MCM – Tratamentos térmicos
dos aços
DIAGRAMAS DE FASES
Definições e conceitos básicos
Componente: metais puros ou compostos
que compõem uma liga.

Sistema: série de possíveis ligas com os
mesmos componentes.

Solução sólida: átomos de soluto são
adicionados ao solvente sem que a estrutura
cristalina deste último se altere.

Fase: porção homogênea de um sistema
com características químicas e físicas
uniformes.

Limite de solubilidade
Concentração máxima de átomos de soluto
que pode se dissolver no solvente

A adição de soluto além deste limite resulta
na formação de um outro composto com
composição química diferente. (Ex.: sistema
água - açúcar)

Varia com a temperatura.

Diagrama de solubilidade
Solubilidade do açúcar na água
Fonte: CALLISTER, W. D, Fundamentals of Materials Science and Engineering
Microestrutura
Influi no comportamento mecânico do
material.

Caracteriza-se pelo número de fases
presentes, suas proporções, distribuições e
arranjos.

Depende de variáveis como os elementos
presentes, suas concentrações e tratamentos
térmicos.

Microestrutura
Microestrutura do ferro α (ferrita)
ampliação 90X
Fonte: CALLISTER, W. D, Fundamentals of Materials Science and Engineering
Microestrutura
Microestrutura de um aço contendo 0,44%p C
ampliação 3000X
Fonte: CALLISTER, W. D, Fundamentals of Materials Science and Engineering
Microestrutura
Microestrutura de um aço contendo 1,40%p C
ampliação 1000X
Fonte: CALLISTER, W. D, Fundamentals of Materials Science and Engineering
Equilíbrio de fases
Energia livre: função da energia interna e
da entropia de um sistema.


Sistema em equilíbrio → energia livre mínima.
Equilíbrio de fases: as características das
fases de um sistema não se alteram com o
tempo.

O equilíbrio de um sistema é perturbado com
variações de P, T e composição.

Equilíbrio de fases
Sistemas sólidos: estado do sistema
caracteriza-se pela sua microestrutura.

Em sistemas sólidos, o tempo para atingir o
equilíbrio é extremamente longo (taxas de difusão
sólida baixas).

Sistema metaestável: sistema que ainda
não atingiu o estado de equilíbrio.

Estruturas metaestáveis são de grande
importância na engenharia de materiais.

Diagramas de fases
Representam relações entre a temperatura e
as composições, além das quantidades de
cada fase em condições de equilíbrio.

São úteis para a previsão das transformações de
fases e microestruturas resultantes.


Geralmente referem-se a ligas binárias.
A pressão externa também influencia a
estrutura das fases.

Diagramas de fases
Diagrama de fases do sistema Fe-Fe3C
Fonte: CALLISTER, W. D, Fundamentals of Materials Science and Engineering
Sistemas isomorfos binários

Exemplo: sistema Cu - Ni
Tanto o Cu como o Ni possuem estrutura CFC
(isomorfos), raios atômicos, eletronegatividades e
valências semelhantes.

São completamente solúveis um no outro, tanto
na fase líquida como sólida.

Apenas duas fases (α e L).

Sistemas isomorfos binários
Diagrama de fases do sistema Cu - Ni
Fonte: CALLISTER, W. D, Fundamentals of Materials Science and Engineering
Determinação das fases presentes
Diagrama de fases do sistema Cu - Ni
Fonte: CALLISTER, W. D, Fundamentals of Materials Science and Engineering
Determinação das composições
das fases presentes
%L =
S
. 100%
R+S
%L = Ca – C0. 100%
Ca – CL
%a =
R . 100%
R+S
%a = C0 – CL. 100%
Ca – CL
Detalhe do diagrama de fase Cu – Ni
Fonte: CALLISTER, W. D, Fundamentals of Materials Science and Engineering
Desenvolvimento de microestruturas
em ligas isomorfas

Exemplo: sistema Cu - Ni
Condição: resfriamento muito lento, de forma a
manter um equilíbrio contínuo entre as fases.


Composição: 35%p Ni – 65%p Cu
Temperatura inicial: 1300o C

Desenvolvimento de microestruturas
em equilíbrio
Detalhe do diagrama de fase Cu – Ni
Fonte: CALLISTER, W. D, Fundamentals of Materials Science and Engineering
Resfriamento de ligas isomorfas
fora das condições de equilíbrio
Sistemas em equilíbrio: variações de T
devem ser lentas para que se completem os
processos de difusão.

