SMM0302 Processamento de Materiais I. Solidificação e Fundição

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1 SMM0302 Processamento de Materiais I Solidificação e Fundição

2 O que é solidificação? O que é fundição? Solidificação: transformação de fase: líquido sólido Fundição: Produção de peças pela solidificação de metal líquido em moldes Além de dar forma às peças determina sua microestrutura e propriedades

3 Exemplos de Solidficação e Fundição Exemplo de Solidificação Exemplo de Fundição

4 A fundição e a solidificação nas rotas de fabricação de metais Fundição Solidificação

5 Exemplo de produto fundido

6 Exemplo de produto fundido

7 Produção Brasileira Toneladas Fonte: ABIFA

8 Produção Brasileira Fonte: ABIFA 81,2% 10,8% 8,0% 6,7% Aço bruto: ~ T jun 2015 (fonte: Instituto Aço Brasil) Al primário: ~ T/mês (fonte: ABAL)

9 Fonte: ABIFA Pessoal Empregado

10 Produtividade Fonte: ABIFA

11 Exemplo de controle da microestrutura do fundido FoFo nodular FoFo branco DEPENDE DAS CONDIÇÕES DE FUNDIÇÃO (tipo de molde, T inicial, impurezas, etc.)

12 Outro exemplo

13 Exemplo de aplicação do controle da solidificação Eixo do comando de válvulas

14 Exemplo de aplicação do controle da solidificação Eixo do comando em corte (Macrografia) FoFo branco FoFo cinzento

15 Solidificação É uma transformação de fase que depende de: Nucleação e Crescimento

16 Super-resfriamento Nucleação e Crescimento Líquido super-resfriado 1 Líquido super-resfriado 2

17 Super-resfriamento Nucleação e Crescimento T

18 Variação da Energia Livre Líquido - Sólido G G liq-sol G liq sol = H T f f T T γ

19 Nucleação Homogênea G G s G v H f = T f T 4. π. r 3 3 G = γ SL. 4π. r s 2 (Filme γ) G c r c = 2γ H SL f T f T G c = 16πγ T 2 3 H 3 SL f 2 f 2 T = 4 πγ 3 SL r 2 c G T = G v + G s G v

20 Influência do super-resfriamento no raio crítico e na energia de ativação G T 3 > T 2 > T 1 T 3 T 2 T 1

21 Taxa de Nucleação Número de núcleos formados por unidade de volume e por unidade de tempo I = C1 G exp η kt c T f η = A'exp T B T 0 I T

22 Velocidade de crescimento U = C 2 η 1 exp H T f f kt T T f U T

23 Fração volumétrica de sólido formado com o tempo χ sol 1 π. I. U 3 3 t 4 T f T tempo p/ 1 ppm de sólido log t

24 Influência da taxa de resfriamento na microestrutura T f T Grãos grosseiros Grãos refinados T g Vidro log t

25 Influência da taxa de resfriamento

26 Nucleação Heterogênea γ = γ LT ST + γ SL cosθ Para aprender mais sobre tensão e energia superficial:

27 Nucleação Heterogênea O cálculo deve considerar uma calota esférica Também deve considerar 3 tipos de interfaces diferentes: LT, ST e SL Resultado: G heter c = f homo ( θ ). Gc heter r homo c c r = f ( θ ) = (2 + cosθ )(1 cosθ ) 4 2

28 Ângulo de molhamento

29 Molhamento

30 Nucleação heterogênea (Inoculação) Filme Inoculação

31 Interface de crescimento

32 Interface de crescimento Gi NkT f + p ln = αp(1 p) + p + (1 p)ln(1 p) Gi/(NkTf) f R S α = ξ η ξ hkl = Z hkl hkl p

33 Interface de crescimento Interface difusa α 2, típica de metais crescimento normal (cristal não-facetado) v µ 1 T i Interface lisa α > 2, típica de cerâmicas e semicondutores crescimento lateral (cristal facetado) 2 µ 1 v µ 2 T i µ

34 Interface Lisa ou Difusa Interface Lisa (cristal facetado) 1 Interface Lisa (cristal facetado) 2 Interface Lisa (cristal facetado) X Difusa (cristal não-facetado)

35 Lista de símbolos T temperatura t tempo T f temperatura de fusão T super-resfriamento: T f T (T < T f ) H f entalpia de fusão ou calor latente de fusão G liq-sol variação de energia livre do estado líquido para o sólido G v variação de energia livre relativa ao volume do núcleo r raio do núcleo G s variação de energia livre relativa à superfície do núcleo, interface sólido/líquido γ SL energia ou tensão superficial da interface sólido/líquido G T variação total da energia livre para a nucleação r c raio crítico G c variação crítica de energia livre ou barreira energética para a nucleação I taxa de nucleação C 1 constante da equação de I η viscosidade k constante de Boltzmann A, B e T 0 constantes da equação de viscosidade

