Diagramas de Fases. Universidade de São Paulo. Escola de Engenharia de São Carlos. Departamento de Engenharia de Materiais

Transcrição

1 Universidade de São Paulo Escola de Engenharia de São Carlos Departamento de Engenharia de Materiais Diagramas de Fases Engenharia e Ciência dos Materiais I Prof. Dr. Cassius O.F.T. Ruchert Revisão: Prof. Dr. Eduardo Bellini Ferreira

2 DIAGRAMAS DE FASES Fase é uma porção homogênea de um sistema que possui características físicas e/ou químicas uniformes. Se mais de uma fase estiver presente em um sistema, cada fase terá suas próprias propriedades e existirá uma fronteira separando as diferentes fases. Contorno entre fases: ocorre uma mudança abrupta das características físicas e/ou químicas. Duas fases em equilíbrio a) óleo flutuando em água b) emulsão de óleo em água Ambos sistemas possuem as mesmas fases, mas (a) possui microestrutura diferente de (b).

3 Ilustração de fases e solubilidade: a) três formas de H 2 O gasosa, líquida e sólida cada uma constitui uma fase b) água e álcool possuem solubilidade ilimitada formam uma única fase c) sal e água possuem solubilidade limitada dissolvido: uma fase; precipitado: duas d) água e óleo não possuem solubilidade entre si duas fases

4 SOLUÇÕES SÓLIDAS São formadas quando átomos de soluto ocupam posições substitutivas ou intersticiais formando com o solvente uma única fase. A concentração máxima de soluto que pode ser dissolvida no solvente é chamada limite de solubilidade. A adição de soluto além desse limite resulta na formação de uma segunda fase: outra solução sólida ou composto, de composição e estrutura diferentes. Formação de solução sólida entre dois metais. ex: Au e Ag

5 EQUILÍBRIO DE FASES Energia livre (propriedade termodinâmica) é uma função da energia interna de um sistema e também da entropia dos átomos ou moléculas (entropia=desordem). Um sistema está em equilíbrio se sua energia livre se encontra em um valor mínimo, isso significa que as características do sistema não mudam ao longo do tempo. O sistema é estável. Alterações na temperatura, pressão ou composição podem resultar em mudanças de fases. O equilíbrio de fases se refere ao equilíbrio em sistemas que possuem mais de uma fase. Nesse caso, a composição das fases presentes é constante com o tempo.

6 DIAGRAMAS DE FASES Muitas informações para o controle da microestrutura ou das fases presentes em um sistema ou liga são mostradas no chamado diagrama de fases. Diagramas de fases são mapas (esquemas) úteis para prever as transformações de fases e as microestruturas resultantes de um determinado processo. Representam as relações entre composição, variáveis de processo (temperatura, pressão) e as fases presentes em condições de equilíbrio. DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO DO Fe Cinco fases: Vapor Líquido Sólidos: Fe-α (ferrita), Fe-γ (austenita), Fe-δ (diferentes estruturas cristalinas) Parâmetro invariável: composição Parâmetros Variáveis Temperatura Pressão

7 Duas fases: L (líquido) α (solução sólida) Diagrama isomorfo: sistema binário Cu-Ni Isomorfo: completa solubilidade entre os dois componentes Parâmetro invariável: (P = 1 atm) Parâmetros variáveis Temperatura Composição Liquidus linha acima da qual só líquido existe no sistema Solidus linha abaixo da qual só sólido existe no sistema %Ni aumenta

8 Interpretação do Diagrama de Fases Para um sistema binário com composição e temperatura conhecidas e em equilíbrio, pelo menos 3 informações estão disponíveis em um diagrama de fases: (1) As fases presentes (2) As composições dessas fases (3) As porcentagens (frações) de cada fase

9 FASES PRESENTES Para se estabelecer quais fases estão presentes é preciso apenas localizar o ponto temperatura-composição de interesse no diagrama de fases e observar em qual campo de fases o ponto está identificado. A: 60% em peso, 1100 o C 1 fase: α B: 35% em peso, 1250 o C 2 fases: L + α

10 DETERMINAÇÃO DA COMPOSIÇão DAS FASES Se apenas uma fase está presente (região monofásica) a composição dessa fase é simplesmente a mesma da composição global da liga. Para uma liga que possui composição e temperatura localizadas em uma região bifásica é utilizado o seguinte procedimento: 1. Construir uma linha de amarração ( tie line ) entre as duas extremidades da região bifásica, paralela à temperatura em questão. 2. Anotar os valores das composições (C L, C α ) nas intersecções entre a linha de amarração e as fronteiras entre as fases nos dois lados. Para isso, basta traçar linhas perpendiculares à linha de amarração a partir das intersecções até o eixo horizontal das composições, onde cada uma das respectivas composições pode ser lida.

11 DETERMINAÇÃO DA COMPOSIÇÃO DAS FASES No exemplo do sistema Cu - Ni tem se : Composição: C O = 35% Ni Em T A : Somente líquido C L = C O Em T D : Somente sólido C α = C O Em T B : C L = C líquido = 32%Ni C α = C sólido = 43%Ni

12 DETERMINAÇÃO DAS QUANTIDADES DAS FASES Para uma região monofásica a liga é composta inteiramente por aquela fase presente, ou seja a proporção é de 100% da fase em questão. Para regiões em que a composição e temperatura estão dentro de uma região bifásica é utilizada a regra da alavanca, da seguinte forma: 1. Uma linha de amarração é construída através da região bifásica na temperatura desejada, como já visto; 2. A composição global da liga (C o ) é localizada sobre a linha de amarração; 3. A fração de uma fase é calculada tomando-se o comprimento da linha de amarração desde a composição global da liga (C o ) até a fronteira com a outra fase e divide-se pelo comprimento total da linha de amarração (em % ou cm, por exemplo); e 4. A fração da outra fase é determinada de maneira semelhante, invertendo-se o segmento tomado na linha de amarração.

