Aula 02 Diagramas de Fases

8/19/2019 Aula 02 Diagramas de Fases

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Fonte: Prof. Rubens Caram Jr.


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2

• Quando combinamos dois elementos...qual estado de equilíbrio obtemos?

• Particularmente, se especificamos...--uma composição (e.g., %p Fe - %p C), e--uma temperatura (T)

então...Quantas fases obtemos?Qual a composição de cada fase?Quanto de cada fase obtemos?

Fase BFase A

Átomo de 1

Átomo de 2


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E F: Introdução

– Soluções – soluções sólidas, monofásico – Miisturas – mais que uma fase

• Limite de solubilidade:Concentração máx. na qual

ocorre uma soluçãomonofásica.

Pergunta: Qual o limite desolubilidade a 20°C ?

Resposta: 65 %p de açúcar.Se Co < 65 %p açúcar: xaropeSe Co > 65 %p açúcar: xarope + açúcar. 65

Diagrama de fases Sacarose/água

a ç ú

c a r

p u r o

T e m

p e r a t u r a ( ° C

)

0 20 40 60 80 100Co =Composição (%p açúcar)

L

(solução líquidai.e., xarope)

Limite de

solubilidadeL

(liquido)+

S

(açúcarsólido)20

40

60

80

100

á g

u a

p u r a

Adapted from Fig. 9.1,

Callister 7e.


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• Componentes:Os elementos ou compostos que estão presentes na mistura

(e.g., Al and Cu)

• Fases:As regiões de materiais fisicamente e quimicamente distintos(e.g., α e β).

Liga deAluminio-Cobre

C F

α (fase maisescura)

β (fasemais clara)

Adapted fromchapter-openingphotograph,Chapter 9,Callister 3e.


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5

E & C ( )• Mudando T pode-se mudar núm. de fases:

Adapted fromFig. 9.1,Callister 7e.

D (100°C,90)

2 fases

B (100°C,70)

1 fase

caminho A a B.

• Mudando Co pode-se mudar núm. de fases: caminho B a D.

A (20°C,70)2 fases

70 80 1006040200

T e m

p e r a t u r a (

° C )

Co =Composição (%p açúcar)

L

(solução líquidai.e., xarope)

20

100

40

60

80

0

L

(liquido)

+S

(sólido)

sistemaágua-açúcar


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E F

Estruturacristalinaeletronegat r (nm)

Ni CFC 1,9 0,1246

Cu CFC 1,8 0,1278

• Ambos possuem a mesma estrutura cristalina (CFC) e

possuem eletronegatividades e raios atômicos similares (regrade Hume – Rothery) sugerindo alta solubilidade.

Sistemas de soluções simples (e.g., solução Ni-Cu)

• Ni e Cu são totalmente miscíveis em todas as proporções.


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D • Indicam fases como uma função da T, Co, e P.• Para o curso:

-sistemas binários: apenas 2 componentes.

-variáveis independentes : T e Co (P = 1 atm é quase sempre usado).

• Diagramade fases

p/ sistemaCu-Ni

Adapted from Fig. 9.3(a), Callister 7e.(Fig. 9.3(a) is adapted from PhaseDiagrams of Binary Nickel Alloys, P. Nash(Ed.), ASM International, Materials Park,OH (1991).

• 2 fases:L (líquido)

α (solução sólida CFC)• 3 campos de fases:

LL + αα

%p Ni20 40 60 80 10001000

1100

1200

1300

14001500

1600T(°C)

L (liquido)

α

(solução

Sólida CFC)


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8

%p Ni20 40 60 80 10001000

1100

1200

1300

1400

1500

1600T(°C)

L (liquido)

α

(soluçãoSólida CFC)

Diagrama

de fasesCu-Ni

D F:

• Regra 1: Se sabemos T e Co, então sabemos:

--o número e os tipos de fases presentes.

• Exemplos:A(1100°C, 60):

1 fase: α

B(1250°C, 35):2 fases: L + α

Adapted from Fig. 9.3(a), Callister 7e.(Fig. 9.3(a) is adapted from PhaseDiagrams of Binary Nickel Alloys, P. Nash(Ed.), ASM International, Materials Park,OH, 1991).

B ( 1 2 5 0 ° C , 3

5 )

A(1100°C,60)


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9

%p Ni20

1200

1300

T(°C)

L (liquido)

α

(solido)

30 40 50

SistemaCu-Ni

D F:

• Regra 2: Se sabemos T e Co, então sabemos:

--a composição de cada fase.

