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Para que ocorra o processo de solidificação é necessário que haja um super resfriamento do metal. A partir daí a solidificação ocorre em duas etapas: nucleação e crescimento de cada núcleo cristalino.

A solidificação de um metal ou liga a partir do estado líquido pode ser descrito como um processo embrionário, pois é a partir desses embriões sólidos que os primeiros núcleos ou germes cristalinos são formados.

Os embriões sólidos aparecem no meio líquido a medida que o metal ou liga se aproxima da temperatura de solidificação. A partir dos embriões estáveis os núcleos são formados; é a etapa da nucleação dita homogênea.

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Todavia, na prática, os núcleos se formam preferencialmente nas superfícies mais exteriores do metal, que estão juntas a parede do molde ou lingoteira; assim como sobre substâncias puras não metálicas ou metálicas de mais alto ponto de fusão.

Para um dado volume de metal à medida que a porção solidificada aumenta, a porção líquida diminui de forma proporcional, então passo a passo novos átomos da fase líquida vão se agregando ao metal solidificado anteriormente com a mesma orientação e estrutura cristalina estabelecida pela primeira porção de metal solidificado. É a etapa de crescimento. Formam-se as dendritas com seus eixos principal, secundário, etc.

Figura 10 – Crescimento Competitivo

A figura 10 ilustra o fenômeno conhecido como crescimento competitivo de grãos, no qual ocorre um crescimento preferencial dos grãos cuja direção de crescimento são perpendiculares à linha isoterma, aqui representada pela linha pontilhada.

Vale a pena lembrar que a solidificação de um metal puro difere da solidificação de uma liga, onde vários elementos solutos estão presentes. Dessa forma, cada núcleo cresce ao longo de direções preferenciais, até ser obstruído pelo crescimento do núcleo dos outros vizinhos.

Neste instante cessa o crescimento dando origem aos diferentes grãos ou cristais, em cujo interior os átomos encontram-se arranjados segundo a mesma estrutura cristalina e o mesmo espaçamento atômico do que nos outros grãos, conforme a célula unitária representativa do metal.

Quando todo líquido já se transformou em sólido, o crescimento dos grãos é favorecido pela permanência em temperaturas elevadas.

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5.2 Contorno de grão

Contorno de grão é o “limite” ou “fronteira” entre grãos. Os grãos são formados a partir dos núcleos iniciais, que ao crescerem, encontram outros núcleos que também cresceram, então é criado um limite entre eles, o qual é denominado contorno de grão.

Os contornos de grão são considerados imperfeições cristalinas, porque eles representam interrupções no arranjo uniforme dos átomos.

Os átomos ao longo do contorno apresentam um maior nível energético – energia potencial – que os átomos do interior de cada grão, tornando-os mais reativos e com maior poder de difusão.

Tamanho de grão e propriedades mecânicas

As propriedades mecânicas dependem fortemente do tamanho de grão do metal. Um metal que apresenta tamanho de grão pequeno terá melhor resistência à tração a temperatura ambiente, pois os contornos de grão tendem a inibir a deformação de grãos individuais quando o material é submetido a esforços de tensão.

Porém, em temperaturas elevadas, sendo a movimentação atômica favorecida principalmente nos contornos de grão e em áreas tensionadas a resistência do material será menor.

Como resultados são preferidos materiais com tamanho de grão pequeno para aplicações em baixas temperaturas e temperatura ambiente. Por outro lado materiais com tamanho de grão grande (grosseiro) são desejáveis para serviço em temperaturas elevadas.

Metais e ligas metálicas com tamanho de grão pequeno geralmente possuem melhor resistência à tração, melhor tenacidade e melhor resistência à fadiga.

6 IMPERFEIÇÕES CRISTALINAS E MOVIMENTOS ATÔMICOS Imperfeições cristalinas

A estrutura cristalina não é tão perfeita quanto possa parecer à primeira vista; ela apresenta uma série de imperfeições.

a) Defeitos localizados: átomos deslocados, falta de átomos (lacunas) etc.

