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CIÊNCIA E ENG MATERIAIS

DIAGRAMA DE FASESDesenvolvimento da microestrutura em ligas isomorfas

durante a solidificação, considerando que o resfriamento ocorrem muito lentamente e onde o equilíbrio entre as fases é continuamente mantido.

Considerando o sistema cobre-níquel, especificamente uma liga com composição de 35%p Ni – 65%p Cu, resfriada a partir de 1300ºC.

O resfriamento de uma liga com essa composição corresponde a um movimento para baixo ao longo da linha tracejada vertical.

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Representação esquemática do desenvolvimento da microestrutura durante a solidificação em condições de equilíbrio

Callister, J. W. D., Ciência e engenharia de materiais: uma introdução, LTC, 7ª Ed, 2008

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DIAGRAMA DE FASESA 1300ºC, no ponto a, a liga está totalmente líquida e

possui a microestrutura que está representada no detalhe circular da figura.

Conforme o resfriamento começa, nenhuma alteração microestrutural ou de composição irá ocorrer até que seja atingida a linha liquidus (ponto b, ~1260ºC).

Nesse ponto, o primeiro sólido começa a se formar, tendo a composição especificada pela linha de amarração traçada nessa temperatura (46%p Ni – 54%p Cu, representada como (46Ni).

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DIAGRAMA DE FASESA composição do líquido ainda é de aproximadamente

35%p Ni – 65%p Cu [L(35 Ni)], a qual é diferente daquela do sólido .

Com o prosseguimento do resfriamento, tanto as composições quanto as quantidades relativas de cada uma das fases irá mudar.

As composições das fases líquida e seguirão as linhas liquidus e solidus, respectivamente.

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DIAGRAMA DE FASESA fração da fase irá aumentar com o prosseguimento do

resfriamento.

Deve-se observar que a composição global da liga (35%p Ni – 65%p Cu) permanece inalterada durante o resfriamento, apesar de haver uma redistribuição do cobre e do níquel entre as fases.

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DIAGRAMA DE FASESA 1250ºC, no ponto c, as composições das fases líquida

e são de 32%p Ni – 68%p Cu [L(32 Ni)] e 43%p Ni – 57%p Cu [(43 Ni)], respectivamente.

O processo de solidificação está virtualmente concluído a aproximadamente 1220ºC, ponto d; a composição do sólido é de aproximadamente 35%p Ni – 65%p Cu (composição global da liga), enquanto a composição do último líquido remanescente é de 24%p Ni – 76%p Cu.

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DIAGRAMA DE FASESAo cruzar a linha solidus, esse líquido remanescente se

solidifica; o ponto final é então uma solução sólida policristalina da fase , com uma composição uniforme 35%p Ni – 65%p Cu (ponto e).

O resfriamento subsequente não irá produzir qualquer alteração microestrutural ou de composição.

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DIAGRAMA DE FASESPropriedades mecânicas de ligas isomorfas

As propriedades mecânicas das ligas isomorfas sólidas são afetadas pela composição enquanto as demais variáveis estruturais (como o tamanho do grão, por exemplo) são mantidas constante.

Para todas as temperaturas e composições abaixo da temperatura de fusão do componente com ponto de fusão mais baixo irá existir apenas uma única fase sólida.

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DIAGRAMA DE FASESCada componente apresentará um aumento de

resistência por formação de solução sólida ou um aumento na resistência e na dureza pelas adições do outro componente.

Em uma dada composição intermediária, a curva passa necessariamente por um valor máximo.

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Limite de resistência à tração em função da composição para o sistema cobre-níquel à temperatura ambiente.


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DIAGRAMA DE FASES

O comportamento ductilidade (%AL)-composição é simplesmente o oposto ao exibido pelo limite de resistência à tração.

A ductilidade diminui com as adições do segundo componente e a curva exibe um mínimo.

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Ductilidade (%AL) em função da composição para o sistema cobre-níquel em função da composição.


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DIAGRAMA DE FASESSistema Eutéticos Binários

Um outro tipo comum e relativamente simples de diagrama de fases para as ligas binárias é o sistema cobre-prata.

Neste diagrama são encontradas três regiões monofásicas: e líquido.

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Diagrama de fases cobre-prata


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DIAGRAMA DE FASESA fase é uma solução sólida rica em cobre; ela possui a

prata como o componente soluto e uma estrutura cristalina CFC.