36 Lista de símbolos U velocidade de crescimento C 2 constante da equação de U χ sol fração volumétrica de sólido T g temperatura de transição vítrea γ LT energia ou tensão superficial da interface líquido/substrato γ ST energia ou tensão superficial da interface sólido/substrato θ ângulo de molhamento entre o núcleo sólido e o substrato f(θ) função do ângulo de molhamento, 0 f(θ) 1 G c homo barreira energética para a nucleação homogênea G c heter barreira energética para a nucleação heterogênea r c homo raio crítico da nucleação homogênea r c heter raio crítico da nucleação heterogênea G i variação de energia livre na interface de crescimento N constante de Avogadro S f entropia de fusão, H f /T f R constante universal dos gases α razão entre S f e R ξ hkl razão entre o n o de ligações no plano de crescimento (η hkl ) e o n o de coordenação (Z) p fração de átomos na interface pertencentes ao sólido T i super-resfriamento na interface de crescimento

37 Redistribuição de Soluto na Solidificação de Ligas O diagrama de fases Cu-Ni

38 Redistribuição de Soluto na Solidificação de Ligas Solidificação no Equilíbrio

39 Coeficiente de distribuição k = 0 C C S L

40 Solidificação no Equilíbrio - Mistura completa no líquido - Difusão total no sólido

41 Redistribuição de Soluto na Solidificação Solidificação Fora do Equilíbrio

42 Solidificação Fora do Equilíbrio Difusão no sólido: Pode ser desconsiderada pois a difusividade (~ 10-8 cm 2 /s) é muito pequena perto da velocidade da interface sólido/líquido (> 10-2 cm/s) No líquido pode-se considerar: Mistura completa Somente difusão Mistura Parcial

43 Mistura Completa no Líquido C S = C 0. k 0 Equação de Scheil.(1 f ) k 0 1 C L = C 0.(1 f ) k 0 1 (f)

44 Somente Difusão no Líquido C = C 0 1 k 1 + k0 0 exp R. x D L

45 Somente Difusão no Líquido

46 Influência das variáveis no perfil de concentração

47 Perfil de concentração final para o caso de somente difusão Somente para concentrações < 0,5% Para concentrações > 0,5% ocorrerá alteração na configuração da interface sólido/líquido

48 Mistura Parcial no Líquido (caso intermediário)

49 Mistura Parcial no Líquido (caso intermediário) C S. k.(1 f ) k 0 E = C E 1 k E = k 0 + ( 1 k0 k0 )exp( R. S / D L ) k E coeficiente de distribuição efetivo

50 Comparação entre os quatro casos

51 Conseqüências Práticas Refino por Fusão Zonal Alteração na morfologia da interface de crescimento (super-resfriamento constitucional) Microssegregação Macrossegregação

52 Refino por Fusão Zonal

53 Refino por Fusão Zonal

54 Morfologia da Interface sólido/líquido O caso de metais puros G L <0 Plana Dendrítica Sem S.R. à frente da interface Com S.R. à frente da interface

55 Crescimento dendrítico devido ao super-resfriamento térmico em metais puros Filme para Crescimento Dendrítico em substância pura

56 Efeito da redistribuição de soluto na interface de crescimento Super-resfriamento Constitucional G 2 <G 1 G R L < m. C D L 0 (1 k0). k Condição necessária O mesmo efeito ocorre para k 0 >1 0

57 Condições que favorecem o super-resfriamento constitucional G R L < m. C D L 0 (1 k0). k 0 Baixo gradiente térmico (G) no líquido Altas velocidades (R) de crescimento Linhas liquidus abruptas (m elevado) Altos teores de soluto na liga (C 0 ) Baixa difusividade no líquido (D L ) k 0 bem pequeno ou bem grande

58 Conseqüência do superresfriamento constitucional Degeneração da interface plana de crescimento Baixo super-resfriamento Crescimento Celular Alto super-resfriamento Crescimento Dendrítico

59 Crescimento Celular

60 Crescimento Celular

61 Crescimento Dendrítico

62 Crescimento Dendrítico

63 Comparação final entre as morfologias da interface

64 A formação dos grãos Pode ocorrer por: Crescimento Planar Crescimento Celular Crescimento Dendrítico seguido de espessamento dos braços

65 Mais sobre o crescimento dendrítico Ocorre em direções cristalográficas específicas Exemplo: <100> nos metais CFC O espaçamento entre os braços dendríticos (λ) depende do tempo local de solidificação

66 Microssegregação Celular Dendrítica Em contorno de grão

67 Microssegregação Celular

68 Microssegregação Dendrítica

69 Microssegragação em Contorno de Grão

70 Exemplo de Microssegregação Dendrítica

71 Algumas conseqüências Alteração da temperabilidade do aço ao longo da microestrutura (mesmo após processamento termomecânico)

72 Algumas conseqüências Bandeamento em aços ao carbono

73 Eliminando a Microssegregação Tratamento Térmico de Homogeneização

74 Macrossegragação Normal Ocorre quando os grãos crescem com interface planar ou quase planar numa única direção O soluto é segregado a longas distâncias