• Exemplos: TA A

35Co

32CL

Em TA= 1320°C:

somente Liquido (L)

CL = Co ( = 35 %p Ni)

Em TB= 1250°C:Ambos α e L

CL = Cliquidus ( = 32 %p Ni)Cα = Csolidus ( = 43 %p Ni)

Em TD= 1190°C:somente sólido (α)Cα = Co ( = 35 %p Ni )

Co = 35 %p Ni

Adapted from Fig. 9.3(b), Callister 7e.(Fig. 9.3(b) is adapted from Phase Diagramsof Binary Nickel Alloys, P. Nash (Ed.), ASM

International, Materials Park, OH, 1991.)

BT

BDTD

amarração

4Cα3


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• Regra 3: Se sabemos T e Co, então sabemos:--a quantidade de cada fase (dada em %p).

• Exemplos:

TA: Somente líquido (L)

WL = 100 %p , Wα = 0

T D: Somente sólido ( α)WL = 0, Wα = 100 %p

Co = 35 %p Ni

Adapted from Fig. 9.3(b), Callister 7e.(Fig. 9.3(b) is adapted from Phase Diagrams ofBinary Nickel Alloys, P. Nash (Ed.), ASMInternational, Materials Park, OH, 1991.)

D :

%p Ni20

1200

1300

T(°C)

L (liquido)

α

(solido)

30 40 50

sistemaCu-Ni

TA A

35Co32CL

B

TB

DTD

amarração

4Cα3

R S

Em TB: Ambosα e L

p%733243

3543=

−

−=

= 27 %p

WL =S

R + S

Wα =R

R + S


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•

A

Quanto de cada fase?Pense numa alavanca (gangorra)

ML Mα

R S

R M S M L ⋅=⋅

α

L

L

LL

L

LC C

C C

S R

R W

C C

C C

S R

S

M M

M W

−

−=

+

=

−

−=

+

=

+

=

α

α

α

α

α

00

%p Ni

20

1200

1300

T(°C)L (liquido)

α(solid)

30 40 50

BTB

amarração

CoCL Cαααα

SR

Adapted from Fig. 9.3(b),Callister 7e.


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%p Ni20

1200

1300

30 40 501100

L (liquido)

α

(solido)

T(°C)

A

35

Co

L: 35%p Ni

sistemaCu-Ni

• Diagrama de fases:Sistema Cu-Ni.

• Sistema é:--binário

i.e., 2 componentes:Cu e Ni.

--isomorfo

i.e., completasolubilidade de umcomponente nooutro; fase α

extende-se de0 a 100 %p Ni.

Adapted from Fig. 9.4,Callister 7e.

• ConsidereCo = 35 %p Ni.

E: C

4635

4332

α: 43 %p Ni

L: 32 %p Ni

L: 24 %p Ni

α: 36 %p Ni

Bα: 46 %p NiL: 35 %p Ni

C

D

E

2436


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• Cα varia durante solidificação.• Caso Cu-Ni:

• Alta taxa de resfriamento:Gradiente de concentração

• Baixa taxa de resfriamento:Estrutura de equilíbrio

Primeiro α a solidificar tem Cα = 46 %p Ni.Último α a solidificar tem Cα = 35 %p Ni.

primeiro α a solidificar:

46 %p Ni

Uniforme Cα:

35 %p Niúltimo α a solidificar:< 35 %p Ni


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: C• Efeito do endurecimento por solução sólida:

--Resistência à Tração (LRT) --Ductilidade (%AL,%RA)

--Máximo função Co --Mínimofunção de Co

Adapted from Fig. 9.6(a), Callister 7e. Adapted from Fig. 9.6(b), Callister 7e. R e

s i s t ê n c i a à T r a ç ã o

( M P

a )

Composição, %p Ni

Cu Ni0 20 40 60 80 100

200

300

400

LRT p/Ni puro

LRT p/ Cu puro E l o n g a ç ã o ( % A L )

Composição, %p NiCu Ni0 20 40 60 80 10020

30

40

50

60

%AL p/Ni puro

%AL p/ Cu puro


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: Composição

Mín. de fusão TE

2 componentesTem uma composição com umaT de fusão mínima.


BE

• Transição eutética

L(CE) α(CαE) + β(CβE)

• 3 regiões monofásicas(L, α, β)

• Solubilidade limitada:

α: predomina Cuβ: predomina Ag• TE : s/ líquido abaixo TE• CE

Ex.: sistema Cu-Ag

sistemaCu-Ag

L (liquido)

α L + αL+β β

α + β

Co , %p Ag20 40 60 80 1000

200

1200

T(°C)

400

600

800

1000

CE

TE8.0 71.9 91.2

779°C


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16

L + αL+β

α + β

200

T(°C)

18.3

C, %p Sn20 60 80 1000

300

100

L (liquido)

α183°C

61.9 97.8

β

• p/ liga 40 %p Sn-60%p Pb a 150°C, encontra-se...--Fases presentes: sistema

Pb-Sn

E: E (1)

α + β--composição das fases:

CO = 40 %p Sn

--as quantidades

relativas de cada fase: 150

40Co

11Cα

99Cβ

SR

Cα = 11 %p SnCβ = 99 %p Sn

Wα=Cβ - COCβ - Cα

=99 - 40

99 - 11

= 59

88= 67%p

SR+S

=

Wβ =CO - CαCβ - Cα

=RR+S

=

29

88 = 33%p=

40 - 11

99 - 11



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• Co < 2%p Sn

• Resulta em:--nas extremidades do diagrama--policristais de grãos αi.e., uma única fase sólida.


