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DIAGRAMA DE FASE OU DE EQUILÍBRIO

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DIAGRAMA DE FASE OU DE EQUILÍBRIO. DIAGRAMA DE FASE OU DE EQUILÍBRIO. ROTEIRO 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

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diagrama de fase ou de equil brio1
DIAGRAMA DE FASE OU DE EQUILÍBRIO

ROTEIRO 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
diagrama de fase ou de equil brio2
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.

diagrama de fase ou de equil brio3
DIAGRAMA DE FASE OU DE EQUILÍBRIO

2.Definições:

- Componentes:

São metais puros e/ou compostos químicos e/ou compostos que constituem uma liga. (Latão = Cu + Zn)

• Sistema:

– 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.

• Fase:

– Uma porção homogênea do sistema, que possui propriedades físicas e químicas características. Exemplo: fases a, b e L da liga ao lado.

diagrama de fase ou de equil brio4
DIAGRAMA DE FASE OU DE EQUILÍBRIO

2.Definições:

• Fase:

diagrama de fase ou de equil brio5
DIAGRAMA DE FASE OU DE EQUILÍBRIO

2.Definições:

EQUILÍBRIO

• 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 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

diagrama de fase ou de equil brio8
DIAGRAMA DE FASE OU DE EQUILÍBRIO

2.Definições:

Microestrutura

• é caracterizada pelo número de fases existentes, por suas proporções e pela maneira pela qual elas estão distribuídas ou arranjadas.

Latão (cobre-zinco)

Alumínio- 18% silício)

Molibdênio puro

4 fases de equil brio e fases metaest veis
4. FASES DE EQUILÍBRIO E FASES METAESTÁVEIS
  • Fases de equilíbrio: suas propriedades ou características não mudam com o tempo.

Geralmente são representadas nos diagramas por letras gregas

  • 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-X
slide11

SISTEMAS BINÁRIOS ISOMORFOS

  • L: Solução líquida homogênea contendo Ni+ CU
  • : Solução sólida homogênea contendo Ni+ CU.
  • Isomorfo: sistema em que existe solubilidade completa dos dois componentes nos estados líquidos e sólidos
  • Linha liquidus: afase líquida está presente em todas as temperaturas e composições localizadas acima desta linha.
  • Linha solidus: abaixo da qual, para qualquer temperatura e composição, existe apenas a fase sólida.
slide12

SISTEMAS BINÁRIOS ISOMORFOS

% atômica Ni

L = Solução líquida homogênea de Cu + Ni

Solução sólida homogênea de Cu + Ni

4 1 diagrama de equil brio para sistemas bin rios e isom rfos
4.1. DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO PARA SISTEMAS BINÁRIOS E ISOMÓRFOS
  • Isomorfo quando a solubilidade é completa (Exemplo: Sistema Cu-Ni)

linha

liquidus

linha

solidus

FILME

slide14

INTERPRETAÇÃO DO DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO

- Fases presentes localiza-se a temperatura e composição desejada e verifica-se o número de fases presentes

- Composição 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 fases (quantidades relativas das fases)regra das alavancas

sistema bin rio cu ni determina o das fases presentes
SISTEMA BINÁRIO Cu-NiDETERMINAÇÃO DAS FASES PRESENTES

1- determina a temperatura e composição no diagrama.

Ex:

T 1150ºC

50%p de Ni

B – 100% fase sólida

A composição é a mesma da liga.

C

B

sistema bin rio cu ni determina o da composi o qu mica das fases
SISTEMA BINÁRIO Cu-NiDETERMINAÇÃO DA COMPOSIÇÃO QUÍMICA DAS FASES

1- determina a temperatura e composição no diagrama.

Existe duas formas:

1- Região monofásica:a composição é a mesma da liga presente.

Ex: T 1100ºC; 80%p de Ni

(A)%100 fase sólida

80% de Ni e 20%Cu.

