8. Diagramas de fase em condições de equilíbrio - Definições e conceitos básicos: identificação das fases, limite de solubilidade, microestrutura das fases - Diagramas de equilíbrio binários isomorfos e eutéticos - Reações eutetóides e peritéticas - Sistema Fe-C e microestruturas que se formam no resfriamento lento Eleani Maria da Costa - PGETEMA/PUCRS SOLIDIFICAÇÃO TODO O PROCESSO DE FABRICAÇÃO DE PEÇAS METÁLICAS TEM INÍCO EM UM PROCESSO DE SOLIDIFICAÇÃO 2 Eleani Maria da Costa - PGETEMA/PUCRS DIAGRAMA DE FASE OU DE EQUILIBRIO 1. IMPORTÂNCIA: - Permite a visualização da fusão e solidificação Prediz as transformações de fases Dá informações sobre microestrutura e propriedades mecânicas em função da temperatura e composição 3 Eleani Maria da Costa - PGETEMA/PUCRS 2. SOLUBILIDADE DO SOLUTO E FASES SOLUBILIDADE COMPLETA SOLUBILIDADE INCOMPLETA INSOLUBILIDADE LIMITE DE SOLUBILIDADE: é a concentração máxima de átomos de soluto que pode dissolver-se no solvente, a uma dada temperatura, para formar uma solução sólida. Quando o limite de solubilidade é ultrapassado forma-se uma segunda fase com composição distinta 4 Eleani Maria da Costa - PGETEMA/PUCRS 3. FASES FASE É A PORÇÃO HOMOGÊNEA DE UM SISTEMA QUE TEM CARACTERÍSTICAS FÍSICAS E QUÍMICAS DEFINIDAS Todo metal puro e uma considerado uma fase Uma fase é identificada pela composição química e microestrutura A interação de 2 ou mais fases em um material permite a obtenção de propriedades diferentes É possível alterar as propriedades do material alterando a forma e distribuição das fases 5 Eleani Maria da Costa - PGETEMA/PUCRS 4. DIAGRAMA DE FASES OU DE EQUILÍBRIO É COMO UM MAPA PARA A DETERMINAÇÃO DAS FASES PRESENTES, PARA QUALQUER TEMPERATURA E COMPOSIÇÃO, DESDE QUE A LIGA ESTEJA EM EQUILÍBRIO - Termodinamicamente o equilíbrio é descrito em termos de energia livre (G) - Um sistema está em equilíbrio quando a energia livre é mínima O equilíbrio de fases é o reflexo da constância das características das fases com o tempo 6 Eleani Maria da Costa - PGETEMA/PUCRS FUSÃO E ENERGIA LIVRE (G) 7 Eleani Maria da Costa - PGETEMA/PUCRS 4. FASES DE EQUILÍBRIO E FASES METAESTÁVEIS Fases de equilíbrio: suas propriedades ou características não mudam com o tempo. Geralmente são representadas nos diagramas por letras gregas Fases metaestáveis: suas propriedades ou características mudam lentamente com o tempo, ou seja, o estado de equilíbrio não é nunca alcançado. No entanto, não há mudanças muito perceptíveis com o tempo na microestrutura das 8 fases metaestáveis. Eleani Maria da Costa - PGETEMA/PUCRS SOLIDIFICAÇÃO DE UM METAL PURO 9 Eleani Maria da Costa - PGETEMA/PUCRS SOLIDIFICAÇÃO DE UMA LIGA BINÁRIA 10 Eleani Maria da Costa - PGETEMA/PUCRS CONSTRUÇÃO DOS DIAGRAMAS DE FASE A PARTIR DAS CURVAS TÉRMICAS São obtidas curvas térmicas para diferentes teores de soluto 11 Eleani Maria da Costa - PGETEMA/PUCRS 4.1. DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO