Desconstruindo a Matéria

Aula 9:

Diagramas de Fase

2

Mecanismos de endurecimento:

1: Redução do tamanho de grão- Processos térmicos (ex: Têmpera/Revenido)

2: Formação de Soluções Sólidas (Ligas)

3: Endurecimento por Precipitação

4: Encruamento ou Trabalho a Frio- Ex: Laminação, trefilação

Diagrama de Fase unitário– Elemento simples (H2O)

Equilibrio de Fase: Limite de Solubilidade

Ex: Qual o limite de Solubilidade

do açúcar na água a 20°C,

na pressão 1ATM?

R: 65% Açúcar.A 20°C, se C < 65 (peso)% Açúcar:

Solução – água + açúcar

A 20°C, se C > 65 (peso)% Açúcar:Solução líquida + açúcar precipitado

65

• Limite de Solubilidade:Concentração máxima

permitida para uma fase.

Diagrama de Fase Açúcar/água

Açú

car

Tem

pera

tura

(°C

)

0 20 40 60 80 100C = Composição (% Açúcar)

L(Solução líquida,

Água e açúcar)

Limite de

Solubilidade L(liquido)

+ S

(solido, Açúcar)20

40

60

80

100

Ág

ua

• Solução – Solução sólida, liquida ou gás, única fase.

• Mistura – Mais de uma fase

5

Critério de Solubilidade Sólida Limitada

EstruturaCristalina

Eletro-negatividade r (nm)

Ni FCC 1.9 0.1246

Cu FCC 1.8 0.1278

• Ambos elementos possuem a mesma estrutura cristalina

(FCC) e valores similares de eletronegatividade e raio atômico

(Regra W. Hume – Rothery).

Sistema binário (Ex: solução Ni-Cu)

• Ni e Cu são totalmente solúveis em qualquer proporção.

Solubilidade entre dois elementos (Ligas)• Quando combinamos dois elementos...

qual o estado de equilibrio resultante?

• Se temos:

-- A composição C (% Cu - % Ni)

-- A temperatura T

Quantas fases vão se formar ?

Qual a composição de cada fase?

E a quantidade de cada fase ?

Diagramas de Fase binário

Fase BFase A

Atomo de NiquelÁtomo de Cobre

• Componentes:O element ou composto químico presente na liga

(Ex: Al e Cu)

• Fases:Regiões distintas de materiais (física e quimicamente) que se

formam (Ex: fase a e b).

Liga de

Cobre e Alumínio

Componentes de Fases

a (Fase escura)

b (Fase clara)

Diagrama de Fase – Sistema binário

• Diagrama de fase em função de Temperatura, Composição

e Pressão (normalmente 1atm).

Diagrama de Fase

Cu-Ni

• 2 Fases:

L (liquido)

a (FCC solução sólida)

% Ni20 40 60 80 10001000

1100

1200

1300

1400

1500

1600T(°C)

L (liquido)

a(FCC Solução sólida)

wt% Ni

20

1200

1300

T(°C)

L (liquid)

a

(solid)

30 40 50

Cu-Ni

Determinando a composição de fases:

• ConhecendoT e C0, determine a composição de fases:

• Exemplo:TA

A

35C0

32CL

TA = 1320°C:

Somente fase Liquida (L) CL = C0 ( = 35 % Ni)

TB = 1250°C:

a e L presentes

CL = C liquidus ( = 32 wt% Ni)

Ca = Csolidus ( = 43 wt% Ni)

TD = 1190°C:

Somente fase Solida (a)

Ca = C0 ( = 35 % Ni)

C0 = 35 wt% Ni

DTD

tie line

4Ca

3

BTB

wt% Ni20

1200

1300

30 40 50110 0

L (liquid)

a

(solid)

T(ºC)

A

35C0

L: 35wt%Ni

Cu-Ni

system• Mudanças na

microestrutura

acompanhando o

resfriamento da ligaC0 = 35 % Ni alloy

Ex: Resfriamento da liga Cu-Ni

4635

4332

a: 43 wt% Ni

L: 32 wt% Ni

Ba: 46 wt% NiL: 35 wt% Ni

C

EL: 24 wt% Ni

a: 36 wt% Ni

24 36D

• A linha isotermica conecta as fases emequilibrio:

A regra da alavanca

A fração de cada fase pode ser

estimada pela regra da alavanca

Obs: braço de alavanca oposto

ML Ma

R S

 

Ma x S = ML x R

L

L

LL

LL

CC

CC

SR

RW

CC

CC

SR

S

MM

MW

-

-=

+=

-

-=

+=

+=

a

a

a

a

a

00

% Ni

20

1200

1300

T(ºC)

L (liquido)

a

(solido)

30 40 50

BTB

isotermica

C0CL Ca

SR

• Conhecendo T e C0, podemos determiner a fração

de cada fase:

• Examplo:

TA : Somente Liquido (L)

WL = 1.00, Wa = 0

TD : Somente Solido ( ) a

WL = 0, Wa = 1.00

Determinação de phase – frações de peso

% Ni

20

1200

1300

T(°C)

L (liquid)

a

(solid)

