Diagrama de fases
São diagramas que mostram
regiões de estabilidade das
fases, através de gráficos
que representam as
relações entre temperatura,
pressão e composição
química.
Para que serve:




Investigar reações Químicas;
Entender a microestrutura dos
materiais;
Prever as suas propriedades;
Etc.
Sistema
Série de possíveis ligas com mesmos
componentes, mas composições e
microestruturas distintas
Ex: Sistema Cobre-Oxigênio
A variação da composição de
oxigênio leva a diferentes estruturas
microscópicas, bem como a formação
de diferentes fases
Solução sólida
Fase homogênea que contem 2 ou
mais componentes (solutos)
dissolvidos em um solvente.
Ex: Latão
Liga com até 30% de Zinco em Cobre
Fase
Uma porção de um sistema
que possui propriedades
e composição
homogêneas e que é
fisicamente distinta das
outras partes do sistema.
Cr+ 3% Nb – Região de contorno de grão
Equilíbrio termodinâmico
Um sistema está em equilíbrio se
a sua energia livre (G) se
encontra em um valor mínimo
para alguma combinação
específica de temperatura,
pressão e composição
Energia Livre de Gibbs
Energia Livre de Gibbs
A Energia Livre de Gibbs é uma
medida de estabilidade de um
sistema de fases.
Quando a variação dessa energia
é nula, diz-se que o sistema
está em equilíbrio ou está
estável.
Energia Livre de Gibbs ( G )
∆G = ∆H – T∆S
Onde:
H = entalpia do sistema;
T = temperatura;
S = entropia do sistema.
Entalpia (H)
Entalpia é o conteúdo de calor de um
sistema, à pressão constante de fórmula:
H = E + PV
Onde:
E =energia interna do sistema;
P =pressão;
V =volume.
Entropia (S)
É a medida de desordem de um
sistema. Quanto maior a
desorganização do sistema,
maior a entropia.
Onde:
dQ
dS 
T
Q=Quantidade de calor;
T= temperatura.
Fonte: Porter e Easterling
Fonte: Porter and Easterling
Fonte: Porter and Easterling
Fonte: Porter e Easterling
Limite de solubilidade
A uma dada temperatura
existe uma concentração
máxima de soluto que pode
se dissolver no solvente.
Esse limite chama-se limite
de solubilidade
Água e açúcar
Solubilidade Total
Efeito da Pressão
Superliga de Niquel
Microestrutura
Nimonic (Ni+Co) – 400X
Ti 6Al-4V – 400X
A microestrutura pode ser
observada por microscópio
ótico ou eletrônico. Podem ser
identificadas as fases e a
quantidade delas no material.
Cada fase possui propriedades
diferentes.
Aço Comum Baixo Carbono
Al+4% Cu
Cu+Sn – Estrutura Dentrítica
Cu+Zn - Latão
Microestrutura de um aço
O Aço possui diversas microestruturas
devido ao seu diagrama de fases e aos
diferentes metodos de processamento
Austenita
Resfriamento
lento
Perlita ( + Fe3C)
+
Fase próeutetóide
Resfriamento
moderado
Bainita
( + Fe3C)
Resfriamento
rápido (têmpera)
Martensita
(fase tetragonal)
Reaquecimento
(Ferrita ou cementita)
Martensita Revenida
( + Fe3C)
Identificação das Fases
Existem fronteiras onde há uma
mudança abrupta de
propriedades. Esses conjuntos
de propriedades pertencem as
fases presentes
Micrografia de Compósito de Matriz metálica
(Alumínio) com partículas cerâmicas
Tipos de diagramas

Binários

Ternários

Quaternários
Binário
Ternário
Interpretação do diagrama

Quais fases estão presentes?

Qual é a composição das fases?

