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1 Universidade Federal do Paraná Setor de Tecnologia Departamento de Engenharia Mecânica TM343 Materiais de Engenharia Capítulo 9 Revisão - Diagramas de Fase e Sistema Fe-C Prof. Rodrigo Perito Cardoso

2 Onde estamos? Introdução Revisão dos conceitos de mecanismos de endurecimento e diagramas de fase (invertendo a ordem do Callister) Alumínio e suas ligas Classificação das ligas de Al Tratamentos térmicos das ligas de Alumínio Metalurgia das ligas de Alumínio Ligas ferrosas Aços e ferros fundidos Diagramas TTT e TRC Tratamentos térmicos dos metais ferrosos Metalurgia dos metais ferrosos Tratamentos termoquímicos Noções de Outras ligas (Mg, Ti, Co, Ni, etc)

3 Roteiro da aula Introdução Definições e conceitos básicos Limite de solubilidade Fases Microestrutura Equilíbrio de fases Diagramas de sistemas em condições de equilíbrio Interpretação do diagrama Desenvolvimento da microestrutura Sistemas binários Pontos invariantes Diagramas ternários O Sistema Ferro-carbono

4 Introdução Existência de diversas fases Importante para tratamentos térmicos (mudança de fase) Importante de se conhecer mesmo para casos fora do equilíbrio (tendência final é o equilíbrio) Forte relação com a microestrutura da liga Aço AISI1045 (3000X)

5 Definições e conceitos Componente: metal ou composto Soluto e solvente Sistema: diferentes ligas possíveis com os mesmos componentes Solução sólida Substitucional ou intersticial (estrutura cristalina do solvente é mantida)

6 Limite de solubilidade Concentração máxima de soluto em solução sólida a uma dada temperatura. (ex: água e açúcar) Soma = 100%

7 Fases Porção homogênea do sistema com características físicas e químicas uniformes Ex: água açúcar (xarope + açúcar) Fronteira abrupta de propriedades (ex: solidoliquido) Polimorfismo (CCC - CFC) Sistema homogêneo (1 fase) Mistura (+ de 1 fase) Maioria dos materiais -> Mistura

8 Microestrutura Número de fase, sua porção e como elas estão distribuídas Depende da composição, do tratamento, etc Aço AISI1045 (3000X) Perlita grossa e fina

9 Equilíbrio de fases Equilíbrio -> Energia Livre (energia interna e desordem) O sistema está em equilíbrio se, para uma determinada temperatura, pressão e composição, está com o mínimo de sua Energia Livre -> o sistema não muda com o tempo Se mudarmos temperatura, pressão ou composição o sistema sai do mínimo e uma mudança espontânea pode ocorrer

10 Equilíbrio de fases Aquecimento Nos metais pode envolver somente fases sólidas Não envolve o intervalo de tempo para que o processo ocorra Equilíbrio Metaestável -> cinética lenta

11 Curvas de energia - Alotropia do Ferro:???

12 Diagramas de Fase em Equilíbrio Muitas informação sobre o controle de microestruturas pode ser retirado do digrama de fases -> úteis para previsão de transformações de fase Temperatura, pressão e composição (1 atm)

13 Sistemas Isomorfos Binários É o mais Simples -> 1 Fase sólida (Cu-Ni) Solubilidade total (4 fatores) Sol. Sólida -> letras gregas minúsculas (α, β, γ, etc) Curva liquidus Curva solidus

14 Interpretação dos diagramas 1. Fases presentes -> ver onde o ponto se localiza 2. Composição das fases -> Reta a temperatura cte 3. Porcentagem das fases -> Regra da alavanca B: Fase a + L A: Fase a

15 Regra da alavanca -> Conservação da massa B: Fase a + L Fração Mássica A: Fase a Demonstração

16 Regra da alavanca -> Conservação da massa B: Fase a + L A: Fase a Fração Volumétrica -> pode ser determinada por microscopia (importante)

17 Exercício 1 C Para uma liga 20% Ni + 80% Cu é aquecida lentamente, determine: Temperatura de aparecimento do primeiro líquido e sua composição Temperatura de desaparecimento total do sólido, a composição do líquido nesse momento e a composição do ultimo sólido a fundir Fração de sólido e líquido no ponto C e a composição das fases presentes

