Slide - Aula 7 Diagramas de Fase 2022-2

2/8/2023 1 LAST CLASS... Tensão (σ ou τ, MPa) Deformação (ε, adimensional) θ εRuptura εEscoamento σEscoamento Ruptura do material σRuptura FRATURA FRÁGIL X Ocorrem com pouca ou nenhuma deformação plástica, com baixa absorção de energia através de uma rápida propagação da trinca (c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license. FRATURA DUCTIL Deformação plástica localizada. Formação de pescoço, com perfil denominado taça-cone FADIGA Fratura por esforço repetitivo • Fratura frágil = sem grande deformação plástica • Esforços envolvidos < tensão de ruptura do material • Solicitação lenta ou rápida, porém de forma cíclica Características AULA AULA AULA AULA 00007777 –––– DIAGRAMAS DE FASE DIAGRAMAS DE FASE DIAGRAMAS DE FASE DIAGRAMAS DE FASE D E F IN I ÇÕE S E C O N C E ITO B Á S I C O S D E F IN I ÇÕE S E C O N C E ITO B Á S I C O S D E F IN I ÇÕE S E C O N C E ITO B Á S I C O S D E F IN I ÇÕE S E C O N C E ITO B Á S I C O S S I S T E M AS I S O M O RF O S B I N Á R IO S S I S T E M AS I S O M O RF O S B I N Á R IO S S I S T E M AS I S O M O RF O S B I N Á R IO S S I S T E M AS I S O M O RF O S B I N Á R IO S S I S T E M AS S I S T E M AS S I S T E M AS S I S T E M AS E U T É TI CO S E U T É TI CO S E U T É TI CO S E U T É TI CO S B I N Á RI O S B I N Á RI O S B I N Á RI O S B I N Á RI O S D I A G RAM A D E FA S E F E RRO D I A G RAM A D E FA S E F E RRO D I A G RAM A D E FA S E F E RRO D I A G RAM A D E FA S E F E RRO ---- CAR BON O ( TA R E FA) CAR BON O ( TA R E FA) CAR BON O ( TA R E FA) CAR BON O ( TA R E FA) 2/8/2023 2 DEFINIÇÕES E CONCEITOS •Diagramas de equilíbrio de fases: Representação gráfica das fases presentes em um sistema de acordo com as condições de temperatura, composição e pressão. Diagrama de fases de açúcar/água Açucar Temperatura (ºC) 0 20 40 60 80 100 C = Composição (% peso de Açucar) L (sol. líquida i.e., xarope) L (Líquido) + S (açucar sólido) 20 40 60 80 100 Água Adapted from Fig. 9.1, Callister & Rethwisch 8e. DEFINIÇÕES E CONCEITOS •Diagramas de equilíbrio de fases: Representação gráfica das fases presentes em um sistema de acordo com as condições de temperatura, composição e pressão. Diagrama de fases de açúcar/água Açucar Temperatura (ºC) 0 20 40 60 80 100 C = Composição (% peso de Açucar) L (sol. líquida i.e., xarope) L (Líquido) + S (açucar sólido) 20 40 60 80 100 Água Adapted from Fig. 9.1, Callister & Rethwisch 8e. • Fases: Porção homogênea de um sistema que possui características físicas e químicas uniformes. Exemplo: água, gelo, metal puro, uma solução líquida ou sólida, etc. Materiais que possuem formas polimórficas (exemplo Fe CCC e Fe CFC), cada uma dessas estruturas consiste em uma fase separada. DEFINIÇÕES E CONCEITOS •Diagramas de equilíbrio de fases: Representação gráfica das fases presentes em um sistema de acordo com as condições de temperatura, composição e pressão. Diagrama de fases de açúcar/água Açucar Temperatura (ºC) 0 20 40 60 80 100 C = Composição (% peso de Açucar) L (sol. líquida i.e., xarope) L (Líquido) + S (açucar sólido) 20 40 60 80 100 Água Adapted from Fig. 9.1, Callister & Rethwisch 8e. • Fases: Porção homogênea de um sistema que possui características físicas e químicas