CIÊNCIA E ENG MATERIAIS
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DIAGRAMA DE FASES
A compreensão dos diagramas de fases para
sistemas de ligas é extremamente importante, pois
existe uma forte correlação entre a microestrutura e
as propriedades mecânicas, e o desenvolvimento da
microestrutura de uma liga está relacionado às
características do seu diagrama de fases.
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DIAGRAMA DE FASES
Definições e conceitos básicos
O termo componente é definido como metais puros e/ou
os compostos que compõem uma liga. Por exemplo, em um
latão (cobre-zinco), os componentes são Cu e Zn.
Solvente representa o elemento ou composto que está
presente em maior quantidade. Soluto é usado para indicar um
elemento ou composto que está presente em menor
concentração.
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DIAGRAMA DE FASES
Sistema possui dois significados. Em primeiro
lugar, sistema pode se referir a um corpo específico do material
que está sendo considerado (Ex.: um cadinho com aço
fundido). Sistema também pode estar relacionado à série de
ligas possíveis que são compostas pelos mesmos
componentes, porém de maneira independente à composição
da liga (Ex.: sistema ferro-carbono).
Solução sólida consiste em átomos de pelo menos dois
tipos diferentes.
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DIAGRAMA DE FASES
Limite de solubilidade é a concentração máxima de
átomos de soluto que pode se dissolver no solvente para
formar uma solução sólida.
A adição de soluto em excesso a esse limite de
solubilidade resulta na formação de outra solução sólida ou
composto que possui uma composição marcadamente
diferente.
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DIAGRAMA DE FASES
Considere o sistema açúcar-água. Inicialmente,
conforme o açúcar é adicionado à água, uma solução ou
xarope açúcar-água se forma. Na medida em que mais açúcar
é introduzido, a solução se torna mais concentrada até atingir o
limite de solubilidade, quando então a solução fica saturada
com açúcar.
Neste momento, a solução não é mais capaz de
dissolver qualquer quantidade adicional de açúcar e as adições
subsequentes simplesmente sedimentam no fundo do
recipiente.
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DIAGRAMA DE FASES
Dessa forma, o sistema consiste agora em duas
substâncias separadas: uma solução líquida de xarope açúcarágua e cristais sólidos de açúcar que não foram dissolvidos.
Esse limite de solubilidade do açúcar na água depende
da temperatura da água e pode ser representado na forma de
um gráfico, com a temperatura na ordenada e a composição
(em porcentagem em peso de açúcar) na abscissa.
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Solubilidade do açúcar (C12H22O11) em um xarope açúcar-água
Callister, J. W. D., Ciência e engenharia de materiais: uma introdução, LTC, 7ª Ed, 2008
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DIAGRAMA DE FASES
Ao longo do eixo da composição, o aumento na
concentração de açúcar ocorre da esquerda para a direita,
enquanto a porcentagem de água é lida da direita para a
esquerda.
Para composições e temperaturas à esquerda da linha
de solubilidade, existe apenas a solução líquida de xarope; à
direita da linha, coexistem o xarope e o açúcar sólido.
A 20ºC, a solubilidade do açúcar na água é de 65% p. O
limite de solubilidade aumenta ligeiramente com o aumento da
temperatura.
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DIAGRAMA DE FASES
Uma fase pode ser definida como uma porção
homogênea de um sistema que possui características físicas e
químicas uniformes.
Todo material puro é considerado como uma fase, da
mesma forma que também o são todas as soluções sólidas,
líquidas e gasosas.
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DIAGRAMA DE FASES
A solução de xarope açúcar-água exemplificada é uma
fase e o açúcar sólido constitui uma outra fase.
Cada uma possui propriedade físicas diferentes (uma é
um líquido, enquanto a outra é um sólido), além disso, cada
uma é quimicamente diferente, uma é virtualmente açúcar
puro, e a outra, uma solução de água e açúcar.
