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5/16/2018 Reologia relatório final - slidepdf.com
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Universidade Federal de São Carlos –UFSCar
Fundamentos de Reologia
As influências da reologia no processamentode metais semi-sólidos: uma visão geral
André Luiz RochaBeletati 296449
5/16/2018 Reologia relatório final - slidepdf.com
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Introdução
O artigo em questão trata de esclarecer as influências da
reologia no processamento de metais semi-sólidos e o efeito de
diversos processos e parâmetros metalúrgicos na viscosidade aparente
desses metais. Foi feita uma tentativa de simplificação dos métodos e
procedimentos para um melhor entendimento das relações entre a
viscosidade e o comportamento reológico de tarugos de metais semi-
sólidos, tendo por um lado suas propriedades metalúrgicas e por outro
os parâmetros de processamento.
Desde o início do processamento dos metais semi-sólidos, a
questão da reologia foi abordada de forma breve e superficial; essa
questão não foi considerada plenamente como parte integrante dos
esforços de pesquisa, talvez pelo fato de a própria reologia não ser tão
evidentemente utilizada no processamento de materiais metálicos e
ser pouco conhecida pelos profissionais metalurgistas.
A reologia é parte das ciências físicas que trata simultaneamente
da deformação e do fluxo dos materiais, pactuando com a mecânica
dos corpos deformáveis; é quantitativamente expressada em termos
das relações de tensão – esforço – tempo, que são influenciadas por
uma gama de parâmetros de processos, como a temperatura. O
comportamento reológico e suas propriedades podem sofrer mudanças
consideráveis, reversíveis ou irreversíveis, de acordo com o tempo ou
deformação contínua aplicada. Uma importante forma de deformação
na reologia é o fluxo de cisalhamento; este pode ser interpretado como
um processo no qual, placas paralelas infinitamente finas, deslizam,
umas sobre as outras, como em um baralho de cartas rígidas. A inter-
relação entre a reologia e as propriedades mecânicas dos metais é
restrita à viscosidade e ao comportamento de deformação do estado
amolecido dos materiais.
Os Metais Semi-sólidos
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Geralmente todos os tipos de metais cuja solidificação se
estende acima de uma faixa de temperatura - zona de amolecimento -
são adequados para serem processados como metais semi-sólidos. A
zona de amolecimento apresenta 2 fases, sendo uma delas sólida e a
outra líquida; uma faixa de solidificação mais ampla se traduz em um
metal amolecido de melhor controle, enquanto que, metais com
limitada faixa de solidificação ou com ponto de transformação único
(ligas eutéticas) não podem ser processadas como metais semi-sólidos.
Esse simples, porém importante, conceito de semi-sólidos abriu
novas fronteiras para a engenheiraria de fundição, tornando possível aprodução de peças sob menores temperaturas, dispensando a
necessidade de fundir completamente o metal para que esse pudesse
ser vertido em um molde. Dois processos são os utilizados para a
conformação de semi-sólidos: “rheocasting” e “thixoforming” . O
processo de rheocasting se baseia na fundição direta do metal
amolecido enquanto a solidificação está em progresso, resultando em
uma estrutura em que não há a presença de dendritas; já o processode thixoforming procede com o reaquecimento da matéria-prima até o
estado amolecido e só então é feita a injeção no molde, fornecendo
uma microestrutura mais refinada.
Sobre a Viscosidade
A viscosidade, como já mencionado, é o principal parâmetro para
investigar a reologia de ligas de metais semi-sólidos, ela influencia
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fortemente essas ligas, tal qual o conceito de “fluidez” para com os
metais líquidos e o módulo de resistência para com os sólidos. A
viscosidade é uma indicação da capacidade e do nível de dificuldade
de um metal semi-sólido em preencher um molde e determina a força
requerida para a deformação e fluxo dos materiais.
Baseado na primeira lei de Newton, a viscosidade é uma
constante que mostra a capacidade do momento difusão através do
corpo do material, onde V é o momento velocidade, a tensão deτ
cisalhamento, a viscosidade eη é a taxa de cisalhamento.