uniformes. Exemplo: água, gelo, metal puro, uma solução líquida ou sólida, etc. Materiais que possuem formas polimórficas (exemplo Fe CCC e Fe CFC), cada uma dessas estruturas consiste em uma fase separada. • Sistema: Neste contexto, sistema está relacionado à série de possíveis misturas compostas pelos componentes. Exemplo: Sistema Fe-C, Sistema Al2O3-ZrO2, Sistema Polietileno-Polipropileno. DEFINIÇÕES E CONCEITOS •Diagramas de equilíbrio de fases: Representação gráfica das fases presentes em um sistema de acordo com as condições de temperatura, composição e pressão. Diagrama de fases de açúcar/água Açucar Temperatura (ºC) 0 20 40 60 80 100 C = Composição (% peso de Açucar) L (sol. líquida i.e., xarope) L (Líquido) + S (açucar sólido) 20 40 60 80 100 Água Adapted from Fig. 9.1, Callister & Rethwisch 8e. • Fases: Porção homogênea de um sistema que possui características físicas e químicas uniformes. Exemplo: água, gelo, metal puro, uma solução líquida ou sólida, etc. Materiais que possuem formas polimórficas (exemplo Fe CCC e Fe CFC), cada uma dessas estruturas consiste em uma fase separada. • Sistema: Neste contexto, sistema está relacionado à série de possíveis misturas compostas pelos componentes. Exemplo: Sistema Fe-C, Sistema Al2O3-ZrO2, Sistema Polietileno-Polipropileno. •Componente: São elementos e/ou compostos puros que compõe uma liga e/ou um material. Exemplo: Fe, Al, C, Cu, Ni, Al2O3, ZrO2, etc. DEFINIÇÕES E CONCEITOS •Diagramas de equilíbrio de fases: Representação gráfica das fases presentes em um sistema de acordo com as condições de temperatura, composição e pressão. Diagrama de fases de açúcar/água Açucar Temperatura (ºC) 0 20 40 60 80 100 C = Composição (% peso de Açucar) L (sol. líquida i.e., xarope) L (Líquido) + S (açucar sólido) 20 40 60 80 100 Água Adapted from Fig. 9.1, Callister & Rethwisch 8e. •Equilíbrio de fases: Um sistema está em equilíbrio quando sua energia é mínima para coma combinação específica de temperatura, pressão e composição. Quando um sistema está em equilíbrio ele não irá mudar com o tempo. Um sistema fora do equilíbrio irá mudar até atingir o estado de equilíbrio. DIAGRAMA DE UM COMPONENTE SiO2 SiO2 Principais: Quartzo, Cristobalita e a Tridimita Pressão x Temperatura H2O H2O 2/8/2023 3 DIAGRAMA DE UM COMPONENTE SiO2 SiO2 Principais: Quartzo, Cristobalita e a Tridimita Pressão x Temperatura H2O H2O • Diagramas de fase: Indicam os tipos fases (composição e a quantidade das fases) em função da Temperatura, Composição, e Pressão. • Neste curso: - sistemas binários: apenas 2 componentes. - variáveis independentes: T e C (P = 1 atm é quase sempre usado). EXERCÍCIO •Diagramas de equilíbrio de fases: Representação gráfica das fases presentes em um sistema de acordo com as condições de temperatura, composição e pressão. Diagrama de fases de açúcar/água Açucar Temperatura (ºC) 0 20 40 60 80 100 C = Composição (% peso de Açucar) L (sol. líquida i.e., xarope) Limite de Solubilidade L (Líquido) + S (açucar sólido) 20 40 60 80 100 Água Adapted from Fig. 9.1, Callister & Rethwisch 8e. •Quais são os componentes? •Quais são as fases? EXERCÍCIO •Diagramas de equilíbrio de fases: Representação gráfica das fases presentes em um sistema de acordo com as condições de