Chapter 9 Multicomponent, heterogeneous systems

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1 Universidade de São Paulo Instituto de Física de São Carlos - IFSC Chapter 9 Multicomponent, heterogeneous systems (DeHoff: hermodynamics in Materials Science) Prof. Dr. José Pedro Donoso

2 Capítulo he description of multiphase, multicomponent systems he thermodynamic apparatus needed to describe multiphase systems is based on the definition of extensive properties and mathematical relations. 9.2 Conditions for Equilibrium 9.3 he Gibbs phase rule: f c p + 2 (p phases and c components) 9.4 he structure of phase diagrams Unary systems Binary phase diagrams ernary phase diagrams 9.5 he interpretation of phase diagrams. he lever rule for tie lines 9.6 Applications of phase diagrams in materials science

3 he description of multiphase, multicomponent systems Microestrutura com 3 fases: a fase troca calor, trabalho e materia com as outras fases

4 Descrição de um sistema multifase e multicomponentes Para as propriedades extensivas V, S, U, H, F e G, o valor da propriedade para o sistema é a soma dos valores das partes: P B' sys B' 1 Para uma mudança de estado, a mudança em B sys é a soma das mudanças que experimenta cada fase: P db' sys db' 1 A mudança na entropia para uma mudança de estado é: ds' sys P c du ' + dv ' µ k P 1 dn k he thermodynamic apparatus needed to describe multiphase systems is based on the definition of extensive properties and mathematical relations.

5 Condições de Equilíbrio Sistema de duas fases: e e c componentes(em cada fase) Mudança de entropia: Num sistema isolado, U sys, V sys e n k,sys (k 1,, c) não podem mudar ' ' ' ds ds ds sys + µ dn dv P du ds + 1 µ dn dv P du ds + 1 ' ' 0 ' du du du sys µ µ dn dv P P du ds sys P P P P 0 µ µ µ µ 0

6 Estendendo estas condições de equilíbrio para p-fases I II... P (p -1) eq. indepentes I II P P... P P I II 1 µ 1 µ... µ P 1 I II P c µ c... µ c µ Número fileiras: (2 + c) Numero total de equações: n (p 1)(2 + c)

7 J. W. Gibbs (1875): qual o número de variáveis independentes que definem o estado termodinámico de um sistema? - Sistema unário: duas variáveis: e P - Solução homogênea:, P e X k - Sistema multifases:? Fase I : Fase II : I I I, P, X 1,..., X II II II, P, X 1,..., X I c II c (c + 1) variáveis Fase p : P P P, P, X 1,..., X Numero total de variáveis do sistema: P c m p 1 ( c)

8 Regra de fases de Gibbs: O número de graus de liberdade: f m - n m p 1 ( c) ( p 1)( c) n 2 + f c p Sistema unário: c 1, p 1 f 2 (ex:, P) - Sistema binário: c 2, p 1 f 3 (ex:, P, X 2 ) - Sistema de c componentes e uma fase f c + 1 Exemplos 1 solda: liga 0.5Pb : 0.5Sn. A 200 o C, c 2 (Pb,Sn) e p 2 (s,l) f 1 2- CaCO 3 (s), CaO(s) e CO 2 (g): c 2 (CaO e CO 2 )

9 9.4 he structure of phase diagrams (a) Sistema unario (c 1) ; (b) sistema binário (c 2, P constante) e (c) sistema ternário (c 3), P e fixos Diagrama de fases: representação gráfica de dominios de estabilidade das várias classes de estruturas que podem existir no sistema em equilíbrio

10 Figura 9.3: Diagrama de fases (,P a 2 ) de um sistema binário

11 Figura 9.3 (b) seção a P constante; (c) representação no espaço (,X 2 ) Os diagramas indicam quantas fases coexistem em cada ponto, quais são essas fases e a quantidade presente em cada fase (c)

12 Figura 9.4: representação do mesmo diagrama de fases unario: (a) As duas variáveis e P são potenciais termodinâmicos (b) uma das variáveis, P, é um potencial termodinâmico Estados de equilíbrio conetados por linhas horizontais: tie lines (c) Nenhuma das variáveis é um potencial termodinâmico Estados de equilíbrio conetados por linhas não horizontais

