Ligas: Diagrama de FasesAdriano Weihmayer Almeida RA:980221-5

I. INTRODUÇÃO

Todos os metais possuem uma certa característica física

em um determinado estado físico. Sendo ele líquido, gasoso

ou sólido, suas características se repetem sempre que as

condições do meio necessárias são atingidas.

As ligas, apesar de serem misturas de elementos, não fo-

gem desta regra. Também apresentam suas características

definidas.

Para a qualquer aplicação que formos usar as ligas, seja

ela para construção civil ou para aplicações no setor elétrico,

temos que ter o conhecimento do comportamento do materi-

al, para que todo o tipo de situações seja previsto. Evitamos

assim surpresas e prejuízos tanto materiais, quanto monetá-

rios e perdas de vida.

Assim, o diagrama de fases é um método muito eficiente

de predizermos em que fases se encontram em equilíbrio

para uma dada composição de liga e uma certa temperatura.

Também podemos determinar a composição química de

cada fase e calcular a quantidade de cada fase presente.

Pretendo neste relatório e através da apresentação, mo s-

trar como funcionam os diagramas de fases, sua montagem e

suas aplicações.

II. VISÃO GERAL SOBRE DIAGRAMA DE

FASE

Antes de falarmos propriamente sobre o diagrama de fase

de ligas é importante termos uma noção sobre a teoria em-

pregada na construção do diagrama.

A Fig. 1 mostra a solubilidade do açúcar na água; a curva

na figura é uma curva de solubilidade. Todas as composi-

ções à esquerda da curva, correspondem a uma única fase,

pois todo o açúcar está dissolvido na fase líquida. Com por-

centagens mais elevadas de açúcar, que correspondem ao

lado direito da curva, é impossível dissolver completamente

o açúcar; logo, teremos uma mistura de duas fases, açúcar

sólido e um “xarope” líquido.

Figura1.

Solubilidade açúcar na água

Figura 2 Solubilidade do NaCl (curva superior à direita) e da água (curva supe-rior esquerda) em uma solução aquosa de sal.

A Fig. 2 mostra um outro sistema de dois componentes

que possui maior importância prática que o primeiro. Aqui,

os extremos da abscissa são 100% de H2O e 30% de NaCl.

Observe que a solubilidade do NaCl aumenta com a temp e-

ratura e que a solubilidade de H2O também aumenta com a

temperatura e que as composições intermediárias têm tem-

peraturas de fusão inferiores à da água pura (0o. C) e do sal

puro (800o. C). Essas relações de fusão e solidificação são

muito comuns em todos os tipos de combinações de dois

componentes. Quando dois metais formam uma fase líquida

homogênea, isto é, eles são completamente solúveis um no

outro, eles não necessariamente se solidificarão para formar

uma fase sólida homogênea. Quando solidificados dois

metais podem ser:

* completamente solúveis um no outro;

* completamente insolúveis um no outro;

* parcialmente solúveis um no outro;

* combinados para formar um composto intermetálico.

Os diagramas de equilíbrio ou de fase (algumas vezes

chamados curvas de solubilidade) são usados para mostrar a

percentagem de cada metal na liga com o eixo das ordenadas

indicando a temperatura. Este é um método conveniente

para indicar as mudanças de estado e estrutura pelas quais

cada liga passa durante o resfriamento lento a partir do esta-

do líquido para o estado sólido em condições de equilíbrio.

A situação mais comum ocorre quando dois metais são

parcialmente solúveis. O diagrama de fases para esta situa-

ção é mostrado na Fig. 3, que mostra a solubilidade sólida e

a formação de uma mistura eutética (derivada da palavra

grega que significa “fundindo bem”).

Figura 3 Diagrama de Fases para o caso de solubilidade parcial

Com referência a Fig. 3:

* a linha AEB é do líquido e a linha ACEDB é do sólido;

* a solução sólida á é metal (soluto) dissolvido no metal

A (solvente);

* a solução sólida â é metal A (soluto) dissolvido no me-

tal B (solvente);

* as linhas CF e DG denotam a máxima solubilidade de B

em A e de A em B, respectivamente.

Se uma pequena quantidade de qualquer dos metais está

presente, então a solução sólida (á ou â) se forma; para

proporções intermediárias a estrutura contem laminações de

ambas soluções sólidas. A mistura eutética contém ambas

soluções sólidas, e a microestrutura mostrada na Fig. 3. As

solubilidades sólidas de B em A e de A em B, ocorrem am-

bas na temperatura eutética (TE) e são representadas pelos

pontos C e D respectivamente. Se uma liga líquida tem uma

composição dada pelo ponto E, então quando resfriada para

TE, a mistura eutética é formada de acordo com a reação:

Figura 4 Reação para formação da mistura eutética

Considere o resfriamento de três ligas mostradas na Fig. 3

e representadas pelos pontos P, Q e R. Para liga P a solidifi-

cação começa em T1 e é completa em T2, formando a solu-

ção sólida completa (á).

