ICMAT Profa. Simone P. T. Borges Diagrama de fases 1

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1 ICMAT Profa. Simone P. T. Borges Diagrama de fases 1

2 ICMAT Profa. Simone P. T. Borges Diagrama de fases 2 Parte I Solubilidade Fases e fases em equilíbrio Diagrama de fases binários Sistemas isomorfos (Ni-Cu) inha liquidus, linha solidus Processo de solidificação Tie-lines Regra da alavanca Curvas de resfriamento

3 O mesmo é aplicado para sólidos: solução sólida, saturação, solubilidade, precipitação ICMAT Profa. Simone P. T. Borges Diagrama de fases 3 Solubilidade e solução Exemplo: Solubilidade do sal na água Existe uma quantidade máxima de sal que pode ser completamente dissolvido em água; O excesso de sal permanece sólido. Esta máxima quantidade é a solubilidade do sal na água. A concentração máxima de sal na água é chamada solução saturada. Resfriamento da solução saturada resulta na formação de sal sólido, indicando que a solubilidade decresce com o decréscimo da temperatura. Este processo é chamado precipitação e o sólido é chamado precipitado. O aquecimento da sol. eva a dissolução dos precipitados. Neste exemplo existe 2 fases no sistema e estão em equilibrio: Sal sólido precipitado Solução Dissolução Precipitação Solução de água/sal Sólido

4 ICMAT Profa. Simone P. T. Borges Diagrama de fases 4 Diagrma de fases Diagrama de fase são usados como mapas da existência e de várias condições de fases de um dado sistema. A água, por exemplo, pode estar no estado sólido, líquido ou gasoso, em diferentes regiões de pressão-temperatura. O contorno destas regiões indicam a condição de equilíbrio em termos de P e T. Água é um sistema monolítico. Para sistemas binários, que contém 2 constituintes, os diagramas de fases são geralmente expressos em função da temperatura e composição. Pressão Sólido 221 bar 1 bar 0 bar Diagrama de fases da água íquido Ponto triplo Ponto crítico Temperatura Gas 0 C 100 C 374 C Fluido supercrítico

5 ICMAT Profa. Simone P. T. Borges Diagrama de fases 5 Diagrama de fases binários Um tipo simples de DF Binário é o sistma isomorfo, em que 2 constituintes formam uma fase sólida continua para toda faixa de composição; Ex. sistema Ni-Cu. A solidificação da liga C o começa em T 1. O primeiro sólido formado tem a composição C s1 e o líquido C o. Ao longo do resfriamento as partículas de sólido vão crescendo de tamanho e mudam sua composição para C s2 seguindo a linha solidus, e então C o, segue a linha liquidus decrescendo de volume e mudando a composição até C 3, onde a solidificação se completa em T 3. Temperatura Fase liquida - Solução de Cu e Ni T 1 T C Cu T 3 C 3 α C 2 C o C o C S2 Composição 1455 C C S1 fase α (cfc) - Solução sólida de Cu e Ni Ni

6 ICMAT Profa. Simone P. T. Borges Diagrama de fases 6 Diagrama de fases binários Fase liquida - Solução de Cu e Ni C o 1455 C A composição das fases é determinada pela tie line As frações relativas das fases são determinadas pela regra da alavanca Temperatura T* C C S 1085 C fase α (cfc) - Solução sólida de Cu e Ni C C S 1 2 Cu Composição Ni

7 ICMAT Profa. Simone P. T. Borges Diagrama de fases 7 Regra da alavanca C S 1 = C 2 C C S C + C S = Fração (quantidade) da fase: C C s o W = C s C Co C Wα = = C C s ou 1 W Wα =

8 ICMAT Profa. Simone P. T. Borges Diagrama de fases 8 Exemplo Na temperatura T 1, a liga de composição C o está numa região de duas fases (fase líquida e fase α. C C o C S (i) (ii) Determinar a composição das duas fases; Determinar a quantidade das duas fases. Composição: er diretamente a tie line: Fase líquida: Cu-30%Ni ou 30% de Ni em Cu Fase α: Cu-55%Ni ou 55% de Ni em Cu 1455 C C 0 Quantidade: Regra da alavanca Cs Co W = = = 0.2 = 20% C C s Co C Wα = = = 0.8 = 80% C C or W α s = 1 W = = 0.8 = 80% T 1 C 1085 C 30%Ni Cu 50%Ni C S 55%Ni Ni

9 ICMAT Profa. Simone P. T. Borges Diagrama de fases 9 Curva de resfriamento determinação do diagram de fases T 1085 C (isoterma) II T1 iquidus 1455 C T T2 Solidus T T1 T2 I 1085 C II I III Cu % Ni t

