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ICMAT – Profa. Simone P. T. Borges Diagrama de fases 1
ICMAT – Profa. Simone P. T. Borges Diagrama de fases 2
Parte Parte II
SolubilidadeFases e fases em equilíbrio
Diagrama de fases binários Sistemas isomorfos (Ni-Cu)
Linha liquidus, linha solidusProcesso de solidificaçãoTie-linesRegra da alavancaCurvas de resfriamento
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SolubilidadeSolubilidade e e solusoluççãoãoNeste exemplo existe 2 fases no sistema e estão em equilibrio:
Exemplo: Solubilidade do sal na águaExiste uma quantidade máxima de sal que pode ser completamente dissolvido em água; O excesso de sal permanece sólido. Esta máxima quantidade é a solubilidade do sal na água. A concentração máxima de sal na água échamada solução saturada.
Resfriamento da solução saturada resulta na formação de sal sólido, indicando que a solubilidade decresce com o decréscimo da temperatura. Este processo é chamado precipitação e o sólido é chamado precipitado. O aquecimento da sol. Leva a dissolução dos precipitados.
Solução de água/sal
Sal sólidoprecipitado
Solução SólidoDissolução
Precipitação
O mesmo é aplicado para sólidos: solução sólida, saturação, solubilidade, precipitação
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DiagrmaDiagrma de de fasesfases
Líquido
Sólido
Gas
Flui
dosu
per-
críti
co
Pontotriplo
Pontocrítico
Temperatura
0°C 100°C 374°C
0 bar
1 bar
221 bar
Pre
ssão
Diagrama de fases da águaDiagrama de fase são usados como mapas da existência e de várias condições de fases de um dado sistema. A água, por exemplo, pode estar no estado sólido, líquido ou gasoso, em diferentes regiões de pressão-temperatura. O contorno destas regiões indicam a condição de equilíbrio em termos de P e T. Água é um sistema monolítico. Para sistemas binários, que contém 2 constituintes, os diagramas de fases são geralmente expressos em função da temperatura e composição.
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1455°C
1085°C
fase α (cfc) -Solução sólida
de Cu e Ni
Fase liquida -Solução de Cu e Ni
DiagramaDiagrama de de fasesfases binbinááriosrios
Um tipo simples de DF Binário é o sistma isomorfo, em que 2 constituintes formam uma fase sólida continua para toda faixa de composição; Ex. sistema Ni-Cu. CS1
T1
CL2
Co
T2
T3
CS2
Co
CL3
Tem
pera
tura
A solidificação da liga Co começa em T1. O primeiro sólido formado tem a composição Cs1 e o líquido Co. Ao longo do resfriamento as partículas de sólido vão crescendo de tamanho e mudam sua composição para Cs2 seguindo a linha solidus, e então Co, segue a linha liquidus decrescendo de volume e mudando a composição até CL3 , onde a solidificação se completa em T3.
Cu NiComposição
L
α
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A composição das fases édeterminada pela tie line
As frações relativas das fases são determinadas pela regra da alavanca
CL CS
L2L1
1455°C
1085°CTe
mpe
ratu
ra
DiagramaDiagrama de de fasesfases binbinááriosrios
CS
T* CL
Co
Fase liquida -Solução de Cu e Ni
fase α (cfc) -Solução sólida
de Cu e Ni
Cu NiComposição
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RegraRegra dada alavancaalavanca
CL CS
L2L1
21 LCLC SL ×=×
1=+ SL CC
Fração (quantidade) da fase:
o L
s L
C CWC Cα
−= =
−
s oL
s L
C CWC C
−=
−
1 LW Wα = −ou
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ExemploExemplo
CL CS
Co
Na temperatura T1, a liga de composição Co está numaregião de duas fases (fase líquida e fase α.
(i) Determinar a composição das duas fases;(ii) Determinar a quantidade das duas fases.
