Diferenças entre Líquidos e Sólidos

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 SOLIDIFICAÇÃO Objetivo: fixar os átomos que se movimentam violentamente e arranjá-los numa ordem de longo alcance Retirada de Energia Térmica (Resfriamento) 1

SOLIDIFICAÇÃO A transformação Líquido-Sólido por que passa o metal é de natureza ativa e dinâmicaocorrem diversos eventos que devem ser devidamente controlados de modo a não comprometerem o desempenho final do produto. Ocorrência de Heterogeneidades 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. 2

Disciplina: Fundição Professor: Guilherme O. Verran Fundamentos da Solidificação dos Metais 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 Disciplina: Fundição Professor: Guilherme O. Verran Fundamentos da Solidificação dos Metais 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. 3

Disciplina: Fundição Professor: Guilherme O. Verran Fundamentos da Solidificação dos Metais 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 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. 4

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. CURVAS DE RESFRIAMENTO Curva de resfriamento para um Metal Puro mostrando a ocorrência de superesfriamento 5

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 Nucleação da fase sólida CURVAS DE RESFRIAMENTO 6

Nucleação da fase sólida CURVAS DE RESFRIAMENTO Nucleação da fase sólida Curvas de resfriamento para ligas hipoeutética (2) e eutética (1) 7

NUCLEAÇÃO DO SÓLIDO G vol = 4 3 3 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) 8

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. 9

Nucleação Heterogênea Casos-limite de molhamento entre o embrião e o substrato na nucleação heterogênea. Nucleação Homogênea Nucleação da fase sólida 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. 10

Crescimento da Fase Sólida Após a formação do núcleo, o mesmo tende a crescer com resultado da deposição de átomos que migram do líquido para o sólido. Mecanismos de Crescimento Crescimento com Interface Lisa (Facetada) ou Solidificação Progressiva Crescimento com Interface Difusa ou Solidificação Extensiva Interface Plana Interface Celular Interface Dendrítica Nucleação Independente Diferentes Tipos de Interfaces de Solidificação 11

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 prefenciais de crescimento estão nas direções (100) Crescimento com Interface Lisa ou 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. 12

Crescimento com Interface Difusa ou 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) 1. Introdução Solidificação de Ligas Monofásicas Redistribuição de Soluto na Solidificação de Ligas 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. 13

2. Alguns Conceitos Fundamentais Velocidade de Crescimento: R (cm/s) Medida da taxa de avanço da interface s/l (I s/l ) Gradiente de Temperatura: G ( 0 C/cm ) Gradiente de temperatura no líquido a partir da I s/l. G + T aumenta da I s/l para o interior do líquido. Difusividade: D Determina a taxa na qual os átomos podem se mover no líquido. 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 14

Sólido Líquido Cadinho Interface S/L Vista esquemática da Seção de um Lingote ou Peça parcialmente solidificado Lingote Solidificação em Equilíbrio C 0 / K 0 K 0 < 1 Líquido C 0 T 1 C 0 C 0.K 0 C 0.K 0 Temperatura T 1 T 2 T 3 T 4 Líquido Liquidus Solidus C 0 / K 0 T 2 T 3 Sólido Sólido Líquido C 0 / K 0 C 0 C 0.K 0 Líquido C 0 / K 0 C 0 Sólido C 0.K 0 Composição C 0 / K 0 Seqüência de eventos durante a solidificação de uma liga com composição C 0 (para K 0 < 1) T 4 Sólido Distância C 0 C 0.K 0 15

Solidificação em Não Equilíbrio a) Redistribuição de Soluto no Líquido apenas por Difusão Condições de Contorno: C = C 0 [1+ (1- K 0 / K 0 ) exp (- R x / D l ) X = 0 C = C 0 / K 0 x X = C = C 0 1 a Lei de Fick : Fluxo de Difusão = - D (dc/dx) Equação Diferencial: C = A + B. exp (- R x / D l ) Composição Sólido C 0 Distância C 0 / K 0 Interface S/L no tempo T Acúmulo de soluto Líquido C 0 Concentração de soluto no líquido a uma distância x da I S/L Perfil de soluto a partir da I S/L (em regime permanente) com Redistribução de Soluto apenas por Difusão. Solidificação em Não Equilíbrio a) Redistribuição de Soluto no Líquido apenas por Difusão C 0 / K 0 C = C 0 [1+ (1- K 0 / K 0 ) exp (- R x / D l ) K 0 < 1 Sólido C 0 Líquido C 0 Zona Enriquecida com Soluto Zona Esgotada de Soluto K 0 > 1 C 0 Sólido Líquido C 0 C = C 0 [1+ (1- K 0 / K 0 ) exp (- R x / D l ) C 0 / K 0 16