10 ICMAT Profa. Simone P. T. Borges Diagrama de fases 10 Parte II Sistema eutético (Pb-Sn) Reação eutética inha Solvus Precipitação Sistemas com fase intermediária (Mg-Pb) Diagrama de fase do Cu-Zn Solidificação for a do equilíbrio Solidificação congruente e incongruente Super resfriamento e formação de dendrítica

11 ICMAT Profa. Simone P. T. Borges Diagrama de fases 11 Sistemas Eutéticos ticos Diagrama de fases Pb-Sn 350 O sistema Pb-Sn é característico como sistema Eutético. O ponto central da tie-line é chamado Ponto Eutético onde ocoore a reação Eutética: α+β Pb tem estrutura cfc e Sn tem estrutura tetragonal. Temperatura iquidus α + solidus Fase α: solução sólida de Sn no Pb iquido Ponto Eutético + β Fase β: solução sólida de Pb no Sn O sistema tem 3 fases:, α and β. 50 solvus α + β solvus Pb Sn (cfc) % massa (Tetra)

12 ICMAT Profa. Simone P. T. Borges Diagrama de fases 12 Solidificação em sistemas eutéticos ticos Diagrama de fases Pb-Sn iga I: Ponto 1: íquido Solidificação começa na liquidus Ponto 2: +α A quantidade de α quando T Solidificação termina na solidus Ponto 3: α Precipitação começa na solvus Ponto 4: α+β Seguindo o resfriamento ocorre a formação e crescimento de mais precipitados β, onde a % de Sn em α decresce seguindo a solvus α 3 I III α + β II iquido β α (1) (2) (3) (4) α β α 0 Pb (cfc) Sn (Tetra)

13 ICMAT Profa. Simone P. T. Borges Diagrama de fases 13 (a) (b) Precipitados na liga de Al-Si: (a) microscópio óptico, (b) micrografia da superfície de fratura (MEV)

14 ICMAT Profa. Simone P. T. Borges Diagrama de fases 14 Solidificação em sistemas eutéticos ticos Diagrama de fases Pb-Sn iga II: Ponto 1: iquid Solidificação começa no ponto eutético (tendo simultaneamente líquido e sólido) Ponto 2: (α+β) (reação eutética) A quantidade de α e β aumentam proporcionalmente com o tempo. Solidificação termina na mesma temperatura α I III II 1 2 iquido β Ponto 3: α+β Seguindo o resfriamento ocorre a diminuição de Sn em α e a diminuição de Pb em β, de acordo com as respectivas linhas solvus α + β 3 (1) (2) (3) 0 Pb (cfc) Sn (Tetra)

15 ICMAT Profa. Simone P. T. Borges Diagrama de fases 15 Nucleação:amelas alternadas de α e β Pb-Sn eutetico Estrutura eutetica: Íntima mistura de α e β para minimizar o caminho de difusão

16 ICMAT Profa. Simone P. T. Borges Diagrama de fases 16 Solidificação em sistemas eutéticos ticos iga III: Ponto 1: iquido Solidificação começa na liquidus Ponto 2: +α (α pré-eutético) A quantidade de α quando T Ponto 3: (α+β) (reação eutética) Solidificação termina na temperatura eutética Ponto 4: α+β (α pré-eutético + (α+β) mistura eutética). Seguindo o resfriamento ocorre a diminuição de Sn em α e diminuição de Pb em β α Pb (cfc) Diagrama de fases Pb-Sn I III α + β II iquido β Sn (Tetra)

17 ICMAT Profa. Simone P. T. Borges Diagrama de fases 17 α α α Eut (1) (2) (3) (3) Curva de resfriamento iga Cu-Ag α Pre-eutectico Estrutura eutética (lamelas de α e β)

18 ICMAT Profa. Simone P. T. Borges Diagrama de fases Diagrama de fases Pb-Sn I III II IV íquido α β α + β 0 Pb Hipoeutetico Hipereutetico Sn

19 ICMAT Profa. Simone P. T. Borges Diagrama de fases 19 Regra das fases de Gibbs F =C+N-P F: grau de liberdade C: nº de variáveis químicas N: nº de variáveis não químicas P: nº de fases íquido 1 fase Aplicação da regra das fases de Gibbs para sistema binário a pressão constante: C=2 (2 elementos) N=1 (temperatura) α 2 fases em equilíbrio β 1 fase F=2: % e T 2 fases em equilíbrio F=1: % ou T 3 fases em equilíbrio 3 fases em equilíbrio F=0: ponto invariante α + β Posso ter 4 fases em equilíbrio no sistema binário? Pb Sn

20 ICMAT Profa. Simone P. T. Borges Diagrama de fases 20 Sistemas compostos ou com fases intermediárias rias O sistema Cu-Mg contém 2 compostos intermetálicos entre Cu e Mg: Cu 2 Mg e CuMg 2. O intermetálico age como constituinte independente, dividindo o diagrma de fases em 3 outros diagramas: Cu-Cu 2 Mg Cu 2 Mg-CuMg 2 CuMg 2 -Mg Cada um destes 3 diagramas possuem um sistema eutético.

