aula 04-a: fundamentos da solidificação dos metais – parte 2 · influência da temperatura de...

Aula 04-a: Fundamentos da Solidificação dos Metais – Parte 2

2. Macro e Microestruturas de Solidificação

- Tipos de macroestruturas.

- Influência dos parâmetros de processo e do material sobre as macroestrutura

- Relações estruturas vs. Velocidade de solidificação.

-Fatores que influenciam na velocidade de solidificação.

- Microestruturas x diagramas de equilíbrio.

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

Disciplina: Fundição dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme O. Verran – Dr. Eng. Metalúrgic a

• 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: Fundição dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran

Após a formação do núcleo, o mesmo tende a crescer com resultado da deposição de átomos que migram do líquid o para o sólido.

Mecanismos de Crescimento

• Crescimento com Interface Plana(Lisa ou Facetada) ou Solidificação Progressiva

• Crescimento com Interface Dendrítica (Difusa) ou Solidificação Extensiva


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)

Diagrama esquemático mostrando 3 dendritas

interconectadas


Interface Plana

Interface Celular

Interface Dendrítica

Nucleação Independente

Diferentes Tipos de Interfaces de Solidificação


Utilização dos D.E. no entendimento dos diferentes tipos de solidificação de metais e/ou ligas

Solidificação de Metais Puros

Solidificação MonofásicaLiga com grande ∆T

Solidificação Polifásica Ocorrência de reação eutética

Solidificação MonofásicaLiga com pequeno ∆T

∆T = Tliquidus – Tsólidus → Intervalo de Solidificação

Ce

TB

ααααTe

T

TA

αααα + ββββ

ββββ

A B

ββββ + Lαααα + L

e

C1

L

C2

Linha LiquidusLinha Solidus


Redistribuição de Soluto na Solidificação de Ligas Monofásicas

Nas ligas Monofásicas o Soluto é redistribuído durante a solidificação como conseqüência das diferenças de solubilidade no sólido e no líquido.

As variações das condições de crescimento acarretam variações na forma com que o soluto é redistribuído entre as fases sólida e líquida.

⇓⇓⇓⇓

Ocorrência de variações nas estruturas dos sólidos formados.


Coeficiente de Distribuição no Equilíbrio: K0

K 0 = CS ÷÷÷÷ CL

CS = concentração de soluto no sólido na temperatura T

CL= concentração de soluto no líquido na temperatura T

K 0 <<<< 1 ⇒⇒⇒⇒ o efeito do soluto é baixar TL

Solidificação em Equilíbrio


Ko mede a tendência à segregação, portanto, quanto ma is afastado for o seu valor de uma unidade, maior será a tendênc ia de segregação de um elemento.

0,95W0,02S0,13P0,02O0,28N0,32H0,90Co0,95Cr0,13C

0,02B0,92Al

Ko (em relação ao Fe)Elemento

Em relação ao Ferro, os elementos mais segregáveis são B, S, P, C, N e O; enquanto W , Cr, Al e Co apresentam baixa tendência àsegregação.


Exemplos de diagramas de fases com elevada e pequen a tendência à segregação.

(a) Segregação elevada - Ko bem menor que 1

(b) Segregação pequena - Ko próximo a 1


Conseqüências Práticas da Redistribuição de Soluto

(a) Ocorrência de Heterogeneidades Químicas ⇒ Segregações

(b) Alterações na Morfologia da IS/L ⇒ Variações nas Estruturas de Solidificação

(c) Aplicações:

- Refino por Fusão Zonal

- Nivelamento Zonal


Formação de uma protuberância instávelque funde devido àtemperatura local da

extremidade ser maior que a temperatura de fusão.

Interface ≈≈≈≈ TF

Sólido Líquido

GS >>>> 0 GL <<<< 0

T local <<<< TF

Formação e estabilização de uma protuberância na interface, quando ela se projeta para uma regiãoem que a temperatura local da extremidade estáabaixo

da temperatura de fusão

Interface ≈≈≈≈ TF

Sólido Líquido

GS >>>> 0

GL >>>> 0

T local >>>> TF

Distância

Te

mp

era

tura


Ligas Monofásicas

⇓⇓⇓⇓

Redistribuição de Soluto

Ocorrência de Super-resfriamento Constitucional⇓⇓⇓⇓

⇓⇓⇓⇓

Redução na temperatura em virtude de diferentes composições de soluto

Distância a Frente da Interface

Te

mp

era

tura

Gradiente Térmico Imposto

G1G2

Zona Superesfriada Constitucionalmente


Condição para Não Ocorrência de Super-resfriamento Constitucional

(G/R) m. Co . (1 – Ko)DL Ko

≥

Parâmetros de Crescimento

Parâmetros do Sistema

Dependem das condições impostas

Dependem da liga (Diagrama de Equilíbrio)


Condições que favorecem o Super-resfriamento Constitucional

(1) Baixo G

(2) Altas R

(3) Linhas Liquidus Abruptas

(4) Altos percentuais de elementos de liga (solutos)

(5) Baixa difusividade térmica no líquido.

