aula 4a solidifica o 02

Aula 04-a: Fundamentos da Solidificao dos Metais Parte 2

2. Macro e Microestruturas de Solidificao

- Tipos de macroestruturas.

- Influncia dos parmetros de processo e do material sobre as macroestrutura

- Relaes estruturas vs. Velocidade de solidificao.

-Fatores que influenciam na velocidade de solidificao.

- Microestruturas x diagramas de equilbrio.

1. Crescimento da fase slida

- Introduo- Mecanismos (modelos) de crescimento- Crescimento do interface plana ou solidificao progressiva - Crescimento com interface dendrtica ou solidificao extensiva - Utilizao dos Diagramas de Equilbrio no estudo da solidificao- Solidificao de metais puros e de ligas com grandes intervalos de solidificao: consequncias na estrutura de solidificao

Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme O. Verran Dr. Eng. Metalrgica

O crescimento dos cristais e a solidificao dos metais lquidos uma funo direta da mobilidade atmica.

Fatores trmicos e cinticos devem ser levados em considerao na acelerao ou inibio do crescimento de um cristal metlico.

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 SlidaIntroduo

Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran

Aps a formao do ncleo, o mesmo tende a crescer com resultado da deposio de tomos que migram do lquido para o slido.

Mecanismos de Crescimento

Crescimento com Interface Plana(Lisa ou Facetada) ou Solidificao Progressiva

Crescimento com Interface Dendrtica (Difusa) ou Solidificao Extensiva


Durante o resfriamento de muitos metais(e ligas) os cristais nucleados crescem preferencialmente em certas direes fazendo com que cada cristal em crescimento assuma uma forma distinta conhecida como Dendrita

Em cristais cbicos os eixos preferenciais de crescimento esto nas direes (100)

Diagrama esquemtico mostrando 3 dendritas

interconectadas


Interface Plana

Interface Celular

Interface Dendrtica

Nucleao Independente

Diferentes Tipos de Interfaces de Solidificao


Utilizao dos D.E. no entendimento dos diferentes tipos de solidificao de metais e/ou ligas

Solidificao de Metais Puros

Solidificao MonofsicaLiga com grande T

Solidificao Polifsica Ocorrncia de reao euttica

Solidificao MonofsicaLiga com pequeno T

T = Tliquidus Tslidus Intervalo de SolidificaoCe

TB

Te

T

TA

+

A B

+ L + L

e

C1

L

C2

Linha LiquidusLinha Solidus


Redistribuio de Soluto na Solidificao de Ligas Monofsicas

Nas ligas Monofsicas o Soluto redistribudo durante a solidificao como conseqncia das diferenas de solubilidade no slido e no lquido.

As variaes das condies de crescimento acarretam variaes na forma com que o soluto redistribudo entre as fases slida e lquida.

Ocorrncia de variaes nas estruturas dos slidos formados.


Coeficiente de Distribuio no Equilbrio: K0

K0 = CS CL

CS = concentrao de soluto no slido na temperatura T

CL= concentrao de soluto no lquido na temperatura T

K0

Ko mede a tendncia segregao, portanto, quanto mais afastado for o seu valor de uma unidade, maior ser a tendncia de segregao de um elemento.

0,95W0,02S0,13P0,02O0,28N0,32H0,90Co0,95Cr0,13C0,02B0,92Al

Ko (em relao ao Fe)Elemento

Em relao ao Ferro, os elementos mais segregveis so B, S, P, C, N e O; enquanto W , Cr, Al e Co apresentam baixa tendncia segregao.


Exemplos de diagramas de fases com elevada e pequena tendncia segregao.

(a) Segregao elevada - Ko bem menor que 1(b) Segregao pequena - Ko prximo a 1


Conseqncias Prticas da Redistribuio de Soluto

(a) Ocorrncia de Heterogeneidades Qumicas Segregaes

(b) Alteraes na Morfologia da IS/L Variaes nas Estruturas de Solidificao

(c) Aplicaes:

- Refino por Fuso Zonal

- Nivelamento Zonal


Formao de uma protuberncia instvelque funde devido temperatura local da

extremidade ser maior que a temperatura de fuso.

