T20

20 novembro 2006, 09:30 • Augusto Moita de Deus

Arrefecimentos de não-equilíbrio: para além dos casos discutidos na aula anterior, há a possibilidade de formação de fases não previstas no diagrama de equilíbrio, como se verá no capítulo seguinte (por exº, em precipitação, fases com composição situada entre a fase reagente e a fase que precipita em equilíbrio; fases que sejam produtos de transformações martensíticas; fases vítreas, etc.) Quaisquer considerações a este nível têm de ser baseadas, não em conceitos gerais, mas no conhecimento detalhado das ligas em causa.

Papel da difusão na precipitação e nas transformações eutécticas (que neste último caso ocorre numa direcção paralela à interface sólido-líquido).

Sistematização da análise dos diagramas de equilíbrios de fases:

1) identificar as reacções isotérmicas (ou, invariantes), quer trifásicas (de tipo eutéctico ou de tipo peritéctico), quer bifásicas (fusão de componente puro, transformação alotrópica, ponto de fusão congruente).

Atenção: um ponto de fusão incongruente cai, regra geral, dentro da categoria das transformações peritécticas;

notar também que o diagrama encerra também informação das transformações não isotérmicas (fusão/solidificação em geral; precipitação).

2) identificar com clareza as regiões monofásicas do diagrama.

Estas terão sempre de ser identificadas com o símbolo apropriado;

notar que as regiões bifásicas nem sempre são identificadas;

notar ainda que algumas fases intermédias (compostos intermetálicos sem extensão de solubilidade) surgem como linhas verticais (em rigor, serão duas linhas muito próximas);

situação similar sucede em fases terminais em que a solubilidade é quase nula: a respectiva linha solvus -bem como a solidus- frequentemente confundem-se com as linhas verticais extremas do diagrama (os eixos das ordenadas), embora teoricamente saibamos que a linha solvus não toca no estremo do diagrama -e a solidus toca no extremo do diagrama precisamente no ponto de fusão.

Conceito de liga: designa uma composição global definida.

Na linguagem do dia-a-dia, "liga" assume o significado daquilo que aqui designamos por sistema "sistema"; se tivermos duas peças de aço com composições diferentes, por exemplo 0.5%C e 1%C, na linguagem do dia-a-dia diríamos que temos duas peças da mesma "liga", sendo ambas aços. Mas em Engenharia de Materiais preferimos afirmar que temos duas peças de ligas diferentes -dois aços diferentes- para o mesmo sistema, i.e., Fe-C).

Diagramas binários em que intervêm materiais cerâmicos (ou poliméricos): são lidos e interpretados da mesma forma que os diagramas dos metais.

Ligas comuns em Engenharia: Fe-C (aços-carbono e ferros fundidos), ligas Cu-Zn (latões), ligas genéricas de cobre (bronzes), etc.

Muitas ligas ferrosas assumem também a designação de aços (por exº, aços inoxidáveis, baseados no sistema Fe-Cr; ou aços ligados).

Outras ligas de interesse em engenharia são por exº as ligas de alumínio, magnésio, titânio, níquel, etc.

Diagrama estável Fe-C. Cementite (carboneto de ferro, Fe3C) como fase metastável. Justificação do uso do diagrama metastável (i.e., diagrama Fe-Fe3C) nas aplicações, e não do diagrama estável. Discussão a realizar nas aulas práticas: aços hipoeutectóides e hipereutectóides; fases primárias (pró-eutectóides); significado dos termos ferrite, austenite, cementite, perlite. Previsão da microstrutura de equilíbrio, à temperatura ambiente, de aços-carbono hipo- e hiper-eutectóides.

Diagramas de fases a 1 componente. Diagrama da água. Ponto triplo a 0.01 ºC. Variação da temperatura de ebulição com a pressão. Humidade relativa. Ponto de orvalho. Aplicação da Regra das Fases de Gibbs a diagramas a 1 componente: L + F = 3. Diagrama do Fe. Importância da determinação do ponto de ebulição dos metais; toxicidade dos vapores metálicos.

Smith: 436, 437; 465, 467; 481, 485-497; 524, 529.

P9

17 novembro 2006, 11:00 • Augusto Moita de Deus

Problemas, série AP5: 3 a, c. Para entregar (IV): 3 b, d.

T19

17 novembro 2006, 09:30 • Augusto Moita de Deus

Arrefecimentos de ligas em condições de não-equilíbrio.

