teoria das ligas.diagrama de fases

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Cap. IV - Teoria de ligas. Diagrama de fases

  • Estruturas cristalinas de ligas no estado sólido, misturas, combinações químicas ou compostos e soluções sólidas.

  • Soluções sólidas à base de um composto de liga.

  • Diagrama de estado binário. Regra de fase, regra da alavanca;

  • Diagrama de estado de ligas de estrututras diferentes:isomorfas, eutéctica, peritéctica, e monotécnica.

  • Diagrama de estado de ligas que sofrem transformações polimorfas. Eutectóide e peritectóide.

  • Diagrama de fases à base de um composto

  • Relação entre propriedades da liga e o tipo de diagrama de estado.

4.1 - Estruturas cristalinas de ligas no estado sólido, misturas, combinações químicas ou compostos e soluções sólidas.

  • Liga – compreende ua substância obtida a partir da solidificação de uma fase líquida composta por dois ou mais elementos químicos.

  • Liga metálica – é uma substância com propriedades metálicas, obtida a partir da solidificação de uma fase líquida composta por um metal e outros elementos químicos.

  • Diz-se que uma liga é binária, ternária, quaternária, ..., consoante o número de componentes se fôr 2, 3, 4....

  • Do ponto de vista da composição química e estrutural, uma liga é formada por componentes, fases e constituintes.

Componentes – são elementos ou compostos que entram na composição de cada fase. Fase – é a parte homogénea e fisicamente distinta e separada por uma superfície limite bem definida ( fronteira). Constituinte – é a fase que apresenta no exame microscópico uma forma e distribuição característico. Estruturas das ligas – sob ponto de vista da iteracção interatómica na rede cristalina, as ligas metálicas podem ser: 1 – Misturas 2 – Compostos químicos 3 – Soluções sólidas Misturas – ocorrem quando a atracção mútua dos átomos diferentes é inferior (menor) à dos átomos idênticos e como consequência, os átomos dentro da rede cristalina do sólido, tendem a formar agrupamentos de átomos semelhantes.

Numa mistura, os componentes não se dissolvem mutuamente nem formam ligações químicas, cada componente conserva as suas propriedades mecânicas, físicas, químicas e de rede cristalina. As propriedades mecânicas nas misturas são função da correlação quantitativa dos componentes e também do tamanho e da forma do grão. Composto químico (combinações) – obtem-se quando os componentes da liga possuem átomos ligados através da ligação química, ou seja, a ligação interatómica obedece uma certa estequimetria. Quando a diferênça de electronegatividade fôr muito grande dá-se a formação de compostos iónicos, de carácter rígido sem elasticidade. Um composto químico tem propriedades metálicas e cristalinas diferentes das dos componentes. Soluções sólidas – obtêm-se quando existir uma atracção mútua entre átomos de diferentes metais que é sensivelmente igual à dos átomos idênticos que compoem a rede cristalina.

Uma solução sólida é constituida por um solvente (A) – componente que conserva a rede cristalina (matriz) e soluto/solvido (B) – que fornece átomos à rede cristalina matriz.

  • Uma solução sólida é constituida por um solvente (A) – componente que conserva a rede cristalina (matriz) e soluto/solvido (B) – que fornece átomos à rede cristalina matriz.

  • Fórmula: AB ; SiC ; FeC.

  • Nas soluções sólidas as ligações interátomicas não obedecem a uma regra estequiométrica. A solubilidade, no estado sólido, de um elemento noutro é favorecida pelas seguintes condições:

  • Os diâmetros atómicos dos elementos não devem deferir mais do que cerca de 15%;

  • Os dois elementos devem apresentar a mesma estrutura cristalina;

  • As electronegatividades dos dois elementos não devem ser consideravelmente diferentes, de modo a não se formarem compostos iónicos;

  • Os dois elementos devem ter a mesma valência.

  • Se os diâmetros atómicos dos dois elementos que formam a solução sólida forem diferentes, ocorre a distorção da rede cristalina (pode expandir ou contrair). Por exemplo quando a diferença fôr superior a 15%. O factor tamanho torna-se desfavorável à existeência de uma grande solubilidade no estado sólido.