30 40 50

Cu-Ni

TAA

35C0

32CL

BTB

DTD

isotermica

4Ca

3

R S

TB : Solido a e liquido L

73.03243

3543=

-

-=

= 0.27

WL= S

R +S

Wa= R

R +S

Considere C0 = 35 % Ni

2 componentes

Sistemas Binarios-Eutéticos

• 3 fases (L, a, b)

• Solubilidade Limitada:

a: Predominante Cu

b: Predominante Ag

• TE : Limite fase liquida

: Composição a

temperatura TE

• CE

Ex.: Cu-AgCu-Ag

L (liquid)

a L + aL+b b

a + b

C, wt% Ag20 40 60 80 1000

200

1200T(ºC)

400

600

800

1000

CE

TE 8.0 71.9 91.2779°C

Ag) % 1.29( Ag) % .08( Ag) %9.71( ba +L

resfriamento

aquecimento

• Reação Eutética

L(CE) a(CaE) + b(CbE)

R: Ca = 17% Sn

b) Composição das fases:

L+b

a + b

200

T(ºC)

C, % Sn

20 60 80 1000

300

100

L (liquid)

a b

L+a

183°C

• Para liga de 40% Sn- 60% Pb a 220ºC, determine:

a) Tipos de fases:Pb-Sn

EX: Pb-Sn Eutético

c) A proporção relativa de

cada fase:

Wa =CL - C0

CL - Ca

=46 - 40

46 - 17

=6

29= 0.21

WL =C0 - Ca

CL - Ca

=23

29= 0.79

40C0

46CL

17Ca

220SR

R: a + L

CL = 46% Sn

R:

aL

• Para ligas C0 = CE

• Microestrutura Eutetica (lamelar)

Camadas (lamellae) intercaladas de fases a e b .

Microestrutura Eutética

160m

Micrografia do Pb-Sn

Microestrutura eutéticaPb-Sn

L+b

a + b

200

T(ºC)

C, % Sn

20 60 80 1000

300

100

L

a b

L+a

183°C

40

TE

18.3

a: 18.3 %Sn

97.8

b: 97.8 % Sn

CE

61.9

L: C0 wt% Sn

L+aL+b

a + b

200

C, % Sn20 60 80 1000

300

100

L

a bTE

40

(Pb-Sn)

Hypoeutética & Hypereutética

160 m

eutetica (micro-constituinte)

hypereutetica

b

bb

bb

b

175 m

a

a

a

aa

a

hypoeutética

T(°C)

61.9

eutetica

eutectic: C0 =61.9% Sn

Diagrama Ferro-Carbono (Fe-C)

• 2 pontos importantes:

- Eutetoide (B):g a +Fe3C

- Eutetico (A):L g +Fe3C

Fe

3C

(ce

me

ntita

)

1600

1400

1200

1000

800

600

4000 1 2 3 4 5 6 6.7

L

g

(austenita)

g+L

g+Fe3C

a+Fe3C

d

(Fe) C, % C

1148°C

T(ºC)

a 727°C = T eutetoide

4.30

Perlita = Estrutura lamelar dea + Fe3C

120 m0.76

B

g g

gg

AL+Fe3C

Fe3C (cementita-frágil/dura)

a (ferrita-dutil)

Fe

3C

(ce

me

ntita

)

1600

1400

1200

1000

800

600

4000 1 2 3 4 5 6 6.7

L

g

(austenita)

g+L

g + Fe3C

a+ Fe3C

L+Fe3C

d

(Fe) C, % C

1148°C

T(ºC)

a727°C

(Fe-C)

C0

0.7

6

Aço Hypoeutetoide

ferritaperlia

100 mAço hypoeutetoide

a

perlita

g

g g

ga

aa

ggg g

g g

gg

19

Hypereutectoid Steel

Fe

3C

(ce

me

ntita

)

1600

1400

1200

1000

800

600

4000 1 2 3 4 5 6 6.7

L

g

(austenita)

g+L

g +Fe3C

a +Fe3C

L+Fe3C

d

(Fe) C, %C

1148°C

T(ºC)

a

(Fe-C)

0.7

6 C0

Fe3C

gg

g g

ggg g

ggg g

Fe3C

60 m

Aço Hypereutetoide

perlita

perlita

20

Exercício

Para o aço 99.6% Fe-0.40% C, a temperatura de 790º C, determine:

a) A composição da Cementita Fe3C e ferrita (a).

b) A quantidade de Cementita (em gramas) formada em 100g de aço.

Solução:

 

WFe3C =R

R + S=

C0 -Ca

CFe3C -Ca

= 0.40 - 0.022

6.70 - 0.022 = 0.057

b) Utilizando a regra da

alavanca:

a) Traçando a isotérmica em 790ºC:

Ca = 0.022 % C

CFe3C = 6.70 % C

Fe

3C

(ce

me

ntita

)

1600

1400

1200

1000

800

600

4000 1 2 3 4 5 6 6.7

L

g (austenita)

g+L

g + Fe3C

a + Fe3C

L+Fe3C

d

C, % C

1148°C

T(ºC)

727°C

C0

R S

CFe C3Ca

A quantidade de Fe3C em 100g

= (100 g)WFe3C

= (100 g)(0.057) = 5.7 g

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