Unidade 8 DIAGRAMAS DE FASES. ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais

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1 1 ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Unidade 8 DIAGRAMAS DE FASES PMT Fundamentos de Ciência e Engenharia dos Materiais 1º semestre de 2017

2 Por que estudar Diagramas de Fases? 2 Os diagramas de fases relacionam temperatura, composição química e quantidade das fases em equilíbrio. Um diagrama de fases é uma espécie de mapa que mostra quais fases são as mais estáveis nas diferentes composições, tempera-turas e pressões. A MICROESTRUTURA dos materiais pode ser relacionada diretamente com o diagrama de fases. Existe uma relação direta entre as propriedades dos materiais e as suas microestruturas. Exemplo : Diagrama de Fases do Sistema Pb-Sn

3 3 Definições (1) COMPONENTES São os elementos químicos e/ou compostos que constituem uma fase. 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 barra da liga ao lado, com 40% de Sn. Definição 2: série de fases possíveis formadas pelos mesmos componentes, independendo da composição específica. Exemplo: o sistema Pb-Sn. Exemplo : Diagrama de Fases do Sistema Pb-Sn

4 Definições (2) 4 FASE Uma parte estruturalmente homogênea do sistema, que possui propriedades físicas e químicas características. Exemplo: fases a e b da liga abaixo, que contém, ambas, Al e Cu porém, com porcentagens diferentes de Al e Cu em cada uma!

5 Informações que podem ser obtidas a partir dos Diagramas de Fases 5 Temperaturas de fusão/solidificação Número de fases presentes em função da temperatura Composição química das fases Quantidade relativa de cada uma das fases Limites de solubilidade Previsão da microestrutura O que um diagrama de fases não diz: não fornece nenhuma informação a respeito do tempo!

6 Diagramas de Fases são diagramas de equilíbrio! 6 Equilíbrio mecânico Parede não rígida: móvel Propriedade termodinâmica: pressão Equilíbrio térmico Parede diatérmica: permite o fluxo de calor Propriedade termodinâmica: temperatura Equilíbrio de fases Parede permeável Propriedade termodinâmica: potencial químico Inicial P 1 > P 2 T 1 > T 2 Fora do equilíbrio P 1 P 2 T 1 Fluxo de calor T 2 i C 1 i,1 Fluxo de massa i,2 i C 2 G i Ni p, T, N j dg dh TdS P 1 > P e > P 2 T 1 >T e > T 2 1 = e = 2 Final Equilíbrio P e P e T e T e e e i i C Ce, 2 e, 1

7 Tipos de Diagramas de Fases 7 DIAGRAMAS DE FASES Unário: 1 componente; variáveis (P, T) Ex: H 2 O, Fe Binário: 2 componentes; variáveis (T, x) P = constante Ex: BaO/TiO 2, Al-Si Ternário: 3 componentes; variáveis (x) P = 1 atm e T= constante Ex: Fe-Cr-Ni, BaO + CaO + TiO 2

8 Tipos de Diagramas de Fases 8 Unário: 1 componente; variáveis (P, T) Ex: H 2 O, Fe DIAGRAMAS DE FASES

9 Tipos de Diagramas de Fases 9 Binário: 2 componentes; variáveis (T, x) P = constante Ex: BaO/TiO 2, Al-Si DIAGRAMAS DE FASES

10 Tipos de Diagramas de Fases 10 Ternário: 3 componentes; variáveis (x) P = 1 atm e T= constante Ex: Fe-Cr-Ni, BaO + CaO + TiO 2 DIAGRAMAS DE FASES

11 Sistemas com um único componente 11 O equilíbrio entre duas fases num sistema monocomponente chamase equilíbrio univariante. Diagrama de Fases da água Diagrama de Fases do ferro ALOTROPIA

