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SOLIDIFICAÇÃO DOS FERROS FUNDIDOS

Diagrama de Fases

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2014 – Todos os direitos reservados

Diagramas de Fases

• As propriedades das ligas metálicas são fortemente dependentes da sua microestrutura. !

• O desenvolvimento da microestrutura é descrita no diagrama de fases. !

• É como um mapa para a determinação das fases presentes, para qualquer temperatura e composição, desde que a liga esteja em equilíbrio. !

• Os diagramas de fases ou diagramas de equilíbrio definem a região de estabilidade das fases que podem ocorrer num sistema sob a condição de pressão constante. !

• São úteis para prever as transformações de fases e as microestruturas resultantes, que podem apresentar caráter de equilíbrio ou de ausência de equilíbrio

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Diagramas de Fases

• Em muitos sistemas de ligas, existe uma concentração máximas de átomos de soluto que pode se dissolver no solvente para formar uma solução sólida, o que é chamado de limite de solubilidade. A adição de soluto em excesso, além deste limite de solubilidade resulta na formação de outra solução sólida ou composto. !

• Ex. Solubilidade do açúcar (C12 H22O11)em um xarope açúcar-água:

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Diagramas de Fases

O conceito de Fase: !

•Uma porção homogêneo de um sistema que possui características físicas e químicas uniformes. !

•Quando mais de uma fase estiver presente em um dado sistema, cada fase terá suas próprias propriedades individuais e existirá uma fronteira separando as fases, marcando uma mudança nas características físicas ou químicas. !

•A interação de 2 ou mais fases em um material permite a obtenção de propriedades diferentes !

•É possível alterar as propriedades do material alterando a forma e distribuição das fases

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Diagramas de Fases

Equilíbrio de fases: !•O termo equilíbrio pode ser descrito

em termos de energia livre: !

•um sistema está em equilíbrio se a sua energia livre se encontra em um v a l o r m í n i m o p a r a a l g u m a c o m b i n a ç ã o e s p e c í f i c a d e temperatura , pressão e composição. !

• Isso significa que as características do sistema não mudam ao longo do tempo, isto é, o sistema é estável. !

• Uma alteração na temperatura, pressão ou composição resultará em um aumento na energia livre e em possível mudança espontânea para outro estado no qual a energia livre seja reduzida.

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Diagramas de Fases

• Entendimento dos Diagramas de Fases em termos de Energia Livre:

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Diagramas de Fases

!Sistema Cu-Ni: !

•Possuem solubilidade completa: !• s e u s r a i o s a t ô m i c o s e

eletronegatividades praticamente iguais, !

•valências semelhantes !

•mesma estrutura cristalina (CFC).

Sistemas Isomorfos Binários:

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Diagramas de Fases

• Determinação das Composições das Fases:

Regra das Alavancas: !Considere o ponto B: 35% Ni e 65%Cu a 1.250ºC: !Fração de líquido: W líq. = S / R+S W líq. = (42,5 – 35) / (42,5 – 31,5) W líq. = 0,68 !Fração de α : W α = R / R+S W α = (35-31,5) / (42,5 – 31,5) W α = 0,32

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Diagramas de Fases

• Desenvolvimento da Microestrutura em Ligas Isomorfas:

Desc reva a seqüênc ia de solidificação de uma liga 35%Ni, d e a c o r d o c o m a l i n h a tracejada:

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Diagramas de Fases:

• Sistemas Binários:

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Diagramas de Fases

• Entendimento dos Diagramas de Fases de Acordo com a Energia Livre

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Diagramas de Fases:

• Reações Invariantes Presentes nos Diagramas de Fases: !

•Reação Eutética: Líq. => α + β •Reação Eutetóide: γ => α + β !

•Reação Peritética: Líq. + α => β •Reação Peritetóide: α + β => γ !

•Reação Monotética: Líq. 1 => α + Líq.2

•Reação Monotetóide: α1 = α2 + β !

•Reação Sintética: Líq 1 + Liq 2 => β !

