Reologia relatório final

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Universidade Federal de São Carlos –UFSCar

Fundamentos de Reologia

As influências da reologia no processamentode metais semi-sólidos: uma visão geral

André Luiz RochaBeletati 296449



Introdução

O artigo em questão trata de esclarecer as influências da

reologia no processamento de metais semi-sólidos e o efeito de

diversos processos e parâmetros metalúrgicos na viscosidade aparente

desses metais. Foi feita uma tentativa de simplificação dos métodos e

procedimentos para um melhor entendimento das relações entre a

viscosidade e o comportamento reológico de tarugos de metais semi-

sólidos, tendo por um lado suas propriedades metalúrgicas e por outro

os parâmetros de processamento.

Desde o início do processamento dos metais semi-sólidos, a

questão da reologia foi abordada de forma breve e superficial; essa

questão não foi considerada plenamente como parte integrante dos

esforços de pesquisa, talvez pelo fato de a própria reologia não ser tão

evidentemente utilizada no processamento de materiais metálicos e

ser pouco conhecida pelos profissionais metalurgistas.

A reologia é parte das ciências físicas que trata simultaneamente

da deformação e do fluxo dos materiais, pactuando com a mecânica

dos corpos deformáveis; é quantitativamente expressada em termos

das relações de tensão – esforço – tempo, que são influenciadas por

uma gama de parâmetros de processos, como a temperatura. O

comportamento reológico e suas propriedades podem sofrer mudanças

consideráveis, reversíveis ou irreversíveis, de acordo com o tempo ou

deformação contínua aplicada. Uma importante forma de deformação

na reologia é o fluxo de cisalhamento; este pode ser interpretado como

um processo no qual, placas paralelas infinitamente finas, deslizam,

umas sobre as outras, como em um baralho de cartas rígidas. A inter-

relação entre a reologia e as propriedades mecânicas dos metais é

restrita à viscosidade e ao comportamento de deformação do estado

amolecido dos materiais.

Os Metais Semi-sólidos



Geralmente todos os tipos de metais cuja solidificação se

estende acima de uma faixa de temperatura - zona de amolecimento -

são adequados para serem processados como metais semi-sólidos. A

zona de amolecimento apresenta 2 fases, sendo uma delas sólida e a

outra líquida; uma faixa de solidificação mais ampla se traduz em um

metal amolecido de melhor controle, enquanto que, metais com

limitada faixa de solidificação ou com ponto de transformação único

(ligas eutéticas) não podem ser processadas como metais semi-sólidos.

Esse simples, porém importante, conceito de semi-sólidos abriu

novas fronteiras para a engenheiraria de fundição, tornando possível aprodução de peças sob menores temperaturas, dispensando a

necessidade de fundir completamente o metal para que esse pudesse

ser vertido em um molde. Dois processos são os utilizados para a

conformação de semi-sólidos: “rheocasting” e “thixoforming” . O

processo de rheocasting se baseia na fundição direta do metal

amolecido enquanto a solidificação está em progresso, resultando em

uma estrutura em que não há a presença de dendritas; já o processode thixoforming procede com o reaquecimento da matéria-prima até o

estado amolecido e só então é feita a injeção no molde, fornecendo

uma microestrutura mais refinada.

Sobre a Viscosidade

A viscosidade, como já mencionado, é o principal parâmetro para

investigar a reologia de ligas de metais semi-sólidos, ela influencia



fortemente essas ligas, tal qual o conceito de “fluidez” para com os

metais líquidos e o módulo de resistência para com os sólidos. A

viscosidade é uma indicação da capacidade e do nível de dificuldade

de um metal semi-sólido em preencher um molde e determina a força

requerida para a deformação e fluxo dos materiais.

Baseado na primeira lei de Newton, a viscosidade é uma

constante que mostra a capacidade do momento difusão através do

corpo do material, onde V é o momento velocidade, a tensão deτ

cisalhamento, a viscosidade eη é a taxa de cisalhamento.

