Conhecimento e compreensão dos diagramas de fases

O conhecimento e a compreensão de diagramas de fases são importantes para:

(1) O projeto e o controle dos procedimentos utilizados em tratamentos térmicos.

(2) As Propriedades dos Materiais (Físicas, Térmicas, Químicas,

Magnéticas, Elétricas dentre outras) são funções de suas microestruturas e conseqüentemente de seu histórico térmico.

(3) Para sistemas de ligas é importante, pois existe uma forte correlação entra a microestrutura e as Propriedades Mecânicas dos materiais (Resistência a Tração, Elasticidade, Ductilidade, Fluência, Fadiga, Dureza e Tenacidade).

(4) O desenvolvimento de uma microestrutura está relacionado às características do seu diagrama de fases.

Microestrutura da PerlitaGrossa (esquerda) e Fina (direita) formada

(1) Componentes: São os metais puros ou compostos que compõem uma liga. Exemplo: No latão, os componentes são o Cobre e o Zinco. No Aço, os componentes são o Fe e o Carbeto e Ferro (Cementita, Fe3C).

(2) Soluto: É o elemento ou composto que está presente em menor concentração.

(3) Solvente: É o elemento ou composto que está presente em maior quantidade.

(4) Sistema: Está relacionando a uma série de possíveis ligas que consistem nos mesmos componentes, por exemplo: sistema Ferro-Carbono.

(5) Solução Sólida: Consiste de átomos de dois tipos diferentes; os átomos do soluto ocupam posições intersticiais ou substitutivas no retículo cristalino do solvente, e a estrutura cristalina do solvente é mantida.

Exemplo: O Latão, tem como componentes o Cobre-Zinco formando o Sistema Cu-Zn.

Def: É a concentração máxima de átomos de soluto que pode se dissolver no solvente, a uma dada temperatura, para formar uma solução sólida.

Considere o sistema Água-Açúcar. Inicialmente, à proporção que o açúcar é adicionado à água, forma-se uma solução ou xarope açúcar-água. À medida que mais açúcar é introduzido, a solução se torna mais concentrada, até que o limite de solubilidade é atingido, quando então a solução fica saturada com açúcar. Nesse instante, o solvente não é capaz de dissolver qualquer açúcar adicional, e as adições seguintes simplesmente se sedimentam no fundo do recipiente. Dessa forma o sistema consiste agora em duas substâncias separadas: uma solução liquida de xarope açúcar-água e cristais sólidos de açúcar que não foram dissolvidos.

O limite de solubilidade do açúcar na água depende essencialmente da temperatura da água e pode ser representado em forma de gráfico (Eixo Y: Temperatura, Eixo X: composição em porcentagem em peso dos componentes). O limite de solubilidade é representado pela linha quase vertical no gráfico. Para composições e temperaturas à esquerda da curva de solubilidade, existe somente a solução liquida de xarope; à direita da curva, coexistem o xarope e o açúcar sólido. A20°C a solubilidade máxima de açúcar na água é de 65%p (% em peso).

Fase: é uma porção homogênea de um sistema que possui características físicas e químicas uniformes. A solução de xarope açúcar-água é uma fase enquanto o açúcar sólido é outra fase. Nesse exemplo, cada fase possui propriedades físicas diferentes (uma é liquida e a outra é sólida) assim como propriedades químicas diferentes (uma é açúcar puro e a outra é uma solução). Não é necessário que existam diferenças tanto nas propriedades químicas e nas físicas, exemplo: Água e gelo, são duas fases, possuem as mesmas propriedades químicas, mas possuem propriedades físicas distintas. Ou Ainda quando uma substancia pode existir em duas ou mais formas polimórficas (estruturas C e CFC, exemplo, Ferrita-α (C) e Austenita (CFC)) cada uma dessas estruturas consistem em uma fase separada, pois suas características físicas são diferentes.

As propriedades físicas e o comportamento mecânico dos materiais dependem de sua microestrutura. Em ligas metálicas sua microestrutura é caracterizada por fatores tais como: (1) Número de fases presentes; (2) As proporções das fases presentes; (3) A maneira pela qual as fases estão distribuídas ou arranjadas.

Após o polimento e o ataque químico apropriado, as diferentes fases podem ser percebidas pelas suas aparências (no caso de uma liga bifásica, uma fase pode aparecer mais clara e a outra mais escura). Quando somente uma única fase está presente, a textura será uniforme, exceto pelos contornos dos grãos, que podem ser revelados.

Microestrutura de um Aço 1020.

Um sistema está em equilíbrio quando: (1) A sua energia livre se encontra em um valor mínimo para alguma combinação especifica de temperatura, pressão e composição. (2) As características do sistema não mudam ao longo do tempo, mas persistem indefinidamente; isto é, o sistema é estável.

Uma alteração na temperatura, na pressão ou na composição de um sistema em equilíbrio resultará em aumento na energia livre e em possível mudança espontânea para outro estado no qual a energia livre seja reduzida, buscando o equilíbrio.

Energia Livre: É uma função da energia interna (entalpia “H”) de um sistema e também da aleatoriedade molecular (entropia “S”). Energia Livre = F(entalpia, entropia) = F(H, S).

Resumo: O equilíbrio é função da energia livre que, por conseguinte é função da entalpia e entropia que, por conseguinte é função da temperatura, pressão e composição.

Sistema em Equilíbrio Energia Livre Min. (Entalpia, Entropia) (Temperatura, Pressão e Composição).

Exemplo2

Supondo que um xarope açúcar-água esteja contido no interior de um vaso fechado