Capítulo 7 - Solidificação

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1 Capítulo 7 - Solidificação Solidificação - resultado do vazamento de material líquido 2 etapas Nucleação: Formação de núcleos sólidos (agregados ou cachos de átomos) Crescimento: crescimento dos núcleos formando cristais e originando uma estrutura de grãos núcleos cristais em crescimento Estrutura de grãos líquido Os cristais crescem até as suas fronteiras se tocarem 1

2 Mecanismos de Nucleação Nucleação Homogénea Núcleos formam-se no interior do metal líquido Necessário sobrearrefecimento elevado (tipicamente C) Nucleação Heterogénea Mais fácil pois já existem locais de nucleação: paredes do molde ou impurezas existentes na fase líquida Permite solidificação com sobrearrefecimento baixo 0,1-10ºC 2

3 Nucleação Homogénea ΔG S Energia Livre de Superfície energia que é necessário fornecer para criar uma interface sólido-líquido esférica γ: energia livre de superfície/unidade área Energia Livre de Volume energia libertada na formação do sólido (volume esférico) ΔG V = 4 3 πr3 Δg υ Δg υ = diferença entre a energia livre do líquido e do sólido unidade de volume 3

4 Nucleação Homogénea ΔG S ΔG T = Energia Livre Total ΔG* ΔG T = ΔG S + ΔG V = 4πr 2 γ πr3 Δg υ r r* r ΔG*: energia de activação (máximo de ΔG T ) r*: raio crítico ΔG T ΔG V partículas com r < r* tendem a dissolver-se (embriões) partículas com r > r* tendem a crescer (núcleos) 4

5 Nucleação Homogénea ΔG T = 4πr 2 γ πr3 Δg υ ΔG* r* 8πγ r + 4πΔg υ r 2 = 0 r * = 2γ Δg υ Quando r = r* ΔG = ΔG * 16 π γ3 = T 2 3Δg υ r* e ΔG* variam com γ e Δg υ γ pouco sensível a T Δg υ muito sensível a T 5

6 Nucleação Homogénea Δg υ é a força motriz para a nucleação ΔG* r* Δg υ = ΔH S ΔT T F ΔH S : calor latente de fusão T F : temperatura de fusão ΔT=T F -T: sobrearrefecimento r* = 2γ Δg υ = 2γ T F ΔH S ΔT ΔG* = 16πγ3 = 16 π γ 3 2 T F 2 2 3Δg υ 3 ΔH S ΔT 2 Quando T=T F ΔT=0 Δg υ =0 r* ΔG* 8 8 Não há nucleação 6

7 Nucleação homogénea T Para haver nucleação é necessário que ΔT>0 (i.e. T<T F ) Quanto maior ΔT (i.e. quanto menor T): r* e ΔG* são menores Nucleação é mais fácil Maior a taxa de nucleação (N: número de núcleos formados por unidade de volume e de tempo) T F T ΔT>0 T 2 <T 1 ΔT elevado ( C metais puros) 7

8 Nucleação homogénea 8

9 Nucleação Heterogénea Agente nucleante (molde, impureza) nucleação heterogénea γ diminui ΔG* het << ΔG* hom Nucleação heterogénea permite solidificação com ΔT baixo (0,1-10ºC) 9

10 Crescimento inicia-se quando os aglomerados de átomos atingem o raio crítico tornando-se núcleos estáveis. ocorre por acoplamento de átomos aos núcleos formando cristais difusão atómica cessa quando as fronteiras dos cristais se tocam e a fase mãe (L) se esgota, originando uma estrutura de grãos A velocidade de crescimento é determinada pela velocidade de difusão (que depende fortemente de T) velocidade de crescimento aumenta com T 10

