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Aula 04: Fundamentos da Solidificação dos Metais
1. IntroduçãoDiferenças entre sólidos e líquidosEventos que caracterizam a solidificação.Heterogeneidades que podem ocorrer durante a solidificação.Importância da solidificação na tecnologia de fundição.
2. Nucleação da Fase SólidaNucleação HomogêneaO conceito de Curvas de ResfriamentoNucleação HeterogêneaAplicações práticas da Teoria da Nucleação Heterogênea
Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran
Diferenças entre Líquidos e Sólidos
LÍQUIDOS
Átomos apresentam alta energia cinética
Ordem de curto alcance
SÓLIDOS
Átomos podem vibrar apenas em torno de uma posição fixa
Arranjados numa ordem de longo alcance
Fundamentos da Solidificação de Metais e Ligas
Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran
Fundamentos da Solidificação dos Metais
2
Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran
Fundamentos da Solidificação dos Metais
Metal Líquido
Nucleação
Crescimento ComposiçãoQuímicaVelocidade de
SolidificaçãoGradientes Térmicos
Redistribuição de Soluto
Morfologia da Interface S/L
Estrutura Segregação Defeitos
Metal Sólido
Influência da Taxa de Resfriamento sobre a Microestrutura de Solidificação
Líquido
10
102
104
106
108
Taxa de Resfriamento (K/s)
Microestruturas Convencionais
Microestruturas Refinadas
Novas Microestruturas
Dendritas, Eutéticos Grosseiros e outros constituintes
Espaçamentos Dendríticos e Eutéticos
Finos, e outros microconstituintes
Estruturas Microcristalinas
Estruturas Cristalinas Metaestáveis
Estruturas vítreas ou amorfas
Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran
Fundamentos da Solidificação dos Metais
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SOLIDIFICAÇÃO
Objetivo: fixar os átomos que se movimentam violentamente e arranjá-los numa ordem de longo alcance
Retirada de Energia Térmica
(Resfriamento )
Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran
• A solidificação dos metais resulta num decréscimo abrupto na mobilidade atômica.
• A viscosidade dinâmica (η) de um metal puro no estado líquido próximo ao seu ponto de fusão é semelhante à viscosidade da água à temperatura ambiente, ou seja da ordem de 10-3
Pa.s .
Fundamentos da Solidificação dos Metais
• A transformação Líquido-Sólido por que passa o metal é de natureza ativa e dinâmica ⇒ ocorrem diversos eventos que devem ser devidamente controlados de modo a não comprometerem o desempenho final do produto.
SOLIDIFICAÇÃO
⇓
Ocorrência de Heterogeneidades
Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran
Fundamentos da Solidificação dos Metais
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Heterogeneidades que podem ocorrer durante a solidificação de metais ou ligas
• Físicas :
• Químicas :
• Estruturais :
• Porosidades
• Rechupes
• Trincas de Contração
• Segregações de Impurezas ou Elementos de Liga (escalas micro ou macroscópica).
Dos Grãos ou Cristais .
• Tipos
• Distribuição
• Tamanho
• Natureza
Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran
Fundamentos da Solidificação dos Metais
HeterogeneidadesFisicas
Defeitos Fisicos
DESCONTINUIDADES AO LONGO DO MATERIAL .
• Porosidades
• Rechupes
• Trincas de Solidificação
Contração na Solidificação
Modelo de Solidificação Projeto
Gases Dissolvidos no Metal Liquido
Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran
Fundamentos da Solidificação dos Metais
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Micrografia mostrando Rechupe - defeito devido à contração na solidificação, aumento 100X.
Rechupe devido a contração na região de ponto quente.
Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran
Fundamentos da Solidificação dos Metais
Micrografia mostrando porosidade típica em peca injetada devido ao aprisionamento de gás pelo sistema de injeção, aumento 50X.
Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran
Fundamentos da Solidificação dos Metais
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Trinca formada em um canto do fundido, local onde as tensões internas são mais intensas.
