Introdução à solidificação

1º semestre / 2016

Universidade Estadual de Ponta Grossa Departamento de Engenharia de Materiais Disciplina: Ciência dos Materiais 1

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• Mudança do estado líquido para o sólido

• Raio crítico

• Mecanismos de crescimento

• Curvas de resfriamento

• Estrutura de lingotes

• Processos de fundição

Solidificação

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• Nucleação

• Em materiais que cristalizam, envolve mudança de

uma situação de ordem a curto alcance para ordem a

longo alcance

• Alguns materiais não apresentam ordem a longo

alcance após a solidificação, permanecendo amorfos.

Exemplo: vidro

• Materiais poliméricos podem desenvolver

cristalinidade parcial durante a solidificação

Solidificação

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Nucleação

• Nucleação homogênea

• Nucleação heterogênea

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Adapted from Fig. 4.14(b), Callister & Rethwisch 8e.

estrutura de grãos cristais crescendo núcleos

líquido

Nucleação

• Nucleação homogênea

• Nucleação heterogênea

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Nucleação homogênea

núcleos líquido

r* = raio crítico: para r < r* núcleos retraem; para r >r* núcleos crescem

(para reduzir energia) Adapted from Fig.10.2(b), Callister & Rethwisch 8e.

Nucleação homogênea e energia

DGT = Energia livre total

= DGS + DGV

Energia livre de superfície- destabiliza

os núcles (consome energia para criar

uma interface)

D 24 rGS

= tensão superficial

Energia livre de volume–

estabiliza os núcleos (libera energia)

DD GrGV3

3

4

volume de unidade

volume de livre energiaG D

Nucleação homogênea – raio crítico

DG = Energia livre total = DGV + DGS

Nucleação homogênea – raio crítico

TH

Tr

f

m

DD

2*

Nota: DHf e são fracamente dependentes de DT

r* diminui quando DT aumenta

Para DT típicos r* ~ 10 nm

DHf = calor latente de fusão

Tm = temperatura de fusão

= energia livre de superfície

DT = Tm - T = superresfriamento

r* = raio crítico

Valores típicos

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Nucleação heterogênea

• Sólido se forma em uma impureza

• Assume raio crítico com um menor aumento na energia de superfície

• Nucleação heterogênea ocorre em super-resfriamentos relativamente menores

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Aplicação da nucleação controlada

• Aumento de resistência por redução de tamanho de grão

Liga Al-3% Si. (a) Sem inoculante. (B) Inoculante 0,05% Ti. Ataque: reagente de Keller concentrado.

Adaptado de: Arango e Martorano. 14º CONAF. 2009

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Mecanismos de crescimento

• Crescimento dos núcleos estáveis

• Natureza do crescimento depende de como o calor é removido

• Dois tipos de calor devem ser removidos

– Calor específico

– Calor latente de fusão (DHf )

• Mecanismos de crescimento

– Crescimento planar

– Crescimento dendrítico

Sua forma de

remoção determina o

mecanismo de

crescimento do

material e a estrutura

final do fundido

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Crescimento planar

• Ocorre em líquidos bem inoculados em condições de equilíbrio

Calor latente

de fusão deve

ser removido

da interface

sólido-líquido

por condução

Tsólido < TM

Protuberância

está cercada

por líquido

com T > TM

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Crescimento dendrítico • Ocorre em líquidos com baixa nucleação

Líquido super-resfriado

Tlíquido < TM

Condução de calor

latente de fusão

para o líquido

super-resfriado

Tlíquido aumenta em

direção à TM

Crescimento

dendrítico continua

até que Tlíquido = TM

Início de

crescimento planar Vídeo 1 Vídeo 2

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Tempo de solidificação e tamanho da

dendrita • Regra de Chnorinov

ts = tempo para um fundido simpes solidificar completamente

V = volume do fundido

A = área da superfície do fundido em com contato com molde

n = constante

B = constante do molde

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Tempo de solidificação e tamanho da

dendrita • SDAS

secondary dendrite arm spacing

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Tempo de solidificação e tamanho da

dendrita • SDAS

secondary dendrite arm spacing

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Curvas de resfriamento

Resfriamento normal do líquido

Remoção de calor específico

Metal puro

Inoculação deficiente

Metal puro

Inoculação adequada

Super-

resfriamento para

nucleação

homogênea (B-C)

Ponto C

Início da

nucleação

Liberação de calor latente de

fusão

Aumento da temperatura do

líquido Recalescência

Estrutura de lingotes

Defeitos na solidificação

• Retração

• Retração interdendrítica

• Porosidade por gás

Defeitos na solidificação • Retração

Defeitos na solidificação • Retração interdendrítica

Processos de fundição

Processos de fundição

Lingotamento contínuo

Lingotamento contínuo

Lingotamento contínuo

Solidificação direcional e crescimento de

monocristais

Solidificação de polímeros

Bibliografia

– Askeland, D.R.; Pradeep P. F.; Wright, W. J. Phulé, P.P. - The Science and

Engineering of Materials. CENGAGE Learning. 6a edição. 2010. Cap. 9

– Donald R. Askeland, Wendelin J. Wright. Ciência e engenharia dos materiais.

Tradução da 3ª edição norte-americana

– Askeland, D.R.; The Science and Engineering of Materials. PWS-KENT

Publishing Company. 2a edição. 1989. Cap. 8