temperatura, composição e pressão. Diagrama de fases de açúcar/água Açucar Temperatura (ºC) 0 20 40 60 80 100 C = Composição (% peso de Açucar) L (sol. líquida i.e., xarope) Limite de Solubilidade L (Líquido) + S (açucar sólido) 20 40 60 80 100 Água Adapted from Fig. 9.1, Callister & Rethwisch 8e. •Quais são os componentes? •H2O e C12H22O11 •Quais são as fases? •Solução líquida (Xarope) e açúcar sólido. Limite de solubilidade: Concentração máxima de átomos de soluto que pode se dissolver no solvente para formar uma solução. 17 70 80 100 60 40 20 0 Temperatura (ºC) C = Composição (% peso de açucar) L (Xarope) 20 100 40 60 80 0 L (xarope) + S (açucar sólido) EFEITO DA TEMPERATURA E COMPOSIÇÃO • Alterar T pode mudar no de fases: Ir de A para B. • Alterar C pode mudar no de fases: Ir de B para D. Sistema água- açucar Adapted from Fig. 9.1, Callister & Rethwisch 8e. D (100ºC,C = 90) 2 fase B (100ºC,C = 70) 1 fase A (20ºC,C = 70) 2 fases 18 CRITÉRIOS PARA SOLUBILIDADE SÓLIDA Estrutura cristalina Electroneg. r (nm) Ni CFC 1.9 0.1246 Cu CFC 1.8 0.1278 • Ambos têm a mesma estrutura cristalina (CFC) e têm electronegatividades e raios atômicos similares sugerindo alta solubilidade mútua. Sistema simples (ex., solução Ni-Cu) • Ni e Cu são totalmente solúveis em um outro para todas as proporções. 2/8/2023 4 19 Adapted from Fig. 9.3(a), Callister & Rethwisch 8e. (Fig. 9.3(a) is adapted from Phase Diagrams of Binary Nickel Alloys, P. Nash (Ed.), ASM International, Materials Park, OH (1991). • 2 fases: L (Líquido) α (sol. Sólida CFC) • 3 campos de fase: L L + α α %p Ni 20 40 60 80 100 0 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 T(ºC) L (Líquido) α (Solução Sólida CFC) DIAGRAMA DE FASE BINÁRIO ISOMORFO Sistema Cu-Ni 20 • O sistema é: Adapted from Fig. 9.3(a), Callister & Rethwisch 8e. (Fig. 9.3(a) is adapted from Phase Diagrams of Binary Nickel Alloys, P. Nash (Ed.), ASM International, Materials Park, OH (1991). -- Binário i.e., 2 Componentes: Cu e Ni. -- isomorfo i.e., solubilidade completa de um componente em outro; campo de fase α estende de 0 a 100 %p de Ni. %p Ni 20 40 60 80 100 0 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 T(ºC) L (Líquido) α (sol. sólida CFC) DIAGRAMA DE FASE BINÁRIO ISOMORFO Sistema Cu-Ni %p Ni 20 40 60 80 100 0 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 T(ºC) L (Líquido) α (CFC) 21 DETERMINAÇÃO DE FASE(S) PRESENTE • Regra 1: Se conhecemos T e Co, então nós sabemos: -- que fase (s) está (estão) presente (s). • Exemplos: A(1100ºC, 60 %p Ni): 1 Fase: α B(1250ºC, 35 %p Ni): 2 Fases: L + α B (1250ºC,35) A(1100ºC,60) Adapted from Fig. 9.3(a), Callister & Rethwisch 8e. (Fig. 9.3(a) is adapted from Phase Diagrams of Binary Nickel Alloys, P. Nash (Ed.), ASM International, Materials Park, OH (1991). Sistema Cu-Ni 22 %p Ni 20 1200 1300 T(ºC) L (Líquido) α (Sólido) 30 40 50 Sistema Cu-Ni DETERMINAÇÃO DA COMPOSIÇÃO DAS FASES • Regra 2: Se conhecemos T e C0, podemos determinar: -- a composição de cada fase. • Exemplos: TA A 35 C0 32 CL Em TA= 1320ºC: Somente líquido (L) presente CL = C0 ( = 35 %p Ni) Em TB= 1250ºC: Ambos α e L presente CL = Cliquidus ( = 32 %p Ni) Cα = Csolidus ( = 43 %p Ni) Em TD= 1190ºC: Somente sólido (α) presente Cα = C0 ( = 35 %p Ni) Considerar