Aula 02: Fundamentos da Solidificação dos Metais

Heterogeneidades que podem ocorrer durante a

1. Introdução Diferenças entre sólidos e líquidos Eventos que caracterizam a solidificação. solidificação. Importância da solidificação na tecnologia de fundição.

2. Nucleação da Fase Sólida Nucleação Homogênea O conceito de Curvas de Resfriamento Nucleação Heterogênea Aplicações práticas da Teoria da Nucleação Heterogênea

3. Crescimento da Fase Sólida Modelos de Crescimento Crescimento com interface plana –solidificação progressiva

Crescimento com interface dendrítica –solidificação extensiva

Relações estruturas vs. Velocidade de

4.Macro e Microestruturas de Solidificação Tipos de macroestruturas. Influência dos parâmetros de processo. solidificação. Fatores que influenciam na velocidade de solidificação.

Disciplina: Processos de Fabricação Parte 2: Fundição Professor: Guilherme O. Verran Dr. Eng. Metalúrgica

Diferenças entre Líquidos e Sólidos LÍQUIDOS

Átomos apresentam alta energia cinética

Ordem de curto alcance

Átomos podem vibrar apenas em torno de uma posição fixa

Arranjados numa ordem de longo alcance

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Fundamentos da Solidificação de Metais e Ligas Prof. Dr. Guilherme Verran

Metal Líquido Nucleação

Crescimento Composição

QuímicaVelocidade de

Solidificação Gradientes Térmicos

Redistribuição de Soluto Morfologia da Interface S/L

Estrutura Segregação Defeitos Metal Sólido

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Influência da Taxa de Resfriamento sobre a Microestrutura de Solidificação

Líquido

108 Taxa de Resfriamento (K/s)

Microestruturas Convencionais

Microestruturas Refinadas

Novas Microestruturas

Dendritas, Eutéticos Grosseiros e outros constituintes

Espaçamentos

Dendríticos e Eutéticos

Finos, e outros microconstituintes

Estruturas

Microcristalinas

Estruturas Cristalinas

Metaestáveis

Estruturas vítreas ou amorfas

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Objetivo: fixar os átomos que se movimentam violentamente e arranjá-los numa ordem de longo alcance

Retirada de Energia Térmica (Resfriamento)

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•A transformação Líquido-Sólido por que passa o metal é de natureza ativa e dinâmica⇒ocorrem diversos eventos que devem ser devidamente controlados de modo a não comprometerem o desempenho final do produto.

⇓ Ocorrência de Heterogeneidades

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Heterogeneidades que podem ocorrer durante a solidificação de metais ou ligas

• Porosidades

• Rechupes •Trincas de Contração

•Segregações de Impurezas ou Elementos de Liga (escalas micro ou macroscópica).

Dos Grãos ou Cristais.

• Tipos

• Distribuição • Tamanho

• Natureza

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HeterogeneidadesFisicas Defeitos Fisicos

• Porosidades

• Rechupes

•Trincas de Solidificação

Contração na Solidificação

Modelo de Solidificação Projeto

Gases Dissolvidos no Metal Liquido

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Micrografia mostrando Rechupe -defeito devido à contração na solidificação, aumento 100X.

Rechupe devido a contração na região de ponto quente.

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Micrografia mostrandoporosidade típicaem peca injetada devido ao aprisionamento de gás pelo sistema de injeção, aumento 50X.

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Trinca formada em um canto do fundido, local onde as tensões internas são mais intensas.

Trincas de Solidificação

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Importância do entendimento da Solidificação na Tecnologia de Fundição

•Dimensionamento e localização dos canais de enchimento e alimentação

•Conhecimento das causas e das medidas corretivas quanto aos defeitos de solidificação (rechupes, trincas, porosidades) e às heterogeneidades de composição química (segregações).

•Otimização e controle das variáveis do processo.

•Desenvolvimento de novos materiais e processos.

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Nucleação

Surgimento da fase sólida de forma estável no seio da fase líquida, sob a forma de pequenos núcleos cristalinos.

Crescimento

Modo pelo qual estes núcleos crescem sob a forma de cristais ou grãos cristalinos.

Como todas as transformações de fase, a solidificação se processa em duas etapas sucessivas de Nucleação e Crescimentode uma nova fase em meio àanterior.

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•Ocorre sem a interferência ou contribuição energética de elementos ou agentes estranhos ao sistema metal líquido-metal sólido.

Nucleação Homogênea

•Formação do Núcleo é devida à ocorrência do Superesfriamento Térmico.

