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Materiais e Reciclagem

5 – Diagramas de Fases

Professor Sandro Donnini Mancini

Sorocaba, Março de 2018.

Instituto de Ciência e Tecnologia de Sorocaba

Diagramas de Equilíbrio são gráficos que mostram as fases presentes em um material em equilíbrio com o ambiente (também são chamados diagramas de fases).

Equilíbrio de um sistema (p.ex., uma liga) ocorre quando a energia livre é mínima para dadas composição, temperatura e pressão. Quaisquer mudança acarreta busca da mínima energia livre possível.

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Só o estado de agregação (sólido, líquido e gasoso) nem sempre é suficiente para definir fases. No estado sólido um elemento (ou um composto ou uma liga) pode existir em estruturas cristalinas diferentes, que acomodam melhor seus componentes de acordo com variações de temperatura e/ou pressão. Podem ser observadas em microscópios.

FASE

MICROESTRUTURA

Número e distribuição de fases, função da composição e história térmica do material. Determina propriedades finais.

Aço com 0,03% de carbono

Ferrita – parte clara(Ferro CCC com carbono dissolvido)

(limite de solubilidade: 0,008% à 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 Binários

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

Solubilidade total no estado sólido, ou seja, há uma fase só no estado sólido.Ocorre em pouquíssimas ligas, como Cu-Ni e NiO-MgO

Solubilidade parcial no estado sólidoDuas fases no estado sólido.

Utilizados para o estudo de ligas, ilustram a temperatura em função da composição da liga. Basicamente, há dois tipos de gráficos:

Diagramas são construídos a partir de curvas T x t paracomposições fixas

Moffat, W.G., Pearsall, G.W. e Wulff,J. – Ciência dos Materiais. v. 1 (Estrutura). Trad. Juarez V. Távora. Ed. Livros Técnicos e Científicos. Rio de Janeiro, 1972.235p.

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Diagramas Binários T x composição da liga

Linha liquidus representa a coexistência da fase líquida, em equilíbrio, com o sólido.Linha solidus representa a coexistência da fase sólida, em equilíbrio, com o líquido.

Liga: Cu - Ni

Tfusão Cu

Tfusão Ni

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

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

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

Liga: 60% Cu / 40% Ni

Tfusão Cu

Tfusão Ni

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

Observação direta no diagrama.

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

2 α (sólido) + L1 L

1 α

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 composição das fases em cada temperatura?

Temperatura Número de Fases Fase(s) Presente(s) Composição da(s) Fase(s)

1400oC1260oC

600oC

1 L 40% Ni e 60% Cu

1 α 40% Ni e 60% Cu

Em temperaturas comuma fase só:coincidente com acomposição da liga noponto.

Em temperaturas comduas fases: projeçãohorizontal nas linhasolidus e liquidus,para saber quanto afase sólida e a líquidatem de cadacomponente,respectivamente.

2 α 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 α e líquido em cada temperatura?

Regiões com uma fasesó: 100% da fase

Regiões com duasfases: cálculo porbalanço de massa.

1400oC – 100% de L600oC – 100% de α

Resolvendo o sistema:α= 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) Composição da(s) Fase(s)

1400oC1260oC

600oC

1 L 40% Ni e 60% Cu

1 α 40% Ni e 60% Cu

2 α 46%Ni e 54% CuL 34%Ni e 66%Cu

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

Uma liga genérica de composição X (em relação a um dos componentes) e que na temperatura T apresenta-se em duas fases α e β. Logo, Xα e Xβ são as composições da liga, em termos de α e β na temperatura T. Um balanço de massas genérico fornece:

Das equações acima obtém-se:

Mα = Xβ - X Mβ = X - Xα

Mα + Mβ Xβ - Xα Mα + Mβ Xβ - Xα

Inspeção 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 composição dada da liga. Para saber a quantidade relativa de uma fase α, medir o comprimento do braço da alavanca contrário a fase (ou seja, do apoio até o início da fase β) pelo comprimento total da alavanca.

Em termos de A: Xα.Mα + Xβ.Mβ = XA . (Mα + Mβ)Em termos de B: (1- Xα).Mα + (1- Xβ).Mβ = XB . (Mα + Mβ)

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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

% α = 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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Iorque, 1992. 793p.

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

1400oC1260oC

600oC

1 L 40% Ni e 60% Cu

1 α 40% Ni e 60% Cu

2 α 46%Ni e 54% CuL 34%Ni e 66%Cu

Dada uma liga, que à temperatura ambiente possui 50% em peso de um elemento A e 50% em peso do elemento B, determinar:a)o número de fases presentes.b)qual(is) a(s) fase(s) presente(s).c)qual(is) a composição 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 solução sólida o resfriamento deve ser extremamente lento ou deve ser adicionado um terceiro elemento, como silício. A fase formada então é um outro composto químico, a cementita (Fe3C). O diagrama porém é dado em T x % C

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DIAGRAMA FERRO-CARBONO

2 componentes, ferro e Fe3C

Fases formadas LíquidoFe puroFe3Cmistura delas

Fases do Ferro puro:α - ferrita (cúbico de corpo centrado)

γ - austenita (cúbico de faces centradas)

Define-se:

Aço – liga Fe-C com pelo menos 0,02% de C (~727 oC) e no máximo 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

Áreas importantes:

Em torno das reações eutética (•) e eutetóide (→)

Hipo – composições com menos %C que a eutética ou eutetóiteHiper - composições com mais %C que a eutética ou eutetóite

Perlita: = estrutura visualizada em microscópio que apresenta camadas alternadas de ferro α(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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Solução Sólida completa em qualquer proporção

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DIAGRAMA Cu-Zn

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Composições de latões comerciais situam-se na região de fase única α

DIAGRAMA Pb-Sn Shackelford, J.F. Introduction to Materials Science for Engineers –

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Liga comum para soldas, principalmente de componentes elétricos e eletrônicos. Composição eutética é adequada para componentes eletrônicos sensíveis à temperatura. Tendência de desuso por conta do chumbo, ou seja, serem substituídas por soldas “lead-free”.

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DIAGRAMA Al2O3-SiO2(alumina-sílica)

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Liga comum na indústria de refratários (materiais resistentes à temperatura).

Acima de 60% de Al2O3 a temperatura de serviço aumenta muito: aplicadas em fornos siderúrgicos.

DIAGRAMA MgO-Al2O3 ; CaO-ZrO2

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Ligas importantes para refratários

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DIAGRAMA NiO-MgO

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Liga aplicada como refratário. Solução sólida completa em qualquer proporção.

DIAGRAMA Cu-Sn (bronze)Van Vlack, L.H. Princípios de Ciência dos Materiais. Trad. L.P.C.Ferrão. Ed. Edgard Blucher. São Paulo, 1985. 470p.

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DIAGRAMA Fe-Cr

Van Vlack, L.H. Princípios de Ciência dos Materiais. Trad. L.P.C.Ferrão. Ed. Edgard Blucher. São Paulo, 1985. 470p.

Base para o entendimento de aços inoxidáveis: Fe-C-CrFe-C-Cr-Ni