(6) Ko muito pequeno para Ko <<<< 1

(7) Ko muito grande para Ko >1


Variações Estruturais associadas com o Super-resfriamento Constitucional

(a) Sem Superesfriamento Constitucional ⇓⇓ ⇓⇓ Interface Plana

(b) Com Superesfriamento Constitucional⇓⇓ ⇓⇓

Formação de Protuberâncias na Interface

(c) Aumentando o Superesfriamento Constitucional

- Células Alongadas

- Células Interrompidas

- Dendritas Celulares

- Dendritas Livres


Influência do Super-resfriamento Constitucional sobre a morfologia da interface S/L e no modo de solidificação

a) Sem Superesfriamento Constitucional

b) Com Superesfriamento Constitucional

Direção de Crescimento

Aumento do Superesfriamento Constitucional

Interface Plana Interface Celular Crescimento Dendrítico

Nucleação Independente


Efeito do incremento na velocidade 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


Formação de cristais equiaxiais no centro do molde durante a solidificação de uma mistura transparente cloreto de amônia-água.


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.


Modelo de Crescimento com Interface Dendrítica ou D ifusaSolidificação 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)


Ferros FundidosAços

Fofos ↔ ∆T muito pequeno ou inexistenteAços ↔ pequenos e grandes ∆T em função do % de C

1 2

Grande ∆T

Pequeno ∆T


Representação esquemática do modelo de solidificação de um metal puro

INTERFACE PLANA

• COMPOSIÇÃO EUTÉTICA

• METAIS PUROS

Ligas que solidificam com temperatura constante


Representação esquemática do modelo de solidificação de uma liga com pequeno intervalo de solidificação.

Ligas com pequeno intervalo de solidificação

• AÇOS

• FERROS FUNDIDOS

• LATÕES

FRENTE DE SOLIDIFICAÇÃO PLANA


Representação esquemática do modelo de solidificação de uma liga com grande intervalo de solidificação.

Ligas com grande intervalo de solidificação

• LIGAS DE Al HIPOEUTÉTICAS

• BRONZES

FRENTE DE SOLIDIFICAÇÃO DENDRÍTICA


Representação esquemática do modelo de solidificação de uma liga com intervalo de solidificação médio


MACROESTRUTURAS DE SOLIDIFICAÇÃO

• Zona Coquilhada (Chill)

Camada periférica composta de pequenos grãos com orientação cristalográfica aleatória.

⇒⇒⇒⇒

• Zona Colunar ⇒⇒⇒⇒

Formada por grãos alongados que se alinham paralelamente à máxima extração de calor. Os grãos se formam por crescimento seletivo e preferencial

• Zona Equiaxial Central ⇒⇒⇒⇒

Formada por grãos equiaxiais pequenos ou grandes com orientação cristalográfica aleatória.


Representação esquemática dos três tipos de estruturas “brutas de fusão”normalmente existentes nos lingotes:� Zona CoquilhadaZona Coquilhada: é formada por

pequenos grãos equiaxiais de orientação cristalográfica aleatória

junto a interface metal-molde.� Zona ColunarZona Colunar: formada por grãos

alongados e finos que se alinham paralelamente a direção do fluxo de

calor.� Zona EquiaxialZona EquiaxialCentralCentral: formada por grãos equiaxiais de orientação

cristalográfica aleatória.


Possíveis variações na macroestrutura de um lingote. (a) Ausência da Zona Equiaxial Central (b) Presença das três

Zonas (c) Ausência das Zonas Coquilhada e Colunar.

Liga com pequeno ∆T Liga com médio ∆T Liga com grande ∆T


Influência dos parâmetros do processo e do material so bre a formação da macroestrutura

↑↑↑↑ Extração de Calor

Adição de Inoculante

↑↑↑↑ % de Soluto

Agitação do líquido

Uso de massalotes

↑↑↑↑ Grau de Superaquecimento

Zona Equiaxial

Zona Colunar

Zona Coquilhada

Parâmetro↓↓↓↓


Variação esquemática do comprimento relativo da zona colunar em função do teor de soluto.

