DIAGRAMAS DE FASE. Prof. Rubens Caram

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Victoria Escobar Caiado
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1 DIAGRAMAS DE FASE Prof. Rubens Caram 1

2 CONCEITOS GERAIS DIAGRAMAS DE FASES: REPRESENTAÇÃO GRÁFICA DAS FASES PRESENTES EM UM SISTEMA MATERIAL DE ACORDO COM AS CONDIÇÕES DE PRESSÃO, TEMPERATURA E COMPOSIÇÃO FASE: EM TERMOS DE MICROESTRUTURA, FASE É UMA REGIÃO QUE DIFERE DE OUTRA EM RELAÇÃO À ESTRUTURA CRISTALINA E/OU COMPOSIÇÃO MAIORIA DOS DIAGRAMAS DE FASE É OBTIDA EM CONDIÇÕES DE EQUILÍBRIO Equilíbrio Instável Equilíbrio Metaestável Equilíbrio Estável INFORMAÇÕES OBTIDAS DE DIAGRAMAS DE FASES: FASES PRESENTES EM DIFERENTES CONDIÇÕES SOLUBILIDADES SÓLIDAS DE UM COMPONENTE NO OUTRO TRANSFORMAÇÕES DE FASE FORMAÇÃO DE NOVAS FASES DE UM SISTEMA R. Caram - 2

DE FASE É OBTIDA EM CONDIÇÕES DE EQUILÍBRIO Equilíbrio Instável Equilíbrio Metaestável Equilíbrio Estável INFORMAÇÕES OBTIDAS DE DIAGRAMAS DE FASES: FASES

3 LIGAS METÁLICAS CONCEITO DE SE ASSOCIAR PUREZA DE UM MATERIAL AO ÓTIMO DESEMPENHO DO MESMO NEM SEMPRE É CORRETO EM ENGENHARIA MAIORIA DOS PRODUTOS METÁLICOS É COMBINAÇÃO DE DOIS OU MAIS ELEMENTOS, COM O OBJETIVO DE APRIMORAR PROPRIEDADES TIPOS DE LIGAS EM FUNÇÃO DA MICROESTRUTURA: LIGAS MONOFÁSICAS EXISTE SOLUBILIDADE DO SOLUTO NO SOLVENTE NÃO OCORRE A FORMAÇÃO DE PRECIPITADOS LIGAS POLIFÁSICAS SOLUBILIDADE DO SOLUTO NO SOLVENTE FOI ULTRAPASSADA, FORMANDO UM SEGUNDA FASE QUE PODE SER: SOLUÇÃO SÓLIDA OU COMPOSTO INTERMETÁLICO R. Caram - 3

MICROESTRUTURA: LIGAS MONOFÁSICAS EXISTE SOLUBILIDADE DO SOLUTO NO SOLVENTE NÃO OCORRE A FORMAÇÃO DE PRECIPITADOS LIGAS POLIFÁSICAS

4 LIGAS METÁLICAS LIGA MONOFÁSICA Austenita LIGA POLIFÁSICA AlNbNi Nb 2 Al Al 3 Nb R. Caram - 4

5 SUBSTÂNCIA PURA FASES: SÓLIDO LÍQUIDO VAPOR NO PONTO TRIPLO: AS TRÊS FASES EM EQUILÍBRIO NA LINHA DE SOLIDIFICAÇÃO: SÓLIDO E LÍQUIDO EM EQUILÍBRIO NA LINHA DE VAPORIZAÇÃO: VAPOR E LÍQUIDO EM EQUILÍBRIO Diagrama de Fases do Cobre R. Caram - 5

SÓLIDO E LÍQUIDO EM EQUILÍBRIO NA LINHA DE VAPORIZAÇÃO:

6 MAIS DE UM COMPONENTE UM DIAGRAMA DE FASE É MUITO ÚTIL QUANDO SE ANALISA A INFLUÊNCIA DA COMPOSIÇÃO NA ESTABILIDADE DE FASES ALÉM DA PRESSÃO E TEMPERATURA, A COMPOSIÇÃO É A OUTRA VARIÁVEL DO SISTEMA INTERPRETAR DIAGRAMAS DE FASES EM FUNÇÃO DAS TRÊS VARIÁVEIS EXIGE O EMPREGO DE FIGURAS TRIDIMENSIONAIS, O QUE TORNA TAL TAREFA COMPLEXA SOLUÇÃO: REDUÇÃO DO NÚMERO DE VARIÁVEIS EM METALURGIA, O ESTADO DE VAPOR É IMPORTANTE EM APENAS POUCAS OCASIÕES NA MAIORIA DOS PROCESSOS INDUSTRIAIS APENAS OS ESTADOS SÓLIDO E LÍQUIDO ESTÃO PRESENTES ASSIM, MANTER A PRESSÃO CONSTANTE E IGUAL A 1 ATM É UMA ALTERNATIVA INTERESSANTE NA ANÁLISE DOS DIAGRAMAS DE FASE. R. Caram - 6