A solução sólida que compõe a fase também possui uma estrutura CFC, mas nela o cobre é o soluto.

O cobre e a prata puros são também considerados como as fases e , respectivamente.

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DIAGRAMA DE FASESA solubilidade em cada uma dessas fases sólidas é

limitada, no sentido de que, em qualquer temperatura abaixo da linha BEG, apenas uma concentração limitada de prata irá se dissolver no cobre (para a fase ) e de maneira semelhante para o cobre na prata (para a fase ).

O limite de solubilidade para a fase corresponde à linha fronteiriça identificada por CBA, entre as regiões das fases /( + ) e /( + L).

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DIAGRAMA DE FASESO limite de solubilidade aumenta com o aumento da

temperatura até um valor máximo (8,0%p Ag a 779ºC), no ponto B, e diminui novamente para zero na temperatura de fusão do cobre puro, ponto A (1085º C).

Em temperaturas abaixo de 779ºC, a curva para o limite de solubilidade do sólido que separa as regiões das fases e + é denominada linha solvus, a fronteira AB entre os campos e + L é a linha solidus.

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DIAGRAMA DE FASESPara a fase , as linhas solvus e solidus também existem

e são as linhas HG e GF, respectivamente.

A solubilidade máxima do cobre na fase , ponto G (8,8%p Cu), também ocorre a 779ºC.

A linha horizontal BEG, paralela ao eixo das composições e que se estende entre essas posições de solubilidades máximas, também pode ser considerada como uma linha solidus, ela representa a temperatura mais baixa na qual pode existir uma fase líquida para qualquer liga cobre-prata que se encontre em estado de equilíbrio.

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DIAGRAMA DE FASESExistem três regiões bifásicas no sistema cobre-prata: +

L, + L e + .

As soluções sólidas e coexistem em todas as composições e temperaturas no campo das fases + ; as fases + líquido e + líquido também coexistem nas suas respectivas regiões bifásicas.

As composições e as quantidades relativas das fases podem ser determinadas utilizando-se linhas de amarração e a regra da alavanca.

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DIAGRAMA DE FASESNa medida em que a prata é adicionada ao cobre, a

temperatura na qual a liga se torna totalmente líquida diminui ao longo da linha liquidus, a linha AE; dessa forma, a temperatura de fusão do cobre é reduzida por adições de prata.

Da mesma forma na prata, a introdução do cobre reduz a temperatura para fusão completa ao longo da outra linha liquidus, FE.

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DIAGRAMA DE FASESAs linhas liquidus se encontram no ponto E do diagrama

de fases, através do qual também passa a linha isoterma horizontal BEG.

O ponto E é chamado de ponto invariante, e é designado pela composição CE e pela temperatura TE.

Para o sistema cobre-prata, os valores de CE e TE são de 71,9%p Ag e 779ºC, respectivamente.

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DIAGRAMA DE FASESUma reação importante ocorre para uma liga com

composição CE conforme ela varia de temperatura ao passar por TE. Essa reação pode ser escrita da seguinte maneira:

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DIAGRAMA DE FASESNo resfriamento, uma fase líquida se transforma em

duas fases sólidas, e na temperatura TE; a reação oposta ocorre no aquecimento.

Essa reação é chamada reação eutética (eutético significa que se funde com facilidade), e CE e TE representam a composição e a temperatura do eutético, respectivamente.

CE e CE são as respectivas composições das fases e na temperatura TE .

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DIAGRAMA DE FASESPara o sistema cobre-prata, a reação eutética, pode ser

escrita da seguinte maneira:

(71,9%p Ag

A linha solidus horizontal na temperatura TE é chamada de isoterma eutética.

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DIAGRAMA DE FASESA reação eutética, no resfriamento, é semelhante à solidificação

dos componentes puros, no sentido de que a reação prossegue até o seu término sob temperatura constante, ou isotermicamente, a TE.

O produto sólido da solidificação eutética consiste sempre em duas fases sólidas, enquanto para um componente puro é formada apenas uma única fase.

Devido a essa reação eutética, os diagramas de fases semelhantes ao apresentado para o cobre-prata são denominados diagramas de fases eutéticos, e os componentes que exibem esse comportamento formam um sistema eutético.

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DIAGRAMA DE FASESNa construção dos diagramas de fases binários é

importante compreender que uma ou, no máximo, duas fases podem coexistir em equilíbrio em um campo de fases.

Para um sistema eutético, três fases ( e L) podem estar em equilíbrio, porém somente em pontos ao longo da isoterma eutética.

