) Mostre e explique como se desenvolve a microestrutura de uma liga resfriada a partir de
, em condições equilíbrio, para as seguintes composições.
b)
b)
Passo 1
O enunciado pede: mostrar e explicar como se desenvolve a microestrutura, em equilíbrio, ao resfriar uma liga a partir de
com composição
(peso).
Informações dadas e usadas: o diagrama de fases binário Pb–Sn fornecido na figura (eu utilizei explicitamente esse diagrama para ler a temperatura eutética e as regiões de fases).
Ponto inicial: liga totalmente líquida em
e composição global
.
Objetivo: descrever, passo a passo, quais fases aparecem e como fica a microestrutura final em equilíbrio ao atingir temperatura ambiente (assumindo resfriamento suficientemente lento para manter o equilíbrio).
Passo 2
Estado inicial (início do resfriamento): a
a liga com
encontra-se completamente na região “Liquid” do diagrama, ou seja, é todo líquido. Conceito usado: “região líquida” significa que, no diagrama, a interseção do ponto
com a zona superior indica fase única líquida.
Passo 3
Primeiro evento ao resfriar: chegada à linha liquidus. Definição e ensino rápido:
- Liquidus: temperatura em que, ao resfriar, começa a formar a primeira partícula de sólido a partir do líquido.
- Solidus: temperatura abaixo da qual a liga está totalmente sólida.
Ao atingir a temperatura onde a vertical decruza a curva liquidus, aparece a primeira fase sólida. Para (hipo‑eutética, porque ), a fase sólida que nucleia é a fase (rico em Pb). Em palavras simples: “começam a nascer grãos/dendrítos de no líquido”.
Passo 4
O que é a fase
e por que ela sai primeiro: a fase
é uma solução sólida rica em Pb (com baixo teor de Sn). No diagrama, a interseção da isoterma com a curva solidus/liquidus define a composição do sólido que se forma naquele T; portanto a primeira
tem composição dada por
lida no diagrama na interseção. Ao crescer, os grãos de
consomem Pb preferencialmente do líquido, o que faz com que o líquido remanescente fique progressivamente enriquecido em Sn (isto é, o Sn “é empurrado” para o líquido). Esse processo continua enquanto há líquido e a temperatura vai descendo.
Passo 5
Caminho no diagrama (qualitativo): durante resfriamento entre liquidus e a temperatura eutética
(lida no diagrama; no sistema Pb–Sn o eutético ocorre em torno de
e a composição eutética
próxima de
, valores que eu li/considerei do diagrama fornecido), o ponto que representa o líquido move-se ao longo da curva liquidus em direção a
(isto é, o líquido fica cada vez mais rico em Sn). Simultaneamente, os grãos primários de
crescem e têm composição
que varia com a temperatura (ler no diagrama pela interseção com a curva solidus).
Passo 6
Chegada à temperatura eutética
: quando a temperatura atinge
e o líquido remanescente alcança a composição eutética
, ocorre a transformação eutética isoterma
ou seja, o líquido restante transforma-se simultaneamente em uma mistura fina e entrelaçada de
(Pb‑rico) e
(Sn‑rico). Conceito: reação eutética — a fase líquida transforma-se, a uma temperatura fixa, numa mistura de duas fases sólidas com composições fixas
e
(essas composições são lidas no diagrama nas interseções da isoterma eutética com as curvas de solubilidade).
Passo 7
Microestrutura resultante imediatamente abaixo de
: teremos duas porções de microestrutura:
- partículas/grãos primários de
que se formaram antes do eutético. Esses aparecem como regiões relativamente grossas (muitas vezes dendríticas) espalhadas pela peça. - a matriz formada pelo produto da transformação eutética: uma mistura muito fina e usualmente lamelar de
+ que preenche o espaço entre os primários de .
Descrição morfológica: os primários detipicamente são mais grosseiros; o eutético é muito mais fino (lamelares ou colonares) porque é formado isotericamente a partir do líquido remanescente.
Passo 8
Frações de fases em
(como calcular com a regra da alavanca): para saber quanto de cada fase existe no equilíbrio à temperatura eutética, usa‑se a regra da alavanca (lever rule). Escrevo a fórmula e explico cada termo:
-
= composição global da liga ( aqui). -
= composição da fase na isoterma de interesse (lida no diagrama). -
= composição do líquido na isoterma (na isoterma eutética ).
A fração em massa deformada até o eutético (ou presente à temperatura eutética) é dada por
A fração de líquido (no momento imediatamente antes da transformação eutética) é
e após a transformação eutética esse líquido passa a ser
eutético. Eu não calculei números porque
precisa ser lido precisamente no diagrama; a fórmula acima mostra o procedimento exato que você pode aplicar com as leituras do gráfico.
Passo 9
Efeito do regime de resfriamento (breve didática): a questão pediu “em condições de equilíbrio”, ou seja, resfriamento lento. Em resfriamento lento obtemos:
- primários de
bem formados e relativamente grossos; - eutético com lamelas finas mas de espessura definida pela taxa de crescimento eutético sob equilíbrio.
Se o resfriamento fosse rápido (não‑equilíbrio), as microestruturas seriam mais finas, com possível sub‑resfriamento e nucleação não‑equilibrada; mas isso foge do pedido (que é equilíbrio).
Passo 10
Resumo passo a passo, em linguagem de prova (curto e objetivo): começando em
(líquido), resfriar até a curva liquidus → nucleação de
(Pb‑rico) → crescimento de
expulsando Sn para o líquido (líquido fica mais rico em Sn) → ao atingir
(
, com
lido no diagrama) o líquido remanescente sofre reação eutética
→ microestrutura final em equilíbrio: grãos (ou dendritas) primários de
embutidos numa matriz eutética fina de
(lamelar).
Resposta
Microestrutura final (para
, resfriamento em equilíbrio): grãos primários de
(Pb‑rico), formados antes do eutético, dispersos numa matriz eutética fina constituída por lamelas de
(produto da reação eutética
em
); as frações de
e do eutético são obtidas pela regra da alavanca
aplicada na isoterma eutética.