Introdução ( Transformação de Fases) PDF

Preview

Summary

Resumo do Capítulo 1 do livro Transformações de Fases do autor Rezende Gomes dos Santos baseado no que foi dado em sala de aula....

Description

Transformação de Fases Introdução simples de fases são aquelas que coincidem

Conceitos Gerais Os materiais metálicos no estado sólido apresentam como característica principal a sua

microestrutura. A microestrutura é

resultante dos arranjos dos átomos que compõem o material e pode ser observada, com o auxílio de microscópios, em amostras polidas

e

convenientemente

atacadas

quimicamente. Os metais no estado líquido apresentam

uma

caracterizada

pela

estrutura não

amorfa,

ocorrência

de

ordenações ao longo alcance dos átomos. Já no estado sólido os metais apresentam estrutura cristalina, que é caracterizada pela ordenação de longo alcance dos átomos, seguindo modelos geométricos bem definidos denominados células unitárias. A primeira definição

da

microestrutura

ocorre,

portanto, durante a passagem do material do estado líquido para o estado sólido, quando há o processo de cristalização levando à ordenação dos átomos. Diferentes arranjos de átomos dão origem a diferentes componentes

estruturais

fases.

são

Fases

fisicamente

denominados

consideradas

homogêneas

partes

observadas

na

estrutura de um material. As formas mais

com

os

estados

de

agregação

dos

componentes dos materiais, ou seja, sólido, líquido e gasoso. No entanto, se um material metálico é composto de dois ou mais componentes,

constituindo

uma

liga

metálica, há a possibilidade de formação, no estado

sólido,

de

diferentes

arranjos

estruturais que levam à coexistência de diferentes fases na constituição de sua microestrutura. A possibilidade de formação de diferentes fases durante a solidificação do líquido

monofásico

está

associada

ao

equilíbrio termodinâmico da estrutura do material. Um conceito básico no estudo de materiais metálicos é que suas propriedades características apresentam uma correlação direta com a microestrutura, sendo portanto extremamente importante o estudo da sua formação.

Em

geral.

Modificações

introduzidas na microestrutura interferem diretamente nas características do material. Basicamente, a microestrutura pode ser alterada das seguintes formas: ● Através de modificação da composição

química da liga, seja pela alteração do teor dos componentes, seja pela adição de novos componentes. 1

● E através da aplicação de tratamentos

térmicos

que,

impondo

alterações

controladas na temperatura no material no (a)

estado sólido, provocam transformações de

(b)

Figura 1.Micrografias de ligas de alumínio e cobre com diferentes composições (a) Al-15% Cu e (b) Al33% Cu.

fases originais. Como exemplo, na Figura 3 são mostradas as microestruturas de um aço contendo 0,45% de carbono cozido (a), ou

● Através da alteração dos processos de

fabricação. Por exemplo, a mesma liga solidificada

em moldes com diferentes

capacidades de extração de calor, o que provocará

diferentes

velocidades

de

solidificação, apresentará microestruturas diferentes. Na Figura 2 são apresentadas as micrografias de uma liga de alumínio com 12% de silício solidificadas em um molde de

seja, resfriado lentamente a partir de uma estrutura

composta

inicialmente

de

austenita (caracterizada pela estrutura cúbica de face centrada do ferro atómico de carbono

dissolvidos

temperado

(b),

rapidamente

a

nos ou

interstícios, seja,

partir

da

e

resfriado condição

austenítica. É evidenciada a diferença de microestrutura entre duas condições.

areia (a), que apresenta baixa capacidade de extração de calor e menor velocidade de solidificação, e em um molde metálico (b), que apresenta alta capacidade de extração de calor e maior velocidade de solidificação. Pode-se notar que a velocidade maior de solidificação leva a uma estrutura mais refinada.

(a)

(b)

Figura 3. Micrografias de um aço contendo 0,45% de carbono: (a) recozido e (b) temperado.

Do ponto de vista termodinâmico, pode-se considerar que um material metálico está no seu

estado

mais

microestrutura

normal

apresentar

quando o

sua

equilíbrio

termodinâmico mais estável nas condições em que esse material se encontre. (a)

(b)

Figura 2. Micrografias de uma liga de alumínio com 12% de silício: (a) solidificada em molde de areia e (b) solidificada em molde metálico.

Estados de equilíbrio termodinâmico 2

O conceito de equilíbrio pode ser facilmente

corresponde à posição mais alta do centro de

compreendido pela utilização de um bloco

massa do bloco. A posição (a) apresenta o

rígido, usando uma analogia proposta por

bloco apoiado sobre uma face de menor área.

