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DIAGRAMAS DE EQUILÍBRIO

Prof. Dr.: Anael Krelling

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DIAGRAMAS DE EQUILÍBRIO

•São mapas que permitem prever a microestrutura de um material emfunção da temperatura e composição de cada componente;

•Informações sobre fenômenos de fusão, fundição, cristalização eoutros;

•Correlação entre microestrutura e propriedades mecânicas.

O desenvolvimento de uma microestrutura está relacionadocom as características de seu diagrama de fases.

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COMPONENTES: Metais puros e/ou compostos que compõem umaliga.Ex.: Latão (Cu-Zn) – componentes são o Cu e o Zn

SOLUTO E SOLVENTE

SISTEMA: Série de possíveis ligas que consistem dos mesmoscomponentes, porém independente da composição da liga.Ex.: Sistema Fe-C

LIMITE DE SOLUBILIDADE: Concentração máxima de átomos desoluto que pode se dissolver no solvente para formar uma soluçãosólida.Ex.: Sistema açúcar-água (C12H12O11-H2O) – Depende da temperaturada água!

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Fases: Porção homogênea do sistema que possui característicasfísicas e químicas uniformes

• Sólida, líquida ou gasosa;

• Duas ou mais fases fronteira (mudança descontínua e abrupta nas características físicas e/ou químicas).

• Material puro é uma fase• Xarope água-açúcar é uma fase• Açúcar é uma fase (sólido)• Água e gelo – duas fases

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Sistema com uma única fase – Homogêneo

Sistema com duas ou mais fases – Mistura ou Sistema Heterogêneo(maioria das ligas metálicas)

As propriedades do sistema multifásico são diferentes daspropriedades individuais das fases presentes.

Em ligas metálicas a microestrutura é caracterizada pelonúmero de fases presentes, por suas proporções e pela maneira pelaqual elas estão distribuídas ou arranjadas. Depende:

•Elementos de liga presentes;•Concentração dos elementos;•Tratamento térmico.

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DIAGRAMA DE FASES UNÁRIO

Em um diagrama unário:

•Linhas ou curvas – equilíbrio entre duas fases

•Pontos – equilíbrio entre três fases

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SISTEMA ISOMORFO BINÁRIO

•O mais comum é o sistema Cu-Ni;

•Isomorfo porque os componentes apresentam solubilidade totaltanto no estado líquido quanto no estado sólido;

•Solução Sólida Substitucional;

•Microestrutura CFC.

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DIAGRAMAS DE EQUILÍBRIO

•Qual a temperatura de fusão do Cu?

•Qual a temperatura de fusão do Ni?

•Quais fases estão presentes no ponto A?

•Quais fases estão presentes no ponto B?

•Qual a composição das fases presentes no ponto A?

•Qual a composição das fases presentes no ponto B?

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DESENVOLVIMENTO DE MICROESTRUTURAS EM LIGAS ISOMORFAS RESFRIADAS SOB CONDIÇÕES DE EQUILÍBRIO

a) Material totalmente líquidob) Formação dos primeiros cristais

de fase sólida αc) Crescimento da fase sólida αd) Última fração do líquido sofre

solidificaçãoe) Material totalmente

solidificado com presença de fase sólida α

Até agora foram estudados diagramas de fase isomorfos, nosquais existe uma faixa de temperaturas em que há completamiscibilidade de um constituinte no outro.

Outra condição implicitamente utilizada até agora é de queos diagramas são de equilíbrio. Isto quer dizer que qualquervariação de temperatura ocorre lentamente o suficiente parapermitir um rearranjo entre as fases através de processosdifusionais. Também quer dizer que as fases presentes a uma dadatemperatura são estáveis.

