diagrama de fase ou de equilÍbrio. 2 roteiro da aula importância do tema definições :...
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DIAGRAMA DE FASE OU DE EQUILÍBRIO
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DIAGRAMA DE FASE OU DE EQUILÍBRIOROTEIRO DA AULA
• Importância do tema
• Definições : componente, sistema, fase, equilíbrio Limite de solubilidade Metaestabilidade (sistemas fora do equilíbrio)
• Sistemas com um único componente
• Sistemas binários Regra da alavanca Regra das Fases Transformações : eutética, eutetóide, peritética, peritetóide
• Desenvolvimento de estruturas em sistemas binários em condições de equilíbrio fora do equilíbrio em sistemas com eutéticos
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DIAGRAMA DE FASE OU DE EQUILÍBRIO
1. IMPORTÂNCIA:
- Dá informações sobre microestrutura e propriedades mecânicas em função da temperatura, composição e quantidade de fase em equilíbrio;
- Permite a visualização da solidificação e fusão;
- Prediz as transformações de fases;
- Dá informações sobre outros fenômenos.
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DIAGRAMA DE FASE OU DE EQUILÍBRIO
2.Definições:- Componentes:Componentes:São metais puros e/ou compostos químicos e/ou compostos que
constituem uma liga. (Latão = Cu + Zn)• • SistemaSistema::– Definição 1 : quantidade de matéria com massa e identidade fixas
sobre a qual dirigimos a nossa atenção. Todo o resto é chamado vizinhança. Exemplo: uma panela de fundição com aço fundido.
– Definição 2 : série de ligas formadas pelos mesmos componentes, independendo da composição específica. Exemplo: o sistema Ferro-Carbono.
• • FaseFase::– Uma porção homogênea do sistema, que possui propriedades
físicas e químicas características. Exemplo: fases a, b e L da liga ao lado.
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2.Definições:
• • FaseFase::
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DIAGRAMA DE FASE OU DE EQUILÍBRIO
2.Definições:EQUILÍBRIO EQUILÍBRIO • Em termos “macroscópicos”Em termos “macroscópicos”– Um sistema está em equilíbrio quando suas características
não mudam com o tempo, e tende a permanecer nas condições em que se encontra indefinidamente, a não ser que seja perturbado externamente.
• • Em termos termodinâmicosEm termos termodinâmicos– Um sistema está em equilíbrio quando sua energia livre é
mínima, consideradas as condições de temperatura, pressão e composição em que ele se encontra.
– Variações dessas condições resultam numa alteração da energia livre, e o sistema pode espontaneamente se alterar para um outro estado de equilíbrio (no qual a energia livre seja mínima para as novas condições de temperatura, pressão e composição).
Energia Livre DG = DH – T DS
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2.Definições:
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DIAGRAMA DE FASE OU DE EQUILÍBRIO2.Definições:
Microestrutura Microestrutura
• é caracterizada pelo número de fases existentes, por suas proporções e pela maneira pela qual elas estão distribuídas ou arranjadas.
Molibdênio puro
Latão (cobre-zinco)
Alumínio- 18% silício)
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4. FASES DE EQUILÍBRIO E FASES METAESTÁVEIS
Fases de equilíbrio:Fases de equilíbrio: suas propriedades ou características não mudam com o tempo.
Geralmente são representadas nos diagramas por letras gregas
Fases metaestáveis:Fases metaestáveis: suas propriedades ou características mudam lentamente com o tempo, ou seja, o estado de equilíbrio não é nunca alcançado. No entanto, não há mudanças muito perceptíveis com o tempo na microestrutura das fases metaestáveis Raio-XRaio-X
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SISTEMAS BINÁRIOS ISOMORFOS
L:L: Solução líquida homogênea contendo Ni+ CU
:: Solução sólida homogênea contendo Ni+ CU.
Isomorfo: Isomorfo: sistema em que existe solubilidade completa dos dois componentes nos estados líquidos e sólidos
Linha liquidus: Linha liquidus: a fase líquida está presente em todas as temperaturas e composições localizadas acima desta linha.
Linha solidusLinha solidus: abaixo da qual, para qualquer temperatura e composição, existe apenas a fase sólida.
