Microestrutura (Fases) Parte 3

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1 Microestrutura (Fases) Parte DIAGRAMA DE FASES MAPA que permite responder a questão: Que microestrutura deveria existir em uma dada temperatura para uma dada composição? PORTANTO, UM DIAGRAMA DE FASES: - Informa sobre a microestrutura conseqüência: pode predizer propriedades mecânicas em função da temperatura e composição - Permite a visualizar a solidificação e fusão - Prevê as transformações de fases - Gera informações eminentemente termodinâmicas e não apresentam qualquer consideração sobre a cinética das reações O sistema deve estar em equilíbrio 1

2 Tipos de Diagramas SISTEMA MONOCOMPONENTE substâncias puras Diagrama de equilíbrio da água Relaciona pressão e temperatura Pressão (atm) Linha de condensação ou fusão 1 0,0006 PONTO TRIPLO: 0,01 C 0,0006 atm Coexistem as fases líquida sólida gasosa Linha de vaporização 0 0, Temperatura ( C) Linha de sublimação Tipos de Diagramas Diagrama binário Dois elementos estão presentes Limite de solubilidade Quando o limite de solubilidade é ultrapassado, forma-se uma segunda fase com composição distinta à solução líquida, já saturada. No caso, salmoura + sal. Ao se aumentar a quantidade de sal até 23,3%, diminui a temperatura de solidificação da água. Esta propriedade é usada para evitar a formação de gelo nas estradas européias durante o inverno. A zona do gráfico acima de 0 ºC é semelhante ao gráfico de água e açúcar. 2

3 Tipos de Diagramas Diagrama binário isomorfo Dois elementos estão presentes, mas só se forma uma fase sólida Os dois componentes do sistema apresentam solubilidade sólida ilimitada Diagrama de fases do sistema isomorfo Cu-Ni Tipos de Diagramas Diagrama binário eutético Os dois componentes do sistema apresentam solubilidade sólida limitada Reação eutética: L α + β liquidus fase α e fase β - soluções sólidas terminais ou fases primárias solidus fase α - solução sólida de B em A ou rica do elemento A fase β - solução sólida de A em B ou rica do elemento B Regiões de solubilidade limitada no estado sólido 3

4 Tipos de Diagramas Diagrama ternário 3 componentes As composições são geralmente indicadas usando como base um triângulo eqüilátero Vértices componentes puros : A, B e C Lados composições binárias: AB, BC e CA Para temperatura variável: eixo vertical As temperaturas podem ser colocadas em linhas de nível. Similar a altitude em um mapa plano Diagrama ternário do sistema CaO SiO 2 -MgO Tipos de Diagramas Diagrama ternário Composto pelos diagramas binários AB, BC e CA Visão tridimensional 4

5 Informações obtidas nos diagramas de fase: 1. Solubilidade, no estado sólido e no equilíbrio, de um elemento (ou composto) em outro; 2. Temperatura na qual uma liga resfriada sob condições de equilíbrio (resfriamento lento) começa a solidificar e a temperatura na qual ocorre a solidificação temperaturas liquidus e solidus; 3. Temperatura de fusão de diferentes fases. 4. Fases presentes em diferentes composições e temperaturas nas condições de equilíbrio; REGRA DAS FASES DE GIBBS 5. Composição das fases presentes; 6. Proporção das fases presentes. REGRA DA ALAVANCA Itens 4, 5 e 6 Critérios de análise da microestrutura Linha liquidus Linha liquidus: determina o lugar geométrico das temperaturas acima das quais tem-se somente líquido Linha solidus: determina o lugar geométrico das temperaturas abaixo das quais tem-se somente sólido Característico das soluções sólidas ilimitadas Linha solidus As ligas se fundem e se solidificam dentro de um intervalo de temperatura, entre a linha liquidus e a linha solidus. A diferença de temperatura entre liquidus e solidus se denomina intervalo de solidificação. Dentro deste intervalo, coexistirão duas fases: uma líquida e uma sólida. O sólido é uma solução de átomos dos compostos envolvidos; as fases sólidas geralmente são designadas através de uma letra grega minúscula, como alfa. 5

6 Linha liquidus LINHA SOLVUS: limite de solubilidade de A em B ou de B em A Característico das soluções sólidas limitadas Linha solidus Linha solvus Fases presentes: L - líquido SS - sólida Componentes: A e B No intervalo de solidificação coexistem as fases líquida e sólida Regra das Fases de Gibbs permite calcular o número de fases que podem coexistir em equilíbrio em qualquer sistema 6