As regiões monofásicas estão sempre separadas umas das outras por uma região bifásica, a qual é composta pelas duas fases das regiões monofásicas que essa região bifásicas está separando.

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DIAGRAMA DE FASESUm outro sistema eutético comum é aquele para o

chumbo e o estanho; o diagrama de fases possui um formato geral semelhante aquele para o sistema cobre-prata.

No sistema chumbo-estanho, as fases da solução sólida também são designadas por e , nesse caso, representa uma solução sólida de estanho no chumbo, enquanto para o estanho é o solvente e o chumbo é o soluto.

O ponto invariante eutético está localizado em 61,9% p Sn a 183ºC.

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Diagrama de fases chumbo-estanho


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DIAGRAMA DE FASESOcasionalmente, são preparadas ligas com baixas

temperaturas de fusão que possuem composições próximas às do eutético.

Um exemplo é a solda 60-40, que contém 60%p Sn e 40%p Pb.

A liga com essa composição está completamente fundida aproximadamente a 185ºC, o que torna esse material especialmente atrativo como uma solda de baixa temperatura, uma vez que ela pode ser facilmente fundida.

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DIAGRAMA DE FASES1) A 700ºC, qual é a solubilidade máxima do

a) Cu na Agb) Ag no Cu

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DIAGRAMA DE FASES1) A 700ºC, qual é a solubilidade máxima do

a) Cu na Agb) Ag no Cu

a) A partir do diagrama de fases cobre-prata, a solubilidade máxima do Cu na Ag a 700ºC corresponde à posição da fronteira entre fases nessa temperatura, ou aproximadamente 6%p Cu.b) A solubilidade máxima da Ag no Cu corresponde à posição da fronteira entre fases nessa temperatura, ou aproximadamente 5%p Ag.

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2) Abaixo é apresentada uma parte do diagrama de fases para o sistema H2O-NaCl:


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DIAGRAMA DE FASESa) Usando esse diagrama de fases, explique resumidamente

como o espalhamento de sal sobre gelo que se encontra a uma temperatura abaixo de 0ºC pode causar o derretimento do gelo.

b) Em que temperatura o sal não é mais útil para causar o derretimento do gelo?

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DIAGRAMA DE FASESa) Usando esse diagrama de fases, explique resumidamente

como o espalhamento de sal sobre gelo que se encontra a uma temperatura abaixo de 0ºC pode causar o derretimento do gelo.

RespostaO espalhamento de sal sobre gelo irá abaixar a

temperatura de fusão, uma vez que a linha liquidus diminui de 0ºC (em 100% H2O) até a temperatura eutética de aproximadamente – 21ºC (23%p NaCl). Dessa forma, o gelo a uma temperatura abaixo de 0ºC (e acima de – 21ºC) pode formar uma fase líquida pela adição de sal.

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DIAGRAMA DE FASESb) Em que temperatura o sal não é mais útil para causar o

derretimento do gelo?Resposta

Em – 21ºC e abaixo dessa temperatura, o sal não é mais útil para causar um derretimento do gelo, uma vez que essa é a temperatura mais baixa na qual se forma uma fase líquida, isto é, essa é a temperatura eutética para esse sistema.

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3) Para uma liga que contém 40%p Sn – 60%p Pb à temperatura de 150ºC:a) Qual(is) fase(s) está(ão) presente(s)?b) Qual(is) é(são) a(s) composição(ões) dessa(s) fase(s)?


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3) Para uma liga que contém 40%p Sn – 60%p Pb à temperatura de 150ºC:a) Qual(is) fase(s) está(ão) presente(s)?Resposta

Localize esse ponto temperatura-composição no diagrama de fases (ponto B). Uma vez que esse ponto está na região , tanto a fase quanto a fase irão coexistir.

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3) Para uma liga que contém 40%p Sn – 60%p Pb à temperatura de 150ºC:b) Qual(is) é(são) a(s) composição(ões) dessa(s) fase(s)?Resposta

Uma vez que duas fases estão presentes, torna-se necessário construir uma linha de amarração através do campo das fases , a 150ºC. A composição da fase corresponde à interseção da linha de amarração com a fronteira (linha solvus) entre as fases em aproximadamente 10%p Sn – 90%p Pb, representada como C. De maneira semelhante para a fase , a composição dessa será de aproximadamente 98%p Sn – 2%p Pb (C).

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