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% atômica Ni
L = Solução líquida homogênea de Cu + Ni
Solução sólida homogênea de Cu + Ni
SISTEMAS BINÁRIOS ISOMORFOS
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4.1. DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO PARA SISTEMAS BINÁRIOS E ISOMÓRFOS
Isomorfo quando a solubilidade é completa (Exemplo: Sistema Cu-Ni)
linhaliquidus
linhasolidus
FILME
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INTERPRETAÇÃO DO DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO
- Fases presentesFases presentes localiza-se a temperatura e composição desejada e verifica-se o número de fases presentes
- Composição química das fasesComposição química das fases usa-se o método da linha de conexão (isotérma)
Para um sistema monofásico a composição é a mesma da liga
- Percentagem das fasesPercentagem das fases (quantidades relativas das fases) regra das alavancas
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SISTEMA BINÁRIO Cu-NiDETERMINAÇÃO DAS FASES PRESENTES
B
1- determina a 1- determina a temperatura e temperatura e composição no composição no diagrama.diagrama.
Ex:Ex:
T 1150ºCT 1150ºC
50%p de Ni50%p de Ni
B – 100% fase sólidaB – 100% fase sólida
A composição é a A composição é a mesma da liga.mesma da liga.
C
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SISTEMA BINÁRIO Cu-NiDETERMINAÇÃO DA COMPOSIÇÃO QUÍMICA DAS
FASES
Comp. Liq= 32% de Ni e 68% de CuComp. Sol. = 45% de Ni e 55% de Cu
B
Existe duas formas:Existe duas formas:
1- Região monofásica1- Região monofásica:: a composição é a mesma da liga presente.
Ex: T 1100ºC; 80%p de NiEx: T 1100ºC; 80%p de Ni
(A)(A) %100 fase sólida%100 fase sólida
80% de Ni e 20%Cu.80% de Ni e 20%Cu.
2- Região bifásica: 2- Região bifásica:
Ex: T= 1240ºC; 60%NiEx: T= 1240ºC; 60%Ni
A
1- determina a temperatura e composição no diagrama.1- determina a temperatura e composição no diagrama.
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SISTEMA Cu-NiDeterminação das quantidades relativas das fases
Existe duas formas:Existe duas formas:
1- Região monofásica1- Região monofásica:: somente uma fase está presente %100 fase.%100 fase.
2- Região bifásica2- Região bifásica: : usa-se a linha de amarração em conjunto à regra da alavanca. Seguindo o procedimento:
Constroi-se a linha de amarração e localiza a composição global sobre esta linha;
Calcula-se a fração de fase: toma-se o comprimento da linha de amarração desde a composição global até a fronteira com a fase oposta e divide-se pelo comprimento total da linha de amarração
A fração da outra fase é determinada de maneira semalhante;
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SISTEMA Cu-NiDeterminação das quantidades relativas das fases
Comp. Liq= 31,4% Ni e 68,9%CuComp. Sol. = 42,5,4 %Ni e %57,5Cu
Composição das fases
Percentagem das fases
L = S R+S
S = R R+S
L = C-C0
C-CL
L = Co-CL
C-CL
Fase líquida:Fase líquida:
Fase sólida:Fase sólida:
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SISTEMA Cu-NiExercício: Determinação das quantidades relativas das fases (tomando: 1250ºC; 35%pNi)
Comp. Liq= 31,4% Ni e 68,9%CuComp. Sol. = 42,5,4 %Ni e %57,5Cu
Composição das fases
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SISTEMA Cu-NiExercício: Determinação das quantidades relativas das fases (tomando: 1250ºC; 35%pNi)
Comp. Liq= 31,4% Ni e 68,9%CuComp. Sol. = 42,5,4 %Ni e %57,5Cu
Composição das fases
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a. Exercício: Uma liga Cu-Ni com composição 70%pNi-30%pCu é aquecida lentamente a partir de 1300ºC. Determine:
Temperatura que se forma a primeira fração de fase líquida;Qual a composição desta fase líquida Qual a temperatura que ocorre a fusão completa da liga.Qual a composição da última fração de sólido que permanece no meio antes da fusão completa
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DESENVOLVIMENTO DA MICROESTRUTURA SOLIDIFICAÇÃO EM EQUÍLIBRIO
A microestrutura só segue o diagrama de equilíbrio para velocidades de solidificação lentas;
Na prática, não há tempo para a difusão completa e as microestruturas não são exatamente iguais às do equilíbrio;
O grau de afastamento do equilíbrio dependerá da taxa de resfriamento;
Como conseqüência da solidificação fora do equilíbrio tem-se a segregação (a distribuição dos 2 elementos no grão não é uniforme).
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DESENVOLVIMENTO DA MICROESTRUTURA SOLIDIFICAÇÃO EM EQUÍLIBRIO
(35%p Ni – 65%pCu)
1260ºC
Composição química das fases
Quantidade relativa das fases
Líquido sólido Líquido sólido
Ponto a 35%pNi 0% 100% 0%
Ponto b 35%pNi 46%pNi 100% 0%
Ponto c 32%pNi 43%pNi - 73%pNi 27%pNi
Ponto d 24%pNi 35%pNi - 0% 100%
Ponto e 0% 35%pNi - 0% 100%
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DESENVOLVIMENTO DA MICROESTRUTURA SOLIDIFICAÇÃO EM EQUÍLIBRIO (35%p Ni – 65%pCu)
1260ºC
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“CORED” x EQUILÍBRIO DE FASES
Rápida taxa de resfriamento: Baixa taxa de resfriamento:
Estrutura de “CORED” Equilíbrio
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Microestrutura fora do equílibio
CONSEQÜÊNCIAS DA SOLIDIFICAÇÃO FORA DO EQUILÍBRIO:
• Segregação• zonamento (coring)• diminuição das propriedades• Pode haver a necessidade de
recozimento
Zonamento observado numa liga de Zn Contendo Zr (aumento 400X)
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Mudança na composição das fases durante o processo de solidificação
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Curva de solidificação e Remoção do calor latente de fusão
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Propriedades mecânicas isomorfas
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SISTEMAS EUTÉTICOS BINÁRIOS
L e β α, São encontradas 3 regiões monofásicas distintas: rica em cobre e prata como soluto rica em prata e cobre como soluto
1. Temperaturas baixo da linha BEG apenas uma concentração limitada de prata irá se dissolver no cobre – idem para o cobre.
2. CBA –limite de solubilidade para a fase
3. B (8%p Ag)Solubilidade máxima da prata no cobre na fase
4. G (8,8%pCu) solubilidade máxima do Cobre na Prata na fase
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SISTEMAS EUTÉTICOS BINÁRIOS1. 3 regiões bifásicas 2. Eutético : ponto onde o equilíbrio é invariante, portanto o
equilíbrio entre três fases ocorre a uma determinada temperatura e as composições das três fases são fixas.
e L L;
1. Composição eutética –solidifica a uma T abaixo de qualquer outra liga
2. Temperatura eutética – T mais baixa a qual pode existir fase líquida
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Exercício
• Faça uma análise das fases presentes nos seguintes pontos do diagrama de fases Pb-Sn: 40%Sn e T= 150ºC
Composição das fases
Alfa = 10% Sn – 90% Pb
Beta =98%Sn-2%Pb
Quantidade das fases
%3434,01098
1040
%6666,01098
4098
1
1
CC
CCW
CC
CCW
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SISTEMAS EUTÉTICOS BINÁRIOSExercício
• Faça uma análise das fases presentes nos seguintes pontos do diagrama de fases Pb-Sn: (fases presentes, composição das fases e proporção das fases)
a. Composição eutética:
b. 40%Sn e T= 230ºC
c. 40%Sn e T= 185ºC
d. 40%Sn e T= 180ºC
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SISTEMAS EUTÉTICOS BINÁRIOS
Composição 61,9%Sn 38,1%Pb
Fases presentes alfa beta
Composição das fases
19,2%pSn;80,8%p Pb 97,5%p Sn ; 2,5%pPb
Proporção das fases
(97,5-61,9)/(97,5-19,2)*100% = 45,5%
(61,9-19,2)/(97,5-19,2)*100%= 54,5%
Composição 40%Sn 60%Pb
Fases presentes Líquido alfa
Composição das fases
48%pSn; 52%p Pb 15%p Sn ; 85%pPb
Proporção das fases
(40-15)/(48-15)*100% = 76%
(48-40)/(48-15)*100%= 24%
40%Sn e T= 230ºC
a. Composição eutética:
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SISTEMAS EUTÉTICOS BINÁRIOS
Composição 61,9% 38,1%Pb
Fases presentes alfa beta
Composição das fases
19,2%pSn;80,8%p Pb 97,5%p Sn ; 2,5%pPb
Proporção das fases
(97,5-40)/(97,5-19,2)*100% = 73%
(40-19,2)/(97,5-19,2)*100%= 27%
Composição 40%Sn 60%Pb
Fases presentes Líquido alfa
Composição das fases
61,9%pSn; 38,1%p Pb 19,2%p Sn ; 80,8%pPb
Proporção das fases
(40-19,2)/(61,9-19,2)*100% = 49%
(61,9-40)/(61,9-19,2)*100%= 51%
40%Sn e T= 185ºC
40%Sn e T= 180ºC
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36
Desenvolvimento de microestrutura em ligas eutéticas
SnPb
Resfriamento a partir de 350ºC até 20ºC da
Caso 1 Composição - 2%p SnVaria entre a composição de um componente puro e a solubilidade sólida máx para o componente a temp. ambiente.Muito pequena a faixa decomposições químicas emque pode se formar estruturamonofásica
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37
Desenvolvimento de microestrutura em ligas eutéticas
SnPb
Resfriamento a partir de 350ºC até 20ºC da
Caso 2 Composição - 15%p SnPRECIPITAÇÃO• Ao ser ultrapassado o limite desolubilidade (linha solvus) deSn no Pb, ocorre aprecipitação da fase , dereticulado cristalino distinto doda fase e com distintaspropriedades físico-químicas.
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38
Desenvolvimento de microestrutura em ligas eutéticas
A transformação eutética correspondeà formação de uma mistura deduas fases a partir do líquidoformando um arranjo interpenetrado
Caso 3 - Solidificação da composição eutética
)%8,97( )%18( )%9,61( toresfriamen pSnpSnpSnL
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39
Desenvolvimento de microestrutura em ligas eutéticas
A transformação eutética correspondeà formação de uma mistura deduas fases a partir do líquidoformando um arranjo interpenetrado
Estrutura eutética
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40
Desenvolvimento de microestrutura em ligas eutéticas
A transformação eutética correspondeà formação de uma mistura deduas fases a partir do líquidoformando um arranjo interpenetrado
Caso 4 – todas as composições que durante o resfriamento cruzam a isoterma eutética (com exceção da composição eutética).
Em ligas hipo-eutéticasocorre inicialmenteprecipitação de faseprimária - dendritas de apró-eutéticas.O líquido eutéticoresidual L (61,9% Sn) setransforma emmicroestrutura eutética[a(18,3% Sn)+b(97,8%Sn)].
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41
Desenvolvimento de microestrutura em ligas eutéticas
Fração de microconstituinte eutético = fração da fase líquida.
P Q R
QP
QW
C
QP
PWW Le
'
3,189,61
3,181
RQP
PW
RQP
RQW
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42
Reação eutetóide e peritetóide
Fração de microconstituinte eutético = fração da fase líquida.
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43
L + L+
200
T(°C)
18.3
Co, wt% Sn 20 40 60 80 100 0
Co
300
100
L (liquid)
183°C 61.9 97.8
150
11 99
R S
W
59 88
67 wt %
W 29 88
33 wt %
SISTEMA EUTÉTICO – SISTEMA EUTÉTICO – REGRA DAS REGRA DAS FASESFASES
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44
REAÇÕES NA REGIÃO DE SOLUBILIDADE
L + 200
T(°C)
Co, wt% Sn10
2
200Co
300
100
L
30
L: Cowt%Sn
L
: Cowt%Sn
+
400
(room T solubility limit)
TE(Pb-Sn System)
: Cowt%SnL +
200
T(°C)
Co, wt% Sn10
18.3
200Co
300
100
L
30
L: Cowt%Sn
+
400
(sol. limit at TE)
TE
2(sol. limit at Troom)
L
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45
HIPO-EUTÉTICO E HIPER-EUTÉTICOHIPO-EUTÉTICO COMPOSIÇÃO MENOR QUE O EUTÉTICOHIPER-EUTÉTICO COMPOSIÇÃO MAIOR QUE O EUTÉTICO
T(°C)
(Pb-Sn System)
L + 200
Co, wt% Sn20 400
300
100
L
60
+
TE
080 100
L +
18.361.9
97.8
Cohypoeutectic
Cohypereutectic
eutectic
hypereutectic: (illustration only)
160m
eutectic: Co=61.9wt%Sn
175m
hypoeutectic: Co=50wt%Sn
eutectic micro-constituent
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46
REAÇÃO EUTETÓIDE:
+ ( a diferença do eutético é que uma fase sólida, ao invés de uma
líquida, transforma-se em duas outras fases sólidas.
