Resfriamento de ligas eutéticas

Teoria Completa

Faaaaala galera!!!!!

No tópico anterior aprendermos sobre o diagrama de fases de ligas eutéticas. Em resumo aprendermos:

  • Identificar o ponto de fusão dos componentes puros;
  • Ponto eutético – ponto que não há variação de temperatura e ocorre a mudança da fase líquida para duas fases sólidas simultaneamente;
  • Linha solvus – linha que mostra-nos o limite de solubilidade de uma componente no outro;
  • Composição máxima de um componente no outro;

Neste tópico iremos entender como a microestrutura se forma a partir do resfriamento.

Será que nestas ligas eutéticas o resfriamento influenciará a microestrutura, assim como vimos que o resfriamento influenciou as ligas isomorfas?

Para respondermos a essa pergunta vamos entender o diagrama de fases estanho-chumbo, material muito utilizando para unir componentes eletrônicos.

A figura acima é o diagrama de fases da liga estanho-chumbo. Vamos ler as principais características do diagrama:

Há dois campos compreendidos entre a linha solvus e a linha solidus: a região com somente a fase α , fase que possui uma solução de estanho diluído no chumbo, ou seja, estanho é o soluto enquanto o chumbo é o solvente, e a região com somente a fase β , fase que possui uma solução de chumbo diluído no estanho, ou seja, chumbo é o soluto enquanto o estanho é o solvente.

A composição no ponto eutético é de 6 1,9 % p   d e   e s t a n h o   e   3 8,1 %   d e   c h u m b o a uma temperatura de 183 ° C .

Observe que entre a linha solidus e a linha liquidus temos a região onde coexistem as fases correspondentes das duas regiões ao lado dessas linhas, por exemplo, na região onde temos α + Líquido, ao lado das linhas solidus e liquidus temos as fases, respectivamente, α e líquido. O mesmo ocorre para a linha solidus e linha liquidus do outro lado, onde temos β + líquido. Note, também, que essa análise pode ser feita através entre as duas linhas solvus, a do chumbo e a do estanho, ou seja, entre as duas linhas temos α + β .

Agora que checamos as principais características vamos ver como se desenvolve as microestruturas com o resfriamento.

Na figura abaixo, temos o diagrama de fases do estanho-chumbo. Suponha que estamos com uma composição de estanho C 1 , no ponto a , em uma temperatura aproximada de 350 ° C .

No ponto a temos somente a fase líquida. Ao resfriarmos lentamente a liga e atingindo o ponto b , começa a formação de frações sólida α . Continuando o resfriamento atingimos o ponto c , neste ponto teremos somente a fase α e como há uma pequena composição de estanho, este estará diluindo na microestrutura do chumbo. Até aqui, o resfriamento para essa composição é praticamente igual a das ligas isomorfas.

Agora vamos andar mais um pouco no eixo x , ou seja, aumentando a composição de estanho S n e atingindo, agora, uma composição de estanho de C 2 , conforme diagrama abaixo:

No ponto d , do diagrama acima, temos 100 % de líquido. Resfriando até chegarmos no ponto e teremos uma fração de sólido α formada, caso seja de nosso interesse podemos traçar uma linha de amarração nesse ponto para saber a composição química das fases líquidas e α , utilizando a regra da alavanca. Continuando o resfriamento e atingindo o ponto f teremos nossa microestrutura composta de 100 % de sólido α . Deixando resfriar ainda mais e antes de atingir a linha solvus continuaremos tendo 100 % de sólido α , isso ocorre pois, até atingirmos a linha solvus a microestrutura composta de α consegue diluir o estanho em sua microestrutura, porém ao atingirmos a linha solvus começa a precipitar estanho formando a fase sólida β . Observe que ao chegarmos no ponto g já temos toda nossa microestrutura formada e composta de: grãos sólido α com precipitados de sólidos β .

Andando ainda mais no eixo x e chegando a composição eutética teremos o seguinte diagrama:

Imagine, agora, que estamos com nossa liga na composição do eutético no ponto h . Neste ponto temos 100 % de líquido. Resfriando essa liga até atingirmos o ponto eutético ocorrerá a reação eutética. Recapitulando, nessa reação ocorrerá formação de dois sólidos simultaneamente a partir de um líquido. Durante a transformação de fases nesse ponto teremos uma redistribuição dos componentes (difusão), uma vez que as fases α e β possuem composição diferentes e nenhumas dessas composições são igual a do líquido. Aplicando a regra da alavanca nesse ponto, note que teremos uma fase α com composição de 18,3 % p   d e   E s t a n h o e uma fase β com composição de 97,8 % p   d e   E s t a n h o . A microestrutura resultante dessa transformação consiste em camadas alternadas (lamelas) de cada fase, as quais são formadas simultaneamente. Essa microestrutura em forma de lamelas é chamada de estrutura eutética.

Mas, como será que essa estrutura eutética se forma?

Para entendermos essa formação vamos olhar para uma estrutura eutética ainda com fases líquida, conforme a figura abaixo:

Observe na figura acima que temos as camadas alternadas (lamelas) de α e β e uma porção liquida da liga. A seta vermelha representa o sentido de crescimento das camadas. Como dito, no ponto eutético temos a formação simultânea das fases α e β , o que explica a formação lamelar. O crescimento das lamelas ocorre da seguinte forma: por difusão do liquido, imediatamente à frente das lamelas (interface líquido-eutético), ocorrerá à redistribuição do estanho e do chumbo. O chumbo difunde-se em direção as fases β adjacentes, uma vez que a fase β é rica em chumbo. Já o estanho difunde-se em direção as fases α adjacentes, visto que a fase α é rica em estanho. Dessa forma as lamelas crescem até que todo liquido seja transformado em sólidos.

Para finalizarmos todas as transformações de fases que ocorrem no diagrama de fases eutético, falta resfriamos nossa liga no posicionamento do diagrama abaixo:

Estando nossa liga no ponto j teremos 100 % dela no estado líquido, resfriando-a lentamente sobre a linha z z ' , até chegarmos ao ponto k , teremos a formações de frações sólidas de α . Continuando resfriando e chegando, agora, no ponto l teremos nossas frações sólidas de α com tamanhos maiores e aplicando a regra da alavanca podemos descobrir as porcentagens de cada fase, sólida e líquida, bem como a composição de cada fase. Atingindo a isoterma eutética, começará a transformação do liquido remanescente em lamelas de α e β , isto é, iniciará a formação da estrutura eutética. Passando da isoterma eutética, teremos no microestrutura totalmente formada e nela veremos: grãos de α e estrutura estética (lamelas) preenchendo o restante da microestrutura.

Na imagem acima observamos uma microestrutura com fase α , grãos escuros, e fase eutética, que é composta de estrutura eutética ou lamelar, onde lamelas escuras são fase   α e as lamelas claras são fase β .

Expandir

Exercício Resolvido #1

Elaboração própria

Considere o diagrama de fases do sistema cobre-prata (determinado a pressão constante) apresentado abaixo. Uma liga com composição 71,9 % Ag (% mássica) mantida inicialmente a 900°C é resfriada lentamente até 700° C). Faça esboços das microestruturas que seriam observadas a 900° C e a 700° C, indicando em cada esboço quais seriam as fases presentes.

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Passo 1

Ao reduzirmos a temperatura de 900°C pata 700°C, notem que aos 900°C temos apenas uma fase liquida.

Passo 2

A 700°C temos a fase alfa e beta:

Resposta

900° C: fase liquida

700°C: fase alfa e beta

Exercício Resolvido #2

USP- Introdução à Ciência dos Materiais para Engenharia PMT 3110

Considere o diagrama de fases do sistema cobre-prata (determinado a pressão constante) apresentado abaixo. Uma liga com composição 71,9 % Ag (% mássica) Determine aproximadamente a composição de cada uma das fases presentes a 700° C (em % mássicas).

MOSTRAR SOLUÇÃO COMPLETA

Passo 1

A determinação pode ser feita através do diagrama de fases, conforme mostra a figura abaixo. Partimos do ponto 1, indicado na figura. Com o resfriamento, chega-se até o ponto 2. As composições são obtidas a partir das linhas solvus das fases α e β, indicadas pelos pontos α e β (marcados em azul na figura)

Passo 2

Rebatendo a linha alfa no eixo da composição temos 5,9% Ag e para a fase β rebatendo temos o teor de 95,1% Ag.