Aula 11: Estruturas de Solidificação 1. Introdução … Metalurgia Física – Parte II: Solidifica ção Professor: Guilherme O. Verran – Dr. Eng. Metalúrgic a 1. Lingotes e

1. Introdução

2. Lingotes e Peças Monocristalinos;

3. Lingotes e Peças Policristalinos:

�� Mecanismos de Formação das Estruturas em Metais Puros e Ligas {Principais mecanismos de transição colunar-equiaxial}.

�� Influência dos Parâmetros de Solidificação sobre as Estruturas

{Intervalo de solidificação, temperatura de vazamento, Geometria metal-molde, pressão metalostática e convecção}.

Aula 11: Estruturas de Solidificação

Disciplina: Metalurgia Física – Parte II: Solidifica çãoProfessor: Guilherme O. Verran – Dr. Eng. Metalúrgic a

1. Lingotes e peças monocristalinos

• Propriedades superiores para muitas aplicações na Indústria moderna:

� Resistência a Oxidação;� Resistência a Fluência;� Transferência de Informações Eletrônicas.

Metalurgia FísicaProf. Dr. Guilherme Verran

Estruturas de Solidificação

Lingotes e Peças Monocristalinos

Evolução das estruturas brutas de fusão das palhetas de turbina (da esquerda p/ direita): Equiaxial (anos 50), Colunar (anos 60-70) e monocristalina (atualmente).



Maior monocristal de Si produzido comercialmente no mundo atualmente, mede 8” e pesa 100 kg.



Métodos de Fabricação de Monocristais: O Método Czochralski

Produção de monocristais a partir do líquido por meio de uma semente sólida, com orientação cristalográfica definida que molha o líquido, a partir de um movimento simultâneo de rotação e translação.



Métodos de Fabricação de Monocristais: O Método de Bridgman

Esquema de um forno de Bridgman para a produção de monocristais de Al. A semente serve de substrato de crescimento enquanto o cadinho desce contra um gradiente positivo.



Métodos de Fabricação de Monocristais: Solidificação Zonal

Esquema do forno tubular vertical para o crescimento de monocristais pelo método de solidificação zonal.



Métodos de Fabricação de Monocristais: Fabricação de Palhetas (Método de Bridgman)

Esquemas de fornos para a produção de palhetas de turbina monocristalina: (a) Aquecimento da base por indução, com deslocamento de cadinho; (b) Aquecimento,

por resistores elétricos, de três zonas, estáticas.



Métodos de Fabricação de Monocristais: Fabricação de Palhetas (Método de Bridgman)



2. Lingotes e peças policristalinas

• Os metais apresentam estruturas policristalinas com geometrias,tamanhos e direções cristalográficas de crescimento que dependem dos parâmetros prevalecentes durante a solidificação.

• As interfaces entre os monocristais representam limites de crescimento livre e formam os “grãos” de uma estrutura chamada

“bruta de fusão”.



Solidificação Unidirecional

• Processo que envolve a obtenção de estruturas solidificadas unidirecionalmente resultando em uma estrutura colunar.

• Adequado para a obtenção de pecas fundidas nas quais as tensõessão primariamente unidirecionais ao longo de uma determinada direção.

• Exemplo – Palhetas de Turbinas.




Palhetas de Turbina com paredes finas solidificada unidirecionalmente.




Estrutura Colunar

Controle rigoroso do processo

Fornos Especiais Projeto Diferenciado do Molde




Controle do Fluxo de Calor

Extração violenta de calor a partir de uma extremidade da peca

Criação de um intenso Gradiente Térmico entre T liquidus e Tsolidus da liga, que se desloca

ao longo de toda a peça




Procedimento para Controle do Fluxo de Calor

• Moldes de paredes finas ⇒⇒⇒⇒ moldes tipo casca cerâmica (fundição de precisão), aquecido a uma T >>>> T liquidus.

• Resfriador (refrigerado a água) na base do molde.

• Vazamento do metal liquido ⇒⇒⇒⇒ o molde e resfriado a partir da extremidade resfriada através do deslocamento progressivo do mesmo dentro do forno.




Representação esquemática do processo de solidificação direcional.



