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CIÊNCIA E ENG MATERIAIS

DIAGRAMA DE FASESUm componente

Existem três parâmetros que podem ser controlados externamente que irão afetar a estrutura das fases – temperatura, pressão e composição – e os diagramas de fases são construídos quando várias combinações desses parâmetros são plotadas umas contra as outras.

O diagrama para um sistema com um único componente, onde a composição é mantida constante, é representado como um gráfico bidimensional da pressão em função da temperatura.

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Diagrama de fases pressão-temperatura para a água

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

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DIAGRAMA DE FASESPode ser observado regiões para três fases diferentes,

sólido, líquido e vapor. Cada uma das fases irá existir sob condições de equilíbrio ao longo das faixas de temperatura-pressão de sua área correspondente.

As três curvas são as fronteiras entre as fases; em qualquer ponto sobre uma dessas curvas, as duas fases em ambos os lados da curva estão em equilíbrio uma com a outra, isto é o equilíbrio entre as fases sólida e vapor ocorre ao longo da curva aO.

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DIAGRAMA DE FASESAo se cruzar uma fronteira, uma fase se transforma na

outra. Por exemplo, sob pressão de uma atmosfera, no aquecimento, a fase sólida se transforma na fase líquida no ponto identificado como 2; esse ponto corresponde a uma temperatura de 0ºC.

As curvas para as três fronteiras entre fases se interceptam em um ponto comum, que está identificado como O (para esse sistema, em uma temperatura de 273,16 K e uma pressão de 6.04 x 10-3 atm).

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DIAGRAMA DE FASESNeste ponto (O) todas as fases se encontram

simultaneamente em equilíbrio umas com as outras. Apropriadamente, esse, e qualquer outro ponto em um diagrama de fases P – T onde três fases estão em equilíbrio, é chamado de ponto triplo.

Qualquer desvio desse ponto devido a uma variação na temperatura e/ou na pressão irá causar o desaparecimento de pelo menos uma das fases.

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DIAGRAMA DE FASESBinário

É o diagrama onde a temperatura e a composição são os parâmetros variáveis, enquanto a pressão é mantida constante – normalmente em 1 atm.

Os diagramas de fases binários são úteis para prever as transformações de fases e as microestruturas resultantes, que podem apresentar uma natureza de equilíbrio ou de ausência de equilíbrio.

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DIAGRAMA DE FASESSistemas isomorfos binários

O tipo de diagrama de fases binário mais fácil de ser compreendido e interpretado é aquele caracterizado pelo sistema cobre-níquel.

A temperatura é traçada ao longo da ordenada, enquanto a abscissa representa a composição da liga, em porcentagem em peso (escala inferior) e em porcentagem atômica (escala superior) de níquel.

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Diagrama de fases cobre-níquel


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DIAGRAMA DE FASESA composição varia entre 0%p Ni (100%p Cu), na

extremidade horizontal à esquerda, e 100%p Ni (0%p Cu), à direita. Três regiões, ou campos, de fases diferentes aparecem no diagrama, um campo alfa (α), um campo líquido (L) e um campo bifásico α + L.

Cada região é definida pela fase ou fases que existem ao longo das faixas de temperaturas e de composições que estão delimitadas pelas curvas de fronteira entre as fases.

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DIAGRAMA DE FASESO líquido L é uma solução líquida homogênea,

composta tanto por cobre quanto por níquel. A fase α é uma solução sólida substitucional contendo átomos de Cu e de Ni e possuindo uma estrutura cristalina CFC.

Em temperaturas abaixo de aproximadamente 1080ºC, o cobre e o níquel são mutuamente solúveis um no outro no estado sólido para todas as composições.

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DIAGRAMA DE FASESEsta solubilidade completa é explicada pelo fato de que

tanto o Cu quanto o Ni possuem a mesma estrutura cristalina (CFC), raios atômicos e eletronegatividades praticamente idênticos, e valências semelhantes.

O sistema cobre-níquel é denominado isomorfo devido a essa completa solubilidade dos dois componentes nos estados líquido e sólido.

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DIAGRAMA DE FASESPara as ligas metálicas, as soluções sólidas são

designadas usualmente por letras gregas minúsculas.

Nas fronteiras entre as fases, a curva que separa os campos das fases L e α + L é denominada linha liquidus. A fase líquida está presente em todas as temperaturas e composições acima dessa linha.

A linha solidus está localizada entre as regiões α e α + L, e abaixo dela existe somente a fase sólida.

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DIAGRAMA DE FASESAs linhas solidus e liquidus se interceptam nas duas

extremidades de composição. Esses pontos correspondem às temperaturas de fusão dos compostos puros.

Por exemplo a temperatura de fusão do cobre puro e do níquel puro são de 1085ºC e 1453ºC, respectivamente.

O aquecimento do cobre puro corresponde a um movimento vertical para cima, ao longo do eixo da temperatura do lado esquerdo.

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DIAGRAMA DE FASESO cobre permanece sólido até ser atingida a sua

temperatura de fusão.

