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DIAGRAMAS DE FASE
Prof. Rubens Caram
R. Caram - 2
CONCEITOS GERAIS
DIAGRAMAS DE FASES: REPRESENTAÇÃO GRÁFICA DAS FASES PRESENTES EM UM SISTEMA MATERIAL DE ACORDO COM AS CONDIÇÕES DE PRESSÃO, TEMPERATURA E COMPOSIÇÃOFASE: EM TERMOS DE MICROESTRUTURA, FASE É UMA REGIÃO QUE DIFERE DE OUTRA EM RELAÇÃO À ESTRUTURA CRISTALINA E/OU COMPOSIÇÃOMAIORIA DOS DIAGRAMAS DE FASE É OBTIDA EM CONDIÇÕES DE EQUILÍBRIO
INFORMAÇÕES OBTIDAS DE DIAGRAMAS DE FASES:FASES PRESENTES EM DIFERENTES CONDIÇÕESSOLUBILIDADES SÓLIDAS DE UM COMPONENTE NO OUTROTRANSFORMAÇÕES DE FASEFORMAÇÃO DE NOVAS FASES DE UM SISTEMA
Equilíbrio Instável Equilíbrio
Metaestável
Equilíbrio Estável
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LIGAS METÁLICAS
CONCEITO DE SE ASSOCIAR PUREZA DE UM MATERIAL AO ÓTIMO DESEMPENHO DO MESMO NEM SEMPRE É CORRETO EM ENGENHARIAMAIORIA DOS PRODUTOS METÁLICOS É COMBINAÇÃO DE DOIS OU MAIS ELEMENTOS, COM O OBJETIVO DE APRIMORAR PROPRIEDADESTIPOS DE LIGAS EM FUNÇÃO DA MICROESTRUTURA:
LIGAS MONOFÁSICASEXISTE SOLUBILIDADE DO SOLUTO NO SOLVENTENÃO OCORRE A FORMAÇÃO DE PRECIPITADOS
LIGAS POLIFÁSICASSOLUBILIDADE DO SOLUTO NO SOLVENTE FOI ULTRAPASSADA, FORMANDO UM SEGUNDA FASE QUE PODE SER: SOLUÇÃO SÓLIDA OU COMPOSTO INTERMETÁLICO
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LIGAS METÁLICAS
LIGA MONOFÁSICA
LIGA POLIFÁSICA
Austenita
Nb2Al
Al3Nb
AlNbNi
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SUBSTÂNCIA PURA
Diagrama de Fases do CobreFASES:SÓLIDOLÍQUIDOVAPOR
NO PONTO TRIPLO:AS TRÊS FASES EM EQUILÍBRIO
NA LINHA DE SOLIDIFICAÇÃO:SÓLIDO E LÍQUIDO EM EQUILÍBRIO
NA LINHA DE VAPORIZAÇÃO:VAPOR E LÍQUIDO EM EQUILÍBRIO
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MAIS DE UM COMPONENTE
UM DIAGRAMA DE FASE É MUITO ÚTIL QUANDO SE ANALISA A INFLUÊNCIA DA COMPOSIÇÃO NA ESTABILIDADE DE FASESALÉM DA PRESSÃO E TEMPERATURA, A COMPOSIÇÃO É A OUTRA VARIÁVEL DO SISTEMAINTERPRETAR DIAGRAMAS DE FASES EM FUNÇÃO DAS TRÊS VARIÁVEIS EXIGE O EMPREGO DE FIGURAS TRIDIMENSIONAIS, O QUE TORNA TAL TAREFA COMPLEXASOLUÇÃO: REDUÇÃO DO NÚMERO DE VARIÁVEIS
EM METALURGIA, O ESTADO DE VAPOR É IMPORTANTE EM APENAS POUCAS OCASIÕESNA MAIORIA DOS PROCESSOS INDUSTRIAIS APENAS OS ESTADOS SÓLIDO E LÍQUIDO ESTÃO PRESENTESASSIM, MANTER A PRESSÃO CONSTANTE E IGUAL A 1 ATM É UMA ALTERNATIVA INTERESSANTE NA ANÁLISE DOS DIAGRAMAS DE FASE.
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TIPOS DE DIAGRAMAS DE FASES
Tem
pera
tura
Composição em % em peso ou em % atômica
fase 1
fase 2
fase 3
fase 4
VARIÁVEIS DE DIAGRAMAS DE FASES METÁLICOS: TEMPERATURA E COMPOSIÇÃO
DIAGRAMAS DE FASES COM MAIS DE UM COMPONENTE PODEM SER DE DOIS TIPOS, EM FUNÇÃO DA PRECIPITAÇÃO OU NÃO DE SEGUNDAS FASES
DIAGRAMA DE FASES ISOMORFOSAPENAS UMA FASE NO ESTADO SÓLIDO EXISTE
DIAGRAMA DE FASES ANISOMORFOSDUAS OU MAIS FASES SÓLIDAS SÃO OBSERVADAS
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SISTEMAS ISOMORFOS
COMPONENTES TÊM A MESMA ESTRUTURA CRISTALINARAIOS ATÔMICOS TEM VALORES PRÓXIMOSCOMPATIBILIDADE ELETROQUÍMICAEXEMPLO CÁSSICOS: SISTEMA Ni-Cu
OBS.: EM DIAGRAMAS DE FASES, AS FASES SÓLIDAS SÃO DESIGNADAS POR LETRAS GREGAS: α, β, χ, δ, ε, φ, γ.....
