Sistemas Multicomponentes Heterogêneo. Profa. Daniela Becker

Transcrição

1 Sistemas Multicomponentes Heterogêneo Profa. Daniela ecker

2 ibliografia TKINS, P.W.; Fisico-Química Vol 1. Editora LTC, Rio de Janeiro, 1999, cap 6. DeHOFF, R.T., Thermodynamics in Materials Science. Mcgraw-Hill, 1993, cap 9.

3 Introdução Diagramas de fase Representação gráfica de fases ou microestruturas estáveis de um material em função da temperatura, pressão e composição

4 Condições de Equilíbrio p c c c p p P P P P P T T T µ µ µ µ µ µ µ µ µ β α β α β α β α β α = = = = = = = = = = = = = = =

5 Conceitos Regra das fases (termodinâmica química J.W. Gibbs) Relação geral entre graus de liberdade (F), o número de componentes (C) e o número de fases em equilíbrio (P) para um sistema de qualquer composição F = C - P + N freedom components phases número de variáveis do sistema sem considerar a composição p.ex.: temperatura, pressão F = número de variáveis externamente controladas (geralmente temperatura, pressão, composição) que podem ser variadas de maneira independente sem alterar o número de fases que coexistem.

6 Conceitos F = C - P + 2 Para C = 1: F = 3 P P = 1; F = 2 P = 2; F = 1 P = 3; F= 0 P = 4; F = -1

7 Sistemas inários

8 Regra das Fases para Diagramas com Mais de um Constituinte Quando: C = 2 e diagrama é T x composição Pressão constante F = C - P + 1

9 Regra das Fases para Diagramas com Mais de um Constituinte Na regra das fases apenas a composição das fases é o que importa, não quantidades. C = 2 F = C - P + 1 F = 3 P P = 1; F = 2 P = 2; F = 1 P = 3; F = 0 P = 4; F = -1 (proibido)

10 Sistema de dois componentes Tempertura Pressão - Composição Tempertura - Composição Temperatura Líquido Pressão = 1 atm + Composição

11 Sistema Isomorfo

12 Interpretação do Diagrama de fase binário Comp. Liq= 32% de Ni e 68% de Cu Comp. Sol. = 45% de Ni e 55% de Cu

13 Interpretação do Diagrama de fase binário Composição das fases Comp. Liq= 31,4% Ni e 68,9%Cu Comp. Sol. = 42,5,4 %Ni e %57,5Cu Percentagem das fases Fase líquida L = S L = Cα-C0 R+S Cα-CL Fase sólida S = R L = Co-CL R+S Cα-CL

14 Diagrama de fases de polímeros

15 Critério de Miscibilidade de fases G m = H m T S m < 0 2 φ G m 2 2 T, P > 0 Gráfico da Energia Livre da Mistura de dois polímeros: () imiscíveis, () miscível e (C) parcialmente miscível

16 Estabilidade das fases

17 Ponto de fusão congruente Temperatura α L Temperatura α L Em alguns casos as curvas líquidus e sólidus apresentam ponto de máximo ou mínimo. Neste ponto as linhas líquidus e sólidus devem se encontrar e estes pontos são definidos como Pontos de fusão congruente de ligas -Sistemas Isomórficos: g-pd, i-sb, Co-Ti, Mo-Ta, Mo-Ti, Mo-V, Mo-W, Hf-Zr -Sistemas Isomórficos com ponto de mínimo: Cb-Hf, Cb-V, Co-Pd, Co-Pt, u-cu, u-ni, Cs-K, Cr-Mo, Ti-V, Cr-Mo, Ti-Zr, K-Rb, Ni-Pd, Cr-V -Sistemas Isomórficos com ponto de máximo: em metais são desconhecidos, sendo possíveis em não metálicos

18 Exemplo Produção de Jóias Sistema de dois componentes Com Solução solida total em um intervalo de temperatura e Gap de miscibilidade Ouro branco Niquel / Prata e Paladio

19 Sistema Eutético

20 Sistema Eutetóide

21 Sistema Peritético α + L β L L Temperatura α α + L α+β β Temperatura α α + L α+β β β+γ γ Composição Composição

22 Sistema Peritetóide

23 Sistema Monotético

24 Sistema Metatético

25 Compostos intermediários Fusão Mg 2 Pb

26

27 Variação da Composição em Transformações de fase Conceitos: Transformação congruente Transformação de fase sem alteração da composição Ex: Transformação alotrópica, fusão de materiais puros, compostos intermediários Transformação incongruente Transformação de fase com alteração da composição Ex: reações eutéticas e eutetóides

28 *Transformação congruente Transformação de fase sem alteração da composição

29 *Transformação incongruente (mais frequente) Transformação de fase com alteração da composição REÇÃO PERITÉTIC

30 Diagrama inário Metais

31 Diagrama inário - Cerâmicas

32 Sistemas Ternários

33 Sistema de três componentes Componentes : 3 (, e C ) Constante : Pressão Variáveis : Temperatura, % e % Regra de Gibbs : P + F = C + 1 P + F = C + 2 (3 Fases) F = 0 - Ponto (2 Fases) F = 1 - Linha (1 Fases) F = 2 - Área P + F = C + 1 (3 Fases) F = 0 - Ponto (2 Fases) F = 1 - Linha (1 Fases) F = 2 - Área P + F = C + 1 (4 Fases) F = 0 - Ponto (3 Fases) F = 1 - Linha (2 Fases) F = 2 - Área (1 Fases) F = 3 - Volume