De acordo com alguns artigos, a viscosimetria é a rota mais
apropriada para os estudos reológicos dos materiais, tais como os
metais. Corpos idealmente viscosos exibem um fluxo, com a taxa de
fluxo sendo uma função do esforço; o mais importante tipo de fluxo é o
devido ao cisalhamento: um corpo viscoso ideal não consegue
sustentar uma tensão por muito tempo, sendo esta aliviada pelo fluxo.
A fluência ocorrerá sempre na forma de cisalhamento laminar,
independentemente da geometria do corpo ou da deformação a que
está sendo submetido.
Também sabemos que, a viscosidade é um parâmetro que
mostra o comportamento visco-plástico dos materiais e interpreta as
características do fluxo viscoso em termos de um critério para a
compreensão do comportamento de deformação. Em fluidos
newtonianos a viscosidade é constante, no entanto, para fluidos não-
newtonianos, que é onde nosso estudo se encaixa, é uma função das
propriedades físicas do fluido e das condições de teste, incluindo o
tamanho e distribuição de partículas, a degeneração microestrutural, a
temperatura, a força de cisalhamento e a taxa de cisalhamento. Em
termos de metalurgia, o conhecimento da viscosidade do metal reflete
em seu processamento, visto que, uma menor viscosidade causa uma
movimentação facilitada do material para dentro do molde. Isso implica
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na produção de componentes de volume superficial menor, redução na
pressão de máquina e redução dos rejeitos e escórias.
A Viscosimetria
Sabendo que a viscosidade é a principal forma de obtenção das
propriedades reológicas de metais semi-sólidos, existem diversos
meios de se proceder para obtenção do comportamento viscoplástico
dessas suspensões. Esses métodos são baseados no mensuramento da
viscosidade das suspensões e são divididos em 2 categorias principais,
dependendo da fração sólida: baixa fração sólida (até 40%) e alta
fração sólida (em excesso de 40% a 50%).
Para suspensões de baixa fração sólida, os métodos mais simples
de medida da viscosidade, são os métodos diretos em que o torque
induzido nas suspensões é medido; em geral 2 tipos de viscosímetros
são utilizados: o Searle e o Couette. Em ambos os casos a suspensão
se encontra entre o cilindro externo e o cilindro interno; a grande
diferença é: no tipo Couette o cilindro interno é fixo e o cilindro externo
é o rotativo, enquanto que no viscosímetro tipo Searle é o oposto,
sendo o cilindro interno o rotativo e o externo o fixo. Em ambos os
aparatos a temperatura da suspensão é mantida constante durante a
operação; enquanto isso o torque induzido no sistema é medido por um
torquímetro. Para os 2 tipos de viscosímetros, a viscosidade aparente é
calculada por um conjunto de equações que envolvem os parâmetrosaplicados no viscosímetro aliados ao torque mensurado pelo
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torquímetro.
Para suspensões com fração sólida superior a 45%, a viscosidade
é melhor caracterizada por outros métodos que não a viscosimetria
rotacional, por apresentar um comportamento semelhante ao de uma
massa sólida; temos como outros métodos de avaliação do
comportamento reológico dessas suspensões: teste de compressão de
placas paralelas, extrusão direta e indireta ou ainda o teste de
identação.
A maneira mais simples de analisar o comportamento reológico
de materiais pastosos é pelo método de compressão de placas planas e
paralelas. Nesse método um peso morto é colocado sobre a superfície
da massa semi-sólida, assim seu comportamento de deformação é
estudado pela análise da variação da tensão pelo tempo. O gráfico
resultante - tensão x tempo - é tratado matematicamente para
caracterizar o comportamento reológico da liga, a viscosidade.
