Diagramas de Fases. Quando nós combinamos dois elementos... que estado de equilíbrio teremos?

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1 Diagramas de Fases

2 Diagramas de Fases Vamos tentar responder... Quando nós combinamos dois elementos... que estado de equilíbrio teremos? Em particular, se nós especificamos uma composição (por ex., %peso Cu - %peso Ni), e -- uma temperatura (T) então... Quantas fases teremos? Qual a composição de cada fase? Quanto de cada fase teremos? Fase A Fase B Ni Cu

3 imite de Solubilidade Introdução Soluções soluções sólidas, fase única Misturas mais do que uma fase imite de Solubilidade: Máxima concentração na qual uma fase única ocorre. Questão: Qual o limite de solubilidade a 20 C? Resposta: 65 %peso açucar. se Co < 65 %p açúcar: xarope se Co > 65 %p açúcar: xarope + açúcar Temperature ( C) Pure Water Sucrose/Water Phase Diagram Solubility imit (liquid solution i.e., syrup) (liquid) + S (solid sugar) C o =Composition (wt.% sugar) Pure Sugar

4 Componentes e Fases Componentes: Elementos ou compostos que estão presentes em uma mistura (por ex., Al e Cu) Fases: Distinção física e química de regiões de um material (por ex., e β). β ( fase clara) iga Al-Cu (fase escura)

5 Efeitos da Temperatura e da Composição (C o ) Mudando Temp pode mudar # de fases: de A para B. Mudando C o pode mudar # de fases: de B para D. Sistema Água - Açúcar Temperatura ( C) (Solução liquida i.e., xarope) B (100 C,70%p) 1 fase (liquido) + S (açúcar solido) A (20 C,70%p) 2 fases C o =Composição (%peso açúcar) D (100 C,90%p) 2 fases

6 Equilíbrio de Fase Sistema de solução Completa (por ex., Ni-Cu) Estrutura Eletronegatividade r (nm) Ni FCC Cu FCC (Regra de W. Hume Rothery) sugere alta solubilidade mutua. Ni e Cu são totalmente miscíveis em todas as proporções

7 SOUÇÕES SÓIDAS EM METAIS SOUÇÕES SÓIDAS SUBSTITUCIONAIS As soluções sólidas formam-se mais facilmente quando os átomos do solvente e do soluto têm dimensões e estruturas eletrônicas comparáveis. No caso do latão, o cobre e o zinco têm raios atômicos de 0,1278 e 0,1332 nm, respectivamente. Ambos têm, excetuando-se o nível de valência, 28 elétrons e apresentam, quando isolados, número de coordenação NC = 12. Portanto, o zinco substitui facilmente até um máximo de cerca de 40% dos átomos de cobre no reticulado CFC. Este é um exemplo de solução sólida substitucional, bastante comum em vários sistemas metálicos.

8 Outro exemplo é a solução de cobre e níquel formando o monel. Estas soluções vão desde praticamente a ausência de níquel até quase 100% de átomos de níquel. Todas as ligas cobre-níquel são CFC. Os raios atômicos do cobre e do níquel são 0,1278 e 0,1246 nm, respectivamente, e eles têm a mesma estrutura CFC. Por outro lado, há um limite muito bem definido na quantidade de estanho que pode substituir cobre para formar bronze e ainda manter a estrutura CFC do cobre. O estanho em excesso, além da quantidade correspondente à solubilidade sólida, forma uma outra fase. Isto é definido pelo limite de solubilidade. Conforme aumenta a diferença de dimensões entre os átomos, ocorre cada vez menos substituição. Apenas 20% dos átomos de Cu podem ser substituídos por alumínio.

9 Para ocorrer a completa miscibilidade em soluções sólidas metálicas, os metais devem ser bastante similares, como definido pela Regras de Hume-Rothery (metalurgista inglês, ): 1) Menos que cerca de 15% de diferença nos raios atômicos 2) A mesma estrutura cristalina 3) Eletronegatividades similares (atração de elétrons) 4) A mesma valência. A Tabela 4-1 e a Figura 4-3 mostram a solubilidade sólida máxima, no cobre, de vários metais com a mesma estrutura CFC do cobre.