De acordo com alguns artigos, a viscosimetria é a rota mais

apropriada para os estudos reológicos dos materiais, tais como os

metais. Corpos idealmente viscosos exibem um fluxo, com a taxa de

fluxo sendo uma função do esforço; o mais importante tipo de fluxo é o

devido ao cisalhamento: um corpo viscoso ideal não consegue

sustentar uma tensão por muito tempo, sendo esta aliviada pelo fluxo.

A fluência ocorrerá sempre na forma de cisalhamento laminar,

independentemente da geometria do corpo ou da deformação a que

está sendo submetido.

Também sabemos que, a viscosidade é um parâmetro que

mostra o comportamento visco-plástico dos materiais e interpreta as

características do fluxo viscoso em termos de um critério para a

compreensão do comportamento de deformação. Em fluidos

newtonianos a viscosidade é constante, no entanto, para fluidos não-

newtonianos, que é onde nosso estudo se encaixa, é uma função das

propriedades físicas do fluido e das condições de teste, incluindo o

tamanho e distribuição de partículas, a degeneração microestrutural, a

temperatura, a força de cisalhamento e a taxa de cisalhamento. Em

termos de metalurgia, o conhecimento da viscosidade do metal reflete

em seu processamento, visto que, uma menor viscosidade causa uma

movimentação facilitada do material para dentro do molde. Isso implica



na produção de componentes de volume superficial menor, redução na

pressão de máquina e redução dos rejeitos e escórias.

A Viscosimetria

Sabendo que a viscosidade é a principal forma de obtenção das

propriedades reológicas de metais semi-sólidos, existem diversos

meios de se proceder para obtenção do comportamento viscoplástico

dessas suspensões. Esses métodos são baseados no mensuramento da

viscosidade das suspensões e são divididos em 2 categorias principais,

dependendo da fração sólida: baixa fração sólida (até 40%) e alta

fração sólida (em excesso de 40% a 50%).

Para suspensões de baixa fração sólida, os métodos mais simples

de medida da viscosidade, são os métodos diretos em que o torque

induzido nas suspensões é medido; em geral 2 tipos de viscosímetros

são utilizados: o Searle e o Couette. Em ambos os casos a suspensão

se encontra entre o cilindro externo e o cilindro interno; a grande

diferença é: no tipo Couette o cilindro interno é fixo e o cilindro externo

é o rotativo, enquanto que no viscosímetro tipo Searle é o oposto,

sendo o cilindro interno o rotativo e o externo o fixo. Em ambos os

aparatos a temperatura da suspensão é mantida constante durante a

operação; enquanto isso o torque induzido no sistema é medido por um

torquímetro. Para os 2 tipos de viscosímetros, a viscosidade aparente é

calculada por um conjunto de equações que envolvem os parâmetrosaplicados no viscosímetro aliados ao torque mensurado pelo



torquímetro.

Para suspensões com fração sólida superior a 45%, a viscosidade

é melhor caracterizada por outros métodos que não a viscosimetria

rotacional, por apresentar um comportamento semelhante ao de uma

massa sólida; temos como outros métodos de avaliação do

comportamento reológico dessas suspensões: teste de compressão de

placas paralelas, extrusão direta e indireta ou ainda o teste de

identação.

A maneira mais simples de analisar o comportamento reológico

de materiais pastosos é pelo método de compressão de placas planas e

paralelas. Nesse método um peso morto é colocado sobre a superfície

da massa semi-sólida, assim seu comportamento de deformação é

estudado pela análise da variação da tensão pelo tempo. O gráfico

resultante - tensão x tempo - é tratado matematicamente para

caracterizar o comportamento reológico da liga, a viscosidade.

Com a aplicação de baixas taxas de cisalhamento, da ordem de

0,01s-1, os gráficos obtidos podem ser tratados como que para um

fluido Newtoniano. Já para suspensões semi-sólidas que se comportam

como um fluido não-Newtoniano, os resultados são interpretados em

termos da Lei das Potências, relacionado à tensão de cisalhamento ( )τ

à taxa de cisalhamento média ( ), , e a viscosidade aparente é

a razão da tensão de cisalhamento pela taxa de cisalhamento,

.

