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Microestrutura (Fases)Microestrutura (Fases)Parte 3Parte 3
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
11--6 DIAGRAMA DE FASES6 DIAGRAMA DE FASES““MAPA” que permite responder a questão:MAPA” que permite responder a questão:
Que microestrutura deveria existir em uma dada temperatura para uma dada composição?
PORTANTO, UM DIAGRAMA DE FASES:
- Informa sobre a microestrutura conseqüência: pode predizer propriedades mecânicas em função da temperatura e composição
- Permite a visualizar a solidificação e fusão
- Prevê as transformações de fases
- Gera informações eminentemente termodinâmicas e não apresentam qualquer consideração sobre a cinética das reações – O sistema deve estar em equilíbrio
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Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGSTipos de Diagramas
Temperatura (°C)0 0,01 100
Pres
são
(atm
)
1
0,0006
Diagrama de equilíbrio da água
PONTO TRIPLO:
0,01 °C
0,0006 atm
Coexistem as fases líquida
sólida
gasosa
Relaciona pressão e temperatura
Linha de vaporização
Linha de condensação ou fusão
Linha de sublimação
SISTEMA MONOCOMPONENTE – substâncias puras
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Tipos de DiagramasDiagrama binário Dois elementos estão presentes
Limite de solubilidade
Quando o limite de solubilidade é ultrapassado, forma-se uma segunda fase com composição distinta àsolução líquida, já saturada. No caso, salmoura + sal.
Ao se aumentar a quantidade de sal até 23,3%, diminui a temperatura de solidificação da água. Esta propriedade é usada para evitar a formação de gelo nas estradas européias durante o inverno. A zona do gráfico acima de 0 ºC é semelhante ao gráfico de água e açúcar.
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Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
Tipos de DiagramasDiagrama binário isomorfo Dois elementos estão presentes, mas só se
forma uma fase sólida
Os dois componentes do sistema apresentam solubilidade sólida ilimitada
Diagrama de fases do sistema isomorfo Cu-Ni
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Tipos de DiagramasDiagrama binário eutético Os dois componentes do sistema apresentam
solubilidade sólida limitada
L α + β
Reação eutética:
fase α e fase β - soluções sólidas terminais ou fases primárias
Regiões de solubilidade limitada no estado sólido
fase α - solução sólida de B em A ou rica do elemento A
fase β - solução sólida de A em B ou rica do elemento B
liquidus
solidus
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Diagrama ternário do sistema CaO – SiO2 - MgO
Diagrama ternário –3 componentes
Tipos de Diagramas
As composições são geralmente indicadas usando como base um triângulo eqüilátero
Vértices – componentes puros : A, B e C
Lados – composições binárias:
AB, BC e CAPara temperatura variável: eixo vertical
As temperaturas podem ser colocadas em linhas de nível. Similar a altitude em um mapa plano
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Tipos de Diagramas Diagrama ternário
Composto pelos diagramas binários AB, BC e CA
Visão tridimensional
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Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
Avaliação dos diagramas de fase
Informações obtidas nos diagramas de fase: 1. Solubilidade, no estado sólido e no equilíbrio, de um elemento (ou composto) em outro; 2. Temperatura na qual uma liga resfriada sob condições de equilíbrio (resfriamento lento) começa a solidificar e a temperatura na qual ocorre a solidificação – temperaturas liquidus e solidus; 3. Temperatura de fusão de diferentes fases. 4. Fases presentes em diferentes composições e temperaturas nas condições de equilíbrio; 5. Composição das fases presentes;6. Proporção das fases presentes.
Itens 4, 5 e 6 – Critérios de análise da microestrutura
REGRA DA ALAVANCA
REGRA DAS FASES DE GIBBS
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
Linha liquidus: determina o lugar geométrico das temperaturas acima das quais tem-se somente líquido
As ligas se fundem e se solidificam dentro de um intervalo de temperatura, entre a linha liquidus e a linha solidus. A diferença de temperatura entre liquidus e solidus se denomina intervalo de solidificação. Dentro deste intervalo, coexistirão duas fases: uma líquida e uma sólida. O sólido é uma solução de átomos dos compostos envolvidos; as fases sólidas geralmente são designadas através de uma letra grega minúscula, como alfa.
Avaliação dos diagramas de fase
Linha solidus: determina o lugar geométrico das temperaturas abaixo das quais tem-se somente sólido
Característico das soluções sólidas ilimitadas
Linha solidus
Linha liquidus
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Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
Avaliação dos diagramas de fase
Linha solidus
Linha liquidus
LINHA SOLVUS: limite de solubilidade de A em B ou de B em A
Linha solvus
Característico das soluções sólidas limitadas
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Avaliação dos diagramas de faseFases presentes:
L - líquidoSS - sólida
Componentes:A e B
No intervalo de solidificação coexistem as fases líquida e sólida
Regra das Fases de Gibbs permite calcular o número de fases que podem coexistir em equilíbrio em qualquer sistema
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Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
Avaliação dos diagramas de faseRegra das Fases de Gibbs - permite calcular o número de fases que podem coexistir
em equilíbrio em qualquer sistema
P + F = C + 2
P = número de fases que podem coexistir no
sistema
C = número de componentes no sistema
(elemento, composto ou solução).
F = graus de liberdade (número de variáveis:
pressão, temperatura e composição)
À PRESSÃO CTE: P + F = C + 1
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
Avaliação dos diagramas de faseRegra das Fases de Gibbs
Exercício 1: Determine os graus de liberdade do sistema para os pontos indicados no diagrama Cu Ni. O que significa o valor calculado para cada ponto?
A
B
C
Sistema à pressão constante:
F = C - P + 1
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Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
Avaliação dos diagramas de faseRegra das Fases de Gibbs
Exercício 1: Determine os graus de liberdade do sistema para os pontos indicados no diagrama Cu Ni. O que significa o valor calculado para cada ponto?
A
B
C
Ponto A:
F = 2 - 1 +1 = 2
Pode-se variar a composição E a temperatura da liga para obter-se a mesma fase.
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Avaliação dos diagramas de faseRegra das Fases de Gibbs
Exercício 1: Determine os graus de liberdade do sistema para os pontos indicados no diagrama Cu Ni. O que significa o valor calculado para cada ponto?
A
B
C
Ponto C:
F = 2 - 1 +1 = 2
Pode-se variar a composição E a temperatura da liga para obter-se a mesma fase.
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Avaliação dos diagramas de faseRegra das Fases de Gibbs
Exercício 1: Determine os graus de liberdade do sistema para os pontos indicados no diagrama Cu Ni. O que significa o valor calculado para cada ponto?
A
B
C
Ponto B:
F = 2 - 2 +1 = 1
Pode-se variar OU a composição OU a temperatura da liga para as fases L e αcoexistirem.
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Avaliação dos diagramas de fase
Temperatura (°C)0 0,01 100
Pres
são
(atm
)
1
0,0006
No ponto triplo:
F = ?P = 3C = 1
P + F = C + 2
O sistema tem zero graus de liberdade, ou seja, não se pode alterar nenhuma das variáveis -pressão, temperatura e composição – para manter a coexistência das três fases.
O ponto triplo é um ponto invariante!
F =0
Regra das Fases de GibbsExercício 2: Determine o número de graus de liberdade para o ponto triplo no diagrama da água. O que significa o valor calculado?
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Avaliação dos diagramas de fase
Fases presentes
Composição e proporção das fases REGRA DA ALAVANCA
Cada fase tem uma composição expressa como porcentagem de cada um dos elementos da fase
Uma única fase sua composição é igual a da liga
Quantidades relativas de cada fase expressa em porcentagem de peso
Em regiões de uma única fase a quantidade da fase simples é 100%
Técnica: balanço de materiais
Se constrói uma alavanca sobre a isoterma com seu ponto de apoio na composição original da liga (ponto dado). O braço da alavanca, oposto a composição da fase cuja quantidade se calcula é dividido pelo comprimento total da alavanca, para obter a quantidade desta fase.
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Avaliação dos diagramas de faseREGRA DA ALAVANCA Cálculo da porcentagem das fases líquida e
sólida em uma determinada composição e em uma determinada temperatura
Ex.: na composição e temperatura no ponto O
x: composição da liga
wo:fração de peso de B em A
T: temperatura de análise
Em T, a liga x é constituída por uma mistura de líquido, cuja fração em peso de B é wl, e de sólido, cuja fração em peso de B é ws.
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Avaliação dos diagramas de faseREGRA DA ALAVANCA Quanto da fase líquida
existe no ponto O?
LSOSL =%
Quanto da fase sólida existe no ponto O?
LSOLS =%
FASE LÍQUIDA: wl de B
FASE SÓLIDA: wS de B
Assim, uma fórmula geral para a regra da alavanca pode ser escrita como,
Composição das fases
Proporção das fases
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Avaliação dos diagramas de faseExercício 3: Determine as fases presentes, proporção e composição para o diagrama Água+Açúcar na T de 15°C com composição inicial 25% de H2O e 75% de açúcar.
Fases Presentes: xarope (açúcar e água)
sólido (açúcar)
Composição das Fases:Xarope: 67% açúcar e 33% de águaSólido: 100%açúcar
Proporção das Fases - Regra da Alavanca
%4,24100*671006775% =−−
==xyxoaçúcar
%8,75100*6710075100% =
−−
==xyoyxarope
O
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Avaliação dos diagramas de fase
Fases Presentes: Líquido
α
Proporção das Fases
%30100*33434043% =
−−
=L
%70100*33433340% =
−−
=α
Exemplo 4: Determine as fases presentes, proporção e composição para o diagrama CuNi na T de 1250°C com composição inicial de 40%Ni 60%Cu.
Composição das fases:L 33% Ni e 77% Cuα 43% Ni e 57% Cu
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS4.6 Diagrama de fases
Avaliação dos diagramas de faseExemplo 6: Determine as fases presentes, proporção e composição para o diagrama abaixo, no ponto indicado.
C
7525
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Fases Presentes: Líquido
β
Composição das fases:L 40% B e 60% Aα 100% B
Proporção das Fases
%67,41100*4010075100% =
−−
=L
%33,58100*401004075% =−−
=B