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EXEMPLO
R. Caram - 10
EXEMPLO
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EXEMPLO
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REGRA DA ALAVANCA
REGRA DA ALAVANCA PERMITE DETERMINAR A QUANTIDADE RELATIVA DE UMA FASE PARA UMA DADA CONDIÇÃO
ONDE:Co = CONCENTRAÇÃO DA LIGACα = CONCENTRAÇÃO DE B NA FASE αCβ = CONCENTRAÇÃO DE B NA FASE β%α = QUANTIDADE RELATIVA DA FASE α%β = QUANTIDADE RELATIVA DA FASE β
%100CCCC
% O ×−
−=α
αβ
β
%100CCCC% o ×
−−
=βαβ
α
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SISTEMAS ANISOMORFOS
CARACTERIZAM-SE POR FORMAR MAIS DE UMA FASE NO ESTADO SÓLIDOPRINCIPAIS SISTEMAS ANISOMORFOS:
SISTEMA EUTÉTICOLÍQUIDO FASE α + FASE βSISTEMAS SEMELHANTES AO EUTÉTICO
MONOTÉTICOLÍQUIDO LÍQUIDO + FASE αEUTETÓIDEFASE β FASE α + FASE γ
SISTEMA PERITÉTICOLÍQUIDO + FASE β FASE αSISTEMAS SEMELHANTES AO PERITÉTICO
PERITETÓIDEFASE α + FASE γ FASE β
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SISTEMA EUTÉTICO
REAÇÃO CARACTERÍSTICA:LÍQUIDO FASE α + FASE β
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SISTEMA EUTÉTICO
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SISTEMA EUTÉTICO
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SISTEMA EUTÉTICO
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SISTEMA EUTÉTICO
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SISTEMA EUTÉTICO
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SISTEMA EUTÉTICO
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LIGAS EUTÉTICAS
0 5 10 15 20 25Compressive Strain (%)
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
Com
pres
sive
Str
ess
(MPa
) NiAl-Mo (300 K)
NiAl (300 K)
NiAl-Mo (1273 K)
NiAl (1273 K)
NiAl Mo
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EXERCÍCIO
Determine as fases presentes e suas quantidades relativas em umaliga Pb-50%Sn (em peso) nas seguintes condições:
À temperatura ambienteA 200 oCA 300 oC
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SISTEMA EUTÉTICO
R. Caram - 24
SISTEMA Ag-Cu
R. Caram - 25
SISTEMA Ag-Cu
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SISTEMA EUTÉTICO
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SISTEMA EUTÉTICO
NaCl % em peso
Tem
pera
tura
(o C)
5 10 15 20 25 30
-30
-20
-10
0
Patamar eutético
Ponto eutético
23,3%
Líquido
Gelo + Sal
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SISTEMA MONOTÉTICO
REAÇÃO CARACTERÍSTICA:
LÍQUIDO LÍQUIDO + FASE α
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SISTEMA MONOTÉTICO
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SISTEMA MONOTÉTICO
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SISTEMA EUTETÓIDE
REAÇÃO CARACTERÍSTICA:FASE β FASE α + FASE γ
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SISTEMA EUTETÓIDE
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SISTEMA PERITÉTICO
REAÇÃO CARACTERÍSTICA:LÍQUIDO + FASE β FASE α
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SISTEMA PERITÉTICO
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SISTEMA PERITÉTICO
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SISTEMA PERITETÓIDE
REAÇÃO CARACTERÍSTICA:
FASE α + FASE γ FASE β
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SISTEMA PERITETÓIDE
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EXEMPLO
R. Caram - 39
EXEMPLO
R. Caram - 40
EXEMPLO
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EXEMPLO
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EXEMPLO
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EXEMPLO
R. Caram - 44