Para a liga Q a solidificação começa em T3 e é completa

em T4, formando uma solução sólida completa (á). Se a

temperatura for reduzida um pouco além, então abaixo de

T5 o limite de solubilidade de B em A é excedido, e o metal

em excesso B é precipitado da solução sólida á.

Entretanto, não é B puro, mas um solução sólida â satura-

do. Esta fase â precipitada pode ocorrem nas bordas dos

grãos á ou dentro dos cristais á ou em ambas localizações.

Para a liga R a solidificação começa em T6 e produz uma

solução sólida á. A proporção de B no líquido remanescente

aumenta, até que a solidificação em TE é completada e a

estrutura contem á e o eutético (á +â). O resfriamento desta

mistura abaixo da temperatura TE causa a mudança da solu-

bilidade de A em B e de B em A e as composições da solu-

ção sólida (á e â) são dadas pelos pontos nas curvas CF e

DG respectivamente. A microestrutura para esta liga (sólida)

é mostrada também na Fig. 3. Resultados similares podem

ser deduzidos para o resfriamento de soluções líquidas com

composições de metal B maiores que a eutética.

Para uma composição particular de uma liga a microes-

trutura pode ser composta de uma ou duas fases. É freqüen-

temente necessário conhecer o quanto de cada fase está pré

sente. Informações quantitativas podem ser obtidas dos

diagramas de fases.

Duas fases nunca têm propriedades idênticas, pois têm

estruturas diferentes. Algumas das propriedades dos materi-

ais polifásicos são aditivas e podem ser determinadas pela

média, (levando-se em conta pesos adequados) das proprie-

dades individuais. Outras propriedades são interativas, pois

o comportamento de cada fase depende da natureza da adja-

cente.

A. Propriedades Aditivas

A densidade de uma estrutura polifásica pode ser calcula-

da diretamente a partir da densidade . de cada uma das fases

e da fração em volume f correspondente.

Quando se tem apenas duas fases a densidade é uma fun-

ção linear da fração em volume presente de cada uma das

fases. No caso de se ter poros o produto f . é nulo, já que

para essa fase a densidade é nula. Na figura 5 é mostrado um

exemplo para mistura de plástico e fibra de vidro.

Figura 5 Propriedades Aditivas para Materiais compostos.

As condutividades elétrica e térmica dos materiais polifá-

sicos também são aditivas. Entretanto, a escolha dos pesos é

mais complexa, pois tanto a forma como a distribuição das

fases, são importantes.

B. Propriedades Interativas

Propriedades tais como dureza e resistência não podem

ser interpoladas entre as das fases contribuintes, pois o com-

portamento de cada fase depende da natureza da adjacente.

Por exemplo, uma dispersão de partículas finas de uma fase

dura, inibe o escorregamento e evita o cisalhamento de uma

matriz dútil.

Esta interdependência das propriedades mecânicas das fa-

ses torna possível obter-se

materiais mais resistentes pela adição de reforçadores. Por

exemplo, a adição de carbono à borracha, de areia à argila,

de areia ao asfalto ou de serragem aos plásticos, aumenta a

resistência destes materiais à deformação. O efeito na resis-

tência no último exemplo está mostrado graficamente na

Fig. 6.

Embora uma resina fenol-formaldeido isolada seja bas-

tante resistente, ela é suscetível à ruptura por cisalhamento;

a incorporação de uma segunda fase produz uma resistência

adicional à deformação. No outro extremo da faixa de com-

posições, a resistência da serragem isolada é nula; não exis-

tem forças que mantenham as partículas de celulose na for-

ma de uma massa coerente. A resina adicionada age como

um cimento, unindo essas partículas. A resistência máxima é

conseguida em uma composição intermediária, na qual cada

fase age como reforçadora da outra.

Figura 6 Resistência de misturas (serragem de madeira como reforçador

de uma resina fenol-formaldeído).

III. DIAGRAMA DE FASE DE UM METAL PURO

A curva de fase de um material pode ser obtida através do

empirismo. Neste caso, devemos aquecer uma amostra do

metal puro por um aumento progressivo de calor, depois

anotar a elevação de temperatura desta amostra num dia-

grama em que os tempos de aquecimento serão o eixo x e as

temperaturas o eixo y.

A figura 7 nos mostra um gráfico característico de um

metal puro:

Fig.7 Gráfico de fase característico de um metal puro

Podemos notar no gráfico acima que a temperatura eleva-

se regularmente e em um determinado ponto, ela se fixa por

um determinado espaço de tempo. Esta temperatura cons-

tante caracteriza a mudança de estado da amostra. Assim

como a água, quando a primeira gota aparece entre o resto

de material sólido, toda energia dada à amostra será usada

para a transformação do estado sólido para o líquido, não

havendo aumento de temperatura.