C0 = 35 %p Ni D TD tie line 4 Cα 3 Adapted from Fig. 9.3(a), Callister & Rethwisch 8e. (Fig. 9.3(a) is adapted from Phase Diagrams of Binary Nickel Alloys, P. Nash (Ed.), ASM International, Materials Park, OH (1991). B TB Sistema Cu-Ni No ponto B tem mais fase líquida ou fase sólida? %p Ni 20 1200 1300 T(ºC) L (Líquido) α (Sólido) 30 40 50 tie line B DETERMINAÇÃO DAS FRAÇÕES DAS FASES 24 • Regra 3: Se conhecemos T e C0, Podemos determinar: -- a fração em peso de cada fase. • Exemplos: Em TA: Somente líquido (L) presente WL = 1.00, Wα = 0 Em TD: Somente sólido ( α ) presente WL = 0, Wα = 1.00 DETERMINAÇÃO DAS FRAÇÕES DAS FASES %p Ni 20 1200 1300 T(ºC) L (Líquido) α (Sólido) 30 40 50 TA A 35 C0 32 CL B TB D TD tie line 4 Cα 3 R S At TB : Ambos α e L presentes = 0.27 WL = S R +S Wα = R R +S Considerar C0 = 35 wt% Ni Adapted from Fig. 9.3(a), Callister & Rethwisch 8e. (Fig. 9.3(a) is adapted from Phase Diagrams of Binary Nickel Alloys, P. Nash (Ed.), ASM International, Materials Park, OH (1991). Sistema Cu-Ni 2/8/2023 5 25 • Tie line – conecta as fases em equilíbrio entre si – também às vezes chamada de uma isoterma A REGRA DA ALAVANCA Qual fração de cada fase? Pense na tie line como uma alavanca ML Mα R S wt% Ni 20 1200 1300 T(ºC) L (liquid) α (solid) 30 40 50 B TB tie line CL C0 Cα S R Adapted from Fig. 9.3(b), Callister & Rethwisch 8e. Sistema Cu-Ni 26 %p Ni 20 1200 1300 30 40 50 110 0 L (Líquido) α (Sólido) T(ºC) A 35 C0 L: 35 %Ni Adapted from Fig. 9.4, Callister & Rethwisch 8e. • Considerar mudanças microestruturais que acompanham o resfriamento de uma liga C0 = 35 %p Ni EX: RESFRIAMENTO DE LIGA 46 35 43 32 α: 43 % Ni L: 32 % Ni B α: 46 % Ni L: 35 % Ni C E L: 24 % Ni α: 36 % Ni 24 36 D Sistema Cu-Ni • Taxa lenta de resfriamento: Estrutura de equilíbrio • Taxa de resfriamento rápida: Estrutura com Segregação Primeiro α a solidif.: 46 %p de Ni Último α a solidif.: < 35 %p de Ni 27 • Cα muda conforme nós solidificamos o material. • Caso Cu-Ni: Primeiro α a solidificar tem Cα = 46 %p Ni. Último α a solidificar tem Cα = 35 %p Ni. ESTRUTURAS DE EQUILÍBRIO E COM SEGREGAÇÃO Cα Uniforme : 35 %p Ni 28 PROPRIEDADES MECÂNICAS • Efeito do endurecimento por solução sólida em: -- Resistência à tração (LRT) -- Ductilidade (%EL) Adapted from Fig. 9.6(a), Callister & Rethwisch 8e. Lim. De Res. a Tração (MPa) Composição, %p Ni Cu Ni 0 20 40 60 80 100 200 300 400 LRT para Ni puro LRT para Cu puro Ductilidade (%EL) Composição, %p Ni Cu Ni 0 20 40 60 80 100 20 30 40 50 60 %EL para Ni puro %EL para Cu puro Adapted from Fig. 9.6(b), Callister & Rethwisch 8e. Sistema Cu-Ni 1) Quais são os componentes do sistema? • A) α e β • B) α e β e L • C) Cu e Ag • D) L+α, L+ β, α+β 2) Quais são as fases do sistema? • A) α e β • B) α e β e L • C) Cu e Ag • D) L+α, L+ β, α+β EXERCÍCIO Sistema Cu-Ag L (Líquido) α L + α L+ββ α + β C, %p Ag 20 40 60 80 100 0 200 1200 T(ºC) 400 600 800 1000 CE 8.0 71.9 91.2 30 tem uma composição especial com um min. no ponto de fusão Adapted from Fig. 9.7, Callister & Rethwisch 8e. SISTEMAS EUTÉTICOS BINÁRIOS • 3 regiões de fase única (L, α, β) • Solubilidade limitada: α: Principalmente Cu β: Principalmente Ag • TE : Sem líq. Abaixo de TE : Composição do ponto eutético • CE Ex.: Sistema