Influência dos Parâmetros de Solidificação sobre as Estruturas: Teor de Soluto


Variação esquemática do comprimento relativo da zona colunar em função da temperatura de vazamento.

Influência dos Parâmetros de Solidificação sobre as Estruturas:Temperatura de Vazamento


Influência da temperatura de vazamento e da pressão sobre as macroestruturas de lingotes de Al puro, solidificados em lingoteiras de aço: a) Tv=760ºC (patm e 8atm); b) Tv=790ºC; c) Tv=810ºC.

Influência dos Parâmetros de Solidificação sobre as Estruturas:

Temperatura de vazamento e pressão


Efeito do Grau de Superaquecimentosobre a Bruta de Fusão do Al Puro

S = 70 0 C S = 120 0 C


Al Puro Al 6Mg

Estrutura formada por grãos colunares.

Estrutura formada por grãos equiaxiais

COMPARAÇÃO DAS MACROESTRUTURAS DE UM METAL PURO E DE UMA LIGA VAZADOS COM O MESMO GRAU DE SUPERAQUECIMENTO


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


Macroestrutura do Aço Inox do tipo 18-8:

Estrutura fundida de grãos grosseiros (parte superior) e o mesmo aço refinado

por inoculação de agentes nucleantes (parte inferior).


MICROESTRUTURAS DE SOLIDIFICAÇÃO

1. As microestruturas formadas na solidificação de liga s metálicas, especialmente o tamanho médio dos grãos, estão diretamente 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 SOLIDIFICAÇÃO :

• Tipo de molde (material de moldagem) : areia x metal. • Dinâmica do Processo: gravidade x pressão.

• Geometria da Peca: paredes grossas x paredes finas.

2. A velocidade de solidificação também influencia no equilíbrio durante a solidificação de ligas metálicas .


Velocidade de Resfriamento

Tamanho dos Grãos

Areia Coquilha Sob Pressão


Evolução da estrutura para um Sistema Isomorfo (Cu-Ni)

resfriando sobCondições de Equilíbrio

Estrutura policristalina e monofásica

Solução Sólida


Evolução da estrutura para um Sistema Isomorfo (Cu-Ni)

resfriando sob Condições de Não Equilíbrio

Ocorrência de gradientes de concentração ao longo dos grãos

Segregação

⇓⇓⇓⇓

Forma de eliminaçãoTratamento Térmico (Homogeneização)

⇒⇒⇒⇒

“Coring” ou Zoneamento

⇓⇓⇓⇓


Representação esquemática do resfriamento sob Condições de

Equilíbrio para uma liga Pb-Sncom composição C1 .

Estrutura Policristalina e Monofásica a temperatura

ambiente

% de Soluto não excedeao limite de máxima solubilidade sólida


Representação esquemática do resfriamento sob Condições de

Equilíbrio para uma liga Pb-Sncom composição C2 .

Estrutura Policristalina e Polifásica a temperatura

ambiente

% de Soluto excedeao limite de máxima solubilidade sólida

Ao longo do resfriamento as partículas da fase ββββ vão crescer


Representação esquemática do resfriamento sob Condições de Equilíbrio para uma liga Pb-Sn com composição

Eutética (C3 )

Na temperatura eutética (1830C) a fase líquida se transforma em uma estrutura formada por

lamelas de αααα e ββββ.


Micrografia de uma liga Pb-Sn com composição eutética, formada por lamelas de solução sólida αααα rica em Pb

(escuras) e lamelas de solução sólida ββββ rica em Sn (claras), aumento 375x.

Um microconstituinte


Representação esquemática do resfriamento sob Condições de Equilíbrio para uma liga Pb-Sn que cruza

a isoterma eutética (C4 )

Na temperatura ambiente a liga éconstituída por grãos da fase primária αααα e

grãos do eutético(αααα + ββββ)


Micrografia de uma liga Sn-Pb com composição hipoeutética 50Pb-50Sn, mostrando fase αααα primária rica em Pb(regiões escuras) em uma estrutura eutética lamelar(lamelas claras de ββββ rica em Sn e lamelas

escuras de αααα rica em Pb), aumento 400x.

Dois microconstituintes


aula 04-a: fundamentos da solidificação dos metais – parte 2 · influência da temperatura de...

Documents