DIAGRAMA DE FASES Clique para editar o estilo do título mestre

Transcrição

1 Introdução São diagramas que mostram regiões de estabilidade das fases, através de gráficos que representam as relações entre temperatura, pressão e composição química.

2 Para que serve: Investigar reações Químicas; Entender a microestrutura dos materiais; Prever as suas propriedades; Etc

3 Sistema Série de possíveis ligas com mesmos componentes, mas composições e microestruturas distintas Ex: Sistema Cobre-Oxigênio A variação da composição de oxigênio leva a diferentes estruturas microscópicas, bem como à formação de diferentes fases

4 Solução sólida Fase homogênea que contem 2 ou mais componentes (solutos) dissolvidos em um solvente. Ex: Latão: Liga com até 30% de Zinco em Cobre

5 Fase Uma porção de um sistema que possui propriedades e composição homogêneas e que é fisicamente distinta das outras partes do sistema. Cr+ 3% Nb Região de contorno de grão

6 Equilíbrio termodinâmico Um sistema está em equilíbrio se a sua energia livre (G) se encontra em um valor mínimo para alguma combinação específica de temperatura, pressão e composição

7 Energia Livre de Gibbs A Energia Livre de Gibbs é uma medida de estabilidade de um sistema de fases. Quando a variação dessa energia é nula, diz-se que o sistema está em equilíbrio ou está estável.

8 Energia Livre de Gibbs (G) G = H T S Onde: H = entalpia do sistema; T = temperatura; S = entropia do sistema.

9 Entalpia (H) Entalpia é o conteúdo de calor de um sistema, à pressão constante de fórmula: H = E + PV Onde: E =energia interna do sistema; P =pressão; V =volume

10 Entropia (S) É a medida de desordem de um sistema. Quanto maior a desorganização do sistema, maior a entropia. Onde: ds = Q=Quantidade de calor; T= temperatura. dq T

11 Capacidade Calorífica Fonte: Porter e Easterling

12 Entalpia (H) Fonte: Porter and Easterling

13 Entropia (S) Fonte: Porter and Easterling

14 Entropia (S) Fonte: Porter e Easterling

15 Limite de solubilidade A uma dada temperatura existe uma concentração máxima de soluto que pode se dissolver no solvente. Esse limite chama-se limite de solubilidade.

16 Água e açúcar

17 Solubilidade Total

18 Efeito da Pressão

19 Efeito da Pressão

20 Microestrutura A microestrutura pode ser observada por microscópio ótico ou eletrônico. Podem ser identificadas as fases e a quantidade delas no material. Cada fase possui propriedades diferentes. Superliga de Niquel Nimonic (Ni+Co) 400X Ti 6Al-4V 400X Aço Comum Baixo Carbono Al+4% Cu Cu+Sn Estrutura Dentrítica Cu+Zn - Latão

21 Microestrutura de um aço O Aço possui diversas microestruturas definidas pelo seu diagrama de fases e pelos diferentes métodos de processamento utilizados

22 Microestrutura de um aço Austenita Perlita ( + Fe 3 C) + Fase próeutetóide (Ferrita ou cementita) Bainita ( + Fe 3 C) Martensita (fase tetragonal) Martensita Revenida ( + Fe 3 C) Resfriamento lento Resfriamento moderado Resfriamento rápido (têmpera) Reaquecimento

23 Microestrutura de um aço Resfriamento lento Resfriamento moderado Resfriamento rápido (têmpera) Reaquecimento

24 Identificação das Fases Existem fronteiras onde há uma mudança abrupta de propriedades. Esses conjuntos de propriedades são definidas pelas fases presentes. Micrografia de Compósito de Matriz metálica (Alumínio) com partículas cerâmicas

25 Tipos de diagramas Binários Ternários Quaternários

26 Binário

27 Ternário

28 Interpretação do diagrama 1. Quais fases estão presentes? 2. Qual é a composição das fases? 3. Qual é a fração relativa das fases?