Cu-Ag L (Líquido) α L + α L+ββ α + β C, %p Ag 20 40 60 80 100 0 200 1200 T(ºC) 400 600 800 1000 CE TE 8.0 71.9 91.2 779ºC cooling heating • Reação eutética L(CE) α(CαE) + β(CβE) Sistema Cu-Ag 2/8/2023 6 31 L+α L+β α + β 200 T(ºC) 18.3 C, % p Sn 20 60 80 100 0 300 100 L (Líquido) α 183ºC 61.9 97.8 β • Para liga 40 %p Sn-60 %p Pb a 150ºC, determine: -- as fases presentes Sistema Pb-Sn EX 1: SISTEMA EUTÉTICO Resposta: α + β -- a composição das fases -- a quantidade relativa de cada fase 150 40 C0 11 Cα 99 Cβ S R Resposta: Cα = 11 %p Sn Cβ = 99 %p Sn W α = Cβ - C0 Cβ - Cα = 99 - 40 99 - 11 = 59 88 = 0.67 S R+S = Wβ = C0 - Cα = Cβ - Cα R R+S = 29 88 = 0.33 = 40 - 11 99 - 11 Resposta: Adapted from Fig. 9.8, Callister & Rethwisch 8e. 32 Resposta: Cα = 17 wt% Sn -- as composições das fase L+β α + β 200 T(ºC) C, wt% Sn 20 60 80 100 0 300 100 L (liquid) α β L+α 183ºC • Para uma liga 40 %p Sn-60 %p Pb em 220ºC, determine: -- as fases presentes: Pb-Sn system -- a quantidade relativa de cada fase Wα = CL - C0 CL - Cα = 46 - 40 46 - 17 = 6 29 = 0.21 WL = C0 - Cα CL - Cα = 23 29 = 0.79 40 C0 46 CL 17 Cα 220 S R Resposta: α + L CL = 46 wt% Sn Resposta: Adapted from Fig. 9.8, Callister & Rethwisch 8e. EX 2: SISTEMA EUTÉTICO 33 • Para ligas cujo C0 < 2 %p Sn • Resultado: à T ambiente -- policristalino, com grãos de fase α tendo composição C0 DESENVOLVIMENTOS MICROESTRUTURAIS EM SISTEMAS EUTÉTICOS I 0 L+ α 200 T(ºC) C, wt% Sn 10 2 20 C0 300 100 L α 30 α+β 400 (lim. de solubilidade a T ambiente) TE Pb-Sn α L L: C0 p% Sn α: C0 % Sn Adapted from Fig. 9.11, Callister & Rethwisch 8e. 34 • Para ligas para cujo 2 %p Sn < C0 < 18.3 %p Sn • Resultado: para Ts no intervalo α + β -- policristalino com grãos de α e pequenas partículas de fase β Adapted from Fig. 9.12, Callister & Rethwisch 8e. DESENVOLVIMENTOS MICROESTRUTURAIS EM SISTEMAS EUTÉTICOS II Sistema Pb-Sn L + α 200 T(ºC) C, %p Sn 10 18.3 20 0 C0 300 100 L α 30 α+ β 400 (lim. de sol. a TE) TE 2 (lim. de sol a Tamb) L α L: C0 %p Sn α β α: C0 %p Sn 35 • Para a liga da composição C0 = CE • Resultado: Microestrutura Eutectica (estrutura lamelar) -- camadas alternadas (Lamelas) de fases α e β Adapted from Fig. 9.13, Callister & Rethwisch 8e. DESENVOLVIMENTOS MICROESTRUTURAIS EM SISTEMAS EUTÉTICOS III Adapted from Fig. 9.14, Callister & Rethwisch 8e. 160µm Micrografia de eutético Pb-Sn Sistema Pb-Sn L + β α + β 200 T(ºC) C, %p Sn 20 60 80 100 0 300 100 L α β L+α 183ºC 40 TE 18.3 α: 18.3 wt%Sn 97.8 β: 97.8 wt% Sn CE 61.9 L: C0 wt% Sn 36 ESTRUTURA EUTÉTICA LAMELAR Adapted from Figs. 9.14 & 9.15, Callister & Rethwisch 8e. Líquido Dir. de cresc. do eutético 2/8/2023 7 37 • Eutetóide – uma fase sólida se transforma em duas outras fases sólidas S2 S1+S3 γ α + Fe3C (Para Fe-C, 727ºC, 0.76 %p C) composto intermetálico - cementita resf aq EUTÉTICO, EUTETÓIDE E PERITÉTICO • Eutético - líquido se transforma em duas fases sólidas L α + β (Para Pb-Sn, 183ºC, 61.9 % p Sn) Resf. Aq. • Peritético - líquido e uma fase sólida transformam-se numa segunda fase sólida S1 + L S2 δ + L γ (Para Fe-C, 1493ºC, 0.16 %p C) Resf. Aq. 38 EUTETÓIDE E PERITÉTICO Diagrama de fase Cu-Zn Adapted from Fig. 9.21, Callister & Rethwisch 8e. Transformação eutetóide δ γ + ε Transformação peritética γ + L δ