SOLIDIFICAÇÃO
Temperatura de fusão = T de solidificação? L L interface S G1 G2 = G1+ G G Gv T Gsólido Glíquido T Tf T
Nucleação homogênea G 2 =V S G v + V L G V +A SL SL Para uma particula esférica: G r =-4/3 r 3 G v + 4 r 2 SL r* 2 Tm L T S r* = raio critico = energia livre da superfície T m = temperatura de fusão L S = calor latente de solidificação Para reduzir energia do sistema: r* = núcleo crítico: núcleo < r* redução; núcleo>r* crescimento T = T m - T = super-resfraimento
Efeito do super-resfriamento sobre o raio critico Raio critico r* diminui com o aumento de T Quanto maior o super-resfriamento menor serão r* e Gv*
Taxa de nucleação Depende do número de aglomerados de átomos com raio r e da frequência com um átomo se agregam a este aglomerado É necessário um superresfriamento mínimo para que se inicie a nucleação
Nucleação Heterogênea G het =V S G v +A SL SL +A SI SI -A SL SL Condição necessária para que a nucleação seja eficiente: SI < IL + SL No equilibrio: IS = IL + ( SL cos ) 0 < <90 a condição de molhabilidade é satisfeita, já para > 90 não é. Ocorrendo molhabilidade, um núcleo com um raio de curvatura igual ao raio critico em nucleação homogênea pode ser formado a partir de um número muito menor de átomos do que seria necessário para a formação de um núcleo livre no seio do líquido. super-resfriamento necessário para a nucleação heterogênea é muito menor do que o necessário para a nucleação homogênea.
Nucleação homogênea vs nucleação heterogênea Taxa de nucleação Variação de energia livre para o mesmo r*
Solidificação: - nucleação - crescimento Temperatura Temperatura a) b) sólido líquido sólido líquido
Crescimento do sólido depende da interface: Lisa (não metais) atomicamente plana e compacta Rugosa (metais) transição L/S é gradual em várias camadas atômicas; aumento da desordem e enfraquecimento gradual da ligação entre os átomos Crescimento lateral Nucleação na superfície Crescimento em espiral Influência do super-resfriamento da interface S/L na taxa de crescimento para diferentes interfaces
Crescimento influência do escoamento de calor Crescimento planar Crescimento não planar
Crescimento não planar Crescimento dendritico
Crescimento em ligas metálicas Desenvolvimento de dendritas Segregação do soluto
Solidificação de ligas: Em Equilíbrio Sem difusão no sólido e mistura perfeita no liquido (queda gradual de T do liq) Sem difusão no sólido e difusão no liquido
Desenvolvimento de dendritas Segregação do soluto no desenvolvimento de dendrítas Dendritas de um sistema Ni-Al José Eduard/oUnicamp
Crescimento celular
Efeito do super-resfriamento constitucional na morfologia de solidificação.
Formação de uma estrutura dendritica Relação com a estrutura de grão Resistência mecânica é proporcional ao espaçamento entre braços secundários das dendritas
Formação de grãos em um metal fundido
Crescimento dendritico em um sistema eutético Al-Ni Com autorização de José Eduardo/Unicamp
Microestrutura de solidificação no equilibrio e resfriadas fora do equilibrio?
Liga hipo-eutética
Liga peritética
Solidificação eutética L -> + Eutético lamelar Eutético divorciado volume de uma das fases é muito pequeno
Solidificação de lingotes Zona coquilhada Zona colunar Zona equiaxial
Solidificação em soldagem/vazamento continuo Taxa de aporte de calor (depende do processo de soldagem e da dimensão da solda; ou do volume e temperatura do fundido, q Velocidade do arco; velocidade de retirada do tarugo, v Condutividade térmica do metal sendo soldado ou fundido, Ks Espessura da placa sendo soldada ou fundida, t
Solidificação em soldagem Condutividade Os parâmetros Ks, v, t e q irão determinar a morfologia da solidificação Velocidade espessura
Solidificação em soldagem Diluição Crescimento normal as isotermas; ajuste a velocidade da fonte de calor Alteração da composição quimica Remoção da camada de óxido do metal base Resfriamento da poça de fusão
Solidificação em soldagem Efeito da velocidade Cristais tendem a seguir o gradiente de T mais severo Relação entre velocidade de crescimento e velocidade de soldagem Crescimento mais rápido no centro e mais lento nas bordas 1. Crescimento epitaxial 2. Crescimento lento com estrutura planar seguida de estrutura celular fina 3. Crescimento celular dendritico resultando em estruturas colunares grosseiras 4. No final, no centro do cordão crescimento rápido com grande segregação
Considere as aletas de turbinas abaixo. Assumindo que todas foram produzidas com a mesma liga de Ni, descreva como se desenvolvem as 3 estruturas de solidificação
Ni30wt%Al Ni12wt%Al Explique o desenvolvimento das estruturas de solidificação considerando que o desenvolvimento do composto intermetálico é exotérmico