AC. Primeiras peças metálicas fundidas 600 AC. Aparecimento do ferro fundido na China. século XV. Surgimento do ferro fundido na Europa

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1 1 INTRODUÇÃO AC 600 AC século XV século XVIII Primeiras peças metálicas fundidas Aparecimento do ferro fundido na China Surgimento do ferro fundido na Europa Uso do ferro fundido como material estrutural

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4 2 NUCLEAÇÃO Super-resfriamento ΔF = 4 3 πr 3 L ΔT T f + 4πr 2 σ SL L T f ΔT σ SL calor latente de fusão temperatura de fusão diferença entre temperatura de fusão e nucleação (T f T) tensão superficial na interface sólido/líquido

5 T L T F f SL c Δ πσ = Δ T L T r f SL c Δ = 2σ SL f r T T L r F σ π + Δ π = Δ Nucleação homogênea

6 Intensidade de nucleação I I a C L D k T = D 2 a 4πr 2 a 2 c C L exp 16πσ 3 SL 2 2 3L ΔT 2 T f kt taxa de nucleação (núcleos/m 3 s) distância do salto de um átomo do líquido para o sólido (m) número de átomos/m 3 no líquido coeficiente de difusão no líquido (m 2 /s) constante de Boltzmann = 1, J/K temperatura de nucleação

7 NUCLEAÇÃO HETEROGÊNEA σ LT σ ST = σ SL cos θ ΔF = S SL σ SL + S ST ( σst σlt ) + VΔFV σ LT σ ST σ SL θ S SL S ST V ΔF V energia superficial líquido/substrato (J/m 2 ) energia superficial sólido/substrato (J/m 2 ) energia superficial sólido/líquido (J/m 2 ) ângulo de molhamento superfície sólido/líquido (m 2 ) superfície sólido/substrato (m 2 ) volume da calota esférica (m 3 ) variação de energia livre/unidade de volume (J/m 3 ) ( θ) 2 S SL = 2πr 1 cos S ST ( θ) = πr 2 1 cos 2 V = ΔF V 1 3 πr 3 ΔT = L T 3 ( 2 3cos θ + cos θ) f r c SLT = 2σ LΔT f ΔF c = 16πσ 3L 2 3 SL ΔT T 2 f ( 2 3cos θ + cos θ)

8 r c SLT = 2σ LΔT f ΔF c = 16πσ 3L 2 3 SL ΔT T 2 f ( 2 3cos θ + cos θ) f 1 3 ( θ) = ( 2 3cos θ + cos θ) 4

9 ( ) ( ) θ Δ πσ θ π = f kt T L T exp C a cos r a D I f SL a c C a número de átomos na superfície do substrato por unidade de volume de líquido Nucleação heterogênea Δ πσ π = kt T L T exp C a r a D I f SL L c Nucleação homogênea Taxa de nucleação

10 Agentes nucleantes Eficiência aumenta: com o aumento da afinidade química entre núcleo e substrato; elevada energia de superfície substrato/líquido; baixa energia de superfície núcleo/substrato (pequena diferença, δ, entre os parâmetros de rede do núcleo e do substrato); com o aumento da rugosidade do substrato; at a δ = a S S

11 CRESCIMENTO NA INTERFACE SÓLIDO/LÍQUIDO ΔFS NkT f = αp ( 1 p) + p ln p + ( 1 p) ln( 1 p) α = L RT f = ΔS T f f N k T f p α L R ΔS f número de posições atômicas na interface; constante de Boltzmann = 1, J/K; temperatura de fusão; proporção de átomos ordenados; constante de Jackson; calor latente de fusão; constante dos gases = 8,31 J/molK; entropia de fusão.

