diferenças entre líquidos e sólidos - udesc - cct · modelo de crescimento característico de...

1

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

SOLIDIFICAÇÃO

Objetivo: fixar os átomos que se movimentam violentamente e arranjá-los numa ordem de longo alcance

Retirada de Energia Térmica

(Resfriamento )

Metalurgia FísicaProf. Dr. Guilherme Verran

2

• 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


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


3

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

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.


4

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


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.


5

• 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.

⇒



CURVAS DE RESFRIAMENTO

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

6

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


Metalurgia FísicaProf. Dr. Guilherme Verran Nucleação da fase sólida


7




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

Nucleação da fase sólida

8

∆∆

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)


9

• 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.



10


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.


11

Crescimento da Fase Sólida

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 Lisa (Facetada) ou Solidificação Progressiva

• Crescimento com Interface Difusa ou Solidificação Extensiva


Interface Plana

Interface Celular

Interface Dendrítica

Nucleação Independente

Diferentes Tipos de Interfaces de Solidificação


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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 prefenciais de crescimento estão nas direções (100)

Diagrama esquemático mostrando 3 dendritas

interconectadas


Líquido

Sólido

Crescimento com Interface Lisa ou 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.


13

Crescimento com Interface Difusa ou Solidificação 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)


Solidificação de Ligas Monofásicas

Redistribuição de Soluto na Solidificação de Ligas

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.

1 . Introdução


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2 . Alguns Conceitos Fundamentais

Velocidade de Crescimento: R (cm/s)

• Medida da taxa de avanço da interface s/l (Is/l)

Gradiente de Temperatura: G ( 0C/cm )

• Gradiente de temperatura no líquido a partir da Is/l.

• G + ⇒ T aumenta da Is/l para o interior do líquido.

Difusividade: D

• Determina a taxa na qual os átomos podem se mover no líquido.


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

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Sólido Líquido

Interface S/L

Vista esquemática da Seção de um Lingote ou Peça

parcialmente solidificado

Cadinho

Lingote


C0 / K0

LíquidoC0

C0.K0

T1

Sólido

C0 / K0

C0

C0.K0

T4

LíquidoC0 / K0

C0

C0.K0

T2Sólido

Líquido C0 / K0

C0

C0.K0

T3Sólido

Distância

Solidificação em Equilíbrio

Liquidus

C0.K0

Solidus

Composição

Líquido

Sólido

C0

Tem

pera

tura

C0 / K0

T1

T2

T3

T4

K 0 < 1

Seqüência de eventos durante a solidificação de uma liga com composição C0 (para K0 < 1)

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Solidificação em Não Equilíbrio

a) Redistribuição de Soluto no Líquido apenas por Difusão

Condições de Contorno:

X = 0 → C = C0 / K0

X = ∞ → C = C0

1a Lei de Fick :

Fluxo de Difusão = - D (dC/dx)

Equação Diferencial:

C = A + B . exp (- Rx / Dl)

Concentração de soluto no líquido a uma distância x da IS/L

C = C0 [1+ (1- K0 / K0) exp (- Rx / Dl)

C0

Líquido

C0 / K0

x

Interface S/L no tempo T

Acúmulo de soluto

Distância

C0

Sólido

Com

posi

ção

Perfil de soluto a partir da IS/L (em regime permanente) com Redistribução de Soluto apenas por Difusão.




C0C0

LíquidoSólido

C0 / K0

Zona Enriquecida com Soluto

C = C0 [1+ (1- K0 / K0) exp (- Rx / Dl)

C0C0Líquido

Sólido

C0 / K0

Zona Esgotada de Soluto

C = C0 [1+ (1- K0 / K0) exp (- Rx / Dl)

K0 < 1

K0 > 1

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Fração Solidificada

Com

posi

ção

0 1

K 0 > 1A

B

Transiente Inicial

Com

posi

ção

Fração Solidificada0 1

K 0 < 1

A

B

Transiente Inicial

Transiente Final

Transiente Final

Perfil “Distância x Concentração”de uma barra solidificada sob

condições tais que o transporte de soluto no líquido é apenas por

difusão.


Com

posi

ção

Fração Solidificada0 1

C0K0

C0K0

C0

(a)

(b)

(c)(d)

Distribuição de soluto em uma barra solidificada a partir de um líquido de concentração inicial C0 com K0 < 1.

(a) Equilíbrio

(b) Redistribuição só por Difusão.

(c) Redistribuição por Mistura Parcial

(d) Redistribuição por Mistura Total

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Metalurgia FísicaProf. Dr. Guilherme Verran Metais Puros

Formação de uma protuberância instávelque funde devido à temperatura 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 localda extremidade está abaixo

da temperatura de fusão

Interface ≈ TF

Sólido Líquido

GS > 0

GL > 0

T local > TF

Distância

Tem

per

atu

ra


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

Tem

per

atu

ra

Gradiente Térmico Imposto

G1G2

Zona Superesfriada Constitucionalmente

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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

20


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


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a) Sem Superesfriamento

constitucional

Treal

Tlíquidus Interface Plana

b) Com Superesfriamento

Constitucional

Aum

ento

do

Sup

eres

friam

ento

Con

stitu

cion

al

Treal

Tlíquidus

Treal

Treal

Tlíquidus

Células Alongadas

Treal

Tlíquidus

Células Interrompidas

Células Dendríticas

Dendritas Livres

Comportamento da IS/L durante a solidificação unidirecional para vários gradientes térmicos


Influência da Velocidade de Resfriamento e do Gradiente Térmico sobre a morfologia da interface S/Le no Modo de solidificação

Velocidade de Resfriamento

Gra

dien

te d

e Te

mpe

ratu

ra

Planar

Celular

Dendrítica


Crescimento com interface Lisa

Crescimento com interface Difusa

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. MACROESTRUTURAS DE SOLIDIFICAÇÃO

Diferentes macroestrutura em um lingote bruto de fusão

. MACROESTRUTURAS DE SOLIDIFICAÇÃO

• Zona Coquilhada (Chill)

Camada periférica composta de pequenosgrãos com orientação cristalográficaaleatória.

⇒

• 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 equiaxiaispequenos ou grandes com orientaçãocristalográfica aleatória.


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MACROESTRUTURAS DE SOLIDIFICAÇÃO EM UM LINGOTE

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

pequenos grãos equiaxiais de orientação cristalográfica aleatória

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

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

calor.� Zona EquiaxialCentral: formada por grãos equiaxiais de orientação

cristalográfica aleatória.


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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.


Mecanismos de Formação

Zona Coquilhada� Os cristais desenvolvem-se por

nucleação e crescimento.

(Nucleação copiosa)

Representação da Zona Coquilhada.

Distribuição esquemática da temperatura do líquido no instante anterior à

nucleação.


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Zona Colunar

�Solidificação Progressiva Exógena.

Inversão da temperatura durante a solidificação.

Distribuição esquemática da temperatura do líquido logo após a nucleação da zona coquilhada.



Crescimento seletivo e preferencial pode resultar da fase de solidificação dendrítica, c/ a eliminação dos cristais orientados menos favoravelmente. O

movimento de contornos de grão também favorece este fenômeno.


Zona ColunarMecanismos de Formação

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� Em Metais Puros:

0>∇Tr

0<∇Tr

� Ocorre Super-resfriamento Térmico: A solidificação dendrítica é limitada.

� Ls remove a inversão de temperatura, e assim, o crescimento prossegue pelo avanço da interface estável.

� A Zona Central Equiaxial não é encontrada em lingotes de Metais Puros �



� Em Ligas:

� Pode ocorrer também o Super-resfriamento Constitucional: A solidificação dendrítica é favorecida, com um correspondente desenvolvimento acentuado de orientação preferencial.

� Um importante resultado do super-resfriamento constitucional é o desenvolvimento da Zona Equiaxial Central.

Super-resfriamento Constitucional.



27

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


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Solidificação Polifásica Eutéticos

Condição Essencial para formação de Eutéticos:

• As solubilidades devem ser limitadas, ou seja, cada espécie de átomo deve ter uma forte preferência por sua própria estrutura cristalina.

⇒

Morfologia: sempre duas fases


Microestruturas de Eutéticos

Característica Comum: sempre podem serobservadas duas fases distintas.

Classificação das Estruturas Eutéticas:

• Lamelar

• Tipo Bastonetes ou Agulhas

• Descontínuo


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Fibrous eutectic microstructure with a small volume fraction of one phase (molybdenum fibers in NiAl matrix). Transverse section of a directionally solidified sample. As-polished.

Lamellar eutectic microstructure (Al-Al2Cu) with approximately equal volume fractions of the phases. Transverse section of a directionally solidified sample. As-polished.


Aula 12: Solidificação de Eutéticos

Microstructure of a gray cast iron showing flake graphite. Transverse section etched with nital.

Graphite in spheroidal cast iron, which results from the divorced growth of the phases. Etched with nital. 130×.

In this case, there is no cooperative eutecticlike growth of both phases; instead, there is separate growth of spheroidal graphite particles as aprimary phase (at least during the initial stages), together with austenite dendrites.



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Irregular "Chinese script" eutectic consisting of faceted Mg2Sn phase (dark) in a magnesium matrix. Etched with glycol. 250×.



Eutéticos Lamelares: ambas as fases são lamelares

• Os eutéticos lamelares com uma estrutura muito regular são obtidos quando os metais usados são suficientemente puros.

• A presença de outras estruturas devem-se a degenerações causadas pela presença de impurezas.


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Eutéticos Lamelares Ex. : Sistema Pb-Sn

Se o Pb e o Sn forem da alta pureza ⇒ estrutura lamelar extremamente regular (lamelas retas e de espessuras uniformes)


Micrografia de uma liga Pb-Sn com composição eutética, formada

por lamelas de solução sólida αrica em Pb (escuras)e lamelas de solução sólida β rica em

Sn (claras),


• As orientações dos 02 componentes, muitas vezes têm um relacionamento cristalográfico simples com cada outro

Região Lamelar do Eutético

Onde as lamelas são retas e paralelas

⇒

• Cada componente tem umaorientação aproximadamente constante

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Modelo de difusão transversal para Eutéticos Lamelares

Fase rica em B

Fase rica em B

Fase rica em A

Fase rica em A

B

B

Líquido Rico em B

Líquido Rico em A

A

A


Origem : presença de impurezas

Crescimento de Eutéticos Tipo Bastonetes ou Agulhas

Estrutura em Bastonetes : requer um soluto que tenha um coeficiente de distribuição que difere uma unidade para ambas as fases.

Estrutura Tipo Agulhas: quando as impurezas apresentam coeficientes de distribuiçãosuficientemente diferentes para as duas fases sólidas.


33

Crescimento de Eutéticos tipo Bastonetes

• As lamelas desta segunda fase se dispersem em células muito pequenasseparadas pela primeira fase.


• Quando os dois coeficientes de distribuição são muito diferentes

• As lamelas de uma fase devem crescer preferencialmentecom relação às lamelas da outra fase

Mecanismo de crescimento de Eutéticos Tipo Bastonetes

Fase de crescimentopreferencial

2a Fase

Líquido

t = 1 t = 2 t = 3


34

Crescimento de Eutéticos Descontínuos

Eutético Descontínuo: é aquele no qual uma das fases deve renuclear repetidamente devido ao término do crescimento dos cristais desta fase.


Eutético Al-Si

Agulhas de Si em Matriz de solução

sólida

• Nucleiamcom orientações ao acasoe por isto crescemem direções orientadas desordenadamente com relação à interface de crescimento.


• A descontinuidade do eutético é resultado de uma morfologia muito especial dos cristais da fase descontínua

35

Mecanismo de Crescimento de Eutéticos Descontínuos

Interface na posição 1

Interface na posição 2

DA

B

C

Existência de uma grande

ANISOTROPIA nas características de crescimento de

uma das fase


Eutéticos de grande interesse prático em metalurgia:

• Sistema Fe-Grafita

Crescimento Normal ⇒

Grafita em Lamelas interconectadas numa matriz de austenita (Feγ)

No resfriamento: Feγ → Perlita (decomposição eutetóide)

Estrutura Resultante: Lamelas de grafita em matriz perlítica

⇓

Ferro Fundido CinzentoMaterial muito

frágil⇒


36

• Sistema Fe-Grafita

Adição de Mg (ou Ce)Grafita cresce de forma esferoidal

Ferro Fundido Nodular ⇒

⇒

Material muito dúctil e resistente

Adição de menores quantidades de Mg

⇒Grafita cresce de forma compacta

Ferro Fundido Vermicular ⇒

Propriedades intermediárias entre cinzento e nodular


Eutéticos de grande interesse prático em metalurgia:

• Sistema Al-Si

Si cresce na forma de agulhas numa matriz de Al α ⇒

Baixas propriedades mecânicas

Modificação do eutético Al-Si: ⇒ Adição de Na , St ou Sb

⇓

Crescimento com superesfriamento crescente e formação de partículas menores e irregulares

⇒ Melhores propriedades mecânicas


37

Fundição e Solidificação de Ferros Fundidos

Sistema Estável ⇒Formação de

austenita + grafita ⇒Ferro

Fundido Cinzento

Sistema Metaestável ⇒ Formação de

austenita + Fe3C⇒

Ferro Fundido Branco

Fatores que influem no Equilíbrio


Elementos de Liga


Diagrama Duplo Fe-C para Ferros Fundidos

Carbono Equivalente (%)

Tem

pera

tura

(0 C)

1100

1140

1180

1220

1260

1300

3,0 3,2 3,4 3,6 3,8 4,0 4,2 4,4

L

L + Feγ

L + Grafita

L + Fe3CTemperatura abaixo da qual pode

solidificar o eutético Austenita-Cementita

Temperatura abaixo da qual pode solidificar o eutético Austenita-Grafita


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Influência dos Elementos de Liga

Si ⇒Aumenta diferença entre temperaturas de equilíbrio Estável e Metaestável

⇒ Grafitizante

⇓

Favorece a formação de Ferro Fundido Cinzento

Cr ⇒

Diminui diferença entre temperaturas de equilíbrio Estável e Metaestável

⇒

Estabilizador de Carbonetos

⇓Favorece a formação de Ferro Fundido Branco


Influência do 3 elemento na solubilidade do C no ferro líquido, % molar


39

Temperatura abaixo da qual pode

solidificar o eutético Austenita-Grafita

% de Silício



Si ⇒Aumenta diferença entre temperaturas de equilíbrio Estável e Metaestável

Grafitizante

Favorece a formação de Ferro Fundido Cinzento

Tem

pera

tura

(0 C)

1120

1140

1160

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5

⇓


Cr ⇒

Diminui diferença entre temperaturas de equilíbrio Estável e Metaestável

Estabilizador de Carbonetos

⇓

Favorece a formação de Ferro Fundido Branco

Tem

pera

tura

(0 C)

% de Cromo

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2

1100

1120

1140

1160 Temperatura abaixo da qual pode

solidificar o eutético Austenita-Grafita




40

Influência da Velocidade de Resfriamento

Curvas de Resfriamento

⇒ Indicam :

Temperaturas de Transformação Eutética


Resfriamento Rápido

⇒

Solidificação de acordo com o Equilíbrio Metaestável

⇒Formação de Ferro Fundido Brando (Coquilhamento)


Curvas de Resfriamento esquemáticas para Ferros Fundidos Comuns

1 2 3

Temperatura abaixo da qual pode solidificar o

eutético Austenita-Grafita

Temperatura abaixo da qual pode solidificar o eutético

Austenita-Cementita

1 - Ferro Fundido Cinzento

2 - Ferro Fundido Mesclado

3 - Ferro Fundido Branco


41

Ferro Fundido Cinzento – Tipos de grafita

Fonte: http://pessoal.utfpr.edu.br/pintaude/arquivos/ME62H_FerroFundido.pdf

Solidificação de ferros fundidosMetalurgia FísicaProf. Dr. Guilherme Verran

Diagramas de Equilíbrio Importantes

Al – Si

Al – Cu

Reação eutética ⇒ excelente fluidez e baixa contração na solidificação

Alta solubilidade sólida ⇒ maior resistência através de tratamentos térmicos

Al – Mg

Metalurgia Física Prof. Guilherme Verran

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Ligas de fundição mais

utilizadas

Ponto EutéticoSi 12,6 %T = 5770C

Diagrama Al-Si

L

α

α + L

Al Si

α + ββ

L + β660

1430

T (oC)

577

12,6


L

α+L

α

Al →%Cu

5,65Cu 33Cu

α + CuAl2

T (0C)

