Aula 04-a: Fundamentos da Solidificação dos Metais Parte 2

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1 Professor: Guilherme O. Verran Dr. Eng. Metalúrgica Aula 04-a: Fundamentos da Solidificação dos Metais Parte 2 1. Crescimento da fase sólida - Introdução - Mecanismos (modelos) de crescimento - Crescimento do interface plana ou solidificação progressiva - Crescimento com interface dendrítica ou solidificação extensiva - Utilização dos Diagramas de Equilíbrio no estudo da solidificação - Solidificação de metais puros e de ligas com grandes intervalos de solidificação: consequências na estrutura de solidificação 2. Macro e Microestruturas de Solidificação - Tipos de macroestruturas. - Influência dos parâmetros de processo e do material sobre as macroestrutura - Relações estruturas vs. Velocidade de solidificação. -Fatores que influenciam na velocidade de solidificação. - Microestruturas x diagramas de equilíbrio.

2 Introdução Crescimento da Fase Sólida O crescimento dos cristais e a solidificação dos metais líquidos é uma função direta da mobilidade atômica. Fatores térmicos e cinéticos devem ser levados em consideração na aceleração ou inibição do crescimento de um cristal metálico. Alguns metais como Al e Cu apresentam apenas uma estrutura cristalina (CCC), enquanto outros metais como Fe e Co podem apresentar diferentes estruturas cristalinas a diferentes temperaturas (o Fe pode ser CCC ou CFC)

3 Mecanismos de Crescimento Após a formação do núcleo, o mesmo tende a crescer com resultado da deposição de átomos que migram do líquido para o sólido. Crescimento com Interface Plana(Lisa ou Facetada) ou Solidificação Progressiva Crescimento com Interface Dendrítica (Difusa) ou Solidificação Extensiva

4 Durante o resfriamento de muitos metais(e ligas) os cristais nucleados crescem preferencialmente em certas direções fazendo com que cada cristal em crescimento assuma uma forma distinta conhecida como Dendrita Diagrama esquemático mostrando 3 dendritas interconectadas Em cristais cúbicos os eixos preferenciais de crescimento estão nas direções (100)

5 Interface Plana Interface Celular Interface Dendrítica Nucleação Independente Diferentes Tipos de Interfaces de Solidificação

6 Utilização dos D.E. no entendimento dos diferentes tipos de solidificação de metais e/ou ligas T Solidificação de Metais Puros L T B T A Linha Liquidus Linha Solidus T e α α + L e β + L β Solidificação Monofásica Liga com grande T Solidificação Monofásica Liga com pequeno T α + β A B Solidificação Polifásica Ocorrência de reação eutética C 1 C 2 C e T = T liquidus T sólidus Intervalo de Solidificação

7 Redistribuição de Soluto na Solidificação de Ligas Monofásicas Nas ligas Monofásicas o Soluto é redistribuído durante a solidificação como conseqüência das diferenças de solubilidade no sólido e no líquido. As variações das condições de crescimento acarretam variações na forma com que o soluto é redistribuído entre as fases sólida e líquida. Ocorrência de variações nas estruturas dos sólidos formados.

8 Solidificação em Equilíbrio Coeficiente de Distribuição no Equilíbrio: K 0 K 0 = C S C L C S = concentração de soluto no sólido na temperatura T C L = concentração de soluto no líquido na temperatura T K 0 < 1 o efeito do soluto é baixar T L

9 Ko mede a tendência à segregação, portanto, quanto mais afastado for o seu valor de uma unidade, maior será a tendência de segregação de um elemento. Elemento Al B C Cr Co H N O P S W Ko (em relação ao Fe) 0,92 0,02 0,13 0,95 0,90 0,32 0,28 0,02 0,13 0,02 0,95 Em relação ao Ferro, os elementos mais segregáveis são B, S, P, C, N e O; enquanto W, Cr, Al e Co apresentam baixa tendência à segregação.

10 Exemplos de diagramas de fases com elevada e pequena tendência à segregação. (a) Segregação elevada - Ko bem menor que 1 (b) Segregação pequena - Ko próximo a 1

11 Conseqüências Práticas da Redistribuição de Soluto (a) Ocorrência de Heterogeneidades Químicas Segregações (b) Alterações na Morfologia da I S/L Variações nas Estruturas de Solidificação (c) Aplicações: - Refino por Fusão Zonal - Nivelamento Zonal

12 Sólido Interface T F Líquido G L > 0 Temperatura Sólido Interface T F Líquido G S > 0 Distância G S > 0 G L < 0 T local > T F T local < T F Formação de uma protuberância instável que funde devido à temperatura local da extremidade ser maior que a temperatura de fusão. Formação e estabilização de uma protuberância na interface, quando ela se projeta para uma região em que a temperatura local da extremidade está abaixo da temperatura de fusão