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12 Diagrama de fases do sistema Cu-Sn r Cu = 0,1278 nm r Sn = 0,1509 nm

13 Diagrama de fases do sistema Cu-Al r Cu = 0,1278 nm r Al = 0,1431 nm

14 Diagrama de fases do sistema Cu-Ni r Cu = 0,1278 nm r Ni = 0,1246 nm

15 Diagramas de Fases Indica as fases como função da Temperatura, C o, e P. Neste curso: - Sistemas binários: apenas 2 componentes. - Variáveis independentes : Temperatura e C o (P = 1 atm). Temperatura ( C) Cu (liquido) (solução sólida CFC) %peso Ni Ni Diagrama de Fases para o sistema Cu-Ni 2 Fases: (liquido) (solução sólida CFC) 3 Campos de Fases: +

16 Diagramas de Fases : # e tipos de fases Regra 1: se conhecemos a Temp e a C o, então conhecemos: -- o # e os tipos de fases presentes. Exemplos: A(1100 C, 60%p): 1 fase: B(1250 C, 35%p): 2 fases: + o T( C) B(1250 C,35%p) (liquido) (ss CFC) 1100 A (1100 C,60%p) %peso Ni

17 Diagramas de Fases : composição e fases Regra 2: se conhecemos a Temp e a C o, então conhecemos: -- a composição de cada fase. Exemplos: Co = 35 %peso Ni TA = 1320 C: apenas íquido () C = Co ( = 35 %peso Ni) T D = 1190 C: apenas Sólido ( ) C = Co ( = 35 %peso Ni) T( C) T A 1300 T B 1200 T D TB = 1250 C: ambos and C = Cliquidus ( = 32 %peso Ni ) C = Csolidus ( = 43 %peso Ni ) 20 Sistema Cu-Ni A B D C o 43 C %peso Ni C

18 Diagramas de Fases: frações de fases Regra 3: se conhecemos a Temp e a C o, então conhecemos: -- a quantidade de cada fase (%peso ou %mol). Exemplos: Co = 35 %peso Ni TA: apenas íquido () W = 100 %peso, W = 0 TD: apenas Sólido ( ) W = 0, W = 100 %peso TB: ambos e W = S R +S = = 73 % T( C) TA 1300 TB 1200 TD 20 A B R S D 3235 C C o 4 3 C %peso Ni W = R R +S = 27 %

19 Regra da Alavanca inha de interligação conecta as fases em equilíbrio essencialmente numa isoterma T( C) 1300 Quanto de cada fase? Pense nisso como uma alavanca (gangorra) TB B M M 1200 R S R S 20 30C C o C %peso Ni M S = M R W = M M + M = S R + S = C C C C 0 W = R R + S = C C 0 C C

20 Sistema é: -- binário i.e., 2 componentes: Cu e Ni. --isomórfico i.e., solubilidade completa de um componente no outro; o campo da fase estende-se de 0 to 100% Ni. Considerar C o = 35 %pesoni. Resfriamento em um sistema binários: Cu-Ni T( C) 1300 : 35 %p Ni : 46 %p Ni (liquid) (solid) A B C D E 35 Co : 35%pNi : 32 %p Ni : 43 %p Ni : 24 %p Ni : 36 %p Ni %peso Ni

21 C no resfriamento. Cu-Ni : Sistemas em equilíbrio Primeira fase a solidificar possui C = 46 %peso Ni. Última fase a solidificar possui C = 35 %peso Ni. Altas taxas de resfriamento: estrutura em partes primeiro 46 %peso Ni último < 35 %peso Ni baixas taxas de resfriamento: estrutura em equilíbrio Uniforme C: 35 %peso Ni

22 Propriedades Mecânicas: Sistema Cu-Ni Efeito da solução sólida na resistência: imite de Resistência (MPa) -- imite de Resistência (TS) --Ductilidade (%E) Cu Ni %peso Ni Elongamento (%E) Cu Ni %peso Ni -- Máximo em função de Co -- Mínimo em função de Co