Solidificação em Não Equilíbrio a) Redistribuição de Soluto no Líquido apenas por Difusão K 0 < 1 Composição Composição A A K 0 > 1 B Transiente Inicial 0 Fração Solidificada 1 Transiente Inicial B Transiente Final Transiente Final Perfil Distância x Concentração de uma barra solidificada sob condições tais que o transporte de soluto no líquido é apenas por difusão. 0 Fração Solidificada 1 (a) Equilíbrio Composição C 0 (a) (b) (b) Redistribuição só por Difusão. C 0 K 0 C 0 K 0 (c) (d) 0 Fração Solidificada 1 Distribuição de soluto em uma barra solidificada a partir de um líquido de concentração inicial C 0 com K 0 < 1. (c) Redistribuição por Mistura Parcial (d) Redistribuição por Mistura Total 17

Metais Puros 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 Ligas Monofásicas Redistribuição de Soluto Ocorrência de Super-resfriamento Constitucional Redução na temperatura em virtude de diferentes composições de soluto Temperatura Gradiente Térmico G 1 Imposto G 2 Zona Superesfriada Constitucionalmente Distância a Frente da Interface 18

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) 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) 19

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 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 20

Comportamento da I S/L durante a solidificação unidirecional para vários gradientes térmicos T real a) Sem Superesfriamento constitucional Tlíquidus Interface Plana b) Com Superesfriamento Constitucional T real Tlíquidus Células Alongadas Aumento do Superesfriamento Constitucional T real Tlíquidus T real T real Tlíquidus Células Dendríticas Células Interrompidas Dendritas Livres Influência da Velocidade de Resfriamento e do Gradiente Térmico sobre a morfologia da interface S/L e no Modo de solidificação Crescimento com interface Lisa Planar Celular Crescimento com interface Difusa Gradiente de Temperatura Dendrítica Nucleação Independente Velocidade de Resfriamento 21

. MACROESTRUTURAS DE SOLIDIFICAÇÃO Diferentes macroestrutura em um lingote bruto de fusão. 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. 22

MACROESTRUTURAS DE SOLIDIFICAÇÃO EM UM LINGOTE 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. 23

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. Mecanismos de Formação Zona Coquilhada Os cristais desenvolvem-se por nucleação e crescimento. (Nucleação copiosa) Representação da Zona Coquilhada. Distribuição esquemática da temperatura do líquido no instante anterior à nucleação. 24

Zona Colunar Mecanismos de Formação Solidificação Progressiva Exógena. Inversão da temperatura durante a solidificação. Distribuição esquemática da temperatura do líquido logo após a nucleação da zona coquilhada. Mecanismos de Formação Zona Colunar Crescimento seletivo e preferencial pode resultar da fase de solidificação dendrítica, c/ a eliminação dos cristais orientados menos favoravelmente. O movimento de contornos de grão também favorece este fenômeno. 25

Em Metais Puros: T r Mecanismos de Formação Ocorre Super-resfriamento Térmico: A solidificação dendrítica é limitada. < 0 T r > 0 Ls remove a inversão de temperatura, e assim, o crescimento prossegue pelo avanço da interface estável. A Zona Central Equiaxial não é encontrada em lingotes de Metais Puros Em Ligas: Mecanismos de Formação Pode ocorrer também o Super-resfriamento Constitucional: A solidificação dendrítica é favorecida, com um correspondente desenvolvimento acentuado de orientação preferencial. Um importante resultado do superresfriamento constitucional é o desenvolvimento da Zona Equiaxial Central. Super-resfriamento Constitucional. 26

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. 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. 27