13 9.5 - he interpretation of phase diagrams Figura 9.9: No ponto P coexistem 2 fases: ε e L A linha A-B é a linha de amarração que coneta as composições de equilíbrio para as fases ε e L na temperatura da linha: ε L em X 2ε e em X 2 L A regra da alavanca (lever rule) permite determinar as quantidades relativas das duas fases

14 Regra da Alavanca para linhas de amarração Ponto P: mistura das duas fases: ε e L Fase ε : X 2ε, ε Fase L: X 2L, L ( ε L ) 0 ε ε L L n X 2 n X 2 + n X 2 A fração de moles em cada fase é: f ε L 0 X 2 X 2 L ε X 2 + X 2 PB AB f L ε X 2 X 2 1 f L ε X + X ε AP AB

15 Applications of phase diagrams in material science o : o material é fundido e equilibrado o 1 o sistema cruza a região ( + L) Em 1 : pequena quantidade de de composição X 2 no liquido de composição ligeiramente mais rica em componente do que X 20. Particulas começam a nuclear e crescer 1 2 aumenta a quantidade de Em 2 : X 2 40% e X 2L 60% Em 3 : o sistema consiste de duas fases sólidas ( + ), quantidades relativa 70% e 30%, e mais o liquido solidificado

16 Sistema água açúcar (C 12 H 22 O 11 ) Inicialmente forma-se uma solução emperature ( C) Sucrose/Water Phase Diagram Solubility Limit L (liquid solution i.e., syrup) L (liquid) + S (solid sugar) Introduzindo mais açucar, a solução torna-se mais concentrada No limite de solubilidade, a solução fica saturada com açucar. As adições seguintes se sedimentam no fundo do recipiente porque a solução não é capaz de dissolver mais açucar A solubilidade max. a 20 o C do açucar na água é de 65%p Pure Water C o Composition (wt% sugar) Callister: Ciência e engenharia de materiais. Pure Sugar O sistema consiste agora de duas subtâncias separadas: 1-uma solução de água açucar 2-cristais solidos de açucar

17 ( C) L (liquid) liquidus L + (FCC solid solution) solidus fases: L (liquido) (FCC solução solida) 3 regiões: L L + wt% Ni Sistema Cu - Ni Fase B Cobre: f 1085 o C; estrut. FCC Níquel: f 1453 o C; estr. FCC Fase A Nickel atom Copper atom

18 Microestruturas num sistema binario Shackelford: Introduction to Materials Science for Engineers

19 Sistema Cobre Níquel O líquido (L) consiste em uma solução homogênea, composta por Cu e por Ni ( C) L (liquid) B L + liquidus (FCC solid solution) A solidus Cu-Ni phase diagram A fase consiste em uma solução solida que contém tanto Cu como Ni e que possui uma estrutura cristalina cúbica de faces centradas (FCC) A 1080 o C o cobre e o níquel são mutuamente solúveis um no outro no estado sólido, para qualquer composição. A : liga composição 60%Ni 40% Cu a 1100 o C. Fase presente: Callister: Ciência e Engenharia de Materiais wt% Ni B : liga composição 35%Ni - 65%Cu a 1250 o C. Fase e L em equilíbrio. Problema: determinar a composição (em %p Ni e %p Cu) tanto para a fase como para a fase líquida.

20 Co 35 wt% Ni Fases presentes A A 1320 C: Só Liquido (L) CL Co ( 35 wt% Ni) A D 1190 C: Só Solido ( ) C Co ( 35 wt% Ni) ( C) A 1300 B 1200 D L (liquid) L + A B D tie line liquidus L + solidus (solid) A B 1250 C: e L CL Cliquidus ( 32 wt% Ni aqui) C Csolidus ( 43 wt% Ni aqui) C L C o 43 C wt% Ni Adapted from Fig. 9.3(b), Callister 7e. (Fig. 9.3(b) is adapted from Phase Diagrams of Binary Nickel Alloys, P. Nash (Ed.), ASM International, Materials Park, OH, 1991.)