Composição: Ler diretamente a tie line:Fase líquida: Cu-30%Ni ou 30% de Ni em CuFase α: Cu-55%Ni ou 55% de Ni em Cu
55 50 0.2 20%55 30
s oL
s L
C CWC C
− −= = = =
− −
50%NiCu Ni
1455°C
1085°C
CS
C0
CLT1
55%Ni30%Ni
50 30 0.8 80%55 30
1 1 0.2 0.8 80%
o L
s L
L
C CWC C
orW W
α
α
− −= = = =
− −
= − = − = =Qua
ntid
ade:
Reg
ra
da a
lava
nca
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CurvaCurva de de resfriamentoresfriamento –– determinadeterminaççãoão do diagram de do diagram de fasesfases
1085°C
II
(isoterma)
II I III
1455°C
1085°C
T1
T2
Solidus
LiquidusT
T
T2
T1
I
T
%Cu Ni
t
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ParteParte IIIISistema eutético (Pb-Sn)Reação eutéticaLinha SolvusPrecipitação
Sistemas com fase intermediária (Mg-Pb)Diagrama de fase do Cu-Zn
Solidificação for a do equilíbrio Solidificação congruente e incongruente
Super resfriamento e formação de dendrítica
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SistemasSistemas EutEutééticosticos Diagrama de fases Pb-Sn
Fase β: solução sólidade Pb no Sn
Fase α: solução sólidade Sn no Pb
Liquido
solvussolvus
solidus
Liquidus
PontoEutético
Pb(cfc)
Sn(Tetra)
α + β
α + LL + β
0
50
100
150
200
250
300
350
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Tem
pera
tura
% massa
O sistema Pb-Sn écaracterístico como sistemaEutético. O ponto central datie-line é chamado PontoEutético onde ocoore a reação Eutética: L α+β
Pb tem estrutura cfc e Sn tem estrutura tetragonal.
O sistema tem 3 fases: L, αand β.
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SolidificaSolidificaççãoão emem sistemassistemas euteutééticosticos
Liga I:Ponto 1: LíquidoSolidificação começa na liquidus
Ponto 2: L+αA quantidade de α ↑ quando T ↓Solidificação termina na solidus
Ponto 3: αPrecipitação começa na solvus
Ponto 4: α+βSeguindo o resfriamento ocorre a formação e crescimento de mais precipitados β, onde a % de Sn em αdecresce seguindo a solvus.
Sn(Tetra)
Liquido
Pb(cfc)
α + β
0
50
100
150
200
250
300
350
α β
I1
2
3
4
III II
Diagrama de fases Pb-Sn
(1) (2) (4)
LL αL β
αα
(3)
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(a) (b)
Precipitados na liga de Al-Si:(a) microscópio óptico,
(b) micrografia da superfície de fratura (MEV)
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Liquido
Pb(cfc)
Sn(Tetra)
α + β
0
50
100
150
200
250
300
350
α β
I
1
2
3
III II
Diagrama de fases Pb-SnSolidificaSolidificaççãoão emem sistemassistemas euteutééticosticos
Liga II:Ponto 1: LiquidSolidificação começa no ponto eutético (tendo simultaneamente líquido e sólido)
Ponto 2: L (α+β) (reação eutética)A quantidade de α e β aumentam proporcionalmente com o tempo.Solidificação termina na mesma temperatura
Ponto 3: α+βSeguindo o resfriamento ocorre a diminuição de Sn em α e a diminuição de Pb em β, de acordo com as respectivas linhas solvus.
LL
(1) (2)
L
(3)
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Pb-Sn eutetico
Nucleação:Lamelas alternadas de α e β
Estrutura eutetica: Íntima mistura de α e β para minimizar o caminho de difusão
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SolidificaSolidificaççãoão emem sistemassistemas euteutééticosticos Diagrama de fases Pb-Sn
Liquido
Pb(cfc)
α + β
0
50
100
150
200
250
300
350
α β
I
1
2
3
III II
4
Liga III:Ponto 1: LiquidoSolidificação começa na liquidus
Ponto 2: L L+α (α pré-eutético)A quantidade de α ↑ quando ↓T
Ponto 3: L (α+β) (reação eutética)Solidificação termina na temperatura eutética
Ponto 4: α+β (α pré-eutético + (α+β) mistura eutética). Seguindo o resfriamento ocorre a diminuição de Sn em α e diminuição de Pb em β.
Sn(Tetra)
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LL
(1)
α
L
(2)
αL
(3)
αEut
(3)
Estrutura eutética(lamelas de α e β)
Liga Cu-Agα Pre-eutectico
Curva de resfriamento
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Sn
I III II IV
Líquido
Pb
α + β
0
50
100
150
200
250
300
350
α β
Hipoeutetico Hipereutetico
Diagrama de fases Pb-Sn
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Regra das fases de Regra das fases de GibbsGibbsF =C+N-P
F: grau de liberdadeC: nº de variáveis químicasN: nº de variáveis não químicasP: nº de fases
Aplicação da regra das fases de Gibbs para sistema binário a pressão constante:C=2 (2 elementos)N=1 (temperatura)
1 fase →F=2: % e T
2 fases em equilíbrio →F=1: % ou T
3 fases em equilíbrio →F=0: ponto invariante
Posso ter 4 fases em equilíbrio no sistema binário?
α + β
α β
Líquido 1 fase
2 fases em equilíbrio
3 fases em equilíbrio
Pb Sn
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SistemasSistemas compostoscompostos ouou com com fasesfases intermediintermediááriasrias
O sistema Cu-Mg contém 2 compostos intermetálicos entre Cu e Mg: Cu2Mg e CuMg2.
O intermetálico age como constituinte independente, dividindo o diagrma de fases em 3 outros diagramas:
Cu-Cu2MgCu2Mg-CuMg2CuMg2-Mg
Cada um destes 3 diagramas possuem um sistema eutético.
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SistemasSistemas compostoscompostos ouou com com fasesfases intermediintermediááriasrias
O sistema Al-Cu contém inúmeras fases intermediárias.
Estas “divisões” não tem que ser compostos intermetálicos, elas também podem ser solução sólida.
A solução sólida intermediária pode ter sua própria estrutura cristalina, diferente da estrutura dos constituintes puros
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SistemasSistemas compostoscompostos ouou com com fasesfases intermediintermediááriasrias
Diagrama de fases do sistema Cu-Zn
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SolidificaSolidificaççãoão forafora do do equilequilííbriobrio
Algumas transformações não causam mudanças na composição, como por exemplo a solidificação de metais puros. Já as ligas de solução sólida sofrem modificações na composição. O primeiro é conhecido como transformação congruente e o segundo de transformação incongruente.
As transformações congruentes não são sensíveis a taxa de resfriamento. As transformações incongruentes são sensíveis a taxa de resfriamento porque contam com a interdifusão para ocorrer.
A solidificação sob resfriamento rápido, onde a difusão é insuficiente para homogeneizar a composição simultaneamente durante o processo é conhecida como solidificação fora do equilíbrio. A conseqüência comum da solidificação fora do equilíbrio é a segregação dendrítica.
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SegregaSegregaççãoão dendrdendrííticatica
A %B
Equilibriosolidus
T2
T3 (termina a solidificaçãono equilíbrio)
T4 (termina a solidificação
efetivamente)
T1 (começa a solidificação)
Solidusefetivo
Co
Cs1
Cs2
Cs2*
Cs3*
Liga com composição Co começa a solidificação em T1. O primeiro sólido formado tem composição Cs1. Prosseguindo o resfriamento a T2, uma casca de composição Cs2 é formado sobre Cs1. Devido a difusão inadequada do resfriamento rápido, uma diferença de composição é criada. A composição média do sólido na temperatura T2 é algo entre Cs1 e Cs2, podemos chamar de Cs2*. A mesmo ocorre nas outras temperaturas durante o processo de resfriamento.Sob a condição de equilíbrio, a solidificação se completa a T3. No entanto, sob condições fora do equilíbrio, a composição média do sólido em T3 é Cs3* <Co, indicando que a solidificação ainda não foi completada; a solidificação termina quando a composição for igual a Co, na temperatura T4.
Solidificação fora do equilíbrio: fusãoocorre numa temperatura mais baixa.
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L
Cs1
T1
Cs1
Cs2
T2
T3
Composição média do sólido: Cs2*
Composição médiado sólido: Cs3*
T4
Composição médiado sólido: Co
SegregaSegregaççãoão dendrdendrííticatica
A %B
Equilibriosolidus
T2
T3 (termina a solidificaçãono equilíbrio)
T4 (termina a solidificação
efetivamente)
T1 (começa a solidificação)
Solidusefetivo
Co
Cs1
Cs2
Cs2*
Cs3*
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SegregaSegregaççãoão emem sistemassistemas euteutééticosticos
α + β
α β
L
a b c d
coDe acordo com a regra daalavanca, a fração do produtoeutético pode ser:
Sob condição de equilíbrio:
eutc bWd b
−=
−
Fora do equilíbrio:
*eut
c aWd a
−=
−A B
*eut eutW W>
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Super Super resfriamentoresfriamento
S L
A %B
Co
CS
CL
CS
CL
Co
C
x
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EstruturaEstrutura dendrdendrííticatica de metalde metal
Uma conseqüência do super resfriamento e da desestabilização da interface sólido-líquido é a formação da estrutura dendrítica, comumente encontrada em ligas fundidas. A região entre as dendrítas e dedos dendríticos são ricas de fases de baixo ponto de fusão e impurezas. Uma forma de minimizar este efeito é fazer um tratamento térmico para homogeneizar a estrutura.