Crescimento de Cristais - Diagrama de Fases

Recapitulando a aula 2:

NUCLEAÇÃO E CRESCIMENTO DE FASES

Nucleação

Formação de clustersou embriões

Líquido - DesorganizaçãoCristalina

Redução daTemperatura

Nucleação na Solidificação: Formação de um núcleo sólido ordenado no meio do líquido

Inicia-se a partir da formação de um Embrião

Os embriões podem aparecer e dissolver

Os embriões podem aparecer e crescer

Núcleos que passam a crescer espontaneamente de forma organizada são

chamados de Cristais

Nucleação é um fenômeno de transformação de fase S/L

Pode ser dividida em:

Heterogênea Homogênea

Crescimento das fases

Exemplo:Nucleação e crescimento de uma liga Al-3,5%Ni em Forno

Bridgman (controlado)

L

V

G

S

Raios x

Absorção

Onda monocromática

Amostra fina

Refino de Grão (aumentar a quantidade e dimnuir o tamanho):

Intensidade de nucleação controla a estrutura final

Cada grão cristalino cresce a partir de um único núcleo

Duas técnicas para refino de estrutura a partir do líquido:

Resfriamento brusco e controlado

Adição de agentes nucleantes

Bom refinador será aquele

que produz: - menores ângulos de contato

- elevada energia superficial partícula/L

- baixa energia superficial partícula/S

- estável, insolúvel no líquido

- alta rugosidade

- similaridade com a rede cristalina sólido

Principais Agentes Nucleantes:

Ligas Al: Titânio e Boro

Ligas Mg: Carbono e Zircônio

Ligas Cu: Ferro ou Zircônio

Ligas Pb: Arsênio e Telúrio

Ligas Zn: Titânio

Ligas Fe-C: Nióbio e Vanádio

Nucleação Dinâmica:

Estímulo dinâmico: vibração mecânica e/ou eletromagnética

Adição de inoculantes

Aço com 18%Cr /12%Ni

Solidificação normal Com refinador

Lingotes de Alumínio solidificados em coquilha de aço

Estrutura de solidificação

normal

Refino de grão por

adição de boro-titânio

Macroestruturas da liga Al 4%Cu

Nucleação dinâmica

(A) Sem agitação mecânica

(B) Com agitação mecânica

Diagrama de Fases

Metal Puro

Para o exemplo do metal puro, pode-se representar as condições de equilíbrio

conforme se segue:

Tf

Líquido

(1 fase)

Sólido

(1 fase)

Acima da temperatura de fusão o material se

encontrará na condição de líquido e abaixo dessa

temperatura na condição de sólido.

O ponto Tf corresponde então ao ponto de

transformação.

Ligas Binárias

Admitindo um metal puro (componente A) no qual será inserida uma certa

quantidade de um elemento de liga (componente B), a curva de resfriamento

partindo de uma temperatura Tv, será dada por:

Diagrama de fases

TL

Líquido

(1 fase)

Sólido

(1 ou + fases)

Ts

Sólido +

Líquido

TL - Temperatura liquidus

Ts - Temperatura solidus

Tempo

Tv

TL

Transformação de fase (sólido + líquido)

Resfriamento do líquido

Resfriamento do sólido

Ts

Liga binária: Metal base (solvente) - A Metal de liga (soluto) - B

Intervalo de Solidificação SLSL TTT

T

%

Solidus

Liquidus Ts

TL

Co

TF

T

t

Ts

TL

TV

O calor latente é liberado em um

intervalo de temperaturas:

LLSS f.Hf.HH

SL f.LHH

)f1.(Hf.HH SLSS H

T

Metal Puro Aço

Al - Cu

TE T l

Ts

H

T T f

H

T T l

H

T

Pb - Sn

TE T l

Sistema:

Componente: define um elemento puro, e/ou os componentes

individuais formadores de ligas

Caracteriza o espectro de composições e fases

existentes entre os elementos individuais

Fase: Esse termo define uma porção homogênea de

um sistema

SOLIDIFICAÇÃO

Sólido - Condição 1

Estrutura cristalina organizada

apresentando duas fases com componentes

insolúveis

Sólido - Condição 2

Estrutura cristalina organizada

apresentando uma fase formada por diferentes

componentes

Líquido

Estrutura cristalina desorganizada

apresentando um única fase

Componente A

Componente B

Limite de solubilidade:

Componente B (soluto) adicionado ao

componente A (solvente), para formar uma

solução líquida. Sabe-se que para uma

dada temperatura, deverá existir um limite

da quantidade do componente B que o

componente A é capaz de absorver. Após

esse limite, os átomos do soluto não serão

mais agregados à rede do solvente,

ocorrendo a partir daí a precipitação de

uma nova fase.

Esse limite da quantidade do componente

B que o componente A pode receber é

chamado de Limite de Solubilidade.

Solução sólida:

O termo Solução Sólida, tem a mesma idéia, entretanto refere-se a materiais no

estado sólido. Um componente B pode formar uma solução sólida com um

componente A, se o componente B se misturar a estrutura do componente A (de

modo intersticial ou substitucional) de tal forma a manter uma condição de fase

única.

Solução sólida

Intersticial

Solução sólida

Substitucional

FASE

ÚNICA

Componente solvente

Componente soluto

Componente solvente

Componente soluto

Diagrama de fases de uma Liga Binária Eutética

TfB

e = fases sólidas

= fase primária (rica em A)

= segunda fase (rica em B)

x1 xE A B

TfA

TE

TL

+

L+

+L

L

Fração de B

T

linha

solidus

linha liquidus

ponto eutético TS

T1 linha

solvus

L

Diagrama de fases de uma Liga Binária Eutética

TfB

e = fases sólidas

= fase primária (rica em A)

= segunda fase (rica em B)

xE A B

TfA

TE

TL

+

L+

+L

L

Fração de B

T

linha

solidus

linha liquidus

ponto eutético

T1 linha

solvus

L

E

L

x2