• As reações mais comuns nos diagramas binários são as reações eutéticas, peritéticas e eutetóides.

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Diagramas de Fases

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Diagramas de Fases

• Reações ligadas à precipitação no estado sólido:

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Diagramas de Fases

• Exercício: Calcule a porcentagem das fases no ponto B e descreva a seqüência de solidificação das ligas:

A B C D E

j

k

l

m

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• A) - Descrição da seqüência de solidificação:

a- líquido; !b- início da formação de cristais de α !c- término da formação dos cristais de α (solidificação completa)

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• B) Descrição da seqüência de solidificação:

d- líquido; !e- início da formação de cristais de α !f- término da formação dos cristais de α (solidificação completa) !g- precipitação dos cristais de β em α

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• C) Descrição da seqüência de solidificação:

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• D) Descrição da seqüência de solidificação:

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• E) Descreva a seqüência de solidificação da liga A:

A

1- líquido; !2 - f o r m a ç ã o d e cristais de β !3- reação eutética do líquido remanescente !4 - M i c roe s t ru tu ra Final: β primário + eutético α+ β

1

2

3

4

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Diagrama de Fases

• Diagrama Al-Si

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Diagrama de Fases

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Diagrama de Fases

TiN powders prepared by combustion synthesis with various grain morphologies: (a) quasi-spherical grains; (b) dendrites; (c) faceted pyramidal crystals; (d) faceted cubic crystals

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Diagrama de Fases

regular não facetado/ não facetado (Al-Al2Cu)

regular facetado / não facetado (Ni-NbC)

irregular facetado / não-facetado

(Fe-grafita lamelar)

divorciado (Fe-grafita esferoidal)

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• Compostos intermetálicos:

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• Reações peritéticas:

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• Os diagramas não indicam o tempo necessário para que se atinja o estado de equilíbrio. !

• Chama-se de metaestável um sistema que se encontra em estado de não-equilíbrio. !

• As propriedades ou características das fases metaestáveis mudam lentamente com o tempo, ou seja, o estado de equilíbrio não é nunca alcançado. !

• No entanto, não há mudanças muito perceptíveis com o tempo na microestrutura das fases metaestáveis

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Diagramas de Fases:Desenvolvimento da microestrutura fora das condições de Equilíbrio:

Equilíbrio Não Equilíbrio

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Diagramas de Fases

Diagramas Ternários: !

•Um diagrama de fases ternário possui 3 componentes. !

•Geralmente é utilizado a composição (% em massa) dos componentes, mas também pode incluir temperatura e pressão. !

•Possui 3 dimensões, mas é sempre representado em 2 dimensões pela facilidade de interpretação. Em vez de um gráfico retangular, é obtido um gráfico em triângulo. !

•Os diagramas ternários são utilizados para uma série de ligas metálicas (ex. Fe-Cr-Ni - aço inoxidável), mas é principalmente utilizado para compostos cerâmicos. !

•Para se verificar os teores dos 3 elementos de uma só vez, é construído um gráfico triangular onde cada vértice corresponde a um elemento, sendo a pressão e temperatura constantes. !

•Em sistemas cerâmicos, nos vértices, ao invés de elementos, são utilizados compostos.

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Diagramas de FasesRepresentação tridimensional de um diagrama ternário ABC.

!A composição se situa ao longo do p lano basa l do t r i ângu lo e a temperatura (ou pressão) é lida verticalmente. !O topo da figura mostra a superfície com contornos representando as linhas com temperaturas constantes. Estes contornos são chamados de isotermas. !Os pontos eutéticos em cada diagrama binário é projetado no diagrama ternário como linhas. !Estas l inhas são chamadas de “boundary curves” ou liquidus e, em qualquer composição em uma destas curvas, haverá a formação das duas fases em qualquer lado da curva.

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Diagramas de Fases

• Liga Fe-Cr-Ni

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• Diagrama Fe-Cr-Ni com as projeções das linhas solidus sob pressão constante:

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• Leitura das composições de um diagrama ternário

x = 40%B; 20%C; 40%A

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