UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA DIAGRAMAS DE FASES

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1 UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA DIAGRAMAS DE FASES CMA CIÊNCIA DOS MATERIAIS 1º Semestre de 2014 Prof. Júlio César Giubilei Milan

2 DIAGRAMAS DE FASES FASES E DIAGRAMAS DE FASES Maioria das aplicações de engenharia usam ligas. Vários elementos químicos Aço-carbono ( Fe-C) Aço inoxidável (Fe-C-Cr-Ni) Outras baseadas em Al, Cu, Co, Ni, Ti,

3 DIAGRAMAS DE FASES FASES E DIAGRAMAS DE FASES Ligas podem ser: Monofásicas, Polifásicas.

4 DIAGRAMAS DE FASES FASES E DIAGRAMAS DE FASES Fase sistema cujo volume é fisicamente homogêneo e que apresenta uma superfície que o separa mecanicamente de quaisquer outras fases. porção homogênea de um sistema que possui características físicas e químicas uniformes.

5 DIAGRAMAS DE FASES FASES E DIAGRAMAS DE FASES Ex.: a água pode ocorrer em três fases: líquida, sólida (gelo) e vapor Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.

6 DIAGRAMAS DE FASES FASES E DIAGRAMAS DE FASES Ex.: a água pode ocorrer em três fases: líquida, sólida (gelo)e vapor. Uma fase tem as seguintes características: 1. a mesma estrutura ou arranjo atômico; 2. Aproximadamente a mesma composição química e propriedades; e 3. Uma interface entre a própria fase e as fases vizinhas ou regiões adjacentes.

7 Diagramas de fases DIAGRAMAS DE FASES são mapas que permitem prever a microestrutura de um material em função da temperatura e composição de cada componente informações sobre fenômenos de fusão, fundição, cristalização e outros. Correlação entre microestrutura e propriedades mecânicas Desenvolvimento de uma microestrutura está relacionado às características de seu diagrama de fases

8 DIAGRAMAS DE FASES Componentes metais puros e/ou compostos que compõem uma liga. Ex.: latão (Cu-Zn) componentes são o Cu e o Zn Soluto e solvente Sistema série de possíveis ligas que consistem no mesmo componentes, porém independente da composição da liga (ex.: sistema ferrocarbono).

9 DIAGRAMAS DE FASES Limite de solubilidade concentração máxima de átomos de soluto que pode se dissolver no solvente para formar uma solução sólida. Ex. sistema açúcar-água (C 12 H 12 O 11 -H 2 O) Depende da temperatura da água

10 DIAGRAMAS DE FASES Açúcar Água Açúcar Água Fig. Solubilidade do açúcar (C 12 H 12 O 11 ) em um xarope açúcar-água

11 DIAGRAMAS DE FASES Fases porção homogênea do sistema que possui características físicas e químicas uniformes Sólida, líquida ou gasosa; Duas ou mais fases fronteira (mudança descontínua e abrupta nas características físicas e/ou químicas). Material puro é uma fase Xarope água-açúcar é uma fase Açúcar é uma fase (sólido) Água e gelo duas fases

12 DIAGRAMAS DE FASES Sistemas com uma única fase homogêneo Sistemas com duas ou mais fases mistura ou sistemas heterogêneos (maioria das ligas metálicas) Propriedades do sistema multifásico é diferente das propriedades individuais das fases presentes

13 DIAGRAMAS DE FASES Em ligas metálicas, a microestrutura é caracterizada pelo número de fases presentes, por suas proporções e pela maneira pela qual elas estão distribuídas ou arranjadas. Depende: Elementos de liga presentes Concentração dos elementos Tratamento térmico

14 Ex. Cu-Ni L líquido Fase - solução sólida substitutiva (CFC) linha liquidus linha solidus SISTEMA ISOMORFO Fig. (a) diagrama de fases cobre-níquel.

15 SISTEMA ISOMORFO DIAGRAMAS DE FASES Soluções sólidas indicadas por letras gregas (,, ) Temperatura de fusão dos componentes e da mistura.

