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Desconstruindo a Matéria
Aula 9:
Diagramas de Fase
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Mecanismos de endurecimento:
1: Redução do tamanho de grão- Processos térmicos (ex: Têmpera/Revenido)
2: Formação de Soluções Sólidas (Ligas)
3: Endurecimento por Precipitação
4: Encruamento ou Trabalho a Frio- Ex: Laminação, trefilação
Diagrama de Fase unitário– Elemento simples (H2O)
Equilibrio de Fase: Limite de Solubilidade
Ex: Qual o limite de Solubilidade
do açúcar na água a 20°C,
na pressão 1ATM?
R: 65% Açúcar.A 20°C, se C < 65 (peso)% Açúcar:
Solução – água + açúcar
A 20°C, se C > 65 (peso)% Açúcar:Solução líquida + açúcar precipitado
65
• Limite de Solubilidade:Concentração máxima
permitida para uma fase.
Diagrama de Fase Açúcar/água
Açú
car
Tem
pera
tura
(°C
)
0 20 40 60 80 100C = Composição (% Açúcar)
L(Solução líquida,
Água e açúcar)
Limite de
Solubilidade L(liquido)
+ S
(solido, Açúcar)20
40
60
80
100
Ág
ua
• Solução – Solução sólida, liquida ou gás, única fase.
• Mistura – Mais de uma fase
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Critério de Solubilidade Sólida Limitada
EstruturaCristalina
Eletro-negatividade r (nm)
Ni FCC 1.9 0.1246
Cu FCC 1.8 0.1278
• Ambos elementos possuem a mesma estrutura cristalina
(FCC) e valores similares de eletronegatividade e raio atômico
(Regra W. Hume – Rothery).
Sistema binário (Ex: solução Ni-Cu)
• Ni e Cu são totalmente solúveis em qualquer proporção.
Solubilidade entre dois elementos (Ligas)• Quando combinamos dois elementos...
qual o estado de equilibrio resultante?
• Se temos:
-- A composição C (% Cu - % Ni)
-- A temperatura T
Quantas fases vão se formar ?
Qual a composição de cada fase?
E a quantidade de cada fase ?
Diagramas de Fase binário
Fase BFase A
Atomo de NiquelÁtomo de Cobre
• Componentes:O element ou composto químico presente na liga
(Ex: Al e Cu)
• Fases:Regiões distintas de materiais (física e quimicamente) que se
formam (Ex: fase a e b).
Liga de
Cobre e Alumínio
Componentes de Fases
a (Fase escura)
b (Fase clara)
Diagrama de Fase – Sistema binário
• Diagrama de fase em função de Temperatura, Composição
e Pressão (normalmente 1atm).
Diagrama de Fase
Cu-Ni
• 2 Fases:
L (liquido)
a (FCC solução sólida)
% Ni20 40 60 80 10001000
1100
1200
1300
1400
1500
1600T(°C)
L (liquido)
a(FCC Solução sólida)
wt% Ni
20
1200
1300
T(°C)
L (liquid)
a
(solid)
30 40 50
Cu-Ni
Determinando a composição de fases:
• ConhecendoT e C0, determine a composição de fases:
• Exemplo:TA
A
35C0
32CL
TA = 1320°C:
Somente fase Liquida (L) CL = C0 ( = 35 % Ni)
TB = 1250°C:
a e L presentes
CL = C liquidus ( = 32 wt% Ni)
Ca = Csolidus ( = 43 wt% Ni)
TD = 1190°C:
Somente fase Solida (a)
Ca = C0 ( = 35 % Ni)
C0 = 35 wt% Ni
DTD
tie line
4Ca
3
BTB
wt% Ni20
1200
1300
30 40 50110 0
L (liquid)
a
(solid)
T(ºC)
A
35C0
L: 35wt%Ni
Cu-Ni
system• Mudanças na
microestrutura
acompanhando o
resfriamento da ligaC0 = 35 % Ni alloy
Ex: Resfriamento da liga Cu-Ni
4635
4332
a: 43 wt% Ni
L: 32 wt% Ni
Ba: 46 wt% NiL: 35 wt% Ni
C
EL: 24 wt% Ni
a: 36 wt% Ni
24 36D
• A linha isotermica conecta as fases emequilibrio:
A regra da alavanca
A fração de cada fase pode ser
estimada pela regra da alavanca
Obs: braço de alavanca oposto
ML Ma
R S
Ma x S = ML x R
L
L
LL
LL
CC
CC
SR
RW
CC
CC
SR
S
MM
MW
-
-=
+=
-
-=
+=
+=
a
a
a
a
a
00
% Ni
