Solidificação de metais e formação da estrutura interna de grãos

Fabricação de metais e ligas

Metais/ ligas

Fundição(Fusão)

Forma final

Forma semifinal

Confor-mação*

Forma final

*Forjamento, laminação, extrusão, trefilação

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 de Alumínio em três moldes diferentes com três velocidades diferentes.

Solidificação de alguns metais

Metal Temperatura de solidifi-cação (°C)

Calor de solidificação

(J/cm3)

Energia superficial

(J/cm210-7)

T de sub-resfriamento 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

Processo de nucleação e crescimento

Núcleos

LíquidoLíquido

Cristais que formarão

grãos

Grãos

Contornos de grão

Mecanismos de nucleação• Nucleação homogênea

– Próprio metal fornece átomos para formar núcleos– Subresfriamento usualmente de centenas de graus

Celsius• Nucleação heterogênea

– Presença de agentes nucleantes: superfície do recipiente, impurezas insolúveis, ou material estrutural

– Prática industrial: subresfriamento de 0,1 a 10°C

Raio crítico do núcleo do cobre

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• Após macrografia e

ataque químico pode-se 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.

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 relação aos grãos formados na

parede fria do molde) 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

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

Classificação dos grãos dos aços

• Os Grãos dos aços são classificados segundo norma ASTM E 112.

• Utiliza-se padrões de 1 a 10 que devem ser comparados com a amostra de aço com 100 X de aumento.

• Padrão 1 grãos grandes Padrão 10 grãos pequenos pois:

• Números de grãos/polegada quadrada a 100X de aumento = 2 n-1 onde n é o número ASTM

Classificação ASTM para grãos de aço. Padrões para 100 X de aumento da amostra

Como atua o reagente químico na micrografia