23 Sistemas Binários-Eutéticos 2 componentes 3 regiões com uma fase (,, β) solubilidade imitada : : rico em Cu β: rico em Ag T E : mínima Temp de fusão C E : Composição em T E Possui uma composição com Temp de fusão inferior aos componentes puros T( C) Sistema Cu-Ag + (liquid) + β +β β T C E Transição Eutética (CE) (CE) + β (CβE) C E C o, %peso Ag

24 Diagrama de fases do sistema Ag-Cu r Cu = 0,1278 nm r Ag = 0,1444 nm

25 Diagrama de fases do sistema Cu-Pb r Cu = 0,1278 nm r Pb = 0,1750 nm

26 EX: Sistema Eutético Pb-Sn Para uma liga com 40 %p Sn 60 %p Pb a 150 C, temos fases presentes: + β --composição das fases: T( C) C O = 40 %peso Sn C = 11 %peso Sn C β = 99 %peso Sn -- Qtde de cada fase: W= = Wβ = S R+S = C β - C O C β - C = = 67 % R R+S = = C O -C C β -C = = 33 % (liquid) 183 C +β R + β S C C o C β C, %peso Sn β

27 Para uma liga com 40 %p Sn 60 %p Pb a 220 C, temos fases presentes : + -- composição das fases : T( C) C O = 40 %peso Sn C = 17 %peso Sn C = 46 %peso Sn -- Qtde de cada fase : W = C -C O C -C = = 6 29 = 21 % EX: Sistema Eutético Pb-Sn W = C O -C C -C = = 79 % R S (liquido) 183 C + β +β C C o C C, wt% Sn β

28 Microestruturas em Sistemas Eutéticos: C o < 2 %peso Sn Resultados: policristais de grãos i.e., apenas uma fase sólida. T( C) T E : C o %peso Sn : C o %peso Sn β 0 C o C o, %peso Sn 2 (limite de solubilidade a Temp ambiente)

29 Microestruturas em Sistemas Eutéticos: 2 %p Sn < C o < 18,3 %p Sn Resultados: + apenas finalmente duas fases policristalino inclusões finas de fase β T( C) T E β : C o %p Sn : C o %p Sn β C o 20 18,3 (limite solub. a T E ) 30 C o, %p Sn

30 Microstruturas em Sistemas Eutéticos: C o = C E Resultados: microestrutura Eutética (estrutura lamelar) -- camadas alternadas (lamelares) de cristais de e β T E T( C) C : C o %peso Sn + β β Micrografia de microestrutura eutética Pb-Sn β β: 97,8 %peso Sn : 18,3 %pesosn 160μm ,3 C E 97,8 61,9 C, %peso Sn

31 Estrutura Eutética amelar

32 T E ,3 %peso Sn < C o < 61,9 %peso Sn (hipoeutético) Resultados: cristais e uma microestrutura eutética T( C) 0 + R R +β S Microstruturas em Sistemas : C o %peso Sn ,3 61,9 97,8 S +β C o, %peso Sn Eutéticos: β primário eutético β eutético logo acima T E : C = 18,3 %p Sn C = 61,9 %p Sn S W = = 50 % R + S W = (1- W) = 50 % logo abaixo T E : C = 18,3 %peso Sn Cβ = 97,8 %peso Sn S W= = 73 % R + S Wβ = 27 %

33 Hipoeutético & Hipereutético 300 T( C) 200 T E β +β β (Sistema Pb-Sn) hipoeutético: C o = 50 %p Sn eutético 61,9 C o, %peso Sn hipereutético: (apenas ilustração) 175 μm eutético: C o =61,9%p Sn 160 μm β β β β β β eutético micro-constituinte

34 Compostos Intermetálicos Mg 2 Pb Composto intermetálico forma uma linha não uma área composição estequiométrica exata

35 Eutetóide & Peritético Eutético cool heat + β Eutetóide intermetallic compound S - cementite 2 S 1 +S 3 cool γ + Fe heat 3 C (727ºC) Peritético S 1 + S 2 δ + γ (1493ºC) cool heat