As soluções sólidas propriamente ditas podem ser de inserção (intersticiais) ou de substituição.

  • As soluções sólidas propriamente ditas podem ser de inserção (intersticiais) ou de substituição.

  • Solução sólidas de inserção – os átomos dissolvidos ocupam os intertícios (espaços vazios) da rede cristalina do solvente e a sua repartição é arbitrária.

  • Segundo Hägg – para se formar uma solução sólida intersticial é necessário que a razão dos diâmetros dos átomos solvidos e solventes seja ≤ 0,59. Como os diâmetros dos metais diferem muito pouco entre si e são da ordem de 0,25nm, apenas o H2, O2, N2 e C respeita facilmente esta condição de Hägg.

  • Por exemplo: A inserção do Hidrogénio no Alumínio (CFC) e do Carbono no Ferroу (CFC) são casos típicos.

Soluções sólidas de substituição – obtem-se quando átomos do elemento solvente (A) são substituidos por átomos do elemento solvido (B) dentro da rede cristalina. Por ex. Solução sólida de Cu-Ni, O átomos de Cu substituem átomos de Ni na rde cristalina.

  • Soluções sólidas de substituição – obtem-se quando átomos do elemento solvente (A) são substituidos por átomos do elemento solvido (B) dentro da rede cristalina. Por ex. Solução sólida de Cu-Ni, O átomos de Cu substituem átomos de Ni na rde cristalina.

  • Essa substituição pode ser feita duma maneira arbitrária ou segundo uma “ordem” mais ou menos perfeita ou ainda agrupando-se átomos da mesma espécie.

Soluções sólidas à base de um composto – Num composto, pode acontecer que na sua rede cristalina um dos átomos ser substituido ou mesmo inserir átomos estranhos que tenham uma electronegatividade e raio atómico semelhante. É evidente, que neste caso a fórmula química já não vai corresponder à correlação real de átomos do composto.

  • Soluções sólidas à base de um composto – Num composto, pode acontecer que na sua rede cristalina um dos átomos ser substituido ou mesmo inserir átomos estranhos que tenham uma electronegatividade e raio atómico semelhante. É evidente, que neste caso a fórmula química já não vai corresponder à correlação real de átomos do composto.

  • Por ex. O Boreto de Ferro (Fe4B2) é susceptível de dissolver o Cr e o C. Dos quais o primeiro substitui o Fe nos vértices da rede e o segundo, o B.

  • A relação (Fe+Cr)/(B+C)=4/2 mantém-se sem alteração a relação, mas a solução assim obtida à base do composto Fe4B2 terá a seguinte designação (Fe,Cr)4(C,B)2

4.3 - Diagrama de estado binário. Regra de fase e regra da alavanca.

  • A partir de diagramas de fases podemos obter informações importantes, tais como:

  • - condições de arrefecimento (equilibrio);

  • - as fases presentes para diferentes composições e temperaturas;

  • - Indicar, as condições de equilibrio, a solubilidade no estado sólido de um elemento (ou composto) noutro.

  • - Indicar a temperatura à qual uma liga, arrefecida em condições de equilibrio, começa a solidificar, assim como o intervalo de temperaturas em que a solidificação ocorre.

  • -Indicar a temperatura à qual as diferentes fases começam a fundir.

  • O diagrama de estado consiste em representar graficamente o estado físico e química (natureza) de uma liga em função da concentração, temperatura e pressão (consideremos Pressão constante)

Se o sistema fôr constituido por um componente (A)

  • Se o sistema fôr constituido por um componente (A)

Sistema de dois componentes A e B

A relação dos factores Pressão,Temperatura e Concentração que condicionam a existência das fases estáveis correspondentes às condições teóricas de equilíbrio e podem-se exprimir matematicamente por meio da chamada regra de fases ou lei de Gibbs

  • A relação dos factores Pressão,Temperatura e Concentração que condicionam a existência das fases estáveis correspondentes às condições teóricas de equilíbrio e podem-se exprimir matematicamente por meio da chamada regra de fases ou lei de Gibbs

  • A regra de fases – exprime a interdependência quantitativa que se verifica na relação entre o grau de liberdade (N) do sistema, o número de fases (F) em equilibrio e o número de componentes (C) este pode ser um elemento, um composto ou uma solução sólida.

  • F + C = N +2

  • N – Número de graus de liberdade do sistema é o número de variáveis (P,T,C) que podem ser alteradas de modo independente, sem que ocorra n0o sistema qualquer alteração da fase ou fases em equilíbrio.

Consideremos o sistema do diagrama PxT da água:

  • Consideremos o sistema do diagrama PxT da água:

  • No ponto triplo com a coexistência das três fases da água;

  • F = 3 C=1 F + N = C+2 => N = 0 ( sistema invariante)

  • F= 3 => N = 0 – será evidentemente impossível modificar os factores externos (PTC) sem que isto não provoque a alteração do número de fases

  • F = 2 => N = 1( sistema monovariante) será possível modificar, dentro de determinado limite, um dos factores externos (PTC), sem que isto dê origem à diminuição ou crescimento do número de fases.

  • F = 1 => N=2 isto indica-nos que mesmo alterando de modo indepndente, duas variáveis externas (Pressão e Temperatura), o sistema continua a ser constituido pela mesma fase.

  • A maior parte dos diagramas binários, usados na ciência de materiais, são diagramas de TxC nos quais a pressão é mantida constante, geralmente 1 atm. Neste caso temos a regra de fases é “condensada” que é dada por:

  • F + N = C +1

Sistema binário isomorfo (solubilidade ilimitada)

Sistemas binários eutécticos (solubilidades limitada)

Consideremos o arrefecimento lento desde 1000oC até a temperatura do ambiente de uma liga de Ag-Cu com a composição eutéctica de 71,9% de Ag (Liga 2)

  • Consideremos o arrefecimento lento desde 1000oC até a temperatura do ambiente de uma liga de Ag-Cu com a composição eutéctica de 71,9% de Ag (Liga 2)

  • Durante o arrefecimento, a liga mantém-se líquida até 779oC (TE) e a esta temperatura eutéctica, todo o líquido solidifica segundo a reacção eutéctica, formando uma mistura eutéctica das soluções sólidas α (8,0% Ag) e β (91,2% Ag).

  • Líquido (71,9%Ag) α (8,0% Ag) + β (91,2% Ag).

Sistemas binários peritécticos

Sistemas binários monotécnicos

  • Outro tipo de reacção invariante trifásica, que ocorre em alguns diagramas de fases binários, é a reacção monotécnica, na qual uma fase líquida se transforma numa fase sólida e outra líquida, de acordo com a seguinte equação:

  • L1 → solução sólida α + L2

  • Num certo intervalo de composições, os dois líquidos são imescíveis, tal com água e azeite, e constituem, portanto, duas fases individualizados.

  • Este tipo de reacção tem aparecido nas ligas de Cu-Pb a 995oC com teor de 36% de Pb, onde no ponto monotécnico podem coexistir as 3 fases:

  • L1(36%Pb) => L2 (87%Pb) + α (100% Cu),

Tipos de reacções trifásicas invariantes em diagramas de fases binários

Diagramas de fases com fases intermédios

  • Muitos diagramas de equilíbrio são complexos e muitas das vezes apresentam fases e compostos intermédios. Há que destinguir fases terminais e fases intermédias.

  • Fases terminais – são as soluções sólidas que ocorrem nos extremos dos diagramas de fases junto aos componentes puros. As soluções sólidas α e β no diagrama de fases Cu-Ag

  • Fases intermédias estas soluções sólidas aparecem num intervalo de composições no interior do diagrama de fases e, num diagrama binário estão separadas por regiões bifásicas.

  • Nota: As fases intermédias não são exclusivas dos sistemas binários metálicos. No diagrama do sistema cerâmico Al2O3-SiO2, forma-se uma fase intermédia designada mulite, baseado no composto 3Al2O3.SiO2 .

  • Em algumas diagramas de fases, formam-se compostos intermédios entre dois metais ou entre um metal e um não-metal.

4.6 - Relação entre propriedades da liga e o tipo de diagrama de estado.

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