Universidade Estadual de Ponta Grossa Departamento de Engenharia de Materiais Disciplina: Ciência dos Materiais 1. Introdução à solidificação

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1 Universidade Estadual de Ponta Grossa Departamento de Engenharia de Materiais Disciplina: Ciência dos Materiais 1 Introdução à solidificação 1º semestre / 2016

2 Solidificação Mudança do estado líquido para o sólido Raio crítico Mecanismos de crescimento Curvas de resfriamento Estrutura de lingotes Processos de fundição 2

3 Solidificação Nucleação Em materiais que cristalizam, envolve mudança de uma situação de ordem a curto alcance para ordem a longo alcance Alguns materiais não apresentam ordem a longo alcance após a solidificação, permanecendo amorfos. Exemplo: vidro Materiais poliméricos podem desenvolver cristalinidade parcial durante a solidificação 3

4 Nucleação Nucleação homogênea Nucleação heterogênea 4

5 Nucleação Nucleação homogênea Nucleação heterogênea núcleos líquido cristais crescendo estrutura de grãos Adapted from Fig. 4.14(b), Callister & Rethwisch 8e. 5

6 Nucleação homogênea núcleos líquido 6

7 Nucleação homogênea e energia Energia livre de superfície- destabiliza os núcles (consome energia para criar uma interface) 2 DG S 4 r = tensão superficial DG T = Energia livre total = DG S + DG V Energia livre de volume estabiliza os núcleos (libera energia) 4 3 DG V r DG G D r* = raio crítico: para r < r* núcleos retraem; para r >r* núcleos crescem Adapted from Fig.10.2(b), Callister & Rethwisch 8e. (para reduzir energia) 3 energia livre de volume unidade de volume

8 Nucleação homogênea raio crítico DG = Energia livre total = DG V + DG S

9 Nucleação homogênea raio crítico r * T 2 m DH DT f r* = raio crítico = energia livre de superfície T m = temperatura de fusão DH f = calor latente de fusão DT = T m - T = superresfriamento Nota: DH f e são fracamente dependentes de DT r* diminui quando DT aumenta Para DT típicos r* ~ 10 nm

10 Valores típicos

11 Nucleação heterogênea Sólido se forma em uma impureza Assume raio crítico com um menor aumento na energia de superfície Nucleação heterogênea ocorre em superresfriamentos relativamente menores 11

12 Aplicação da nucleação controlada Aumento de resistência por redução de tamanho de grão Liga Al-3% Si. (a) Sem inoculante. (B) Inoculante 0,05% Ti. Ataque: reagente de Keller concentrado. Adaptado de: Arango e Martorano. 14º CONAF

13 Mecanismos de crescimento Crescimento dos núcleos estáveis Natureza do crescimento depende de como o calor é removido Dois tipos de calor devem ser removidos Calor específico Calor latente de fusão (DH f ) Mecanismos de crescimento Crescimento planar Crescimento dendrítico Sua forma de remoção determina o mecanismo de crescimento do material e a estrutura final do fundido 13

14 Crescimento planar Ocorre em líquidos bem inoculados em condições de equilíbrio Calor latente de fusão deve ser removido da interface sólido-líquido por condução Protuberância está cercada por líquido com T > T M T sólido < T M 14

15 Crescimento dendrítico Ocorre em líquidos com baixa nucleação Líquido super-resfriado T líquido < T M Condução de calor latente de fusão para o líquido super-resfriado T líquido aumenta em direção à T M Crescimento dendrítico continua até que T líquido = T M Vídeo 1 Vídeo 2 Início de crescimento planar 15

16 Tempo de solidificação e tamanho da Regra de Chnorinov dendrita t s = tempo para um fundido simpes solidificar completamente V = volume do fundido A = área da superfície do fundido em com contato com molde n = constante B = constante do molde 16

17 Tempo de solidificação e tamanho da dendrita SDAS secondary dendrite arm spacing 17

18 Tempo de solidificação e tamanho da dendrita SDAS secondary dendrite arm spacing 18

19 Metal puro Inoculação deficiente Curvas de resfriamento Resfriamento normal do líquido Metal puro Inoculação adequada Remoção de calor específico Superresfriamento para nucleação homogênea (B-C) Ponto C Início da nucleação Liberação de calor latente de fusão Aumento da temperatura do líquido Recalescência 19

20 Estrutura de lingotes

21 Defeitos na solidificação Retração Retração interdendrítica Porosidade por gás

22 Defeitos na solidificação Retração

23 Defeitos na solidificação Retração interdendrítica

24 Processos de fundição

25 Processos de fundição

26 Lingotamento contínuo

27 Lingotamento contínuo

28 Lingotamento contínuo

29 Solidificação direcional e crescimento de monocristais

30 Solidificação de polímeros

31 Bibliografia Askeland, D.R.; Pradeep P. F.; Wright, W. J. Phulé, P.P. - The Science and Engineering of Materials. CENGAGE Learning. 6a edição Cap. 9 Donald R. Askeland, Wendelin J. Wright. Ciência e engenharia dos materiais. Tradução da 3ª edição norte-americana Askeland, D.R.; The Science and Engineering of Materials. PWS-KENT Publishing Company. 2a edição Cap. 8