TAREFA COMPLEXA SOLUÇÃO: REDUÇÃO DO NÚMERO DE VARIÁVEIS EM METALURGIA, O ESTADO DE VAPOR É IMPORTANTE EM APENAS POUCAS OCASIÕES NA MAIORIA DOS PROCESSOS INDUSTRIAIS

7 TIPOS DE DIAGRAMAS DE FASES VARIÁVEIS DE DIAGRAMAS DE FASES METÁLICOS: TEMPERATURA E COMPOSIÇÃO Temperatura fase 1 fase 2 fase 3 fase 4 Composição em % em peso ou em % atômica DIAGRAMAS DE FASES COM MAIS DE UM COMPONENTE PODEM SER DE DOIS TIPOS, EM FUNÇÃO DA PRECIPITAÇÃO OU NÃO DE SEGUNDAS FASES DIAGRAMA DE FASES ISOMORFOS APENAS UMA FASE NO ESTADO SÓLIDO EXISTE DIAGRAMA DE FASES ANISOMORFOS DUAS OU MAIS FASES SÓLIDAS SÃO OBSERVADAS R. Caram - 7

PODEM SER DE DOIS TIPOS, EM FUNÇÃO DA PRECIPITAÇÃO OU NÃO DE SEGUNDAS FASES DIAGRAMA DE FASES ISOMORFOS APENAS

8 SISTEMAS ISOMORFOS COMPONENTES TÊM A MESMA ESTRUTURA CRISTALINA RAIOS ATÔMICOS TEM VALORES PRÓXIMOS COMPATIBILIDADE ELETROQUÍMICA EXEMPLO CÁSSICOS: SISTEMA Ni-Cu OBS.: EM DIAGRAMAS DE FASES, AS FASES SÓLIDAS SÃO DESIGNADAS POR LETRAS GREGAS: α, β, χ, δ, ε, φ, γ... R. Caram - 8

9 EXEMPLO R. Caram - 9

10 EXEMPLO R. Caram - 10

11 EXEMPLO R. Caram - 11

12 REGRA DA ALAVANCA REGRA DA ALAVANCA PERMITE DETERMINAR A QUANTIDADE RELATIVA DE UMA FASE PARA UMA DADA CONDIÇÃO % α = C C β β C C O α 100% C C % o β = α 100% C C β α ONDE: Co = CONCENTRAÇÃO DA LIGA C α = CONCENTRAÇÃO DE B NA FASE α C β = CONCENTRAÇÃO DE B NA FASE β %α = QUANTIDADE RELATIVA DA FASE α %β = QUANTIDADE RELATIVA DA FASE β R. Caram - 12

Co = CONCENTRAÇÃO DA LIGA C α = CONCENTRAÇÃO DE B NA FASE α C β = CONCENTRAÇÃO DE B NA

13 SISTEMAS ANISOMORFOS CARACTERIZAM-SE POR FORMAR MAIS DE UMA FASE NO ESTADO SÓLIDO PRINCIPAIS SISTEMAS ANISOMORFOS: SISTEMA EUTÉTICO LÍQUIDO FASE α + FASE β SISTEMAS SEMELHANTES AO EUTÉTICO MONOTÉTICO LÍQUIDO LÍQUIDO + FASE α EUTETÓIDE FASE β FASE α + FASE γ SISTEMA PERITÉTICO LÍQUIDO + FASE β FASE α SISTEMAS SEMELHANTES AO PERITÉTICO PERITETÓIDE FASE α + FASE γ FASE β R. Caram - 13