16 DIAGRAMAS DE FASES Para um sistema binário com composição e temperatura conhecidos, três tipos de informações estão disponíveis: 1. as fases que estão presentes, 2. as composições dessas fases, e 3. as porcentagens ou frações das fases.

17 DIAGRAMAS DE FASES Fases (60 % p Ni 40 %p Cu) a 1100 C (35 % p Ni 65 %p Cu) a 1250 C Composição Métodos diferentes para regiões monofásicas e bifásicas Monofásica (60 % p Ni 40 %p Cu) a 1100 C Bifásica linha de amarração ou isoterma

18 DIAGRAMAS DE FASES Composição - (35 % p Ni 65 %p Cu) a 1250 C Linha de amarração

19 DIAGRAMAS DE FASES Determinação das Composições das Fases Região monofásica fração da fase é de 1,0 ou 100 % - (60 % p Ni 40 %p Cu) a 1100 C Região bifásica regra da alavanca ou regra da alavanca inversa

20 DIAGRAMAS DE FASES Determinação das Composições das Fases 1. traçar uma linha de amarração 2. Localizar a composição global 3. Calcular a fração da fase tomando-se o comprimento entre o ponto da composição global e o ponto onde a linha de amarração intercepta a outra fase dividindo pelo comprimento total da linha de amarração 4. Outra fase determinada de forma semelhante 5. Resultado dado em fração mássica. Se desejar porcentagem, multiplicar por 100

21 DIAGRAMAS DE FASES Lógica da regra da alavanca A regra da alavanca nada mais é do que a solução de duas equações simultâneas de balanço de massa Com apenas duas fases presentes, a soma das duas frações tem que ser 1 W + W L = 1 A massa de um dos componentes (p. ex. Ni) que está presente em ambas as fases deve ser igual a massa deste componente na liga como um todo W C + W L C L = C 0

22 (35 % p Ni 65 %p Cu) a 1250 C Linha de amarração S R S W L L L C C C C W 0 Fase L S R R W L L C C C C W 0 Fase DIAGRAMAS DE FASES

23 DIAGRAMAS DE FASES E MICROESTRUTURA Desenvolvimento da microestrutura em ligas isomorfas resfriamento em condições de equilíbrio Fig. Representação esquemática do desenvolvimento da microestrutura durante a solidificação em condições de equilíbrio para uma liga 35%p Ni 65%p Cu..

24 DIAGRAMAS DE FASES E MICROESTRUTURA Diagramas de fase e microestrutura Até agora foram estudados diagramas de fase isomorfos, nos quais existe uma faixa de temperaturas em que há completa miscibilidade de um constituinte no outro. Outra condição implicitamente utilizada até agora é de que os diagramas são de equilíbrio. Isto quer dizer que qualquer variação de temperatura ocorre lentamente o suficiente para permitir um rearranjo entre as fases através de processos difusionais. Também quer dizer que as fases presentes a uma dada temperatura são estáveis.

25 DIAGRAMAS DE FASES E MICROESTRUTURA SISTEMAS EUTÉTICOS BINÁRIOS 3 regiões monofásicas 3 regiões bifásicas temp. de fusão Ponto invariante * 71,9%pAg e 779 C * Ponto INVARIANTE ponto onde existem três fases em equilíbrio

26 DIAGRAMAS DE FASES E MICROESTRUTURA SISTEMAS EUTÉTICOS BINÁRIOS Reação eutética (facilmente fundido) um líquido dois sólidos resfriamento L( CE ) ( C E ) ( C E ) aquecimento

27 DIAGRAMAS DE FASES E MICROESTRUTURA Exercício A figura ao lado mostra parte de um diagrama de fases H 2 O NaCl (a) Usando este diagrama, explique rapidamente como a o sal espalhado sobre o gelo qie está a uma temperatura abaixo de 0 C pode causar o derretimento do gelo.. (b) A que temperatura o sal não é mais útil em derreter o gelo?

