Upload
wanderson-araujo
View
196
Download
8
Embed Size (px)
Citation preview
Universidade Federal do Espírito SantoUniversidade Federal do Espírito SantoCentro TecnológicoCentro Tecnológico
Departamento de Engenharia MecânicaDepartamento de Engenharia Mecânica
Cap. 9 - Diagramas de FasesCap. 9 - Diagramas de Fases
Princípios de Ciência dos Princípios de Ciência dos MateriaisMateriais
1) Introdução
2) Limite de Solubilidade
3) Fases
4) Microestrutura
5) Equilíbrio de Fases
6) Sistemas Isomorfos Binários
7) Sistemas Eutéticos Binários
8) Diagramas de Equilíbrio de Sistemas que possuem Compostos Intermediários
9) Reações Eutetóides e Peritéticas
10) Transformações de Fases Congruentes
11) Diagramas de Fases Cerâmico e Ternário
12) Diagramas de Fases do Sistema Ferro-Carbono
13) Desenvolvimento de Microestruturas em Ligas Ferro-Carbono
Por que Estudar Diagramas de Fases?
Diagramas de fases X Microestruturas
Fusão, Cristalização, etc
Tratamentos térmicos
Diagramas de Fases em Equilíbrio
Diagramas de Fases Metaestáveis
Aço hipo-eutetóide com 0.38 %C, composto por ferrita pro-eutetóide (fase clara) e perlita [fase com lamelas claras (ferrita) e escuras (cementita)]
DEFINIÇÕES E CONCEITOS BÁSICOS
Componentes
Soluto
Solvente
Sistema: série de possíveis ligas dos mesmos componentes com composição variada (ex: Sistema Fe-C, Cu-Ni, Pb-Sn, Chocolate-Baunilha)
Solução sólida
Corresponde à concentração máxima de soluto que pode ser dissolvida em um solvente formando uma única fase
O limite de solubilidade depende da temperatura e, em geral, cresce com a temperatura
Limite de Solubilidade
Diagrama Cobre-Níquel
???
???
Diagrama Cádmio-Bismuto
Limite de Solubilidade dos Elementos no Aço
“Fase é uma porção homogênea de um sistema que possui propriedades físicas OU químicas uniformes”
Mistura vapor d´água/água/gelo - Três fases
• Quimicamente idênticas - H2O
• Fisicamente distintas – Vapor/Líquido/Sólido
Fases
Ferro puro CCC e Ferro puro CFC
???
Mistura água/açúcar com açúcar precipitado – duas fases:
Quimicamente distintas – solução H2O/açúcar e açúcar sólido
Fisicamente distintas – Solução líquida e fase sólida
Sn Branco
Sn Cinza
Transformação alotrópica do estanho: Estanho branco () Estanho cinza ()
Microestruturas
Número de fases presentes
Proporções
Forma ou maneira de distribuição
Solução Sólida Ferro-Carbono
Ferrita (): Fe-C (CCC) Austenita (): Fe-C (CFC)
Diagrama Ferro-Carbono
Equilíbrio de Fases Equilíbrio
Energia livre: função da energia interna de um sistema e também da desordem dos átomos ou moléculas (entropia)
Sistema em equilíbrio
Equilíbrio de fases
Sistemas sólidos (difusão lenta) Sistema em estado de não-equilíbrio ou metaestável
Diagramas de equilíbrio ou diagramas constitucionais
Existem diversos tipos de diagramas de fases
Geralmente, os diagramas de fase em equilíbrio representam as relações entre a temperatura, as composições, as fases presentes e as quantidades destas em condições de equilíbrio
Eles são MAPAS que permitem prever as transformações de fases e as microestruturas de um material em função da temperatura e da composição de cada componente em condições de equilíbrio
Além disso, eles são úteis para as microestruturas fora do equilíbrio
Diagramas de Fases
1) Fases presentes para cada temperatura/composição da liga
2) Composições das fases presentes para cada temperatura/composição da liga
3) Quantidades relativas das fases presentes para cada temperatura/composição da liga
Diagramas de Fases
Sistemas Isomorfos Binários
Cu-Ni
Experimental Ex: por análise térmica
Teórico: Modelamento computacional
Construção de um Diagrama de Fases
Interpretação dos Diagramas
Interpretação dos Diagramas
Fases presentes Composição de cada fase:
Para uma coordenada qualquer do diagrama, verifica-se quantas fases existem Uma fase => trivial => Composição lida direto do
gráfico Duas fases => Usa-se o método da linha de
amarração (tie-line) A tie-line se estende de uma fronteira a outra Marca-se as intersecções entre a tie-line e as
fronteiras e verifica-se as concentrações correspondentes no eixo horizontal
Determinação das frações relativas de cada fase: Uma fase => trivial => 100% da própria fase Duas fases => Regra da Alavanca ou Regra da
Alavanca Inversa (lever rule)
A (0,77 % de C) e T< 727oC
A
Composição
Microestrutura
Propriedades
Diagramade
Fase
Diagrama de Fases e Microestrutura
Nos diagramas de fase isomorfos, existe uma faixa de temperaturas em que há completa miscibilidade de um constituinte no outro
Uma condição implicitamente mostrada 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.