Com a aplicação de baixas taxas de cisalhamento, da ordem de
0,01s-1, os gráficos obtidos podem ser tratados como que para um
fluido Newtoniano. Já para suspensões semi-sólidas que se comportam
como um fluido não-Newtoniano, os resultados são interpretados em
termos da Lei das Potências, relacionado à tensão de cisalhamento ( )τ
à taxa de cisalhamento média ( ), , e a viscosidade aparente é
a razão da tensão de cisalhamento pela taxa de cisalhamento,
.
A extrusão direta e indireta também é utilizada para o estudo da
capacidade de preenchimento de moldes, baseados nos valores
obtidos da
viscosidade dos metais
semi-sólidos.
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O teste de identação é outra maneira simples de simulação das
propriedades mecânicas de massas semi-sólidas por teste de dureza.
Neste teste, a profundidade de penetração, sob uma pressão
constante, de um penetrador esférico em um tarugo semi-sólido é
tomado como critério para obtenção da viscosidade da liga. O teste de
identação se assemelha muito ao teste de compressão, porém
apresenta maiores condicionamentos; além disso, esse teste só pode
ser aplicado para ligas com frações sólidas de no mínimo 85%.
Parâmetros que afetam a viscosidade
Diversos parâmetros – tanto metalúrgicos quanto os de
processamento - tem grande influência sobre o comportamento
reológico dos materiais metálicos, sendo que alguns são mais
influentes que outros. Veremos agora como cada parâmetro afeta a
viscosidade do material, influenciando no comportamento reológico
deste.
Parâmetros Metalúrgicos
Um dos parâmetros mais importantes que afetam a viscosidade do
metal amolecido é a fração sólida da fase primária; esse parâmetro pode ser
calculado pela equação de Scheil (2):
em que, dependente da temperatura da liga T: ƒS é a fração sólida, T m o
ponto de fusão do solvente, T L temperatura liquidus da liga e κ é a
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relação de equilíbrio de partição.
Foi desenvolvido um modelo matemático que descreve a relação
entre a viscosidade e a fração sólida efetiva de suspensões de metais
semi-sólidos sob um fluxo de cisalhamento simples (4). Primeiramente,
a fração sólida efetiva deve ser obtida (3). Em um campo de fluxo de
cisalhamento simples, a forma com que as partículas se aglomeram e
desaglomeram é descrito por um parâmetro estrutural “n”, que é
definido como o número médio de partículas em cada parte do
aglomerado. Através do parâmetro estrutural (n), a fração sólida
efetiva pode ser expressa como uma função do parâmetro de
empacotamento (A) e pela fração sólida da liga (ƒS).
Nesse modelo, o metal semi-sólido em sua forma amolecida,
quase fundida, é considerado uma suspensão, na qual: partículas
interativas, esféricas e no estado sólido, de baixa coesão, estão
dispersas em uma matriz líquida. Nesse modelo temos que, para
obtermos a viscosidade instantânea da liga ( ), devemos conhecerη
primeiro a viscosidade da matriz líquida (η0) e a fração sólida efetiva
(φeff ), que é a soma da fração sólida real e da fração de líquido
aprisionado.
No decorrer da solidificação, as frações sólidas e líquidas, que se
encontram dentro da zona de amolecimento, se movimentam paracompensar a redução volumétrica causada pela solidificação, até um
ponto em que essas frações não conseguem mais se mover facilmente;
nesse ponto, o segmento solidificado tende a desenvolver força,
formando um “esqueleto” sólido. Esse ponto característico é conhecido
como Ponto de Coerência Dendrítica (DCP); a partir desse ponto a
viscosidade deixa de aumentar constantemente, pelo aumento da
fração sólida, e aumenta abruptamente.No processamento, o DCP é postergado devido à convecção
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forçada ou ao baixo coeficiente de temperatura dentro do metal
fundido. O rápido aumento da viscosidade, para ligas de maior fração
sólida, é adiado pela formação de grãos equiaxiais resultantes da
quebra de dendritas devido à agitação; a convecção forçada e a
distribuição uniforme da temperatura dentro do molde também
influenciam diretamente no crescimento multidirecional de dendritas
fragmentadas, ajudando na formação de grãos mais uniformes.