21 Co 35 wt% Ni A: Só Liquid (L) WL 100 wt%, W 0 D: Só Solid ( ) B: W L WL 0, W 100 wt% S R +S e L wt% Determinação das quantidades ( C) A 1300 B 1200 D 20 das fases L (liquid) L + A B R S D 3235 C L C o tie line liquidus L + solidus (solid) 4 3 C wt% Ni W R R +S 27 wt% Adapted from Fig. 9.3(b), Callister 7e. (Fig. 9.3(b) is adapted from Phase Diagrams of Binary Nickel Alloys, P. Nash (Ed.), ASM International, Materials Park, OH, 1991.)

22 Regra da alavanca W L e W : fração em massa para as respetivas fases L e ( C) 1300 B L (liquid) L + R B wt% Ni tie line S liquidus L + solidus (solid) 30C C L o C Adapted from Fig. 9.3(b), Callister 7e. M L M R S S M L M R W L M L ML + M S R + S C C C C 0 L W R R + S C C 0 C C L L

23 Resfriamento em condições de equilíbrio da liga 35%Ni 65%Cu (a) 1300 o C: a liga está completamente L composição 35%p Ni 65%p Cu. (b) ~1260 o C : o primeiro solido começa a se formar. Composição 46%Ni - 54%Cu A composição do liquido ainda é L(35 Ni) A composição global da liga permanece inalterada no processo, mais há uma redistribuição de Ni e Cu entre as fases Callister: Ciência e Engenharia de Materiais (c) 1250 o C : a composição da fase L é 32%Ni - 68%Cu, e a fase 43%Ni - 57%Cu (d) 1220 o C; composições: sólido 35% Ni 65%Cu; Liquido 24%Ni 76%Cu (e) O resto de fase liquida se solidifica. O produto final é uma solução solida policristalina de fase, 35%Ni 65%Cu

24 Resfriamento fora das condições de equilíbrio A curva solidus no diagrama de fases se desloca para maiores teores de Ni (linha tracejada) (d ) para taxas de resfriamento em condições de equilibrio, a solidificação deve estar completada. Na condição atual ainda existe uma proporção apreciável de L (e ) a solidificação atinge seu termino (f ) a figura mostra a microestrutura do material totalmente sólido Callister: Ciência e Engenharia de Materiais

25 C changes as we solidify First to solidify has C 46 wt% Ni. Last to solidify has C 35 wt% Ni. Fast rate of cooling: Cored structure First to solidify: 46 wt% Ni Last to solidify: < 35 wt% Ni Slow rate of cooling: Equilibrium structure Uniform C: 35 wt% Ni

26 Microestruturas numa solução sólida binária Shackelford: Introduction to Materials Science for Engineers

27 Composição eutética Shackelford: Introduction to Materials Science for Engineers

28 Sistema Cu-Ag 3 single phase regions (L,, ) Limited solubility: : mostly Cu : mostly Ag ( C) L + L (liquid) L C E C E, E : eutectico (71.9%p Ag, 779 C) C E C o, wt% Ag Adapted from Fig. 9.7, Callister 7e.

29 Diagrama de fases do sistema chumbo - estanho Liga 40%Sn 60%Pb 150 C Quais fases estão presentes? Quais são suas proporções? Callister: Ciência e Engenharia de Materiais. Fig.9.8

30 For a 40 wt% Sn-60 wt% Pb alloy at 150 C --compositions of phases: C O 40 wt% Sn C 11 wt% Sn ( C) --the relative amount of each phase: W C 99 wt% Sn W S R+S C - C O C - C R R+S C O - C C - C wt% 33 wt% L+ 183 C 18.3 R L (liquid) + L S C C o C Adapted from Fig. 9.8, Callister 7e. C, wt% Sn

31 For a 40 wt% Sn-60 wt% Pb alloy at 200 C --compositions of phases: C O 40 wt% Sn C 17 wt% Sn C L 46 wt% Sn --the relative amount of each phase: W C L - C O C L - C wt% W L C O - C 23 C L - C wt% ( C) 0 17 C L+ R L (liquid) 183 C + L C o Adapted from Fig. 9.8, Callister 7e. S C L C, wt% Sn

32 Microestruturas na liga Pb Sn na composição C 1 Resfriamento a partir da região líquida 330 o C: a fase solida começa a se formar A solidificação atinge o seu termino onde a linha vertical cruza a curva solidus A liga resultante é policristalina com composição uniforme C 1 Callister: Ciência e Engenharia de Materiais. Fig.9.9, 10