12 ΔFS NkT f = αp ( 1 p) + p ln p + ( 1 p) ln( 1 p) α = L RT = ΔS f T f α<2 interface difusa; α>5 interface facetada

13 Crescimento normal Crescimento lateral Velocidade de crescimento v = μ 1 ΔT i = μ v 2 exp b ΔT i Crescimento por discordâncias em hélice v = μ3δti 2

14 Técnicas para crescimento de monocristais Bridgeman Czochralski Solidificação zonal

15 REDISTRIBUIÇÃO DE SOLUTO k C S C L C k = C coeficiente de distribuição de soluto concentração de soluto no sólido concentração de soluto no líquido S L

16 Solidificação em equilíbrio k = C C S L C S = kc 0 [ 1 ( 1 k ) f ] S f S = ( Tliq T ) 1 ( T T ) ( 1 k) f

17 Solidificação fora do equilíbrio Mistura de soluto no líquido apenas por difusão C S = C0 1 1 x D kv ( k ) exp ( k ) 1 v C L = C0 1 + exp x' k D

18 Solidificação fora do equilíbrio Mistura completa no líquido sem difusão no sólido C ( ) ( k ) 1 1 S = kc0 f S

19 Solidificação fora do equilíbrio Mistura completa no líquido com difusão no sólido Solução clássica de Brody e Flemings C S = ( k 1) f S kc0 1 para = ( 1 ) v + αk constante C S = kc k 1 [ 1 ( 1 2α ) ] 1 k f 2αk para v parabólica 0 S = onde α = D S t SL 2 L

20 Solidificação fora do equilíbrio Mistura completa no líquido com difusão no sólido Solução clássica de Brody e Flemings C S = ( k 1) f S kc0 1 para = ( 1 ) v + αk constante C S = kc k 1 [ 1 ( 1 2α ) ] 1 k f 2αk para v parabólica 0 S = onde α = D S t SL 2 L Equação de Scheil DS C 0... α ( ) ( k 1) S = kc0 1 f S 0 D S C... α S Equilíbrio = kc 0 [ 1 ( 1 k ) f ] S Solução de Clyne Kurz Solução de Ohnaka Solução de Kobayashi

21 Solidificação fora do equilíbrio Mistura parcial de soluto no líquido CSi k ef = * C L = k + k vδ D ( 1 k ) exp A análise pode ser aplicada a todos os casos anteriores, desde que o comprimento do sistema seja significativamente maior que o tamanho da camada limite de difusão no líquido. Para isso, basta substituir k por k ef dentro dos seus limites de definição (k k ef 1).

22 Solidificação fora do equilíbrio Análise comparativa de soluções

23 ESTRUTURAS DE SOLIDIFICAÇÃO Metais Puros

24 Ligas Monofásicas Super-resfriamento constitucional m G L mνc0 Dk ( 1 k ) inclinação da linha liquidus Baixos valores de gradiente térmico no líquido junto à interface; altas velocidades de crescimento do sólido; linha liquidus bastante inclinada; elevado teor de soluto na liga; baixa difusividade de soluto no líquido; valores muito baixos (k<1) ou altos (k>1) de k.

25 Ligas Monofásicas Estabilidade da interface G L mνc0 Dk ( 1 k ) Interface plana estável: ν ν a Cr = DΔT Γk GD = + ΔT ; f ν < ν Γ = Cr σ ΔS ou ; ν > ΔS ν = a L T L L S S ( Γ,G, ΔT,k ); G =. K f G K L. + K + K S G Exemplo: ν < m/s ou ν > 0, 75 m/s

26 Ligas Monofásicas Estabilidade da interface crescimento celular (i) sem super-resfriamento interface planar; (ii) com super-resfriamento protuberância na interface; (iii) aumentando-se o super-resfriamento: células alongadas; células interrompidas; dendritas celulares.

27 Ligas Monofásicas Estabilidade da interface crescimento dendrítico

28 Ligas Monofásicas Estabilidade da interface crescimento dendrítico G L mνc0 Dk ( 1 k )

29 Ligas Monofásicas Estabilidade da interface crescimento dendrítico L D T = liq T G M sol

30 Ligas Monofásicas Estabilidade da interface crescimento dendrítico Ramificações primárias Ramificações secundárias Espaçamento entre ramificações primárias λ 1 = KG a b L ν Espaçamento entre ramificações secundárias λ 2 = K ( ν ) a G L L