A extrusão direta e indireta também é utilizada para o estudo da

capacidade de preenchimento de moldes, baseados nos valores

obtidos da

viscosidade dos metais

semi-sólidos.



O teste de identação é outra maneira simples de simulação das

propriedades mecânicas de massas semi-sólidas por teste de dureza.

Neste teste, a profundidade de penetração, sob uma pressão

constante, de um penetrador esférico em um tarugo semi-sólido é

tomado como critério para obtenção da viscosidade da liga. O teste de

identação se assemelha muito ao teste de compressão, porém

apresenta maiores condicionamentos; além disso, esse teste só pode

ser aplicado para ligas com frações sólidas de no mínimo 85%.

Parâmetros que afetam a viscosidade

Diversos parâmetros – tanto metalúrgicos quanto os de

processamento - tem grande influência sobre o comportamento

reológico dos materiais metálicos, sendo que alguns são mais

influentes que outros. Veremos agora como cada parâmetro afeta a

viscosidade do material, influenciando no comportamento reológico

deste.

Parâmetros Metalúrgicos

Um dos parâmetros mais importantes que afetam a viscosidade do

metal amolecido é a fração sólida da fase primária; esse parâmetro pode ser

calculado pela equação de Scheil (2):

em que, dependente da temperatura da liga T: ƒS é a fração sólida, T m o

ponto de fusão do solvente, T L temperatura liquidus da liga e κ é a



relação de equilíbrio de partição.

Foi desenvolvido um modelo matemático que descreve a relação

entre a viscosidade e a fração sólida efetiva de suspensões de metais

semi-sólidos sob um fluxo de cisalhamento simples (4). Primeiramente,

a fração sólida efetiva deve ser obtida (3). Em um campo de fluxo de

cisalhamento simples, a forma com que as partículas se aglomeram e

desaglomeram é descrito por um parâmetro estrutural “n”, que é

definido como o número médio de partículas em cada parte do

aglomerado. Através do parâmetro estrutural (n), a fração sólida

efetiva pode ser expressa como uma função do parâmetro de

empacotamento (A) e pela fração sólida da liga (ƒS).

Nesse modelo, o metal semi-sólido em sua forma amolecida,

quase fundida, é considerado uma suspensão, na qual: partículas

interativas, esféricas e no estado sólido, de baixa coesão, estão

dispersas em uma matriz líquida. Nesse modelo temos que, para

obtermos a viscosidade instantânea da liga ( ), devemos conhecerη

primeiro a viscosidade da matriz líquida (η0) e a fração sólida efetiva

(φeff ), que é a soma da fração sólida real e da fração de líquido

aprisionado.

No decorrer da solidificação, as frações sólidas e líquidas, que se

encontram dentro da zona de amolecimento, se movimentam paracompensar a redução volumétrica causada pela solidificação, até um

ponto em que essas frações não conseguem mais se mover facilmente;

nesse ponto, o segmento solidificado tende a desenvolver força,

formando um “esqueleto” sólido. Esse ponto característico é conhecido

como Ponto de Coerência Dendrítica (DCP); a partir desse ponto a

viscosidade deixa de aumentar constantemente, pelo aumento da

fração sólida, e aumenta abruptamente.No processamento, o DCP é postergado devido à convecção



forçada ou ao baixo coeficiente de temperatura dentro do metal

fundido. O rápido aumento da viscosidade, para ligas de maior fração

sólida, é adiado pela formação de grãos equiaxiais resultantes da

quebra de dendritas devido à agitação; a convecção forçada e a

distribuição uniforme da temperatura dentro do molde também

influenciam diretamente no crescimento multidirecional de dendritas

fragmentadas, ajudando na formação de grãos mais uniformes.