Em geral um "arrefecimento em equilíbrio" é associado a um processo de arrefecimento muito lento, por exemplo, dentro de um forno fechado. No entanto, para taxas de arrefecimento moderadas (por exemplo, num arrefecimento ao ar) ou severas (por exemplo, um arrefecimento em água) a condição de equilíbrio termodinâmico em geral já não se verifica.

O diagrama de equilíbrio de fases vai continuar a ser usado como ponto de partida. No entanto, ao introduzir na consideração do processo uma taxa de arrefecimento finita (em contraste com o equilíbrio, em que a taxa de arrefecimento tende para zero, i.e., os arrefecimentos completam-se a um tempo infinito), temos de introduzir os conceitos de nucleação e difusão, que vão determinar a ocorrência e cinética das transformações de fase.

Nesta aula centralizou-se a atenção no efeito da difusão nas microstruturas que resultam de arrefecimentos em condições de não equilíbrio. As previsões de tais microstruturas de não-equilíbrio que serão feitas com base no diagrama de equilíbrio, em conjunto com raciocínios de supressão ou retardamento do fenómeno de difusão, serão necessariamente de índole qualitativa.

Microstruturas de não-equilíbrio incluem, de forma isolada ou em conjunto as seguintes possibilidades:

• zonamento (exemplo de uma sistema isomorfo com solubilidade total);
  
• • Discussão da incerteza da posição da linha solidus de não equilíbrio, posição essa que depende da taxa de arrefecimento.
    
  • É frequente eliminar o carácter não-homegéneo do ponto de vista da composição característico da microstrutura zonada através de um tratamento térmico, denominado "homogeneização", em que a liga é colocada a uma temperatura relativamente elevada (para favorecer a difusão; recordar o efeito marcado da temperatura no coeficiente de difusão), mas abaixo das linhas de transformação (por exº linha solvus ou solidus).
• encapsulamento (exemplo de uma sistema peritéctico);
  
• eutécticos divorciados (exemplo de um sistema eutéctico).

Notar que é comum microstruturas que revelem encapsulamento ou eutécticos divorciados também encerrem grãos zonados.

Notar ainda que se as linhas limites associdas a uma dada fase sólida forem quase verticais, é possível que o fenómeno de zonamento não exista, ou na prática não seja detectado.

Smith: 172-176, 445-447, 460-462.

P8

13 novembro 2006, 11:00 • Augusto Moita de Deus

Problemas, série AP5: 1.

T18

13 novembro 2006, 09:30 • Augusto Moita de Deus

Reacções isotérmicas bifásicas. Exemplos:

• pontos de fusão de componentes puros,
  
• pontos de fusão congruente,
  
• transformações alotrópicas.
  

Reacções isotérmicas trifásicas:

• de tipo eutéctico (por exº, eutéctica propriamente dita, eutectóide, monotéctica);
• de tipo peritéctico (por exº, peritéctica propriamente dita, peritectóide).
• • Os pontos de fusão incongruente caem na categoria das transformações de tipo peritéctico.

Reacções não isotérmicas:

Solidificação de uma liga, em geral:

ocorre num intervalo de temperatura, em oposição a ocorrer, em equilíbrio, a uma temperatura fixa, como no caso dos componentes puros; a solidificação começa, em equilíbrio, quando o ponto representativo da liga cruza a linha liquidus no diagrama de fases e só acaba quando esse ponto cruza a linha solidus (definindo-se assim o intervalo de solidificação);

Precipitação:

associada à existência de um limite na solubilidade sólida, que normalmente diminui com o decréscimo de temperatura. Linha solvus.

Formação preferencial dos precipitados nos limites de grão da fase pré-existente.

Microstruturas possíveis resultantes de uma reacção eutéctica: lamelar (lamelas tanto mais grossas quanto menor fôr a taxa de arrefecimento), em varão, globular.

Tipos de fases sólidas: componentes puros (elementos e compostos), representados pelas respectivas fórmulas químicas; e misturas, i.e., soluções sólidas (de tipo intersticial ou substitucional), representados usualmente por letras gregas ou, em alternativa, pelo elemento químico que é o solvente, entre parêntesis curvos. Representação de um composto intermetálico nos diagramas de fase (linha vertical, nos casos em que práticamente não há solubilidade sólida, ou seja apenas ocorre o composto com a composição estequiometricamente definida). Fases terminais e intermédias.

Smith: 455, 462-469.