Endurecimento por dispersão de fases e diagramas de fases eutéticos
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1 UNIVESIDADE DE SÃO PAULO EESC/IFSC/IQSC SCM5757 Ciência dos Materiais I Endurecimento por dispersão de fases e diagramas de fases eutéticos Prof. Dra. Lauralice Canale 1º semestre de
2 Compostos intermetálicos Formado por dois ou mais elementos metálicos que produzem uma fase com composição, estrutura cristalina e propriedades próprias. Ligas endurecidas por dispersão frequentemente contem um composto intermetálico como fase dispersa. 2
3 Compostos intermetálicos estequiométricos: Possuem uma composição química fixa. Cementita é um exemplo. Tem 3 átomos de C para um de Fe. Importante fase endurecedora no caso de aços. Compostos intermetálicos não - estequiométricos: Podem se formar em uma faixa de composição química e são chamados as vezes de soluções sólidas intermediárias. Por exemplo a precipitação de Cu Al2 no envelhecimento de liga de Al. 3
4 Diagramas de fases com reações trifásicas São mais complexos do que os isomorfos e envolvem 3 diferentes fases. (c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license. 4
5 (c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license. 1150ºC, 15% B, peritética: δ + L γ 920ºC, 40%B, monotética: L1 γ + L2 750ºC, 70% B, eutética: L γ + β 450ºC, 20% B, eutetóide: γ α + β 300ºC, 50% B, peritetóide: α + β μ 5
6 Cada uma dessas reações trifásicas ocorre em uma temperatura e composição fixas. A regra de fase de Gibbs para uma reação trifásica (com pressão constante) é: F=C-P+1 C=2 P=3 F=0 Não há graus de liberdade. São conhecidas como invariantes, ou seja a temperatura e a composição de cada fase envolvida na reação trifásica são fixas 6
7 Sistemas binários eutéticos Diagrama de fases cobre-prata. 7
8 Três fases são observadas neste diagrama: α, β e líquida. A fase α é uma solução sólida rica em cobre, tem prata como soluto e estrutura cristalina CFC. A fase β é uma fase sólida de estrutura CFC, mas tem o cobre como soluto. Abaixo da linha BEG estes elementos têm sua solubilidade limitada. O limite de solubilidade de α é limitado pela linha CBA. 8
9 Estruturas cristalinas: (a) cúbico de face centrada, CFC, (b) cúbico de corpo centrado, CCC e (c) tetragonal de corpo centrado. 9
10 (c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license. Solidificação e microestrutura da liga Pb- 2%Sn. A liga apresenta apenas uma fase sólida. 10
11 (c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license. Solidificação, precipitação e microestrutura da liga Pb- 10%Sn. O fortalecimento por dispersão acontece devido aos precipitados sólidos de β. 11
12 Reação eutética Na composição eutética a liga se solidifica a uma temperatura inferior de qualquer outra liga. A reação eutética ou invariante pode ser escrita assim: Para o sistema chumbo-estanho: 12
13 Microestrutura em ligas eutéticas Diagrama de fases chumbo-estanho (c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license. 13
14 (c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license. Solidificação e microestrutura de uma liga Pb-61.9%Sn. (Eutética) 14
15 (c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license. Curva de arrefecimento tempo-temperatura da liga Pb-Sn, na temperatura eutética. 15
16 (c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license. (a) Redistribuição dos átomos durante o crescimento lamelar de um eutético chumbo-estanho. Átomos de estanho do líquido preferencialmente se difundem às lamelas β, e os átomos de chumbo se difundem às lamelas de α. (b) Microestrutura da composição eutética (x400). 16
17 Reação Eutética Reação hipoeutética Reação hipereutética 17
18 (c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license. Solidificação e microestrutura em uma liga hipoeutética (Pb-30%Sn) 18
19 19
20 Microestruturas de ligas Pb-Sn (a) hipoeutética (α primário) e (b) hipereutética (β primário). (x400) 20
21 Resistência das ligas eutéticas (c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license. (a) Colônias eutéticas da liga Pb-Sn, (b) espaçamento interlamelar da microestrutura eutética. 21
22 (c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license. 22
23 23
24 (c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license. Solidificação de não-equilíbrio nos sistemas eutéticos Microestrutura e solidificação de não-equilíbrio da liga Pb-15%Sn. Um microconstituinte de não-equilibrio eutético pode se formar se a solidificação for muito rápida. 24
