A7Termodinâmica das

fases condensadas –equilíbrios de fases e diagramas de fases

Introdução• Um dos temas recorrentes na engenharia dos materiais é que as

propriedades dos materiais dependem fortemente da sua estrutura

• Nesta aula e na próxima vamos aprender a prever a microestrutura de um material em função da sua composição e histórico do processamento térmico

• Este conhecimento permite o desenvolvimento de métodos para alterar a microestrutura de um material para conseguir uma combinação desejável de propriedades

Uma fase é uma região estruturalmente homogénea de um material. Umdiagrama de fases é uma representação gráfica das fases presentes e dosintervalos de composição, temperatura e pressão nos quais as fases são estáveis.

Nesta aula vamos considerar diagramas de fases de equilíbrio. Na próximaaula discutiremos a cinética das transformações de fase

Diagramas de fase de um componenteUm componente pode ser definido, sem ser muito rigoroso, como uma substânciaquimicamente distinta e essencialmente indivisível.

Nos diagramas de 1-componente, as variáveis termodinâmicas importantes são atemperatura e a pressão

Regra das fases de Gibbs: F=C-P+2F=graus de liberdade, C=número de componentes, P=número de variáveis, e as2 variáveis de estado, T e P. Em muitas aplicações em engenharia dos materiais,a pressão é constante e a regra das fases reduz-se a F=C-P+1

Diagramas de fase de um componente

Ferro (Fe) Sílica (SiO2)

Nota: mesmo diagramas de 1-componente podem ser complexos,dependendo dos intervalos de T e P considerados

Equilíbrios de fases em sistemas de 2 componentes: diagramas isomorfos para sistemas ideais

Equilíbrios de fases em sistemas de 2 componentes: a regra da alavanca

Se o ponto de interesse está localizado num campo de 1-só fase, a composiçãoda fase é igual à da liga, e o material está 100% nessa fase.

Equilíbrios de fases em sistemas de 2

componentes: solidificação e

microestrutura de ligas isomorfas

Equilíbrios de fases em sistemas de 2 componentes: determinação das fronteiras liquidus e solidus

Equilíbrios de fases em sistemas de 2 componentes: desvios ao comportamento

ideal

EAB>EAA e EBB tendência para clusteringEAB=1/2(EAA + EBB) comportamento idealEAB<EAA e EBB tendência para ordenação

Equilíbrios de fases em sistemas de 2 componentes: o diagrama de fases eutéctico

Equilíbrios de fases em sistemas de 2 componentes: o diagrama de fases eutéctico

Desenvolvimento microestrutural durante o arrefecimento lento

hipereutectóide

Desenvolvimento microestrutural durante o arrefecimento lento

composição eutectóide

Desenvolvimento microestrutural durante o arrefecimento lento

Hipoeutectóide

Desenvolvimento

microestrutural durante o

arrefecimento lento

Duas composiçõesque evitam a reacçãoeutéctica

Equilíbrios de fases em sistemas de 2 componentes: diagrama de fases com dois eutécticos

Quando a solubilidade da fase intermédia é limitada, resulta o composto AB

Equilíbrios de fases em sistemas de 2 componentes: o diagrama de fases peritéctico

Quando a fase líquidae a fase sólida têm tendência para formaremclusters

Equilíbrios de fases em sistemas de 2 componentes: diagramas complexos

Equilíbrios de fases em sistemas de 2 componentes: o sistema Fe-Fe3C

Desenvolvimento microestrutural

Ferro fundidobranco (3.0 wt. % C)

400 x: componente claro é carbonetoeutéctico e perlite (componente maisescuro)

Desenvolvimento microestruturalAço eutectóide(0.77 wt. % C)

Desenvolvimento microestrutural

aço hipereutectóide arrefecido lentamente (composição 1.13 wt. % C)

aço hipoeutectóide arrefecido lentamente (composição 0.50 wt. % C)

Próximas aulas[Estrutura dos materiais]Propriedades mecânicas dos materiais I (A9 e A10, dias 10 e 11 de Abril)

Próxima aula prática P5 (8 e 9 de Abril):- discussão do TPC5- diagramas ternários

TPC5 devido sexta-feira, dia 11 de Abril

Leitura obrigatória: “Thermodynamics of condensed phases, Kinetic processes in materials”, B.S. Mitchell, An Introduction to Materials Engineering and Science for Chemical and Materials Engineers, Wiley-Interscience, Hoboken, NJ, USA, 2004.