15 CETRE- Curso de Inspetor de Soldagem Nível 1 b) Defeitos em linha: quando envolve a aresta de um plano extra de átomos; são as discordâncias. Estas têm grande importância no mecanismo de deformação plástica e em estruturas sujeitas a fadiga. Decorrem principalmente do processo de solidificação do metal, bem como de deformações e tensões residuais impostas ao metal.

c) Imperfeições de contorno: superfície externa e contorno de grão – quando ocorrem entre cristais (grãos) adjacentes ou na superfície externa dos cristais ou da peça.

Apesar de um material possuir uma ou mais fases presentes, ele contém muitos grãos com diferentes tamanhos, orientações e formato mais ou menos irregulares devido ao processo de solidificação e pela presença de grãos vizinhos.

Cada grão de um metal puro possui a mesma estrutura cristalina e o mesmo espaço atômico do que nos outros grãos.

Portanto “grãos” são cristais individuais, onde os átomos do metal estão arranjados segundo um único modelo e uma única orientação, caracterizada pela célula unitária.

Cada grão resulta de um processo de nucleação e crescimento dos primitivos embriões cristalinos, processo esse que ocorre durante a solidificação do metal, mudança de fase ou refino de grão.

Nos contornos de grão podem ser encontrada elevada concentração de impurezas, prejudicando certas propriedades mecânicas, por exemplo: dutilidade e tenacidade.

Isto cria condições favoráveis à nucleação de uma nova fase nas transformações no estado sólido da mesma forma que favorece a “difusão”.

6.1 Discordâncias

Como já citado, os defeitos em linha são chamados de discordâncias. Estas podem ser em cunha, em hélice etc., e se caracterizam pela falta de planos atômicos no reticulado cristalino.

Existe um campo de tensões elásticas ao redor das discordâncias, ocorrendo o seu movimento (deslocamento) quando são aplicados esforços externos. Desse modo no processo de deformação as discordâncias podem se movimentar na estrutura cristalina até atingir a superfície do cristal, onde pode ocorrer o seu aniquilamento ou empilhamento.

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Figura 1 - O esforço para arrastar um tapete é menor, restringindo-se a região em movimento.

6.2 Difusão

Difusão é o fenômeno que ocorre no estado sólido em etapas, através do transporte de matéria (energia e massa) pela movimentação dos átomos na estrutura cristalina. É um processo ativado termicamente.

Para que este transporte ocorra, é necessária a existência de interstícios e energia suficiente para que o átomo possa se movimentar para uma nova posição de equilíbrio. Esta energia decorre da maior vibração dos átomos obtida, por exemplo, pelo aumento de temperatura ou aplicação de um campo magnético.

matriz), essa solução pode ser substitucional ou intersticial como já visto anteriormente

Para que a difusão ocorra é necessário que tenha átomos de soluto em solução sólida numa matriz de átomos de solvente (soluto é o material que está sendo dissolvido na

Quando o átomo deixa sua posição de estabilidade no reticulado cristalino e desloca-se para outra posição, em seu lugar pode ficar um vazio (lacuna) ou sua posição pode ser ocupada por qualquer outro átomo.

Como o aumento da temperatura do metal no estado sólido gera um aumento de vibração dos átomos na sua posição de equilíbrio, quanto maior a temperatura maior será a difusão, ou seja; é um processo normalmente ativado termicamente.

7 DIAGRAMA DE FASE

Os diagramas de fase são construídos a partir da interação da energia livre de Gibbs, nas condições do equilíbrio termodinâmico (resfriamento bem lento) do sistema dos elementos envolvidos.

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Os diagramas de fase apresentam as mais variadas formas a depender dos elementos em solução, considerando-se pressão e volume constante e variando a temperatura.

As denominações mais comuns são: isomorfo, eutético, etc. podendo ainda ser binário, ternário ou quaternário, a depender da quantidade de elementos puros envolvidos.

O diagrama de fase que tem maior importância para o estudo dos aços e ferros fundidos são os diagramas Fe-C e Fe-Fe3C.

Antes porém, vamos conceituar o que é ferro, aço e ferro fundido.

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