18 Exercício 2 Para os pontos A, B e C determinar: A B C 1. Fases presentes 2. Composição destas fases 3. Porcentagem das fases Caso estas ligas sejam resfriadas até a temperatura ambiente lentamente determinar: 1. Fases presentes 2. Composição destas fases 3. Porcentagem das fases

19 Desenvolvimento da microestrutura Ligas isomorfas Resfriamento em condições de equilíbrio (lento) Equilíbrio é mantido b - Curva Liquidus d - Curva Sólidus

20 Desenvolvimento da microestrutura Ligas isomorfas Resfriamento fora das condições de equilíbrio (rápido) animação Mundo real Equilíbrio -> Difusão Difusão lenta no sólido Segregação -> Estrutura Zonada -> contorno funde antes Estrutura Zonada -> corrigida por tratamento térmico de homogeneização Composição média do grão Ainda existe líquido

21 Propriedades mecânicas de ligas isomorfas Tamanho de grão constante Sem Trabalho a Frio Aumento de resistência -> Solução Sólida

22 Sistemas Eutéticos Binários Solubilidade não é total Curva Liquidus Curva Solidus Curva Solvus Ponto invariante (eutético) Três regiões monofásicas e três bifásicas (quais?) Descreva as soluções é a e b? Reação eutética

23 Ex: Solda de estanho Prof. Rodrigo Perito Cardoso

24 Ex: Solda de estanho sem Pb Prof. Rodrigo Perito Cardoso

25 Ex: H 2 O + NaCl Olhando o diagrama: Porque colocar sal sobre o gelo faz com que ele derreta? A partir de que momento colocar mais sal não auxilia no derretimento do gelo?

26 Desenvolvimento da estrutura em ligas eutéticas Diversas possibilidades

27 Desenvolvimento da estrutura em ligas eutéticas

28 Desenvolvimento da estrutura em ligas eutéticas Redistribuição de componentes -> Difusão Estrutura eutética

29 Desenvolvimento da estrutura em ligas eutéticas Difusão no líquido Distâncias curtas

30 Desenvolvimento da estrutura em ligas eutéticas a primária aeutética Microconstituinte de fase 2 fases, dois microconstituintes

31 Calculo dos microconstituintes Se fora do equilíbrio: 1 - Grãos zonados 2 Maior fração do microconstituinte eutético

32 Diagramas de fase com compostos intermetálicos Solução sólida terminal (também presente no eutético) Solução sólida intermediária (fases intermediárias, ex. Cu-Zn - Latão) Solução sólida ordenada (militar) Linha tracejada -> sem exatidão (baixa temperatura - difusão) Compostos intermediários (ex. Mg 2 Pb) -> composição bem definida -> linha vertical

33 Diagramas de fase com intermetálicos

34 Diagramas de fase com compostos intermetálicos Pode ser considerado como dois diagramas de equilíbrio eutéticos (Mg-Mg 2 Pb e Mg 2 Pb-Pb)

35 Reações Eutetóides e Peritéticas Além do eutético existem diversos pontos invariantes Peritético Reação Peritética Eutetóide Reação eutetóide

36 Transformação de fases congruentes e incongruentes Transformação congruente: sem alteração de composição (ex. mudança alotrópica e fusão de metais puros, fusão de compostos) Transformação incongruente: com alteração de composição (maioria das transformações, transformação, ex. eutética e eutetóide e fusão de sistemas isomósfos)

37 Transformação de fases congruentes e incongruentes

38 Diagramas ternários Prof. Rodrigo Perito Cardoso

39 Diagramas ternários Isomorfo Eutético

40 Diagramas ternários Prof. Rodrigo Perito Cardoso

41 Exercício Para a Liga C 4 (30% Sn): Calcular os percentuais mássicos de alpha e beta a 50 C Calcular o percentual mássico do microconstituinte eutético Calcular os percentuais mássicos da fase alpha primária e secundária Calcular os percentuais mássicos da fase beta primária e secundária Calcular o percentual mássicos da fase alpha e beta no microconstiuinte eutético

