Solidificação em metais

Solidificação em metais

Processo industrial importante, já que a maior parte dos materiais metálicos éfundida e vazada numa forma acabada ou semi-acabada.

Etapas da solidificação

A solidificação pode ser dividida em duas etapas: Formação de núcleos estáveis, no líquido

(Nucleação). Crescimento dos núcleos, gerando cristais

e formando a estrutura dos grãos (microestrutura).

Nucleação

Os dois principais mecanismos pelos quais ocorre a nucleação de partículas num metal líquido são a nucleação homogênea e a nucleação heterogênea.

Nucleação homogênea

É o caso mais simples de nucleação e ocorre quando o próprio metal fornece os átomos para formar os núcleos. Quando o metal puro é resfriado até uma temperatura abaixo de sua temperatura de solidificação, são criados numerosos núcleos homogêneos através do movimento lento de átomos que vão se ligando uns aos outros. Geralmente, a temperatura de nucleação deve ser da ordem de algumas centenas de C abaixo da temperatura de solidificação.

Nucleação homogênea Um núcleo só será estável se ele crescer e

formar um Cristal. Para que ele seja estável deverá atingir um

tamanho crítico. Um conjunto de átomos ligados uns aos outros,

cujo tamanho é inferior ao tamanho crítico échamado de embrião e se tiver tamanho superior ao crítico é chamado de núcleo.

Os embriões são formados e re-dissolvidos continuamente no metal líquido, devido ao movimento de agitação dos átomos.

Energias envolvidas na nucleação homogênea

Energia livre de volume (Gv) –liberada para transformação do líquido em sólido.

Energia de superfície () – requerida para formar as superfícies da partícula solidificada.

Supondo que a partícula solidificada possui a forma de uma esfera: A energia liberada durante a solidificação

será 4/3 r3 Gv (onde 4/3 r3 é o volume da partícula).

Já a energia utilizada para formar a superfície da partícula será 4 r2 (onde 4 r2 é a área da superfície da partícula).

GT = 4/3 r3 Gv + 4 r2 (onde r é o raio da partícula).

Quando uma partícula sólida atinge o valor de raio crítico, possuirá o maior valor de energia livre total, ou seja, se r=r* então d(GT)/dr = 0.

0*r8G*r3

12dr

)G(dse

r4Gr34

drd

dr)G(d

V2T

2V

3T

VG2*r

THT2*rs

m

ou

Hs= calor latente de solidificaçãoT= temperatura abaixo da temperatura de solidificaçãoTm = Temperatura de fusão

Metal

Temperatura de

solidificação

(C)

Calor de

solidificação

(J/cm3)

Energia de

superfície (J/cm2)

Temperatura

abaixo da

temperatura de

solidificação (C)

Pb 327 -280 33,3 x 10-7 80

Al 660 -1066 93 x 10-7 130

Ag 962 -1097 126 x 10-7 227

Cu 1083 -1826 177 x 10-7 236

Ni 1453 -2660 255 x 10-7 319

Fe 1535 -2098 204 x 10-7 295

Pt 1772 -2160 240 x 10-7 332

NUCLEAÇÃO HETEROGÊNEA Ela ocorre quando a solidificação se inicia

nas paredes do molde, na superfície de impurezas insolúveis ou na superfície de outro material presente, que baixe a energia livre crítica necessária para formar um núcleo estável.

Como durante as operações industriais de vazamento o valor de T é da ordem de 0,1 a 10C, a nucleação será certamente heterogênea.

Na nucleação heterogênea o agente nucleante teráde ser molhado pelo líquido e o líquido deverá se solidificar facilmente sobre o agente nucleante.

A nucleação ocorre sobre o agente nucleante pois a energia de superfície, para formar um núcleo, ébaixa do que aquela para formar o núcleo no próprio material líquido. Como a energia livre de superfície sobre o agente nucleante é menor, o tamanho do raio crítico do núcleo é menor, e por conseguinte é necessário um menor valor de T.

NUCLEAÇÃO HETEROGÊNEA O número de locais de nucleação disponíveis no metal líquido afetará a

microestrutura do material.

Se, durante a solidificação, o número de locais de nucleação for relativamente pequeno, a microestrutura será grosseira (grãos grandes). Se, durante a solidificação, existirem muitos pontos de nucleação, a microestrutura será fina (grãos pequenos).

Se um metal relativamente puro (sem a presença de impurezas que possam atuar como agentes nucleantes) for solidificado em um molde, irão ser formados dois tipos de grãos: grãos equiaxiais e grãos colunares.

Os grãos equiaxiais serão formados junto às paredes do molde, se as condições de crescimento dos grãos forem iguais em todas as direções. Jáno interior do metal, a solidificação é mais lenta e apresenta um gradiente de temperatura acentuado, dando origem a grãos alongados. Estes grãos crescem perpendicularmente as paredes do molde.