25 Diagramas ternários Liga ternária: uma liga formada pela combinação de três elementos ou componentes. Diagrama de fases ternários: tem três componentes, cujas composições estão indicadas usando como base um triângulo equilátero, sendo que os componentes puros se localizam nos vértices dos triângulos. 25
26 (c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license. Diagrama ternário hipotético.diagrama de fases binários são apresentados em 3 faces. 26
27 (c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license. Diagrama ternário hipotético, onde x=α, y= α+ γ e z= α+β+ γ. 27
28 Ligas Ferrosas Aços: uma liga Ferro-Carbono cujo teor em Carbono varia entre 0.03% e 2.06%, contendo Si, Mn, P e S Designação: AISI (American Iron and Steel Institute) e SAE (Society of Automotive Engineers) usam um sistema de classificação de quatro ou cinco dígitos. Classificação: os aços podem ser classificados pela sua composição ou pela forma de como foram processados. 28
29 29
30 Ferro fundido branco: liga Fe-C-Si com 1,8-3,6% C e 0,5-1,9% Si. Apresenta grande quantidade de carboneto de ferro numa matriz perlítica. Assim quando fraturam revelam uma superfície branca. Ferro fundido cinzento: liga Fe-C-Si com 2,5-4,0% C e 1-3% Si. Contém grande quantidade de carbono, sob a forma de lamelas de grafite. Quando sofre fratura, a superfície aparece cinzenta devido à grafita exposta. Ferro fundido nodular: grafita em forma de nódulos. Chamado de ferro fundido dúctil. Contem Si (grafitizante e nodulizantes (Mg)) 30
31 Diagrama Ferro-Carbono Apresenta as seguintes fases sólidas: Ferrita α: solução sólida intersticial de carbono no ferro CCC, a solubilidade (sólida) máxima do carbono no ferro CCC é de 0,02%. Austenita γ: solução sólida intersticial de carbono no ferro CFC, a solubilidade (sólida) máxima do carbono na austenita é de 2%. Cementita (Fe 3 C): composto intermetálico Fe 3 C; substância dura e frágil. Ferrita δ: solução sólida de carbono intersticial no ferro δ. Como a ferrita α, tem estrutura CCC, embora tenha um parâmetro de rede superior. A solubilidade do carbono no ferro δ é de 0.,09%. Perlita: α+fe 3 C Ledeburita: γ+ Fe 3 C 31
32 Diagrama de fases Ferro-Carbono. 32
33 Diagrama Metaestável Fe-Fe 3 C Componentes ou Elementos: Fe C Fe 6,66% C Fases: + Fe 3 C Fe 3 C + Fe 3 C Fe Fe 3 C 33
34 Diagrama Metaestável Fe-Fe 3 C Constituintes: Fe 3 C Perlita ( +Fe 3 C) Ledeburita ( +Fe 3 C) Ledeburita ( +Fe 3 C) Transformada Const. Monofásicos Const. Bifásicos 34
35 Diagrama de fases Ferro-Carbono. 35
36 36
37 Micrografia: (a) Ferrita (x90) e (b) austenita (x325) 37
38 Microestruturas nas ligas Fe-C Transformação de um aço eutetóide (0,8% de C) em arrefecimento lento. No ponto a sua estrutura permanece austenítica. Abaixo da temperatura eutetóide, ponto b, aparece uma estrutura lamelar denominada perlita. 38
39 (a) (b) (a)microestrutura de um aço eutetóide arrefecido lentamente. Consiste em perlita lamelar. A fase mais escura é a cementita, e a fase branca ferrita. (b) Representação esquemática da formação de perlita da austenita: a direção da difusão do carbono está indicado pelas setas. 39
40 Transformação de uma aço hipoeutetóide (0,76% de C) em arrefecimento lento. A 875ºC, no ponto c, a microestrutura se constitui apenas de austenita. No ponto d se observa γ+α. No ponto f toda a austenita presente se transforma em perlita. 40
41 Microestrutura de um aço carbono hipoeutetóide com 0,38% de carbono arrefecido lentatamente. O constituinte branco é a ferrita pró-eutetoíde; o constituinte escuro é a perlita. 41
42 Transformação de um aço hipereutetóide arrefecido lentamente. Em g se observa apenas austenita, em h, austenita e cementita. No ponto i toda a austenita remanescente é convertida em perlita, de forma que a microestrutura resultante consiste de perlita e cementita próeutetóide. 42
43 Microestrura de um aço carbono hipereutetóide com 1,4% de carbono arrefecido lentamente. O constituinte branco é a cementita pró-eutetoíde que se formou nos contornos de grão da austenita inicial; o constituinte escuro é perlita lamelar grosseira. 43
44 Influência de outros elementos de liga (a) (b) (a) Variação da temperatura eutetóide em função da concentração de diversos elementos de liga, (b)variação da composição eutetóide (%C) em função da concentração dos elementos de liga. 44
45 Diagrama de fases dos materiais cerâmicos (a) (b) (a) Diagrama de equilíbrio do sistema oxido de alumínio - oxido de cobre e (b) do sistema oxido de alumínio - oxido de magnésio, (ss significa solução sólida). 45
46 Diagrama de equilíbrio do sistema sílica-alumina 46
47 Diagrama de equilíbrio do sistema ZrO 2 CaO 47
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