Solidificação de metais e formação
da estrutura interna de grãos
Fabricação de metais e ligas
Metais/
ligas
Fundição
(Fusão)
Forma
final
Forma
semifinal
Conformação*
*Forjamento, laminação, extrusão, trefilação
Forma
final
Em termos de metalurgia física
• A fusão ocorre quando a energia de
vibração dos átomos por conta do
aumento da temperatura supera a energia
envolvida na ligação química entre os
átomos.
• No estado líquido não há ordem a longa
distância (não há sistema cristalino) e as
ligações entre os átomos é fraca do tipo
Van der Waals
Curva esquemática de
resfriamento – Metal puro
Curvas de resfriamento de Alumínio em três
moldes diferentes com três velocidades diferentes.
Solidificação de alguns metais
Temperatura
de solidificação (°C)
Calor de
solidificação
(J/cm3)
Energia
superficial
(J/cm210-7)
T de subresfriamento
máximo (°C)
Pb
327
-280
33.3
80
Al
660
-1066
93
130
Ag
962
-1097
126
227
Cu
1083
-1826
177
236
Ni
1453
-2660
255
319
Fe
1535
-2098
204
295
Pt
1772
-2160
240
332
Metal
Processo de nucleação e crescimento
Líquido
Líquido
Contornos
de grão
Núcleos
Cristais que
formarão grãos
Grãos
Mecanismos de nucleação
• Nucleação homogênea
– Próprio metal fornece átomos para formar núcleos
– Subresfriamento usualmente de centenas de graus
Celsius
• Nucleação heterogênea
– Presença de agentes nucleantes: superfície do
recipiente, impurezas insolúveis, ou material
estrutural
– Prática industrial: subresfriamento de 0,1 a 10°C
Raio crítico do núcleo do cobre
Diagramas esquemáticos das várias etapas da solidificação de um material
policristalino: Os pequenos quadrados representam células unitárias em uma
escala bidimensional
Processo de solidificação-Formação dos grãos
• Após macrografia e
ataque químico pode-se
ver os grãos.
Processo de solidificação-Formação dos
grãos
• Os grãos são formados no início do processo de
solidificação a partir de pequenos agrupamentos
de átomos chamados de núcleos.
• Cada núcleo da origem à um grão com
crescimento cristalográfico em direção diferente
de seus vizinhos.
• Quando resta pouco líquido e os diferentes
grãos começam a se encontrar,formam o
contorno de grão.
• O contorno de grão é uma região de 2 a 10Ǻ,
desordenada, sem uma estrutura cristalina
definida.
Estruturas de grão
• Grãos equiaxiais
– Crescimento de cristais aproximadamente igual em todas as
direções.
– Se formam devido a alta velocidade de solidificação na parede do
molde.
– Usualmente adjacentes a parede fria do molde, (zona Chill, ou
coquilhada) mas podem aparecer no centro do lingote também
dependendo do tamanho do molde e da velocidade de
resfriamento (nesse caso se for lenta).
• Grãos colunares
– Longos, finos, grosseiros.
– Crescem a partir dos grãos equiaxiais formados na parede do
molde.
– Solidificação relativamente lenta ( em relação aos grãos formados
na parede fria do molde) em gradiente de temperatura
perpendiculares à parede fria do molde.
Estruturas de grão
(a direita macrografia
mostrando os dois tipos de grãos)
Grãos colunares em um lingote de
alumínio fundido:reativo de Tucker
Frente de solidificação com crescimento
dendrítico
Relação entre as dendritas e os grãos na
solidificação
Formação do vazio após a solidificação: Em geral os
sólidos apresentam menor volume que os líquidos,
ocorrendo uma contração durante a solidificação
Efeito da segregação em uma barra de aço fundida: O soluto, em geral, é mais
solúvel no líquido que no sólido. As últimas partes a solidificar tendem a ficar
mais impuras. Regiões interdendríticas e o centro do lingote
Localização esquemática da
segregação
Classificação dos grãos dos aços
• Os Grãos dos aços são classificados segundo
norma ASTM E 112.
• Utiliza-se padrões de 1 a 10 que devem ser
comparados com a amostra de aço com 100 X
de aumento.
• Padrão 1 grãos grandes Padrão 10 grãos
pequenos pois:
• Números de grãos/polegada quadrada a 100X
de aumento = 2 n-1 onde n é o número ASTM
Classificação ASTM para grãos de aço. Padrões
para 100 X de aumento da amostra
Como atua o reagente químico na
micrografia