33 Microestruturas na liga Pb Sn na composição C 2 Resfriamento a partir da região líquida. As alterações que ocorrem são semelhantes as do caso anterior Ponto f: a microestrutura consiste em grãos de fase com composição C 2 Ponto g : com o cruzamento da curva solvus, a solubilidade da fase é excedida, o que resulta na formaçào de partículas de fase Com o prossegimento do resfriamento, essas particulas cresceram de tamanho. Callister: Ciência e Engenharia de Materiais

34 Microestruturas da liga Pb Sn na composição eutética Esta microestrutura consiste em camadas alternadas de uma solução solida de fase rica em Pb (camadas escuras) e de uma solução sólida de fase rica em Sn (camadas claras) Callister: Ciência e Engenharia de Materiais

35 Ferro - Carbono Callister: Ciência e Engenharia de Materiais. Fig.9.22

36 ambiente : ferrita, estrutura cúbica de corpo centrado, CCC 912 o C: transformação polimórfica para austenita ou Fe-γ, estrutura CFC 1394 o C :a austenita reverte para uma fase com estrutura CCC, a ferrita δ, que finalmente funde a 1538 o C Na composição 6.7p% C, se forma a cementita, Fe 3 C (linha vertical)

37 Austenita Fe-γ Este diagrama de fases poderia ser identificado como Fe Fe 3 C, uma vez que a cementita á agora considerada uma componente. Cementita Fe 3 C

38 (a) Ferrita : relativamente macia, pode ser tornada magnética abaixo de 768 o C. A solubilidade máxima de carbono na ferrita é %p a 727 o C. O carbono influencia de maneira significativa suas propriedades mecânicas. (b) Austenita ou Ferro γ. Esta fase não é estavel abaixo de 727 o C. A solubilidade máxima do carbono na austenita é de 2.14%p a 1147 o C. As transformações de fases envolvendo a austenita são muito importantes no tratamento térmico de aços. (c) Perlita. Quando dois solidos não se dissolvem um no outro aparece uma dispersão inhomogênea. Na perlita se formam bandas de ferrita e cementita. Callister: Ciência e Engenharia de Materiais; M.A. White: Properties of Materials

39 Classificação das ligas ferrosas com base no teor de carbono: Ferro : contém menos de 0.008%p de C. Composto exclusivamente pela ferrita Aços: de a 2.14%p de C. Sua microestrutura consiste de fase e de Fe 3 C Aços inoxidáveis: altamente resistentes a corroção. A liga contém uma alta concentração de cromo além de niquel e molibdênio. Exemplos: aço 409 (componentes automotivos): 0.8 de C + 11 Cr Ni i (em %p) aço 304 (proc. de alimentos e vasos criogênicos): 0.08 de C + 19 Cr + 9 Ni + 2Mn Ferros fundidos comerciais: contém de 2.14 a 4.5%p de Carbono As ligas dentro dessa faixa de composiçào fundem a o C, sendo derretidos com facilidade nas fundições. Exemplos de ferros fundidos: SAE G2500: de C+ 2.2 de Si+ 0.8 Mn. Matriz: ferrita + perlita (fab.de pistões) ASM A56: de C de Si Mg. Matriz: perlita (valvulas e bombas) 3510: de C de Si+ 0.5 Mn. Matriz: ferrita (engenharia de altas )

40 Diagrama de fases chocolate - caramelo Este diagrama de fases tem sido proposto para explicar o mecanismo da fabricação de chocolate com caramelo liquido no seu interior Uma proporção determinada de chocolate e caramelo é aquecida até a temperatura de processamento e, a seguir esfriada até ambiente. M.A. White: Properties of Materials Este procedimento causaria uma separaçào de fases em chocolate sólido e uma fase líquida rica em caramelo

41 Problemas propostos pelo autor 9.3 Gibbs phase rule: sistema de três componentes (Cu, Zn e Ni) contendo quatro fases (,, γ e L) 9.4 Construir o diagrama de fases da água 9.6 Considerar o diagrama no espaço (, X 2 ) da fig Construir o correspondente diagrama de fases no espaço (, a 2 ) 9.10 Uma liga Co Ni (X Ni 0.2) aquecida a 1600 K. Descrever o processo de oxidação Diagrama de fases da figura 9.14: descrever a precipitação de partículas de na matriz de na liga bnária