Sistema eutético binário
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 e chumbo . 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 a composição em peso de prata e no eixo a temperatura. Quando estamos no eixo em 0, significa que temos de prata, ou seja, de cobre. Do mesmo modo, quando estamos no eixo em 100, significa que temos de prata, ou seja, 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 de prata à temperatura de . 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 de cobre à temperatura de .
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 e , respectivamente. Para o cobre, ponto , a temperatura de fusão é de aproximadamente , para a prata, ponto a temperatura de fusão é de aproximadamente .
Observe que o ponto de fusão da cobre vai diminuindo (linha liquidus) à medida que colocamos mais prata na mistura até atingir o ponto , onde a temperatura de fusão da linha é mínima, o mesmo ocorrerá em um mistura de prata e acrescentando cobre.
O ponto , 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 . 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 + 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 é uma fase sólida de cobre com prata diluído em sua microestrutura. Já a fase sólida 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 estão à mesma temperatura e estamos variando somente a composição de prata, isto é, aumentando a concentração de prata. No ponto temos somente sólido , 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 , 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 , iremos aumentar cada vez mais a fase sólida , 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
Elaboração própria
O diagrama eutético binário apresenta características importantes, determine a opção correta que é característica deste tipo de diagrama.
- São encontradas duas regiões monofásicas no diagrama: β e líquida
- Em um sistema cobre-prata a fase α consiste em uma solução sólida pobre em cobre
- 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
Elaboração própria
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 .
- 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 .
Exercício Resolvido #3
Elaboração própria
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
Elaboração própria
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 .
Esses tipos de ponto, onde estão envolvidas 3 fases distintas, são conhecidos como reações trifásicas.
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 .
Exercício Resolvido #5
Elaboração própria
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
Elaboração própria
Sobre o sistema eutetico determine a opção correta:
- As regiões monofásicas estão sempre separadas uma das outras por uma região bifásica
- As três fases do sistema não se encontram em equilíbrio ao longo da isoterma eutética
- 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
Callister pg. 179
Para uma liga com 40% Sn e 60% Pb a 150°C determine:
- As fases presentes
- 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
- Fases α+β.
- 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
Callister pg. 179
Para uma liga com 40% Sn e 60% Pb a 230°C determine:
- As fases presentes
- 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 :
Resposta
- Fases α+L.
- Região α 24% e L 76%.