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Aula 04-a: Fundamentos da Solidificao dos Metais Parte 2
2. Macro e Microestruturas de Solidificao
- Tipos de macroestruturas.
- Influncia dos parmetros de processo e do material sobre as macroestrutura
- Relaes estruturas vs. Velocidade de solidificao.
-Fatores que influenciam na velocidade de solidificao.
- Microestruturas x diagramas de equilbrio.
1. Crescimento da fase slida
- Introduo- Mecanismos (modelos) de crescimento- Crescimento do interface plana ou solidificao progressiva - Crescimento com interface dendrtica ou solidificao extensiva - Utilizao dos Diagramas de Equilbrio no estudo da solidificao- Solidificao de metais puros e de ligas com grandes intervalos de solidificao: consequncias na estrutura de solidificao
Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme O. Verran Dr. Eng. Metalrgica
O crescimento dos cristais e a solidificao dos metais lquidos uma funo direta da mobilidade atmica.
Fatores trmicos e cinticos devem ser levados em considerao na acelerao ou inibio do crescimento de um cristal metlico.
Alguns metais como Al e Cu apresentam apenas uma estrutura cristalina (CCC), enquanto outros metais como Fe e Co podem apresentar diferentes estruturas cristalinas a diferentes temperaturas (o Fe pode ser CCC ou CFC)
Crescimento da Fase SlidaIntroduo
Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran
Aps a formao do ncleo, o mesmo tende a crescer com resultado da deposio de tomos que migram do lquido para o slido.
Mecanismos de Crescimento
Crescimento com Interface Plana(Lisa ou Facetada) ou Solidificao Progressiva
Crescimento com Interface Dendrtica (Difusa) ou Solidificao Extensiva
Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran
Durante o resfriamento de muitos metais(e ligas) os cristais nucleados crescem preferencialmente em certas direes fazendo com que cada cristal em crescimento assuma uma forma distinta conhecida como Dendrita
Em cristais cbicos os eixos preferenciais de crescimento esto nas direes (100)
Diagrama esquemtico mostrando 3 dendritas
interconectadas
Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran
Interface Plana
Interface Celular
Interface Dendrtica
Nucleao Independente
Diferentes Tipos de Interfaces de Solidificao
Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran
Utilizao dos D.E. no entendimento dos diferentes tipos de solidificao de metais e/ou ligas
Solidificao de Metais Puros
Solidificao MonofsicaLiga com grande T
Solidificao Polifsica Ocorrncia de reao euttica
Solidificao MonofsicaLiga com pequeno T
T = Tliquidus Tslidus Intervalo de SolidificaoCe
TB
Te
T
TA
+
A B
+ L + L
e
C1
L
C2
Linha LiquidusLinha Solidus
Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran
Redistribuio de Soluto na Solidificao de Ligas Monofsicas
Nas ligas Monofsicas o Soluto redistribudo durante a solidificao como conseqncia das diferenas de solubilidade no slido e no lquido.
As variaes das condies de crescimento acarretam variaes na forma com que o soluto redistribudo entre as fases slida e lquida.
Ocorrncia de variaes nas estruturas dos slidos formados.
Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran
Coeficiente de Distribuio no Equilbrio: K0
K0 = CS CL
CS = concentrao de soluto no slido na temperatura T
CL= concentrao de soluto no lquido na temperatura T
K0
Ko mede a tendncia segregao, portanto, quanto mais afastado for o seu valor de uma unidade, maior ser a tendncia de segregao de um elemento.
0,95W0,02S0,13P0,02O0,28N0,32H0,90Co0,95Cr0,13C0,02B0,92Al
Ko (em relao ao Fe)Elemento
Em relao ao Ferro, os elementos mais segregveis so B, S, P, C, N e O; enquanto W , Cr, Al e Co apresentam baixa tendncia segregao.
Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran
Exemplos de diagramas de fases com elevada e pequena tendncia segregao.
(a) Segregao elevada - Ko bem menor que 1(b) Segregao pequena - Ko prximo a 1
Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran
Conseqncias Prticas da Redistribuio de Soluto
(a) Ocorrncia de Heterogeneidades Qumicas Segregaes
(b) Alteraes na Morfologia da IS/L Variaes nas Estruturas de Solidificao
(c) Aplicaes:
- Refino por Fuso Zonal
- Nivelamento Zonal
Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran
Formao de uma protuberncia instvelque funde devido temperatura local da
extremidade ser maior que a temperatura de fuso.