Solidificação Polifásica Eutéticos Condição Essencial para formação de Eutéticos: As solubilidades devem ser limitadas, ou seja, cada espécie de átomo deve ter uma forte preferência por sua própria estrutura cristalina. Morfologia: sempre duas fases Microestruturas de Eutéticos Característica Comum: sempre podem ser observadas duas fases distintas. Classificação das Estruturas Eutéticas: Lamelar Tipo Bastonetes ou Agulhas Descontínuo 28

Aula 12: Solidificação de Eutéticos Lamellar eutectic microstructure (Al-Al 2 Cu) with approximately equal volume fractions of the phases. Transverse section of a directionally solidified sample. As-polished. Fibrous eutectic microstructure with a small volume fraction of one phase (molybdenum fibers in NiAl matrix). Transverse section of a directionally solidified sample. As-polished. Aula 12: Solidificação de Eutéticos Graphite in spheroidal cast iron, which results from the divorced growth of the phases. Etched with nital. 130. Microstructure of a gray cast iron showing flake graphite. Transverse section etched with nital. In this case, there is no cooperative eutecticlike growth of both phases; instead, there is separate growth of spheroidal graphite particles as aprimary phase (at least during the initial stages), together with austenite dendrites. 29

Aula 12: Solidificação de Eutéticos Irregular "Chinese script" eutectic consisting of faceted Mg2Sn phase (dark) in a magnesium matrix. Etched with glycol. 250. Eutéticos Lamelares: ambas as fases são lamelares Os eutéticos lamelares com uma estrutura muito regular são obtidos quando os metais usados são suficientemente puros. A presença de outras estruturas devem-se a degenerações causadas pela presença de impurezas. 30

Eutéticos Lamelares Ex. : Sistema Pb-Sn Se o Pb e o Sn forem da alta pureza estrutura lamelar extremamente regular (lamelas retas e de espessuras uniformes) 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), Região Lamelar do Eutético Onde as lamelas são retas e paralelas Cada componente tem uma orientação aproximadamente constante As orientações dos 02 componentes, muitas vezes têm um relacionamento cristalográfico simples com cada outro 31

Modelo de difusão transversal para Eutéticos Lamelares Fase rica em B Fase rica em A Fase rica em B Fase rica em A B A B A Líquido Rico em B Líquido Rico em A Crescimento de Eutéticos Tipo Bastonetes ou Agulhas Origem : presença de impurezas Estrutura em Bastonetes : requer um soluto que tenha um coeficiente de distribuição que difere uma unidade para ambas as fases. Estrutura Tipo Agulhas: quando as impurezas apresentam coeficientes de distribuição suficientemente diferentes para as duas fases sólidas. 32

Crescimento de Eutéticos tipo Bastonetes Quando os dois coeficientes de distribuição são muito diferentes As lamelas de uma fase devem crescer preferencialmente com relação às lamelas da outra fase As lamelas desta segunda fase se dispersem em células muito pequenas separadas pela primeira fase. Mecanismo de crescimento de Eutéticos Tipo Bastonetes Fase de crescimento preferencial Líquido 2 a Fase t = 1 t = 2 t = 3 33

Crescimento de Eutéticos Descontínuos Eutético Descontínuo: é aquele no qual uma das fases deve renuclear repetidamente devido ao término do crescimento dos cristais desta fase. Eutético Al-Si Agulhas de Si em Matriz de solução sólida A descontinuidade do eutético é resultado de uma morfologia muito especial dos cristais da fase descontínua Nucleiam com orientações ao acaso e por isto crescem em direções orientadas desordenadamente com relação à interface de crescimento. 34

Mecanismo de Crescimento de Eutéticos Descontínuos A B C D Existência de uma grande ANISOTROPIA nas características de crescimento de uma das fase Interface na posição 1 Interface na posição 2 Eutéticos de grande interesse prático em metalurgia: Sistema Fe-Grafita Crescimento Normal Grafita em Lamelas interconectadas numa matriz de austenita (Feγ) No resfriamento: Feγ Perlita (decomposição eutetóide) Estrutura Resultante: Lamelas de grafita em matriz perlítica Ferro Fundido Cinzento Material muito frágil 35

