PME 2310- sistema eutetóide1

PME 2310- sistema eutetóide1

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1.1 Motivação

Os blocos dos motores diesel são de ferro fundido, assim como os de motores de locomotivos ou grandes motores estacionários. Os blocos de motores que empregam gasolina são nos automóveis majoritariamente ainda em ferros fundidos, mas passam aceleradamente a ser fabricados em ligas Al-Si. Os motores a explosão para aviação são fundidos em ligas de alumínio há bastante tempo. As ligas alumínio - silício e os ferros fundidos para fabricação de blocos de motores a explosão são ligas que solidificam segundo a reação eutética.

Outros componentes bastante conhecidos como rodas automotivas, feitas de Al-Si, ou discos de freio feitos de ferros fundidos cinzento ou nodular são exemplos de aplicação desta classe de materiais. As figuras 1 e 2 mostram alguns destes componentes.

Figura 1. A) Cabeçote de motor liga 319. B) Carcaça de transmissão liga 380. C) Suporte de rotor de helicóptero, liga A357. D) Rotores de bomba em fundição de precisão, liga 224. (Metals Handbook, ASM Inte. Hadbook Commitee, ISBN 087170-007-7, p.769.

Ambas as ligas tem em comum serem empregadas no estado “como fundido”, estado bruto de fundição ou após tratamento térmico, sem passar por processos de conformação plástica. Esta característica e outras peculiaridades que veremos adiante tornam o projeto com ferros fundidos e alumínio silício distante da prática do engenheiro mecânico. Um dos objetivos deste capítulo é diminuir esta estranheza.

Figura 2. Blocos de motor de ferro fundido. (Instituto Superior Técnico - Prof. Arlindo Silva)

Um último reforço para motivar a aprendizagem deste capítulo é a tabela 1. Nela observamos que para uma mesma classe de ferro fundido cinzento obtemos diferentes limites de resistência dependendo do diâmetro do cilindro do qual foi extraído o corpo de prova de tração.

Nos textos que se seguem buscaremos elucidar os fatos acima.

1.2 Sistemas de dois componentes - Eutéticos

Em sistemas eutéticos as adições de qualquer um dos componentes sobre outro provocam um abaixamento do ponto de fusão de modo que a curva liquidus passa por um mínimo chamado de ponto eutético. O líquido é miscível em todas as proporções como no sistema isomorfo, mas a miscibilidade no estado sólido é limitada (Figura 3).

Figura 3. - Esquema mostrando um sistema eutético A-B. 2

A solidificação da liga com composição eutética se dá à temperatura constante, característica do sistema como pode se verificar a partir da regra das fases. Como P = 3 (três fases) e C = 2 (dois componentes) têm-se F = 0. A curva de resfriamento é idêntica à mostrada para metais puros. O diagrama de fases pode ser construído justapondo-se curvas de resfriamento para ligas de diversas composições como mostra a figura 4.

Figura 4. - Curvas de resfriamento mostrando as temperaturas do início e do fim da solidificação para diferentes ligas de um sistema eutético.

Devem ser consideradas duas fases sólidas, α e β. As duas formam soluções sólidas terminais limitadas pelas curvas solvus (limite de solubilidade de B em α ou A em β) e a solidus. Esta última é formada por duas curvas ligadas por uma horizontal (isoterma da reação eutética) correspondente à reação eutética L = α + β.

As ligas que ocorrem à esquerda da composição eutética são chamadas hipoeutéticas e as que ocorrem à direta são chamadas hipereutéticas.

A seqüência de solidificação pode ser acompanhada na figura 4. Na temperatura TO a liga (X) está totalmente líquida. No resfriamento ao atingir a temperatura T1 a solidificação

cristais de composição α1,α4 e o líquido com composição L2, L3 e L4. Na temperatura

começa com a formação de cristais de composição α1. Para temperaturas menores tem-se T4 o líquido tem composição L4 = "e"

Figura 4. - Diagramas eutético mostrando a seqüência de solidificação de uma liga hipoeutética.

Neste instante a microestrutura da liga seria constituída de dendritas de α e um fundo de líquido eutético L4. Este líquido agora solidifica isotermicamente formando uma mistura de α + β. A microestrutura final para a liga consiste de dendritas de austenita e eutético α + β.

A fase que se forma primeiro é chamado de constituinte primário da liga. A mistura eutética α + β é chamada de constituinte secundário.

A solidificação de ligas hipereutéticas é semelhante. Neste caso, entretanto, a fase β é o constituinte primário e a mistura eutética, o constituinte secundário.

1.2.1 Microssegregação

Quando as condições de equilíbrio não são atingidas ocorre microssegregação do constituinte primário e um excesso de constituinte secundário. Isto pode resultar na formação de eutético para ligas com composição a esquerda do patamar ou maiores quantidades de eutético para ligas com composições entre os extremos do patamar com se vê na figura 5. Como no caso dos sistemas isomorfos a microssegregação precisa ser considerada nos tratamentos térmicos das ligas de modo a se evitar a queima ou liquação das mesmas.

