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Endurecimento por dispersão de fases e diagramas de
fases eutéticos
Prof. Dra. Lauralice Canale1º semestre de 2017
UNIVESIDADE DE SÃO PAULO
EESC/IFSC/IQSC
SCM5757 – Ciência dos Materiais I
Compostos intermetálicos
• Formado por dois ou mais elementos
metálicos que produzem uma fase com
composição, estrutura cristalina e
propriedades próprias.
• Ligas endurecidas por dispersão
frequentemente contem um composto
intermetálico como fase dispersa.
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• Compostos intermetálicos estequiométricos:Possuem uma composição química fixa. Cementita é um
exemplo. Tem 3 átomos de C para um de Fe. Importante fase
endurecedora no caso de aços.
• Compostos intermetálicos não -
estequiométricos:Podem se formar em uma faixa de composição química e são
chamados as vezes de soluções sólidas intermediárias. Por
exemplo a precipitação de Cu Al2 no envelhecimento de liga
de Al.
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Diagramas de fases com reações
trifásicas• São mais complexos do que os isomorfos e envolvem 3
diferentes fases.
4(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license.
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1150ºC, 15% B, peritética:δ + L γ
920ºC, 40%B, monotética:L1 γ + L2
750ºC, 70% B, eutética:L γ + β
450ºC, 20% B, eutetóide:γ α + β
300ºC, 50% B, peritetóide:α + β μ
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Cada uma dessas reações trifásicas ocorre em uma temperatura e composição fixas.
A regra de fase de Gibbs para uma reação trifásica (com pressão constante) é:
F=C-P+1 C=2 P=3 F=0
Não há graus de liberdade. São conhecidas como invariantes, ou seja a temperatura e a composição de cada fase envolvida na reação trifásica são fixas
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• Três fases são observadas neste diagrama: α, β e líquida.
• A fase α é uma solução sólida rica em cobre, tem prata como soluto e estrutura cristalina CFC.
• A fase β é uma fase sólida de estrutura CFC, mas tem o cobre como soluto.
• Abaixo da linha BEG estes elementos têm sua solubilidade limitada. O limite de solubilidade de α é limitado pela linha CBA.
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Estruturas cristalinas: (a) cúbico de face centrada, CFC, (b) cúbico de corpo centrado, CCC e (c) tetragonal de corpo centrado.
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Solidificação e microestrutura da liga Pb-2%Sn. A liga apresenta apenas uma fase sólida.
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Solidificação, precipitação e microestrutura da liga Pb-10%Sn. O fortalecimento por dispersão acontece devido aos precipitados sólidos de β.
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Reação eutética
• Na composição eutética a liga se solidifica a uma temperatura inferior de qualquer outra liga.
• A reação eutética ou invariante pode ser escrita assim:
• Para o sistema chumbo-estanho:
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Microestrutura em ligas eutéticas
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Diagrama de fases chumbo-estanho
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Solidificação e microestrutura de uma liga Pb-61.9%Sn. (Eutética)
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Curva de arrefecimento tempo-temperatura da liga Pb-Sn, na temperatura eutética.
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(a) Redistribuição dos átomos durante o crescimento lamelar de um eutético chumbo-estanho. Átomos de estanho do líquido preferencialmente se difundem às lamelas β, e os átomos de chumbo se difundem às lamelas de α. (b) Microestrutura da composição eutética (x400).
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Solidificação e microestrutura em uma liga hipoeutética (Pb-30%Sn)
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Microestruturas de ligas Pb-Sn (a) hipoeutética (α primário) e (b) hipereutética (β primário). (x400)
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Resistência das ligas eutéticas
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(a) Colônias eutéticas da liga Pb-Sn, (b) espaçamento interlamelar da microestrutura eutética.
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Solidificação de não-equilíbrio nos sistemas eutéticos
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Microestrutura e solidificação de não-equilíbrio da liga Pb-15%Sn. Um microconstituinte de não-equilibrio eutético pode se formar se a solidificação for muito rápida.
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Diagramas ternários
• Liga ternária: uma liga formada pela combinação de três elementos ou componentes.
• Diagrama de fases ternários: tem três componentes, cujas composições estão indicadas usando como base um triângulo equilátero, sendo que os componentes puros se localizam nos vértices dos triângulos.
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Diagrama ternário hipotético.Diagrama de fases binários são apresentados em 3 faces.
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Diagrama ternário hipotético, onde x=α, y= α+ γ e z= α+β+ γ.
