Ciências dos materiais - Apresentação dos Diagramas de fases - Aula 16 e 17

1. Diagramas de fases

2. Diagrama de fases
• Importância do tema
• Poucos materiais metálicos utilizados em engenharia
são constituídos de metais puros;
• O objetivo é de aprimorar propriedades;
• Adiciona-se ao metal original um ou mais elementos;
• O material resultante é denominado de liga metálica;
• Definições
• Sistema
• Fases
• Monofásicas e polifásicas;

3. Sistema
• Denomina-se um conjunto específico de
matéria (substância e/ou corpos) que se
deseja estudar, limitado real ou
imaginariamente da circunvizinhança.
• Uma massa sólida, líquida ou gasosa ou a
mistura dos três estados constituem
exemplos de sistemas.

4. FASES
• FASE É A PORÇÃO HOMOGÊNEA DE UM SISTEMA QUE
TEM CARACTERÍSTICAS FÍSICAS E QUÍMICAS
DEFINIDAS
Todo metal puro é considerado uma fase
• Uma fase é identificada pela composição química e
microestrutura
• 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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(a) Cobre e níquel no estado líquido; (b) solução sólida de cobre e níquel;
(c) solução sólida de zinco no cobre e precipitado de cobre e zinco.
Fase 1
Fase 2

6. ©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used
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(a) As três formas da água – gás, líquido, e sólido – cada uma é
uma fase. (b) água e álcool têm solubilidade ilimitada. (c) Sal e
água têm solubilidade limitada. (d) óleo e água não
apresentam solubilidade.

7. Ponto Tríplice –
Sistema
invariante
Grau de
liberdade zero
De acordo com a
regra de Gibbs
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F = C – P + 2
F = liberdade;
C = componente
P = fases

9. Pontos triplos de metais comuns
(calculados)
Metal Temperatura (ºC) Pressão (atm)
Água 0,01 0,0006
Arsênico 814 36
Bário 704 0,001
Cálcio 850 0,0001
Chumbo 327 0,0000001
Cobre 1083 0,00000078
Estrôncio 770 0,0001
Ferro () 1535 0,00005
Manganês 1240 0,001
Mercúrio -38,87 0,0000000013
Níquel 1455 0,0001
Platina 1773 0,000001
Prata 960 0,0001
Zinco 419 0,05

10. Na temperatura
de fusão
Na temperatura
de fusão
Sobre a linha
de
transformação
Na campo de
fase
Regra de Gibbs
Pressão constante

11. Por que estudar os Diagrama de Fases?
• Os diagramas de fases são representações gráficas
(mapa) das fases presentes mais estáveis em um
sistema em função da temperatura, pressão e
composição;
• Dentre algumas das informações obtidas dos diagramas
de fases, pode-se listar:
 Fases presentes em diferentes condições de temperatura,
pressão e composição;
 Microestrutura e possíveis propriedades mecânicas;
 Solubilidade sólida de um elemento ou composto em outro;
 Temperaturas ou faixas de temperatura de transformação de
uma liga em condições de equilíbrio.

13. Cu-Ni: Curvas de resfriamento

14. Sistema Isomorfo – Cu / Ni
1084 °C
1455 °C

15. LIMITE DE SOLUBILIDADE
• SOLUBILIDADE COMPLETA
• SOLUBILIDADE INCOMPLETA
• INSOLUBILIDADE
• LIMITE DE SOLUBILIDADE: é a concentração máxima
de átomos de soluto que pode dissolver-se no solvente, a uma dada
temperatura, para formar uma solução sólida.
• Quando o limite de solubilidade é ultrapassado forma-se
uma segunda fase com composição distinta

16. ©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used
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(a) As três formas da água – gás, líquido, e sólido – cada uma é
uma fase. (b) água e álcool têm solubilidade ilimitada. (c) Sal e
água têm solubilidade limitada. (d) óleo e água não
apresentam solubilidade.

17. (c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license.
Diagrama de equilíbrio binário chumbo-estanho.