Figura 5 - Esquema mostrando microssegregação em liga de composição dentro e fora da isoterma do eutético.

Por outro lado, este fenômeno é responsável pela formação de carbonetos de solidificação nos aços ferramenta, carbonetos estes responsáveis por algumas das mais úteis propriedades desta família de aços nobres, como a dureza e a resistência ao desgaste. Como se vê a microssegregação nem sempre é um fenômeno nocivo como em alguns aços para construção mecânica nos quais compromete a tenacidade.

1.2.2 Tipos de sistemas eutéticas

As microestruturas das ligas eutéticas diferem muito de sistema para sistema dependendo das proporções relativas das duas fases sólidas, das inclinações das linhas liquidus e das relações cristalográficas entre as fases, entre outros fatores. Durante a solidificação as duas fases sólidas podem precipitar cooperativamente (o crescimento de uma depende do crescimento da outra). No sistema Pb-Sn, (figura 6A) no qual o ponto eutético está aproximadamente no meio do diagrama, as linhas liquidus tem inclinação semelhante o eutético é cooperativo como se vê na figura 6B.

Quando uma das fases predomina na mistura eutética esta fase geralmente se torna a matriz na qual as partículas da outra fase estão embebidas. Diversos tipos de estruturas eutéticas podem aparecer. Se as partículas são arredondadas o eutético é chamado de globular; partículas alongadas formam eutéticos aciculares ou formas ainda mais complexas. Estrutura de eutéticos globulares ocorrem nos ferros fundidos designados de nodulares, figura 6C, enquanto estruturas aciculares são observadas em ligas Al-Si quando se remove a matriz por meio de um reativo químico adequado.

Figura 6 Diagrama eutético Pb-Sn. 6A) Eutético irregular 6B) Eutético cooperativo. 6C) Eutético escrita chinesa 6D) Eutético globular

Devido a sua importância destacam-se a seguir algumas características das ligas Al-Si. As ligas de alumínio fundidas estão na tabela 2.

Elemento de liga %

Designaçã o

Processo de fundição

Si Fe Cu Mn Mg Ni Zn Sn Ti

443 S ou P 4,5/6,0 0,6 0,10 0,10 0,05 - 0,1 - 0,2 390 S ou P 17 - 4,5 - 0,6 - 0,5 - -

S = sand casting P = permanent mold casting

Tabela 2. Composição de ligas de alumínio fundidas. As ligas de alumínio silício tem suas composições detalhadas na tabela 3.

Designação Processo de

Fundição Limite de Resistência à tração [Mpa]

Limite de Escoamento

[Mpa] Alongamento%

443 S 130 5 8 443 P 159 62 10 390 S 180 180 < 1 390 P 200 200 1

Tabela 3 propriedades de ligas fundidas Al-Si.

A figura 7 mostra o diagrama Al-Si e as figura B, C e D as microestruras de ligas hipoeutética, eutética e hipereutética, respectivamente.

Figura 7. A) Diagrama Al-Si. B) Microestrutura de liga hipoeutética, C) Microestrutura de liga hipereutética

Para assegurar propriedades mais elevadas as ligas Al-Si sofrem tratamentos durante o processo de fundição. As ligas fundidas hipoeutéticas são, usualmente modificadas com Na. Este elemento é adicionado durante o processo de fusão, antes do vazamento. Em ligas sem a adição de sódio o silício apresenta-se na forma de plaquetas. O efeito do sódio consiste em aumentar a energia de interface do silício com o líquido, levando a que o sistema busque uma geometria de solidificação que diminua a quantidade de interface com o líquido. Por isto ao invés de se formarem plaquetas formam-se bastonetes de silício. Este efeito é responsável pela mudança de propriedades semelhante ao visto na tabela 2.

A experiência mostrou que o tratamento de ligas hipereutéticas com sódio não era tão efetivo como o que se manifestava em ligas hipoeutéticas. As ligas hipereutéticas de Al-Si são tratadas com fósforo. Este elemento provoca refino nos cristais primários de silício sem alterar a morfologia das fases em relação às ligas sem adição deste elemento. Entretanto o refino causa significativa elevação das propriedades mecânicas como se vê na tabela 4.

A figura 8 mostra o efeito da modificação com Na e da inoculação com P em ligas hipo e hiper eutéticas, respectivamente.

Figura 8. A) Liga hipoeutética sem modificação, B)mesma liga com modificação C) Liga hiper eutética sem inoculação com P, D) Mesma liga com adição de P.

As ligas Al-Si podem ter sua microestrutura alterada pela taxa de resfriamento. Maiores taxas de resfriamento podem ser obtidas mediante emprego de materiais de moldagem que extraiam calor mais rapidamente como mostra o exemplo da figura 9.

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