Trincas de Solidificação
Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran
Fundamentos da Solidificação dos Metais
HeterogeneidadeQuímica
Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran
Segregações
Formação de gradientes no percentual de um elemento de liga
(soluto) na matriz do metal base (solvente) devido a ocorrência de
redistribuição de soluto durante a solidificação de ligas
monofásicas.
Fundamentos da Solidificação dos Metais
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Propriedades físicas dos metais puros de grande relevância no estudo da solidificação
Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran
Fundamentos da Solidificação dos Metais
Propriedades físicas de ligas relevantes no estudo da solidificação
A auto difusão e a difusão de elementos de liga e impurezas são muito mais lentas na fase sólida
do que na fase líquida tanto para o Fe como para o Al
Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran
Grandes consequências na distribuição de soluto na fase sólida durante a solidificação
Heterogeneidades Químicas
SEGREGAÇÃO
Fundamentos da Solidificação dos Metais
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HeterogeneidadesEstruturais
Tamanhos dos Grãos
100 µm
(a)
(a) (b) (c) (d) (e)
100 µm 100 µm
(d) (e)
100 µm
(c)
100 µm
(b)
Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran
Fundamentos da Solidificação dos Metais
Importância do entendimento da Solidificação na Tec nologia de Fundição
• Dimensionamento e localização dos canais de enchimento e alimentação
• Otimização e controle das variáveis do processo.
• Desenvolvimento de novos materiais e processos.
Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran
Auxilio no projeto do ferramental
• Adequações no projeto da peça
• Conhecimento das causas e das medidas corretivas quanto aos defeitos de solidificação
Melhoria do processo
Melhoria do produto
Inovação
Fundamentos da Solidificação dos Metais
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Nucleação
Surgimento da fase sólida de forma estável no seio da fase líquida, sob a forma de pequenos núcleos cristalinos.
Crescimento
Modo pelo qual estes núcleos crescem sob a forma de cristais ou grãos cristalinos.
Como todas as transformações de fase, a solidificaçãose processa em duas etapas sucessivas de Nucleaçãoe Crescimento de uma nova fase em meio à anterior.
Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran
Fundamentos da Solidificação dos Metais
• Ocorre sem a interferência ou contribuição energética de elementos ou agentes estranhos ao sistema metal líquido-metal sólido.
Nucleação Homogênea
• Formação do Núcleo é devida à ocorrência do Superesfriamento Térmico.
Superesfriamento Térmico ⇒
Condição essencial para que os embriões da fase sólida possam sobreviver na forma de núcleos estáveis .
Fase Líquida Superesfriada Térmicamente
Fase Sólida apresenta Maior Estabilidade Termodinâmica, pois possui um valor de Energia Livre (G) menor que a fase líquida.
⇒
Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran
Solidificação_Nucelação
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CURVAS DE RESFRIAMENTO – ANÁLISE TÉRMICA
Curva de resfriamento para um Metal Puro mostrando a ocorrência de superesfriamento
Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran
Solidificação_Nucelação
CURVA DE RESFRIAMENTO - REGISTRO TÉRMICO DA SOLIDIFI CAÇÃO
tempoTempo de Solidificação
Tem
pera
tura
(0 C
)
∆T
L L + S
S
Temperatura de Vazamento - T v
Temperatura de Nucleação - T N
Temperatura de Solidificação - T S
∆T = TS – TN Superesfriamento Térmico
Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran
Solidificação_Nucelação
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Curvas de resfriamento para ligas hipoeutética (2) e eutética (1)
Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran
Solidificação_Nucelação
Analise térmica
• Vaza-se uma certa quantidade de metal em um recipiente contendo umtermopar. Este termopar, acoplado a um equipamento de registro de dados,grava a evolução da temperatura da amostra durante a solidificação.
As curvas descrevem o balanço térmico entre o calor que é retirado pelomolde e o calor gerado pelas transformações de fase da amostra durante asolidificação.
Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran
Solidificação_Nucelação
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Temperatura de Super-resfriamento:Início do crescimento das
células eutéticas.Quanto mais alta esta temperatura, maior a nucleação do banho
Temperatura de Final de
Solidificação:Término da
Solidificação da Amostra. Quanto mais baixa esta temperatura
maior a tendência à formação de carbonetos
Temperatura LiquidusInício da formação da Austenita:
Quanto menor o Carbono Equivalente, mais alta é esta
temperatura e maior a formação de autenita
Temperatura de Recalescência:Ponto de máximo crescimento das células eutéticas
Temperatura de Nucleação:
Início da nucleação da grafita
TEE
Tempo
Tem
pe
ratu
ra
Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran
Solidificação_Nucelação
Análise térmica
Parâmetros a serem observados da curva de análise térmica
TEE – Temperatura do Eutético Estável
TNE – Temperatura de Nucleação do Eutético
TSE – Temperatura de Superresfriamento do
Eutético
TRE – Temperatura de Recalescência do
Eutético
TFS – Temperatura de Superresfriamento do
Eutético
dT/dt – Velocidade de Recalescência (dada
pela curva derivada)
Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran
Solidificação_Nucelação
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∆∆
G r LT
Tvol ff
=−4
3013π ( )
Variação de Energia Livre associada com o Volume da fase sólida em nucleação.
Condição termodinamicamente favorável .
NUCLEAÇÃO DO SÓLIDO
∆G rsup ( )= 4 022π γ Variação de Energia Livre associada com a formação de uma Superfície Sólido-Líquido.
Condição termodinamicamente desfavorável.
∆∆
G r LT
Trtotal f
f
= − +43
4 033 2π π γ ( )
Somando-se (01) e (02):
Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran
Solidificação_Nucelação
Quando ∆Gtotal < 0 ⇒ o Núcleo cresce espontaneamente⇒ o Embrião atingiu o Raio Crítico e se transformou em Núcleopassando a apresentar um crescimento espontâneo.
∆G ∆Gsup
∆Gvol
∆Gtotal
RaioRc
Rc = Raio Crítico
Núcleo = Embrião que atingiu o R c
⇓
Tornou-se termodinamicamente
estável ( ∆G < 0)
Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran
Solidificação_Nucelação
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• Caracteriza-se pela interferência de agentes estranhos ao sistema denominados SUBSTRATOS (energia superficial participa do jogo energético d a sobrevivência do embrião na forma de núcleo estável).
Nucleação Heterogênea
⇓
Condição mais favorável para a nucleação
O EMBRIÃO surge na superfície do substrato sob a forma de uma CALOTA ESFÉRICA , aproveitando a energia de superfície ali disponível.
Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran
Solidificação_Nucelação
Formação de um núcleo heterogêneo sobre o substrato,mostrando o ângulo de molhamento e as tensõessuperficiais envolvidas.
Nucleação Heterogênea
Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran
Solidificação_Nucelação
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Nucleação Heterogênea
Casos-limite de molhamento entre o embrião e o substrato na nucleação heterogênea.
Nucleação Homogênea
Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran
Solidificação_Nucelação
Aplicação Prática da Teoria da Nucleação Heterogêne a
INOCULAÇÃO E REFINO DE GRÃO
Adição ou Inoculação de substratos heterogêneoscom alta potência de nucleação (sob a forma de partículasfinamente divididas).
Os INOCULANTES (REFINADORES) são distribuídos uniformemente no seio do metal líquido por meio de um veículo volátil a eles previamente adicionado
Cada partícula do NUCLEANTE atua como umSUBSTRATO LOCALIZADO para a nucleação heterogênea dafase sólida, devido ao fato de apresentar um alto índice demolhamento pelo metal líquido.
Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran
Solidificação_Nucelação
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VARIAÇÕES NA MACROESTRUTURA DE UMA LIGA AlMg EM FUNÇÃO E DO USO DE REFINADOR DE GRÃO PARA DIFERENTES TEMPERATURAS
DE VAZAMENTO
Tv = 8150C
S/ REFINO C/ REFINO
Tv =7500C
Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran
Solidificação_Nucelação
Aula 04.a: Fundamentos da Solidificação dos Metais – Parte 2
2. Macro e Microestruturas deSolidificação
- Tipos de macroestruturas.
- Influência dos parâmetros de processo edo material sobre as macroestrutura
- Relações estruturas vs. Velocidade desolidificação.