31 Ligas Monofásicas Estabilidade da interface crescimento dendrítico

32 TRANSFERÊNCIA DE CALOR NA SOLIDIFICAÇÃO Superaquecimento: ΔT = T V T T

33 q q k c = = h c K S ( T T ) L is ( T ) em T 0 q q r N = σε = h N 4 4 ( T T ) em 0 ( T T ) is im K h σ ε Condutividade térmica Coeficiente de transferência de calor por convecção Constante de Stefan-Boltzmann Emissividade da superfície

34 R = R + R + R + R + T amb m i S R L

35 Moldes Refrigerados R << R + R + m i S R L

36 Moldes Refrigerados

37 Moldes Refratários R >> R + R + m i S R L

38 Moldes Metálicos ou Coquilhas Contato Perfeito entre Molde e Metal

39 Comparações Diversas

40 Comparações Diversas Lingotamento Contínuo

41 Lingotamento Contínuo

42 MACROESTRUTURAS DE SOLIDIFICAÇÃO Contração volumétrica na solidificação

43 Zonas coquilhada, colunar e equiaxial

44 Zona coquilhada Favorecida por: Bom contato térmico metal/molde Baixo superaquecimento Baixa difusividade térmica no líquido Alta difusividade térmica do molde Uso de moldes refrigerados Superfície do molde com alta eficiência de nucleação

45 Zona colunar Favorecida por: Alto superaquecimento Baixo teor de soluto da liga Baixa difusividade térmica do molde Uso de moldes pré-aquecidos

46 Zona equiaxial Formação competitiva com a zona colunar Provenientes de: cristais coquilhados ruptura de ramificações dendríticas por ação mecânica refusão das bases das ramificações dendríticas secundárias cristais formados na superfície superior do lingote Favorecida por: Baixo superaquecimento Formação de dendritas longas Movimento convectivo intenso do líquido Vibração mecânica Uso de agentes inoculantes

47 Propriedades mecânicas de estruturas colunares e equiaxiais

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51 FLUXO DE LÍQUIDO L NA SOLIDIFICAÇÃO Fluidez de metais líquidos A fluidez de um metal é conceituada, na prática de fundição, como sendo a habilidade que o metal tem de preencher todas as cavidades internas do molde ( viscosidade).

52 A fluidez depende de: variáveis do metal: temperatura do metal líquido, viscosidade, calor latente, condutividade térmica, calor específico, densidade; variáveis do molde e metal/molde: condutividade térmica, calor específico e densidade do molde, coeficiente de transferência de calor metal/molde; variáveis do ensaio: altura do metal líquido e diâmetro do canal. outras variáveis: tensão superficial, formação de películas superficiais, pressão de gases desenvolvida na solidificação.

53 Convecção no líquido Convecção no líquido ocorre: por ação mecânica no vazamento; induzida termicamente; por diferença de densidade (composição e contração). Efeitos: aumenta a região de grãos equiaxiais; refina o grão; maior homogeneidade microestrutural e química; diminui o superaquecimento. Fluxo de líquido interdendrítico A existência de uma rede dendrítica dificulta a alimentação de líquido para as regiões vazias decorrentes da contração volumétrica. Fluxo de líquido em meios porosos. rede dendrítica com muitas ramificações leva à formação de microporosidades na peça fundida.

54 SEGREGAÇÃO Segregação diferenças de composição na peça fundida. Microssegregação diferenças de curto alcance. Macrossegregação diferenças de longo alcance. Microssegregação Refere-se à modificação de composição em função da rejeição de soluto entre ramificações celulares, dendríticas ou entre contornos de grão..

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56 Macrossegregação Refere-se à segregação de longo alcance causada pelo movimento de líquido ou sólido. É avaliada normalmente através da relação: Δ C = C S C 0 Segregação positiva: Segregação negativa: C S > C 0 C S < C 0 Segregação normal

57 Segregação inversa Segregação em lingotes industriais

58 TECNOLOGIA DA FUNDIÇÃO Processos de fundição

59 Moldagem em areia

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63 Moldagem por cera perdida

64 Fundição sob pressão

65 Fundição centrífuga

66 Fundição em molde cheio

67 Fundição contínua

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