13 Ligas Monofásicas Redistribuição de Soluto Ocorrência de Super-resfriamento Constitucional Gradiente Térmico G 1 Imposto G 2 Redução na temperatura em virtude de diferentes composições de soluto Temperatura Zona Superesfriada Constitucionalmente Distância a Frente da Interface

14 Condição para Não Ocorrência de Super-resfriamento Constitucional (G/R) m. Co. (1 Ko) D L Ko Parâmetros de Crescimento Parâmetros do Sistema Dependem das condições impostas Dependem da liga (Diagrama de Equilíbrio)

15 Condições que favorecem o Super-resfriamento Constitucional (1) Baixo G (2) Altas R (5) Baixa difusividade térmica no líquido. (6) Ko muito pequeno para Ko < 1 (3) Linhas Liquidus Abruptas (7) Ko muito grande para Ko >1 (4) Altos percentuais de elementos de liga (solutos)

16 Variações Estruturais associadas com o Super-resfriamento Constitucional (a) Sem Superesfriamento Constitucional Interface Plana (b) Com Superesfriamento Constitucional Formação de Protuberâncias na Interface (c) Aumentando o Superesfriamento Constitucional - Células Alongadas - Células Interrompidas - Dendritas Celulares - Dendritas Livres

17 Influência do Super-resfriamento Constitucional sobre a morfologia da interface S/L e no modo de solidificação Direção de Crescimento Interface Plana Interface Celular Crescimento Dendrítico Nucleação Independente a) Sem Superesfriamento Constitucional b) Com Superesfriamento Constitucional Aumento do Superesfriamento Constitucional

18 a = 0,2 µm/s b = 1,0 µm/s c = 3,0 µm/s d = 7,0 µm/s Efeito do incremento na velocidade de resfriamento sobre a morfologia da interface S/L em um sistema orgânico transparente solidificado unidirecionalmente com G = 2,98 K/mm Gradiente de Temperatura

19 Formação de cristais equiaxiais no centro do molde durante a solidificação de uma mistura transparente cloreto de amônia-água.

20 Modelo de Crescimento com Interface Plana ou Lisa Solidificação Progressiva Líquido Sólido A Interface cresce segundo um Plano Atômico bem definido que separa as Fases Sólido (ordenada atomicamente) e Líquido (desordenada atomicamente), caracterizado por uma variação abrupta e nítida Típico de Metais Puros ou Ligas Eutéticas.

21 Modelo de Crescimento com Interface Dendrítica ou Difusa Solidificação Extensiva Metal Líquido Metal Semi-Sólido Metal Sólido A Interface de Crescimento não apresenta uma separação bem definida entre as Fases Sólido e Líquido ocorrendo a formação de uma região intermediária formada pela mistura de fases sólida e líquida (metal semi-sólido). Modelo de Crescimento característico de Ligas que solidificam sob um intervalo de temperaturas ( T = T L T S Intervalo de Solidificação)

22 Aços pequenos e grandes T em função do % de C 1 2 Fofos T muito pequeno ou inexistente Pequeno T Grande T Aços Ferros Fundidos

23 Ligas que solidificam com temperatura constante INTERFACE PLANA METAIS PUROS COMPOSIÇÃO EUTÉTICA Representação esquemática do modelo de solidificação de um metal puro

24 Ligas com pequeno intervalo de solidificação FRENTE DE SOLIDIFICAÇÃO PLANA AÇOS FERROS FUNDIDOS LATÕES Representação esquemática do modelo de solidificação de uma liga com pequeno intervalo de solidificação.

25 Ligas com grande intervalo de solidificação FRENTE DE SOLIDIFICAÇÃO DENDRÍTICA LIGAS DE Al HIPOEUTÉTICAS BRONZES Representação esquemática do modelo de solidificação de uma liga com grande intervalo de solidificação.

26 Representação esquemática do modelo de solidificação de uma liga com intervalo de solidificação médio

27 MACROESTRUTURAS DE SOLIDIFICAÇÃO Zona Coquilhada (Chill) Camada periférica composta de pequenos grãos com orientação cristalográfica aleatória. Zona Colunar Formada por grãos alongados que se alinham paralelamente à máxima extração de calor. Os grãos se formam por crescimento seletivo e preferencial Zona Equiaxial Central Formada por grãos equiaxiais pequenos ou grandes com orientação cristalográfica aleatória.

28 Representação esquemática dos três tipos de estruturas brutas de fusão normalmente existentes nos lingotes: Zona Coquilhada: é formada por pequenos grãos equiaxiais de orientação cristalográfica aleatória junto a interface metal-molde. Zona Colunar: formada por grãos alongados e finos que se alinham paralelamente a direção do fluxo de calor. Zona Equiaxial Central: formada por grãos equiaxiais de orientação cristalográfica aleatória.

29 Liga com pequeno T Liga com médio T Liga com grande T Possíveis variações na macroestrutura de um lingote. (a) Ausência da Zona Equiaxial Central (b) Presença das três Zonas (c) Ausência das Zonas Coquilhada e Colunar.

