DIAGRAMAS DE EQUILÍBRIO DIAGRAMAS DE EQUILÍBRIO

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1 DIAGRAMAS DE EQUILÍBRIO Prof. Dr.: Anael Krelling 1

2 São mapas que permitem prever a microestrutura de um material em função da temperatura e composição de cada componente; Informações sobre fenômenos de fusão, fundição, cristalização e outros; Correlação entre microestrutura e propriedades mecânicas. O desenvolvimento de uma microestrutura está relacionado com as características de seu diagrama de fases. 2

3 COMPONENTES: Metais puros e/ou compostos que compõem uma liga. Ex.: Latão (Cu-Zn) componentes são o Cu e o Zn SOLUTO E SOLVENTE SISTEMA: Série de possíveis ligas que consistem dos mesmos componentes, porém independente da composição da liga. Ex.: Sistema Fe-C LIMITE DE SOLUBILIDADE: Concentração máxima de átomos de soluto que pode se dissolver no solvente para formar uma solução sólida. Ex.: Sistema açúcar-água (C 12 H 12 O 11 -H 2 O) Depende da temperatura da água! 3

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5 Fases: Porção homogênea do sistema que possui características físicas e químicas uniformes Sólida, líquida ou gasosa; Duas ou mais fases fronteira (mudança descontínua e abrupta nas características físicas e/ou químicas). Material puro é uma fase Xarope água-açúcar é uma fase Açúcar é uma fase (sólido) Água e gelo duas fases 5

6 Sistema com uma única fase Homogêneo Sistema com duas ou mais fases Mistura ou Sistema Heterogêneo (maioria das ligas metálicas) As propriedades do sistema multifásico são diferentes das propriedades individuais das fases presentes. Em ligas metálicas a microestrutura é caracterizada pelo número de fases presentes, por suas proporções e pela maneira pela qual elas estão distribuídas ou arranjadas. Depende: Elementos de liga presentes; Concentração dos elementos; Tratamento térmico. 6

7 DIAGRAMA DE FASES UNÁRIO Em um diagrama unário: Linhas ou curvas equilíbrio entre duas fases Pontos equilíbrio entre três fases 7

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11 SISTEMA ISOMORFO BINÁRIO O mais comum é o sistema Cu-Ni; Isomorfo porque os componentes apresentam solubilidade total tanto no estado líquido quanto no estado sólido; Solução Sólida Substitucional; Microestrutura CFC. DIAGRAMAS DE EQUILÍBRIO 11

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13 Qual a temperatura de fusão do Cu? Qual a temperatura de fusão do Ni? Quais fases estão presentes no ponto A? Quais fases estão presentes no ponto B? Qual a composição das fases presentes no ponto A? Qual a composição das fases presentes no ponto B? 13

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16 DESENVOLVIMENTO DE MICROESTRUTURAS EM LIGAS ISOMORFAS RESFRIADAS SOB CONDIÇÕES DE EQUILÍBRIO a) Material totalmente líquido b) Formação dos primeiros cristais de fase sólida α c) Crescimento da fase sólida α d) Última fração do líquido sofre solidificação e) Material totalmente solidificado com presença de fase sólida α 16

17 Até agora foram estudados diagramas de fase isomorfos, nos quais existe uma faixa de temperaturas em que há completa miscibilidade de um constituinte no outro. Outra condição implicitamente utilizada até agora é de que os diagramas são de equilíbrio. Isto quer dizer que qualquer variação de temperatura ocorre lentamente o suficiente para permitir um rearranjo entre as fases através de processos difusionais. Também quer dizer que as fases presentes a uma dada temperatura são estáveis. 17

18 SISTEMAS EUTÉTICOS BINÁRIOS DIAGRAMAS DE EQUILÍBRIO 3 regiões monofásicas 3 regiões bifásicas Temperatura de fusão Transformação eutética 18