Ao resfriarmos este material, a curva continua sendo ver-

dadeira. Ele terá ainda uma queda linear e quando chegar ao

ponto de solidificação, a temperatura só tornará a diminuir

quando todo o material tiver se solidificado.

A. Transformações alotrópicas

Estudos do resfriamento de certos materiais, tais como

ferro, níquel, estanho e outros, mostram que além do pata-

mar da troca de estado o diagrama possui outros patamares

no estado sólido do material.

Transformação alotrópica é o nome dado ao patamar de

troca de estado aonde profundas transformações na estrutura

cristalina acontecem.

IV. DIAGRAMA DE FASE DE LIGAS

O fenômeno de fusão e solidificação para um só elemen-

to, metal puro, é feito a uma temperatura constante chamada

ponto de fusão.

Para a mistura de metais com outros elementos, metais ou

metalóides, a liga começa a fundir a uma certa temperatura e

passa inteiramente ao estado líquido a uma temperatura

mais elevada ou, inversamente, do estado líquido ao estado

sólido a uma temperatura mais baixa.

Entre estas duas temperaturas a liga forma uma massa

pastosa, constituída de metal líquido e de cristais sólidos,

cujas proporções variam em função da temperatura.

Conhecido também como diagrama de equilíbrio, este di-

agrama pode ser usado como um “mapa” através do qual

podemos identificar qualquer um dos dados da liga tendo os

outros a qual este dado depende.

Por exemplo, para 50% estanho e 100º C, o diagrama de

fase indica duas fases sólida á é uma solução sólida rica em

chumbo com algum estanho dissolvido; â é estanho quase

puro com pequena parcela de chumbo dissolvido. A 200ºC

uma liga de 10%de estanho e 90% de chumbo se situa numa

área que é inteiramente fase á. Ela é uma solução sólida de

chumbo com pouco estanho dissolvido. À mesma tempera-

tura, mas para 30% de estanho e 70% de chumbo, o diagra-

ma de fase indica uma mistura de duas fases – líquida e

solução sólida á; se esta liga for aquecida à temperatura de

300ºC, resultará totalmente líquida.

A .Faixas de solidificação

Como mostrado nos outros diagramas de fase anteriores, a

faixa de temperaturas durante a qual ocorre a solidificação

(cristalização) varia com a composição da liga.

Podemos notar na figura 8 a uma linha designada como

liquidus. Este termo é usado para designar o ligar geométri-

co das temperaturas acima das quais todas as composições

são líquidas. O termo solidus, nome dado à linha inferior,

indica que abaixo daquela linha toda a matéria será encon-

trada no estado sólido. Independentemente dos materiais

serem metálicos ou não metálicos, ‘há certas localizações

onde liquidus e solidus se encontram. Se o material for puro,

este encontro se dará nas extremidades do diagrama. Estas

linhas se encontrarão também no ponto eutético.

A figura 8 nos mostra as linhas de limiar se encontrando

na ponta. (1 e 11). Este diagrama não é de nenhum ele-

mento específico.

Líquido

Líquido + Sólido

Sólido

Liquidus

Solidus

Fig. 8 Diagrama de uma liga, mostrando as retas solidus e liquidus

Já a figura 9 nos mostra um exemplo prático, da liga de

metal de solda. Quando composta de 61,9% de estanho e

38,1% de chumbo, notamos que a liga se encontra inteira-

mente sólida abaixo da temperatura eutética e inteiramente

líquida acima dela. Na temperatura eutética podem coexistir

os três fases.

Fig 9 Diagrama de fases da liga usada para a soldagem de componentes

na indústria eletro-eletrônica.

Cortes Isotérmicos.

Podemos fazer uma linha que, como o próprio nome diz,

será horizontal e manterá sempre a mesma temperatura.

Através desta linha, teremos os vários estados do material

para diferentes combinações de elementos da liga sempre à

mesma temperatura.

V. COMPOSIÇÃO QUÍMICA DAS FASES.

Outra informação que a esta altura já ficou clara é que o

diagrama de fases também indica a composição química do

material, após completadas toda a reação pertinente.

Assim, temos a seguinte classificação para as áreas do di-

agrama:

Áreas monofásicas: A determinação da composição quí-

mica de uma fase simples é automática. A fase tem sempre a

mesma composição da liga. Isto na verdade já era esperado,

pois Por exemplo, em uma liga de 60 Sn-40 Pb a 225ºC

(Figura 10) apenas líquido está presente mas com a mesma

constituição 60/40. Isto também se aplica a localizações no

diagrama de fase que envolvam soluções sólidas monofási-

cas.