Interface TF
Slido Lquido
GS >>>> 0GL >> 0
Tlocal >>>> TF
Distncia
T
e
m
p
e
r
a
t
u
r
a
Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran
Ligas Monofsicas
Redistribuio de Soluto
Ocorrncia de Super-resfriamento Constitucional
Reduo na temperatura em virtude de diferentes composies de soluto
Distncia a Frente da Interface
T
e
m
p
e
r
a
t
u
r
a
Gradiente Trmico ImpostoG1 G2
Zona Superesfriada Constitucionalmente
Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran
Condio para No Ocorrncia de Super-resfriamento Constitucional
(G/R) m. Co . (1 Ko)DL Ko
Parmetros de Crescimento
Parmetros do Sistema
Dependem das condies impostas
Dependem da liga (Diagrama de Equilbrio)
Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran
Condies que favorecem o Super-resfriamento Constitucional
(1) Baixo G
(2) Altas R
(3) Linhas Liquidus Abruptas
(4) Altos percentuais de elementos de liga (solutos)
(5) Baixa difusividade trmica no lquido.
(6) Ko muito pequeno para Ko
Variaes Estruturais associadas com o Super-resfriamento Constitucional
(a) Sem Superesfriamento Constitucional
Interface Plana
(b) Com Superesfriamento Constitucional
Formao de Protuberncias na Interface
(c) Aumentando o Superesfriamento Constitucional- Clulas Alongadas- Clulas Interrompidas- Dendritas Celulares
- Dendritas Livres
Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran
Influncia do Super-resfriamento Constitucional sobre a morfologia da interface S/L e no modo de solidificao
a) Sem Superesfriamento Constitucional
b) Com Superesfriamento Constitucional
Direo de Crescimento
Aumento do Superesfriamento Constitucional
Interface Plana Interface Celular Crescimento Dendrtico
Nucleao Independente
Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran
Efeito do incremento na velocidade de resfriamento sobre a morfologia da interface S/L em um sistema orgnico transparente solidificado unidirecionalmente com G = 2,98 K/mm
a = 0,2 m/s b = 1,0 m/s c = 3,0 m/s d = 7,0 m/s
Gradiente de Temperatura
Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran
Formao de cristais equiaxiais no centro do molde durante a solidificao de uma mistura transparente cloreto de amnia-gua.
Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran
Lquido
Slido
Modelo de Crescimento com Interface Plana ou Lisa Solidificao Progressiva
A Interface cresce segundo um Plano Atmico bem definido que separa as Fases Slido (ordenada atomicamente) e Lquido (desordenada atomicamente), caracterizado por uma variao abrupta e ntida
Tpico de Metais Puros ou Ligas Eutticas.
Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran
Modelo de Crescimento com Interface Dendrtica ou DifusaSolidificao Extensiva
Metal Semi-Slido
Metal Lquido
Metal Slido
A Interface de Crescimento no apresenta uma separao bem definida entre as Fases Slido e Lquido ocorrendo a formao de uma regio intermediria formada pela mistura de fases slida e lquida (metal semi-slido).
Modelo de Crescimento caracterstico de Ligas que solidificam sob um intervalo de temperaturas
( T = TL TS Intervalo de Solidificao)
Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran
Ferros FundidosAos
Fofos T muito pequeno ou inexistenteAos pequenos e grandes T em funo do % de C
1 2
Grande T
Pequeno T
Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran
Representao esquemtica do modelo de solidificao de um metal puro
INTERFACE PLANA
COMPOSIO EUTTICA
METAIS PUROS
Ligas que solidificam com temperatura constante
Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran
Representao esquemtica do modelo de solidificao de uma liga com pequeno intervalo de solidificao.
Ligas com pequeno intervalo de solidificao
AOS FERROS FUNDIDOS
LATES
FRENTE DE SOLIDIFICAO PLANA
Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran
Representao esquemtica do modelo de solidificao de uma liga com grande intervalo de solidificao.
Ligas com grande intervalo de solidificao
LIGAS DE Al HIPOEUTTICAS
BRONZES
FRENTE DE SOLIDIFICAO DENDRTICA
Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran
Representao esquemtica do modelo de solidificao de uma liga com intervalo de solidificao mdio
Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran
MACROESTRUTURAS DE SOLIDIFICAO
Zona Coquilhada (Chill)
Camada perifrica composta de pequenos gros com orientao cristalogrfica aleatria.
Zona Colunar Formada por gros alongados que se alinham paralelamente mxima extrao de calor. Os gros se formam por crescimento seletivo e preferencial
Zona Equiaxial Central
Formada por gros equiaxiais pequenos ou grandes com orientao cristalogrfica aleatria.
Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran
Representao esquemtica dos trs tipos de estruturas brutas de fusonormalmente existentes nos lingotes: Zona CoquilhadaZona Coquilhada: formada por
pequenos gros equiaxiais de orientao cristalogrfica aleatria
junto a interface metal-molde. Zona ColunarZona Colunar: formada por gros
alongados e finos que se alinham paralelamente a direo do fluxo de
calor. Zona EquiaxialZona Equiaxial CentralCentral: formada por gros equiaxiais de orientao
cristalogrfica aleatria.
Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran
Possveis variaes na macroestrutura de um lingote. (a) Ausncia da Zona Equiaxial Central (b) Presena das trs
Zonas (c) Ausncia das Zonas Coquilhada e Colunar.
