Sistema eutético binário

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Teoria

Bom demais com vocês, galerinha?

No tópico anterior aprendemos sobre resfriamento de ligas isomorfas (solução substitucional completa), em equilíbrio e fora do equilíbrio. Nesse tópico iremos continuar aprendendo mais sobre diagrama de fases e dessa vez veremos o sistema eutético binário.

Afinal, qual é a importância de aprendermos o sistema eutético binário, além é claro de mandarmos bem nas provas???????

A figura acima mostra um ferro de solda e um arame de estanho ( S n ) e chumbo ( P b ) . Você já deve ter feito um tipo de solda da figura acima ou pelo menos visto alguém fazê-lo. É nesse contexto que o sistema eutético binário entra para nos ajudar. Mas calma, pois iremos explicar passa a passo esse sistema!

A figura acima é um diagrama de fases cobre-prata. Vamos entendê-lo passo a passo!

Assim como o diagrama de fases isomorfo, temos no eixo x a composição em peso de prata e no eixo y a temperatura. Quando estamos no eixo x em 0, significa que temos 0 % p de prata, ou seja, 100 % p de cobre. Do mesmo modo, quando estamos no eixo x em 100, significa que temos 100 % p de prata, ou seja, 0 % p de cobre.

Observe no diagrama 6 campos.

Note que entres os campos 3-4 e 3-5 temos a linha liquidus, isto é, a linha que separa o estado liquido dos estados sólidos. Observe, também, que entre os campos 1-4 e 2-5 temos linha solidus, ou seja, a linha que separa o estado totalmente sólido do estado sólido + líquido. Essas linhas são as mesmas que vimos no diagrama de fases isomorfo. A novidade aqui é a linha solvus, ela indica o limite de solubilidade que cada componente possuem. Por exemplo, a linha solvus da esquerda mostra-nos a porcentagem em peso de prata que o solvente cobre consegue diluir, note que a solubilidade máxima da prata no cobre é de 8 % p de prata A g à temperatura de 779 ° C . Da mesma maneira que tempo a linha de solubilidade da prata no cobre, temos a linha solvus à direita que representa a linha de solubilidade máxima do cobre na prata, nesta linha o solvente é a prata e o soluto o cobre. A solubilidade máxima do cobre na prata é de ( 100 - 91,2 = 8,8 % p ) de cobre à temperatura de 779 ° C .

Através do diagrama, também, é possível identificarmos os pontos de fusão do cobre puro e da prata pura, que estão representados no diagrama pelo ponto A e F , respectivamente. Para o cobre, ponto A , a temperatura de fusão é de aproximadamente 1085 ° C , para a prata, ponto B , a temperatura de fusão é de aproximadamente 950 ° C .

Observe que o ponto de fusão da cobre vai diminuindo (linha liquidus) à medida que colocamos mais prata na mistura até atingir o ponto E , onde a temperatura de fusão da linha é mínima, o mesmo ocorrerá em um mistura de prata e acrescentando cobre.

O ponto E , conhecido como ponto eutético, é o ponto de composição química dos componentes que terá a menor temperatura de fusão da liga. Para a liga de cobre e de prata a menor temperatura de fusão ocorrerá quando a composição for de 71,9 % p   d e   p r a t a   e   28,1 %   d e   c o b r e . Só de curiosidade eutético pelo dicionário Michaelis significa: “ liga de solução que tem grande fusibilidade”, isto é, que funde-se com facilidade.

Ao resfriarmos uma liga com composição eutética uma reação importante ocorrerá, a reação eutética!!!! Que nada mais é do que a transformação da liga no seu estado líquido para os estados sólidos α + β simultaneamente. Observe que nesta reação não há variação de temperatura para que todo o líquido seja transformado em sólidos.

Note que no ponto eutético teremos a seguinte composição química:

Essa composição é verificada utilizando a regra da alavanca, ou seja, trançando uma linha de amarração (linha vermelha cheia da figura abaixo) e duas retas perpendiculares a linha de amarração para checarmos a composição de para cada fase.

A fase sólida α é uma fase sólida de cobre com prata diluído em sua microestrutura. Já a fase sólida β é uma fase sólida de prata com cobre diluído em sua microestrutura.

A figura acima corresponde uma parte do diagrama de fases do cobre-prata. A liga nos três pontos I ,   I I   e   I I I estão à mesma temperatura e estamos variando somente a composição de prata, isto é, aumentando a concentração de prata. No ponto I temos somente sólido α , ou seja, solução sólida de cobre com prata diluída na microestrutura. Ao atingirmos a linha solvus teremos a diluição máxima de prata e neste momento começa a precipitar (segregar) a fase sólida β , essa precipitação pode ocorrer e vários locais, mas normalmente ocorrerá em regiões com maior energia, como os contornos de grãos. Se continuarmos aumentando a concentração de prata, conforme ponto I I I , iremos aumentar cada vez mais a fase sólida β , uma vez que a solução já não consegue mais diluir a prata, precipitando-a.

Agora conseguimos responder o porquê é importante o estudo do diagrama de fases. Note que ao adicionar a prata no cobre conseguimos diminuir a temperatura de fusão da liga e consequentemente menos energia gastaremos para fundir a liga!

Exercícios Resolvidos

Exercício Resolvido #1

O diagrama eutético binário apresenta características importantes, determine a opção correta que é característica deste tipo de diagrama.