PARA SISTEMAS BINÁRIOS E ISOMÓRFOS Isomorfo quando a solubilidade é completa (Exemplo: Sistema Cu-Ni) 12 Eleani Maria da Costa - PGETEMA/PUCRS CURVA DE SOLIDIFICAÇÃO PARA UMA LIGA BINÁRIA ISOMORFA Remoção do calor latente de fusão Curva de solidificação 13 Eleani Maria da Costa - PGETEMA/PUCRS INTERPRETAÇÃO DO DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO (CONSTITUIÇÃO DA LIGA) - Fases presentes localiza-se a temperatura e composição desejada e verifica-se o número de fases presentes - Composição química das fases usa-se o método da linha de conecção (isotérma) Para um sistema monofásico a composição é a mesma da liga - Percentagem das fases (quantidades relativas das fases) regra das alavancas 14 Eleani Maria da Costa - PGETEMA/PUCRS SISTEMA Cu-Ni DETERMINAÇÃO DAS FASES PRESENTES E DA COMPOSIÇÃO QUÍMICA DAS FASES B Comp. Liq= 32% de Ni e 68% de Cu Comp. Sol. = 45% de Ni e 55% de Cu 15 Eleani Maria da Costa - PGETEMA/PUCRS SISTEMA Cu-Ni Determinação das quantidades relativas das fases Composição das fases Comp. Liq= 31,4% Ni e 68,9%Cu Comp. Sol. = 42,5,4 %Ni e %57,5Cu Percentagem das fases Fase líquida L =S L = C-C0 R+S C-CL Fase sólida S =R R+S L = Co-CL C-CL 16 Eleani Maria da Costa - PGETEMA/PUCRS Mudança na composição das fases durante o processo de solidificação Ex: o centro do grão mais rico do elemento com o elemento de maior ponto de fusão) centro do grão A distribuição dos 2 elementos no grão não é uniforme. 17 Eleani Maria da Costa - PGETEMA/PUCRS Mudança na composição das fases durante o processo de solidificação 18 Eleani Maria da Costa - PGETEMA/PUCRS DESENVOLVIMENTO DA MICROESTRUTURA A microestrutura só segue o diagrama de equilíbrio para velocidades de solidificação lentas Na prática, não há tempo para a difusão completa e as microestruturas não são exatamente iguais às do equilíbrio O grau de afastamento do equilíbrio dependerá da taxa de resfriamento Como conseqüência da solidificação fora do equilíbrio tem-se a segregação (a distribuição dos 2 elementos no grão não é uniforme). 19 Eleani Maria da Costa - PGETEMA/PUCRS SOLUBILIDADE É dada pela linha solvus () +l l+ () LINHA SOLVUS + LINHA SOLVUS 20 Eleani Maria da Costa - PGETEMA/PUCRS SISTEMAS EUTÉTICOS BINÁRIOS Reação eutética: Líquido + Neste caso a solidificação processa-se como num metal puro, no entanto o produto é 2 fases sólidas distintas. Microestrutura do eutético: LAMELAR camadas alternadas de fase e . Ocorre desta forma porque é a de menor percurso para a difusão 21 Eleani Maria da Costa - PGETEMA/PUCRS REAÇÃO EUTÉTICA Líquido () + + () LINHA SOLVUS Indica solubilidade 22 Eleani Maria da Costa - PGETEMA/PUCRS HIPOEUTÉTICO E HIPEREUTÉTICO HIPOEUTÉTICO COMPOSIÇÃO MENOR QUE O EUTÉTICO HIPEREUTÉTICO COMPOSIÇÃO MAIOR QUE O EUTÉTICO 23 Eleani Maria da Costa - PGETEMA/PUCRS MICROESTRUTURA DE UMA LIGA DE Sn-Pb HIPOEUTÉTICA Região preta é a fase primária