variÁveis tÉrmicas e microestrutura da liga al-5,5%sn solidificada direcionalmente
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7/25/2019 VARIVEIS TRMICAS E MICROESTRUTURA DA LIGA Al-5,5%Sn SOLIDIFICADA DIRECIONALMENTE
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SERVIO PBLICO FEDERALMINISTRIO DA EDUCAO
INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAO, CINCIA E TECNOLOGIA DO PARCURSO DE BACHARELADO EM ENGENHARIA DE MATERIAIS
ANGELA DE JESUS VASCONCELOS
VARIVEIS TRMICAS E MICROESTRUTURA DA LIGA Al-
5,5%Sn SOLIDIFICADA DIRECIONALMENTE
BELM2013
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INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAO, CINCIA E TECNOLOGIA DO PARCURSO DE BACHARELADO EM ENGENHARIA DE MATERIAIS
ANGELA DE JESUS VASCONCELOS
VARIVEIS TRMICAS E MICROESTRUTURA DA LIGA Al-
5,5%Sn SOLIDIFICADA DIRECIONALMENTE
Trabalho Acadmico de Concluso de Curso,apresentado ao Colegiado Especfico deEngenharia de Materiais do Instituto Federalde Educao, Cincia e Tecnologia do Par IFPA, como requisito para a obteno doGrau de Bacharel em Engenharia deMateriais, sob a orientao do Prof. Dr.Otvio Fernandes Lima da Rocha.
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Dados para catalogao na fonteSetor de Processamento TcnicoBiblioteca IFPA - Campus Belm
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V331v Vasconcelos, Angela de Jesus.Variveis trmicas e microestrutura da liga Al-5,5%Sn solidificada
direcionalmente [manuscrito] / Angela de Jesus Vasconcelos. Belm, 2013.
67 f : il.
Impresso por computador (fotocpia).Orientador: Otvio Fernandes Lima da Rocha.Trabalho Acadmico de Concluso de Curso (Graduao em
Engenharia de Materiais)Instituto Federal de Educao, Cincia eTecnologia do ParIFPA, 2013.
1. Solidificao direcional horizontal. 2. Crescimentosdendrticos primrios modelos. 3. Regime transitrio de extraode calor. I. Ttulo.
CDD: 671.36_____________________________________________________________________
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A Deus por tudo que tem acrescentado dia aps dia.
Aos meus pais, Jos Maurcio Vasconcelos eTerezinha de Jesus Rodrigues Vasconcelos por todocarinho, companheirismo, ensinamento e incentivo.
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AGRADECIMENTOS
Aos meus pais, por todo carinho, companheirismo,compreenso e ensinamentos;Ao meu orientador, Professor Otvio Rocha, peladedicao, pacincia nos anos que me orientou;Aos professores Daniel Moutinho e Nazareno Silva
por todo o ensinamento e incentivo durante as aulas ena orientao dentro dos laboratrios;Ao professor Evaldo Soares, pelos ensinamentos eser to solicito quanto ao uso dos Laboratrios deEngenharia de Materiais;Aos Amigos Felipe Barros, Tain Fernandes,Vanessa Barroso e todos os outros companheiros de
curso;Ao companheiro de iniciao cientfica RafaelKikuchi que participou ativamente na obteno dolingote e da caracterizao trmica e metalogrficadeste trabalho.Ao CNPq pela concesso da Bolsa de IniciaoCientfica bem como pelo apoio financeiroconcedido, atravs de Programa de Pesquisa, apoiado
pelo Edital Universal 014/2013/Processo:472745/2013-1, os quais contriburam para odesenvolvimento e finalizao do presente trabalho.
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Nunca esperei ser algum importante. Talvez no oseja, mas o que quer que eu seja, o que quer que eufaa, ser o que Deus escolheu pra mim. Sinto queEle observa cada passo meu.
Elvis Presley
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RESUMO
Este trabalho apresenta um estudo terico-experimental sobre a correlao entre as variveistrmicas de solidificao como velocidade de deslocamento da isoterma lquidus(VL) e a taxade resfriamento (TR) e os espaamentos dendrticos primrios (1) da liga Al-5,5%Snsolidificada direcionalmente em um dispositivo de configurao horizontal, refrigerado gua, sob condies transitrias de extrao de calor. As variveis trmicas so calculadas a
partir dos perfis de temperatura obtidos para 5 (cinco) termopares, inseridos no metal.Modelos tericos para a previso dos espaamentos dendrticos primrios, desenvolvidos pararegime transitrio de extrao e calor, so utilizados e comparados com os resultadosexperimentais obtidos. Ainda, um estudo comparativo realizado entre os resultadosencontrados neste trabalho e aqueles apresentados na literatura para os espaamentos
dendrticos primrios de ligas do sistema Al-Sn, investigadas quando solidificadasdirecionalmente em um sistema vertical ascendente. A anlise da microestrutura indica que osespaamentos dendrticos primrios so bastante influenciados pela direo de crescimento doslido e leis experimentais na forma de potncia em funo de V L e TR do tipo1= C(VL, TR)
-nso propostas, onde C e n so iguais a 62 e 1,1, para 1em funo de VLe iguais a 144 e 0,55, para 1em funo de TR. Os resultados subestimam os valores tericoscalculados a partir dos modelos numricos previstos na literatura.
Palavras-chave: Solidificao Direcional Horizontal, Modelos de Crescimento DendrticosPrimrios, Regime Transitrio de Extrao de calor.