2- Região bifásica:

Ex: T= 1240ºC; 60%Ni

B

A

Comp. Liq= 32% de Ni e 68% de Cu

Comp. Sol. = 45% de Ni e 55% de Cu

sistema cu ni determina o das quantidades relativas das fases
SISTEMA Cu-NiDeterminação das quantidades relativas das fases
  • Existe duas formas:
  • 1- Região monofásica:somente uma fase está presente %100 fase.
  • 2- 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;
sistema cu ni determina o das quantidades relativas das fases1
Composição das fases

Percentagem das fases

Fase líquida:

S = R

R+S

L = C-C0

C-CL

L = Co-CL

C-CL

L = S

R+S

Fase sólida:

SISTEMA Cu-NiDeterminação das quantidades relativas das fases

Comp. Liq= 31,4% Ni e 68,9%Cu

Comp. Sol. = 42,5,4 %Ni e %57,5Cu

sistema cu ni exerc cio determina o das quantidades relativas das fases tomando 1250 c 35 pni
Composição das fasesSISTEMA Cu-NiExercício: Determinação das quantidades relativas das fases (tomando: 1250ºC; 35%pNi)

Comp. Liq= 31,4% Ni e 68,9%Cu

Comp. Sol. = 42,5,4 %Ni e %57,5Cu

sistema cu ni exerc cio determina o das quantidades relativas das fases tomando 1250 c 35 pni1
Composição das fasesSISTEMA Cu-NiExercício: Determinação das quantidades relativas das fases (tomando: 1250ºC; 35%pNi)

Comp. Liq= 31,4% Ni e 68,9%Cu

Comp. Sol. = 42,5,4 %Ni e %57,5Cu

slide21

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

desenvolvimento da microestrutura solidifica o em equ librio
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).
desenvolvimento da microestrutura solidifica o em equ librio1
DESENVOLVIMENTO DA MICROESTRUTURA SOLIDIFICAÇÃO EM EQUÍLIBRIO

(35%p Ni – 65%pCu)

1260ºC

slide25

“CORED” x EQUILÍBRIO DE FASES

Rápida taxa de resfriamento: Baixa taxa de resfriamento:

Estrutura de “CORED”Equilíbrio

slide26

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)

sistemas eut ticos bin rios

São encontradas 3 regiões monofásicas distintas:

  • rica em cobre e prata como soluto
  • rica em prata e cobre como soluto
  • Temperaturas baixo da linha BEG apenas uma concentração limitada de prata irá se dissolver no cobre – idem para o cobre.
  • CBA –limite de solubilidade para a fase
  • B (8%p Ag)Solubilidade máxima da prata no cobre na fase
  • G (8,8%pCu) solubilidade máxima do Cobre na Prata na fase
SISTEMAS EUTÉTICOS BINÁRIOS
sistemas eut ticos bin rios1

3 regiões bifásicas

  • 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.
SISTEMAS EUTÉTICOS BINÁRIOS
  • Composição eutética –solidifica a uma T abaixo de qualquer outra liga
  • Temperatura eutética – T mais baixa a qual pode existir fase líquida
slide32

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

sistemas eut ticos bin rios2
SISTEMAS EUTÉTICOS BINÁRIOS
  • Exercício
  • Faça uma análise das fases presentes nos seguintes pontos do diagrama de fases Pb-Sn: (fases presentes, composição das fases e proporção das fases)
  • Composição eutética:
  • 40%Sn e T= 230ºC
  • 40%Sn e T= 185ºC
  • 40%Sn e T= 180ºC
sistemas eut ticos bin rios3
SISTEMAS EUTÉTICOS BINÁRIOS

40%Sn e T= 230ºC

  • Composição eutética:
sistemas eut ticos bin rios4
SISTEMAS EUTÉTICOS BINÁRIOS

40%Sn e T= 185ºC

40%Sn e T= 180ºC

slide36

Caso 1 Composição - 2%p Sn

Varia entre a composição de um componente puro e a solubilidade sólida máx para o componente a temp. ambiente.

Muito pequena a faixa de

composições químicas em

que pode se formar estrutura

monofásica

Desenvolvimento de microestrutura em ligas eutéticas

Resfriamento a partir de 350ºC até 20ºC da

Sn

Pb

slide37

Caso 2 Composição - 15%p Sn

PRECIPITAÇÃO

• Ao ser ultrapassado o limite de

solubilidade (linha solvus) de

Sn no Pb, ocorre a

precipitação da fase , de

reticulado cristalino distinto do

da fase e com distintas

propriedades físico-químicas.

