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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
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O. Verran Dr. Eng. Metalrgica
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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
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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
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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
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Interface Plana
Interface Celular
Interface Dendrtica
Nucleao Independente
Diferentes Tipos de Interfaces de Solidificao
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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
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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.
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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
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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.
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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
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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
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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
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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
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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)
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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
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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
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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
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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
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Formao de cristais equiaxiais no centro do molde durante a
solidificao de uma mistura transparente cloreto de amnia-gua.
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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.
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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)
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Ferros FundidosAos
Fofos T muito pequeno ou inexistenteAos pequenos e grandes T em
funo do % de C
1 2
Grande T
Pequeno T
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Representao esquemtica do modelo de solidificao de um metal
puro
INTERFACE PLANA
COMPOSIO EUTTICA
METAIS PUROS
Ligas que solidificam com temperatura constante
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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
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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
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Representao esquemtica do modelo de solidificao de uma liga com
intervalo de solidificao mdio
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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.
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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.
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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
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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
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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
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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
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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
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Efeito do Grau de Superaquecimentosobre a Bruta de Fuso do Al
Puro
S = 70 0 C S = 120 0 C
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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
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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
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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).
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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.
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Velocidade de Resfriamento
Tamanho dos Gros
Areia Coquilha Sob Presso
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Evoluo da estrutura para um Sistema Isomorfo (Cu-Ni)
resfriando sobCondies de Equilbrio
Estrutura policristalina e monofsica
Soluo Slida
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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
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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
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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
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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 .
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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
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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( + )
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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
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