12 Limite de solubilidade 12 Para uma determinada temperatura, existe uma concentração máxima de átomos de soluto que pode ser dissolvida no solvente formando uma solução sólida. Essa concentração máxima é chamada LIMITE DE SOLUBILIDADE. Água Açúcar

13 Sistemas Binários : Diagramas de Equilíbrio de Fase Isomorfos 13 Num sistema binário isomorfo, os dois componentes são completamente solúveis um no outro. Compon. Raio atômico Estrut. crist. Mismatch Valência Eletroneg. Ni (solvente) Cu (soluto) 0,125 nm 0,128 nm 2,3% CFC 2+ 1,9 2,3% CFC 1+ 1,9 Diagrama de fases do Sistema Cu - Ni

14 14 A leitura de diagramas de fases é feita primeiramente definindo-se uma liga de interesse, como por exemplo 35% Ni. Na temperatura de 1300 o C (ponto a) a fase em equilíbrio termodinâmico é a fase líquida com 35% de Ni. Na temperatura de 1261 o C (ponto b), que é a temperatura líquidus desta liga, começa a solidificação. Nesta temperatura estão em equilíbrio termodinâmico o líquido com 35% de Ni e os primeiros núcleos de sólido com 46% de Ni. Na temperatura de 1247 o C (ponto c) estão em equilíbrio termodinâmico o líquido com 32% de Ni e o sólido com 43% de Ni. Na temperatura de 1214 o C (ponto d), que é a temperatura solidus desta liga estão em equilíbrio termodinâmico o último líquido com 24% de Ni e o sólido com 35% de Ni. Na temperatura de 1186 o C (ponto a) a fase em equilíbrio termodinâmico é a fase sólida com 35% de Ni, que apresenta a microestrutura da liga de interesse Sistema Cu-Ni

15 15 A leitura de diagramas de fases é feita primeiramente definindo-se uma liga de interesse, como por exemplo 35% Ni. Na temperatura de 1300 o C (ponto a) a fase em equilíbrio termodinâmico é a fase líquida com 35% de Ni. Na temperatura de 1261 o C (ponto b), que é a temperatura líquidus desta liga, começa a solidificação. Nesta temperatura estão em equilíbrio termodinâmico o líquido com 35% de Ni e os primeiros núcleos de sólido com 46% de Ni. Na temperatura de 1247 o C (ponto c) estão em equilíbrio termodinâmico o líquido com 32% de Ni e o sólido com 43% de Ni. Na temperatura de 1214 o C (ponto d), que é a temperatura solidus desta liga estão em equilíbrio termodinâmico o último líquido com 24% de Ni e o sólido com 35% de Ni. Na temperatura de 1186 o C (ponto a) a fase em equilíbrio termodinâmico é a fase sólida com 35% de Ni, que apresenta a microestrutura da liga de interesse Sistema Cu-Ni

16 16 A leitura de diagramas de fases é feita primeiramente definindo-se uma liga de interesse, como por exemplo 35% Ni. Na temperatura de 1300 o C (ponto a) a fase em equilíbrio termodinâmico é a fase líquida com 35% de Ni. Na temperatura de 1261 o C (ponto b), que é a temperatura líquidus desta liga, começa a solidificação. Nesta temperatura estão em equilíbrio termodinâmico o líquido com 35% de Ni e os primeiros núcleos de sólido com 46% de Ni. Na temperatura de 1247 o C (ponto c) estão em equilíbrio termodinâmico o líquido com 32% de Ni e o sólido com 43% de Ni. Na temperatura de 1214 o C (ponto d), que é a temperatura solidus desta liga estão em equilíbrio termodinâmico o último líquido com 24% de Ni e o sólido com 35% de Ni. Na temperatura de 1186 o C (ponto a) a fase em equilíbrio termodinâmico é a fase sólida com 35% de Ni, que apresenta a microestrutura da liga de interesse Sistema Cu-Ni