As estruturas dendríticas exibem uma resistência ao fluxo de

várias ordens de magnitude maiores que as estruturas equiaxiais. De

fato, estruturas de morfologia esférica, no caso a estrutura globular, se

movem com maior facilidade que estruturas dendríticas, que tendem a

se interligar durante a aplicação de força externa. Desde o começo das

pesquisas em metais semi-sólidos, as estruturas não-dendríticas foram

as que mais interessaram, apresentando as características reológicas

mais úteis, como a pseudoplasticidade e a tixotropia. Por esses fatores,

um bom entendimento dos efeitos da morfologia das partículas sobre o

comportamento reológico das ligas semi-sólidas é imprescindível para

o desenvolvimento de novos processamentos nessa área.

Outros fatores que afetam diretamente a viscosidade de ligas

semi-sólidas são o tamanho e a distribuição das partículas sólidas

existentes na suspensão semi-sólida em questão. É esperado que um

melhor fluxo seja presente em microestruturas mais refinadas, por

apresentar uma melhor movimentação e menor contato entre

partículas, causando uma diminuição da viscosidade.

A distribuição uniforme das partículas da fração sólida é outro

importante fator nas pesquisas; há sempre a tendência de partículas

suspensas na matriz líquida se aglomerarem, e esta tendência é

intensificada pela aplicação de forças externas na massa semi-sólida. A

interação dinâmica entre partículas causada pelas forças aplicadas na

massa, gera aglomerados de partículas dentro das suspensões e faz

com que o fluxo do semi-sólido se dificulte. Após um tempo sob a

influência de forças viscosas, um equilíbrio é estabelecido entre os

processos de aglomeração e desaglomeração, a viscosidade muda,



alcança um estado estacionário e então, uma distribuição de partículas

mais homogênea pode ser observada.

A composição química da liga também afeta diretamente a

porcentagem de fase primária solidificada dentro da zona de

amolecimento. É conhecido e bem estabelecido que, elementos do

soluto podem afetar a liga de diversas formas, preferivelmente

diminuindo o tamanho de grão, consequentemente aumentando as

propriedades mecânicas. Sabe-se que em pequenas porções, os

elementos de liga interferem no crescimento de grãos e oferece

condições para a formação de novos núcleos, assim como a

possibilidade de obtenção de grãos mais refinados. Os solutos formam

uma camada limite na qual a temperatura real é menor que a de

solidificação, caracterizando a zona de subresfriamento constitucional.

O subresfriamento constitucional é o responsável pelo

desenvolvimento dendrítico; ou seja, controlando a composição

química da liga, o tipo e a porcentagem de elementos de soluto, a taxa

de crescimento e a morfologia da fase primária podem ser controlados.

A temperatura de vertência da liga no molde é um importante

fator que afeta na fase primária durante a solidificação; baixas

temperaturas contribuem para estabelecer um menor gradiente de

temperatura dentro da massa, privilegiando o crescimento equiaxial. O

baixo gradiente de temperatura evita a inequalidade da distribuição

térmica, prevenindo a formação de dendritas. Essa é uma maneira

efetiva de controle de morfologia da fase primária, desde que a

agitação deixe de ser o principal fator de promoção de uma morfologia

globular.

Parâmetros de Processo

Além das características metalúrgicas das ligas de metal semi-

sólido, os parâmetros de processo, como a temperatura e a taxa de

cisalhamento, também podem influenciar na viscosidade e dessa forma

no comportamento do fluxo da massa semi-sólida.



A taxa de cisalhamento é um parâmetro relacionado ao metal;

essa taxa varia linearmente com a tensão de cisalhamento quando em

fluidos Newtonianos e não-linearmente em fluidos não-Newtonianos. A

taxa de cisalhamento exerce o mesmo papel que a tensão de

cisalhamento: para os fluidos não-Newtonianos, aumentando a taxa de

cisalhamento, diminui-se a viscosidade, enquanto que, para fluidos

Newtonianos ideais, a viscosidade é independente da taxa de

cisalhamento.