20
1200
1300
T(ºC)
L (liquido)
a
(solido)
30 40 50
BTB
isotermica
C0CL Ca
SR
• Conhecendo T e C0, podemos determiner a fração
de cada fase:
• Examplo:
TA : Somente Liquido (L)
WL = 1.00, Wa = 0
TD : Somente Solido ( ) a
WL = 0, Wa = 1.00
Determinação de phase – frações de peso
% Ni
20
1200
1300
T(°C)
L (liquid)
a
(solid)
30 40 50
Cu-Ni
TAA
35C0
32CL
BTB
DTD
isotermica
4Ca
3
R S
TB : Solido a e liquido L
73.03243
3543=
-
-=
= 0.27
WL= S
R +S
Wa= R
R +S
Considere C0 = 35 % Ni
2 componentes
Sistemas Binarios-Eutéticos
• 3 fases (L, a, b)
• Solubilidade Limitada:
a: Predominante Cu
b: Predominante Ag
• TE : Limite fase liquida
: Composição a
temperatura TE
• CE
Ex.: Cu-AgCu-Ag
L (liquid)
a L + aL+b b
a + b
C, wt% Ag20 40 60 80 1000
200
1200T(ºC)
400
600
800
1000
CE
TE 8.0 71.9 91.2779°C
Ag) % 1.29( Ag) % .08( Ag) %9.71( ba +L
resfriamento
aquecimento
• Reação Eutética
L(CE) a(CaE) + b(CbE)
R: Ca = 17% Sn
b) Composição das fases:
L+b
a + b
200
T(ºC)
C, % Sn
20 60 80 1000
300
100
L (liquid)
a b
L+a
183°C
• Para liga de 40% Sn- 60% Pb a 220ºC, determine:
a) Tipos de fases:Pb-Sn
EX: Pb-Sn Eutético
c) A proporção relativa de
cada fase:
Wa =CL - C0
CL - Ca
=46 - 40
46 - 17
=6
29= 0.21
WL =C0 - Ca
CL - Ca
=23
29= 0.79
40C0
46CL
17Ca
220SR
R: a + L
CL = 46% Sn
R:
aL
• Para ligas C0 = CE
• Microestrutura Eutetica (lamelar)
Camadas (lamellae) intercaladas de fases a e b .
Microestrutura Eutética
160m
Micrografia do Pb-Sn
Microestrutura eutéticaPb-Sn
L+b
a + b
200
T(ºC)
C, % Sn
20 60 80 1000
300
100
L
a b
L+a
183°C
40
TE
18.3
a: 18.3 %Sn
97.8
b: 97.8 % Sn
CE
61.9
L: C0 wt% Sn
L+aL+b
a + b
200
C, % Sn20 60 80 1000
300
100
L
a bTE
40
(Pb-Sn)
Hypoeutética & Hypereutética
160 m
eutetica (micro-constituinte)
hypereutetica
b
bb
bb
b
175 m
a
a
a
aa
a
hypoeutética
T(°C)
61.9
eutetica
eutectic: C0 =61.9% Sn
Diagrama Ferro-Carbono (Fe-C)
• 2 pontos importantes:
- Eutetoide (B):g a +Fe3C
- Eutetico (A):L g +Fe3C
Fe
3C
(ce
me
ntita
)
1600
1400
1200
1000
800
600
4000 1 2 3 4 5 6 6.7
L
g
(austenita)
g+L
g+Fe3C
a+Fe3C
d
(Fe) C, % C
1148°C
T(ºC)
a 727°C = T eutetoide
4.30
Perlita = Estrutura lamelar dea + Fe3C
120 m0.76
B
g g
gg
AL+Fe3C
Fe3C (cementita-frágil/dura)
a (ferrita-dutil)
Fe
3C
(ce
me
ntita
)
1600
1400
1200
1000
800
600
4000 1 2 3 4 5 6 6.7
L
g
(austenita)
g+L
g + Fe3C
a+ Fe3C
L+Fe3C
d
(Fe) C, % C
1148°C
T(ºC)
a727°C
(Fe-C)
C0
0.7
6
Aço Hypoeutetoide
ferritaperlia
100 mAço hypoeutetoide
a
perlita
g
g g
ga
aa
ggg g
g g
gg
19
Hypereutectoid Steel
Fe
3C
(ce
me
ntita
)
1600
1400
1200
1000
800
600
4000 1 2 3 4 5 6 6.7
L
g
(austenita)
g+L
g +Fe3C
a +Fe3C
L+Fe3C
d
(Fe) C, %C
1148°C
T(ºC)
a
(Fe-C)
0.7
6 C0
Fe3C
gg
g g
ggg g
ggg g
Fe3C
60 m
Aço Hypereutetoide
perlita
perlita
20
Exercício
Para o aço 99.6% Fe-0.40% C, a temperatura de 790º C, determine:
a) A composição da Cementita Fe3C e ferrita (a).
b) A quantidade de Cementita (em gramas) formada em 100g de aço.
Solução:
WFe3C =R
R + S=
C0 -Ca
CFe3C -Ca
= 0.40 - 0.022
6.70 - 0.022 = 0.057
b) Utilizando a regra da
alavanca:
a) Traçando a isotérmica em 790ºC:
Ca = 0.022 % C
CFe3C = 6.70 % C
Fe
3C
(ce
me
ntita
)
1600
1400
1200
1000
800
600
4000 1 2 3 4 5 6 6.7
L
g (austenita)
g+L
g + Fe3C
a + Fe3C
L+Fe3C
d
C, % C
1148°C
T(ºC)
727°C
C0
R S
CFe C3Ca
A quantidade de Fe3C em 100g
= (100 g)WFe3C
= (100 g)(0.057) = 5.7 g
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