- Fatores que influenciam na velocidadede solidificação.
Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran Dr. Eng. Metalúrgica
1. Crescimento da fase sólida
- Introdução
- Mecanismos (modelos) de crescimento
- Crescimento do interface plana ou solidificação progressiva
- Crescimento com interface dendrítica ou solidificação extensiva
- Utilização dos Diagramas de Equilíbrio no estudo da solidificação
- Solidificação de metais puros e de ligas com grandes intervalos de solidificação: consequências na estrutura de solidificação
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• O crescimento dos cristais e a solidificação dos metais líquidos é uma função direta da mobilidade atômica.
• Fatores térmicos e cinéticosdevem ser levados em consideração na aceleração ou inibição do crescimento de um cristal metálico.
• Alguns metais como Al e Cu apresentam apenas uma estrutura cristalina (CCC), enquanto outros metais como Fe e Co podem apresentar diferentes estruturas cristalinas a diferentes temperaturas (o Fe pode ser CCC ou CFC)
Crescimento da Fase Sólida
Introdução
Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran
Após a formação do núcleo, o mesmo tende a crescer com resultado da deposição de átomos que migram do líqu ido para o sólido.
Mecanismos de Crescimento
• Crescimento com Interface Plana(Lisa ou Facetada) ou Solidificação Progressiva
• Crescimento com Interface Dendrítica (Difusa) ou Solidificação Extensiva
Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran
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Durante o resfriamento de muitos metais(e ligas) os cristais nucleados crescem preferencialmente em certas direções fazendo com que cada cristal em crescimento assuma uma forma distinta conhecida como “Dendrita”
Em cristais cúbicos os eixos preferenciais de crescimento estão nas direções (100)
Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran
Representação Esquemática de 03 dendritas interconectadas
Formação de grãos a partir das dendritas
Durante a solidificação ⇒ metal semi-sólido Estado sólido
Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran
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Interface Plana
Interface Celular
Interface Dendrítica
Nucleação Independente
Diferentes Tipos de Interfaces de Solidificação
Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran
Efeito do incremento na taxa de resfriamento sobre a morfologia da interface S/L em um sistema orgânico transparente solidificado unidirecionalmente com G = 2,98 K/mm
a = 0,2 µm/s b = 1,0 µm/s c = 3,0 µm/s d = 7,0 µm/s
Gradiente de Temperatura
Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran
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Formação de cristais equiaxiais no centro do molde durante a solidificação de uma mistura transparente cloreto de amônia-água.
Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran
Líquido
Sólido
Modelo de Crescimento com Interface Plana ou Lisa Solidificação Progressiva
A Interface cresce segundo um Plano Atômico bem definido que separa as Fases Sólido (ordenada atomicamente) e Líquido (desordenada atomicamente), caracterizado por uma variação abrupta e nítida
Típico de Metais Puros ou Ligas Eutéticas.
Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran
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Modelo de Crescimento com Interface Dendrítica ou DifusaSolidificação Extensiva
Metal Semi-Sólido
Metal Líquido
Metal Sólido
A Interface de Crescimento não apresenta uma separação bem definida entre as Fases Sólido e Líquido ocorrendo a formação de uma região intermediária formada pela mistura de fases sólida e líquida (metal semi-sólido).
Modelo de Crescimento característico de Ligas que solidificam sob um intervalo de temperaturas
( ∆T = TL – TS ⇒ Intervalo de Solidificação)
Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran
MICROESTRUTURAS DE SOLIDIFICAÇÃO
As microestruturas formadas na solidificação de lig as metálicas, especialmente o tamanho médio dos grãos, estão dir etamente relacionadas com a velocidade de solidificação .
A velocidade de solidificação, por sua vez, depende do processo de fundição utilizado e de características das pecas.
FATORES QUE INFLUENCIAM NA VELOCIDADE DE SOLIDIFICA ÇÃO:
• Tipo de molde (material de moldagem) : areia x metal .
• Dinâmica do Processo: gravidade x pressão.
• Geometria da Peca: paredes grossas x paredes finas.
Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran