Diagramas de Fases e Transformações

Diagramas de fases mapeiam quais fases sólidas, líquidas e gasosas são estáveis em função da composição e da temperatura, e as transformações de fase descrevem como um material se move entre elas.

Definition

Um diagrama de fases é uma representação gráfica das fases termodinamicamente estáveis de um sistema em função da composição, temperatura e pressão; uma transformação de fase é o processo, governado pela termodinâmica e cinética, pelo qual um material muda de uma fase ou microestrutura para outra.

Scope

Este tópico abrange os diagramas de fases de equilíbrio usados para prever as fases presentes em um material em uma dada composição e temperatura — sistemas eutéticos, peritéticos e de solução sólida — juntamente com a regra da alavanca e a regra das fases de Gibbs que os interpretam. Abrange também a cinética da transformação: nucleação e crescimento, transformações difusionais versus não difusionais (martensíticas), e como o caminho de resfriamento controla a microestrutura que realmente se forma.

Core questions

• Quais fases são estáveis em uma dada composição e temperatura?
• Como a regra da alavanca e a regra das fases quantificam as quantidades de fases e os graus de liberdade?
• O que distingue o comportamento eutético, peritético e de solução sólida?
• Como a nucleação e a cinética de crescimento determinam a microestrutura obtida no resfriamento?

Key concepts

• Regra das fases de Gibbs
• Regra da alavanca
• Reações eutéticas e peritéticas
• Soluções sólidas
• Nucleação e crescimento
• Transformação martensítica

Key theories

Diagramas de fases de equilíbrio e a regra das fases

A regra das fases de Gibbs relaciona o número de fases coexistentes com os graus de liberdade de composição e temperatura; os diagramas de fases binários codificam isso, e a regra da alavanca lê as quantidades relativas de fases coexistentes em um dado ponto.

Nucleação, crescimento e cinética de transformação

A mudança de fase requer a nucleação da nova fase contra uma barreira de energia interfacial, seguida de crescimento difusional; a competição entre a força motriz termodinâmica e a mobilidade atômica define a taxa de transformação e, através do caminho de resfriamento, a microestrutura final.

Mechanisms

As transformações difusionais ocorrem por nucleação de uma nova fase e crescimento átomo a átomo através de uma interface em movimento, exigindo difusão de longo alcance; as transformações não difusionais (martensíticas) ocorrem por um cisalhamento coordenado da rede sem mudança de composição, acontecendo quase instantaneamente abaixo de uma temperatura crítica.

Clinical relevance

Os diagramas de fases são os mapas de trabalho do processamento de materiais: eles guiam o tratamento térmico de ligas e cerâmicas, preveem o comportamento de queima de sistemas de óxidos e vidros, e explicam por que o resfriamento controlado produz microestruturas duras ou macias, frágeis ou tenazes a partir da mesma composição.

History

A regra das fases de Gibbs da década de 1870 forneceu a base termodinâmica para prever quantas fases podem coexistir. Roozeboom e outros a aplicaram experimentalmente para construir diagramas de fases por volta de 1900, e o trabalho do século XX sobre a teoria da nucleação e a cinética de transformação adicionou a dimensão do tempo, ligando os diagramas de equilíbrio às microestruturas realmente produzidas no processamento.

Key figures

• J. Willard Gibbs
• Hendrik Roozeboom

Seminal works

• callister2018
• porter2009

Frequently asked questions

O que é um ponto eutético?

Um ponto eutético é a composição e temperatura nas quais um líquido se transforma diretamente em uma mistura de duas fases sólidas no resfriamento. É o ponto de fusão mais baixo do sistema e produz uma microestrutura bifásica fina característica.

Por que um diagrama de fases pode falhar em prever a microestrutura que realmente se obtém?

Um diagrama de fases mostra as fases de equilíbrio, mas atingir o equilíbrio requer tempo e mobilidade atômica suficientes. O resfriamento rápido pode suprimir a difusão e aprisionar microestruturas metaestáveis ou fora do equilíbrio, de modo que a cinética, e não apenas a termodinâmica, determina o resultado real.