9. Diagramas de fase em condições de equilíbrio

1. 9. Diagramas de fase em condições de equilíbrio -Definições e conceitos básicos: identificação das fases, limite de solubilidade, microestrutura das fases -Diagramas de equilíbrio binários isomorfos e eutéticos -Reações eutetóides e peritéticas - Sistema Fe-C e microestruturasque se formam no resfriamento lento

2. DIAGRAMA DE FASE OU DE EQUILIBRIO 1. IMPORTÂNCIA: - Dá informações sobre microestrutura e propriedades mecânicas em função da temperatura e composição - Permite a visualização da solidificação e fusão - Prediz as transformações de fases - Dá informações sobre outros fenômenos

3. 2. LIMITE DE SOLUBILIDADE • SOLUBILIDADE COMPLETA • SOLUBILIDADE INCOMPLETA • INSOLUBILIDADE LIMITE DE SOLUBILIDADE:é a concentração máxima de átomos de soluto que pode dissolver-se no solvente, a uma dada temperatura, para formar uma solução sólida.  Quando o limite de solubilidade é ultrapassado forma-se uma segunda fase com composição distinta

4. 3. FASES FASE É A PORÇÃO HOMOGÊNEA DE UM SISTEMA QUE TEM CARACTERÍSTICAS FÍSICAS E QUÍMICAS DEFINIDAS Todo metal puro e uma considerado uma fase • Uma fase é identificada pela composição química e microestrutura • 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

5. 4. DIAGRAMA DE FASES OU DE EQUILÍBRIO • É COMO UM MAPA PARA A DETERMINAÇÃO DAS FASES PRESENTES, PARA QUALQUER TEMPERATURA E COMPOSIÇÃO, DESDE QUE A LIGA ESTEJA EM EQUILÍBRIO - Termodinamicamente o equilíbrio é descrito em termos de energia livre - Um sistema está em equilíbrio quando a energia livre é mínima O equilíbrio de fases é o reflexo da constância das características das fases com o tempo

6. 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.

7. 4.1. DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO PARA SISTEMAS BINÁRIOS E ISOMÓRFOS • Isomorfo quando a solubilidade é completa (Exemplo: Sistema Cu-Ni)

8. SOLUÇÃO SÓLIDA COM GAP DE MISCIBILIDADE Gap de miscibilidade

9. INTERPRETAÇÃO DO DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO - Fases presenteslocaliza-se a temperatura e composição desejada e verifica-se o número de fases presentes - Composição química das fasesusa-se o método da linha de conecção (isotérma) Para um sistema monofásico a composição é a mesma da liga - Percentagem das fases (quantidades relativas das fases)regra das alavancas

10. SISTEMA Cu-NiDETERMINAÇÃO DAS FASES PRESENTES E DA COMPOSIÇÃO QUÍMICA DAS FASES B Comp. Liq= 32% de Ni e 68% de Cu Comp. Sol. = 45% de Ni e 55% de Cu

11. L = S R+S S = R R+S L = C-C0 C-CL L = Co-CL C-CL SISTEMA Cu-NiDeterminação das quantidades relativas das fases • Composição das fases • Percentagem das fases Fase líquida Fase sólida Comp. Liq= 31,4% Ni e 68,9%Cu Comp. Sol. = 42,5,4 %Ni e %57,5Cu

12. DESENVOLVIMENTO DA MICROESTRUTURA • 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.

13. Mudança na composição das fases durante o processo de solidificação • Ex: o centro do grão mais rico do elemento com o elemento de maior ponto de fusão)

14. Curva de solidificação e Remoção do calor latente de fusão Remoção do calor latente de fusão

15. FORMAÇÃO DA MICROESTRUTURA A distribuição dos 2 elementos no grão não é uniforme, sendo neste caso o centro do grão mais rico do elemento com o elemento de menor ponto de fusão

16. SOLUBILIDADE É dada pela linha solvus  + l l +  () () LINHA SOLVUS LINHA SOLVUS  + 

17. SISTEMAS EUTÉTICOS BINÁRIOS Reação eutética: Líquido  +  • Neste caso a solidificação processa-se como num metal puro, no entanto o produto é 2 fases sólidas distintas. Microestrutura do eutético: LAMELAR camadas alternadas de fase  e . Ocorre desta forma porque é a de menor percurso para a difusão

18. REAÇÃO EUTÉTICA Líquido  +  () ()  +  LINHA SOLVUS Indica solubilidade

19. HIPOEUTÉTICO E HIPEREUTÉTICO • HIPOEUTÉTICO COMPOSIÇÃO MENOR QUE O EUTÉTICO • HIPEREUTÉTICO COMPOSIÇÃO MAIOR QUE O EUTÉTICO

20. Região preta é a fase primária  rica em Pb Lamelas são constituídas de fase  rica em Pb e fase rica em Sn MICROESTRUTURA DE UMA LIGA DE Sn-Pb HIPOEUTÉTICA

21. 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

22. PERITÉTICO E EUTÉTICO

23. PERITÉTICO Envolve 3 fases em equilíbrio

24. PERITÉTICO DUPLO

25. EUTÉTICO, EUTETÓIDE E PERITÉTICO Ponto de fusão congruente

26. REAÇÃO MONOTÉTICA E EUTÉTICA Dois líquidos imiscíveis formam uma fase sólida e uma fase líquida (MONOTÉTICA) EUTÉTICA

27. GRÁFICO ESQUEMÁTICO: PONTO DE FUSÃO E TRANSFORMAÇÕES ALOTRÓPICAS

28. Sistema Fe-C ou Fe-Fe3C e microestruturasque se formam no resfriamento lento

29. DIAGRAMA DE FASE Fe-Fe3CTRANSFORMAÇÃO ALOTRÓPICA +l CCC +l l+Fe3C CFC +Fe3C +  CCC +Fe3C As fases ,  e  são soluções sólidas com Carbono intersticial

30. FERRO PURO • FERRO  = FERRITA • FERRO  = AUSTENITA • FERRO  = FERRITA  • TF= 1534 C • Nas ligas ferrosas as fases ,  e  FORMAM soluções sólidas com Carbono intersticial CARBONO

31. DIAGRAMA DE FASE Fe-Fe3CTRANSFORMAÇÔES +l +l l+Fe3C PERITÉTICA +l  EUTÉTICA l +Fe3C EUTETÓIDE  +Fe3C FOFO AÇO

32. 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= 0,02% a 727 C FERRO  = AUSTENITA • Estrutura= cfc (tem + posições intersticiais) • Temperatura “existência”= 912 -1394C • Fase Não-Magnética • Solubilidade máx do Carbono= 2,14% a 1148C

33. Ferro Puro /Formas Alotrópicas FERRITA AUSTENITA

34. Ferro Puro /Formas Alotrópicas FERRO  = FERRITA  • Estrutura= ccc • Temperatura “existência”= acima de 1394C • Fase Não-Magnética • É a mesma que a ferrita  • Como é estável somente a altas temperaturas não apresenta interesse comercial

35. Sistema Fe-Fe3C • Ferro Puro= até 0,02% de Carbono • Aço= 0,02 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)

36. CEMENTITA (Fe3C) • Forma-se quando o limite de solubilidade do carbono é ultrapassado (6,7% de C) • É dura e frágil • Cristaliza no sistema ortorrômbico (com 12 átomos de Fe e 4 de C por célula unitária) • 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

37. PONTOS IMPORTANTES DO SISTEMA Fe-Fe3C (EUTÉTICO) • LIGA EUTÉTICA: corresponde à liga de mais baixo de fusão Líquido FASE  (austenita) + cementita - Temperatura= 1148 C - Teor de Carbono= 4,3% • As ligas de Ferro fundido de 2,1-4,3% de C são chamadas de ligas hipoeutéticas • As ligas de Ferro fundido acima de 4,3% de C são chamadas de ligas hipereutéticas

38. PONTOS IMPORTANTES DO SISTEMA Fe-Fe3C (EUTETÓIDE) • LIGA EUTETÓIDE  corresponde à liga de mais baixa temperatura de transformação sólida Austenita FASE  (FERRITA) + Cementita - Temperatura= 725 C - Teor de Carbono= 0,8 % • Aços com 0,02-0,8% de C são chamadas de aços hipoeutetóide • Aços com 0,8-2,1% de C são chamadas de aços hipereutetóides

39. 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)

40. MICROESTRUTURAS / EUTETÓIDE

41. MICROESTRUTURA DO AÇO EUTETÓIDE RESFRIADO LENTAMENTE Somente Perlita

42. 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 das alavancas • Partes claras pró eutetóide ferrita

43. MICROESTRUTURA DOS AÇOS BAIXO TEOR DE CARBONO AÇO COM ~0,2%C Ferrita Perlita

44. MICROESTRUTURA DOS AÇOS MÉDIO TEOR DE CARBONO RESFRIADOS LENTAMENTE AÇO COM ~0,45%C Ferrita Perlita

45. MICROESTRUTURAS /HIPEREUTETÓIDESupondo 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

46. ALGUNS DIAGRAMAS

50. Micrografia da Liga Al-3,5%Cu no Estado Bruto de Fusão  