75 Outras formas de Macrossegregação Por gravidade Dendritas livres primárias que se decantam Filme Inversa Por fluxo de líquido rico em soluto nos canais interdendríticos devido à contração do sólido ou diferenças de densidade no líquido

76 Lista de símbolos k 0 coeficiente de distribuição C S concentração de soluto no sólido C L concentração de soluto no líquido C 0 concentração de soluto na liga f fração solidificada R velocidade de avanço da interface sólido/líquido D L difusividade no líquido k E coeficiente de distribuição efetivo S espessura da camada limite de difusão G s gradiente térmico no sólido G L gradiente térmico no líquido m inclinação da linha liquidus (convencionalmente com sinal contrário) λ espaçamento entre os braços dendríticos

77 Formação da Microestrutura Liga Monofásica

78 Formação da Microestrutura Liga Bifásica c/ precipitação da segunda fase no estado sólido

79 Formação da Microestrutura Liga Bifásica Eutética

80 Formação da Microestrutura Liga Bifásica Hipoeutética

81 Crescimento do Eutético líquido α + β - Crescimento Cooperativo controlado pela difusão λ - Espaçamento lamelar depende da velocidade de crescimento λ 1 R

82 Espaçamento Lamelar X Velocidade de Crescimento λ 1 R Eutético Sn-Se

83 Morfologia do Eutético Depende de: Fração volumétrica das fases Interface dos cristais (facetada ou nãofacetada) Velocidade de crescimento

84 Morfologia do Eutético Pequena fração de β Alta fração de β Branco fase α (não facetada) β não facetada Cinza fase β β facetada

85 Morfologia do Eutético Secção Transversal Al-Al 3 Ni fibroso Secção Longitudinal Pb-Sn lamelar

86 Morfologia do Eutético Pb-Sn Pb não facetada Sn não facetada Al-Si Al não facetada Si facetada

87 Crescimento de eutético na presença de impurezas Pb-Cd c/ impurezas

88 Morfologia do Eutético Filme (Resumo) vies/hunt/jackson_hunt_eutectics_smaller.gif

89 Modificação da Morfologia do Eutético Al-Si Al-Si Modificado com Na, Sr ou Ca 0,01%

90 Modificação da Morfologia do Eutético Fe-C (FoFo Cinzento) Fe-C Modificado com Mg (0,04%) ou Ce (0,04%) (FoFo Nodular)

91 Porosidades Interdendríticas Evolução de gases

92 Microporosidades Interdendríticas Liga de Al Falta de líquido para suprir a contração interdendrítica

93 Microporosidades Interdendríticas Aço ao carbono 25x 70x

94 Microporosidades Interdendríticas Aço ao carbono

95 Microporosidades Interdendríticas Bronze

96 Porosidades Interdendríticas Liga Al- 8%Si + 3,5%Cu

97 Evolução de Gases Exemplo: H em Al

98 Porosidade devido à evolução de gases H em Al

99 Microestruturas dos FoFos Aços FoFos FoFos comerciais

100 Microestruturas dos FoFos

101 Microestruturas dos FoFos A Cementita é uma fase metaestável Resfriamento: Mais lento: Grafita Mais rápido: Cementita Presença de Si: Teor de Si acima de 1%: favorece a Grafita

102 Microestruturas dos FoFos

103 FoFo branco Resfriamento rápido; ou moderado com Si < 1% Hipoeutético CE<4,3% Eutético CE~4,3% (Ledeburita) Hipereutético CE>4,3% CE=%C+%Si/3

104 ToTo do FoFo branco Tratamento Térmico de Maleabilização ~ 700 o C por 30 h ou mais Ferrítico (resfriamento lento) Perlítico (resfriamento rápido)

105 FoFo Cinzento Hipoeutético CE<4,3% Eutético CE~4,3% Hipereutético CE>4,3%

106 FoFo Cinzento Ferrítico (resfriamento lento) Perlítico (resfriamento moderado)

107 FoFo Nodular Ferrítico (resfriamento lento) Perlítico (resfriamento moderado)

108 Designação dos FoFos Cinzentos (segundo ABNT) Designação Resitência à tração (MPa) FC FC FC FC FC FC

109 Designação dos FoFos Nodulares (segundo ABNT) Designação Resitência à tração (MPa) Alongamento (%) FE FE FE FE FE FE

110 Outras ligas fundidas Ligas de Aço fundidas baixo carbono (C < 0,2%) médio carbono (C entre 0,2 e 0,5%) alto carbono (C > 0,5%) baixo teor de liga (teor total de liga inferior a 8%) alto teor de liga (teor total de liga superior a 8%)

111 Outras ligas fundidas Ligas de Alumínio fundidas 1xx.x alumínio, 99.0% mínimo; 2xx.x Cu (4%...4.6%); 3xx.x Si (5%...17%) com adições de Cu e/ou Mg 4xx.x Si (5%...12%); 5xx.x Mg (4%...10%); 7xx.x Zn (6.2%...7.5%); 8xx.x Sn; 9xx.x outros

112 Outras ligas fundidas Ligas de Cobre fundidas