rica em Pb Lamelas são constituídas de fase rica em Pb e fase rica em Sn 24 Eleani Maria da Costa - PGETEMA/PUCRS DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO TENDO FASES INTERMEDIÁRIAS REAÇÃO EUTETÓIDE: + ( a diferença do eutético é que uma fase sólida, ao invés de uma líquida, transforma-se em duas outras fases sólidas. REAÇÃO PERITÉTICA: Envolve três fases em equilíbrio + Líquido Uma fase sólida mais uma fase líquida transforma-se numa outra fase sólida 25 Eleani Maria da Costa - PGETEMA/PUCRS PERITÉTICO E EUTÉTICO 26 Eleani Maria da Costa - PGETEMA/PUCRS PERITÉTICO Envolve 3 fases em equilíbrio 27 Eleani Maria da Costa - PGETEMA/PUCRS PERITÉTICO DUPLO 28 Eleani Maria da Costa - PGETEMA/PUCRS EUTÉTICO, EUTETÓIDE E PERITÉTICO Ponto de fusão congruente 29 Eleani Maria da Costa - PGETEMA/PUCRS REAÇÃO MONOTÉTICA E EUTÉTICA Dois líquidos imiscíveis formam uma fase sólida e uma fase líquida (MONOTÉTICA) 30 Eleani Maria da Costa - PGETEMA/PUCRS GRÁFICO ESQUEMÁTICO: PONTO DE FUSÃO E TRANSFORMAÇÕES ALOTRÓPICAS 31 Eleani Maria da Costa - PGETEMA/PUCRS Sistema Fe-C ou Fe-Fe3C e microestruturas que se formam no resfriamento lento 32 Eleani Maria da Costa - PGETEMA/PUCRS DIAGRAMA DE FASE Fe-Fe3C TRANSFORMAÇÃO ALOTRÓPICA +l CCC +l l+Fe3C CFC + CCC +Fe3C +Fe3C As fases , e são soluções sólidas com Carbono intersticial 33 Eleani Maria da Costa - PGETEMA/PUCRS FERRO PURO FERRO = FERRITA FERRO = AUSTENITA FERRO = FERRITA TF= 1534 C CARBONO Nas ligas ferrosas as fases , e FORMAM soluções sólidas com Carbono intersticial 34 Eleani Maria da Costa - PGETEMA/PUCRS DIAGRAMA DE FASE Fe-Fe3C TRANSFORMAÇÔES +l +l l+Fe3C PERITÉTICA +l EUTÉTICA l +Fe3C EUTETÓIDE +Fe3C AÇO FOFO 35 Eleani Maria da Costa - PGETEMA/PUCRS Ferro Puro /Formas Alotrópicas FERRO = FERRITA Estrutura= ccc Temperatura “existência”= até 912 C Fase Magnética até 768 C (temperatura de Curie) Solubilidade máx do Carbono= 0,02% a 727 C FERRO = AUSTENITA Estrutura= cfc (tem + posições intersticiais) Temperatura “existência”= 912 1394C Fase Não-Magnética Solubilidade máx do Carbono= 2,14% a 1148C 36 Eleani Maria da Costa - PGETEMA/PUCRS Ferro Puro /Formas Alotrópicas FERRITA AUSTENITA 37 Eleani Maria da Costa - PGETEMA/PUCRS Ferro Puro /Formas Alotrópicas FERRO = FERRITA Estrutura= ccc Temperatura “existência”= acima de 1394C Fase Não-Magnética É a mesma que a ferrita Como é estável somente a altas temperaturas não apresenta interesse comercial 38 Eleani Maria da Costa - PGETEMA/PUCRS Sistema Fe-Fe3C Ferro Puro= até 0,02% de Carbono Aço= 0,02 até 2,06% de Carbono Ferro Fundido= 2,1-4,5% de Carbono Fe3C (CEMENTITA)= Forma-se quando o limite de solubilidade do carbono é ultrapassado (6,7% de C) 39 Eleani Maria da Costa - PGETEMA/PUCRS CEMENTITA (Fe3C) Forma-se quando o limite de solubilidade do carbono é ultrapassado (6,7% de C) É dura e frágil Cristaliza no sitema ortorrômbico (com 12 átomos de Fe e 4 de C por