Diagrama de fases

1. Diagrama de Fases

2. Conceitos Fundamentais
 DIAGRAMA DE FASES
 Mapas que permitem prever a
microestrutura formada em um
material em função da temperatura
e composição de cada componentes.
 COMPONENTES
 São elementos químicos e/ou
compostos que constituem um
material.
2

3. Conceitos Fundamentais
 Limite de Solubilidade
 Concentração máxima de átomos de soluto que pode ser dissolvida
no solvente para formar uma solução sólida. Essa concentração
máxima é chamada limite de solubilidade.
3
OBS: a adição em
excesso de soluto
resulta na formação
de uma nova fase.

4. Conceitos Fundamentais
 SISTEMA
 Série de fases possíveis formadas
pelos mesmos componentes,
independente da composição
específica.
 FASE
 Uma parte estruturalmente
homogênea do sistema, que possui
propriedades físicas e químicas
características.
4

5. Conceitos Fundamentais
 Informações extraídas de
um diagrama de fases
a. Fases presentes em
diferentes condições
b. Solubilidades sólidas de
um composto (elemento)
em outro
c. Transformações de fases
d. Formação de novas fases
em sistema
5

6. Conceitos Fundamentais
 Equilíbrio de Fases
 Termodinamicamente, um sistema está em equilíbrio quando
sua energia livre é mínima, consideradas as condições de
temperatura, pressão e composição em que ele se encontra.
 Macroscopicamente, um sistema está em equilíbrio quando
suas características não mudam com o tempo, e tendem a
permanecer nas condições em que se encontra indefinidamente, a
não ser que seja perturbado externamente.
6

7. Tipos de Diagramas de Fases
 Os diagramas com mais de um componentes podem ser de dois
tipos:
 Diagramas de Fases Isomorfos: apresentam apenas uma fase
sólida.
 Diagramas de Fases Anisomorfos: apresentam duas ou mais fases
sólidas.
7
Variáveis de Diagramas de
Fases Metálicos:
Composição e Temperatura

8. Variação das Composições
8
Supondo os porcentuais:
X: 20%B-80%A
Y: 40%B-60%A
Z: 75%B-25%A
0% 100%
A B
0% 100%
100% 0%
Sentido crescente da variação do
elemento B
Sentido crescente da variação do
elemento A
20%
X
Y
Z
40% 75%

9. Sistemas Isomorfos Binários
 Sistemas Binários Isomorfos
 Uma liga binária é uma liga que
contem dois componentes
completamente solúveis um no
outro.
 Isomorfo: completa solubilidade
dos dois componentes no estado
líquido e sólido.
9
α Fase Sólida

10. Sistemas Isomorfos Binários
LINHA LIQUIDUS
A linha que separa os campos da
fases L e α + L. (A fase líquida esta
presente em todas as temperaturas e
composições localizadas acima desta
linha a linha que separa os campos
das fases α e α + L).
10
LINHA SOLIDUS
A linha que separa os campos das
fases α e α + L. (Abaixo dela existe
somente a fase solida α).

11. Sistemas Isomorfos Binários
Depois da solidificação, os átomos de cobre
e de níquel não se separam, e se localizam
de maneira aleatória nos pontos da rede
CFC (Figura 1b). No interior da fase sólida,
a estrutura, propriedades e composição são
uniformes. A fase sólida é uma solução
sólida. Uma solução sólida não é uma
mistura. As misturas contêm mais de um
tipo de fase e seus componentes conservam
suas propriedades individuais. Os
componentes de uma solução sólida se
dissolvem um no outro e não retêm
suas características próprias.
11
α

12. Determinação das Composições das Fases
 Regra da Alavanca
 É usada para se determinar as proporções das fases em equilíbrio
em um campo de duas fases.
12
1. Construir uma linha de amarração
através da região bifásica à
temperatura da liga
2. Intersecções da linha de amarração
com as fronteiras entre as fases em
ambos os lados
3. Traçar linhas perpendiculares à
linha de amarração a partir das
intersecções até o eixo horizontal das
composições, onde cada uma das
respectivas fases pode ser lida.
12 2

13. Determinação das Composições das Fases
13

14. Desenvolvimento de Microestruturas
 Desenvolvimento de
Microestruturas em Ligas
Isomorfas
 Resfriamento extremamente
lento da Liga 35%p Ni-65%p Cu
 1300ºC – fase líquida
 1260ºC – formação dos
primeiros sólidos
 1220ºC – solidificação está
virtualmente encerrada
 Abaixo da linha solidus o
restante de líquido de solidifica
14