7 Regra das Fases de Gibbs - permite calcular o número de fases que podem coexistir em equilíbrio em qualquer sistema P + F = C + 2 À PRESSÃO CTE: P + F = C + 1 P = número de fases que podem coexistir no sistema C = número de componentes no sistema (elemento, composto ou solução). F = graus de liberdade (número de variáveis: pressão, temperatura e composição) Regra das Fases de Gibbs Exercício 1: Determine os graus de liberdade do sistema para os pontos indicados no diagrama Cu Ni. O que significa o valor calculado para cada ponto? A Sistema à pressão constante: B F = C - P + 1 C 7

8 Regra das Fases de Gibbs Exercício 1: Determine os graus de liberdade do sistema para os pontos indicados no diagrama Cu Ni. O que significa o valor calculado para cada ponto? A B C Ponto A: F = = 2 Pode-se variar a composição E a temperatura da liga para obter-se a mesma fase. Regra das Fases de Gibbs Exercício 1: Determine os graus de liberdade do sistema para os pontos indicados no diagrama Cu Ni. O que significa o valor calculado para cada ponto? A B C Ponto C: F = = 2 Pode-se variar a composição E a temperatura da liga para obter-se a mesma fase. 8

9 Regra das Fases de Gibbs Exercício 1: Determine os graus de liberdade do sistema para os pontos indicados no diagrama Cu Ni. O que significa o valor calculado para cada ponto? A Ponto B: F = = 1 B C Pode-se variar OU a composição OU a temperatura da liga para as fases L e α coexistirem. Regra das Fases de Gibbs Exercício 2: Determine o número de graus de liberdade para o ponto triplo no diagrama da água. O que significa o valor calculado? Pressão (atm) 1 0, , Temperatura ( C) No ponto triplo: P + F = C + 2 F =? F =0 P = 3 C = 1 O sistema tem zero graus de liberdade, ou seja, não se pode alterar nenhuma das variáveis - pressão, temperatura e composição para manter a coexistência das três fases. O ponto triplo é um ponto invariante! 9

10 Fases presentes Composição e proporção das fases REGRA DA ALAVANCA Cada fase tem uma composição Uma única fase expressa como porcentagem de cada um dos elementos da fase sua composição é igual a da liga Quantidades relativas de cada fase expressa em porcentagem de peso Em regiões de uma única fase a quantidade da fase simples é 100% Técnica: balanço de materiais Se constrói uma alavanca sobre a isoterma com seu ponto de apoio na composição original da liga (ponto dado). O braço da alavanca, oposto a composição da fase cuja quantidade se calcula é dividido pelo comprimento total da alavanca, para obter a quantidade desta fase. REGRA DA ALAVANCA Cálculo da porcentagem das fases líquida e sólida em uma determinada composição e em uma determinada temperatura Ex.: na composição e temperatura no ponto O x: composição da liga w o :fração de peso de B em A T: temperatura de análise Em T, a liga x é constituída por uma mistura de líquido, cuja fração em peso de B é w l, e de sólido, cuja fração em peso de B é w s. 10

11 REGRA DA ALAVANCA Quanto da fase líquida existe no ponto O? OS %L = LS Quanto da fase sólida existe no ponto O? OL %S = LS Proporção das fases FASE LÍQUIDA: w l de B FASE SÓLIDA: w S de B Composição das fases Assim, uma fórmula geral para a regra da alavanca pode ser escrita como, Exercício 3: Determine as fases presentes, proporção e composição para o diagrama Água+Açúcar na T de 15 C com composição inicial 25% de H 2 O e 75% de açúcar. Fases Presentes: xarope (açúcar e água) sólido (açúcar) Composição das Fases: Xarope: 67% açúcar e 33% de água Sólido: 100%açúcar O Proporção das Fases - Regra da Alavanca xo % açúcar = = *100 = 24,4% xy oy % xarope = = *100 = 75,8% xy

12 Exemplo 4: Determine as fases presentes, proporção e composição para o diagrama CuNi na T de 1250 C com composição inicial de 40%Ni 60%Cu. Fases Presentes: Líquido α Composição das fases: L 33% Ni e 77% Cu α 43% Ni e 57% Cu Proporção das Fases % L = *100 = 30% % α = *100 = 70% Diagrama de fases Exemplo 6: Determine as fases presentes, proporção e composição para o diagrama abaixo, no ponto indicado. Fases Presentes: Líquido β Composição das fases: L α 40% B e 60% A 100% B C Proporção das Fases % L = *100 = 41,67% % B = *100 = 58,33%