Universidade Estadual de Ponta Grossa Departamento de Engenharia de Materiais Disciplina: Ciência dos Materiais 1 Introdução à solidificação 1º semestre / 2016
Solidificação Mudança do estado líquido para o sólido Raio crítico Mecanismos de crescimento Curvas de resfriamento Estrutura de lingotes Processos de fundição 2
Solidificação Nucleação Em materiais que cristalizam, envolve mudança de uma situação de ordem a curto alcance para ordem a longo alcance Alguns materiais não apresentam ordem a longo alcance após a solidificação, permanecendo amorfos. Exemplo: vidro Materiais poliméricos podem desenvolver cristalinidade parcial durante a solidificação 3
Nucleação Nucleação homogênea Nucleação heterogênea 4
Nucleação Nucleação homogênea Nucleação heterogênea núcleos líquido cristais crescendo estrutura de grãos Adapted from Fig. 4.14(b), Callister & Rethwisch 8e. 5
Nucleação homogênea núcleos líquido 6
Nucleação homogênea e energia Energia livre de superfície- destabiliza os núcles (consome energia para criar uma interface) 2 DG S 4 r = tensão superficial DG T = Energia livre total = DG S + DG V Energia livre de volume estabiliza os núcleos (libera energia) 4 3 DG V r DG G D r* = raio crítico: para r < r* núcleos retraem; para r >r* núcleos crescem Adapted from Fig.10.2(b), Callister & Rethwisch 8e. (para reduzir energia) 3 energia livre de volume unidade de volume
Nucleação homogênea raio crítico DG = Energia livre total = DG V + DG S
Nucleação homogênea raio crítico r * T 2 m DH DT f r* = raio crítico = energia livre de superfície T m = temperatura de fusão DH f = calor latente de fusão DT = T m - T = superresfriamento Nota: DH f e são fracamente dependentes de DT r* diminui quando DT aumenta Para DT típicos r* ~ 10 nm
Valores típicos
Nucleação heterogênea Sólido se forma em uma impureza Assume raio crítico com um menor aumento na energia de superfície Nucleação heterogênea ocorre em superresfriamentos relativamente menores 11
Aplicação da nucleação controlada Aumento de resistência por redução de tamanho de grão Liga Al-3% Si. (a) Sem inoculante. (B) Inoculante 0,05% Ti. Ataque: reagente de Keller concentrado. Adaptado de: Arango e Martorano. 14º CONAF. 2009 12
Mecanismos de crescimento Crescimento dos núcleos estáveis Natureza do crescimento depende de como o calor é removido Dois tipos de calor devem ser removidos Calor específico Calor latente de fusão (DH f ) Mecanismos de crescimento Crescimento planar Crescimento dendrítico Sua forma de remoção determina o mecanismo de crescimento do material e a estrutura final do fundido 13
Crescimento planar Ocorre em líquidos bem inoculados em condições de equilíbrio Calor latente de fusão deve ser removido da interface sólido-líquido por condução Protuberância está cercada por líquido com T > T M T sólido < T M 14
Crescimento dendrítico Ocorre em líquidos com baixa nucleação Líquido super-resfriado T líquido < T M Condução de calor latente de fusão para o líquido super-resfriado T líquido aumenta em direção à T M Crescimento dendrítico continua até que T líquido = T M Vídeo 1 Vídeo 2 Início de crescimento planar 15
Tempo de solidificação e tamanho da Regra de Chnorinov dendrita t s = tempo para um fundido simpes solidificar completamente V = volume do fundido A = área da superfície do fundido em com contato com molde n = constante B = constante do molde 16
Tempo de solidificação e tamanho da dendrita SDAS secondary dendrite arm spacing 17
Tempo de solidificação e tamanho da dendrita SDAS secondary dendrite arm spacing 18
Metal puro Inoculação deficiente Curvas de resfriamento Resfriamento normal do líquido Metal puro Inoculação adequada Remoção de calor específico Superresfriamento para nucleação homogênea (B-C) Ponto C Início da nucleação Liberação de calor latente de fusão Aumento da temperatura do líquido Recalescência 19
Estrutura de lingotes
Defeitos na solidificação Retração Retração interdendrítica Porosidade por gás
Defeitos na solidificação Retração
Defeitos na solidificação Retração interdendrítica
Processos de fundição
Processos de fundição
Lingotamento contínuo
Lingotamento contínuo
Lingotamento contínuo
Solidificação direcional e crescimento de monocristais
Solidificação de polímeros
Bibliografia Askeland, D.R.; Pradeep P. F.; Wright, W. J. Phulé, P.P. - The Science and Engineering of Materials. CENGAGE Learning. 6a edição. 2010. Cap. 9 Donald R. Askeland, Wendelin J. Wright. Ciência e engenharia dos materiais. Tradução da 3ª edição norte-americana Askeland, D.R.; The Science and Engineering of Materials. PWS-KENT Publishing Company. 2a edição. 1989. Cap. 8