CIÊNCIA E ENG MATERIAIS
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DIAGRAMA DE FASES
Um componente
Existem três parâmetros que podem ser controlados
externamente que irão afetar a estrutura das fases –
temperatura, pressão e composição – e os diagramas de fases
são construídos quando várias combinações desses
parâmetros são plotadas umas contra as outras.
O diagrama para um sistema com um único
componente, onde a composição é mantida constante, é
representado como um gráfico bidimensional da pressão em
função da temperatura.
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Diagrama de fases pressão-temperatura para a água
Callister, J. W. D., Ciência e engenharia de materiais: uma introdução, LTC, 7ª Ed, 2008
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DIAGRAMA DE FASES
Pode ser observado regiões para três fases diferentes,
sólido, líquido e vapor. Cada uma das fases irá existir sob
condições de equilíbrio ao longo das faixas de temperaturapressão de sua área correspondente.
As três curvas são as fronteiras entre as fases; em
qualquer ponto sobre uma dessas curvas, as duas fases em
ambos os lados da curva estão em equilíbrio uma com a outra,
isto é o equilíbrio entre as fases sólida e vapor ocorre ao longo
da curva aO.
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DIAGRAMA DE FASES
Ao se cruzar uma fronteira, uma fase se transforma na
outra. Por exemplo, sob pressão de uma atmosfera, no
aquecimento, a fase sólida se transforma na fase líquida no
ponto identificado como 2; esse ponto corresponde a uma
temperatura de 0ºC.
As curvas para as três fronteiras entre fases se
interceptam em um ponto comum, que está identificado como
O (para esse sistema, em uma temperatura de 273,16 K e uma
pressão de 6.04 x 10-3 atm).
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DIAGRAMA DE FASES
Neste ponto (O) todas as fases se encontram
simultaneamente em equilíbrio umas com as outras.
Apropriadamente, esse, e qualquer outro ponto em um
diagrama de fases P – T onde três fases estão em equilíbrio, é
chamado de ponto triplo.
Qualquer desvio desse ponto devido a uma variação na
temperatura e/ou na pressão irá causar o desaparecimento de
pelo menos uma das fases.
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DIAGRAMA DE FASES
Binário
É o diagrama onde a temperatura e a composição são
os parâmetros variáveis, enquanto a pressão é mantida
constante – normalmente em 1 atm.
Os diagramas de fases binários são úteis para prever as
transformações de fases e as microestruturas resultantes, que
podem apresentar uma natureza de equilíbrio ou de ausência
de equilíbrio.
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DIAGRAMA DE FASES
Sistemas isomorfos binários
O tipo de diagrama de fases binário mais fácil de ser
compreendido e interpretado é aquele caracterizado pelo
sistema cobre-níquel.
A temperatura é traçada ao longo da ordenada,
enquanto a abscissa representa a composição da liga, em
porcentagem em peso (escala inferior) e em porcentagem
atômica (escala superior) de níquel.
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Diagrama de fases cobre-níquel
Callister, J. W. D., Ciência e engenharia de materiais: uma introdução, LTC, 7ª Ed, 2008
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DIAGRAMA DE FASES
A composição varia entre 0%p Ni (100%p Cu), na
extremidade horizontal à esquerda, e 100%p Ni (0%p Cu), à
direita. Três regiões, ou campos, de fases diferentes aparecem
no diagrama, um campo alfa (α), um campo líquido (L) e um
campo bifásico α + L.
Cada região é definida pela fase ou fases que existem
ao longo das faixas de temperaturas e de composições que
estão delimitadas pelas curvas de fronteira entre as fases.
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DIAGRAMA DE FASES
O líquido L é uma solução líquida homogênea,
composta tanto por cobre quanto por níquel. A fase α é uma
solução sólida substitucional contendo átomos de Cu e de Ni e
possuindo uma estrutura cristalina CFC.
Em temperaturas abaixo de aproximadamente 1080ºC,
o cobre e o níquel são mutuamente solúveis um no outro no
estado sólido para todas as composições.
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DIAGRAMA DE FASES
Esta solubilidade completa é explicada pelo fato de que
tanto o Cu quanto o Ni possuem a mesma estrutura cristalina
(CFC), raios atômicos e eletronegatividades praticamente
idênticos, e valências semelhantes.
O sistema cobre-níquel é denominado isomorfo devido a
essa completa solubilidade dos dois componentes nos estados
líquido e sólido.
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DIAGRAMA DE FASES
Para as ligas metálicas, as soluções sólidas são
designadas usualmente por letras gregas minúsculas.
Nas fronteiras entre as fases, a curva que separa os
campos das fases L e α + L é denominada linha liquidus. A
fase líquida está presente em todas as temperaturas e
composições acima dessa linha.
A linha solidus está localizada entre as regiões α e α +
L, e abaixo dela existe somente a fase sólida.
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DIAGRAMA DE FASES
As linhas solidus e liquidus se interceptam nas duas
extremidades de composição. Esses pontos correspondem às
temperaturas de fusão dos compostos puros.
Por exemplo a temperatura de fusão do cobre puro e do
níquel puro são de 1085ºC e 1453ºC, respectivamente.
O aquecimento do cobre puro corresponde a um
movimento vertical para cima, ao longo do eixo da temperatura
do lado esquerdo.
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DIAGRAMA DE FASES
O cobre permanece sólido até ser atingida a sua
temperatura de fusão.