42 Ferrita - Austenita CCC - CFC Austenita Ferrita d CFC - CCC Prof. Rodrigo Perito Cardoso Diagrama Ferro-Carbono Ferrita d pouca importância Austenita CFC (Fe-Fe 3 C) Ferro Puro 0,008%C Fe 3 C Cementita Dura e frágil Ferrita CCC 7,88 g/cm 3 Aços Ferros Fundidos 6,7% C ou 100% Fe 3 C

43 Ferrita max. C 0,022% Austenita max. C 2,14% CFC é mais densa e tem maior solubilidade? Como?

44 Energia livre de Gibbs para o Fe Transformações espontâneas ocorrem para minimizar a energia (a fase mais estável é aquela que apresenta menor energia livre de Gibbs) Interstícios da Estrutura do Ferro a Interstícios da Estrutura do Ferro Espaço ângstrons 0,19 (0,15R) 0,36 (0,29R) 0,52 (0,41R) 0,29 (0,23R) Raio do Carbono 0,71

45 Particularidades da Cementita Fe 3 C Dura e Frácil -> Composto (cerâmica) Rigorosamente metaestável A 700 C durante alguns anos -> Grafite + ferrita (diagrama não é de equilíbrio) A temperatura ambiente nunca se transforma Adição de Silício acelera a transformação (ferro fundido)

46 Diagrama Ferro-Carbono Pontos invariantes??? Importante para os tratamentos térmicos

47 Desenvolvimento da Prof. Rodrigo Perito Cardoso microestruturas em ligas Fe-C Muitas microestruturas possíveis Vamos apresentar somente de resfriamento lento -> resfriamento rápido será visto em tratamento térmico e diagramas de transformação

48 Ligas Eutetóide Espessura aproximada 8/1 Estrutura -> Perlita (lembra madrepérola) Direção das lamelas varia de uma colônia para outra Perlita -> propriedades intermediárias entre ferrita e cementita Ver animação

49 Ligas Eutetóide Motivo das lamelas -> difusão (semelhante ao eutético) Redistribuição do carbono -> distancia curtas Nucleação no contorno de grão da austenita Microconstituinte Perlita Não existe grão de perlita mas sim uma colônia de perlita Abaixo do eutetóide as mudanças microestruturais são insignificantes

50 Ligas Hipoeutetóide Hipoeutetóide: Menos carbono que o eutetóide (entre 0,022 e 0,76 %C) Alpha aparece no contorno de grão -> PQ???? Ferrita proeutetóide Ferrita eutetóide

51 Ligas Hipereutetóide Hipereutetóide: Mais carbono que o eutetóide (entre 0,76 e 2,14%C) Cementita proeutetóide Cementita eutetóide

52 Ferro fundido Prof. Rodrigo Perito Cardoso

53 Exercício Para C 0 (0,20) e C 1 (1,10) determinar: Fração das fases ferrita e cementita Fração de ferrita próeutetoide, cementita próeutetoide e perlita Fração de ferrita e cementita eutetóide Fração de ferrita e cementita na perlita Qual a composição de uma liga Fe-C que contem 50% de perlita e ferrita proeutetíde?

54 Resfriamento fora das condições de equilíbrio Na maioria das situações a taxa de resfriamento é mais rápida que a necessária para o equilíbrio Conseqüência: Mudança de fase em temperaturas diferentes da prevista no diagrama Existência de fases fora do equilíbrio (ex. Martensita)

55 Influencia de outros elementos de liga Adição de elementos de liga trás mudanças dramáticas no diagrama de fases Ex. Níquel pode estabilizar a austenita a temperatura ambiente Elementos alphagênios e gamagênios

56 É importante lembrar Saber interpretar o diagrama Fases presentes Composição das fase Fração da fases Descrever evolução microestrutural no aquecimento ou resfriamento Pontos invariante e suas reações -> mecanismo e impacto nas propriedades do material (microestrutura) Diagrama ferro carbono - > Tudo -> será a base para o estudo dos aços e ferros fundidos!

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