Na prática, as taxas de resfriamento são muito
rápidas para permitir a completa difusão e a
manutenção do equilíbrio.

Como conseqüência, são desenvolvidas
estruturas metaestáveis.

Resfriamento de ligas isomorfas
fora das condições de equilíbrio

Exemplo: sistema Cu - Ni
Condição: velocidade de resfriamento não
permite manter um equilíbrio contínuo entre as
fases.


Composição: 35%p Ni – 65%p Cu
Temperatura inicial: 1300o C

Desenvolvimento de microestruturas
metaestáveis
Detalhe do diagrama de fase Cu – Ni
Fonte: CALLISTER, W. D, Fundamentals of Materials Science and Engineering
Resfriamento de ligas isomorfas
fora das condições de equilíbrio
Deslocamento da curva solidus depende da
taxa de resfriamento e das taxas de difusão
sólida.

Segregação: gradientes de concentração ao
longo dos grãos – estrutura zonada.

Propriedades mecânicas de estruturas zonadas
são inferiores às ótimas.

Sistemas eutéticos binários

Exemplo: Sistema Cu - Ag
Três fases: α, β e L.

Fases α: solução sólida na qual o Cu é o
solvente e a Ag é o soluto.

Fases β : solução sólida na qual a Ag é o
solvente e o Cu é o soluto.

Sistemas eutéticos binários
Diagrama de fases do sistema Cu-Ag
Fonte: CALLISTER, W. D, Fundamentals of Materials Science and Engineering
Sistemas eutéticos binários
Ponto invariante → reação eutética
(eutético = facilmente fundido)


Composição do eutético: CE = Ag(71,9%p)

Reação eutética:
resfriamento
L(Ag 71,9%p)
aquecimento
α (Ag 8,0%p) + β (Ag 91,2%p)
Desenvolvimento de microestruturas
em ligas binárias eutéticas

Exemplo: sistema Pb - Sn
Condição: resfriamento muito lento, de forma a
manter um equilíbrio contínuo entre as fases.


Composição: 99%p Pb – 1%p Sn
Temperatura inicial: 350o C

Desenvolvimento de microestruturas
em ligas binárias eutéticas
Detalhe do diagrama de fase Pb – Sn
Fonte: CALLISTER, W. D, Fundamentals of Materials Science and Engineering
Desenvolvimento de microestruturas
em ligas binárias eutéticas

Exemplo: sistema Pb - Sn
Condição: resfriamento muito lento, de forma a
manter um equilíbrio contínuo entre as fases.


Composição: 85%p Pb – 15%p Sn
Temperatura inicial: 350o C

Desenvolvimento de microestruturas
em ligas binárias eutéticas
Detalhe do diagrama de fase Pb – Sn
Fonte: CALLISTER, W. D, Fundamentals of Materials Science and Engineering
Desenvolvimento de microestruturas
em ligas binárias eutéticas

Exemplo: sistema Pb - Sn
Condição: resfriamento muito lento, de forma a
manter um equilíbrio contínuo entre as fases.


Composição: 38,1%p Pb – 61,9%p Sn (eutético)
Temperatura inicial: 350o C

Desenvolvimento de microestruturas
em ligas binárias eutéticas
Diagrama de fase Pb – Sn
Fonte: CALLISTER, W. D, Fundamentals of Materials Science and Engineering
Desenvolvimento de microestruturas
em ligas binárias eutéticas
Fonte: CALLISTER, W. D, Fundamentals of Materials Science and Engineering
Desenvolvimento de microestruturas
em ligas binárias eutéticas
Fase β
Fase α
Microestrutura de uma liga eutética Pb - Sn
ampliação 375X
Fonte: CALLISTER, W. D, Fundamentals of Materials Science and Engineering
Desenvolvimento de microestruturas
em ligas binárias eutéticas

Exemplo: sistema Pb - Sn
Condição: resfriamento muito lento, de forma a
manter um equilíbrio contínuo entre as fases.


Composição: 60%p Pb – 40%p Sn (eutético)
Temperatura inicial: 300o C

Desenvolvimento de microestruturas
em ligas binárias eutéticas
Diagrama de fase Pb – Sn
Fonte: CALLISTER, W. D, Fundamentals of Materials Science and Engineering
Desenvolvimento de microestruturas
em ligas binárias eutéticas
Fase β
Fase α
Fase α
primária
Microestrutura de uma liga 60%pPb – 40%pSn
ampliação 400X
Fonte: CALLISTER, W. D, Fundamentals of Materials Science and Engineering