30 Influência dos parâmetros do processo e do material sobre a formação da macroestrutura Parâmetro Grau de Superaquecimento Uso de massalotes Agitação do líquido % de Soluto Adição de Inoculante Extração de Calor Zona Coquilhada Zona Colunar Zona Equiaxial

31 Influência dos Parâmetros de Solidificação sobre as Estruturas: Teor de Soluto Variação esquemática do comprimento relativo da zona colunar em função do teor de soluto.

32 Influência dos Parâmetros de Solidificação sobre as Estruturas: Temperatura de Vazamento Variação esquemática do comprimento relativo da zona colunar em função da temperatura de vazamento.

33 Influência dos Parâmetros de Solidificação sobre as Estruturas: Temperatura de vazamento e pressão Influência da temperatura de vazamento e da pressão sobre as macroestruturas de lingotes de Al puro, solidificados em lingoteiras de aço: a) Tv=760ºC (p atm e 8atm); b) Tv=790ºC; c) Tv=810ºC.

34 Efeito do Grau de Superaquecimento sobre a Bruta de Fusão do Al Puro S = 70 0 C S = C

35 COMPARAÇÃO DAS MACROESTRUTURAS DE UM METAL PURO E DE UMA LIGA VAZADOS COM O MESMO GRAU DE SUPERAQUECIMENTO Al Puro Estrutura formada por grãos colunares. Al 6Mg Estrutura formada por grãos equiaxiais

36 VARIAÇÕES NA MACROESTRUTURA DE UMA LIGA AlMg EM FUNÇÃO E DO USO DE REFINADOR DE GRÃO PARA DIFERENTES TEMPERATURAS DE VAZAMENTO T v = C S/ REFINO C/ REFINO T v =750 0 C

37 Macroestrutura do Aço Inox do tipo 18-8: Estrutura fundida de grãos grosseiros (parte superior) e o mesmo aço refinado por inoculação de agentes nucleantes (parte inferior).

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40 MICROESTRUTURAS DE SOLIDIFICAÇÃO 1. As microestruturas formadas na solidificação de ligas metálicas, especialmente o tamanho médio dos grãos, estão diretamente relacionadas com a velocidade de solidificação. A velocidade de solidificação, por sua vez, depende do processo de fundição utilizado e de características das pecas. FATORES QUE INFLUENCIAM NA VELOCIDADE DE SOLIDIFICAÇÃO: Tipo de molde (material de moldagem) : areia x metal. Dinâmica do Processo: gravidade x pressão. Geometria da Peca: paredes grossas x paredes finas. 2. A velocidade de solidificação também influencia no equilíbrio durante a solidificação de ligas metálicas.

41 Areia Coquilha Sob Pressão Velocidade de Resfriamento Tamanho dos Grãos

42 Evolução da estrutura para um Sistema Isomorfo (Cu-Ni) resfriando sob Condições de Equilíbrio Estrutura policristalina e monofásica Solução Sólida

43 Evolução da estrutura para um Sistema Isomorfo (Cu-Ni) resfriando sob Condições de Não Equilíbrio Ocorrência de gradientes de concentração ao longo dos grãos Coring ou Zoneamento Segregação Forma de eliminação Tratamento Térmico (Homogeneização)

44 Representação esquemática do resfriamento sob Condições de Equilíbrio para uma liga Pb-Sn com composição C 1. Estrutura Policristalina e Monofásica a temperatura ambiente % de Soluto não excede ao limite de máxima solubilidade sólida

45 Representação esquemática do resfriamento sob Condições de Equilíbrio para uma liga Pb-Sn com composição C 2. Estrutura Policristalina e Polifásica a temperatura ambiente % de Soluto excede ao limite de máxima solubilidade sólida Ao longo do resfriamento as partículas da fase β vão crescer

46 Representação esquemática do resfriamento sob Condições de Equilíbrio para uma liga Pb-Sn com composição Eutética (C 3 ) Na temperatura eutética (183 0 C) a fase líquida se transforma em uma estrutura formada por lamelas de α e β.

47 Um microconstituinte Micrografia de uma liga Pb-Sn com composição eutética, formada por lamelas de solução sólida α rica em Pb (escuras) e lamelas de solução sólida β rica em Sn (claras), aumento 375x.

48 Representação esquemática do resfriamento sob Condições de Equilíbrio para uma liga Pb-Sn que cruza a isoterma eutética (C 4 ) Na temperatura ambiente a liga é constituída por grãos da fase primária α e grãos do eutético (α + β)

49 Dois microconstituintes Micrografia de uma liga Sn-Pb com composição hipoeutética 50Pb-50Sn, mostrando fase α primária rica em Pb(regiões escuras) em uma estrutura eutética lamelar(lamelas claras de β rica em Sn e lamelas escuras de α rica em Pb), aumento 400x.