  1. São encontradas duas regiões monofásicas no diagrama: β e líquida
  2. Em um sistema cobre-prata a fase α consiste em uma solução sólida pobre em cobre
  3. A fase α apresenta a prata como componente soluto e estrutura cristalina CFC.

Passo 1

São encontradas três regiões monofásicas no diagrama:α, β e líquida

Passo 2

Em um sistema cobre-prata a fase α consiste em uma solução sólida rica em cobre

Passo 3

A fase α apresenta a prata como componente soluto e estrutura cristalina CFC.

Resposta

Alternativa 3

Exercício Resolvido #2

Análise e descreva o que ocorre abaixo da temperatura da curva “BEG”.

Passo 1

Primeira coisa, vamos identificar que linha “BEG” é essa:

Essa linha nada mais é do que a linha eutética!

Passo 2

Abaixo da temperatura da curva BEG não existe mais fase líquida, apenas fase e β .

  • Fase α – apenas uma concentração limitada de prata que irá se dissolver no cobre, fase rica em Cu.
  • Fase β – apenas uma concentração limitada de cobre que irá se dissolver na prata, fase rica em Ag.

Resposta

Abaixo da temperatura da curva BEG não existe mais fase líquida, apenas fase e β .

Exercício Resolvido #3

Determine o limite de solubilidade para a fase α.

Passo 1

A fase α é formada nas condições contidas na região marcada em amarelo do diagrama de fases:

O limite de solubilidade vai depender da composição e da temperatura da liga e ele é representado pela curva que separa a fase α das demais!

A maior solubilidade de Ag na fase α é 8,1%p Ag à 850°C.

Resposta

O limite de solubilidade vai depender da composição e da temperatura da liga e ele é representado pela curva que separa a fase α das demais!

Exercício Resolvido #4

Explique o que ocorre no ponto E.

Passo 1

Observando o diagrama vemos que o ponto E é o ponto onde o material sai imediatamente da fase líquida para duas fases sólidas e β .

Esses tipos de ponto, onde estão envolvidas 3 fases distintas, são conhecidos como reações trifásicas.

L ↔   α + β

Essa combinação ( fase líquida duas fases sólidas ) tem o nome de ponto eutético.

Resposta

O ponto E apresenta uma composição de 71,9% de prata a 779°C e é determinado como ponto invariante também conhecido como eutético. Onde temos a transformação da fase líquida para duas fases sólidas e β .

Exercício Resolvido #5

Explique o que ocorre no resfriamento do sistema abaixo

Passo 1

Olhando o diagrama vemos que pra liga Ag – Cu temos duas possíveis fases sólidas:

  • Fase α – apenas uma concentração limitada de prata que irá se dissolver no cobre, fase rica em Cu. Concentração máxima de Ag = 8%
  • Fase β – apenas uma concentração limitada de cobre que irá se dissolver na prata, fase rica em Ag. Concentração máxima de Cu = 8,8%

Passo 2

No gráfico podemos observar que existem várias maneiras de resfriar o material:

Em baixos % de Ag temos a passagem da fase líquida para a fase α.

Em altos % de Ag temos a passagem da fase líquida para a fase β.

Mas, quando observamos a parte inferior do gráfico, vemos que, independente da composição, em temperatura ambiente, a microestrutura final sempre vai ter a presença das duas fases sólidas α e β .

Resposta

A microestrutura final sempre vai ter a presença das duas fases sólidas α e β .

Exercício Resolvido #6

Sobre o sistema eutetico determine a opção correta:

  1. As regiões monofásicas estão sempre separadas uma das outras por uma região bifásica
  2. As três fases do sistema não se encontram em equilíbrio ao longo da isoterma eutética
  3. A reação eutética sob resfriamento é diferente da solidificação para componentes puros.

Passo 1

As regiões monofásicas estão sempre separadas uma das outras por uma região bifásica

Passo 2

As três fases do sistema se encontram em equilíbrio ao longo da isoterma eutética

Passo 3

A reação eutética sob resfriamento é semelhante a solidificação para componentes puros.

Resposta

Alternativa A

Exercício Resolvido #7

Para uma liga com 40% Sn e 60% Pb a 150°C determine:

  1. As fases presentes
  2. Suas composições.

Passo 1

Primeiramente cria-se uma linha horizontal na temperatura de 150°C e uma linha vertical na composição de 40% de Sn. Observa-se que o ponto “B” gerado encontra-se na região α+β.

Passo 2

Com as duas fases presentes devemos fazer a linha de amarração a 150°C nas fases α+β. Rebatendo a linha do ponto B até a

Resposta

  1. Fases α+β.
  2. Região α composição de 10% de Sn e 90% de Pb e a região β composição de 98% de Sn e 2% de Pb.

Exercício Resolvido #8

Para uma liga com 40% Sn e 60% Pb a 230°C determine:

  1. As fases presentes
  2. Proporções das fases.

Passo 1

Primeiramente cria-se uma linha horizontal na temperatura de 230°C e uma linha vertical na composição de 40% de Sn. Observa-se que o ponto de intersecção gerado encontra-se na região α+L.

Passo 2

Com as duas fases presentes devemos fazer a linha de amarração a 230°C nas fases α+L. Rebatendo as linhas temos a composição da fase L de :

C L = ( 40 - 15 ) ( 48 - 15 ) × 100 %

C L = 76 %

C α = 100 - 76 % = 24 %

Resposta

  1. Fases α+L.
  2. Região α 24% e L 76%.

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