21 ICMAT Profa. Simone P. T. Borges Diagrama de fases Sistemas compostos ou com fases intermediárias O sistema Al-Cu contém inúmeras fases intermediárias. Estas divisões não tem que ser compostos intermetálicos, elas também podem ser solução sólida. A solução sólida intermediária pode ter sua própria estrutura cristalina, diferente da estrutura dos constituintes puros 21

22 ICMAT Profa. Simone P. T. Borges Diagrama de fases 22 Sistemas compostos ou com fases intermediárias rias Diagrama de fases do sistema Cu-Zn

23 ICMAT Profa. Simone P. T. Borges Diagrama de fases 23 Solidificação fora do equilíbrio Algumas transformações não causam mudanças na composição, como por exemplo a solidificação de metais puros. Já as ligas de solução sólida sofrem modificações na composição. O primeiro é conhecido como transformação congruente e o segundo de transformação incongruente. As transformações congruentes não são sensíveis a taxa de resfriamento. As transformações incongruentes são sensíveis a taxa de resfriamento porque contam com a interdifusão para ocorrer. A solidificação sob resfriamento rápido, onde a difusão é insuficiente para homogeneizar a composição simultaneamente durante o processo é conhecida como solidificação fora do equilíbrio. A conseqüência comum da solidificação fora do equilíbrio é a segregação dendrítica.

24 ICMAT Profa. Simone P. T. Borges Diagrama de fases 24 Segregação dendrítica iga com composição C o começa a solidificação em T1. O primeiro sólido formado tem composição C s1. Prosseguindo o resfriamento a T2, uma casca de composição C s2 é formado sobre C s1. Devido a difusão inadequada do resfriamento rápido, uma diferença de composição é criada. A composição média do sólido na temperatura T2 é algo entre C s1 e C s2, podemos chamar de C s2 *. A mesmo ocorre nas outras temperaturas durante o processo de resfriamento. Sob a condição de equilíbrio, a solidificação se completa a T3. No entanto, sob condições fora do equilíbrio, a composição média do sólido em T3 é C s3 * <C o, indicando que a solidificação ainda não foi completada; a solidificação termina quando a composição for igual a C o, na temperatura T4. C s1 C s2 * C s3 * Solidus efetivo Equilibrio solidus C s2 C o T1 (começa a solidificação) T2 T3 (termina a solidificação no equilíbrio) T4 (termina a solidificação efetivamente) A %B Solidificação fora do equilíbrio: fusão ocorre numa temperatura mais baixa.

25 ICMAT Profa. Simone P. T. Borges Diagrama de fases 25 T1 Segregação dendrítica C s1 Equilibrio solidus T2 C s1 C s2 Composição média do sólido: C s2 * C s1 C o T1 (começa a solidificação) C s2 T2 T3 T4 Composição média do sólido: C s3 * Composição média do sólido: C o C s2 * C s3 * Solidus efetivo T3 (termina a solidificação no equilíbrio) T4 (termina a solidificação efetivamente) A %B

26 ICMAT Profa. Simone P. T. Borges Diagrama de fases 26 Segregação em sistemas eutéticos ticos De acordo com a regra da alavanca, a fração do produto eutético pode ser: c o Sob condição de equilíbrio: W eut c = d b b α a b c d β Fora do equilíbrio: α + β W * eut = c d a a A B W * eut > W eut

27 ICMAT Profa. Simone P. T. Borges Diagrama de fases 27 Super resfriamento S C o C C C S C C o C S x A %B

28 ICMAT Profa. Simone P. T. Borges Diagrama de fases 28 Estrutura dendrítica de metal Uma conseqüência do super resfriamento e da desestabilização da interface sólidolíquido é a formação da estrutura dendrítica, comumente encontrada em ligas fundidas. A região entre as dendrítas e dedos dendríticos são ricas de fases de baixo ponto de fusão e impurezas. Uma forma de minimizar este efeito é fazer um tratamento térmico para homogeneizar a estrutura.