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DIAGRAMA DE FASES
Se mais de uma fase estiver presente em um dado
sistema, cada uma irá possuir as suas próprias propriedades
individuais e irá existir um contorno separando as fases através
do qual haverá uma mudança descontínua e abrupta nas
características físicas e/ou químicas.
Quando duas fases estão presentes em um sistema,
não é necessário que existam diferenças tanto nas
propriedades físicas quanto nas propriedades químicas, basta
em uma delas.
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DIAGRAMA DE FASES
Quando água e gelo estão presentes em um recipiente,
existem duas fases separadas; elas são fisicamente diferentes
(uma é um sólido, enquanto a outra é um líquido), porém
ambas são idênticas em sua composição química.
Quando uma substância pode existir em duas ou mais
formas polimórficas (possuindo tanto estrutura CFC quanto
CCC), cada uma dessas estruturas é uma fase separada, pois
as suas respectivas características físicas são diferentes.
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DIAGRAMA DE FASES
Um sistema que possui uma única fase, ou monofásico,
é denominado homogêneo. Os sistemas compostos por duas
ou mais fases são denominados misturas ou sistemas
heterogêneos. A maioria das ligas metálicas e, dentro desse
contexto, os sistemas cerâmicos, poliméricos e compósitos, é
heterogênea.
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DIAGRAMA DE FASES
Microestrutura
As propriedades físicas e, em particular, o
comportamento mecânico de um material, dependem da
microestrutura. A microestrutura está sujeita a uma observação
direta através de um microscópio, com a utilização de
microscópios ópticos ou eletrônicos.
Nas ligas metálicas, a microestrutura é caracterizada
pelo número de fases presentes, pelas suas proporções e pela
maneira pela qual elas estão distribuídas ou arranjadas.
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DIAGRAMA DE FASES
A microestrutura de uma liga depende de tais variáveis,
tais como os elementos de ligas presentes, as suas
concentrações, e o tratamento térmico da liga (i.e., a
temperatura, o tempo de aquecimento àquela temperatura e a
taxa de resfriamento até a temperatura ambiente).
Em uma amostra, após um polimento e um ataque
químico apropriados, as diferentes fases podem ser
distinguidas pelas suas aparências.
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DIAGRAMA DE FASES
Para um sólido cristalino, quando o arranjo periódico e
repetido dos átomos é perfeito ou se estende ao longo da
totalidade da amostra, sem interrupções, o resultado é um
monocristal.
Todas as células unitárias se interligam da mesma
maneira e possuem a mesma orientação.
Os monocristais existem na natureza, mas eles também
podem ser produzidos artificialmente.
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DIAGRAMA DE FASES
Se for permitido que as extremidades de um monocristal
cresçam sem qualquer restrição externa, o cristal irá assumir
uma forma geométrica regular, com faces planas, como
acontece com algumas pedras preciosas; a forma é um
indicativo da estrutura cristalina.
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Fotografia de um monocristal
Callister, J. W. D., Ciência e engenharia de materiais: uma introdução, LTC, 7ª Ed, 2008
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DIAGRAMA DE FASES
Nos últimos anos, os monocristais se tornaram
extremamente importantes em muitas das nossas tecnologias
modernas, em particular os microcircuitos eletrônicos, que
empregam monocristais de silício, e outros semicondutores.
A maioria dos sólidos cristalinos é composta por um
conjunto de muitos cristais pequenos ou grãos, tais materiais
são chamados de policristalinos.