13 DETERMINAÇÃO DAS QUANTIDADES DAS FASES No emprego da regra da alavanca, os comprimentos dos segmentos podem ser determinados por medição direta, usando-se régua com escala linear, ou através da subtração das composições. Em um sistema Cu-Ni por exemplo: Composição global: C O = 35% Ni Em T A : somente líquido W L = 100%, W α =0 Em T D : somente sólido W α = 100%, W L =0 Em T B : regra da alavanca

14 Desenvolvimento da Microestrutura em Ligas Isomorfas A: liga completamente líquida B: linha liquidus - primeiro sólido α começa a se formar C: fases líquida e α em equilíbrio D: linha solidus - termina o processo de solidificação, fração mínima de líquido E: liga completamente formada pela fase α

15 Sistemas Eutéticos Binários Sistema cobre-prata: forma um sistema eutético binário, com um diagrama de fases eutético binário Três regiões monofásicas distintas: α = solução sólida rica em cobre, prata é o soluto β = solução sólida rica em prata, cobre é o soluto Líquida T E = temperatura eutética, menor temperatura em que há líquido no sistema Reação invariante! C E = composição eutética

16 Exemplo de sistema binário eutético Sistema Pb-Sn Considerando uma liga com 40% Sn e 60% Pb à 150 o C: Fases presentes: α + β Composição das fases: c α = 11% Sn (solução solida a) c β = 99% Sn (solução solida b) Quantidade relativa de cada fase: C a %em peso C b % em peso

17 Desenvolvimento da microestrutura em ligas eutéticas Composições entre a do componente puro e o limite de solubilidade à temperatura ambiente do mesmo componente: O resfriamento corresponde a um deslocamento vertical para baixo (diminuição da temperatura) ao longo da linha tracejada A liga permanece líquida até que atinge a linha liquidus, quando o sólido α começa a se formar Com o prosseguimento do resfriamento mais sólido α se forma A solidificação atinge o término quando cruza a linha solidus

18 Desenvolvimento da microestrutura em ligas eutéticas Composições que se encontram entre o limite de solubilidade à temperatura ambiente e a solubilidade máxima (na temperatura eutética) No resfriamento da fase líquida até a intersecção com a linha solvus que separa a região de solução sólida da de dois sólidos (a e b) as alterações são iguais ao caso anterior Logo acima da intersecção com a linha solvus citada, a microestrutura consiste apenas de grãos da fase a Com o cruzamento dessa linha solvus a solubilidade da fase α é excedida, o que resulta na formação de pequenas partículas de fase β (precipitadas) Solvus linha que separa uma região de solução sólida de outra contendo várias fases.

19 Desenvolvimento da microestrutura em ligas eutéticas Solidificação da composição eutética (composição de menor ponto de fusão total) À medida que a liga é resfriada a partir do líquido nenhuma alteração ocorre até a temperatura eutética (183 o C) Ao cruzar a isoterma eutética o líquido se transforma (solidifica) simultaneamente nas duas fases: α e β Micrografia mostrando a microestrutura de uma liga chumbo-estanho com a composição eutética.

20 Desenvolvimento da microestrutura em ligas eutéticas Microestrutura de uma liga Ag- Cu mostrando α eutética e α primária Composições não-eutéticas, mas que quando resfriadas cruzam a isoterma eutética: Antes do cruzamento da isoterma eutética as fases α (primária) e líquida estão presentes Após o cruzamento da isoterma eutética a fase líquida que possui a composição do eutético se transformará na microestrutura do eutético A fase α estará presente tanto no eutético quanto naquela fase que se formou em α +L, assim dá-se o nome de α eutética àquela que reside no eutético e α primária aquela que se formou antes da isoterma eutética Observe que as fases mudam de composição na região bifásica, no resfriamento!

21 ESQUEMA DE CONSTRUÇÃO DO DIAGRAMA DE FASES liquidus 2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license. Curva de resfriamento para uma liga isomorfa durante a solidificação. Assume-se que a taxa de resfriamento é pequena para permitir o equilíbrio térmico da liga. As mudanças de inflexão mostradas na curva de resfriamento indicam as temperaturas liquidus e solidus, neste caso para uma liga Cu-Ni com 40% em peso de Ni.

22 2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license. Seis curvas de resfriamento para diversos percentuais da liga Mo-V levantadas para a construção do diagrama de fases.

23 Diagrama de equilíbrio Mo-V

24 Hipoeutético Cd-Zn (10%Zn) Eutético Cd-Zn (17,4%Zn) Hipereutético Cd-Zn (40%Zn)

25 Fusão Congruente versus Fusão Incongruente Fusão congruente ocorre sem mudança de composição entre as fases envolvidas. Fusão incongruente envolve mudança de composição.

26 Reação eutetóide também é incongruente

27 Reação peritética também é incongruente

28 Fusão Congruente versus Fusão Incongruente Fusão congruente: outros exemplos. Essas não são congruentes!!! Fusões incongruentes: (todas as outras).

29 O sistema Au-Hg

30 As cinco mais importantes reações contendo três fases de um diagrama de fase binário