18. Terminologia e Conceitos
• Linha liquidus
– É definida por todos os pontos correspondentes às temperaturas
de início de solidificação, acima da qual tem-se somente
constituintes no estado líquido, e abaixo, de estados sólido e
líquido.
• Linha solidus
– É a sequência de todos os pontos relativos às temperaturas de
fim de solidificação das ligas do sistema, abaixo da qual
somente tem-se estados sólidos.
• Linhas solvus
– Separam as áreas de solubilidade sólida, parcial, de outras
áreas sólidas bifásicas, sendo um dos limites das soluções
sólidas terminais.

19. Terminologia e Conceitos
• Liga eutética
– liga de menor temperatura de fusão do sistema. Essa liga
eutética caracteriza esse sistema de ligas pela qual, no
esfriamento, a fase solução líquida se decompõe
isotermicamente em duas fases sólidas;
• Sistema eutetoide
– Quando uma fase sólida, geralmente solução, no esfriamento,
decompõe-se isotermicamente em duas outras fases soluções
sólidas, ou mesmo sendo uma solução sólida e a outra uma
fase intermediária.

20. Sistemas Eutético e Eutetoide

21. (c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license.
Reações trifásicas mais importantes em um diagrama binário.
Eutético
Eutetoide

22. Transformações binárias invariantes de
Classe Eutética
Eutético
Eutetoide
Monotético
Metatético
L – líquido;
 , ,  - solução sólida

23. Estrutura resultante do
resfriamento de ligas

24. (c)2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning™isatrademarkusedhereinunderlicense.
Solidificação e
microestrutura de
uma liga Pb-2%
Sn. Esta liga é
uma solução sólida
monofásica.

25. (c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license.
Solidificação, precipitação e microestrutura de uma liga Pb-
10% Sn. Ocorre algum endurecimento por dispersão como
precipitados de sólido β.

26. (c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license.
Solidificação e microestrutura de uma liga eutética Pb-61.9% Sn.

27. (c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license.
A curva de esfriamento de uma liga eutética é uma simples
transformação térmica, uma vez que o eutético solidifica ou
funde em uma única temperatura.

28. (c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license.
(a) Redistribuição atômica durante crescimento lamelar do
eutético chumbo-estanho. Átomos de estanho se
redistribuem preferencialmente por difusão nas placas de
fase β, e os átomos de chumbo nas placas de fase α. (b)
Fotomicrografia de um eutético PB-Sn (x400).

29. (c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license.
Solidificação e microestrutura de uma liga hipoeutética
(Pb-30% Sn).

30. (a) Uma liga hipoeutética Pb-Sn. (b) Uma liga
hipereutética Pb-Sn. O constituinte escuro é
uma solução sólida α rica em chumbo, o
constituinte claro é uma solução sólida β rica
em estanho, e a estrutura em lamelas finas é o
eutético (x400).

33. Microestruturas Eutéticas
• Há uma série de diferentes
“morfologias#” para as duas fases
numa liga binária eutética.
• De suma importância é a
minimização da área interfacial
entre as fases.
• A taxa de resfriamento também
pode ter um efeito importante.
• Uma ilustração esquemática de
várias microestruturas eutéticas:
(a) lamelar, (b) fibrosa, (c) globular,
e (d) acicular (or needlelike).
• # Morfologia significa a forma, tipo ou a
microestrutura” de uma fase.

34. (c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license.
Curva de resfriamento para uma liga hipoeutética Pb-30% Sn.

35. (c)2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning™isatrademarkusedhereinunderlicense.
Diagrama de
fases alumínio-
silício.

36. Microestruturas típicas de eutéticos: (a) placas de silício
tipo acicular em eutético Al-Si (x100), e (b) hastes
arredondadas de silício em eutético Al-Si (x100).
Liga eutética

37. Efeito da adição de fósforo na microestrutura da liga de
alumínio-silício hipereutética: (a) cristais primários
grosseiros de silício, e (b) cristais primários de silício
refinados pela adição de fósforo (x75). (From ASM
Handbook, Vol. 7, (1972), ASM International, Materials Park,
OH 44073.)
Liga hipereutética

38. (c)2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning™isatrademarkusedhereinunderlicense.
Diagramas de
fase binário para
os sistemas (a)
cobre-zinco, (b)
cobre-estanho,
(c) cobre-
aluminio, e (d)
cobre-berílio.