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Diagramas esquemáticos dos vários estágios durante a
solidificação de uma material policristalino
Pequenos núcleos de cristalização
Callister, J. W. D., Ciência e engenharia de materiais: uma introdução, LTC, 7ª Ed, 2008
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Diagramas esquemáticos dos vários estágios durante a
solidificação de uma material policristalino
Crescimento dos núcleos
Callister, J. W. D., Ciência e engenharia de materiais: uma introdução, LTC, 7ª Ed, 2008
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Diagramas esquemáticos dos vários estágios durante a
solidificação de uma material policristalino
Formação de grãos com formas irregulares após a solidificação
Callister, J. W. D., Ciência e engenharia de materiais: uma introdução, LTC, 7ª Ed, 2008
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Diagramas esquemáticos dos vários estágios durante a
solidificação de uma material policristalino
Estrutura granular como ela apareceria em um microscópio
Callister, J. W. D., Ciência e engenharia de materiais: uma introdução, LTC, 7ª Ed, 2008
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DIAGRAMA DE FASES
Inicialmente pequenos cristais ou núcleos se formam em
várias posições. Esses cristais possuem orientações
cristalográficas aleatórias, como indicam os retículos
quadriculados.
Os pequenos grãos crescem pela adição sucessiva de
átomos à sua estrutura, oriundos do líquido circunvizinho.
Na medida que o processo de solidificação se aproxima
do seu fim, as extremidades de grãos adjacentes interferem
umas contra as outras.
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DIAGRAMA DE FASES
A orientação cristalográfica varia de grão para grão.
Além disso, existe algum desalinhamento dos átomos na
região onde dois grãos se encontram; essa área é chamada de
contorno de grão.
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DIAGRAMA DE FASES
Equilíbrio de fases
Equilíbrio é um conceito essencial que é mais bem
descrito em termos de uma grandeza termodinâmica chamada
de energia livre.
A energia livre á função da energia interna de um
sistema e também da aleatoriedade ou da desordem dos
átomos ou moléculas (entropia)
Um sistema está em equilíbrio se a sua energia livre é
mínima para uma combinação específica de temperatura,
pressão e composição.
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DIAGRAMA DE FASES
Equilíbrio de fases
Em um sentido macroscópico, equilíbrio significa que as
características do sistema não mudam ao longo do tempo, mas
se mantém indefinidamente, isto é, o sistema é estável.
Uma alteração na temperatura, na pressão e/ou na
composição de um sistema em equilíbrio irá resultar em um
aumento na energia livre e em uma possível mudança
espontânea para um outro estado onde a energia livre seja
reduzida.
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DIAGRAMA DE FASES
A expressão equilíbrio de fases, se refere ao equilíbrio
na medida em que ele se aplica a sistemas onde pode existir
mais que uma única fase. O equilíbrio de fases se reflete em
uma constância nas características das fases de um sistema
ao longo do tempo.
Seja um xarope açúcar-água que esteja contido em um
vaso fechado e que a solução esteja em contato com açúcar
no estado sólido a 20ºC.
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DIAGRAMA DE FASES
Se o sistema estiver em equilíbrio, a composição do
xarope será de 65%p e as composições e as quantidades do
xarope e do açúcar sólido irão permanecer constantes ao longo
do tempo.
Se a temperatura do sistema for aumentada
repentinamente, por exemplo para 100ºC, esse equilíbrio será
temporariamente perturbado, no sentido de que o limite de
solubilidade foi aumentado para 80%p. Dessa forma, uma parte
do açúcar sólido irá entrar em solução no xarope. Esse fenômeno
prosseguirá até que nova concentração de equilíbrio do xarope
seja restabelecida na temperatura mais elevada.
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Ocorre frequentemente, especialmente nos sistemas
sólidos, que um estado de equilíbrio nunca é completamente
atingido, pois a taxa pela qual o sistema se aproxima do
equilíbrio é extremamente baixa; um sistema desse tipo é dito
como estando em uma estado de não-equilíbrio ou
metaestável.
Um estado ou microestrutura metaestável pode persistir
indefinidamente,
experimentando
apenas
mudanças
extremamente pequenas e praticamente imperceptíveis com o
passar do tempo.
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Com frequência, estruturas metaestáveis possuem um
significado mais prático do que as estruturas em equilíbrio.
Por exemplo, a resistência de algumas ligas de aço e de
alumínio depende do desenvolvimento de microestruturas
metaestáveis durante tratamentos térmicos cuidadosamente
projetados.