34 Eutético Ternário Eutético inário C

35 Triângulo de Gibbs

36 T T C T C

37 T 1 T T C T C

38 T T 2 T C T C

39 T T 2 T C T 3 T C

40 T T 2 T C T 3 T T 4 C

41 T T 2 T C T 3 T T 4 C

42 T T 2 T C T 3 T T 4 T C E Eutético Ternário

43 Exemplos - Polímero

44 Exemplos - Metais

45 Exemplos - Cerâmicas

46 Como ler um diagrama de fase ternário

47 Os vértices 1, 2 e 3 representam os componentes puros Os pontos no interior do triângulo representam misturas dos três componentes (1,2 e 3) S 0,25 0,00 1 1,00 0,75 1 e 2 P S' N' 1 e 3 N Cada lado do triângulo representa uma mistura binária. 0,50 P' 0,50 0,75 1, 2 e 3 0,25 2 1,00 0,00 0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 2 e 3 3

48 D representa uma mistura binária dos componentes 1 e 2; E é uma mistura binária de 2 e 3; P, Q, R e S representam misturas dos três componentes (1, 2 e 3). 0,00 1 1,00 0,75 0,50 0,25 0,75... D X S. X P Q 0,50 0,25 2 1,00 0,00 0,00 0,25 0,50 0,75 1,00.E 3

49 Propriedades Geométricas do Triângulo Equilátero C C L H b a X a X b c c soma das perpendiculares baixadas de um ponto no interior do triângulo sobre cada um dos três lados é igual a altura do triangulo ax + cx + bx = H soma dos segmentos de reta tirados por um ponto interior do triângulo paralelamente a cada um dos lados é igual ao comprimento do triângulo ax + cx + bx = L

50 Propriedades aplicadas ao triângulo de Gibbs

51 Exemplo

52 Indicar o ponto M no diagrama para 20% de, 10% de e 70% de C C M C

53 Propriedades do triângulo de Gibbs C C Os pontos de qualquer linha reta que passa por um dos vertices do triângulo (C) e que intersepte o lado oposto (), representam misturas em que a proporção dos componentes correspondentes aos outros dois vertices ( e ) é constante Os pontos de qualquer paralela a um dos lados do triângulo, representam misturas com proporção constante do componente correspondente ao vertice oposto a esse lado

54 Propriedades do triângulo de Gibbs Regra C da lavanca M X N Se forem combinadas duas composições M e N a mistura resultante estará sobre o segmento de reta MN, e em um ponto tal que divida este segmento em dois intervalos inversamente proporcionais a quantidade de M e N utilizados

55 Exemplo Mistura M = 70% + 20% + 10%C Mistura N = 40% + 10% + 50%C

56 Exemplo C N C M

57 Exemplo Mistura M = 70% + 20% + 10%C Mistura N = 40% + 10% + 50%C Se misturarmos 25% de M e 75% de N, teremos a seguinte composição: 0,25x70% + 0,75x40%= 47,5% 0,25x20% + 0,75x10% = 12,5% 0,25x10%C + 0,75x50%c = 40,0%C

58 Exemplo C N C Q M

59 Exemplo N Q M

60 Regra da lavanca Planar Se juntarem três misturas quaisquer num sistema ternário, a composição da mistura resultante pertence ao triângulo formado pelas três misturas originais e localiza-se no seu C centro de gravidade; V N Y M

61 Exemplo Mistura R = 20% + 70% +10%C Mistura S = 40% + 40% +20%C Mistura L = 10% + 30% +60%C

62 Exemplo C L C S R

63 Exemplo C L C S R

64 Exemplo Mistura R = 20% + 70% +10%C Mistura S = 40% + 40% +20%C Mistura L = 10% + 30% +60%C Se misturar 20% R + 30% S + 50% L, temos: 21% + 41% + 38%C

65 Exemplo C L C P S R

66 Exemplo C L C O P O S O R

67 Exemplo L O P O S O R

68 Exemplo L O P O S O R Presença de segmentos pequenos a utilização de três regras da alavanca linear conduz a erros!!!!

69 Cortes em um diagrama ternário Isotérmico

70 Projeção do diagrama ternário

71 Projeção do Diagrama Ternário C T 3 T 4 T 5 T 7 T 8 T 6 T 6 T 4 T 5 T 5 T 3 T 4 T 1 T 2 T 3

72 Sistema Ternário sem Solução Sólida Eutético inário Eutético Ternário C T 1 T 2 T 3 T 4 e1 T 5 e2 T 5 T 5 T 3 T 4 E T 4 T 3 T 2 T 2 e3

73 Formação de Composto Intermediário C T 1 T 2 T 3 T 4 e1 T 6 T 5 e2 T 5 T 6 E1 E2 T 4 T 3 T 2 e3 e4

74 Linha de lcamaid C Triângulo de compatibilidade C T 2 T 1 T 2 T 1 T 3 T 3 T 4 e1 T 6 T 5 T 4 e2 T 6 e1 T 5 T 6 e2 T 6 T 5 E1 P1 T 5 E1 P1 T 4 T 3 T 4 T 2 T 3 e3 p1 T 2 e3 p1

75 Fusão Congruente C T 1 T 2 T 3 T 4 e1 T 6 T 5 e2 T 5 T 6 E1 E2 T 4 T 3 T 2 e3 e4

76 Fusão Incongruente C T 1 T 2 T 3 T 4 e1 T 6 T 5 e2 T 6 T 5 E1 P1 T 4 T 3 T 2 e3 p1

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