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Materiais e Reciclagem

5 Diagramas de Fases

Professor Sandro Donnini Mancini

Sorocaba, Maro de 2018.

Instituto de Cincia e Tecnologia de Sorocaba

Diagramas de Equilbrio so grficos que mostram as fases presentes em um material em equilbrio com o ambiente (tambm so chamados diagramas de fases).

Equilbrio de um sistema (p.ex., uma liga) ocorre quando a energia livre mnima para dadas composio, temperatura e presso. Quaisquer mudana acarreta busca da mnima energia livre possvel.

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S o estado de agregao (slido, lquido e gasoso) nem sempre suficiente para definir fases. No estado slido um elemento (ou um composto ou uma liga) pode existir em estruturas cristalinas diferentes, que acomodam melhor seus componentes de acordo com variaes de temperatura e/ou presso. Podem ser observadas em microscpios.

FASE

MICROESTRUTURA

Nmero e distribuio de fases, funo da composio e histria trmica do material. Determina propriedades finais.

Ao com 0,03% de carbono

Ferrita parte clara(Ferro CCC com carbono dissolvido)

(limite de solubilidade: 0,008% Tamb)

Perlita parte escuraferrita com lamelas de Fe3C

Duas fases (ferrita e perlita) coexistindo na temperatura ambiente.

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www.unedcervera.com

Diagramas Binrios

http://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/phase-diagrams/printall.php

Solubilidade total no estado slido, ou seja, h uma fase s no estado slido.Ocorre em pouqussimas ligas, como Cu-Ni e NiO-MgO

Solubilidade parcial no estado slidoDuas fases no estado slido.

Utilizados para o estudo de ligas, ilustram a temperatura em funo da composio da liga. Basicamente, h dois tipos de grficos:

Diagramas so construdos a partir de curvas T x t paracomposies fixas

Moffat, W.G., Pearsall, G.W. e Wulff,J. Cincia dos Materiais. v. 1 (Estrutura). Trad. Juarez V. Tvora. Ed. Livros Tcnicos e Cientficos. Rio de Janeiro, 1972.235p.

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Diagramas Binrios T x composio da liga

Linha liquidus representa a coexistncia da fase lquida, em equilbrio, com o slido.Linha solidus representa a coexistncia da fase slida, em equilbrio, com o lquido.

Liga: Cu - Ni

Tfuso Cu

Tfuso Ni

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P+F= C+1 * http://www.cienciadosmateriais.org/index.php?acao=exibir&cap=14&top=254

Diagramas Binrios T x composio da ligaFoi comprado 1kg de liga Cu-Ni com 40% em peso de Nquel. Logo, a liga tem 60% de Cu.

Qual a quantidade de fases presentes a 1400oC? E a 1260oC? E a 1100C?Quais so as fases presentes em cada uma dessas temperaturas?Qual a composio de cada fase presente em cada temperatura?Qual a quantidade relativa de cada fase presente em cada temperatura?

Liga: 60% Cu / 40% Ni

Tfuso Cu

Tfuso Ni

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Qual a quantidade de fases presentes em temperaturas diferentes?Quais so as fases presentes em cada temperatura?

Observao direta no diagrama.

Temperatura Nmero de Fases Fase(s) Presente(s)1400oC1260oC1100oC

2 (slido) + L1 L

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Liga: 60% Cu / 40% Ni

http://ww

w.joinville.udesc.br/por

tal/professores/daniela/materiai

s/Aula_5___D

iagrama_de_fases.

pdf

Qual a composio das fases em cada temperatura?

Temperatura Nmero de Fases Fase(s) Presente(s) Composio da(s) Fase(s)

1400oC1260oC

600oC

1 L 40% Ni e 60% Cu

1 40% Ni e 60% Cu

Em temperaturas comuma fase s:coincidente com acomposio da liga noponto.

Em temperaturas comduas fases: projeohorizontal nas linhasolidus e liquidus,para saber quanto afase slida e a lquidatem de cadacomponente,respectivamente.

2 46%Ni e 54% CuL 34%Ni e 66%Cu

Liga: 60% Cu / 40% Nihttp://www.joinville.udesc.br/portal/professores/daniela/materiais/Aula_5___Diagrama_de_fases.pdf

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Qual a quantidade relativa de cada fase em cada temperatura?O quanto tem de e lquido em cada temperatura?

Regies com uma fases: 100% da fase

Regies com duasfases: clculo porbalano de massa.

1400oC 100% de L600oC 100% de

Resolvendo o sistema:= 0,5 ou 50%L = 0,5 ou 50%

Liga: 60% Cu / 40% Nihttp://www.joinville.udesc.br/portal/professores/daniela/materiais/Aula_5___Diagrama_de_fases.pdf

ToC No. Fases Fase(s) Presente(s) Composio da(s) Fase(s)

1400oC1260oC

600oC

1 L 40% Ni e 60% Cu

1 40% Ni e 60% Cu

2 46%Ni e 54% CuL 34%Ni e 66%Cu

Em 1260oCEm termos de Cu:0,66L + 0,54 = 0,6Em termos de Ni:0,34L + 0,46 = 0,4

Uma liga genrica de composio X (em relao a um dos componentes) e que na temperatura T apresenta-se em duas fases e . Logo, X e X so as composies da liga, em termos de e na temperatura T. Um balano de massas genrico fornece:

Das equaes acima obtm-se:

M = X - X M = X - XM + M X - X M + M X - X

Inspeo visual da quantidade relativa de fasesRegra da Alavanca

Shackelford, J.F. Introduction

to Materials Science for

Engineers 3aEd. McMillan

Publishing Company. Nova

Iorque, 1992. 793p.

