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Solidificação em metais

Solidificação em metais - Portal Saber Livre · Etapas da solidificação A solidificação pode ser dividida em duas etapas: Formação de núcleos estáveis, no líquido (Nucleação)

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Solidificação em metais

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Solidificação em metais

Processo industrial importante, já que a maior parte dos materiais metálicos éfundida e vazada numa forma acabada ou semi-acabada.

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Etapas da solidificação

A solidificação pode ser dividida em duas etapas: Formação de núcleos estáveis, no líquido

(Nucleação). Crescimento dos núcleos, gerando cristais

e formando a estrutura dos grãos (microestrutura).

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Nucleação

Os dois principais mecanismos pelos quais ocorre a nucleação de partículas num metal líquido são a nucleação homogênea e a nucleação heterogênea.

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Nucleação homogênea

É o caso mais simples de nucleação e ocorre quando o próprio metal fornece os átomos para formar os núcleos. Quando o metal puro é resfriado até uma temperatura abaixo de sua temperatura de solidificação, são criados numerosos núcleos homogêneos através do movimento lento de átomos que vão se ligando uns aos outros. Geralmente, a temperatura de nucleação deve ser da ordem de algumas centenas de C abaixo da temperatura de solidificação.

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Nucleação homogênea Um núcleo só será estável se ele crescer e

formar um Cristal. Para que ele seja estável deverá atingir um

tamanho crítico. Um conjunto de átomos ligados uns aos outros,

cujo tamanho é inferior ao tamanho crítico échamado de embrião e se tiver tamanho superior ao crítico é chamado de núcleo.

Os embriões são formados e re-dissolvidos continuamente no metal líquido, devido ao movimento de agitação dos átomos.

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Energias envolvidas na nucleação homogênea

Energia livre de volume (Gv) –liberada para transformação do líquido em sólido.

Energia de superfície () – requerida para formar as superfícies da partícula solidificada.

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Supondo que a partícula solidificada possui a forma de uma esfera: A energia liberada durante a solidificação

será 4/3 r3 Gv (onde 4/3 r3 é o volume da partícula).

Já a energia utilizada para formar a superfície da partícula será 4 r2 (onde 4 r2 é a área da superfície da partícula).

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GT = 4/3 r3 Gv + 4 r2 (onde r é o raio da partícula).

Quando uma partícula sólida atinge o valor de raio crítico, possuirá o maior valor de energia livre total, ou seja, se r=r* então d(GT)/dr = 0.

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0*r8G*r3

12dr

)G(dse

r4Gr34

drd

dr)G(d

V2T

2V

3T

VG2*r

THT2*rs

m

ou

Hs= calor latente de solidificaçãoT= temperatura abaixo da temperatura de solidificaçãoTm = Temperatura de fusão

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Metal

Temperatura de

solidificação

(C)

Calor de

solidificação

(J/cm3)

Energia de

superfície (J/cm2)

Temperatura

abaixo da

temperatura de

solidificação (C)

Pb 327 -280 33,3 x 10-7 80

Al 660 -1066 93 x 10-7 130

Ag 962 -1097 126 x 10-7 227

Cu 1083 -1826 177 x 10-7 236

Ni 1453 -2660 255 x 10-7 319

Fe 1535 -2098 204 x 10-7 295

Pt 1772 -2160 240 x 10-7 332

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NUCLEAÇÃO HETEROGÊNEA Ela ocorre quando a solidificação se inicia

nas paredes do molde, na superfície de impurezas insolúveis ou na superfície de outro material presente, que baixe a energia livre crítica necessária para formar um núcleo estável.

Como durante as operações industriais de vazamento o valor de T é da ordem de 0,1 a 10C, a nucleação será certamente heterogênea.

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Na nucleação heterogênea o agente nucleante teráde ser molhado pelo líquido e o líquido deverá se solidificar facilmente sobre o agente nucleante.

A nucleação ocorre sobre o agente nucleante pois a energia de superfície, para formar um núcleo, ébaixa do que aquela para formar o núcleo no próprio material líquido. Como a energia livre de superfície sobre o agente nucleante é menor, o tamanho do raio crítico do núcleo é menor, e por conseguinte é necessário um menor valor de T.

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NUCLEAÇÃO HETEROGÊNEA O número de locais de nucleação disponíveis no metal líquido afetará a

microestrutura do material.

Se, durante a solidificação, o número de locais de nucleação for relativamente pequeno, a microestrutura será grosseira (grãos grandes). Se, durante a solidificação, existirem muitos pontos de nucleação, a microestrutura será fina (grãos pequenos).

Se um metal relativamente puro (sem a presença de impurezas que possam atuar como agentes nucleantes) for solidificado em um molde, irão ser formados dois tipos de grãos: grãos equiaxiais e grãos colunares.

Os grãos equiaxiais serão formados junto às paredes do molde, se as condições de crescimento dos grãos forem iguais em todas as direções. Jáno interior do metal, a solidificação é mais lenta e apresenta um gradiente de temperatura acentuado, dando origem a grãos alongados. Estes grãos crescem perpendicularmente as paredes do molde.

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