Para qualquer composição diferente daquela dos
componentes puros, esse fenômeno de fusão irá ocorrer ao
longo de uma faixa de temperaturas entre as linhas solidus e
liquidus.
Ao se aquecer uma liga com composição de 50%p Ni50%p Cu, a fusão tem início a aproximadamente 1280ºC, a
quantidade da fase líquida aumenta continuamente com a
temperatura até aproximadamente 1320ºC, quando a liga fica
completamente líquida.
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DIAGRAMA DE FASES
Para um sistema binário com composição e temperatura
conhecidas e que está em equilíbrio, pelo menos três tipos de
informação são disponíveis:
a) As fases presentes;
b) As composições dessas fases; e
c) As porcentagens ou frações das fases.
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DIAGRAMA DE FASES
Fases presentes
Para o estabelecimento de quais fases estão presentes,
deve-se apenas localizar o ponto temperatura-composição no
diagrama e observar a(s) fase(s) que corresponde(m) ao
campo de fases identificado.
Por exemplo, uma liga com composição de 60%p Ni–
40%p Cu a 1100ºC estaria localizada no ponto que está dentro
da região α, apenas a fase α estará presente. Por outro lado,
uma liga com 35%p Ni–65%p Cu a 1250ºC, consistirá tanto na
fase α quanto na fase líquida em equilíbrio.
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DIAGRAMA DE FASES
Determinação das composições das fases
A primeira etapa na determinação das composições das
fases é localizar o ponto temperatura-composição no diagrama
de fases.
Se apenas uma fase estiver presente, o procedimento é
trivial: a composição dessa fase é simplesmente a mesma que
a composição global da liga. Por exemplo, em uma liga com
60%p Ni–40%p Cu a 1100ºC, apenas a fase α está presente,
possuindo uma composição de 60%p de Ni e 40%p de Cu.
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DIAGRAMA DE FASES
Para uma liga que possui composição e temperatura
localizada em uma região bifásica, deve-se traçar uma linha
horizontal passando pelo ponto, chamada linha de amarração,
que se estende através da região bifásica e termina nas curvas
de fronteira entre fases em ambas as extremidades da região
bifásica.
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DIAGRAMA DE FASES
Para calcular as concentrações das duas fases em
equilíbrio, o seguinte procedimento é usado:
a) Uma linha de amarração é construída através da região
bifásica na temperatura em que a liga se encontra;
b) São anotadas as interseções da linha de amarração com as
fronteiras entre as fases em ambas as extremidades da
linha de amarração;
c) A partir dessas interseções, são traçadas linhas
perpendiculares à linha de amarração, até o eixo horizontal
das composições, onde pode ser lida a composição de
cada uma das respectivas fases.
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DIAGRAMA DE FASES
Por exemplo, seja uma liga com 35%p Ni–65%p Cu a
1250ºC, logo se encontra na região α + L. Assim, o problema
consistem em se determinar a composição em %p Ni e Cu,
tanto na fase α quanto na fase líquida. Quando traçamos a
linha de amarração, a perpendicular traçada a partir da
interseção dela com a fronteira liquidus encontra o eixo das
composições em 31,5%p Ni – 68,5%p Cu, o que corresponde a
fase líquida, CL. De maneira semelhante vê-se que
encontramos para a fase composta pela solução sólida α, Cα,
de 42,5%p Ni – 57,5%p Cu.
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DIAGRAMA DE FASES
Determinação das quantidades das fases
Para a região monofásica, a liga é composta
integralmente por aquela fase, isto é, a fração da fase é de
100%. Por exemplo a liga 60%p Ni – 40%p Cu a 1100ºC,
somente a fase α está presente, portanto a liga é totalmente ou
100% α.
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DIAGRAMA DE FASES
Se a posição para a composição e temperatura estiver
localizada em uma região bifásica, a linha de amarração
deverá ser utilizada em conjunto com um procedimento
chamado de regra da alavanca:
a) A linha de amarração é construída através da região
bifásica na temperatura da liga;
b) A composição global da liga é localizada sobre a linha de
amarração;
c) A fração de uma fase é calculada tomando-se o
comprimento da linha de amarração desde a composição
global da liga até a fronteira entre fases para a outra fase, e
dividindo-se esse valor pelo comprimento total da linha de
amarração;
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DIAGRAMA DE FASES
d) A fração da outra fase é determinada de maneira análoga;
Considere o exemplo de uma liga com 35%p Ni – 65%p
Cu a 1250ºC. Uma linha de amarração foi construída para a
determinação das composições das fases α e L. Considere
que a composição global da liga está localizada ao longo da
linha de amarração e é identificada como Co, enquanto as
frações mássicas são representadas por WL e Wα,
respectivamente para as fases L e α.
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Diagrama de fases cobre-níquel onde as composições e as
quantidades das fases estão determinadas para o ponto B.
Callister, J. W. D., Ciência e engenharia de materiais: uma introdução, LTC, 7ª Ed, 2008
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DIAGRAMA DE FASES
A partir da regra da alavanca, o valor de WL pode ser
calculado de acordo com
S
WL =
R+S
ou pela subtração das composições,
Cα − Co
WL =
Cα − CL
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DIAGRAMA DE FASES
Para uma liga binária, a composição precisa ser
especificada em termos de apenas um dos constituintes; para
o cálculo anterior, a porcentagem em peso de níquel será
usada (Co = 35%p Ni, Cα = 42,5%p Ni e CL = 31,5%p Ni) e
42,5 − 35
WL =
= 0,68
42,5 − 31,5
De maneira semelhante Wα = 0,32