Crescimento de Cristais - Diagrama de Fases

Transcrição

1 Crescimento de Cristais - Diagrama de Fases

2 Recapitulando a aula 2: NUCLEAÇÃO E CRESCIMENTO DE FASES

3 Nucleação Redução da Temperatura Líquido - Desorganização Cristalina Formação de clusters ou embriões

4 Nucleação na Solidificação: Formação de um núcleo sólido ordenado no meio do líquido Inicia-se a partir da formação de um Embrião Os embriões podem aparecer e dissolver Os embriões podem aparecer e crescer Núcleos que passam a crescer espontaneamente de forma organizada são chamados de Cristais Nucleação é um fenômeno de transformação de fase S/L Pode ser dividida em: Heterogênea Homogênea

5 Crescimento das fases

6 Exemplo:Nucleação e crescimento de uma liga Al-3,5%Ni em Forno Bridgman (controlado) Raios x G L S Absorção V Onda monocromática Amostra fina

7 Refino de Grão (aumentar a quantidade e dimnuir o tamanho): Intensidade de nucleação controla a estrutura final Cada grão cristalino cresce a partir de um único núcleo Duas técnicas para refino de estrutura a partir do líquido: Resfriamento brusco e controlado Adição de agentes nucleantes Bom refinador será aquele que produz: - menores ângulos de contato - elevada energia superficial partícula/l - baixa energia superficial partícula/s - estável, insolúvel no líquido - alta rugosidade - similaridade com a rede cristalina sólido

8 Principais Agentes Nucleantes: Ligas Al: Titânio e Boro Ligas Mg: Carbono e Zircônio Ligas Cu: Ferro ou Zircônio Ligas Pb: Arsênio e Telúrio Ligas Zn: Titânio Ligas Fe-C: Nióbio e Vanádio Nucleação Dinâmica: Estímulo dinâmico: vibração mecânica e/ou eletromagnética

9 Adição de inoculantes Solidificação normal Com refinador Aço com 18%Cr /12%Ni

10 Estrutura de solidificação normal Refino de grão por adição de boro-titânio Lingotes de Alumínio solidificados em coquilha de aço

11 Nucleação dinâmica (A) Sem agitação mecânica (B) Com agitação mecânica Macroestruturas da liga Al 4%Cu

12 Diagrama de Fases

13 Metal Puro Para o exemplo do metal puro, pode-se representar as condições de equilíbrio conforme se segue: Tf Líquido (1 fase) Sólido (1 fase) Acima da temperatura de fusão o material se encontrará na condição de líquido e abaixo dessa temperatura na condição de sólido. O ponto Tf corresponde então ao ponto de transformação.

14 Ligas Binárias Admitindo um metal puro (componente A) no qual será inserida uma certa quantidade de um elemento de liga (componente B), a curva de resfriamento partindo de uma temperatura Tv, será dada por: Tv TL Ts Liga binária: Metal base (solvente) - A Metal de liga (soluto) - B Resfriamento do líquido Transformação de fase (sólido + líquido) Resfriamento do sólido Tempo Diagrama de fases TL Ts Líquido (1 fase) Sólido + Líquido TL - Temperatura liquidus Ts - Temperatura solidus Sólido (1 ou + fases)

15 Intervalo de Solidificação T SL T L T S T T F T T L T V T s Solidus Liquidus T L T s C o % t O calor latente é liberado em um intervalo de temperaturas: H H H H S.f S S.f S H H L L. f L.(1 f S ) H H T f Metal Puro T H H T s T l Aço T H H L. L f S T E T l Al - Cu T T E T l Pb - Sn T

16 Componente: define um elemento puro, e/ou os componentes individuais formadores de ligas Sistema: Caracteriza o espectro de composições e fases existentes entre os elementos individuais Fase: Esse termo define uma porção homogênea de um sistema

17 Componente A Componente B SOLIDIFICAÇÃO Sólido - Condição 1 Estrutura cristalina organizada apresentando duas fases com componentes insolúveis Líquido Estrutura cristalina desorganizada apresentando um única fase Sólido - Condição 2 Estrutura cristalina organizada apresentando uma fase formada por diferentes componentes

18 Limite de solubilidade: Componente B (soluto) adicionado ao componente A (solvente), para formar uma solução líquida. Sabe-se que para uma dada temperatura, deverá existir um limite da quantidade do componente B que o componente A é capaz de absorver. Após esse limite, os átomos do soluto não serão mais agregados à rede do solvente, ocorrendo a partir daí a precipitação de uma nova fase. Esse limite da quantidade do componente B que o componente A pode receber é chamado de Limite de Solubilidade.

19 Solução sólida: O termo Solução Sólida, tem a mesma idéia, entretanto refere-se a materiais no estado sólido. Um componente B pode formar uma solução sólida com um componente A, se o componente B se misturar a estrutura do componente A (de modo intersticial ou substitucional) de tal forma a manter uma condição de fase única. Componente solvente Solução sólida Substitucional Componente solvente Solução sólida Intersticial Componente soluto FASE ÚNICA Componente soluto

20 Diagrama de fases de uma Liga Binária Eutética T linha solidus T fa T L L L e = fases sólidas T S T E +L linha liquidus ponto eutético L+ T fb = fase primária (rica em A) = segunda fase (rica em B) T 1 linha solvus + A x 1 x E B Fração de B

21 Diagrama de fases de uma Liga Binária Eutética T linha solidus T fa L L e = fases sólidas T L T E +L L linha liquidus ponto eutético + L+ T fb = fase primária (rica em A) = segunda fase (rica em B) T 1 linha solvus E A x 2 x E B Fração de B