A7 Termodinâmica das fases condensadas equilíbrios de fases e diagramas de fases

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1 A7 Termodinâmica das fases condensadas equilíbrios de fases e diagramas de fases

2 Introdução Um dos temas recorrentes na engenharia dos materiais é que as propriedades dos materiais dependem fortemente da sua estrutura Nesta aula e na próxima vamos aprender a prever a microestrutura de um material em função da sua composição e histórico do processamento térmico Este conhecimento permite o desenvolvimento de métodos para alterar a microestrutura de um material para conseguir uma combinação desejável de propriedades Uma fase é uma região estruturalmente homogénea de um material. Um diagrama de fases é uma representação gráfica das fases presentes e dos intervalos de composição, temperatura e pressão nos quais as fases são estáveis. Nesta aula vamos considerar diagramas de fases de equilíbrio. Na próxima aula discutiremos a cinética das transformações de fase

3 Diagramas de fase de um componente Um componente pode ser definido, sem ser muito rigoroso, como uma substância quimicamente distinta e essencialmente indivisível. Nos diagramas de 1-componente, as variáveis termodinâmicas importantes são a temperatura e a pressão Regra das fases de Gibbs: F=C-P+2 F=graus de liberdade, C=número de componentes, P=número de variáveis, e as 2 variáveis de estado, T e P. Em muitas aplicações em engenharia dos materiais, a pressão é constante e a regra das fases reduz-se a F=C-P+1

4 Diagramas de fase de um componente Ferro (Fe) Sílica (SiO 2 ) Nota: mesmo diagramas de 1-componente podem ser complexos, dependendo dos intervalos de T e P considerados

5 Equilíbrios de fases em sistemas de 2 componentes: diagramas isomorfos para sistemas ideais

6 Equilíbrios de fases em sistemas de 2 componentes: a regra da alavanca Se o ponto de interesse está localizado num campo de 1-só fase, a composição da fase é igual à da liga, e o material está 100% nessa fase.

7 Equilíbrios de fases em sistemas de 2 componentes: solidificação e microestrutura de ligas isomorfas

8 Equilíbrios de fases em sistemas de 2 componentes: determinação das fronteiras liquidus e solidus

9 Equilíbrios de fases em sistemas de 2 componentes: desvios ao comportamento ideal E AB >E AA e E BB tendência para clustering E AB =1/2(E AA + E BB ) comportamento ideal E AB <E AA e E BB tendência para ordenação

10 Equilíbrios de fases em sistemas de 2 componentes: o diagrama de fases eutéctico

11 Equilíbrios de fases em sistemas de 2 componentes: o diagrama de fases eutéctico

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13 Desenvolvimento microestrutural durante o arrefecimento lento hipereutectóide

14 Desenvolvimento microestrutural durante o arrefecimento lento composição eutectóide

15 Desenvolvimento microestrutural durante o arrefecimento lento Hipoeutectóide

16 Desenvolvimen to microestrutural durante o arrefecimento lento Duas composições que evitam a reacção eutéctica

17 Equilíbrios de fases em sistemas de 2 componentes: diagrama de fases com dois eutécticos Quando a solubilidade da fase intermédia é limitada, resulta o composto AB

18 Equilíbrios de fases em sistemas de 2 componentes: o diagrama de fases peritéctico Quando a fase líquida e a fase sólida têm tendência para formarem clusters

19 Equilíbrios de fases em sistemas de 2 componentes: diagramas complexos

20 Equilíbrios de fases em sistemas de 2 componentes: o sistema Fe-Fe 3 C

21 Desenvolvimento microestrutural Ferro fundido branco (3.0 wt. % C) 400 x: componente claro é carboneto eutéctico e perlite (componente mais escuro)

22 Desenvolvimento microestrutural Aço eutectóide (0.77 wt. % C)

23 Desenvolvimento microestrutural aço hipereutectóide arrefecido lentamente (composição 1.13 wt. % C) aço hipoeutectóide arrefecido lentamente (composição 0.50 wt. % C)

24 Próximas aulas [Estrutura dos materiais] Propriedades mecânicas dos materiais I (A9 e A10, dias 10 e 11 de Abril) Próxima aula prática P5 (8 e 9 de Abril): - discussão do TPC5 - diagramas ternários TPC5 devido sexta-feira, dia 11 de Abril Leitura obrigatória: Thermodynamics of condensed phases, Kinetic processes in materials, B.S. Mitchell, An Introduction to Materials Engineering and Science for Chemical and Materials Engineers, Wiley- Interscience, Hoboken, NJ, USA, 2004.