Desconstruindo a Matéria Aula 9

1. Desconstruindo a Matéria
Aula 9:
Diagramas de Fase

2. 2
Mecanismos de endurecimento:
1: Redução do tamanho de grão
- Processos térmicos (ex: Têmpera/Revenido)
2: Formação de Soluções Sólidas (Ligas)
3: Endurecimento por Precipitação
4: Encruamento ou Trabalho a Frio
- Ex: Laminação, trefilação

3. Diagrama de Fase unitário
– Elemento simples (H2O)

4. Equilibrio de Fase:
Limite de Solubilidade
Ex: Qual o limite de Solubilidade
do açúcar na água a 20°C,
na pressão 1ATM?
R: 65% Açúcar.
A 20°C, se C < 65 (peso)% Açúcar:
Solução – água + açúcar
A 20°C, se C > 65 (peso)% Açúcar:
Solução líquida + açúcar precipitado
65
• Limite de Solubilidade:
Concentração máxima
permitida para uma fase.
Diagrama de Fase Açúcar/água
Açúcar
Temperatura(°C)
0 20 40 60 80 100
C = Composição (% Açúcar)
L
(Solução líquida,
Água e açúcar)
Limite de
Solubilidade L
(liquido)
+
S
(solido,
Açúcar)20
40
60
80
100
Água
• Solução – Solução sólida, liquida ou gás, única fase.
• Mistura – Mais de uma fase

5. 5
Critério de Solubilidade Sólida Limitada
Estrutura
Cristalina
Eletro-
negatividade r (nm)
Ni FCC 1.9 0.1246
Cu FCC 1.8 0.1278
• Ambos elementos possuem a mesma estrutura cristalina
(FCC) e valores similares de eletronegatividade e raio atômico
(Regra W. Hume – Rothery).
Sistema binário (Ex: solução Ni-Cu)
• Ni e Cu são totalmente solúveis em qualquer proporção.

6. Solubilidade entre dois elementos (Ligas)
• Quando combinamos dois elementos...
qual o estado de equilibrio resultante?
• Se temos:
-- A composição C (% Cu - % Ni)
-- A temperatura T
Quantas fases vão se formar ?
Qual a composição de cada fase?
E a quantidade de cada fase ?
Diagramas de Fase binário
Fase BFase A
Atomo de Niquel
Átomo de Cobre

7. • Componentes:
O element ou composto químico presente na liga
(Ex: Al e Cu)
• Fases:
Regiões distintas de materiais (física e quimicamente) que se
formam (Ex: fase a e b).
Liga de
Cobre e Alumínio
Componentes de Fases
a (Fase escura)
b (Fase clara)

8. Diagrama de Fase – Sistema binário
• Diagrama de fase em função de Temperatura, Composição
e Pressão (normalmente 1atm).
Diagrama de Fase
Cu-Ni
• 2 Fases:
L (liquido)
a (FCC solução sólida)
% Ni20 40 60 80 1000
1000
1100
1200
1300
1400
1500
1600
T(°C)
L (liquido)
a
(FCC Solução sólida)

9. wt% Ni
20
1200
1300
T(°C)
L (liquid)
a
(solid)
30 40 50
Cu-Ni
Determinando a composição de fases:
• ConhecendoT e C0, determine a composição de fases:
• Exemplo:
TA
A
35
C0
32
CL
TA = 1320°C:
Somente fase Liquida (L)
CL = C0 ( = 35 % Ni)
TB = 1250°C:
a e L presentes
CL = Cliquidus ( = 32 wt% Ni)
Ca = Csolidus ( = 43 wt% Ni)
TD = 1190°C:
Somente fase Solida (a)
Ca = C0 ( = 35 % Ni)
C0 = 35 wt% Ni
D
TD
tie line
4
Ca
3
B
TB

10. wt% Ni
20
1200
1300
30 40 50
110 0
L (liquid)
a
(solid)
T(ºC)
A
35
C0
L: 35wt%Ni
Cu-Ni
system
• Mudanças na
microestrutura
acompanhando o
resfriamento da liga
C0 = 35 % Ni alloy
Ex: Resfriamento da liga Cu-Ni
4635
43
32
a: 43 wt% Ni
L: 32 wt% Ni
Ba: 46 wt% Ni
L: 35 wt% Ni
C
E
L: 24 wt% Ni
a: 36 wt% Ni
24 36
D

11. • A linha isotermica conecta as fases em
equilibrio:
A regra da alavanca
A fração de cada fase pode ser
estimada pela regra da alavanca
Obs: braço de alavanca oposto
ML Ma
R S
Ma x S = ML x R
L
L
LL
L
L
CC
CC
SR
R
W
CC
CC
SR
S
MM
M
W
-
-
=
+
=
-
-
=
+
=
+
=
a
a
a
a
a
00
% Ni
20
1200
1300
T(ºC)
L (liquido)
a
(solido)
30 40 50
B
TB
isotermica
C0
CL Ca
SR

12. • Conhecendo T e C0, podemos determiner a fração
de cada fase:
• Examplo:
TA : Somente Liquido (L)
WL = 1.00, Wa = 0
TD : Somente Solido ( )a
WL = 0, Wa = 1.00
Determinação de phase – frações de peso
% Ni
20
1200
1300
T(°C)
L (liquid)
a
(solid)
30 40 50
Cu-Ni
TA
A
35
C0
32
CL
B
TB
D
TD
isotermica
4
Ca
3
R S
TB : Solido a e liquido L
73.0
3243
3543
=
-
-
=
= 0.27
WL
= S
R +S
Wa
= R
R +S
Considere C0 = 35 % Ni