Para qualquer composição diferente daquela dos componentes puros, esse fenômeno de fusão irá ocorrer ao longo de uma faixa de temperaturas entre as linhas solidus e liquidus.

Ao se aquecer uma liga com composição de 50%p Ni-50%p Cu, a fusão tem início a aproximadamente 1280ºC, a quantidade da fase líquida aumenta continuamente com a temperatura até aproximadamente 1320ºC, quando a liga fica completamente líquida.

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DIAGRAMA DE FASES

Para um sistema binário com composição e temperatura conhecidas e que está em equilíbrio, pelo menos três tipos de informação são disponíveis:a) As fases presentes;b) As composições dessas fases; ec) As porcentagens ou frações das fases.

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DIAGRAMA DE FASESFases presentes

Para o estabelecimento de quais fases estão presentes, deve-se apenas localizar o ponto temperatura-composição no diagrama e observar a(s) fase(s) que corresponde(m) ao campo de fases identificado.

Por exemplo, uma liga com composição de 60%p Ni–40%p Cu a 1100ºC estaria localizada no ponto que está dentro da região α, apenas a fase α estará presente. Por outro lado, uma liga com 35%p Ni–65%p Cu a 1250ºC, consistirá tanto na fase α quanto na fase líquida em equilíbrio.

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DIAGRAMA DE FASESDeterminação das composições das fases

A primeira etapa na determinação das composições das fases é localizar o ponto temperatura-composição no diagrama de fases.

Se apenas uma fase estiver presente, o procedimento é trivial: a composição dessa fase é simplesmente a mesma que a composição global da liga. Por exemplo, em uma liga com 60%p Ni–40%p Cu a 1100ºC, apenas a fase α está presente, possuindo uma composição de 60%p de Ni e 40%p de Cu.

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DIAGRAMA DE FASES

Para uma liga que possui composição e temperatura localizada em uma região bifásica, deve-se traçar uma linha horizontal passando pelo ponto, chamada linha de amarração, que se estende através da região bifásica e termina nas curvas de fronteira entre fases em ambas as extremidades da região bifásica.

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DIAGRAMA DE FASESPara calcular as concentrações das duas fases em

equilíbrio, o seguinte procedimento é usado:a) Uma linha de amarração é construída através da região

bifásica na temperatura em que a liga se encontra;b) São anotadas as interseções da linha de amarração com as

fronteiras entre as fases em ambas as extremidades da linha de amarração;

c) A partir dessas interseções, são traçadas linhas perpendiculares à linha de amarração, até o eixo horizontal das composições, onde pode ser lida a composição de cada uma das respectivas fases.

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DIAGRAMA DE FASESPor exemplo, seja uma liga com 35%p Ni–65%p Cu a

1250ºC, logo se encontra na região α + L. Assim, o problema consistem em se determinar a composição em %p Ni e Cu, tanto na fase α quanto na fase líquida. Quando traçamos a linha de amarração, a perpendicular traçada a partir da interseção dela com a fronteira liquidus encontra o eixo das composições em 31,5%p Ni – 68,5%p Cu, o que corresponde a fase líquida, CL. De maneira semelhante vê-se que encontramos para a fase composta pela solução sólida α, Cα, de 42,5%p Ni – 57,5%p Cu.

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DIAGRAMA DE FASESDeterminação das quantidades das fases

Para a região monofásica, a liga é composta integralmente por aquela fase, isto é, a fração da fase é de 100%. Por exemplo a liga 60%p Ni – 40%p Cu a 1100ºC, somente a fase α está presente, portanto a liga é totalmente ou 100% α.

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DIAGRAMA DE FASESSe a posição para a composição e temperatura estiver

localizada em uma região bifásica, a linha de amarração deverá ser utilizada em conjunto com um procedimento chamado de regra da alavanca:a) A linha de amarração é construída através da região bifásica

na temperatura da liga;b) A composição global da liga é localizada sobre a linha de

amarração;c) A fração de uma fase é calculada tomando-se o comprimento

da linha de amarração desde a composição global da liga até a fronteira entre fases para a outra fase, e dividindo-se esse valor pelo comprimento total da linha de amarração;

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DIAGRAMA DE FASESd) A fração da outra fase é determinada de maneira análoga;

Considere o exemplo de uma liga com 35%p Ni – 65%p Cu a 1250ºC. Uma linha de amarração foi construída para a determinação das composições das fases α e L. Considere que a composição global da liga está localizada ao longo da linha de amarração e é identificada como Co, enquanto as frações mássicas são representadas por WL e Wα, respectivamente para as fases L e α.

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Diagrama de fases cobre-níquel onde as composições e as quantidades das fases estão determinadas para o ponto B.


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DIAGRAMA DE FASESA partir da regra da alavanca, o valor de WL pode ser

calculado de acordo com

ou pela subtração das composições,

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DIAGRAMA DE FASESPara uma liga binária, a composição precisa ser

especificada em termos de apenas um dos constituintes; para o cálculo anterior, a porcentagem em peso de níquel será usada (Co = 35%p Ni, Cα = 42,5%p Ni e CL = 31,5%p Ni) e

De maneira semelhante Wα = 0,32

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