MONOTÉTICO LÍQUIDO LÍQUIDO + FASE α EUTETÓIDE FASE β FASE α + FASE γ SISTEMA PERITÉTICO LÍQUIDO

14 SISTEMA EUTÉTICO REAÇÃO CARACTERÍSTICA: LÍQUIDO FASE α + FASE β R. Caram - 14

15 SISTEMA EUTÉTICO R. Caram - 15

16 SISTEMA EUTÉTICO R. Caram - 16

17 SISTEMA EUTÉTICO R. Caram - 17

18 SISTEMA EUTÉTICO R. Caram - 18

19 SISTEMA EUTÉTICO R. Caram - 19

20 SISTEMA EUTÉTICO R. Caram - 20

21 LIGAS EUTÉTICAS NiAl Mo Compressive Stress (MPa) NiAl-Mo (300 K) NiAl (300 K) NiAl-Mo (1273 K) NiAl (1273 K) Compressive Strain (%) R. Caram - 21

22 EXERCÍCIO Determine as fases presentes e suas quantidades relativas em uma liga Pb-50%Sn (em peso) nas seguintes condições: À temperatura ambiente A 200 o C A 300 o C R. Caram - 22

23 SISTEMA EUTÉTICO R. Caram - 23

24 SISTEMA Ag-Cu R. Caram - 24

25 SISTEMA Ag-Cu R. Caram - 25

26 SISTEMA EUTÉTICO R. Caram - 26

27 SISTEMA EUTÉTICO Temperatura ( o C) Patamar eutético Líquido Ponto eutético 23,3% -30 Gelo + Sal NaCl % em peso R. Caram - 27

28 SISTEMA MONOTÉTICO REAÇÃO CARACTERÍSTICA: LÍQUIDO LÍQUIDO + FASE α R. Caram - 28

29 SISTEMA MONOTÉTICO R. Caram - 29

30 SISTEMA MONOTÉTICO R. Caram - 30

31 SISTEMA EUTETÓIDE REAÇÃO CARACTERÍSTICA: FASE β FASE α + FASE γ R. Caram - 31

32 SISTEMA EUTETÓIDE R. Caram - 32

33 SISTEMA PERITÉTICO REAÇÃO CARACTERÍSTICA: LÍQUIDO + FASE β FASE α R. Caram - 33

34 SISTEMA PERITÉTICO R. Caram - 34

35 SISTEMA PERITÉTICO R. Caram - 35

36 SISTEMA PERITETÓIDE REAÇÃO CARACTERÍSTICA: FASE α + FASE γ FASE β R. Caram - 36

37 SISTEMA PERITETÓIDE R. Caram - 37

38 EXEMPLO R. Caram - 38

39 EXEMPLO R. Caram - 39

40 EXEMPLO R. Caram - 40

41 EXEMPLO R. Caram - 41

42 EXEMPLO R. Caram - 42

43 EXEMPLO R. Caram - 43

44 OBTENÇÃO DE DIAGRAMAS OBTENÇÃO DE DIAGRAMAS DE FASE ENVOLVE TÉCNICAS SOFISTICADAS COMO A DIFRAÇÃO DE RAIOS-X, DILATOMETRIA E ANÁLISE TÉRMICA ANÁLISE DE CURVAS DE RESFRIAMENTO PERMITE OBTER DIAGRAMAS POUCO COMPLEXOS R. Caram - 44

45 REGRAS DAS FASES PARTINDO DE CONSIDERAÇÕES TERMODINÂMICAS, J.W. GIBBS ESTABELECEU A REGRAS DAS FASES: P+F=C+2 P N O DE FASES QUE COEXISTEM NO SISTEMA P N O DE COMPONENTES NO SISTEMA F GRAU DE LIBERDADE DO SISTEMA OU N O DE VARIÁVEIS (P, T, C) QUE PODEM SER ALTERADAS INDEPENDENTEMENTE SEM ALTERAR A ESTABILIDADE DO SISTEMA R. Caram - 45

46 REGRAS DAS FASES ANÁLISE DO DIAGRAMA PT DA ÁGUA PURA PONTO TRIPLO: P+F=C+2 P=3, C=1 F=0 NENHUMA VARIÁVEL PODE SER ALTERADA UM PONTO SOBRE A LINHA DE SOLIDIFICAÇÃO: P+F=C+2 P=2, C=1 F=1 1 VARIÁVEL PODE SER ALTERADAS UM PONTO DENTRO DE UM CAMPO MONOFÁSICO: P+F=C+2 P=1, C=1 F=2 2 VARIÁVEIS PODEM SER ALTERADAS R. Caram - 46