Interface TF

Slido Lquido

GS >>>> 0GL >> 0

Tlocal >>>> TF

Distncia

T

e

m

p

e

r

a

t

u

r

a


Ligas Monofsicas

Redistribuio de Soluto

Ocorrncia de Super-resfriamento Constitucional

Reduo na temperatura em virtude de diferentes composies de soluto

Distncia a Frente da Interface

T

e

m

p

e

r

a

t

u

r

a

Gradiente Trmico ImpostoG1 G2

Zona Superesfriada Constitucionalmente


Condio para No Ocorrncia de Super-resfriamento Constitucional

(G/R) m. Co . (1 Ko)DL Ko

Parmetros de Crescimento

Parmetros do Sistema

Dependem das condies impostas

Dependem da liga (Diagrama de Equilbrio)


Condies 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 trmica no lquido.

(6) Ko muito pequeno para Ko

Variaes Estruturais associadas com o Super-resfriamento Constitucional

(a) Sem Superesfriamento Constitucional

Interface Plana

(b) Com Superesfriamento Constitucional

Formao de Protuberncias na Interface

(c) Aumentando o Superesfriamento Constitucional- Clulas Alongadas- Clulas Interrompidas- Dendritas Celulares

- Dendritas Livres


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

a) Sem Superesfriamento Constitucional

b) Com Superesfriamento Constitucional

Direo de Crescimento

Aumento do Superesfriamento Constitucional

Interface Plana Interface Celular Crescimento Dendrtico

Nucleao Independente


Efeito do incremento na velocidade de resfriamento sobre a morfologia da interface S/L em um sistema orgnico transparente solidificado unidirecionalmente com G = 2,98 K/mm

a = 0,2 m/s b = 1,0 m/s c = 3,0 m/s d = 7,0 m/s

Gradiente de Temperatura


Formao de cristais equiaxiais no centro do molde durante a solidificao de uma mistura transparente cloreto de amnia-gua.


Lquido

Slido

Modelo de Crescimento com Interface Plana ou Lisa Solidificao Progressiva

A Interface cresce segundo um Plano Atmico bem definido que separa as Fases Slido (ordenada atomicamente) e Lquido (desordenada atomicamente), caracterizado por uma variao abrupta e ntida

Tpico de Metais Puros ou Ligas Eutticas.


Modelo de Crescimento com Interface Dendrtica ou DifusaSolidificao Extensiva

Metal Semi-Slido

Metal Lquido

Metal Slido

A Interface de Crescimento no apresenta uma separao bem definida entre as Fases Slido e Lquido ocorrendo a formao de uma regio intermediria formada pela mistura de fases slida e lquida (metal semi-slido).

Modelo de Crescimento caracterstico de Ligas que solidificam sob um intervalo de temperaturas

( T = TL TS Intervalo de Solidificao)


Ferros FundidosAos

Fofos T muito pequeno ou inexistenteAos pequenos e grandes T em funo do % de C

1 2

Grande T

Pequeno T


Representao esquemtica do modelo de solidificao de um metal puro

INTERFACE PLANA

COMPOSIO EUTTICA

METAIS PUROS

Ligas que solidificam com temperatura constante


Representao esquemtica do modelo de solidificao de uma liga com pequeno intervalo de solidificao.

Ligas com pequeno intervalo de solidificao

AOS FERROS FUNDIDOS

LATES

FRENTE DE SOLIDIFICAO PLANA


Representao esquemtica do modelo de solidificao de uma liga com grande intervalo de solidificao.

Ligas com grande intervalo de solidificao

LIGAS DE Al HIPOEUTTICAS

BRONZES

FRENTE DE SOLIDIFICAO DENDRTICA


Representao esquemtica do modelo de solidificao de uma liga com intervalo de solidificao mdio


MACROESTRUTURAS DE SOLIDIFICAO

Zona Coquilhada (Chill)

Camada perifrica composta de pequenos gros com orientao cristalogrfica aleatria.

Zona Colunar Formada por gros alongados que se alinham paralelamente mxima extrao de calor. Os gros se formam por crescimento seletivo e preferencial

Zona Equiaxial Central

Formada por gros equiaxiais pequenos ou grandes com orientao cristalogrfica aleatria.


Representao esquemtica dos trs tipos de estruturas brutas de fusonormalmente existentes nos lingotes: Zona CoquilhadaZona Coquilhada: formada por

pequenos gros equiaxiais de orientao cristalogrfica aleatria

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

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

calor. Zona EquiaxialZona Equiaxial CentralCentral: formada por gros equiaxiais de orientao

cristalogrfica aleatria.


Possveis variaes na macroestrutura de um lingote. (a) Ausncia da Zona Equiaxial Central (b) Presena das trs

Zonas (c) Ausncia das Zonas Coquilhada e Colunar.