15. Sistemas Eutéticos Binários
15
Três regiões monofásicas distintas
α – solução sólida rica em cobre
(soluto: prata)
β – solução sólida rica em prata
(soluto: cobre)
L – Líquida
Curva Solidus: Uma curva de
solubilidade que separa uma
região de uma única fase para
uma região de duas fases .
Reação Eutética
E

16. Exercício
 Para uma liga 40%p Sn-60%p Pb a 150ºC identifique a(s) fase(s)
presente(s) e a(s) composição(ões) da(s) fase(s).
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17. Exercício
 Calcule as frações volumétricas das fases encontradas.
17

18. Questão Petrobras 2014
 Dois metais A e B apresentam um diagrama de equilíbrio de fases à pressão
de uma atmosfera, como apresentado abaixo.
 Em relação ao que é apresentado no diagrama, considere as afirmativas a
seguir.
I - O resfriamento de uma liga contendo 25% de
B começará com a formação da fase sólida β.
II - O resfriamento de uma liga contendo 25% de
B começará com a formação da fase sólida α.
III - As fases líquido, α e β estão em equilíbrio
simultâneo em uma única temperatura.
18

19. Questão Petrobras 2014
I - O resfriamento de uma liga contendo 25% de
B começará com a formação da fase sólida β.
II - O resfriamento de uma liga contendo 25% de
B começará com a formação da fase sólida α.
III - As fases líquido, α e β estão em equilíbrio
simultâneo em uma única temperatura.
Está correto o que se afirma em
(A) I, apenas
(B) II, apenas
(C) I e III, apenas
(D) II e III, apenas
(E) I, II, e III
19

20. Sistemas Eutéticos Binários
 Desenvolvimento
de Microestruturas
em Sistemas
Eutéticos
 Região de
solubilidade máxima
de 0% a 2%p Sn.
 Resfriamento lento
de uma composição
C1 a partir de 350ºC.
20

21. Sistemas Eutéticos Binários
 Desenvolvimento de
Microestruturas em
Sistemas Eutéticos
 Composição C2 –
solubilidade máxima na
temperatura do eutético
entre 2% a 18,3%p Sn.
 Ao ser ultrapassado o
limite de solubilidade
(linha solvus) de Sn no
Pb, ocorre a precipitação
da fase β.
21

22. Sistemas Eutéticos Binários
 Desenvolvimento de
Microestruturas em Ligas
Eutéticas
 Solidificação da
composição eutética
22
Formação da estrutura eutética:
α – rica em chumbo (13,8%p Sn)
β – rica em estanho (98,7%p Sn)

23. Sistemas Eutéticos Binários
 Solidificação de
composições
diferentes da eutética
quando cruzam a
isoterma eutética
 Em ligas hipoeutéticas
ocorre inicialmente
precipitação da fase
primária α
próeutética.
23

24. Diagramas com Fases Intermediárias
24
Presença de soluções
sólidas intermediárias
Seis soluções sólidas:
Duas terminais (α e η)
Quatro intermediárias
(β, γ, δ e Є)

25. Diagramas com Fases Intermediárias
25

26. Miscibilidade Sólida Parcial
 Principais reações em sistemas binários envolvendo três fases
26

27. Diagrama Fe-Fe3C
27

28. Diagrama Fe-Fe3C
 Principais fases formadas:
 Ferrita: solução de carbono em Ferro-α (CCC) existente até a
temperatura de 972°C. Apresenta solubilidade de 0,008%p de C a
temperatura ambiente e de no máximo , 0,02%p a 727 ºC. Boa
plasticidade, macia e dúctil.
 Austenita: solução de carbono em Ferro-γ (CFC). Solubilidade do
carbono alcança até 2,14%p a 1147ºC. Elevada ductilidade e
tenacidade.
 Cementita: composto intermediário, denominado de carboneto de
ferro (Fe3C) com estrutura ortorrômbica, representado por uma linha
vertical passando pela composição de 6,7%p C. Dura e frágil.
 Ferro-δ: solução de carbono em ferro com estrutura CCC, existente
somente a altas temperaturas.
28

29. Linhas Relevantes
 Linha A1
 Temperatura crítica inferior
(abaixo dela toda a
austenita se transformou
em ferrita e cementita)
 Ao se resfriar um aço com
0,77% C, observa-se uma
“parada” na temperatura de 727
°C, ou seja, enquanto a
transformação γ → α + Fe3C
não se completar, a
temperatura permanecerá
invariante.
29
Arrêt = Parada

