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
Visão termodinâmica
• A transformação do estado líquido para o sólido (e vice versa)
ocorre devido a transformação da matéria para uma condição mais
estável com menor energia livre.
• Para que o processo de solidificação aconteça deve haver uma
redução de energia livre. Desta forma no ponto de equilíbrio nada
acontece, pois as energias dos dois estados são iguais.
• A solidificação somente ocorrerá se o metal for resfriado abaixo da
temperatura de equilíbrio
• Essa diferença entre a temperatura de equilíbrio e a temperatura
onde a solidificação efetivamente acontece chama-se grau de super
resfriamento.
• Quanto maior a taxa de resfriamento maior o grau de super
resfriamento.
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 em três
velocidades diferentes.
Efeito do super-resfriamento sobre o raio
critico
Raio crítico: cobre
Raio crítico e subresfriamento
• onde
r*=
-2Tm
HsT
– r*: raio crítico do
núcleo
– : energia livre
superficial
– Tm: temperatura de
fusão/solidificação
– Hs : calor latente de
solidificação
– T : graus de
subresfriamento
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
Mecanismos de nucleação
• Nucleação homogênea
– Próprio metal fornece átomos para formar núcleos
– Subresfriamento usualmente de centenas de graus
Celsius
• Nucleação heterogênea
– Presenca de agentes nucleantes: superfície do
recipiente, impurezas insolúveis, ou material
estrutural
– Prática industrial: subresfriamento de 0,1 a 10°C
Efeito da presença de nucleantes (refinadores de
grãos) durante a solidificação.
Processo de nucleação e crescimento
Líquido
Líquido
Contornos
de grão
Núcleos
Cristais que
formarão grãos
Grãos
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 a
partir das paredes do molde
• Após macrografia e
ataque químico podese 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,
sendo portanto uma região de maior energia que a do
interior do grão.
Conceito de raio crítico
• Núcleos de grande variedade de tamanhos surgem no líquido mas
nem todos crescem
• A interface que aparece entre o sólido e o líquido faz aumentar a
energia livre F (tensão superficial x área da superfície) a medida
que o raio do núcleo aumenta
• A passagem de líquido para sólido, no entanto, faz reduzir o valor
da energia livre F a medida que o núcleo cresce.
• A soma dessas duas variações passa por um máximo.
• Espontaneamente somente ocorrem os fenômenos acompanhados
de redução no valor de F.
• Desta forma somente os núcleos com raio maior que um
determinado valor podem crescer. Esse valor se chama RAIO
CRÍTICO
INFLUÊNCIA DO VALOR DO RAIO
CRÍTICO
• Assim, núcleos de R < Rc desaparecem
• E núcleos de R ≥ Rc crescem se constituindo em grãos no final da
solidificação
• Quanto maior a velocidade de resfriamento maior a redução em F
pela passagem Liq-Sol, desta forma menor o valor de Rc
• Quanto menor o valor de Rc mais grãos podem crescer,
solidificando um material com menor tamanho de grão e em maior
número.
• Industrialmente usa-se a adição de pequenas partículas com ponto
de fusão levemente superior ao da liga para atuar como nucleantes
e fabricar componentes com grãos pequenos – Inoculação
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 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
Aspecto das dendritas
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