As estruturas dendríticas exibem uma resistência ao fluxo de
várias ordens de magnitude maiores que as estruturas equiaxiais. De
fato, estruturas de morfologia esférica, no caso a estrutura globular, se
movem com maior facilidade que estruturas dendríticas, que tendem a
se interligar durante a aplicação de força externa. Desde o começo das
pesquisas em metais semi-sólidos, as estruturas não-dendríticas foram
as que mais interessaram, apresentando as características reológicas
mais úteis, como a pseudoplasticidade e a tixotropia. Por esses fatores,
um bom entendimento dos efeitos da morfologia das partículas sobre o
comportamento reológico das ligas semi-sólidas é imprescindível para
o desenvolvimento de novos processamentos nessa área.
Outros fatores que afetam diretamente a viscosidade de ligas
semi-sólidas são o tamanho e a distribuição das partículas sólidas
existentes na suspensão semi-sólida em questão. É esperado que um
melhor fluxo seja presente em microestruturas mais refinadas, por
apresentar uma melhor movimentação e menor contato entre
partículas, causando uma diminuição da viscosidade.
A distribuição uniforme das partículas da fração sólida é outro
importante fator nas pesquisas; há sempre a tendência de partículas
suspensas na matriz líquida se aglomerarem, e esta tendência é
intensificada pela aplicação de forças externas na massa semi-sólida. A
interação dinâmica entre partículas causada pelas forças aplicadas na
massa, gera aglomerados de partículas dentro das suspensões e faz
com que o fluxo do semi-sólido se dificulte. Após um tempo sob a
influência de forças viscosas, um equilíbrio é estabelecido entre os
processos de aglomeração e desaglomeração, a viscosidade muda,
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alcança um estado estacionário e então, uma distribuição de partículas
mais homogênea pode ser observada.
A composição química da liga também afeta diretamente a
porcentagem de fase primária solidificada dentro da zona de
amolecimento. É conhecido e bem estabelecido que, elementos do
soluto podem afetar a liga de diversas formas, preferivelmente
diminuindo o tamanho de grão, consequentemente aumentando as
propriedades mecânicas. Sabe-se que em pequenas porções, os
elementos de liga interferem no crescimento de grãos e oferece
condições para a formação de novos núcleos, assim como a
possibilidade de obtenção de grãos mais refinados. Os solutos formam
uma camada limite na qual a temperatura real é menor que a de
solidificação, caracterizando a zona de subresfriamento constitucional.
O subresfriamento constitucional é o responsável pelo
desenvolvimento dendrítico; ou seja, controlando a composição
química da liga, o tipo e a porcentagem de elementos de soluto, a taxa
de crescimento e a morfologia da fase primária podem ser controlados.
A temperatura de vertência da liga no molde é um importante
fator que afeta na fase primária durante a solidificação; baixas
temperaturas contribuem para estabelecer um menor gradiente de
temperatura dentro da massa, privilegiando o crescimento equiaxial. O
baixo gradiente de temperatura evita a inequalidade da distribuição
térmica, prevenindo a formação de dendritas. Essa é uma maneira
efetiva de controle de morfologia da fase primária, desde que a
agitação deixe de ser o principal fator de promoção de uma morfologia
globular.
Parâmetros de Processo
Além das características metalúrgicas das ligas de metal semi-
sólido, os parâmetros de processo, como a temperatura e a taxa de
cisalhamento, também podem influenciar na viscosidade e dessa forma
no comportamento do fluxo da massa semi-sólida.
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A taxa de cisalhamento é um parâmetro relacionado ao metal;
essa taxa varia linearmente com a tensão de cisalhamento quando em
fluidos Newtonianos e não-linearmente em fluidos não-Newtonianos. A
taxa de cisalhamento exerce o mesmo papel que a tensão de
cisalhamento: para os fluidos não-Newtonianos, aumentando a taxa de
cisalhamento, diminui-se a viscosidade, enquanto que, para fluidos
Newtonianos ideais, a viscosidade é independente da taxa de
cisalhamento.