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SISTEMAS EUTÉTICOS BINÁRIOS

3 regiões monofásicas

3 regiões bifásicas

Temperatura de fusão

Transformação eutética

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eutético hipereutéticohipoeutético19

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DIAGRAMAS DE EQUILÍBRIO

1 – Material totalmente líquido

2 – Formação dos primeiros cristais da fase sólida α

3 – Existência de fase sólida α e líquido em equilíbrio

4 – Última fração de líquido sofre reação eutética

5 – Existência de fases sólidas α e β em equilíbrio

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DIAGRAMAS DE EQUILÍBRIO

1 – Material totalmente líquido

2 – Fase sólida α e líquido em equilíbrio

3 – Última fração de líquido se solidifica

4 – Presença apenas de fase sólida α

5 – Formação dos primeiros cristais da fase sólida β

6 – Existência das fases sólidas α e β em equilíbrio

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REAÇÕES EUTETÓIDES E PERITÉTICAS

Além do eutético, outros pontos invariantes envolvendo trêsfases diferentes são encontrados para alguns sistemas de ligas:

•Reação eutetóide

•Reação peritética

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O SISTEMA FERRO-CARBONO OU FERRO-CARBETO DE FERRO (Fe-Fe3C)

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•Base fundamental para estudo e entendimento dos materiaisestruturais mais utilizados em Metalurgia: os chamados metaisferrosos.

•Pode-se classificar os metais ferrosos quanto ao teor de C presenteem dois grandes grupos de materiais metálicos:

Aços: ligas Fe-C com teores de C até 2,11% (nos aços ao C comuns oteor de C normalmente vai até 1,0-1,2%)

Ferros Fundidos: ligas Fe-C com teores de C acima de 2,11% (naprática entre 2,5-4,5%)

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Aços Ferros Fundidos 28

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• AUSTENITA (do nome do metalurgista inglês Robert Austen) - Consiste em umasolução sólida intersticial de C (com até 2,11%) no ferro CFC. Em aços ao carbono eaços baixa liga só é estável acima de 727°C. Apresenta resistência mecânica emtorno de 150 MPa e elevada ductilidade e tenacidade. A austenita não émagnética.

• FERRITA (do latim "ferrum")- Consiste em uma solução sólida intersticial de C(com até 0,022%) no ferro CCC. A ferrita é magnética e apresenta baixa resistênciamecânica, cerca de 300 MPa, excelente tenacidade e elevada ductilidade.

• CEMENTITA (do latim "caementum")- Denominação do carboneto de ferro Fe3Ccontendo 6,7% de C e estrutura cristalina ortorrômbica. Apresenta elevada dureza,baixa resistência, baixa ductilidade e baixa tenacidade.

•PERLITA (nome derivado da estrutura da madre pérola observada aomicroscópio) - Consiste na mistura mecânica das fases ferrita (88,5% em peso) ecementita (11,5% em peso) formada pelo crescimento cooperativo destas fases.Apresenta propriedades intermediárias entre a ferrita e a cementita dependendodo tamanho e espaçamento das lamelas de cementita.

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Eutetóide HipereutetóideHipoeutetóide

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DESENVOLVIMENTO DE MICROESTRUTURAS EM LIGAS Fe-C

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Estabilidade de Fases e Equilíbrio

Equilíbrio Estável

Equilíbrio Metastável

AçosEquilíbrio Estável

Equilíbrio Metaestável

Decomposição da Austenita

Reações Martensítica ou Bainítica

Fases (ou microconstituintes) Estáveis Ferrita, Perlita e Cementita

Microconstituintes Metaestáveis Martensita e Bainita

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Ferros Fundidos

Equilíbrio Estável

Equilíbrio Metastável

Fe-C

Fe-Fe3C

Solidificação de acordo com o Equilíbrio Estável

Solidificação de acordo com o Equilíbrio Metaestável

Presença de C na forma livre (Grafita)

Todo o C na forma combinada (Carboneto de Ferro)

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Ferros Fundidos

Fe-C

Fe-Fe3C

Fe-C e Fe-Fe3C

Ferros Fundidos com Grafita Livre

Ferros Fundidos Brancos

Ferros Fundidos Mesclados

Ferros Fundidos com grafita livre

Ferros Fundidos CinzentosGrafita Lamelar

Ferros Fundidos NodularesGrafita Esferoidal

Ferros Fundidos VermicularesGrafita Compacta

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