Cahn, como apresentado na Figura 4.

Apesar de não ser a posição de maior equilíbrio, não há dúvida que o bloco pode permanecer nessa posição indefinidamente se nenhuma força é exercida sobre ele, ou seja, há uma barreira energética para a passagem a um estado mais estável. A esse particular estado de equilíbrio se dá o nome de equilíbrio metaestável.

Considerações: Figura 4. Analogia entre equilíbrio termodinâmico e equilíbrio mecânico de blocos rígidos proposta por Cahn: (a) equilíbrio estável, (b) equilíbrio instável e (c) equilíbrio metaestável.

● Equilíbrio está estável vel é aquele para o qual

nenhuma A posição (c) mostra o bloco apoiado sobre

transformação

espontânea

é

possível;

sua face de maior área. Intuitivamente,

● Equilíbrio instável é aquele para o qual a

pode- se perceber que nenhuma mudança de

transformação que leva a um estado mais

posição ocorrerá espontaneamente no bloco.

estável

Essa pode ser, portanto, considerada a sua

existindo uma barreira energética para o

posição de maior equilíbrio mecânico. É

início da mesma, ou seja, não exige energia

importante

de ativação (energia necessária para iniciar

notar

que

essa

situação

é

totalmente

espontânea,

não

corresponde à posição mais baixa do centro

a transformação).

de massa do bloco. A posição (b) mostra o

● Equilíbrio metaestável é aquele para o

bloco apoiado sobre uma aresta. É fácil

qual existe uma barreira energética que

perceber que o bloco não consegue manter-se

deve ser vencida para que se inicie a

nessa posição, tendendo a cair para a posição

transformação que leva a um estado de

(a) ou (c), sem a necessidade de se exercer

maior equilíbrio, ou seja, exige energia de

nenhuma força sobre o mesmo, ou seja, não

ativação.

há uma barreira energética para a passagem a um estado mais estável. Essa pode ser

Na

considerada, portanto, uma posição de

esquematicamente

equilíbrio mecânico instável. Essa situação

termodinâmicos

Figura

5

são os envolvidos

apresentados aspectos em

uma 3

determinada transformação sofrida por um sistema material. A abscissa apresenta a evolução da transformação e na ordenada

Figura 5. Variação de energia livre em função de uma transformação sofrida por um sistema material em direção a um estado de maior equilíbrio termodinâmico.

Essa variação está associada à força motriz são apresentadas as variações de uma

da transformação. No entanto, conforme

grandeza denominada energia livre, que

pode ser observado na figura, para que a

será definida posteriormente, observadas

transformação ocorra é necessário fornecer

durante a transformação. Supondo que o

inicialmente uma quantidade de energia

sistema se encontre inicialmente em um

(∆G1-2) que permita vencer a barreira

estado 1, em equilíbrio metaestável, para

energética que impede o estado estável. Essa

que ele seja levado a um estado 3, em que

quantidade

apresente um equilíbrio estável, deve sofrer

energia de ativação e é definida por:

de

energia

é

denominada

uma transformação acompanhada de uma redução

efetiva

de

energia.

De

fato,

∆G1-2 = G2 - G1 > 0

observando a figura pode-se notar que a variação

de

energia

durante

transformação (∆G1-3) é dada por:

a

É importante notar que a energia de ativação fornecida é consumida durante a transformação de tal forma que a variação

∆G1-3 = G3 - G1 < 0

de energia efetiva observada na passagem de um estado de equilíbrio metaestável para um estado de equilíbrio estável é negativa. 4

Podem também ocorrer transformações que

Uma vez estabelecidos os conceitos de

levem o sistema a um estado metaestável

equilíbrio termodinâmico, pode-se analisar

inicial para outro estado metaestável que

agora a sua correlação com a estabilidade da

apresente um nível de energia mais baixo.

microestrutura

Da primeira equação pode-se concluir que o

quando esses sistemas são submetidos a

sistema está no seu estado de maior

determinadas

equilíbrio quando a energia livre atinge o

caracterizadas, por exemplo, por pares de

valor

valores de pressão e temperatura, e com as

mínimo,

transformação

já

que

espontânea,

nenhuma que

exige

possíveis

de

sistemas

condições

materiais,

termodinâmicas

transformações

de

fases,

redução efetiva de energia, pode ocorrer.