A tensão de cisalhamento aplicada é um dos mais importantes

fatores que afetam a viscosidade da massa. Esta impõe um fluxo

laminar ou turbulento na massa semi-sólida, induz a desintegração de

dendritas e a aglomeração ou desaglomeração dos fragmentos

dendríticos. A tensão de cisalhamento aplicada pode eventualmente

estabelecer uma forma de equilíbrio entre os fenômenos de

aglomeração e desaglomeração dentro da massa semi-sólida (estado

estacionário), prevenindo a formação de partículas volumosas,

principal obstáculo de fluência da massa para dentro de um molde. O

termo “viscosidade aparente”, usado para massas semi-sólidas, é um

meio de expressar a viscosidade do fluxo do estado estacionário e

varia com a taxa de cisalhamento e a fração sólida. Antes de atingir o

equilíbrio, a viscosidade passa por um estado transiente, no qual essa

viscosidade varia a diferentes taxas de cisalhamento e/ou frações

sólidas.

O fator temperatura é tão influente quanto à fração sólida, e

exerce praticamente a mesma função. Isso significa que, temperaturas

mais altas resultam em menores frações sólidas e melhor

deformabilidade e fluxo. Porém, não é fácil diferenciar os efeitos da

temperatura e da fração sólida na viscosidade do estado semi-sólido,

porque a relação entre esses parâmetros nesse estado é de caráter

bastante intrínseco.

Estudos mostram que, aplicando um redemoinho como força

externa, cria-se uma homogeneidade na massa semi-sólida e se

estabelece um baixo gradiente de temperatura para amenizar a



barreira de nucleação do líquido volumoso. Além disso, o redemoinho

pode auxiliar na desintegração das estruturas dendríticas secundárias

e terciárias. Esse pode ser o principal meio de obtenção de um

crescimento equiaxial de grão com características distintas de

deformação e fluxo.

Para uma massa semi-sólida, o efeito da temperatura foi

pesquisado através de procedimentos especiais de fundição, em que

ligas com composições similares foram fundidas de forma a obter

iguais frações sólidas a diferentes temperaturas, pela variação da

porcentagem de líquido decantado; com a morfologia da fase sólida foi

feito o mesmo. O tarugo com maior temperatura apresentou maior

deformação; isso é devido à matriz líquida e às partículas da fase

primária que fluem e se deformam mais facilmente sob altas

temperaturas.

A variação do tamanho amostral geralmente não influencia na

viscosidade de forma preocupante, desde que se mantenha uma

homogeneidade da temperatura ou da distribuição da taxa de

cisalhamento. No entanto, há a preferência na utilização de amostras

menores devido ao menor custo dos testes em relação a amostras

maiores e também são melhor utilizadas em equipamentos de

viscosimetria rotacional; a distância da abertura do anel é sempre

preferível ser a menor possível para fazer com que a taxa de

cisalhamento seja distribuída mais uniformemente na massa semi-

sólida durante a rotação do viscosímetro.

Conclusão

O parâmetro mais influente a ser relacionado com o

comportamento reológico de ligas semi-sólidas, de acordo com todos

os aspectos anteriormente discutidos, é a viscosidade; através de seu

mensuramento, podemos, por modelagem matemática, atingir a

clareza no que diz respeito ao comportamento reológico da liga em

questão.



Pôde-se observar que com o aumento da fração sólida, de

estruturas dendríticas, do tamanho de partícula e da fração

aglomerada, há um aumento na viscosidade; com a inserção de

elementos de liga, com a diminuição do gradiente de temperatura, com

o aumento da taxa de cisalhamento e com o aumento da temperatura

há uma diminuição na viscosidade do sistema.

Concluiu-se então que, de uma forma geral, o aumento dos

parâmetros metalúrgicos inflige em um aumento na viscosidade,

enquanto que o aumento dos parâmetros de processo causa uma

diminuição da mesma.

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