28 DIAGRAMAS DE FASES E MICROESTRUTURA hipoeutético hipereutético Eutético

29 DIAGRAMAS DE FASES E MICROESTRUTURA Microestrutura em Ligas Eutéticas (hipoeutéticas) Fig. Representações esquemáticas das microestruturas em condições de equilíbrio para uma liga chumboestanho com composição C 1, à medida que ela é resfriada desde a região de fase líquida.

30 DIAGRAMAS DE FASES E MICROESTRUTURA Microestrutura em Ligas Eutéticas (hipoeutéticas) Fig. Representações esquemáticas das microestruturas em condições de equilíbrio para uma liga chumboestanho com composição C 2, à medida que ela é resfriada desde a região de fase líquida.

31 DIAGRAMAS DE FASES E MICROESTRUTURA Fig. Representações esquemáticas das microestruturas em condições de equilíbrio para uma liga chumbo-estanho com composição eutética C 3, acima e abaixo da temperatura do eutético.

32 DIAGRAMAS DE FASES E MICROESTRUTURA Fig. Fotomicrografia mostrando a microestrutura de uma liga chumboestanho com a composição eutética. Fig. Representação esquemática da formação da estrutura eutética para o sistema chumbo-estanho.

33 DIAGRAMAS DE FASES E MICROESTRUTURA Fig. Representações esquemáticas das microestruturas em condições de equilíbrio para uma liga chumbo-estanho com composição C 4, à medida que ela é resfriada desde a região da fase líquida.

34 DIAGRAMAS DE FASES E MICROESTRUTURA Fig. Micrografia mostrando a microestrutura de uma liga 50 %Pb 50 % Sn. Essa microestrutura é composta por uma fase primária rica em Pb, em uma região eutética lamelar que consiste em uma fase rica em Sn (camadas claras) e uma fase rica em Pb (camadas escuras). 400 X.

35 DIAGRAMAS DE FASES E MICROESTRUTURA Exercício Para uma composição C 4, na figura abaixo, determine: A quantidade de primário A quantidade de eutético A quantidade de total A quantidade de total Fig. O diagrama de fases para o sistema chumbo-estanho usado nos cálculos das quantidades relativas dos microconstituintes primário e eutético para uma liga com composição C 4.

36 DIAGRAMAS DE FASES COM FASES E COMPOSTOS INTERMEDIÁRIOS Diagramas isomorfos e eutéticos vistos até agora relativamente simples duas fases sólidas e (soluções sólidas terminais) Em outros sistemas de ligas, podem ser encontradas soluções sólidas intermediárias (ou fases intermediárias) em outras composições que não nos dois extremos de composições. Ex.: sistema cobre zinco Seis soluções sólidas diferentes Duas terminais ( e ) Quatro intermediárias (,, e ) Linhas tracejadas posições não foram determinadas com exatidão

37 Fig. O diagrama de fases cobre - zinco DIAGRAMAS DE FASES COM FASES E COMPOSTOS INTERMEDIÁRIOS

38 DIAGRAMAS DE FASES COM FASES E COMPOSTOS INTERMEDIÁRIOS COMPOSTOS INTERMETÁLICOS Em alguns sistemas, em vez de solução sólidas, podem ser encontrados compostos intermediários discretos, que apresentam fórmulas químicas específicas. compostos intermetálico Um composto intermetálico é formado por dois ou mais elementos metálicos que produzem uma fase com composição, estrutura cristalina e propriedades próprias. Os compostos intermetálicos são quase sempre muito duros e frágeis. Os intermetálicos ou compostos intermetálicos são similares a materiais cerâmicos em termos de propriedades mecânicas, entretanto, eles são formados apenas por elementos metálicos.

39 Fig. O diagrama de fases magnésio-chumbo. DIAGRAMAS DE FASES COM FASES E COMPOSTOS INTERMEDIÁRIOS

40 DIAGRAMAS DE FASES E MICROESTRUTURA REAÇÕES EUTETÓIDES E PERITÉTICAS Além do eutético, outros pontos invariantes envolvendo três fases diferentes são encontrados para alguns sistemas de ligas: Reação Eutetóide (como a eutética) resfriamento aquecimento Reação Peritética L resfriamento aquecimento

41 DIAGRAMAS DE FASES E MICROESTRUTURA Fig. Região do diagrama de fases cobre-zinco que foi ampliada para mostrar os pontos invariantes eutetoide (E 560 C, 74 %pzn) e peritético (P 598 C, 78,6 %pzn).