célula unitária) é um composto intermetálico metaestável, embora a velocidade de decomposição em ferro e C seja muito lenta A adição de Si acelera a decomposição da cementita para formar grafita 40 Eleani Maria da Costa - PGETEMA/PUCRS PONTOS IMPORTANTES DO SISTEMA Fe-Fe3C (EUTÉTICO) LIGA EUTÉTICA: corresponde à liga de mais baixo de fusão Líquido FASE (austenita) + cementita - Temperatura= 1148 C - Teor de Carbono= 4,3% As ligas de Ferro fundido de 2,1-4,3% de C são chamadas de ligas hipoeutéticas As ligas de Ferro fundido acima de 4,3% de C são chamadas de ligas hipereutéticas 41 Eleani Maria da Costa - PGETEMA/PUCRS PONTOS IMPORTANTES DO SISTEMA Fe-Fe3C (EUTETÓIDE) LIGA EUTETÓIDE corresponde à liga de mais baixa temperatura de transformação sólida Austenita FASE (FERRITA) + Cementita - Temperatura= 725 C - Teor de Carbono= 0,8 % Aços com 0,02-0,8% de C são chamadas de aços hipoeutetóides Aços com 0,8-2,1% de C são chamadas de aços hipereutetóides 42 Eleani Maria da Costa - PGETEMA/PUCRS MICROESTRUTURAS / EUTETÓIDE Supondo resfriamento lento para manter o equilíbrio É similar ao eutético Consiste de lamelas alternadas de fase (ferrita) e Fe3C (cementita) chamada de PERLITA FERRITA lamelas + espessas e claras CEMENTITA lamelas + finas e escuras Propriedades mecânicas da perlita • intermediária entre ferrita (mole e dúctil) e cementita (dura e frágil) 43 Eleani Maria da Costa - PGETEMA/PUCRS MICROESTRUTURAS / EUTETÓIDE 44 Eleani Maria da Costa - PGETEMA/PUCRS MICROESTRUTURA DO AÇO EUTETÓIDE RESFRIADO LENTAMENTE Somente Perlita 45 Eleani Maria da Costa - PGETEMA/PUCRS MICROESTRUTURAS /HIPOEUTETÓIDE Supondo resfriamento lento para manter o equilíbrio Teor de Carbono = 0,002- 0,8 % Estrutura Ferrita + Perlita As quantidades de ferrita e perlita variam conforme a % de carbono e podem ser determinadas pela regra das alavancas Partes claras pró eutetóide ferrita 46 Eleani Maria da Costa - PGETEMA/PUCRS MICROESTRUTURA DOS AÇOS BAIXO TEOR DE CARBONO AÇO COM ~0,2%C Ferrita Perlita 47 Eleani Maria da Costa - PGETEMA/PUCRS MICROESTRUTURA DOS AÇOS MÉDIO TEOR DE CARBONO RESFRIADOS LENTAMENTE AÇO COM ~0,45%C Ferrita Perlita 48 Eleani Maria da Costa - PGETEMA/PUCRS MICROESTRUTURAS /HIPEREUTETÓIDE Supondo resfriamento lento para manter o equilíbrio Teor de Carbono = 0,8-2,06 % Estrutura cementita+ Perlita As quantidades de cementita e perlita variam conforme a % de carbono e podem ser determinadas pela regra das alavancas Partes claras pró eutetóide cementita 49 ALGUNS DIAGRAMAS 51 Eleani Maria da Costa - PGETEMA/PUCRS 52 Eleani Maria da Costa - PGETEMA/PUCRS 53 Eleani Maria da Costa - PGETEMA/PUCRS Eleani Maria da Costa - PGETEMA/PUCRS Micrografia da Liga Al-3,5%Cu no Estado Bruto de Fusão 54 55 Eleani Maria da Costa - PGETEMA/PUCRS 56 Eleani Maria da Costa - PGETEMA/PUCRS Eleani Maria da Costa - PGETEMA/PUCRS Sistema Mg-Pb 57
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