11 Solidificação Controlada por nucleação e crescimento de cristais % fase sólida Exemplo: Regime de nucleação Fase sólida α Regime de crescimento t 0.5 log (tempo) Taxa de Nucleação aumenta com ΔT Taxa de crescimento aumenta com T α L L L T < T F Taxa de Nucleação baixa Taxa de crescimento elevada T << T F Taxa de Nucleação média. Taxa de crescimento média T <<< T F Taxa de Nucleação elevada Taxa de crescimento baixa 11

12 Materiais de grão fino e grosseiro ΔT baixo poucos núcleos estrutura com poucos grãos e grandes (estrutura de grão grosseiro) Mais macio e dúctil ΔT elevado muitos núcleos estrutura com muitos grãos e pequenos (estrutura de grão fino) Mais duro e mais resistente Equação de Hall-Petch σ ced = σ 0 + k d 1 2 d - tamanho de grão 12

13 Tamanho de Grão Método ASTM (American Society for Testing and Materials) (para aços) Cartas padrão comparativas tendo diferentes tamanhos de grão, numeradas de 1 a 10 (número ASTM de tamanho de grão n) Prepara-se uma imagem de uma amostra com 100X de ampliação O tamanho de grão dessa amostra determina-se por comparação com a carta que mais se aproxima dos grãos da imagem de forma a que: 1 pol 1 pol n - nº ASTM de tamanho de grão (nº da carta mais aproximada) N - nº de grãos por polegada quadrada da imagem com 100X 100 X 13

14 Exemplo: Tamanho de Grão a) Se numa imagem com 100X de ampliação existirem 35 grãos/polegada 2, qual o tamanho de grão ASTM? N = 35 grãos/polegada 2 b) Se a imagem for obtida com 75X de ampliação, quantos grãos/polegada 2 existirão? N 75X > N 100X N = X n 1 = ,1-1) = 61 grãos / polegada 2 14

15 Limites de Grão (Defeitos Planares) Limites ou fronteiras de Grão regiões entre os cristais transição entre uma região e outra com orientação diferente região ligeiramente desordenada densidade é baixa nos limites de grão mobilidade elevada difusividade elevada reactividade química elevada 15

16 Solidificação Grãos: equiaxiais (aproximadamente mesma dimensão em todas as direcções) colunares (grãos alongados) ~ 8 cm Fluxo de calor Grãos colunares no interior onde ΔT é menor grãos equiaxiais devido ao arrefecimento rapido (ΔT elevado) junto às paredes 16

17 Monocristais Algumas applicações em engenharia requerem monocristais (1 núcleo, 1 cristal, 1 grão): - pás de turbina - monocristais de diamante (abrasivos) 17

18 Policristais A maioria dos materiais usados em engenharia são policristais. 1 mm Soldadura em chapa de Nb-Hf-W Cada "grão" é um monocristal com uma orientação cristalográfica. Tamanhos de grão variam tipicamente entre 1 nm e 2 cm (i.e., de alguns planos atómicos até milhões deles). 18

19 Monocristais - Propriedades variam com a direcção: anisotropia - Exemplo: o módulo de Young (E) do Fe CCC: Policristais Monocristais vs Policristais - Propriedades podem ou não variar com a direcção. - Se os grãos estiverem orientados aleatoriamente: isotropia (E poli Fe = 210 GPa) - Se os grãos estiverem orientados segundo direcção preferencial (textura), anisotropia E (diagonal) = 273 GPa E (aresta) = 125 GPa 19

20 Observação Microscópica Vista desarmada para grãos de elevadas dimensões (mm) Microscopia óptica e microscopia electrónica de varrimento para grãos da ordem dos µm Microscopia electrónica de transmissão para grãos da ordem dos nm 20

21 Microscopia Óptica Limites de grão... defeitos mais susceptíveis de ataque revelados como zonas escuras superfície polida Sulco Limite de grão Microscopia Electrónica Baixa resolução da microscopia óptica: 0,1 µm Electrões têm resolução mais elevada pois: Comp. de onda 3 pm (0,003 nm) (ampliações X) Próximo da resolução atómica 21