Liga com pequeno T Liga com mdio T Liga com grande T
Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran
Influncia dos parmetros do processo e do material sobre a formao da macroestrutura
Extrao de Calor
Adio de Inoculante
% de Soluto
Agitao do lquido
Uso de massalotes
Grau de Superaquecimento
Zona Equiaxial
Zona Colunar
Zona Coquilhada
Parmetro
Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran
Variao esquemtica do comprimento relativo da zona colunar em funo do teor de soluto.
Influncia dos Parmetros de Solidificao sobre as Estruturas: Teor de Soluto
Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran
Variao esquemtica do comprimento relativo da zona colunar em funo da temperatura de vazamento.
Influncia dos Parmetros de Solidificao sobre as Estruturas:Temperatura de Vazamento
Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran
Influncia da temperatura de vazamento e da presso sobre as macroestruturas de lingotes de Al puro, solidificados em lingoteiras de ao: a) Tv=760C (patm e 8atm); b) Tv=790C; c) Tv=810C.
Influncia dos Parmetros de Solidificao sobre as Estruturas:
Temperatura de vazamento e presso
Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran
Efeito do Grau de Superaquecimentosobre a Bruta de Fuso do Al Puro
S = 70 0 C S = 120 0 C
Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran
Al Puro Al 6Mg
Estrutura formada por gros colunares.
Estrutura formada por gros equiaxiais
COMPARAO DAS MACROESTRUTURAS DE UM METAL PURO E DE UMA LIGA VAZADOS COM O MESMO GRAU DE SUPERAQUECIMENTO
Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran
VARIAES NA MACROESTRUTURA DE UMA LIGA AlMg EM FUNO E DO USO DE REFINADOR DE GRO PARA DIFERENTES TEMPERATURAS
DE VAZAMENTO
Tv = 8150C
S/ REFINO C/ REFINO
Tv =7500C
Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran
Macroestrutura do Ao Inox do tipo 18-8:
Estrutura fundida de gros grosseiros (parte superior) e o mesmo ao refinado
por inoculao de agentes nucleantes (parte inferior).
Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran
Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran
Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran
MICROESTRUTURAS DE SOLIDIFICAO1. As microestruturas formadas na solidificao de ligas
metlicas, especialmente o tamanho mdio dos gros, esto diretamente relacionadas com a velocidade de solidificao.
A velocidade de solidificao, por sua vez, depende do processo de fundio utilizado e de caractersticas das pecas.
FATORES QUE INFLUENCIAM NA VELOCIDADE DE SOLIDIFICAO: Tipo de molde (material de moldagem) : areia x metal. Dinmica do Processo: gravidade x presso. Geometria da Peca: paredes grossas x paredes finas.
2. A velocidade de solidificao tambm influencia no equilbrio durante a solidificao de ligas metlicas.
Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran
Velocidade de Resfriamento
Tamanho dos Gros
Areia Coquilha Sob Presso
Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran
Evoluo da estrutura para um Sistema Isomorfo (Cu-Ni)
resfriando sobCondies de Equilbrio
Estrutura policristalina e monofsica
Soluo Slida
Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran
Evoluo da estrutura para um Sistema Isomorfo (Cu-Ni)
resfriando sob Condies de No Equilbrio
Ocorrncia de gradientes de concentrao ao longo dos gros
Segregao
Forma de eliminaoTratamento Trmico
(Homogeneizao)
Coring ou Zoneamento
Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran
Representao esquemtica do resfriamento sob Condies de
Equilbrio para uma liga Pb-Sncom composio C1 .
Estrutura Policristalina e Monofsica a temperatura
ambiente
% de Soluto no excede ao limite de mxima solubilidade slida
Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran
Representao esquemtica do resfriamento sob Condies de
Equilbrio para uma liga Pb-Sncom composio C2 .
Estrutura Policristalina e Polifsica a temperatura
ambiente
% de Soluto excede ao limite de mxima solubilidade slida
Ao longo do resfriamento as partculas da fase vo crescer
Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran
Representao esquemtica do resfriamento sob Condies de Equilbrio para uma liga Pb-Sn com composio
Euttica (C3 )
Na temperatura euttica (1830C) a fase lquida se transforma em uma estrutura formada por
lamelas de e .
Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran
Micrografia de uma liga Pb-Sn com composio euttica, formada por lamelas de soluo slida rica em Pb
(escuras) e lamelas de soluo slida rica em Sn (claras), aumento 375x.
Um microconstituinte
Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran
Representao esquemtica do resfriamento sob Condies de Equilbrio para uma liga Pb-Sn que cruza
a isoterma euttica (C4 )
Na temperatura ambiente a liga constituda por gros da fase primria e
gros do euttico( + )
Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran
Micrografia de uma liga Sn-Pb com composio hipoeuttica 50Pb-50Sn, mostrando fase primria rica em Pb(regies escuras) em uma estrutura euttica lamelar(lamelas claras de rica em Sn e lamelas
escuras de rica em Pb), aumento 400x.
Dois microconstituintes
Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran