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SOLIDIFICAÇÃO DOS FERROS FUNDIDOS
Diagrama de Fases
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Diagramas de Fases
• As propriedades das ligas metálicas são fortemente dependentes da sua microestrutura. !
• O desenvolvimento da microestrutura é descrita no diagrama de fases. !
• É como um mapa para a determinação das fases presentes, para qualquer temperatura e composição, desde que a liga esteja em equilíbrio. !
• Os diagramas de fases ou diagramas de equilíbrio definem a região de estabilidade das fases que podem ocorrer num sistema sob a condição de pressão constante. !
• São úteis para prever as transformações de fases e as microestruturas resultantes, que podem apresentar caráter de equilíbrio ou de ausência de equilíbrio
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Diagramas de Fases
• Em muitos sistemas de ligas, existe uma concentração máximas de átomos de soluto que pode se dissolver no solvente para formar uma solução sólida, o que é chamado de limite de solubilidade. A adição de soluto em excesso, além deste limite de solubilidade resulta na formação de outra solução sólida ou composto. !
• Ex. Solubilidade do açúcar (C12 H22O11)em um xarope açúcar-água:
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O conceito de Fase: !
•Uma porção homogêneo de um sistema que possui características físicas e químicas uniformes. !
•Quando mais de uma fase estiver presente em um dado sistema, cada fase terá suas próprias propriedades individuais e existirá uma fronteira separando as fases, marcando uma mudança nas características físicas ou químicas. !
•A interação de 2 ou mais fases em um material permite a obtenção de propriedades diferentes !
•É possível alterar as propriedades do material alterando a forma e distribuição das fases
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Diagramas de Fases
Equilíbrio de fases: !•O termo equilíbrio pode ser descrito
em termos de energia livre: !
•um sistema está em equilíbrio se a sua energia livre se encontra em um v a l o r m í n i m o p a r a a l g u m a c o m b i n a ç ã o e s p e c í f i c a d e temperatura , pressão e composição. !
• Isso significa que as características do sistema não mudam ao longo do tempo, isto é, o sistema é estável. !
• Uma alteração na temperatura, pressão ou composição resultará em um aumento na energia livre e em possível mudança espontânea para outro estado no qual a energia livre seja reduzida.
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• Entendimento dos Diagramas de Fases em termos de Energia Livre:
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!Sistema Cu-Ni: !
•Possuem solubilidade completa: !• s e u s r a i o s a t ô m i c o s e
eletronegatividades praticamente iguais, !
•valências semelhantes !
•mesma estrutura cristalina (CFC).
Sistemas Isomorfos Binários:
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• Determinação das Composições das Fases:
Regra das Alavancas: !Considere o ponto B: 35% Ni e 65%Cu a 1.250ºC: !Fração de líquido: W líq. = S / R+S W líq. = (42,5 – 35) / (42,5 – 31,5) W líq. = 0,68 !Fração de α : W α = R / R+S W α = (35-31,5) / (42,5 – 31,5) W α = 0,32
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Diagramas de Fases
• Desenvolvimento da Microestrutura em Ligas Isomorfas:
Desc reva a seqüênc ia de solidificação de uma liga 35%Ni, d e a c o r d o c o m a l i n h a tracejada:
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Diagramas de Fases:
• Sistemas Binários:
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• Entendimento dos Diagramas de Fases de Acordo com a Energia Livre
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Diagramas de Fases:
• Reações Invariantes Presentes nos Diagramas de Fases: !
•Reação Eutética: Líq. => α + β •Reação Eutetóide: γ => α + β !
•Reação Peritética: Líq. + α => β •Reação Peritetóide: α + β => γ !
•Reação Monotética: Líq. 1 => α + Líq.2
•Reação Monotetóide: α1 = α2 + β !
•Reação Sintética: Líq 1 + Liq 2 => β !
• As reações mais comuns nos diagramas binários são as reações eutéticas, peritéticas e eutetóides.
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• Reações ligadas à precipitação no estado sólido:
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• Exercício: Calcule a porcentagem das fases no ponto B e descreva a seqüência de solidificação das ligas:
A B C D E
j
k
l
m
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• A) - Descrição da seqüência de solidificação:
a- líquido; !b- início da formação de cristais de α !c- término da formação dos cristais de α (solidificação completa)
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• B) Descrição da seqüência de solidificação:
d- líquido; !e- início da formação de cristais de α !f- término da formação dos cristais de α (solidificação completa) !g- precipitação dos cristais de β em α
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• C) Descrição da seqüência de solidificação:
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• D) Descrição da seqüência de solidificação:
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• E) Descreva a seqüência de solidificação da liga A:
A
1- líquido; !2 - f o r m a ç ã o d e cristais de β !3- reação eutética do líquido remanescente !4 - M i c roe s t ru tu ra Final: β primário + eutético α+ β
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• Diagrama Al-Si
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Diagrama de Fases
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TiN powders prepared by combustion synthesis with various grain morphologies: (a) quasi-spherical grains; (b) dendrites; (c) faceted pyramidal crystals; (d) faceted cubic crystals
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Diagrama de Fases
regular não facetado/ não facetado (Al-Al2Cu)
regular facetado / não facetado (Ni-NbC)
irregular facetado / não-facetado
(Fe-grafita lamelar)
divorciado (Fe-grafita esferoidal)
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• Compostos intermetálicos:
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• Reações peritéticas:
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• Os diagramas não indicam o tempo necessário para que se atinja o estado de equilíbrio. !
• Chama-se de metaestável um sistema que se encontra em estado de não-equilíbrio. !
• As propriedades ou características das fases metaestáveis 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
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Diagramas de Fases:Desenvolvimento da microestrutura fora das condições de Equilíbrio:
Equilíbrio Não Equilíbrio
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Diagramas Ternários: !
•Um diagrama de fases ternário possui 3 componentes. !
•Geralmente é utilizado a composição (% em massa) dos componentes, mas também pode incluir temperatura e pressão. !
•Possui 3 dimensões, mas é sempre representado em 2 dimensões pela facilidade de interpretação. Em vez de um gráfico retangular, é obtido um gráfico em triângulo. !
•Os diagramas ternários são utilizados para uma série de ligas metálicas (ex. Fe-Cr-Ni - aço inoxidável), mas é principalmente utilizado para compostos cerâmicos. !
•Para se verificar os teores dos 3 elementos de uma só vez, é construído um gráfico triangular onde cada vértice corresponde a um elemento, sendo a pressão e temperatura constantes. !
•Em sistemas cerâmicos, nos vértices, ao invés de elementos, são utilizados compostos.
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Diagramas de FasesRepresentação tridimensional de um diagrama ternário ABC.
!A composição se situa ao longo do p lano basa l do t r i ângu lo e a temperatura (ou pressão) é lida verticalmente. !O topo da figura mostra a superfície com contornos representando as linhas com temperaturas constantes. Estes contornos são chamados de isotermas. !Os pontos eutéticos em cada diagrama binário é projetado no diagrama ternário como linhas. !Estas l inhas são chamadas de “boundary curves” ou liquidus e, em qualquer composição em uma destas curvas, haverá a formação das duas fases em qualquer lado da curva.
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• Liga Fe-Cr-Ni
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• Diagrama Fe-Cr-Ni com as projeções das linhas solidus sob pressão constante:
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• Leitura das composições de um diagrama ternário
x = 40%B; 20%C; 40%A
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