7 - solidificacao

7/31/2019 7 - solidificacao

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• Solidificação - resultado do vazamento de material líquido – 2 etapas

• Nucleação: Formação de núcleos sólidos (agregados oucachos de átomos)

• Crescimento: crescimento dos núcleos formando cristais e

originando uma estrutura de grãos

Capítulo 7 - Solidificação

• Os cristais crescem até as suas fronteiras se tocarem

núcleos cristais em crescimento Estrutura de grãos líquido



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Mecanismos de Nucleação

• Nucleação Homogénea – Núcleos formam-se no interior do metal líquido

– Necessário sobrearrefecimento elevado

(tipicamente 80-300°C)

• Nucleação Heterogénea – Mais fácil pois já existem locais de nucleação:

paredes do molde ou impurezas existentes na fase líquida – Permite solidificação com sobrearrefecimento baixo 0,1-10ºC



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ΔGS

Nucleação Homogénea

Energia Livre de Superfície - energia

necessário fornecer para criar uma interface

sólido-líquido esféricaγ: energia livre de

superfície/unidade área

Energia Livre de Volume – energia

libertada na formação do sólido (volumeesférico)



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ΔGS

ΔGV ΔGT

r *


ΔGT = Energia Livre Total

ΔG*ΔG*: energia de activação(máximo de ΔGT)

r*: raio crítico

partículas r < r * tendem a dissolver-se (embriões)

r r

partículas r > r * tendem a crescer (núcleos)



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r *

ΔG*

Quando r = r*

γ pouco sensível a T

G muito sensível a Tr* e ΔG* variam com γ e ΔG υ



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ΔHS: calor latente de fusão

TF: temperatura de fusão

T=TF-T: sobrearrefecimento

ΔG υ é a força motriz para a nucleação

Quando T=TF ΔT=0

ΔG υ=0Não há nucleaçãor*

ΔG* 8

8

r *

ΔG*



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Nucleação homogénea

Quanto maior ΔT (i.e. quanto menor T):• r* e ΔG* são menores

• Nucleação é mais fácil

• Maior a taxa de nucleação (N: número de núcleos formadospor unidade de volume e de tempo)

Para haver nucleação é necessário que ΔT>0 (i.e. T<TF)

TF

T

TΔT>0

T2<T1ΔT elevado

(80-300°C

metais puros)



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Nucleação homogénea



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Nucleação Heterogénea

nucleação heterogénea

γ diminui

ΔG*het<< ΔG*hom

Agente nucleante (molde, impureza)

Nucleação heterogénea

permite solidificação com

ΔT baixo (0,1-10ºC)



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Crescimento• inicia-se quando os aglomerados de átomos atingem o raio crítico

tornando-se núcleos estáveis.• ocorre por acoplamento de átomos aos núcleos formando cristais

difusão atómica

• cessa quando as fronteiras dos cristais se tocam e a fase mãe (L)

se esgota, originando uma estrutura de grãos

• A velocidade de crescimento é determinada pela velocidade de

difusão (que depende fortemente de T) velocidade decrescimento aumenta com T



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• Controlada por nucleação e crescimento de cristais

Solidificação

% fase

sólida

0

50

100

Regime de

nucleação

Regime de

log (tempo) t 0.5

Taxa de Nucleação aumenta com ΔT

Taxa de crescimento aumenta com T

• Exemplo:

T pouco < T F Taxa de Nucleação baixa Taxa de crescimento elevada

L Fase sólida γ

T << T F

L

Taxa de Nucleação média.Taxa de crescimento média

Taxa de Nucleação elevada

T <<< T F

Taxa de crescimento baixa

L

γ

crescimento



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Materiais de grão fino e grosseiro

ΔT baixo poucos núcleos

-estrutura com poucos grãos egrandes (estrutura de grãogrosseiro)

ΔT elevado muitos núcleos -estrutura com muitos grãos epequenos (estrutura de grão fino)