17 17 A leitura de diagramas de fases é feita primeiramente definindo-se uma liga de interesse, como por exemplo 35% Ni. Na temperatura de 1300 o C (ponto a) a fase em equilíbrio termodinâmico é a fase líquida com 35% de Ni. Na temperatura de 1261 o C (ponto b), que é a temperatura líquidus desta liga, começa a solidificação. Nesta temperatura estão em equilíbrio termodinâmico o líquido com 35% de Ni e os primeiros núcleos de sólido com 46% de Ni. Na temperatura de 1247 o C (ponto c) estão em equilíbrio termodinâmico o líquido com 32% de Ni e o sólido com 43% de Ni. Na temperatura de 1214 o C (ponto d), que é a temperatura solidus desta liga estão em equilíbrio termodinâmico o último líquido com 24% de Ni e o sólido com 35% de Ni. Na temperatura de 1186 o C (ponto a) a fase em equilíbrio termodinâmico é a fase sólida com 35% de Ni, que apresenta a microestrutura da liga de interesse Sistema Cu-Ni

18 18 A leitura de diagramas de fases é feita primeiramente definindo-se uma liga de interesse, como por exemplo 35% Ni. Na temperatura de 1300 o C (ponto a) a fase em equilíbrio termodinâmico é a fase líquida com 35% de Ni. Na temperatura de 1261 o C (ponto b), que é a temperatura líquidus desta liga, começa a solidificação. Nesta temperatura estão em equilíbrio termodinâmico o líquido com 35% de Ni e os primeiros núcleos de sólido com 46% de Ni. Na temperatura de 1247 o C (ponto c) estão em equilíbrio termodinâmico o líquido com 32% de Ni e o sólido com 43% de Ni. Na temperatura de 1214 o C (ponto d), que é a temperatura solidus desta liga estão em equilíbrio termodinâmico o último líquido com 24% de Ni e o sólido com 35% de Ni. Na temperatura de 1186 o C (ponto a) a fase em equilíbrio termodinâmico é a fase sólida com 35% de Ni, que apresenta a microestrutura da liga de interesse Sistema Cu-Ni

19 19 A leitura de diagramas de fases é feita primeiramente definindo-se uma liga de interesse, como por exemplo 35% Ni. Na temperatura de 1300 o C (ponto a) a fase em equilíbrio termodinâmico é a fase líquida com 35% de Ni. Na temperatura de 1261 o C (ponto b), que é a temperatura líquidus desta liga, começa a solidificação. Nesta temperatura estão em equilíbrio termodinâmico o líquido com 35% de Ni e os primeiros núcleos de sólido com 46% de Ni. Na temperatura de 1247 o C (ponto c) estão em equilíbrio termodinâmico o líquido com 32% de Ni e o sólido com 43% de Ni. Na temperatura de 1214 o C (ponto d), que é a temperatura solidus desta liga estão em equilíbrio termodinâmico o último líquido com 24% de Ni e o sólido com 35% de Ni. Na temperatura de 1186 o C (ponto a) a fase em equilíbrio termodinâmico é a fase sólida com 35% de Ni, que apresenta a microestrutura da liga de interesse Sistema Cu-Ni

20 Regra da Alavanca 20 É usada para se determinar as quantidades das fases em equilíbrio em um campo de duas fases. W a C C 0 a C C L L

21 Regra da Alavanca 21 Dedução Chega-se à regra da alavanca simplesmente através de um balanço de massa. Consideremos W L e W a as frações mássicas, respectivamente, da fase líquida, L, e da fase sólida, a. O níquel está em cada uma das fases, em concentração C L (no líquido) e C a (no sólido) As duas equações abaixo podem ser escritas: W W L L W C L a W 1 W 1 W ( eq. I) a C a L a C0 ( eq. II) ( 1 W ) C L W C C C L W a W C a L W a a C a a 0 C 0 a ( Ca CL) C0 C L W a C C 0 a C C Se, ao invés de isolar W L na (eq.i) isolarmos W a, chega-se à equação da fração de fase líquida. L L

22 Regra da Alavanca 22 W L W a 1 W L C C a a C C O L W a C C 0 a C C L L

23 ...um outro exemplo de sistema binário isomorfo... 23

24 Diagramas de Fases Eutéticos 24 O equilíbrio entre três fases ocorre a uma determinada temperatura (T E ) e a uma determinada composição (C E ), formando dois sólidos a partir de um líquido, todos com composições fixas.

25 Diagramas de Fases Eutéticos 25 O equilíbrio entre três fases ocorre a uma determinada temperatura (T E ) e a uma determinada composição (C E ), formando dois sólidos a partir de um líquido, todos com composições fixas. Patamar eutético: onde ocorre a reação eutética

26 Diagramas de Fases Eutéticos 26

27 Diagramas de Fases Eutéticos 27

28 Diagramas de Fases Eutéticos 28

29 Microestruturas Sistemas Eutéticos 29

30 30 Microestrutura Monofásica É comum ser muito pequena a faixa de composições químicas em que pode se formar uma estrutura monofásica (por exemplo, a).

31 31 Precipitação Se a temperatura desce abaixo da temperatura da linha solvus, o limite de solubilidade de Sn no Pb é atingido. Ocorre a precipitação da fase b, de reticulado cristalino distinto do reticulado da fase a e com distintas propriedades físicoquímicas, no interior da fase a.

32 Transformação Eutética 32 A transformação eutética corresponde à formação de uma mistura de duas fases (a + b) a partir do líquido, formando um arranjo interpenetrado A fase escura é a fase a, rica em Pb; a fase clara é a fase b rica em Sn T=T eut Crescimento cooperativo

33 Microestrutura Hipoeutética 33 Em ligas hipo-eutéticas ocorre inicialmente precipitação de fase primária fase a pró-eutética. O líquido eutético residual L (de composição 61,9% Sn) sofre a transformação eutética. Essa quantidade de líquido se transforma em microestrutura eutética [ a (18,3% Sn) +b (97,8%Sn) ].

34 Regra da Alavanca Sistemas Eutéticos 34 Liga Pb30%Sn 200 o C 2 fases: a e L Fase a: 17%Sn Fase L: 57%Sn 100 o C 2 fases: a e b Fase a: 5%Sn Fase b: 97%Sn

35 35 TIPOS DE DIAGRAMAS DE FASES BINÁRIOS o Aqueles que apresentam solubilidade total em todas as proporções nos estados líquido e sólido: Sistemas isomorfos. o Aqueles que apresentam solubilidade total em todas as proporções no estado líquido, mas cuja solubilidade é nula ou restrita (ou até mesmo nula) no estado sólido: Sistemas eutéticos; Sistemas eutetóides; Sistemas peritéticos; Sistemas peritetóides. o Aqueles que apresentam solubilidade limitada nos estados líquido e sólido: Sistemas monotéticos; Sistemas sintéticos.

36 TIPOS DE DIAGRAMAS DE FASES BINÁRIOS 36

37 Diagramas de Fases Eutetóide 37 EUTÉTICO EUTETÓIDE

38 Diagramas de Fases Eutetóide 38 Sistema Fe-C Aços Ferros fundidos A metalurgia do ferro é uma das bases da civilização há pelo menos anos e é um dos pilares da sociedade industrial. A liga Fe-C que sofre reação eutética é chamada de ferrofundido Dependendo da velocidade de resfriamento o carbono pode precipitar de duas formas Grafite (estável) Fe 3 C (metaestável): cementita

39 Diagrama de Fases Fe-Fe 3 C 39 o O carbono forma uma solução sólida intersticial com o Fe, mas com solubilidade limitada. o Atingido o limite de solubilidade, precipita grafite ou Fe 3 C. o A solubilidade do C na ferrita (a) é muito baixa (0,020 %) comparada com a solubilidade na austenita (g) (2,04 %). o PERLITA (não é fase, é microestrutura!) o Microestrutura formada por lamelas alternadas Fe 3 C e ferrita.

