aula 04: fundamentos da solidificação dos metais · de cristais ou grãos cristalinos. como todas...

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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


Fundamentos da Solidificação dos Metais

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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

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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



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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 )


• 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 .


• 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



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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



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



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Micrografia mostrando Rechupe - defeito devido à contração na solidificação, aumento 100X.

Rechupe devido a contração na região de ponto quente.



Micrografia mostrando porosidade típica em peca injetada devido ao aprisionamento de gás pelo sistema de injeção, aumento 50X.



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Trinca formada em um canto do fundido, local onde as tensões internas são mais intensas.

Trincas de Solidificação



HeterogeneidadeQuímica


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.


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Propriedades físicas dos metais puros de grande relevância no estudo da solidificação



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


Grandes consequências na distribuição de soluto na fase sólida durante a solidificação

Heterogeneidades Químicas

SEGREGAÇÃO


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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)



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.


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


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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.



• 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.

⇒


Solidificação_Nucelação

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CURVAS DE RESFRIAMENTO – ANÁLISE TÉRMICA

Curva de resfriamento para um Metal Puro mostrando a ocorrência de superesfriamento



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



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Curvas de resfriamento para ligas hipoeutética (2) e eutética (1)



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.



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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



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)



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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):



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)



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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.



Formação de um núcleo heterogêneo sobre o substrato,mostrando o ângulo de molhamento e as tensõessuperficiais envolvidas.




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Casos-limite de molhamento entre o embrião e o substrato na nucleação heterogênea.

Nucleação Homogênea



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.



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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



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


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


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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)


Representação Esquemática de 03 dendritas interconectadas

Formação de grãos a partir das dendritas

Durante a solidificação ⇒ metal semi-sólido Estado sólido


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Interface Plana

Interface Celular

Interface Dendrítica

Nucleação Independente

Diferentes Tipos de Interfaces de Solidificação


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


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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.


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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)


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.


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Velocidade de Resfriamento

Tamanho dos Grãos

Areia Coquilha Sob Pressão


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