Superesfriamento Térmico ⇒

Condição essencial para que os embriõesda fase sólida possam sobreviver na forma de núcleos estáveis.

Fase Líquida Superesfriada Térmicamente

Fase Sólida apresenta Maior Estabilidade Termodinâmica, pois possui um valor de Energia Livre (G) menor que a fase líquida.

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tempoTempo de Solidificação

Tempera t ura

Temperatura de Vazamento -Tv

Temperatura de Nucleação -TN Temperatura de Solidificação -TS

∆T = TS–TNSuperesfriamento Térmico

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•Caracteriza-se pela interferência de agentes estranhos ao sistema denominados SUBSTRATOS (energia superficial participa do jogo energético da sobrevivência do embrião na forma de núcleo estável).

Nucleação Heterogênea

⇓ Condição mais favorável para a nucleação

OEMBRIÃO surge na superfície do substrato sob a forma de uma CALOTA ESFÉRICA, aproveitando a energia de superfície ali disponível.

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Aplicação Prática da Teoria da Nucleação Heterogênea INOCULAÇÃO E REFINO DE GRÃO

Adição ou Inoculação de substratos heterogêneos com alta potência de nucleação(sob a forma de partículas finamente divididas).

Os INOCULANTES (REFINADORES)são distribuídos uniformemente no seio do metal líquido por meio de um veículo volátil a eles previamente adicionado

Cada partícula do NUCLEANTEatua como um

SUBSTRATO LOCALIZADOpara a nucleação heterogênea da fase sólida, devido ao fato de apresentar um alto índice de molhamentopelo metal líquido.

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Crescimento da Fase Sólida

Após a formação do núcleo, o mesmo tende a crescer com resultado da deposição de átomos que migram do líquido para o sólido.

Mecanismos de Crescimento

•Crescimento com Interface Lisa (Facetada) ou Solidificação Progressiva

•Crescimento com Interface Difusa ou Solidificação Extensiva

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Interface Plana Interface Celular

Nucleação

Interface Dendrítica Independente

Diferentes Tipos de Interfaces de Solidificação

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Líquido Sólido

Crescimento comInterface Lisa ou

Solidificação Progressiva

A Interface cresce segundo um Plano Atômico bem definidoque separa as Fases Sólido (ordenada atomicamente) e Líquido (desordenada atomicamente), caracterizado por uma variação abrupta e nítida

Típico de Metais Purosou LigasEutéticas.

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Crescimento comInterface Difusa

Metal Semi-Sólido Metal Líquido

Metal Sólido

A Interface de Crescimento não apresenta uma separação bem definida entre as Fases Sólido e Líquido ocorrendo a formação de uma região intermediária formada pela mistura de fases sólida e líquida (metal semi-sólido).

Modelo de Crescimento característico de Ligas que solidificam sob um intervalo de temperaturas

( ∆T = TL–TS ⇒Intervalo de Solidificação)

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•Zona Coquilhada (Chill)

Camada periférica composta de pequenos grãos com orientação cristalográfica aleatória.

Formada por grãos alongados que se alinham paralelamente àmáxima extração de calor. Os grãos se formam por crescimento seletivo e preferencial

•Zona Equiaxial Central ⇒

Formada por grãos equiaxiais pequenos ou grandes com orientação cristalográfica aleatória.

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Macroestrutura de um lingote de Al puro

Macroestrutura de um lingote da liga Al6Mg

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Influência dos parâmetros do processo e do material sobre a formação da macroestrutura

↑Extração de Calor

Adição de Inoculante

↑% de Soluto

Agitação do líquido

Uso de massalotes

↑Grau de Superaquecimento

Zona EquiaxialZona ColunarZona Coquilhada

Parâmetro ↓

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Efeito do Grau de Superaquecimento sobre a Bruta de Fusão do Al Puro

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Al PuroAl 6Mg

Estrutura formada por grãos colunares. Estrutura formada por grãos equiaxiais

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Tv= 8150C

S/ REFINOC/ REFINO Tv =7500C

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As microestruturas formadas na solidificação de ligas metálicas, especialmente o tamanho médio dos grãos, estão diretamente relacionadas com a velocidade de solidificação.

A velocidade de solidificação, por sua vez, depende do processo de fundiçãoutilizado e de características das pecas.

•Tipo de molde (material de moldagem) :areia x metal. •Dinâmica do Processo:gravidade x pressão.

•Geometria da Peca:paredes grossas x paredes finas.

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Velocidade de Resfriamento Tamanho dos Grãos

Areia Coquilha Sob Pressão

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