E:

0

L+ α

200

T(°C)

Co, %p Sn10

2

20Co

300

100

L

α

30

α+β

400

(Limite de solubilidade T ambiente)

TE(SistemaPb-Sn)

αL

L: Co %p Sn

α: Co %p Sn


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• 2 %p Sn < Co < 18.3%p Sn

• Resulta em: Inicialmente líquido + α depois apenas α finalmente duas fases

policristal αPeq. inclusões de fase β


E:

sistemaPb-Sn

L + α

200

T(°C)

Co , wt% Sn10

18.3

200Co

300

100

L

α

30

α+ β

400

(limite sol.em TE)

TE

2Limite sol. TAmb.

Lα

L: Co %p Sn

αβ

α: Co %p Sn


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• Co = CE• Resulta em: Microestrutura eutética (estrutura lamelar)

--camadas alternadas (lamelas) de cristais α e β.


E:

Adapted from Fig. 9.14, Callister 7e.160µm

Micrografia de Pb-Snmicroestruturaeutética

sistemaPb-SnL + β

α + β

200

T(°C)

C, %p Sn

20 60 80 1000

300

100

L

αβ

L + α

183°C

40

TE

18.3

α: 18.3 %pSn

97.8

β: 97.8 %p Sn

CE61.9

L: Co %p Sn


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21

E E

Adapted from Figs. 9.14 & 9.15, Callister7e.


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22

• 18.3 %p Sn < Co < 61.9 %p Sn• Resulta em: cristais α e uma microestrutura eutética.

E:

18.3 61.9

SR

97.8

SR

primárioαeutético α

eutético β

WL = (1-Wα) = 50 %p

Cα = 18.3 %p Sn

CL = 61.9 %p SnS

R + SWα= = 50 %p

• Pouco acima TE :

• Pouco abaixo TE :C

α= 18.3 %p Sn

Cβ = 97.8 %p SnS

R + SWα= = 73 %p

Wβ = 27 %pAdapted from Fig. 9.16,Callister 7e.

sistema

Pb-SnL+β200

T(°C)

Co, %p Sn

20 60 80 1000

300

100

L

αβ

L+α

40

α+β

TE

L: Co %p Sn LαLα


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23

L+αL+β

α + β

200

Co, %p Sn20 60 80 1000

300

100

L

α βTE

40

(Sistema

Pb-Sn)

&

Adapted from Fig. 9.8,Callister 7e. (Fig. 9.8adapted from Binary Phase

Diagrams, 2nd ed., Vol. 3,T.B. Massalski (Editor-in-Chief), ASM International,Materials Park, OH, 1990.)

160 µm

micro-constituinte eutético


hipereutético: (apenas ilustração)

β

β

β

ββ

β

Adapted from Fig. 9.17,Callister 7e. (Illustrationonly)

(Figs. 9.14 and 9.17from MetalsHandbook, 9th ed.,Vol. 9,Metallography andMicrostructures,American Society forMetals, MaterialsPark, OH, 1985.)

175 µm

α

αα

α

α

α

hipoeutético: Co = 50 %p Sn

Adapted fromFig. 9.17, Callister 7e.

T(°C)

61.9Eutético

eutético: Co =61.9%p Sn


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SISTEMA COBRE-ZINCO


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E • E

α + βResfr.

Aquec.

intermetallic compound- cementite

coolheat

• Eutetóide – fase sólida na equação com duas fasessólidasS2 S1+S3

γ α + Fe3C (727ºC)

coolheat

• Peritético - liquido + solido 1 solido 2 (Fig 9.21)

S1

+ L S2

δ + L γ (1493ºC)


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D C

Adapted fromFig. 9.21, Callister 7e.

Transição eutetóide δ γ + ε

Transição peritética γ + L δ E


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- OBTENÇÃO DE DIAGRAMAS DE FASE ENVOLVE TÉCNICASSOFISTICADAS COMO A DIFRAÇÃO DE RAIOS-X, DILATOMETRIA EANÁLISE TÉRMICA

- ANÁLISE DE CURVAS DE RESFRIAMENTO PERMITE OBTERDIAGRAMAS POUCO COMPLEXOS

BE DE DAAA


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