LÍQUIDOS SÓLIDOS. Átomos podem vibrar apenas em torno de uma posição fixa. Átomos apresentam alta energia cinética

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1 Aula 04: 1. Introdução Diferenças entre sólidos e líquidos Eventos que caracterizam a solidificação. Heterogeneidades que podem ocorrer durante a solidificação. Importância da solidificação na tecnologia de fundição. 2. Nucleação da Fase Sólida Nucleação Homogênea O conceito de Curvas de Resfriamento Nucleação Heterogênea Aplicações práticas da Teoria da Nucleação Heterogênea Fundamentos da Solidificação de Metais e Ligas Diferenças entre Líquidos e Sólidos LÍQUIDOS Átomos apresentam alta energia cinética Ordem de curto alcance SÓLIDOS Átomos podem vibrar apenas em torno de uma posição fixa Arranjados numa ordem de longo alcance 1

2 Nucleação Metal Líquido Velocidade de Solidificação Crescimento Gradientes Térmicos Composição Química Redistribuição de Soluto Morfologia da Interface S/L Estrutura Segregação Defeitos Metal Sólido Líquido Influência da Taxa de Resfriamento sobre a Microestrutura de Solidificação Microestruturas Convencionais Microestruturas Refinadas Dendritas, Eutéticos Grosseiros e outros constituintes Espaçamentos Dendríticos e Eutéticos Finos, e outros microconstituintes Taxa de Resfriamento (K/s) Novas Microestruturas Estruturas Microcristalinas Estruturas Cristalinas Metaestáveis Estruturas vítreas ou amorfas 2

3 SOLIDIFICAÇÃO Objetivo: fixar os átomos que se movimentam violentamente e arranjá-los numa ordem de longo alcance Retirada de Energia Térmica (Resfriamento) A solidificação dos metais resulta num decréscimo abrupto na mobilidade atômica. A viscosidade dinâmica (η) de um metal puro no estado líquido próximo ao seu ponto de fusão é semelhante à viscosidade da água à temperatura ambiente, ou seja da ordem de 10-3 Pa.s. SOLIDIFICAÇÃO A transformação Líquido-Sólido por que passa o metal é de natureza ativa e dinâmica ocorrem diversos eventos que devem ser devidamente controlados de modo a não comprometerem o desempenho final do produto. Ocorrência de Heterogeneidades 3

4 Heterogeneidades que podem ocorrer durante a solidificação de metais ou ligas Físicas : Rechupes Trincas de Contração Porosidades Químicas: Segregações de Impurezas ou Elementos de Liga (escalas micro ou macroscópica). Estruturais: Tipos Distribuição Tamanho Natureza Dos Grãos ou Cristais. Heterogeneidades Fisicas Defeitos Fisicos DESCONTINUIDADES AO LONGO DO MATERIAL. Rechupes Trincas de Solidificação Porosidades Contração na Solidificação Modelo de Solidificação Projeto Gases Dissolvidos no Metal Liquido 4

5 Micrografia mostrando Rechupe - defeito devido à contração na solidificação, aumento 100X. Rechupe devido a contração na região de ponto quente. Micrografia mostrando porosidade típica em peca injetada devido ao aprisionamento de gás pelo sistema de injeção, aumento 50X. 5

6 Trincas de Solidificação Trinca formada em um canto do fundido, local onde as tensões internas são mais intensas. Heterogeneidade Química Segregações Formação de gradientes no percentual de um elemento de liga (soluto) na matriz do metal base (solvente) devido a ocorrência de redistribuição de soluto durante a solidificação de ligas monofásicas. 6

7 Propriedades físicas dos metais puros de grande relevância no estudo da solidificação Propriedades físicas de ligas relevantes no estudo da solidificação A auto difusão e a difusão de elementos de liga e impurezas são muito mais lentas na fase sólida do que na fase líquida tanto para o Fe como para o Al Grandes consequências na distribuição de soluto na fase sólida durante a solidificação Heterogeneidades Químicas SEGREGAÇÃO 7

8 Heterogeneidades Estruturais Tamanhos dos Grãos (a) (b) (a) (b) (c) (d) (e) 100 µm 100 µm (c) (d) (e) 100 µm 100 µm 100 µm Importância do entendimento da Solidificação na Tecnologia de Fundição Dimensionamento e localização dos canais de enchimento e alimentação Adequações no projeto da peça Auxilio no projeto do ferramental Melhoria do produto Otimização e controle das variáveis do processo. Conhecimento das causas e das medidas corretivas quanto aos defeitos de solidificação Desenvolvimento de novos materiais e processos. Melhoria do processo Inovação 8

9 Como todas as transformações de fase, a solidificação se processa em duas etapas sucessivas de Nucleação e Crescimento de uma nova fase em meio à anterior. Nucleação Surgimento da fase sólida de forma estável no seio da fase líquida, sob a forma de pequenos núcleos cristalinos. Crescimento Modo pelo qual estes núcleos crescem sob a forma de cristais ou grãos cristalinos. Nucleação Homogênea Ocorre sem a interferência ou contribuição energética de elementos ou agentes estranhos ao sistema metal líquido-metal sólido. Formação do Núcleo é devida à ocorrência do Superesfriamento Térmico. Superesfriamento Térmico Condição essencial para que os embriões da fase sólida possam sobreviver na forma de núcleos estáveis. Fase Líquida Superesfriada Térmicamente Fase Sólida apresenta Maior Estabilidade Termodinâmica, pois possui um valor de Energia Livre (G) menor que a fase líquida. 9