OBTENÇÃO DE DIAGRAMAS
OBTENÇÃO DE DIAGRAMAS DE FASE ENVOLVE TÉCNICAS SOFISTICADAS COMO A DIFRAÇÃO DE RAIOS-X, DILATOMETRIA E ANÁLISE TÉRMICAANÁLISE DE CURVAS DE RESFRIAMENTO PERMITE OBTER DIAGRAMAS POUCO COMPLEXOS
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REGRAS DAS FASES
PARTINDO DE CONSIDERAÇÕES TERMODINÂMICAS, J.W. GIBBS ESTABELECEU A REGRAS DAS FASES:
P+F=C+2P – NO DE FASES QUE COEXISTEM NO SISTEMA
P – NO DE COMPONENTES NO SISTEMA
F – GRAU DE LIBERDADE DO SISTEMA OU NO DE VARIÁVEIS (P, T, C) QUE PODEM SER ALTERADAS INDEPENDENTEMENTE SEM ALTERAR A ESTABILIDADE DO SISTEMA
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REGRAS DAS FASES
ANÁLISE DO DIAGRAMA PT DA ÁGUA PURAPONTO TRIPLO:P+F=C+2 P=3, C=1 F=0
NENHUMA VARIÁVEL PODE SER ALTERADAUM PONTO SOBRE A LINHA DE SOLIDIFICAÇÃO:P+F=C+2 P=2, C=1 F=1
1 VARIÁVEL PODE SER ALTERADASUM PONTO DENTRO DE UM CAMPO MONOFÁSICO:P+F=C+2 P=1, C=1 F=2
2 VARIÁVEIS PODEM SER ALTERADAS
R. Caram - 47
REGRAS DAS FASES
ANÁLISE DE DIAGRAMAS BINÁRIOS
SISTEMAS METÁLICOS DE INTERESSE SÃO ANALISADOS SOB PRESSÃO CONSTANTE
VARIÁVEIS: TEMPERATURA E PRESSÃO:
P+F=C+1
QUADRO DE POSSIBILIDADE
032
1 (T ou C DAS FASES)22
2 (T e C DAS FASES)12
F – GRAU DE LIBERDADE
P- FASESC – COMPONENTES
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REGRAS DAS FASES
NO CASO DE 2 FASES EM EQUILÍBRIO EM UM SISTEMA BINÁRIO, F=1
ESCOLHIDA UMA TEMPERATURA NA QUAL 2 FASES ESTEJAM EM EQUILÍBRIO, AS COMPOSIÇÕES DAS MESMAS ESTÃO UNIVOCAMENTE DETERMINADAS
MUDANÇA DA TEMPERATURA IMPLICA NA ALTERAÇÃO DE COMPOSIÇÃO DAS FASES
032
1 (T ou C DAS FASES)22
2 (T e C DAS FASES)12
F – GRAU DE LIBERDADE
P- FASESC – COMPONENTES
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REGRA DAS FASES
ANÁLISE DO SISTEMA Pb-Sn(BINÁRIO)
P+F=C+1
PONTO 1:
P=1, C=2 F=2
PODE-SE ESCOLHER T E C DA FASE
PONTO 2:
P=2, C=2 F=1
PODE-SE ESCOLHER T OU C DA FASE
PONTO 3:
P=3, C=2 F=0
NÃO É POSSÍVEL ESCOLHER T OU C
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LIGAS DE ALUMÍNIO
ENDURECIMENTO ATRAVÉS DE SOLUBILIZAÇÃO, PRECIPITAÇÃO E ENVELHECIMENTO
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LIGAS DE ALUMÍNIO
SÃO DIVIDIDAS EM SÉRIES, DE ACORDO COM O PRINCIPAL ELEMENTO DE LIGA:
6XXX – MAGNÉSIO E SILÍCIO
7XXX – ZINCO
8XXX – OUTROS ELEMENTOS
9XXX – LIGAS NÃO USUAIS
1XXX – ALUMÍNIO PURO
2XXX – COBRE
3XXX – MANGANÊS
4XXX – SILÍCIO
5XXX – MAGNÉSIO
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LIGAS DE ALUMÍNIO
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LIGAS DE ALUMÍNIO
7050
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LIGAS DE ALUMÍNIO
LIGA 6061
titânio
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LIGAS FERROSAS
-LIGAS Fe-C SÃO DIVIDIDAS EM DOIS GRANDES GRUPOS:
•AÇOS (ATÉ 2,11% DE C)
•FERROS FUNDIDOS (ACIMA DE 2,11% DE C)
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AÇOS CARBONO
Aço 1045 Aço 1070Aço 1020
Ferrita + perlita Perlita
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AÇOS LIGA – CLASSIFICAÇÃO SAE
Ni 1,80, Cr 0,50 ou 0,80, Mo 0,2543XX
Ni 1,55 ou 1,80, Mo 0,20 ou 0,2546XX
Ni 1,05, Cr 0,45, Mo 0,2047XX
Mo 0,2540XX
Cr 0,50 ou 0,95, Mo 0,12 ou 0,2041XX
Ni 3,50 Cr 1,5533XX
Ni 3,50, Mo 0,2548XX
Ni 1,25 Cr 0,6531XX
Ni 5,025XX
Ni 3,523XX
Mn 1,7513XX
12XX
11XX
10XXTipo de aço
Tipo de aço
Ni 1,00, Cr 0,80, Mo 0,2598XX
Ni 3,25, Cr 1,20, Mo 0,1293XX
Mn 0,85, Si 2,0092XX
Ni 0,55, Cr 0,50 ou 0,65, Mo 0,2087XX
Ni 0,55, Cr 0,50 ou 0,65, Mo 0,2086XX
Cr 0,80 ou 0,95, V 0,10 ou 0,15 min
61XX
Cr 0,80 a 1,0551XX
Cr 0,28 ou 0,4050XX
Aços ferramenta