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Ligas Ferrosas
• Aços: uma liga Ferro-Carbono cujo teor em Carbono varia entre 0.03% e 2.06%, contendo Si, Mn, P e S
– Designação: AISI (American Iron and Steel Institute) e SAE (Society of Automotive Engineers) usam um sistema de classificação de quatro ou cinco dígitos.
– Classificação: os aços podem ser classificados pela sua composição ou pela forma de como foram processados.
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•Ferro fundido branco: liga Fe-C-Si com 1,8-3,6% C e 0,5-1,9% Si. Apresenta grande quantidade de carboneto de ferro numa matriz perlítica. Assim quando fraturam revelam uma superfície branca.
•Ferro fundido cinzento: liga Fe-C-Si com 2,5-4,0% C e 1-3% Si. Contém grande quantidade de carbono, sob a forma de lamelas de grafite. Quando sofre fratura, a superfície aparece cinzenta devido à grafita exposta.
•Ferro fundido nodular: grafita em forma de nódulos. Chamado de ferro fundido dúctil. Contem Si (grafitizante e nodulizantes (Mg))
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Diagrama Ferro-Carbono
• Apresenta as seguintes fases sólidas:– Ferrita α: solução sólida intersticial de carbono no ferro CCC,
a solubilidade (sólida) máxima do carbono no ferro CCC é de 0,02%.
– Austenita γ: solução sólida intersticial de carbono no ferro CFC, a solubilidade (sólida) máxima do carbono na austenita é de 2%.
– Cementita (Fe3C): composto intermetálico Fe3C; substância dura e frágil.
– Ferrita δ: solução sólida de carbono intersticial no ferro δ. Como a ferrita α, tem estrutura CCC, embora tenha um parâmetro de rede superior. A solubilidade do carbono no ferro δ é de 0.,09%.
– Perlita: α+Fe3C– Ledeburita: γ+ Fe3C
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Diagrama Metaestável Fe-Fe3C
Componentesou Elementos:
Fases:
Fe3C
Fe Fe3C
+ Fe3C
+ Fe3C
Fe 6,66% C
Fe
C
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Diagrama Metaestável Fe-Fe3C
Constituintes:
Fe3C
Perlita (+Fe3C)
Ledeburita (+Fe3C)
Ledeburita Transformada
Const.Bifásicos
Const.Monofásicos
(+Fe3C)
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Microestruturas nas ligas Fe-C
Transformação de um aço eutetóide (0,8% de C) em arrefecimento lento. No ponto a sua estrutura permanece austenítica. Abaixo da temperatura eutetóide, ponto b, aparece uma estrutura lamelar denominada perlita.
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(a)Microestrutura de um aço eutetóide arrefecido lentamente. Consiste em perlita lamelar. A fase mais escura é a cementita, e a fase branca ferrita. (b) Representação esquemática da formação de perlita da austenita: a direção da difusão do carbono está indicado pelas setas.
(a) (b)
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Transformação de uma aço hipoeutetóide (0,76% de C) em arrefecimento lento. A 875ºC, no ponto c, a microestrutura se constitui apenas de austenita. No ponto d se observa γ+α. No ponto f toda a austenita presente se transforma em perlita.
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Microestrutura de um aço carbono hipoeutetóide com 0,38% de carbono arrefecido lentatamente. O constituinte branco é a ferrita pró-eutetoíde; o constituinte escuro é a perlita.
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Transformação de um aço hipereutetóide arrefecido lentamente. Em g se observa apenas austenita, em h, austenita e cementita. No ponto i toda a austenita remanescente é convertida em perlita, de forma que a microestrutura resultante consiste de perlita e cementita pró-eutetóide.
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Microestrura de um aço carbono hipereutetóide com 1,4% de carbono arrefecido lentamente. O constituinte branco é a cementita pró-eutetoíde que se formou nos contornos de grão da austenita inicial; o constituinte escuro é perlita lamelar grosseira.
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Influência de outros elementos de liga
(a)(b)
(a) Variação da temperatura eutetóide em função da concentração de diversos elementos de liga, (b)Variação da composição eutetóide (%C) em função da concentração dos elementos de liga.
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Diagrama de fases dos materiais cerâmicos
(a) Diagrama de equilíbrio do sistema oxido de alumínio - oxido de cobre e (b) do sistema oxido de alumínio - oxido de magnésio, (ss significa solução sólida).
(a) (b)