Sistema Fe-Grafita Adição de Mg (ou Ce) Grafita cresce de forma esferoidal Ferro Fundido Nodular Material muito dúctil e resistente Adição de menores quantidades de Mg Grafita cresce de forma compacta Ferro Fundido Vermicular Propriedades intermediárias entre cinzento e nodular Eutéticos de grande interesse prático em metalurgia: Sistema Al-Si Si cresce na forma de agulhas numa matriz de Al α Baixas propriedades mecânicas Modificação do eutético Al-Si: Adição de Na, St ou Sb Crescimento com superesfriamento crescente e formação de partículas menores e irregulares Melhores propriedades mecânicas 36

Fundição e Solidificação de Ferros Fundidos Sistema Estável Formação de austenita + grafita Ferro Fundido Cinzento Sistema Metaestável Formação de austenita + Fe 3 C Ferro Fundido Branco Fatores que influem no Equilíbrio Velocidade de Resfriamento Elementos de Liga Diagrama Duplo Fe-C para Ferros Fundidos 1300 1260 L L + Grafita Temperatura ( 0 C) 1220 1180 1140 L + Feγ Temperatura abaixo da qual pode solidificar o eutético Austenita-Grafita Temperatura abaixo da qual pode solidificar o eutético Austenita-Cementita L + Fe 3 C 1100 3,0 3,2 3,4 3,6 3,8 4,0 4,2 4,4 Carbono Equivalente (%) 37

Influência dos Elementos de Liga Si Aumenta diferença entre temperaturas de equilíbrio Estável e Metaestável Grafitizante Favorece a formação de Ferro Fundido Cinzento Cr Diminui diferença entre temperaturas de equilíbrio Estável e Metaestável Estabilizador de Carbonetos Favorece a formação de Ferro Fundido Branco Influência do 3 elemento na solubilidade do C no ferro líquido, % molar 38

Temperatura ( 0 C) 1160 1140 1120 Temperatura abaixo da qual pode solidificar o eutético Austenita-Grafita Temperatura abaixo da qual pode solidificar o eutético Austenita-Cementita 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 Si Aumenta diferença entre temperaturas de equilíbrio Estável e Metaestável % de Silício Grafitizante Favorece a formação de Ferro Fundido Cinzento Temperatura ( 0 C) 1160 Temperatura abaixo da qual pode solidificar o eutético 1140 Austenita-Grafita 1120 1100 Temperatura abaixo da qual pode solidificar o eutético Austenita-Cementita 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 Cr % de Cromo Diminui diferença entre temperaturas de equilíbrio Estável e Metaestável Estabilizador de Carbonetos Favorece a formação de Ferro Fundido Branco 39

Influência da Velocidade de Resfriamento Curvas de Resfriamento Indicam : Resfriamento Rápido Solidificação de acordo com o Equilíbrio Metaestável Temperaturas de Transformação Eutética Velocidade de Resfriamento Formação de Ferro Fundido Brando (Coquilhamento) 1 Curvas de Resfriamento esquemáticas para Ferros Fundidos Comuns 2 3 Temperatura abaixo da qual pode solidificar o eutético Austenita-Grafita Temperatura abaixo da qual pode solidificar o eutético Austenita-Cementita 1 - Ferro Fundido Cinzento 2 - Ferro Fundido Mesclado 3 - Ferro Fundido Branco 40

Solidificação de ferros fundidos Ferro Fundido Cinzento Tipos de grafita Fonte: http://pessoal.utfpr.edu.br/pintaude/arquivos/me62h_ferrofundido.pdf Prof. Guilherme Verran Diagramas de Equilíbrio Importantes Al Si Reação eutética excelente fluidez e baixa contração na solidificação Al Cu Al Mg Alta solubilidade sólida maior resistência através de tratamentos térmicos 41

Prof. Guilherme Verran T ( o C) Diagrama Al-Si Ponto Eutético Si 12,6 % T = 577 0 C L 1430 Ligas de fundição mais utilizadas 660 α α + L α + β 577 L + β β Al 12,6 Si Prof. Guilherme Verran Diagrama Al-Cu T ( 0 C) Maior região de solubilidade sólida 660 0 C α+l L α 5,65Cu 548 0 C 33Cu Ligas aceitam tratamento de solubilização Al α + CuAl 2 %Cu 42