A tensão de cisalhamento aplicada é um dos mais importantes
fatores que afetam a viscosidade da massa. Esta impõe um fluxo
laminar ou turbulento na massa semi-sólida, induz a desintegração de
dendritas e a aglomeração ou desaglomeração dos fragmentos
dendríticos. A tensão de cisalhamento aplicada pode eventualmente
estabelecer uma forma de equilíbrio entre os fenômenos de
aglomeração e desaglomeração dentro da massa semi-sólida (estado
estacionário), prevenindo a formação de partículas volumosas,
principal obstáculo de fluência da massa para dentro de um molde. O
termo “viscosidade aparente”, usado para massas semi-sólidas, é um
meio de expressar a viscosidade do fluxo do estado estacionário e
varia com a taxa de cisalhamento e a fração sólida. Antes de atingir o
equilíbrio, a viscosidade passa por um estado transiente, no qual essa
viscosidade varia a diferentes taxas de cisalhamento e/ou frações
sólidas.
O fator temperatura é tão influente quanto à fração sólida, e
exerce praticamente a mesma função. Isso significa que, temperaturas
mais altas resultam em menores frações sólidas e melhor
deformabilidade e fluxo. Porém, não é fácil diferenciar os efeitos da
temperatura e da fração sólida na viscosidade do estado semi-sólido,
porque a relação entre esses parâmetros nesse estado é de caráter
bastante intrínseco.
Estudos mostram que, aplicando um redemoinho como força
externa, cria-se uma homogeneidade na massa semi-sólida e se
estabelece um baixo gradiente de temperatura para amenizar a
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barreira de nucleação do líquido volumoso. Além disso, o redemoinho
pode auxiliar na desintegração das estruturas dendríticas secundárias
e terciárias. Esse pode ser o principal meio de obtenção de um
crescimento equiaxial de grão com características distintas de
deformação e fluxo.
Para uma massa semi-sólida, o efeito da temperatura foi
pesquisado através de procedimentos especiais de fundição, em que
ligas com composições similares foram fundidas de forma a obter
iguais frações sólidas a diferentes temperaturas, pela variação da
porcentagem de líquido decantado; com a morfologia da fase sólida foi
feito o mesmo. O tarugo com maior temperatura apresentou maior
deformação; isso é devido à matriz líquida e às partículas da fase
primária que fluem e se deformam mais facilmente sob altas
temperaturas.
A variação do tamanho amostral geralmente não influencia na
viscosidade de forma preocupante, desde que se mantenha uma
homogeneidade da temperatura ou da distribuição da taxa de
cisalhamento. No entanto, há a preferência na utilização de amostras
menores devido ao menor custo dos testes em relação a amostras
maiores e também são melhor utilizadas em equipamentos de
viscosimetria rotacional; a distância da abertura do anel é sempre
preferível ser a menor possível para fazer com que a taxa de
cisalhamento seja distribuída mais uniformemente na massa semi-
sólida durante a rotação do viscosímetro.
Conclusão
O parâmetro mais influente a ser relacionado com o
comportamento reológico de ligas semi-sólidas, de acordo com todos
os aspectos anteriormente discutidos, é a viscosidade; através de seu
mensuramento, podemos, por modelagem matemática, atingir a
clareza no que diz respeito ao comportamento reológico da liga em
questão.
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Pôde-se observar que com o aumento da fração sólida, de
estruturas dendríticas, do tamanho de partícula e da fração
aglomerada, há um aumento na viscosidade; com a inserção de
elementos de liga, com a diminuição do gradiente de temperatura, com
o aumento da taxa de cisalhamento e com o aumento da temperatura
há uma diminuição na viscosidade do sistema.
Concluiu-se então que, de uma forma geral, o aumento dos
parâmetros metalúrgicos inflige em um aumento na viscosidade,
enquanto que o aumento dos parâmetros de processo causa uma
diminuição da mesma.