29 Regra da alavanca A regra da alavanca é um método de determinação da quantidade de cada fase presente no material

30 Regra da alavanca

31 Regra da alavanca W L = S ( R + S ) = ( C C ) α 0 ( C C ) α L Fração em peso de Líquido (W L ) W α = R ( R + S ) = ( C C ) 0 L ( C C ) α L Fração em peso de sólido (W α )

32 Reações de Fases 1. Reação Eutética 2. Reação Eutetóide 3. Reacão Peritética

33 Reações de Fases Reação Eutética Resfriamento L( C ) α ( C ) + β ( C E αe βe aquecimento )

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35 Reação Eutética Líquido Sólido α + Sólido β Microestrutura Eutética da Liga Nb (81.8%) Si (18.2%): Nióbio é a fase clara, dispersa na matriz de Nb3Si

36 Reação Eutetóide Sólido Sólido γ + Sólido ε Sólido Sólido γ + Sólido ε Crescimento de microestrutura Eutetóide em aço:

37 Reação Eutetóide Sólido Sólido γ + Sólido ε Exemplos de microestrutura Euteróide em Aços Crescimento de microestrutura Eutetóide em aço:

38 Reação Peritética: Líquido + sólido A sólido B

39 Diagrama de Fases - Parte II

40 No equilíbrio Reações ocorrem com composições do líquido e do sólido homogêneas Há tempo o suficiente para a difusão em ambas as fases

41 Fora do equilíbrio O primeiro metal formado é mais rico em soluto; Não há tempo para que a difusão leve a composição química das fases à posição de equilíbrio; A variação da concentração de soluto real desloca a linha Sólidus.

42 Microestruturas Resultantes Diagrama de fases Chumbo - Estanho

43 Microestruturas Resultantes Segundo a regra da alavanca, haverão proporções específicas de fase α e β na composição acima, mas a morfologia depende do histórico de resfriamento

44 Microestruturas Resultantes Concentração de soluto menor que α da linha Solvus. Formação de grão de a diretamente a partir do líquido.

45 Microestruturas Resultantes Concetração de Soluto acima da linha solvus, mas abaixo da concentração mínima para Eutético (CEα) Nucleação de fase β no interiror de grão já formados de α

46 Microestruturas Resultantes Concentração de Soluto igual a Composição Eutética da Liga Formação de microestrutura eutética a partir do líquido L( 61,9% Sn) α (18,3% Sn) + β (97,8% Sn) p p p

47 Microestruturas Resultantes Concentração de Soluto entre a Composição Eutética (CE) e CEα; Formação de grãos de α a partir do líquido, mas havendo líquido remanescente ao chegar a Temperatura Eutética; Formação de microestrutura eutética a partir do líquido,entre os grãos de α Pré-Eutetóides; Com composição entre CE e CEβ, a microestrutura é análoga.

48 Diagramas com muitas transformações Diagrama Cobre - Zinco

49 Diagramas com muitas transformações Diagrama Cobre - Zinco

50 Compostos Intermediários Diagrama Ferro-Alumínio Diagrama Ouro-Estanho Diagrama Estanho-cobre Algumas ligas possuem compostos Inter-Metálicos: Composições específicas aonde os dois metais formam uma fase de estequiometria e cristalografia definida (substituição de átomos na rede em posições específicas). Ex: Cu3Sn, AuSn, FeAl2, Fe2Al5, etc...

51 Diagrama de Fases - Parte III Transformações congruentes

52 Reações Congruentes: Ocorrem quando um líquido da origem a um líquido de propriedades diferentes e mais uma fase sólida

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54 Diagrama Fe-Fe 3 C Ferrita (90x) Austenita (325x)

55 Perlita (α + Fe 3 C) Microestrutura resultante do resfriamento rápido de uma liga composta de fase γ (austenita) com composição eutetóide ( 0,76% C)

56 Perlita (α + Fe 3 C) Aço eutetóide com microestrutura perlítica Liga eutetóide ( 0,76% C)

57 Liga Hipoeutetóide Aço (0,38% C) com microestrutura composta de perlita e ferrita proeutetóide

58 Liga Hipereutetóide Aço ( 1,4% C) com microsestrutura constituida de cementita proeutetóide (branca) que envolve as colônias de perlita

59 Influência de outros elementos de liga

60 Diagrama de fases dos materiais cerâmicos

61 Lei das Fases de Gibbs P + F = C + N Onde: P= número de fases F= números de graus de liberdade C= componentes do sistema N= quantidade de variáveis não relacionadas com a composição (temperatura, pressão...)

62 Lei das Fases de Gibbs P + F = C + N 2 + F = F= 1 ( grau de liberdade) Pressão constante (1 atm) N = 1 (temperatura é a única variável) C= 2 ( Cu e Ag) Faz-se necessário especificar a temperatura e a composição para determinar o número de fases. Por exemplo: Para a temperatura T 1 e composições entre Cα e C L, existem 2 fases (α e líquida) P= 2