Configuracao de um Forno paraSolidificação Unidirecional



Comparação de microestruturas em palhetas Equiaxiais, Solidificada Unidirecionalmente e

Monocristalina



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

pequenos grãos equiaxiais de orientação cristalográfica aleatória

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

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

calor.� Zona EquiaxialZona EquiaxialCentralCentral: formada por grãos equiaxiais de orientação

cristalográfica aleatória.



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.



Zona Coquilhada

Micrografia (250x) da periferia de uma peça fundida com liga Al5Cu em molde de cobre, mostrando a presença de núcleos pré-dendríticos no interior dos grãos da zona coquilhada.




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 preferencialpode resultar da fase de solidificação dendrítica, c/ a eliminação dos cristais orientados menos favoravelmente.

O movimento de contornos de grãotambém favorece este fenômeno.


Zona ColunarMecanismos de Formação


� Em Metais Puros:

� Ocorre Super-resfriamento Térmico: A solidificação dendrítica élimitada.

� 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 �



∆T < 0 ∆T > 0


� 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.


Mecanismos de FormaçãoAula 11: Estruturas de Solidificação

Principais tipos de interfaces existentes na solidificação progressiva (exógena), com as respectivas isotermas de solidificação mostrando o início e o final da solidificação:

lisa (plana), rugosa e esponjosa.


Zona Colunar


Exemplo de uma estrutura colunar obtida da seção transversal de uma palanquilha de aço de baixo C, produzido por lingotamento contínuo.


Zona Colunar


Zona Equiaxial Central

Desenvolvimento da região de super-resfriamento constitucional, no centro de um lingote, que produz a zona central equiaxial.

� Formada em Ligas pela superposição das regiões de super-

resfriamento constitucional.

� Nucleação heterogênea diante da interface S/L e posterior crescimento extensivo endógeno.



� Outros Mecanismos de Nucleação:

a) Big Bang: Núcleos pré-dentriticos formados por nucleação copiosa na zona coquilada são arrastados pela convecção forçada do vazamento.

b) Multiplicação Cristalina : Rompimento da estrutura dendrítica constituinte da zona colunar, que resulta da refusão local ou ruptura, levadas ao centro do molde por convecção natural ou forçada.

c) Nucleação de grãos na superfície livre do metal líquido: A radiação térmica da superfície livre do líquido pode provocar um super-resfriamento suficiente para nuclear grãos superficiais que decantam para o centro do molde.




Estrutura equiaxial presente numa peça de Al-Cu.




Morfologia e composição dos grãos que formam a estrutura equiaxial (endógena) e as respectivas isotermas de início e fim de solidificação: esponjosa (pastosa) e escamada.




Correlação Qualitativa entre diagramas de fases e tipos de solidificação dos lingotes metálicos.

Influência dos Parâmetros de Solidificação sobre as Estruturas: Intervalo de Solidificação x Teor de soluto



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



Influência da temperatura de vazamento e da pressão sobre as macroestruturas de lingotes de Al puro, solidificados em lingoteiras de aço: a) Tv=760ºC (patm e 8atm); b) Tv=790ºC; c) Tv=810ºC.

Influência dos Parâmetros de Solidificação sobre as Estruturas:

Temperatura de vazamento e pressão



Correlação esquemática do comprimento relativo da zona colunar com a temperatura de vazamento e com o tamanho de grão da zona equiaxial.

Influência dos Parâmetros de Solidificação sobre as Estruturas: Temperatura de vazamento



Influência da Convecção

Influência da posição do canal de ataque sobre as morfologias e as estruturas brutas de fusão de placas de uma liga de Al.



Influência de Parâmetros de Fundição no Controle da Macroestrutura

-++Aumento na velocidade de extração de calor

+-+Adição de Inoculante

+-+Aumento do conteúdo da Liga

+-+Agitação do Líquido

-+Sem efeitoUso de massalote

-+-Aumento do Super-aquecimento

EquiaxialColunarCoquilhada

Zonas da MacroestruturaControle



Macroestrutura do Aço Inox do tipo 18-8:

Estrutura fundida de grãos grosseiros (parte superior) e o mesmo aço refinado

por inoculação de agentes nucleantes (parte inferior).









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Aula 11: Estruturas de Solidificação 1. Introdução … Metalurgia Física – Parte II: Solidifica ção Professor: Guilherme O. Verran – Dr. Eng. Metalúrgic a 1. Lingotes e