40 Diagrama de Fases Fe-Fe 3 C 40 Austenita TRANSFORMAÇÃO EUTETÓIDE: Fe-g (Fe-a + Fe 3 C) Microestrutura PERLÍTICA Ferrita Crescimento cooperativo

41 Diagrama de Fases Fe-Fe 3 C 41 o O carbono forma uma solução sólida intersticial com o Fe, mas com solubilidade limitada. o Atingido o limite de solubilidade, precipita grafite ou Fe 3 C. o A solubilidade do C na ferrita (a) é muito baixa (0,020 %) comparada com a solubilidade na austenita (g) (2,04 %). o PERLITA (não é fase, é microestrutura!) o Microestrutura formada por lamelas alternadas Fe 3 C e ferrita.

42 Perlita 42

43 Microestrutura Hipoeutetóide 43 Ponto c: Grãos de Austenita (g) estrutura CFC Ponto d: Nucleação e crescimento da ferrita (a CCC) nos contornos de grão da austenita (g CFC). Os contornos de grão apresentam elevada energia interfacial que é aproveitada facilitando a nucleação da nova fase. Ponto e: Aumento da proporção de ferrita na austenita. Ponto f: Fase a proeutetóide + perlita [=microestrutura (a + Fe 3 C)].

44 44 Ponto f: como a temperatura está abaixo da temperatura eutetóide, há o crescimento de perlita [=microestrutura (a + Fe 3 C)] a partir da austenita de composição eutetóide. Microestrutura Hipoeutetóide

45 Microestrutura Hipereutetóide 45 Hipoeutetóide (Aço) Hipereutetóide (Ferro Fundido)

46 Microestrutura Hipoeutetóide 46 Ferrita (a) Proeutetóide Perlita (a + Fe 3 C)

47 Regra da Alavanca Composição Hipoeutetóide 47...a 728 o C 727 o C...a 725 o C Assumindo C 0 = 0,5 : % a proeutetóide = 35,2% % cementita = 7,2% % perlita = 64,8% % a perlita = 57,6% % a TOTAL = 92,8% ou

48 Regra da Alavanca Composição Hipereutetóide 48...a 728 o C 727 o C...a 725 o C Assumindo C 1 = 1,0 : % Cem proeutetóide = 4,0% % a = 85,4% % perlita = 96,0% % Cem. perlita = 10,6% % Cem. TOTAL = 14,6% ou

49 ...finalizando : Diagramas de Fases 49 Ao final do estudo dos conteúdos desta Unidade você deve ser capaz de: definir o que se entende por componente, fase, sistema e equilíbrio de fases. definir quais são as informações que podem ser obtidas e quais as que não podem ser obtidas a partir de um diagrama de fases. esquematizar diagramas de fase unários, binários e ternários. ler as informações contidas em diagramas de fases binários: quantas e quais são as fases presentes; composições da(s) fase(s) presente(s); temperaturas de transição de fases. calcular as quantidades relativas das fases presentes em diagramas de fases binários, por meio da regra da alavanca. esquematizar as microestruturas que podem ser obtidas por meio de aquecimento ou resfriamento de composições definidas de sistemas binários (isomórficos, eutéticos e eutetóides).

50 50 Referências Callister, W.D. Materials Science and Engineering: An Introduction. 7 th Ed. Wiley Cap.9. Obs.: outras edições do livro do Callister existentes nas bibliotecas da EP, em inglês ou português, também cobrem o conteúdo apresentado nesta Unidade. Shackelford, J.F. Ciência dos Materiais. 6ª Ed. Pearson Cap. 9. Askeland, D.R.; Phulé, P.P. Ciência e Engenharia dos Materiais. Cengage Learning Caps