36 Eutetóide & Peritético Diagrama Fase Cu-Zn Transição Peritética γ + δ Transição Eutetóide δ γ+ ε

37 Diagrama de fases do sistema Cu-Zn r Cu = 0,1278 nm r Zn = 0,1332 nm

38 Diagrama de Fase Ferro-Carbono (Fe-C) 2 pontos importantes -Eutético (A): γ+ Fe 3 C -Eutetóide (B): γ +Fe 3 C 1600 δ T( C) γ γ + (austenita) R B γ γ γ γ 1148 C R A γ+fe 3 C 727 C = Teutetóide S +Fe 3 C +Fe 3 C S Fe 3 C (cementita) 120 μm Resultado: Perlita = Camadas alternadas de de Fe 3 C (Fe) 0.76 C eutetóide 4.30 C o, %peso C Fe 3 C (cementita-dura) (ferrita - macia)

39 γ γ γ γ γ γ γ γ γ γ γ γ w =s/(r +s) wγ =(1- w) 1600 δ T( C) γ γ+ (austenita) Aço Hipoeutetóide (Fe) C 0 perlita = wγ w perlita w =S/(R+S) w Fe3 C =(1-w) r s R S perlita C 1148 C γ +Fe 3 C +Fe 3 C +Fe 3 C Fe 3 C (cementita) C o, %peso C (Sistema Fe-C) 100 μm Aço Hipoeutetóide Ferrita pre-eutetóide

40 Aço Hipereutetóide Fe 3 C γ γ γ γ γ γ γ γ γ γ γ γ w Fe3 C =r/(r +s) wγ =(1-w Fe3 C) 1600 δ T( C) γ γ+ (austenita) perlita(fe) = wγ w perlita w =S/(R+S) w Fe3 C =(1-w ) R r C o s S 1148 C γ +Fe 3 C +Fe 3 C +Fe 3 C Fe 3 C (cementita) C o, %pesoc (Sistema Fe-C) 60 μm Aço Hipereutetóide perlita preeutetóide Fe 3 C

41 Aços ligados com mais elementos Mudanças na T eutetóide mudanças na C eutetóide : T eutetóide ( C) Ti Mo Ni Si W Cr Mn Ceutetóide (%pesoc) Ti Si Mo Ni Cr W Mn %peso de elementos de liga %peso de elementos de liga

42 Composição da escória em aços A escória adicionada no Refino tem a função tanto de proteção térmica (evitar perda de temperatura) quanto proteção atmosférica (evitar reoxidação), mas também pode ter a função de captação de inclusões. Os principais insumos de escórias são: cal (CaO), a fluorita (CaF 2 ), a alumina (Al 2 O 3 ), o óxido de magnésio (MgO), ou mais recentemente escórias pré-fundidas, escórias sintéticas em que, além da mistura mecânica dos componentes, é realizada também uma pré-fusão. A utilização única ou combinada destes compostos fica a cargo dos engenheiros de processos, que são os responsáveis por desenhar o roteiro a ser seguido. Normalmente, seguem os diagramas quaternários CaO-Al 2 O 3 -SiO 2 -MgO, mas na prática são utilizados os ternários da combinação destes elementos. A composição da escória está diretamente ligada à formação de inclusões. Deseja-se evitar escórias de alto ponto de fusão, sólidas, com interação ruim com o aço, e pouca ou nenhuma captação de inclusões. Busca-se portanto escórias líquidas nas temperaturas de processamento (1550 C a 1650 C), com boa interação com o aço e que preferencialmente captem inclusões.

43 Composição da escória em aços Diagrama ternário em corte isotérmico e em vista tridimensional do sistema CaO-Al 2 O 3 - SiO 2, evidenciando a região de menor ponto de fusão (Dave Finkelnburg. How Glazes Melt: In Search of the Elusive Eutectic. Ceramic Starts Daily. [Online] Dezembro 09,