Considere uma alavanca com apoio na composio dada da liga. Para saber a quantidade relativa de uma fase , medir o comprimento do brao da alavanca contrrio a fase (ou seja, do apoio at o incio da fase ) pelo comprimento total da alavanca.

Em termos de A: X.M + X.M = XA . (M + M)Em termos de B: (1- X).M + (1- X).M = XB . (M + M)

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Qual a quantidade relativa de cada fase em 1260oC?Usar a Regra da Alavanca

% L = 46-40 = 0,5 ou 50%46-34

% = 40-34 = 0,5 ou 50%46-34

Liga: 60% Cu / 40% Nihttp://www.joinville.udesc.br/portal/professores/daniela/materiais/Aula_5___Diagrama_de_fases.pdf

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ToC No. Fases Fase(s) Presente(s) Composio da(s) Fase(s)

1400oC1260oC

600oC

1 L 40% Ni e 60% Cu

1 40% Ni e 60% Cu

2 46%Ni e 54% CuL 34%Ni e 66%Cu

Dada uma liga, que temperatura ambiente possui 50% em peso de um elemento A e 50% em peso do elemento B, determinar:a)o nmero de fases presentes.b)qual(is) a(s) fase(s) presente(s).c)qual(is) a composio de cada fase presente.d)qual a quantidade relativa de cada fase.

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T2

T3

1) Para a temperatura T1.2) Para a temperatura T2.3) Para a temperatura T3.

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DIAGRAMA FERRO-CARBONO

Para que o carbono (Grafite) formasse uma fase na soluo slida o resfriamento deve ser extremamente lento ou deve ser adicionado um terceiro elemento, como silcio. A fase formada ento um outro composto qumico, a cementita (Fe3C). O diagrama porm dado em T x % C

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DIAGRAMA FERRO-CARBONO

2 componentes, ferro e Fe3C

Fases formadas LquidoFe puroFe3Cmistura delas

Fases do Ferro puro: - ferrita (cbico de corpo centrado) - austenita (cbico de faces centradas)

Define-se:

Ao liga Fe-C com pelo menos 0,02% de C (~727 oC) e no mximo 2,11% de C (1.148o C) (limite de solubilidade do C na austenita)

Ferro Fundido liga com teor de carbono entre 2,11% e 6,7%

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DIAGRAMA FERRO-CARBONO

reas importantes:

Em torno das reaes euttica () e eutetide ()

Hipo composies com menos %C que a euttica ou eutetiteHiper - composies com mais %C que a euttica ou eutetite

Perlita: = estrutura visualizada em microscpio que apresenta camadas alternadas de ferro (branco-fundo) e Fe3C (preto-riscos).

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DIAGRAMAS Al-Si; Al-Mg

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DIAGRAMA Al-Cu

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DIAGRAMA Cu-Ni

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Soluo Slida completa em qualquer proporo

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DIAGRAMA Cu-Zn

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Composies de lates comerciais situam-se na regio de fase nica

DIAGRAMA Pb-Sn Shackelford, J.F. Introduction to Materials Science for Engineers 3aEd. McMillan Publishing Company. Nova Iorque, 1992. 793p.

Liga comum para soldas, principalmente de componentes eltricos e eletrnicos. Composio euttica adequada para componentes eletrnicos sensveis temperatura. Tendncia de desuso por conta do chumbo, ou seja, serem substitudas por soldas lead-free.

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DIAGRAMA Al2O3-SiO2(alumina-slica)

Shackelford, J.F. Introduction to Materials Science for Engineers

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Liga comum na indstria de refratrios (materiais resistentes temperatura).

Acima de 60% de Al2O3 a temperatura de servio aumenta muito: aplicadas em fornos siderrgicos.

DIAGRAMA MgO-Al2O3 ; CaO-ZrO2Shackelford, J.F. Introduction to Materials Science for Engineers

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Ligas importantes para refratrios

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DIAGRAMA NiO-MgO

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Liga aplicada como refratrio. Soluo slida completa em qualquer proporo.

DIAGRAMA Cu-Sn (bronze)Van Vlack, L.H. Princpios de Cincia dos Materiais. Trad. L.P.C.Ferro. Ed. Edgard Blucher. So Paulo, 1985. 470p.

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DIAGRAMA Fe-Cr

Van Vlack, L.H. Princpios de Cincia dos Materiais. Trad. L.P.C.Ferro. Ed. Edgard Blucher. So Paulo, 1985. 470p.

Base para o entendimento de aos inoxidveis: Fe-C-CrFe-C-Cr-Ni