Liga com pequeno T Liga com mdio T Liga com grande T


Influncia dos parmetros do processo e do material sobre a formao da macroestrutura

Extrao de Calor

Adio de Inoculante

% de Soluto

Agitao do lquido

Uso de massalotes

Grau de Superaquecimento

Zona Equiaxial

Zona Colunar

Zona Coquilhada

Parmetro


Variao esquemtica do comprimento relativo da zona colunar em funo do teor de soluto.

Influncia dos Parmetros de Solidificao sobre as Estruturas: Teor de Soluto


Variao esquemtica do comprimento relativo da zona colunar em funo da temperatura de vazamento.

Influncia dos Parmetros de Solidificao sobre as Estruturas:Temperatura de Vazamento


Influncia da temperatura de vazamento e da presso sobre as macroestruturas de lingotes de Al puro, solidificados em lingoteiras de ao: a) Tv=760C (patm e 8atm); b) Tv=790C; c) Tv=810C.

Influncia dos Parmetros de Solidificao sobre as Estruturas:

Temperatura de vazamento e presso


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

S = 70 0 C S = 120 0 C


Al Puro Al 6Mg

Estrutura formada por gros colunares.

Estrutura formada por gros equiaxiais

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


VARIAES NA MACROESTRUTURA DE UMA LIGA AlMg EM FUNO E DO USO DE REFINADOR DE GRO PARA DIFERENTES TEMPERATURAS

DE VAZAMENTO

Tv = 8150C

S/ REFINO C/ REFINO

Tv =7500C


Macroestrutura do Ao Inox do tipo 18-8:

Estrutura fundida de gros grosseiros (parte superior) e o mesmo ao refinado

por inoculao de agentes nucleantes (parte inferior).


MICROESTRUTURAS DE SOLIDIFICAO1. As microestruturas formadas na solidificao de ligas

metlicas, especialmente o tamanho mdio dos gros, esto diretamente relacionadas com a velocidade de solidificao.

A velocidade de solidificao, por sua vez, depende do processo de fundio utilizado e de caractersticas das pecas.

FATORES QUE INFLUENCIAM NA VELOCIDADE DE SOLIDIFICAO: Tipo de molde (material de moldagem) : areia x metal. Dinmica do Processo: gravidade x presso. Geometria da Peca: paredes grossas x paredes finas.

2. A velocidade de solidificao tambm influencia no equilbrio durante a solidificao de ligas metlicas.


Velocidade de Resfriamento

Tamanho dos Gros

Areia Coquilha Sob Presso


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

resfriando sobCondies de Equilbrio

Estrutura policristalina e monofsica

Soluo Slida


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

resfriando sob Condies de No Equilbrio

Ocorrncia de gradientes de concentrao ao longo dos gros

Segregao

Forma de eliminaoTratamento Trmico

(Homogeneizao)

Coring ou Zoneamento


Representao esquemtica do resfriamento sob Condies de

Equilbrio para uma liga Pb-Sncom composio C1 .

Estrutura Policristalina e Monofsica a temperatura

ambiente

% de Soluto no excede ao limite de mxima solubilidade slida


Representao esquemtica do resfriamento sob Condies de

Equilbrio para uma liga Pb-Sncom composio C2 .

Estrutura Policristalina e Polifsica a temperatura

ambiente

% de Soluto excede ao limite de mxima solubilidade slida

Ao longo do resfriamento as partculas da fase vo crescer


Representao esquemtica do resfriamento sob Condies de Equilbrio para uma liga Pb-Sn com composio

Euttica (C3 )

Na temperatura euttica (1830C) a fase lquida se transforma em uma estrutura formada por

lamelas de e .


Micrografia de uma liga Pb-Sn com composio euttica, formada por lamelas de soluo slida rica em Pb

(escuras) e lamelas de soluo slida rica em Sn (claras), aumento 375x.

Um microconstituinte


Representao esquemtica do resfriamento sob Condies de Equilbrio para uma liga Pb-Sn que cruza

a isoterma euttica (C4 )

Na temperatura ambiente a liga constituda por gros da fase primria e

gros do euttico( + )


Micrografia de uma liga Sn-Pb com composio hipoeuttica 50Pb-50Sn, mostrando fase primria rica em Pb(regies escuras) em uma estrutura euttica lamelar(lamelas claras de rica em Sn e lamelas

escuras de rica em Pb), aumento 400x.

Dois microconstituintes


aula 4a solidifica o 02

Documents