observadas quando essas condições são

Uma consequência disso é que, se um

alteradas.

sistema

elucidativo, apesar de não estar diretamente

passa

de

uma

condição

Um

exemplo

bastante

termodinâmica para outra através, por

relacionado com

exemplo, de uma variação de temperatura

tratados nesse texto, é o caso dos metais que

para que ele atinja o equilíbrio estável na

geralmente são encontrados em minérios na

nova

sofrer

natureza, na forma de compostos químicos.

transformações que o levem ao menor nível

O ferro, por exemplo, é encontrado no

de energia correspondente a essa nova

minério de ferro na forma de óxidos. A razão

condição. E, se um sistema está em

para isso é que esses compostos químicos

equilíbrio metaestável em uma determinada

apresentam menor energia livre que o metal

condição termodinâmica, ele potencialmente

puro,

apresenta

estáveis. Assim, quando se extrai o ferro do

condição,

a

ele

deve

tendência

de

sofrer

sendo

termodinamicamente

minério,

mais estável, desde que seja fornecida a

metaestável e apresenta portanto uma

energia de ativação necessária para vencer a

tendência de reagir com o oxigênio voltando

barreira

a formar óxidos. Como a transformação de

que

inibe

a

passa

para

um

mais

transformações que o levem a um estado

energética

ele

os aspectos a serem

estado

um estado metaestável para um estado mais

transformação.

estável exige energia de ativação, a reação

Aplicação dos conceitos de equilíbrio termodinâmico nas transformações de fases dos materiais

será tanto mais rápida quanto maior a temperatura em que o metal se encontre. Um material pode ser utilizado na sua forma metaestável, desde que a velocidade de transformação que leve a um estado mais estável, nas condições de utilização, seja 5

desprezível. Nesse sentido, tais estruturas

estrutura que pode ser considerada próxima

tendem a ser mais estáveis em temperaturas

do equilíbrio termodinâmico, composta de

mais baixas, uma vez que o aquecimento

duas fases denominadas ferrita e cementita,

pode

ativação

assumindo uma morfologia específica. A

necessária para o início da transformação

Figura 3(b) refere-se a uma estrutura

em direção a uma estrutura mais estável.

metaestável denominada martensita. A

Pode-se considerar que a maior parte dos

estrutura metaestável confere a esse aço

materiais

uma resistência mecânica muito maior que

fornecer

a

energia

metálicos

de

é

utilizada

tecnologicamente em estados metaestáveis e

a estrutura estável.

as principais razões para isso são: Considerações: ● O processamento dos materiais metálicos

● Os materiais podem sofrer transformações

em geral ocorre em condições que se afastam

de

do equilíbrio termodinâmico e, portanto,

termodinâmicas são alteradas;

levam a formas ou estruturas metaestáveis.

● As alterações de temperatura ou de

● Muitas vezes uma estrutura metaestável

pressão atuando sobre o material são

apresenta propriedades mais convenientes

exemplos

para a aplicação do que a estrutura

termodinâmicas;

termodinamicamente mais estável.

● As transformações de fase ocorrem porque

fase

quando

de

as

suas

mudanças

das

condições

condições

em diferentes condições termodinâmicas, Neste texto são tratadas principalmente as

diferentes fases podem apresentar energia

transformações de fases que ocorrem em

livre mais baixa tornando-se, portanto, mais

materiais no estado sólido e, para tanto,

estáveis;

deve-se ter uma ideia de como variam, com

●Os

as condições termodinâmicas, as energias

transformações de fase são os relacionados

livres de cada uma das possíveis fases

com

sólidas. As duas diferentes microestruturas

(sólido/líquido/gasoso) de um material puro,

apresentadas na Figura 3, de aços com a

mas existem transformações que ocorrem

mesma

com o material no estado sólido;

composição,

possibilidade

de

ilustram obter

essa

diferentes

exemplos as

mais

mudanças

simples de

de

estado

● A primeira transformação de fase de

combinações de fases em uma mesma

interesse em engenharia é a solidificação;

condição

● Quando se trabalha com ligas metálicas,

termodinâmica,

temperatura

ambiente

no e

caso,

em

pressão

atmosférica. A Figura 3 (a) refere-se a uma

são

extremamente

importantes

as

transformações de fase que ocorrem no 6

estado sólido fazendo com que determinadas ligas

metálicas

microestrutura

possam alterada,

ter

sua

através

de

operações controladas de aquecimento e resfriamento, com consequentes mudanças nas suas propriedades.

7

8...