Solidificação de metais e formação da estrutura interna de grãos

Fabricação de metais e ligas

Metais/ ligas

Fundição Forma final

Forma semifinal

Confor-mação*

Forma final

*Forjamento, laminação, extrusão, trefilação

Visão termodinâmica

• A transformação do estado líquido para o sólido (e vice versa) ocorre devido a transformação da matéria para uma condição mais estável com menor energia livre.

• Para que o processo de solidificação aconteça deve haver uma redução de energia livre. Desta forma no ponto de equilíbrio nada acontece, pois as energias dos dois estados são iguais.

• A solidificação somente ocorrerá se o metal for resfriado abaixo da temperatura de equilíbrio

• Essa diferença entre a temperatura de equilíbrio e a temperatura onde a solidificação efetivamente acontece chama-se grau de super resfriamento.

• Quanto maior a taxa de resfriamento maior o grau de super resfriamento.

Em termos de metalurgia física

• A fusão ocorre quando a energia de vibração dos átomos por conta do aumento da temperatura supera a energia envolvida na ligação química entre os átomos.

• No estado líquido não há ordem a longa distância (não há sistema cristalino) e as ligações entre os átomos é fraca do tipo Van der Waals

Curva esquemática de resfriamento

Curvas de resfriamento em três velocidades diferentes.

Efeito do super-resfriamento sobre o raio critico

Raio crítico: cobre

Raio crítico e subresfriamento

r*= -2Tm

HsT

• onde– r*: raio crítico do

núcleo : energia livre

superficial– Tm: temperatura de

fusão/solidificação Hs : calor latente de

solidificação T : graus de

subresfriamento

Solidificação de alguns metais

Metal Temperatura de solidifi-cação (°C)

Calor de solidificação

(J/cm3)

Energia superficial

(J/cm210-7)

T de sub-resfriamento máximo (°C)

Pb 327 -280 33.3 80

Al 660 -1066 93 130

Ag 962 -1097 126 227

Cu 1083 -1826 177 236

Ni 1453 -2660 255 319

Fe 1535 -2098 204 295

Pt 1772 -2160 240 332

Mecanismos de nucleação

• Nucleação homogênea– Próprio metal fornece átomos para formar núcleos– Subresfriamento usualmente de centenas de graus

Celsius

• Nucleação heterogênea– Presenca de agentes nucleantes: superfície do

recipiente, impurezas insolúveis, ou material estrutural

– Prática industrial: subresfriamento de 0,1 a 10°C

Processo de nucleação e crescimento

Núcleos

LíquidoLíquido

Cristais que formarão

grãos

Grãos

Contornos de grão

Diagramas esquemáticos das várias etapas da solidificação de um material policristalino: Os pequenos quadrados representam células unitárias em uma

escala bidimensional

Processo de solidificação-Formação dos grãos a partir das paredes do molde

Processo de solidificação-Formação dos grãos

• Os grãos são formados no início do processo de solidificação a partir de pequenos agrupamentos de átomos chamados de núcleos.

• Cada núcleo da origem à um grão com crescimento cristalográfico em direção diferente de seus vizinhos.

• Quando resta pouco líquido e os diferentes grãos começam a se encontrar,formam o contorno de grão.

• O contorno de grão é uma região de 2 a 10Ǻ, desordenada, sem uma estrutura cristalina definida, sendo portanto uma região de maior energia que a do interior do grão.

Conceito de raio crítico

• Núcleos de grande variedade de tamanhos surgem no líquido mas nem todos crescem

• A interface que aparece entre o sólido e o líquido faz aumentar a energia livre F (tensão superficial x área da superfície) a medida que o raio do núcleo aumenta

• A passagem de líquido para sólido, no entanto, faz reduzir o valor da energia livre F a medida que o núcleo cresce.

• A soma dessas duas variações passa por um máximo.• Espontaneamente somente ocorrem os fenômenos acompanhados

de redução no valor de F.• Desta forma somente os núcleos com raio maior que um

determinado valor podem crescer. Esse valor se chama RAIO CRÍTICO

INFLUÊNCIA DO VALOR DO RAIO CRÍTICO

• Assim, núcleos de R < Rc desaparecem• E núcleos de R ≥ Rc crescem se constituindo em grãos no final da

solidificação• Quanto maior a velocidade de resfriamento maior a redução em F

pela passagem Liq-Sol, desta forma menor o valor de Rc • Quanto menor o valor de Rc mais grãos podem crescer,

solidificando um material com menor tamanho de grão e em maior número.

• Industrialmente usa-se a adição de pequenas partículas com ponto de fusão levemente superior ao da liga para atuar como nucleantes e fabricar componentes com grãos pequenos – Inoculação

Estruturas de grão

• Grãos equiaxiais– Crescimento de cristais aproximadamente igual em todas as

direções– Solidificação rápida– Usualmente adjacentes a parede fria do molde, (zona Chill, ou

coquilhada) mas podem aparecer no centro do lingote também dependendo do tamanho do molde e da velocidade de resfriamento

• Grãos colunares– Longos, finos, grosseiros– Solidificação relativamente lenta em gradiente de temperatura– Perpendiculares à parede fria do molde

Estruturas de grão

Grãos colunares em um lingote de alumínio fundido:reativo de Tucker

Frente de solidificação com crescimento dendrítico

Aspecto das dendritas

Formação do vazio após a solidificação: Em geral os sólidos apresentam menor volume que os líquidos, ocorrendo uma contração durante a solidificação

Efeito da segregação em uma barra de aço fundida: O soluto, em geral, é mais solúvel no líquido que no sólido. As últimas partes a solidificar tendem a ficar

mais impuras. Regiões interdendríticas e o centro do lingote

Localização esquemática da segregação