Mais duro e mais resistente

Mais macio e dúctil

Equação de Hall-Petch

d - tamanho de grão (mm)



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Tamanho de Grão

Método ASTM (American Society for Testing and Materials) (para aços)

Cartas padrão comparativas tendo diferentes tamanhos de grão,

numeradas de 1 a 10 (número ASTM de tamanho de grão n)

• Prepara-se uma imagem de uma amostra com 100X de ampliação• O tamanho de grão dessa amostra determina-se por comparação com acarta que mais se aproxima dos grãos da imagem de forma a que:

n - nº ASTM de tamanho de grão (nº da carta mais aproximada)

N - nº de grãos por polegada quadrada da imagem com 100X



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Tamanho de GrãoExemplo:a) Se numa imagem com 100X de ampliação existirem 35 grãos/polegada2, qual

o tamanho de grão ASTM?

N = 35 grãos/polegada2

b) Se a imagem for obtida com 75X de ampliação, quantos grãos/polegada2 existirão?

N75X > N100X



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Limites de Grão (Defeitos Planares)

Limites ou fronteiras deGrão

• regiões entre os cristais

• transição entre uma região e outracom orientação diferente

•

região ligeiramente desordenada• densidade é baixa nos limites degrão

– mobilidade elevada

– difusividade elevada

– reactividade química elevada

Estrutura em grãos



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Solidificação

Grãos

colunares

no interior onde ΔT é

menor

Camada de

grãos

equiaxiais

devido ao

arrefecimentorapido (ΔT

elevado) junto

às paredes

Fluxo de calor

Grãos: equiaxiais (aproximadamente mesma dimensão em todas as direcções)

colunares (grãos alongados)

~ 8 cm



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• Algumas applicações em engenharia requerem monocristais

(1 núcleo, 1 cristal, 1 grão):

• Propriedades dos materiais cristalinos

relacionadas com estrutura cristalina

- Ex: Calcite fractura mais facilmente

ao longo de alguns planos cristalinosdo que noutros: clivagem

- pás de turbina - monocristais de diamante (abrasivos)

Monocristais

ANISOTROPIA



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• A maioria dos materiais usados em engenharia são policristais.

• Soldadura por feixe de electrões em chapa de Nb-Hf-W

• Cada "grão" é um monocristal com uma orientação cristalográfica.

• Se os grãos estão orientados aleatoriamente, as propriedades globais docomponente são não direccionais.

• Tamanhos de grão variam tipicamente entre 1 nm e 2 cm

(i.e., de alguns planos atómicos até milhões deles).

1 mm

Policristais

Isotropo

Anisotropo

ISOTROPIA



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• Monocristais

-Propriedades variam coma direcção: anisotropia

-Exemplo: o módulo de Young (E)

do Fe CCC:

• Policristais-Propriedades podem ou não

variar com a direcção.

-Se os grãos estiverem

orientados aleatoriamente: isotropia

(Epoli Fe = 210 GPa)

-Se os grãos estiverem orientados segundo

direcção preferencial (textura), anisotropia

Monocristais vs PolicristaisE (diagonal) = 273 GPa

E (aresta) = 125 GPa



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Observação Microscópica

• Vista desarmada para grãos de elevadas dimensões (mm)

• Microscopia óptica e microscopia electrónica de varrimento

para grãos da ordem dos µm

• Microscopia electrónica de transmissão para grãos da

ordem dos nm



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Limites de grão...

• defeitos,

• mais susceptíveis de ataque

• revelados como zonas escuras

Microscopia Óptica

Limite de grão

Sulco

superfície polida

Baixa resolução da microscopia óptica: 0.1 µm

Electrões têm resolução mais elevada pois:

• Comp. de onda 3 pm (0.003 nm)

(ampliações - 1,000,000X)

• Próximo da resolução atómica

Microscopia Electrónica

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