47 REGRAS DAS FASES ANÁLISE DE DIAGRAMAS BINÁRIOS SISTEMAS METÁLICOS DE INTERESSE SÃO ANALISADOS SOB PRESSÃO CONSTANTE VARIÁVEIS: TEMPERATURA E PRESSÃO: P+F=C+1 QUADRO DE POSSIBILIDADE C COMPONENTES P- FASES F GRAU DE LIBERDADE 2 (T e C DAS FASES) 1 (T ou C DAS FASES) 0 R. Caram - 47

48 REGRAS DAS FASES NO CASO DE 2 FASES EM EQUILÍBRIO EM UM SISTEMA BINÁRIO, F=1 ESCOLHIDA UMA TEMPERATURA NA QUAL 2 FASES ESTEJAM EM EQUILÍBRIO, AS COMPOSIÇÕES DAS MESMAS ESTÃO UNIVOCAMENTE DETERMINADAS MUDANÇA DA TEMPERATURA IMPLICA NA ALTERAÇÃO DE COMPOSIÇÃO DAS FASES C COMPONENTES P- FASES F GRAU DE LIBERDADE 2 (T e C DAS FASES) 1 (T ou C DAS FASES) 0 R. Caram - 48

49 REGRA DAS FASES ANÁLISE DO SISTEMA Pb-Sn (BINÁRIO) P+F=C+1 PONTO 1: P=1, C=2 F=2 PODE-SE ESCOLHER T E C DA FASE PONTO 2: P=2, C=2 F=1 PODE-SE ESCOLHER T OU C DA FASE PONTO 3: P=3, C=2 F=0 NÃO É POSSÍVEL ESCOLHER T OU C R. Caram - 49

50 LIGAS DE ALUMÍNIO ENDURECIMENTO ATRAVÉS DE SOLUBILIZAÇÃO, PRECIPITAÇÃO E ENVELHECIMENTO R. Caram - 50

51 LIGAS DE ALUMÍNIO SÃO DIVIDIDAS EM SÉRIES, DE ACORDO COM O PRINCIPAL ELEMENTO DE LIGA: 1XXX ALUMÍNIO PURO 2XXX COBRE 3XXX MANGANÊS 4XXX SILÍCIO 5XXX MAGNÉSIO 6XXX MAGNÉSIO E SILÍCIO 7XXX ZINCO 8XXX OUTROS ELEMENTOS 9XXX LIGAS NÃO USUAIS R. Caram - 51

52 LIGAS DE ALUMÍNIO R. Caram - 52

53 LIGAS DE ALUMÍNIO 7050 R. Caram - 53

54 LIGAS DE ALUMÍNIO LIGA 6061 R. Caram - 54 titânio

55 LIGAS FERROSAS -LIGAS Fe-C SÃO DIVIDIDAS EM DOIS GRANDES GRUPOS: AÇOS (ATÉ 2,11% DE C) FERROS FUNDIDOS (ACIMA DE 2,11% DE C) R. Caram - 55

56 AÇOS CARBONO Aço 1020 Aço 1045 Aço 1070 Ferrita + perlita Perlita R. Caram - 56

57 AÇOS LIGA CLASSIFICAÇÃO SAE 10XX 11XX 12XX 13XX 23XX 25XX 31XX 33XX 40XX 41XX Tipo de aço Mn 1,75 Ni 3,5 Ni 5,0 Ni 1,25 Cr 0,65 Ni 3,50 Cr 1,55 Mo 0,25 Cr 0,50 ou 0,95, Mo 0,12 ou 0,20 50XX 51XX 61XX 86XX 87XX 92XX 93XX 98XX Cr 0,28 ou 0,40 Cr 0,80 a 1,05 Tipo de aço Cr 0,80 ou 0,95, V 0,10 ou 0,15 min Ni 0,55, Cr 0,50 ou 0,65, Mo 0,20 Ni 0,55, Cr 0,50 ou 0,65, Mo 0,20 Mn 0,85, Si 2,00 Ni 3,25, Cr 1,20, Mo 0,12 Ni 1,00, Cr 0,80, Mo 0,25 43XX Ni 1,80, Cr 0,50 ou 0,80, Mo 0,25 46XX Ni 1,55 ou 1,80, Mo 0,20 ou 0,25 47XX Ni 1,05, Cr 0,45, Mo 0,20 48XX Ni 3,50, Mo 0,25 R. Caram - 57 Aços ferramenta

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