REAÇÃO PERITÉTICA: Envolve três fases em equilíbrio
+ Líquido Uma fase sólida mais uma fase líquida transforma-se numa outra
fase sólida
DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO TENDO FASES INTERMEDIÁRIAS
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47
PERITÉTICO E EUTÉTICO
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48
PERITÉTICO
Envolve 3 fases em equilíbrio
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49
PERITÉTICO DUPLO
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50
EUTÉTICO, EUTETÓIDE E PERITÉTICO
Ponto de fusão congruente
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51
REAÇÃO MONOTÉTICA E EUTÉTICA
Dois líquidos imiscíveis formam uma fase sólida e uma fase líquida (MONOTÉTICA)
EUTÉTICA
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52
PONTO DE FUSÃO E TRANSFORMAÇÕES ALOTRÓPICAS
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53
DIAGRAMA TERNÁRIO
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54
COMPPOSIÇÃO EM DIAGRAMA TERNÁRIO
TRIÂNGULO DE GIBBS
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55
DIAGRAMA DE FASE Fe-C
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56
FERRO PURO
FERRO PURO
FERRO = FERRITA
FERRO = AUSTENITA
FERRO = FERRITA
TF= 1534 C As fases , e são
soluções sólidas com Carbono intersticial
cfc
ccc
ccc
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57
Ferro Puro /Formas Alotrópicas
FERRO = FERRITA
Estrutura= ccc Temperatura “existência”=
até 912 C Fase Magnética até 768 C
(temperatura de Curie) Solubilidade máx do
Carbono= 0,002% a 727 C É mole e dúctil
FERRO = AUSTENITA
Estrutura= cfc Temperatura
“existência”= 912 -1394C
Fase Não-Magnética Solubilidade máx do
Carbono= 2,14% a 1147 C
É mais dura
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58
FERRO PURO
cfc
ccc
ccc
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59
Ferro Puro /Formas Alotrópicas
FERRITA AUSTENITA
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60
Ferro Puro /Formas Alotrópicas
FERRO = FERRITA Estrutura= ccc Temperatura “existência”= acima de 1394C Fase Não-Magnética Como é estável somente a altas
temperaturas não tem interesse comercial
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61
FERRO PURO
cfc
ccc
ccc
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62
Sistema Fe-Fe3C
Ferro Puro= até 0,002% de Carbono Aço= 0,002 até 2,06% de Carbono Ferro Fundido= 2,1-4,5% de Carbono Fe3C (CEMENTITA)= Forma-se quando o
limite de solubilidade do carbono é ultrapassado (6,7% de C)
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63
DIAGRAMA DE FASE Fe-C
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64
CEMENTITA (Fe3C)
Forma-se quando o limite de solubilidade do carbono é ultrapassado (6,7% de C)
É dura e frágil é um composto intermetálico metaestável,
embora a velocidade de decomposição em ferro e C seja muito lenta
A adição de Si acelera a decomposição da cementita para formar grafita
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65
PONTOS IMPORTANTES DO SISTEMA Fe-Fe3C (EUTÉTICO)
PONTO C LIGA EUTÉTICA é o ponto mais baixo de fusão
Líquido FASE (austenita) + cementita
- Temperatura= 1147 C- Teor de Carbono= 4,3% As ligas de Ferro fundido de 2,06-4,3% de C são
chamadas de ligas hipo-eutéticas As ligas de Ferro fundido acima de 4,3% de C são
chamadas de ligas hiper-eutéticas
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66
DIAGRAMA DE FASE Fe-C
C
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67
PONTOS IMPORTANTES DO SISTEMA Fe-Fe3C (EUTETÓIDE)
PONTO S LIGA EUTETÓIDE é o liga de menor temperatura de transformação no estadp sólido sólida;
Austenita FASE (FERRITA) + Cementita
- Temperatura= 723 C- Teor de Carbono= 0,8 % Aços com 0,002-0,8% de C são chamadas de aços hipo-eutetóide; Aços com 0,8-2,06% de C são chamadas de aços hiper-
eutetóides.
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68
DIAGRAMA DE FASE Fe-C
S
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69
MICROESTRUTURAS / EUTETÓIDE Supondo resfriamento lento para manter o equilíbrio
É similar ao eutético Consiste de lamelas alternadas de fase (ferrita) e
Fe3C (cementita) chamada de
PERLITA FERRITA lamelas + espessas e claras CEMENTITA lamelas + finas e escuras Propriedades mecânicas da perlita
intermediária entre ferrita (mole e dúctil) e cementita (dura e frágil)
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70
MICROESTRUTURAS / EUTETÓIDE
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71
MICROESTRUTURAS /HIPOEUTETÓIDE Supondo resfriamento lento para manter o equilíbrio
Teor de Carbono = 0,002- 0,8 % Estrutura
Ferrita + Perlita As quantidades de ferrita e
perlita variam conforme a
% de carbono e podem ser determinadas pela regra da alavanca;
Partes claras pró eutetóide ferrita.
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72
MICROESTRUTURAS /HIPEREUTETÓIDE Supondo resfriamento lento para manter o equilíbrio
Teor de Carbono = 0,8-2,06 % Estrutura
cementita+ Perlita As quantidades de cementita
e perlita variam conforme a % de carbono e podem ser determinadas pela regra das alavancas
Partes claras pró eutetóide cementita