5480C

6600C

Diagrama Al-Cu

Maior região de solubilidade sólida

Ligas aceitam tratamento de solubilização


43

Al5Si (B443.0-F)

Fundida em Coquilha

Al5Si (C443.0-F)

Fundida Sob Pressão



Tamanho das Dendritas Celulares

Areia Coquilha Sob Pressão

σesc = 55 Mpaσmax = 130 MpaAlong. = 8 %

σesc = 60 Mpaσmax = 160 MpaAlong. = 10 %

σesc = 110 Mpaσmax= 230MpaAlong. = 9 %


44

Modificação de Ligas Al-Si

• Tratamento que usa Agentes Modificadores (Nucleante s) como Na – Sb – Sr que favorecem a solidificação do Si na forma de partículas arredondadas e finamente disper sas na Matriz de Al α• A composição eutética normal do sistema Al-Si corresponde a 12,6% Si a a temperatura de 577 0C o Na e os outros agentes modificadores tendem a deslocar composição e a temperatura de equilíbrio eutético d e modo a permitir que se consiga fundir ligas hiper eutéti cas mantendo-se as características de fundição inerente s às ligas eutéticas ou tornar ligas eutéticas ligeiram ente hipoeutéticas

Principal Consequência ⇒ Aumento da Resistência e da Dutilidade nas ligas Al-Si fundidas.


Eutético Normal

12,6% Si T = 5770C

Eutético Modificado14,2% Si T = 5620C

660

T (oC)

Si

L

α

α + L

Al

α + Si Si

L + Si

1430

12,6 14,2


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Mecanismos de Endurecimento/Aumento de Resistência em Ligas de Al

Ligas de Conformação ou Trabalháveis

Encruamento

Tratamentos Térmicos

Solubilização

Precipitação (Envelhecimento)

Tratamentos Termo-Mecânico

Conformação à Frio


Mecanismos de Endurecimento/Aumento de Resistência em Ligas de Al

Ligas de Fundição

Tratamentos Térmicos

Solubilização

Precipitação (Envelhecimento)

Tratamentos do Banho

Refino de Grão

Modificação do Si

Refino da Matriz (α)

Refinamento e coalescimento das partículas de Si

Coalescimento das partículas de Si

Formação de precipitados submicroscópicos (Zonas GP)

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F- Bruta de fusão (Investment Casting)rede interdendrítica de: • Silício Eutético (cinza escuro e sharp)

• Cu2Mg8Si6Al 5 (cinza claro, script)

• Fe2Si2Al 9 (cinza médio, blades)

• Mg2 Si (preto)

F- Modificada com adição de Al-10Sr ao banho (Investment Casting)

Microconstituintes são os mesmos, mas a partículas de Si eutético estão menos pontiagudas

T6 - Fundida em Coquilha , solubilizada e envelhecida.

Microconstituintes são os mesmos, mas a partículas de Si eutético ficaram mais coalescidas (arredondadas)

Liga 355 (Al5Si1,3Cu0,5Mg)


Liga 356 (Al7Si0,3Mg)

F –Bruta de fusão em areia

Tamanho médio dos macrogrãos ≅ 5mm

Refinadacom adição de 0,05%Ti e 0,005% B

Tamanho médio dos macrogrãos ≅ 1mm


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Bruta de fusão (investment casting)

Rede de partículas de Si (cinzas escuro e angulares) em um eutético AlSi interdendrítico e partículas de Cu2Mg8Si6Al5 (cinza claro, script)

Bruta de fusão (investment casting) região solidificada mais rapidamente (colocação de um resfriador )

Constituintes são os mesmos, mas as

dendritas celulares de α são menores e as partículas do Si eutético são menores e menos angulares.

Liga 354 (Al9Si1,8Cu0,5Mg)


Bruta de Fusão em Areia -Rede de partículas de Si e eutético AlSi interdendrítico

Solubilizada a 5400C, 12h e resfriada em água Coalescimento das partículas de Si

Modificada pela adição de Na (0,025%) Partículas de Si eutético menores e menos angulares

Liga 356 (Al7Si0,3Mg)


Modificada pela adição de Na (0,025%) e Solubilizada Partículas de Si arredondadas e aglomeradas

diferenças entre líquidos e sólidos - udesc - cct · modelo de crescimento característico de...

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