Desenvolvimento de microestrutura em ligas eutéticas

Resfriamento a partir de 350ºC até 20ºC da

Sn

Pb

slide38

A transformação eutética corresponde

à formação de uma mistura de

duas fases a partir do líquido

formando um arranjo interpenetrado

Desenvolvimento de microestrutura em ligas eutéticas

Caso 3 - Solidificação da composição eutética

slide39

A transformação eutética corresponde

à formação de uma mistura de

duas fases a partir do líquido

formando um arranjo interpenetrado

Desenvolvimento de microestrutura em ligas eutéticas

Estrutura eutética

slide40

A transformação eutética corresponde

à formação de uma mistura de

duas fases a partir do líquido

formando um arranjo interpenetrado

Desenvolvimento de microestrutura em ligas eutéticas

Caso 4 – todas as composições que durante o resfriamento cruzam a isoterma eutética (com exceção da composição eutética).

Em ligas hipo-eutéticas

ocorre inicialmente

precipitação de fase

primária - dendritas de a

pró-eutéticas.

O líquido eutético

residual L (61,9% Sn) se

transforma em

microestrutura eutética

[a(18,3% Sn)+b(97,8%Sn)].

slide41

A transformação eutética corresponde

à formação de uma mistura de

duas fases a partir do líquido

formando um arranjo interpenetrado

P

Q

R

Desenvolvimento de microestrutura em ligas eutéticas

Fração de microconstituinte eutético = fração da fase líquida.

slide42

A transformação eutética corresponde

à formação de uma mistura de

duas fases a partir do líquido

formando um arranjo interpenetrado

Reação eutetóide e peritetóide

Fração de microconstituinte eutético = fração da fase líquida.

slide45
HIPO-EUTÉTICO E HIPER-EUTÉTICOHIPO-EUTÉTICO COMPOSIÇÃO MENOR QUE O EUTÉTICOHIPER-EUTÉTICO COMPOSIÇÃO MAIOR QUE O EUTÉTICO
diagrama de equil brio tendo fases intermedi rias
DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO TENDO FASES INTERMEDIÁRIAS
  • 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

perit tico
PERITÉTICO

Envolve 3 fases em equilíbrio

eut tico eutet ide e perit tico
EUTÉTICO, EUTETÓIDE E PERITÉTICO

Ponto de fusão congruente

rea o monot tica e eut tica
REAÇÃO MONOTÉTICA E EUTÉTICA

Dois líquidos imiscíveis formam uma fase sólida e

uma fase líquida (MONOTÉTICA)

EUTÉTICA

slide56

FERRO PURO

FERRO PURO

  • FERRO  = FERRITA
  • FERRO  = AUSTENITA
  • FERRO  = FERRITA 
  • TF= 1534 C
  • As fases ,  e  são soluções sólidas com Carbono intersticial

ccc

cfc

ccc

ferro puro formas alotr picas
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 Puro /Formas Alotrópicas

FERRO  = AUSTENITA

  • Estrutura= cfc
  • Temperatura “existência”= 912 -1394C
  • Fase Não-Magnética
  • Solubilidade máx do Carbono= 2,14% a 1147 C
  • É mais dura
slide58

FERRO PURO

ccc

cfc

ccc

ferro puro formas alotr picas2
Ferro Puro /Formas Alotrópicas
  • FERRO  = FERRITA 
  • Estrutura= ccc
  • Temperatura “existência”= acima de 1394C
  • Fase Não-Magnética
  • Como é estável somente a altas temperaturas não tem interesse comercial
slide61

FERRO PURO

ccc

cfc

ccc

sistema fe fe 3 c
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)
cementita fe 3 c
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
pontos importantes do sistema fe fe 3 c eut tico
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
pontos importantes do sistema fe fe 3 c eutet ide
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.
microestruturas eutet ide supondo resfriamento lento para manter o equil brio
MICROESTRUTURAS / EUTETÓIDESupondo 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)
slide71

MICROESTRUTURAS /HIPOEUTETÓIDESupondo 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.
microestruturas hipereutet ide supondo resfriamento lento para manter o equil brio
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

MICROESTRUTURAS /HIPEREUTETÓIDESupondo resfriamento lento para manter o equilíbrio
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