Desenvolvimento da Microestrutura em Ligas Isomorfas em Condições de Equilíbrio
Cu-Ni
Desenvolvimento de Microestruturas em Sistemas Isomorfos
Desenvolvimento da Microestrutura em Ligas Isomorfas em Condições de Não-Equilíbrio
Durante o resfriamento, ocorrem mudanças na composição das duas fases
Estas mudanças dependem de difusão, que é um processo lento na solução sólida
Na prática não vale a pena manter taxas tão lentas de resfriamento, o que implica que as estruturas obtidas não são exatamente as descritas até agora
Assim, a região central de cada grão vai ser rica no constituinte de alto ponto de fusão
A concentração do outro constituinte aumenta em direção ao contorno de grão
Estrutura zonada
Homogeneização
Propriedades Mecânicas de Ligas Monofásicas
???
???
Sistemas Eutéticos Binários
Cu-Ag
Aplicação e Desenvolvimento de Novos Materiais
“Solders” X “Welds”
Aplicação na indústria eletrônica
Ligas Pb-Sn
Eutético a 183°C, 63% de Sn e 37% de Pb
Soldas livres de Pb (Sn-Bi, Sn-In, Sn-Ag-Cu, Sn-Ag-Bi)
Sn-Bi
Diagrama Chumbo-Estanho
Pb-Sn
Desenvolvimento de Microestruturas em Ligas Eutéticas: Ligas Hipoeutéticas
Pb-Sn
Desenvolvimento de Microestruturas em Ligas Eutéticas: Ligas Hipoeutéticas
Pb-Sn
Desenvolvimento de Microestruturas em Ligas Eutéticas: Ligas Eutéticas
Pb-Sn
Desenvolvimento de Microestruturas em Ligas Eutéticas: Ligas Hipoeutéticas
Pb-Sn
Diagrama de Fases Chocolate-Baunilha
Diagrama de Fases com Fases Intermediárias
Cu-Zn
Diagrama de Fases com Compostos Intermediários
Mg-Pb
Reações Eutetóides e Peritéticas
Cu-Zn
E: Eutetóide ↔ +
P: Peritética + L↔
Peritetóide ↔
Monotética L1↔ L2 +
Transformações de Fases Congruentes
As transformações de fases podem ser classificadas de acordo com o fato de haver, ou não, qualquer alteração na composição das fases
Transformações congruentes: transformações alotrópicas, fusão de materiais puros
Transformações incongruentes: reações eutéticas e eutetóides
Fases intermetálicas: fusão congruente ou incongruente
Mg-Pb
Ni-Ti
Diagrama de Fases Ferro-Carbeto de Ferro
Fases do ferro puro
Solubilidade do carbono no ferro
Cementita
Metaestável???
Ferro puro, aços, ferros fundidos
Reação Eutética
A 1148°C ocorre a reação
L (4,3% C) ↔ ( 2,11% C) + Fe3C ( 6,7% C)
Reação Eutetóide
A 727°C ocorre a reação:
(0,77% C) ↔ α (0,022% C) + Fe3C (6,7% C)
Reação Peritética
A 1493°C ocorre a reação:
+ L ↔
Desenvolvimento de Microestruturas em Ligas Ferro-Carbono: Concentração Eutetóide
Inicialmente, temos apenas a fase A uma temperatura imediatamente abaixo da eutetóide toda
a fase se transforma em perlita (ferrita +Fe3C) de acordo com a reação eutetóide
Estas duas fases tem concentrações de carbono muito diferentes
Esta reação é rápida e assim não há tempo para haver grande difusão de carbono
As fases se organizam como lamelas alternadas de ferrita e cementita
Desenvolvimento de Microestruturas em Ligas Ferro-Carbono: Concentração Hipoeutetóide
Inicialmente, temos apenas a fase Em seguida começa a surgir fase α nas fronteiras de grãos
da fase A uma temperatura imediatamente acima da eutetóide a
fase α já cresceu, ocupando completamente as fronteiras da fase
A concentração da fase α é 0,022% de carbono
A concentração da fase é 0,77 de C (composição eutetóide)
A uma temperatura imediatamente abaixo da eutetóide toda a fase se transforma em perlita (ferrita eutetóide + Fe3C)
A fase α, que não muda, é denominada ferrita proeutetóide
???
b)
a)
c)
b)
Microconstituinte
Desenvolvimento de Microestruturas em Ligas Ferro-Carbono: Concentração Hipereutetóide
Inicialmente, temos apenas a fase
Em seguida começa a surgir fase Fe3C nas fronteiras de grão da fase
A concentração da Fe3C é constante igual a 6,7 % de C (em peso)
A concentração de cai com a temperatura seguindo a linha que separa o campo + Fe3C do campo
A uma temperatura imediatamente acima da eutetóide a concentração da fase é 0,77 % de C
A uma temperatura imediatamente abaixo da eutetóide toda a fase γ se transforma em perlita
A fase Fe3C, que não muda, é denominada cementita pro-eutetóide
Fração Relativa dos Microconstituintes
Glossário
Austenita: γ–Fe, fase γ
Ferrita: α–Fe, fase α
Cementita: Fe3C (6,7 % C em Fe)
Perlita: Ferrita e Cementita em lamelas alternadas
Hipo: menor que
Hiper: maior que
Ferrita pro-eutetóide: Ferrita que se forma a T > T eutetóide p/composição hipo-eutetóide (<0,77%C, em peso)
Cementita pro-eutetóide: Cementita que se forma a T > T eutetóide p/composição hiper-eutetóide
Influência de Outros Elementos de Liga
Mudança da Composição e Temperatura Eutetóide
FIM