Instituto de Ciência e Tecnologia de Sorocaba. Materiais e Reciclagem. 5 Diagramas de Fases. Professor Sandro Donnini Mancini

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1 Instituto de Ciência e Tecnologia de Sorocaba Materiais e Reciclagem 5 Diagramas de Fases Professor Sandro Donnini Mancini Sorocaba, Março de FASE Só o estado de agregação (sólido, líquido e gasoso) nem sempre é suficiente para definir fases. No estado sólido um elemento (ou um composto ou uma liga) pode existir em estruturas cristalinas diferentes, que acomodam melhor seus componentes de acordo com variações de temperatura e/ou pressão. Fases podem ser observadas em microscópios. 1

2 Aço com 0,03% de carbono nt/abaaafpqcag/tratamentotermico-cap-02 Ferrita parte clara (Ferro CCC com carbono dissolvido) (limite de solubilidade: 0,008% à T amb ) Perlita parte escura ferrita com lamelas de Fe 3 C Duas fases (ferrita e perlita) coexistindo na temperatura ambiente. Diagramas Binários Ilustram a temperatura em função da composição de uma liga de dois componentes. Basicamente, há dois tipos de gráficos: Solubilidade total no estado sólido, ou seja, há uma fase só no estado sólido. Ocorre em pouquíssimas ligas, como Cu-Ni e NiO-MgO Solubilidade parcial no estado sólido Duas fases no estado sólido. 2

3 Diagramas são construídos a partir de curvas T x t para composições fixas Moffat, W.G., Pearsall, G.W. e Wulff,J. Ciência dos Materiais. v. 1 (Estrutura). Trad. Juarez V. Távora. Ed. Livros Técnicos e Científicos. Rio de Janeiro, p. Diagramas Binários T x composição da liga Liga: Cu - Ni T fusão Ni tal/professores/daniela/materiai s/aula_5 Diagrama_de_fases. pdf T fusão Cu Linha liquidus representa a coexistência da fase líquida, em equilíbrio, com o sólido. Linha solidus representa a coexistência da fase sólida, em equilíbrio, com o líquido. 3

4 Diagramas Binários T x composição da liga Foi comprado 1kg de liga Cu-Ni com 40% em peso de Níquel. Logo, a liga tem 60% de Cu. Liga: 60% Cu / 40% Ni T fusão Ni tal/professores/daniela/materiai s/aula_5 Diagrama_de_fases. pdf T fusão Cu Qual a quantidade de fases presentes a 1400 o C? E a 1260 o C? E a 1100 º C? Quais são as fases presentes em cada uma dessas temperaturas? Qual a composição de cada fase presente em cada temperatura? Qual a quantidade relativa de cada fase presente em cada temperatura? Qual a quantidade de fases presentes em 1400 o C, 1260 o C e 1100 o C? Quais são as fases presentes em cada temperatura? Observação direta no diagrama. Liga: 60% Cu / 40% Ni Temperatura Número de Fases Fase(s) Presente(s) 1400 o C 1 L 1260 o C 2 α (sólido) + L 1100 o C 1 α 4

5 Qual a composição das fases em cada temperatura? Em temperaturas com uma fase só: coincidente com a composição da liga no ponto. Em temperaturas com duas fases: projeção horizontal nas linha solidus e liquidus, para saber quanto a fase sólida e a líquida tem de cada componente, respectivamente. tal/professores/daniela/materiai s/aula_5 Diagrama_de_fases. pdf Temperatura Número de Fases Fase(s) Presente(s) Composição da(s) Fase(s) 1400 o C 1260 o C 1100 o C 1 L 40% Ni e 60% Cu 2 α 48%Ni e 52% Cu L 36%Ni e 64%Cu 1 α 40% Ni e 60% Cu Qual a quantidade relativa de cada fase em cada temperatura? O quanto tem de α e líquido em cada temperatura? Regiões com uma fase só: 100% da fase 1400 o C 100% de L 1100 o C 100% de α Regiões com duas fases: cálculo por balanço de massa. Em 1260 o C Em termos de Cu: 0,64L + 0,52α = 0,6 Em termos de Ni: 0,36L + 0,48α = 0,4 Resolvendo o sistema: α= 1/3 ou 0,33 L = 2/3 ou 0,67 Liga: 60% Cu / 40% Ni tal/professores/daniela/materiai s/aula_5 Diagrama_de_fases. pdf T o C No. Fases Fase(s) Presente(s) Composição da(s) Fase(s) 1400 o C 1270 o C 1100 o C 1 L 40% Ni e 60% Cu 2 α 48%Ni e 52% Cu L 36%Ni e 64%Cu 1 α 40% Ni e 60% Cu 5

6 Entendendo de outro jeito... Em 1270 o C o sistema tem duas fases, α e L e calculamos que há 1/3 de α e 2/3 de L Ou seja: α + L = 1; α = 1 L Também obtivemosque: 0,36L + 0,48α = 0,4 0,36L + 0,48(1-L) = 0.4 0,36L + 0,48 0,48L = 0,40 0,36L 0,48L = 0,40 0,48 0,48L 0,36L = 0,48-0,40 L = 0,48 0,40 0,48 0,36 L = 2/3 Inspeção visual da quantidade relativa de fases Regra da Alavanca Shackelford, J.F. Introduction to Materials Science for Engineers 3 a Ed. McMillan Publishing Company. Nova Iorque, p. Considere uma alavanca com apoio na composição dada da liga. Para saber a quantidade relativa de uma fase α, medir o comprimento do braço da alavanca contrário a fase (ou seja, do apoio até o início da fase β) pelo comprimento total da alavanca. Dada uma liga, que à temperatura ambiente possui 50% em peso de um elemento A e 50% em peso do elemento B, determinar: a)o número de fases presentes. b)qual(is) a(s) fase(s) presente(s). c)qual(is) a composição de cada fase presente. d)qual a quantidade relativa de cada fase. 1) Para a temperatura T 1. 2) Para a temperatura T 2. 3) Para a temperatura T 3. T 2 T 3 Shackelford, J.F. Introduction to Materials Science for Engineers 3 a Ed. McMillan Publishing Company. Nova Iorque, p. 6

7 DIAGRAMA FERRO-CARBONO rofessores/daniela/materiais/aula_5 Diagrama_de_fases.pdf Para que o carbono (Grafite) formasse uma fase na solução sólida o resfriamento deve ser extremamente lento ou deve ser adicionado um terceiro elemento, como silício. A fase formada então é um outro composto químico, a cementita (Fe 3 C). O diagrama porém é dado em T x % C DIAGRAMA FERRO-CARBONO 2 componentes, ferro e Fe 3 C rofessores/daniela/materiais/aula_5 Diagrama_de_fases.pdf Fases formadas Líquido Fe puro Fe 3 C mistura delas Fases do Ferro puro: α - ferrita (cúbico de corpo centrado) γ - austenita (cúbico de faces centradas) Define-se: Aço liga Fe-C com pelo menos 0,02% de C (~727 o C) e no máximo 2,11% de C (1.148 o C) (limite de solubilidade do C na austenita) Ferro Fundido liga com teor de carbono entre 2,11% e 6,7% 7

8 DIAGRAMA FERRO-CARBONO rofessores/daniela/materiais/aula_5 Diagrama_de_fases.pdf Áreas importantes: Em torno das reações eutética ( ) e eutetóide ( ) Hipo composições com menos %C que a eutética ou eutetóite Hiper - composições com mais %C que a eutética ou eutetóite Perlita: = estrutura visualizada em microscópio que apresenta camadas alternadas de ferro α (branco-fundo) e Fe 3 C (pretoriscos). DIAGRAMAS Al-Si; Al-Mg Shackelford, J.F. Introduction to Materials Science for Engineers 3 a Ed. McMillan Publishing Company. Nova Iorque, p. 8

9 DIAGRAMA Al-Cu Shackelford, J.F. Introduction to Materials Science for Engineers 3 a Ed. McMillan Publishing Company. Nova Iorque, p. DIAGRAMA Cu-Ni Solução Sólida completa em qualquer proporção Shackelford, J.F. Introduction to Materials Science for Engineers 3 a Ed. McMillan Publishing Company. Nova Iorque, p. 9

10 DIAGRAMA Cu-Zn Composições de latões comerciais situam-se na região de fase única α Shackelford, J.F. Introduction to Materials Science for Engineers 3 a Ed. McMillan Publishing Company. Nova Iorque, p. DIAGRAMA Pb-Sn Shackelford, J.F. Introduction to Materials Science for Engineers 3 a Ed. McMillan Publishing Company. Nova Iorque, p. Liga comum para soldas, principalmente de componentes elétricos e eletrônicos. Composição eutética é adequada para componentes eletrônicos sensíveis à temperatura. Tendência de desuso por conta do chumbo, ou seja, serem substituídas por soldas lead-free. 10

11 DIAGRAMA Al 2 O 3 -SiO 2 (alumina-sílica) Shackelford, J.F. Introduction to Materials Science for Engineers 3 a Ed. McMillan Publishing Company. Nova Iorque, p. Liga comum na indústria de refratários (materiais resistentes à temperatura). Acima de 60% de Al 2 O 3 a temperatura de serviço aumenta muito: aplicadas em fornos siderúrgicos. Shackelford, J.F. Introduction to Materials Science for Engineers 3 DIAGRAMA MgO-Al 2 O 3 ; CaO-ZrO a Ed. McMillan Publishing Company. Nova Iorque, p. 2 Ligas importantes para refratários 11

12 Shackelford, J.F. Introduction to Materials Science for Engineers 3 a Ed. McMillan Publishing Company. Nova Iorque, p. DIAGRAMA NiO-MgO Liga aplicada como refratário. Solução sólida completa em qualquer proporção. DIAGRAMA Cu-Sn (bronze) Van Vlack, L.H. Princípios de Ciência dos Materiais. Trad. L.P.C.Ferrão. Ed. Edgard Blucher. São Paulo, p. 12

13 Van Vlack, L.H. Princípios de Ciência dos Materiais. Trad. L.P.C.Ferrão. Ed. Edgard Blucher. São Paulo, p. DIAGRA MA Fe-Cr Base para o entendimento de aços inoxidáveis: Fe-C-Cr Fe-C-Cr-Ni 13