta de perlita e ferrita
proeutetóide
Liga Hipoeutetóide
Liga Hipereutetóide
Aço ( 1,4% C) com microsestrutura
constituida de cementita proeutetóide (branca)
que envolve as colônias de perlita
Influência de outros elementos de liga
Diagrama de fases dos materiais cerâmicos
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...)
Pressão constante (1 atm)
N = 1 (temperatura é a única variável)
C= 2 ( Cu e Ag)
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
P + F = C + N
2 + F = 2 + 1
F= 1 ( grau de liberdade)
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