Qual é a fração relativa das fases?
Regra da alavanca
A regra da alavanca é um método
de determinação da quantidade
de cada fase presente no
material
Regra da Alavanca

C  C0 
S
WL 

R  S  C  CL 
Fração em peso de Líquido (WL)

C0  CL 
R
W 

R  S  C  CL 
Fração em peso de sólido (Wα)
Reações de Fases

Reação Eutética

Reação Eutetóide

Reacão Peritética
Temperatura (°C)
Composição (at% Ag)

L
 L

(TE)
Temperatura
 
Composição (wt% Ag)
Reação
Eutética
Resfriamento
L(CE )   (CE )   (CE )
aquecimento
Eutética
Reação Eutética
Líquido → Sólido α
Microestrutura Eutética da
Liga Nb (81.8%) – Si
(18.2%): Nióbio é a fase
clara, dispersa na matriz de
Nb3Si
+ Sólido β
Reação Eutetóide
Sólido → Sólido γ + Sólido ε
Exemplos de microestrutura Euteróide em Aços
Crescimento de microestrutura Eutetóide em aço:
http://www-g.eng.cam.ac.uk/mmg/teaching/typd/addenda/eutectoidmicrostructure1.html
Reação Peritética
Líquido + sólido A → sólido B
Diagrama de Fases
Parte II
No Equilíbrio
•Reações ocorrem
com composições
do líquido e do
sólido
homogêneas
•Há tempo o
suficiente para a
difusão em ambas
as fases
Fora do equilíbrio
•O primeiro
metal formado é
mais rico em
soluto;
•Não há tempo
para que a
difusão leve a
composição
química das fases
à posição de
equilíbrio;
•A variação da
concentração de
soluto real
desloca a linha
Sólidus.
Microestruturas Resultantes
Diagrama de fases Chumbo - Estanho
Segundo a regra da alavanca, haverão proporções específicas
de fase  e  na composição acima, mas a morfologia
depende do histórico de resfriamento
•Concentração de
soluto menor que
a da linha Solvus.
•Formação de
grão de 
diretamente a
partir do líquido.
•Concetração de
Soluto acima da
linha solvus, mas
abaixo da
concentração
mínima para
Eutético (CE)
•Nucleação de
fase  no interiror
de grão já
formados de 
•Concentração
de Soluto igual a
Composição
Eutética da Liga
•Formação de
microestrutura
eutética a partir
do líquido
L(61,9% p Sn)   (18,3% p Sn)   (97,8% p Sn)
•Concentração de Soluto entre a Composição Eutética (CE) e CE;
•Formação de grãos de  a partir do líquido, mas havendo líquido
remanescente ao chegar a Temperatura Eutética;
•Formação de microestrutura eutética a partir do líquido, entre os
grãos de  Pré-Eutetóides;
•Com composição entre CE e CE, a microestrutura é análoga.
Diagramas com muitas transformações
Diagrama Cobre - Zinco
Compostos Intermediários
Diagrama Ouro-Estanho
Diagrama
Ferro-Alumínio
•Algumas ligas possuem compostos InterMetálicos: Composições específicas aonde os
dois metais formam uma fase de estequiometria
e cristalografia definida (substituição de átomos
na rede em posições específicas). Ex: Cu3Sn,
AuSn, FeAl2, Fe2Al5, etc...
Diagrama Estanho-cobre
Diagrama de Fases
Parte III
Transformações congruentes
Reações Congruentes: Ocorrem quando um líquido da origem a
um líquido de propriedades diferentes e mais uma fase sólida
Diagrama Fe-Fe3C
Ferrita (90x)
Austenita (325x)
Perlita (α + Fe3C)
Microestrutura resultante
do resfriamento rápido de
uma liga composta de
fase γ (austenita) com
composição eutetóide
(≈0,76% C)
Aço eutetóide com
microestrutura
perlítica
Liga eutetóide (≈ 0,76% C)
Liga Hipoeutetóide
Aço (0,38% C) com
microestrutura
composta de perlita e
ferrita proeutetóide
Liga Hipereutetóide
Aço ( 1,4% C) com
microsestrutura constituida
de cementita proeutetóide
(branca) que envolve as
colônias de perlita
Influência de outros elementos de
liga
Diagrama de fases dos
materiais cerâmicos
Lei das Fases de Gibbs
P+F=C+N
Onde:
P= número de fases
F= números de graus de liberdade
C= componentes do sistema
N= quantidade de variáveis não relacionadas
com a composição (temperatura, pressão...)
Pressão constante (1 atm)
N = 1 (temperatura é a
única variável)
C= 2 ( Cu e Ag)
Faz-se necessário especificar a
temperatura e a composição para
determinar o número de fases.
Por exemplo:
Para a temperatura T1 e
composições entre Cα e CL ,
existem 2 fases ( α e líquida)
P+F=C+N
2+F=2+1
F= 1 ( grau de liberdade)
P= 2