19 hipoeutético eutético hipereutético 19

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23 1 Material totalmente líquido 2 Formação dos primeiros cristais da fase sólida α 3 Existência de fase sólida α e líquido em equilíbrio 4 Última fração de líquido sofre reação eutética 5 Existência de fases sólidas α e β em equilíbrio 23

24 1 Material totalmente líquido 2 Fase sólida α e líquido em equilíbrio 3 Última fração de líquido se solidifica 4 Presença apenas de fase sólida α 5 Formação dos primeiros cristais da fase sólida β 6 Existência das fases sólidas α e β em equilíbrio 24

25 REAÇÕES EUTETÓIDES E PERITÉTICAS Além do eutético, outros pontos invariantes envolvendo três fases diferentes são encontrados para alguns sistemas de ligas: Reação eutetóide DIAGRAMAS DE EQUILÍBRIO Reação peritética 25

26 O SISTEMA FERRO-CARBONO OU FERRO-CARBETO DE FERRO (Fe-Fe 3 C) 26

27 Base fundamental para estudo e entendimento dos materiais estruturais mais utilizados em Metalurgia: os chamados metais ferrosos. Pode-se classificar os metais ferrosos quanto ao teor de C presente em dois grandes grupos de materiais metálicos: Aços: ligas Fe-C com teores de C até 2,11% (nos aços ao C comuns o teor de C normalmente vai até 1,0-1,2%) Ferros Fundidos: ligas Fe-C com teores de C acima de 2,11% (na prática entre 2,5-4,5%) 27

28 Aços Ferros Fundidos 28

29 AUSTENITA (do nome do metalurgista inglês Robert Austen) - Consiste em uma solução sólida intersticial de C (com até 2,11%) no ferro CFC. Em aços ao carbono e aços baixa liga só é estável acima de 727 C. Apresenta resistência mecânica em torno de 150 MPa e elevada ductilidade e tenacidade. A austenita não é magnética. FERRITA (do latim "ferrum")- Consiste em uma solução sólida intersticial de C (com até 0,022%) no ferro CCC. A ferrita é magnética e apresenta baixa resistência mecânica, cerca de 300 MPa, excelente tenacidade e elevada ductilidade. CEMENTITA (do latim "caementum")- Denominação do carboneto de ferro Fe 3 C contendo 6,7% de C e estrutura cristalina ortorrômbica. Apresenta elevada dureza, baixa resistência, baixa ductilidade e baixa tenacidade. PERLITA (nome derivado da estrutura da madre pérola observada ao microscópio) - Consiste na mistura mecânica das fases ferrita (88,5% em peso) e cementita (11,5% em peso) formada pelo crescimento cooperativo destas fases. Apresenta propriedades intermediárias entre a ferrita e a cementita dependendo do tamanho e espaçamento das lamelas de cementita. 29

30 Hipoeutetóide Eutetóide Hipereutetóide 30

31 DESENVOLVIMENTO DE MICROESTRUTURAS EM LIGAS Fe-C 31

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38 Estabilidade de Fases e Equilíbrio Equilíbrio Estável Equilíbrio Metastável Aços Equilíbrio Estável Equilíbrio Metaestável Decomposição da Austenita Reações Martensítica ou Bainítica Fases (ou microconstituintes) Estáveis Ferrita, Perlita e Cementita Microconstituintes Metaestáveis Martensita e Bainita 38

39 Ferros Fundidos Equilíbrio Estável Equilíbrio Metastável Fe-C Fe-Fe 3 C Solidificação de acordo com o Equilíbrio Estável Presença de C na forma livre (Grafita) Solidificação de acordo com o Equilíbrio Metaestável Todo o C na forma combinada (Carboneto de Ferro) 39

40 Fe-C Ferros Fundidos com Grafita Livre Ferros Fundidos Fe-Fe 3 C Fe-C e Fe-Fe 3 C Ferros Fundidos Brancos Ferros Fundidos Mesclados Ferros Fundidos Cinzentos Grafita Lamelar Ferros Fundidos com grafita livre Ferros Fundidos Nodulares Grafita Esferoidal Ferros Fundidos Vermiculares Grafita Compacta 40