30. Pontos Relevantes
 Linha A3
 Temperatura de transformação γ
→ α. Para o ferro puro, ocorre a
912 °C. À medida que o teor
de carbono vai aumentando,
a temperatura A3 vai
diminuindo, até o limite de 727
°C, no qual se encontra com A1.
30

31. Pontos Relevantes
 Linha Acm
 Temperatura de transformação
γ → Fe3C. Inicia-se a 727 °C
com 0,77%C e vai
aumentando com elevação
do teor de carbono, até
atingir 1148 °C a 2,11% C.
31

32. Microestrutura
 Aço Eutetóide – Teor de Carbono
0,77%p
 800ºC – totalmente γ
 727ºC – reação eutetóide
 Abaixo do eutetóide
Formação da Perlita (α + Fe3O)
Camadas mais claras – Ferrita α
Lamelas finas escuras – Cementita
 Mecanicamente, propriedades
intermediárias entre a ferrita e a
cementita.
32
monofásico
bifásico

33. Microestrutura
 Ligas Hipoeutetóides – Teor de
Carbono: 0,022% a 0,76%
 875ºC – monofásica austenita
 775ºC – formação de partículas de α
nos contornos de γ.
 Abaixo do eutetóide – não há
alteração da ferrita gerada
anteriormente ao ponto.
 A ferrita está presente na perlita
(ferrita eutetóide) e na fase formada acima
do ponto Te (ferrita proeutetóide).
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34. Microestrutura
 Ligas Hipereutetóides – Teor de
Carbono
 900ºC – fase γ
 Dentro da região γ + Fe3O – fase
cementita se forma ao longo dos
contornos dos grãos da fase γ,
chamada de cementita proeutetóide.
 Abaixo do eutetóide a austenita se
transforma em perlita.
 Microestrutura resultante: Perlita +
Cementita proeutetóide.
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35. Microestrutura
35
Micrografias de (a) ferrita α e (b) austenita
(Callister Jr. e Rethwisch)

36. Microestrutura
 Microconstituintes e fases formadas durante o resfriamento em condições
de equilíbrio.
36

37. Questão Petrobras 2012
 O diagrama Fe-C metaestável é constituído das seguintes fases na região
de importância tecnológica: líquido, austenita, ferrita alfa, ferrita delta e
cementita.
 Essas fases sofrem diversas transformações em função da temperatura,
sabendo-se que, durante o
(A) resfriamento, o líquido eutético se transforma em ferrita e perlita.
(B) resfriamento, o líquido eutético se transforma em ferrita e austenita.
(C) resfriamento, a austenita eutetoide se transforma em ferrita e cementita.
(D) aquecimento, a ferrita e a austenita se transformam em líquido eutético.
(E) aquecimento, a ferrita peritetoide se transforma em austenita e líquido.
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38. Exercício
 Para uma liga composta por 99,65%p Fe-0,35%p C, a uma temperatura
imediatamente abaixo da eutetóide, determine as frações das fases ferrita
total e cementita.
38
0,022
6,70
0,035

39. Influência dos elementos de liga
 A adição de elementos de ligas permite obter melhoras de
algumas propriedades dos metais.
 Deslocamento da posição eutetóide em relação à temperatura e à
concentração do carbono
 Mn, Ni e Co alargam a faixa de temperaturas para austenita
estável;
 Si, Cr, Mo, Ti, entre outros, estreitam a faixa de temperaturas de
austenita estável.
 Mn e Ni diminuem à temperatura do eutetóide
 Cr, Si, Mo e Ti tendem a aumentá-la.
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40. Influência dos elementos de liga
40

41. Influência dos elementos de liga
41

42. Exercício de Fixação
1. Diferencie fusão congruente e incongruente.
2. Explique a diferença entre fases de equilíbrio e fases metaestáveis.
3. Determine a composição das fases presentes em uma liga eutética de Sn-
Bi.
42

43. Exercício de Fixação
4. A solubilidade de carbono é maior na austenita ou na ferrita? Explique o
porquê.
5. Cite a(s) fase(s) presente(s) e as quantidades relativas em termos de
frações mássicas da(s) fase(s) para as ligas a seguir .
a. 75%p Sn-25%p Pb a 150°C
b. Determine as frações volumétricas
das fases encontradas na letra a.
Densidades: Sn = 7,24 g/cm3 e
Pb= 11,23 g/cm3
c. 70%p Ag-30%p Cu a 900°C
d. O percentual das fases presentes
em uma liga Ag-Cu de composição
Eutética.
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