Prof. Guilherme Verran Al5Si (B443.0-F) Fundida em Coquilha Al5Si (C443.0-F) Fundida Sob Pressão Prof. Guilherme Verran Areia Coquilha Sob Pressão σ esc = 55 Mpa σ max = 130 Mpa Along. = 8 % Velocidade de Resfriamento Tamanho das Dendritas Celulares σ esc = 60 Mpa σ max = 160 Mpa Along. = 10 % σ esc = 110 Mpa σ max = 230Mpa Along. = 9 % 43

Prof. Guilherme Verran Modificação de Ligas Al-Si Tratamento que usa Agentes Modificadores (Nucleantes) como Na Sb Sr que favorecem a solidificação do Si na forma de partículas arredondadas e finamente dispersas na Matriz de Alα A composição eutética normal do sistema Al-Si corresponde a 12,6% Si a a temperatura de 577 0 C o Na e os outros agentes modificadores tendem a deslocar composição e a temperatura de equilíbrio eutético de modo a permitir que se consiga fundir ligas hiper eutéticas mantendo-se as características de fundição inerentes às ligas eutéticas ou tornar ligas eutéticas ligeiramente hipoeutéticas Principal Consequência Aumento da Resistência e da Dutilidade nas ligas Al-Si fundidas. Prof. Guilherme Verran T ( o C) 1430 L 660 α + L L + Si α Al 12,6 14,2 α + Si Si Si Eutético Normal 12,6% Si T = 577 0 C Eutético Modificado 14,2% Si T = 562 0 C 44

Prof. Guilherme Verran Mecanismos de Endurecimento/Aumento de Resistência em Ligas de Al Ligas de Conformação ou Trabalháveis Conformação à Frio Tratamentos Térmicos Encruamento Solubilização Precipitação (Envelhecimento) Tratamentos Termo-Mecânico Prof. Guilherme Verran Mecanismos de Endurecimento/Aumento de Resistência em Ligas de Al Ligas de Fundição Tratamentos do Banho Refino de Grão Modificação do Si Refino da Matriz (α) Refinamento e coalescimento das partículas de Si Tratamentos Térmicos Solubilização Precipitação (Envelhecimento) Coalescimento das partículas de Si Formação de precipitados submicroscópicos (Zonas GP) 45

Prof. Guilherme Verran Liga 355 (Al5Si1,3Cu0,5Mg) F- Bruta de fusão (Investment Casting) rede interdendrítica de: Silício Eutético (cinza escuro e sharp) Cu 2 Mg 8 Si 6 Al 5 (cinza claro, script) Fe 2 Si 2 Al 9 (cinza médio, blades) Mg 2 Si (preto) F- Modificada com adição de Al-10Sr ao banho (Investment Casting) Microconstituintes são os mesmos, mas a partículas de Si eutético estão menos pontiagudas T6 - Fundida em Coquilha, solubilizada e envelhecida. Microconstituintes são os mesmos, mas a partículas de Si eutético ficaram mais coalescidas (arredondadas) Prof. Guilherme Verran Liga 356 (Al7Si0,3Mg) F Bruta de fusão em areia Tamanho médio dos macrogrãos 5mm Refinada com adição de 0,05%Ti e 0,005% B Tamanho médio dos macrogrãos 1mm 46

Prof. Guilherme Verran Liga 354 (Al9Si1,8Cu0,5Mg) Bruta de fusão (investment casting) Rede de partículas de Si (cinzas escuro e angulares) em um eutético AlSi interdendrítico e partículas de Cu 2 Mg 8 Si 6 Al 5 (cinza claro, script) Bruta de fusão (investment casting) região solidificada mais rapidamente (colocação de um resfriador) Constituintes são os mesmos, mas as dendritas celulares de α são menores e as partículas do Si eutético são menores e menos angulares. Prof. Guilherme Verran Liga 356 (Al7Si0,3Mg) Solubilizada a 540 0 C, 12h e resfriada em água Coalescimento das partículas de Si Modificada pela adição de Na (0,025%) e Solubilizada Partículas de Si arredondadas e aglomeradas Bruta de Fusão em Areia - Rede de partículas de Si e eutético AlSi interdendrítico Modificada pela adição de Na (0,025%) Partículas de Si eutético menores e menos angulares 47