UNIVESIDADE DE SÃO PAULO EESC/IFSC/IQSC SCM5757 Ciência dos Materiais I Endurecimento por dispersão de fases e diagramas de fases eutéticos Prof. Dra. Lauralice Canale 1º semestre de 2017 1
Compostos intermetálicos Formado por dois ou mais elementos metálicos que produzem uma fase com composição, estrutura cristalina e propriedades próprias. Ligas endurecidas por dispersão frequentemente contem um composto intermetálico como fase dispersa. 2
Compostos intermetálicos estequiométricos: Possuem uma composição química fixa. Cementita é um exemplo. Tem 3 átomos de C para um de Fe. Importante fase endurecedora no caso de aços. Compostos intermetálicos não - estequiométricos: Podem se formar em uma faixa de composição química e são chamados as vezes de soluções sólidas intermediárias. Por exemplo a precipitação de Cu Al2 no envelhecimento de liga de Al. 3
Diagramas de fases com reações trifásicas São mais complexos do que os isomorfos e envolvem 3 diferentes fases. (c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license. 4
(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license. 1150ºC, 15% B, peritética: δ + L γ 920ºC, 40%B, monotética: L1 γ + L2 750ºC, 70% B, eutética: L γ + β 450ºC, 20% B, eutetóide: γ α + β 300ºC, 50% B, peritetóide: α + β μ 5
Cada uma dessas reações trifásicas ocorre em uma temperatura e composição fixas. A regra de fase de Gibbs para uma reação trifásica (com pressão constante) é: F=C-P+1 C=2 P=3 F=0 Não há graus de liberdade. São conhecidas como invariantes, ou seja a temperatura e a composição de cada fase envolvida na reação trifásica são fixas 6
Sistemas binários eutéticos Diagrama de fases cobre-prata. 7
Três fases são observadas neste diagrama: α, β e líquida. A fase α é uma solução sólida rica em cobre, tem prata como soluto e estrutura cristalina CFC. A fase β é uma fase sólida de estrutura CFC, mas tem o cobre como soluto. Abaixo da linha BEG estes elementos têm sua solubilidade limitada. O limite de solubilidade de α é limitado pela linha CBA. 8
Estruturas cristalinas: (a) cúbico de face centrada, CFC, (b) cúbico de corpo centrado, CCC e (c) tetragonal de corpo centrado. 9
(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license. Solidificação e microestrutura da liga Pb- 2%Sn. A liga apresenta apenas uma fase sólida. 10
(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license. Solidificação, precipitação e microestrutura da liga Pb- 10%Sn. O fortalecimento por dispersão acontece devido aos precipitados sólidos de β. 11
Reação eutética Na composição eutética a liga se solidifica a uma temperatura inferior de qualquer outra liga. A reação eutética ou invariante pode ser escrita assim: Para o sistema chumbo-estanho: 12
Microestrutura em ligas eutéticas Diagrama de fases chumbo-estanho (c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license. 13
(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license. Solidificação e microestrutura de uma liga Pb-61.9%Sn. (Eutética) 14
(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license. Curva de arrefecimento tempo-temperatura da liga Pb-Sn, na temperatura eutética. 15
(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license. (a) Redistribuição dos átomos durante o crescimento lamelar de um eutético chumbo-estanho. Átomos de estanho do líquido preferencialmente se difundem às lamelas β, e os átomos de chumbo se difundem às lamelas de α. (b) Microestrutura da composição eutética (x400). 16
Reação Eutética Reação hipoeutética Reação hipereutética 17
(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license. Solidificação e microestrutura em uma liga hipoeutética (Pb-30%Sn) 18
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Microestruturas de ligas Pb-Sn (a) hipoeutética (α primário) e (b) hipereutética (β primário). (x400) 20
Resistência das ligas eutéticas (c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license. (a) Colônias eutéticas da liga Pb-Sn, (b) espaçamento interlamelar da microestrutura eutética. 21
(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license. 22
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(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license. Solidificação de não-equilíbrio nos sistemas eutéticos Microestrutura e solidificação de não-equilíbrio da liga Pb-15%Sn. Um microconstituinte de não-equilibrio eutético pode se formar se a solidificação for muito rápida. 24