42 DIAGRAMAS DE FASES E MICROESTRUTURA O SISTEMA FERRO-CARBONO Importância das ligas Fe-C (aços e ferros fundidos)

43 Diagramas de fases O sistema Ferro-Carbeto de Ferro (Fe-Fe 3 C) DIAGRAMA DE FASE E MICROESTRUTURA

44 DIAGRAMAS DE FASES E MICROESTRUTURA Ferrita ou ferro estrutura cristalina CCC Austenita ou ferro estrutura cristalina CFC não magnética. Ferrita (acima de 1394 C no ferro puro) estrutura cristalina CCC Cementita ou Carbeto de Ferro (Fe 3 C) dura e frágil Fig. Fotomicrografias da (a)ferrita (90 x) e da (b) austenita (325 x).

45 DIAGRAMAS DE FASES E MICROESTRUTURA Eutético Fe-Carbeto de ferro (4,30 %p C e 1147 C) L resfriamento aquecimento Fe 3 C Eutetóide (0,76 %p C e 727 C) resfriamento ( 0,76% pc) (0,0022% C) Fe3C(6,7% pc) aquecimento

46 DIAGRAMAS DE FASES E MICROESTRUTURA Ligas ferrosas ferro é o principal componente, C e outros elementos podem estar presentes Classificação com base no teor de carbono: Ferro (ferro comercialmente puro até 0,008%p C) Aço (0,008 %p C até 2,14 %p C) Ferro fundido (2,14 %p C até 6,70 %p C) Aço Hipoeutetóide < 0,76 %p C Eutetóide = 0,76 %p C Hipereutetóide > 0,76 %p C

47 DIAGRAMAS DE FASES E MICROESTRUTURA Ligas Eutetóides Fig. Representações esquemáticas das microestruturas para uma liga ferrocarbono de composição eutetóide (0,76 %p C) acima e abaixo da temperatura do eutetóide.

48 DIAGRAMAS DE FASES E MICROESTRUTURA Ligas Hipoeutetóides Fig. Representações esquemáticas das microestruturas para uma liga ferrocarbono de composição hipoeutetóide (com menos de 0,76 %p C) a medida que ela é resfriada desde dentro da região da fase austenita até abaixo da temp. eutetóide.

49 DIAGRAMAS DE FASES E MICROESTRUTURA Ligas Hipereutetóides Fig. Representações esquemáticas das microestruturas para uma liga ferrocarbono de composição hipereutetóide (entre 0,76 e 2,14 %p C) a medida que ela é resfriada desde dentro da região da fase austenita até abaixo da temp. eutetóide.

50 DIAGRAMAS DE FASES E MICROESTRUTURA Resfriamento fora das condições de equilíbrio Até agora, resfriamento em condições de equilíbrio metaestável Na maioria das situações => Impraticável e desnecessária Em algumas ocasiões, condições fora do equilíbrio são desejáveis Dois efeitos fora das condições de equilíbrio são importantes: Transformações de fases em temperaturas diferentes daquelas previstas nos diagramas de fases. Existência à temperatura ambiente de fases fora do equilíbrio que não aparecem no diagrama de fases.

51 DIAGRAMAS DE FASES E MICROESTRUTURA Exercício Para uma liga com 99,65 %pfe-0,35 %pc em uma temperatura imediatamente abaixo da eutetoide, determine: a) As frações das fase ferrita total e cementita; b) As frações de ferrita proeutetoide e perlita; c) A fração de ferrita eutetoide.

52 DIAGRAMAS DE FASES E MICROESTRUTURA A influência de outros elementos de liga Fig. A dependência da temperatura eutetóide em função da concentração da liga para vários elementos de liga no aço. Fig. A dependência da composição eutetóide (%p C) em função da concentração da liga para vários elementos de liga no aço.