10 CURVAS DE RESFRIAMENTO ANÁLISE TÉRMICA Curva de resfriamento para um Metal Puro mostrando a ocorrência de superesfriamento CURVA DE RESFRIAMENTO - REGISTRO TÉRMICO DA SOLIDIFICAÇÃO Temperatura de Vazamento - T v Temperatura ( 0 C) Temperatura de Nucleação - T N T Temperatura de Solidificação - T S L L + S S Tempo de Solidificação tempo T = T S T N Superesfriamento Térmico 10

11 Curvas de resfriamento para ligas hipoeutética (2) e eutética (1) Analise térmica Vaza-se uma certa quantidade de metal em um recipiente contendo um termopar. Este termopar, acoplado a um equipamento de registro de dados, grava a evolução da temperatura da amostra durante a solidificação. As curvas descrevem o balanço térmico entre o calor que é retirado pelo molde e o calor gerado pelas transformações de fase da amostra durante a solidificação. 11

12 Temperatura Liquidus Início da formação da Austenita: Quanto menor o Carbono Equivalente, mais alta é esta temperatura e maior a formação de autenita Temperatura Temperatura de Nucleação: Início da nucleação da grafita Temperatura de Recalescência: Ponto de máximo crescimento das células eutéticas TEE Temperatura de Super-resfriamento: Início do crescimento das células eutéticas. Quanto mais alta esta temperatura, maior a nucleação do banho Tempo Temperatura de Final de Solidificação: Término da Solidificação da Amostra. Quanto mais baixa esta temperatura maior a tendência à formação de carbonetos Análise térmica Parâmetros a serem observados da curva de análise térmica TEE Temperatura do Eutético Estável TNE Temperatura de Nucleação do Eutético TSE Temperatura de Superresfriamento do Eutético TRE Temperatura de Recalescência do Eutético TFS Temperatura de Superresfriamento do Eutético dt/dt Velocidade de Recalescência (dada pela curva derivada) 12

13 NUCLEAÇÃO DO SÓLIDO G vol = T π r Lf ( 01) T Condição termodinamicamente favorável. 2 Gsup = 4π r γ ( 02) Condição termodinamicamente desfavorável. Somando-se (01) e (02): f Variação de Energia Livre associada com o Volume da fase sólida em nucleação. Variação de Energia Livre associada com a formação de uma Superfície Sólido-Líquido. G = 4 3 T total r L f r 3 T + 2 π 4π γ ( 03) f Quando G total < 0 o Núcleo cresce espontaneamente o Embrião atingiu o Raio Crítico e se transformou em Núcleo passando a apresentar um crescimento espontâneo. G G sup R c = Raio Crítico Núcleo = Embrião que atingiu o R c R c G total G vol Raio Tornou-se termodinamicamente estável ( G < 0) 13

14 Nucleação Heterogênea Caracteriza-se pela interferência de agentes estranhos ao sistema denominados SUBSTRATOS (energia superficial participa do jogo energético da sobrevivência do embrião na forma de núcleo estável). Condição mais favorável para a nucleação O EMBRIÃO surge na superfície do substrato sob a forma de uma CALOTA ESFÉRICA, aproveitando a energia de superfície ali disponível. Nucleação Heterogênea Formação de um núcleo heterogêneo sobre o substrato, mostrando o ângulo de molhamento e as tensões superficiais envolvidas. 14

15 Nucleação Heterogênea Casos-limite de molhamento entre o embrião e o substrato na nucleação heterogênea. Nucleação Homogênea Aplicação Prática da Teoria da Nucleação Heterogênea INOCULAÇÃO E REFINO DE GRÃO Adição ou Inoculação de substratos heterogêneos com alta potência de nucleação (sob a forma de partículas finamente divididas). Os INOCULANTES (REFINADORES) são distribuídos uniformemente no seio do metal líquido por meio de um veículo volátil a eles previamente adicionado Cada partícula do NUCLEANTE atua como um SUBSTRATO LOCALIZADO para a nucleação heterogênea da fase sólida, devido ao fato de apresentar um alto índice de molhamento pelo metal líquido. 15

16 VARIAÇÕES NA MACROESTRUTURA DE UMA LIGA AlMgEM 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 Dr. Eng. Metalúrgica Aula 04.a: 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. 16

17 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) 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 17

18 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 Em cristais cúbicos os eixos preferenciais de crescimento estão nas direções (100) Representação Esquemática de 03 dendritas interconectadas Formação de grãos a partir das dendritas Durante a solidificação metal semi-sólido Estado sólido 18

19 Interface Plana Interface Celular Interface Dendrítica Nucleação Independente Diferentes Tipos de Interfaces de Solidificação a = 0,2 µm/s b = 1,0 µm/s c = 3,0 µm/s d = 7,0 µm/s Efeito do incremento na taxa 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

20 Formação de cristais equiaxiais no centro do molde durante a solidificação de uma mistura transparente cloreto de amônia-água. 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. 20

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) MICROESTRUTURAS DE SOLIDIFICAÇÃO 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. 21

22 Areia Coquilha Sob Pressão Velocidade de Resfriamento Tamanho dos Grãos 22