Diagramas ternários Liga ternária: uma liga formada pela combinação de três elementos ou componentes. Diagrama de fases ternários: tem três componentes, cujas composições estão indicadas usando como base um triângulo equilátero, sendo que os componentes puros se localizam nos vértices dos triângulos. 25
(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license. Diagrama ternário hipotético.diagrama de fases binários são apresentados em 3 faces. 26
(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license. Diagrama ternário hipotético, onde x=α, y= α+ γ e z= α+β+ γ. 27
Ligas Ferrosas Aços: uma liga Ferro-Carbono cujo teor em Carbono varia entre 0.03% e 2.06%, contendo Si, Mn, P e S Designação: AISI (American Iron and Steel Institute) e SAE (Society of Automotive Engineers) usam um sistema de classificação de quatro ou cinco dígitos. Classificação: os aços podem ser classificados pela sua composição ou pela forma de como foram processados. 28
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Ferro fundido branco: liga Fe-C-Si com 1,8-3,6% C e 0,5-1,9% Si. Apresenta grande quantidade de carboneto de ferro numa matriz perlítica. Assim quando fraturam revelam uma superfície branca. Ferro fundido cinzento: liga Fe-C-Si com 2,5-4,0% C e 1-3% Si. Contém grande quantidade de carbono, sob a forma de lamelas de grafite. Quando sofre fratura, a superfície aparece cinzenta devido à grafita exposta. Ferro fundido nodular: grafita em forma de nódulos. Chamado de ferro fundido dúctil. Contem Si (grafitizante e nodulizantes (Mg)) 30
Diagrama Ferro-Carbono Apresenta as seguintes fases sólidas: Ferrita α: solução sólida intersticial de carbono no ferro CCC, a solubilidade (sólida) máxima do carbono no ferro CCC é de 0,02%. Austenita γ: solução sólida intersticial de carbono no ferro CFC, a solubilidade (sólida) máxima do carbono na austenita é de 2%. Cementita (Fe 3 C): composto intermetálico Fe 3 C; substância dura e frágil. Ferrita δ: solução sólida de carbono intersticial no ferro δ. Como a ferrita α, tem estrutura CCC, embora tenha um parâmetro de rede superior. A solubilidade do carbono no ferro δ é de 0.,09%. Perlita: α+fe 3 C Ledeburita: γ+ Fe 3 C 31
Diagrama de fases Ferro-Carbono. 32
Diagrama Metaestável Fe-Fe 3 C Componentes ou Elementos: Fe C Fe 6,66% C Fases: + Fe 3 C Fe 3 C + Fe 3 C Fe Fe 3 C 33
Diagrama Metaestável Fe-Fe 3 C Constituintes: Fe 3 C Perlita ( +Fe 3 C) Ledeburita ( +Fe 3 C) Ledeburita ( +Fe 3 C) Transformada Const. Monofásicos Const. Bifásicos 34
Diagrama de fases Ferro-Carbono. 35
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Micrografia: (a) Ferrita (x90) e (b) austenita (x325) 37
Microestruturas nas ligas Fe-C Transformação de um aço eutetóide (0,8% de C) em arrefecimento lento. No ponto a sua estrutura permanece austenítica. Abaixo da temperatura eutetóide, ponto b, aparece uma estrutura lamelar denominada perlita. 38
(a) (b) (a)microestrutura de um aço eutetóide arrefecido lentamente. Consiste em perlita lamelar. A fase mais escura é a cementita, e a fase branca ferrita. (b) Representação esquemática da formação de perlita da austenita: a direção da difusão do carbono está indicado pelas setas. 39
Transformação de uma aço hipoeutetóide (0,76% de C) em arrefecimento lento. A 875ºC, no ponto c, a microestrutura se constitui apenas de austenita. No ponto d se observa γ+α. No ponto f toda a austenita presente se transforma em perlita. 40
Microestrutura de um aço carbono hipoeutetóide com 0,38% de carbono arrefecido lentatamente. O constituinte branco é a ferrita pró-eutetoíde; o constituinte escuro é a perlita. 41
Transformação de um aço hipereutetóide arrefecido lentamente. Em g se observa apenas austenita, em h, austenita e cementita. No ponto i toda a austenita remanescente é convertida em perlita, de forma que a microestrutura resultante consiste de perlita e cementita próeutetóide. 42
Microestrura de um aço carbono hipereutetóide com 1,4% de carbono arrefecido lentamente. O constituinte branco é a cementita pró-eutetoíde que se formou nos contornos de grão da austenita inicial; o constituinte escuro é perlita lamelar grosseira. 43
Influência de outros elementos de liga (a) (b) (a) Variação da temperatura eutetóide em função da concentração de diversos elementos de liga, (b)variação da composição eutetóide (%C) em função da concentração dos elementos de liga. 44
Diagrama de fases dos materiais cerâmicos (a) (b) (a) Diagrama de equilíbrio do sistema oxido de alumínio - oxido de cobre e (b) do sistema oxido de alumínio - oxido de magnésio, (ss significa solução sólida). 45
Diagrama de equilíbrio do sistema sílica-alumina 46
Diagrama de equilíbrio do sistema ZrO 2 CaO 47