13. 2 componentes
Sistemas Binarios-Eutéticos
• 3 fases (L, a, b)
• Solubilidade Limitada:
a: Predominante Cu
b: Predominante Ag
• TE : Limite fase liquida
: Composição a
temperatura TE
• CE
Ex.: Cu-Ag
Cu-Ag
L (liquid)
a L + a
L+bb
a + b
C, wt% Ag
20 40 60 80 1000
200
1200
T(ºC)
400
600
800
1000
CE
TE 8.0 71.9 91.2
779°C
Ag)%1.29(Ag)%.08(Ag)%9.71( ba +L
resfriamento
aquecimento
• Reação Eutética
L(CE) a(CaE) + b(CbE)

14. R: Ca = 17% Sn
b) Composição das fases:
L+b
a + b
200
T(ºC)
C, % Sn
20 60 80 1000
300
100
L (liquid)
a b
L+a
183°C
• Para liga de 40% Sn- 60% Pb a 220ºC, determine:
a) Tipos de fases:
Pb-Sn
EX: Pb-Sn Eutético
c) A proporção relativa de
cada fase:
Wa =
CL - C0
CL - Ca
=
46 - 40
46 - 17
=
6
29
= 0.21
WL =
C0 - Ca
CL - Ca
=
23
29
= 0.79
40
C0
46
CL
17
Ca
220
SR
R: a + L
CL = 46% Sn
R:
a
L

15. • Para ligas C0 = CE
• Microestrutura Eutetica (lamelar)
Camadas (lamellae) intercaladas de fases a e b .
Microestrutura Eutética
160m
Micrografia do Pb-Sn
Microestrutura eutéticaPb-Sn
L+b
a + b
200
T(ºC)
C, % Sn
20 60 80 1000
300
100
L
a b
L+a
183°C
40
TE
18.3
a: 18.3 %Sn
97.8
b: 97.8 % Sn
CE
61.9
L: C0 wt% Sn

16. L+a
L+b
a + b
200
C, % Sn20 60 80 1000
300
100
L
a b
TE
40
(Pb-Sn)
Hypoeutética & Hypereutética
160 m
eutetica (micro-constituinte)
hypereutetica
b
b
b
b
b
b
175 m
a
a
a
a
a
a
hypoeutética
T(°C)
61.9
eutetica
eutectic: C0 =61.9% Sn

17. Diagrama Ferro-Carbono (Fe-C)
• 2 pontos importantes:
- Eutetoide (B):
g  a +Fe3C
- Eutetico (A):
L  g +Fe3C
Fe3C(cementita)
1600
1400
1200
1000
800
600
400
0 1 2 3 4 5 6 6.7
L
g
(austenita)
g+L
g+Fe3C
a+Fe3C
d
(Fe) C, % C
1148°C
T(ºC)
a 727°C = T eutetoide
4.30
Perlita =
Estrutura lamelar de
a + Fe3C
120 m
0.76
B
g g
gg
A L+Fe3C
Fe3C (cementita-frágil/dura)
a (ferrita-dutil)

18. Fe3C(cementita)
1600
1400
1200
1000
800
600
400
0 1 2 3 4 5 6 6.7
L
g
(austenita)
g+L
g +Fe3C
a+Fe3C
L+Fe3C
d
(Fe) C, % C
1148°C
T(ºC)
a
727°C
(Fe-C)
C0
0.76
Aço Hypoeutetoide
ferritaperlia
100 m
Aço hypoeutetoide
a
perlita
g
g g
ga
a
a
gg
g g
g g
gg

19. 19
Hypereutectoid Steel
Fe3C(cementita)
1600
1400
1200
1000
800
600
400
0 1 2 3 4 5 6 6.7
L
g
(austenita)
g+L
g +Fe3C
a +Fe3C
L+Fe3C
d
(Fe) C, %C
1148°C
T(ºC)
a
(Fe-C)
0.76
C0
Fe3C
gg
g g
gg
g g
gg
g g
Fe3C
60 m
Aço Hypereutetoide
perlita
perlita

20. 20
Exercício
Para o aço 99.6% Fe-0.40% C, a temperatura de 790º C,
determine:
a) A composição da Cementita Fe3C e ferrita (a).
b) A quantidade de Cementita (em gramas) formada em 100g
de aço.

21. Solução:
WFe3C =
R
R + S
=
C0 -Ca
CFe3C -Ca
=
0.40 - 0.022
6.70 - 0.022
= 0.057
b) Utilizando a regra da
alavanca:
a) Traçando a isotérmica em 790ºC:
Ca = 0.022 % C
CFe3C = 6.70 % C
FeC(cementita)
1600
1400
1200
1000
800
600
400
0 1 2 3 4 5 6 6.7
L
g
(austenita)
g+L
g + Fe3C
a+ Fe3C
L+Fe3C
d
C, % C
1148°C
T(ºC)
727°C
C0
R S
CFe C3Ca
A quantidade de Fe3C em 100g
= (100 g)WFe3C
= (100 g)(0.057) = 5.7 g

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