Áreas bifásicas: A determinação das composições quími-

cas de duas fases obedece a um roteiro básico.

Traçamos uma isoterma que atravessa a área bifásica. Nas

suas extremidades da isoterma que atravessa a área bifásica

teremos a composição química das duas fases.

Áreas trifásicas:

Só encontramos esta área no ponto eutético. Nele pode-

mos ter três fases de maneira equilibrada. Se esta liga for

aquecida, as duas fases sólidas se fundem num líquido mo-

nofásico.

Fig 10 O diagrama dividido em várias retas isotermas, onde podemos achar as áreas mono, bi e trifásicas

VI. DIAGRAMA FERRO-CARBONO

A seguir, apresento um exemplo de diagrama de fase de

uma liga. Este exemplo foi retirado de [1] sem alterações.

Em anexo está o diagrama de fase e uma tabela com os

nomes dos vários aços e seu componentes:

Princípio

O diagrama é formado em abscissas:

• À esquerda 100% de ferrita (ferro puro);

• À direita 100% cementita (carbeto de fer-

ro),combinação química de ferro e de carbono, cuja

molécula é Fe3C;

• Em ordenadas a temperatura.

Nota

É importante conhecer o teor em carbono desta liga, razão

da introdução da escala de carbono. Peso atômico do ferro

55,84. Do carbono 12, da molécula Fe3C 179,52.

Para 100% de cementita pura há:

(12/179,52)×100 = 6,67% de carbono.

Estudo do Diagrama

Para estudar de uma maneira lógica o diagrama de ferro

carbono, é necessário distinguir:

1. Estamos em presença de um sistema binário com a

existência de dois diagramas de equilíbrio segundo

a influência da velocidade de resfriamento:

A. Diagrama meta-estável (traços cheios) Arrefeci-

mento bastante rápido, o carbono se encontra no

estado de carbeto de ferro ou cementita. Gusas

brancas.

B. Diagrama estável (em traço interrompido)

Arrefecimento lento, o carbono se encontra no es-

tado da grafita.

A liga não sofre nenhuma modificação sob a ação

do calor. Gusas cinzentas. (os elementos tais como

Si, Al têm o papel de catalisadores, favorecendo a

formação de um equilíbrio estável).

2. Uma zona líquida, acima do Liquidus.

Uma zona sólida, abaixo do Solidus.

Duas zonas de transformação de líquidos e, sólido

ou e sólido em líquido, conforme o sentido de vari-

ação da temperatura (estado pastoso).

3. Ponto Eutético C= Ledeburita

Ponto de formação bem determinado para: 4,3% de

carbono a 1145ºC. esta temperatura constante infe-

rior ao ponto de fusão do metal mais fusível.

Passagem do estado líquido homogêneo ao estado

sólido com dois constituintes distintos:

Austenita + Cementita

4. Ponto Eutetóide (perlita)

Mesma propriedade que o eutético mas se forma a

partir de corpos solidificados a: 721ºC para 0,83%

de carbono.

A austenita, cujo carbono está intimamente mistu-

rado com o ferro gama no interior do mesmo cris-

tal, se transforma por perda de calor num agregado.

Cada grão será composto por justaposição de redes

de cristais de ferro alfa e de redes de carbeto de fer-

ro (cementita).

Transformações alotrópicas do ferro gama em ferro

alfa à alta temperatura constante.

5. 768ºC ponto de Curie.

Perda do magnetismo do ferro alfa.

6. 210ºC

Perda do magnetismo da cementita.

VII. CONCLUSÃO

Com este trabalho objetivei mostrar um pouco da impor-

tância desta simples mas importante ferramenta no estudo

do comportamento das ligas.

Utilizar um diagrama é uma tarefa fácil, contudo deve ser

feita com muito cuidado para que não haja erros grotescos.

A parte mais difícil se encontra justamente no levantamento

da curva em que várias amostras têm que ser aquecidas, e a

cada nova troca de combinação entre os componentes da

mistura, tenho que testar tudo novamente.

Pode-se notar que o diagrama de fase serve como um ins-

trumento de otimização na escolha da mistura de dois com-

ponentes.

Esta mistura vem sempre com objetivo de proporcionar

novos avanços na ciência e construir materiais específicos

para aplicações.

VIII. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] A.remy/M. Gray/ R. Gonthier, “Materiais”, editora

Hermus, capítulo 3 inteiro.

[2] Lawrence H. Van Vlack, “Princípios de ciência e tec-

nologia dos materiais, Editora Campus 4ª Edição, pp 345-

360

[3] Texto extraído 26/08/02 de uma apostila da Internet,

autora: Profa. Rolim.