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ABSTRACT
This paper presents a theoretical and experimental study on the correlation between thesolidification thermal variables such as rate growth ( VL) and cooling rate ( TR) and primarydendrite arm spacing (1) of the Al-5,5wt.%Sn directionally solidified in a water-cooledhorizontal configuration device under transient conditions of heat extraction. The thermalvariables are calculated from temperature profiles obtained for five (5) thermocouples insertedinto the metal. Theoretical models for the prediction of primary dendrite spacing, developedfor transient heat extraction, are used and compared with the experimental results. Still, acomparative study is conducted between the results found in this study and those reported inthe literature for primary dendrite spacing of Al-Sn alloys solidified in upward verticaldirectional condition. The microstructural analysis indicates that the primary dendrite
spacings are strongly influenced by the growth direction of solid and experimental power lawsas a function of the VL and TR given by formula 1 = C (VL, TR)
-n are proposed, where"C "and "n" are equal to 62 and 1.1 to 1 according VL and equal to 144 and 0.55 to 1according TR. The results underestimate the theoretical values calculated from numericalmodels published in the literature.
Keywords:Horizontal Directional Solidification, Primary Dendrite Growth Models,Transient Heat Extraction.
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LISTA DE FIGURAS
1.1 Representao esquemtica de microestrutura de fundidos (Garcia, 2007) 15
2.1 Encadeamento de fatores e eventos durante a solidificao de um metal (Garcia,
2007) 19
2.2 Esquema do dispositivo de solidificao unidirecional vertical ascendente
(Siqueira, 2002; Rocha, 2003; Spinelli, 2005; Silva, J, 2007) 22
2.3 Dispositivo de solidificao unidirecional vertical descendente: 1, sistema de
aquisio de dados; 2, material refratrio; 3, resistncias eltricas; 4, lingoteira; 5,
termopares; 6, registrador de dados; 7, cmara refrigerada; 8, rotmetro; 9, metal;
10, controle do forno (Rosa, 2007) 23
2.4 Esquematizao do dispositivo de solidificao unidirecional horizontal (Adaptado
de Silva, 2007) 24
2.5 Modos de transferncia de calor atuantes no sistema metal/molde na solidificao
horizontal (Dias, 2012) 25
2.6 Representao esquemtica da atuao dos fatores de influncia na formao das
estruturas de solidificao (Adaptado de Rocha, 2003; Rosa, 2007; Dias, 2012) 27
2.7 Esquema representativo dos espaamentos interdendrticos primrios (1),
secundrio (2) e tercirio (3) (Adaptado de Costa, 2013) 27
2.8 Mudana morfolgica na estrutura de crescimento medida que a velocidade
aumentada: (a) crescimento celular regular em baixas velocidades; (b) crescimento
celular com alterao na direo de crescimento; (c) transio celular/dendrtica;
(d) crescimento dendrtico com incio da formao de instabilidades laterais
(Adaptado de Garcia, 2007) 29
2.9 Condies de transio planar/celular/dendrtica pelo efeito de supe-resfriamento
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constitucional (Garcia, 2007) 29
3.1 Fluxograma das etapas adotadas no procedimento experimental deste trabalho 34
3.2 Diagrama de fase construdo no software Thermo-calc (Cruz et al., 2008) 36
3.3 Curva de resfrimento para caracterizao trmica da liga, obtida
experimentalmente, indicando os valores das temperaturas lquidus e slidus da
liga estudada 36
3.4 Representao esquemtica do dispositivo de solidificao direcional horizontal
utilizado nos experimentos deste trabalho (Silva, 2007) 38
3.5 Representao esquemtica do dispositivo de solidificao, mostrando sua
interface com o sistema de registro de temperaturas (Adaptado de Silva, 2007) 39
3.6 Macroestrutura da liga Al-5,5%Sn com destaque a TCE e a Regio de medio de
1. 40
3.7 Tcnica de Medidas dos espaamentos dendrticos primrios, utilizando o mtodo
do tringulo (Gndz et al., 2002; Rocha, 2003; Cruz et al., 2008): (a) esquema
representativo; (b) Microestrutura obtida deste trabalho 40
3.8 Analisador de Imagem utilizado para a obteno das micrografias Analysis no
Microscpio ptico Olimpus UC30, laboratrio de caracterizao IFPA (Dias,
2012) 41
3.9 Tratamento dos dados experimentais para obteno das variveis trmicas (Rocha,
2003) 43
4.1 Macroestrutura de solidificao da liga Al-5,5%Sn 44
4.2 Curva experimental de resfriamento da liga estudada. TLe TV so as temperaturas
lquiduse vazamento do metal lquido, respectivamente. 45
4.3 Posio das isotermas lquidus a partir da interface metal/molde em funo do
tempo da liga estudada 46
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4.4 Correlao entre velocidade de deslocamento da isoterma lquiduscom a posio 47
4.5 Taxa de resfriamento a partir da interface metal/molde em funo da posio 47
4.6 Micrografias da liga Al-5,5%Sn e os correspondentes valores de TR, VLe 1para a
liga Al-5,5%Sn solidificada direcionalmente em regime transitrio de extrao
calor 49
4.7 Correlao entre os espaamentos dendrtcos primrios e as variveis trmicas: (a)
1= f(P); (b) 1= f(VL); (c) 1= f(TR) 51
4.8 Comparao de dados experimentais retirados de Okamoto-Kishitake (1975), Cruz
(2008) e a equao experimental para espaamento dendrtico primrio em funo
da taxa de resfriamento do presente trabalho (Adaptado de Cruz, 2008) 53
4.9 Comparao entre os resultados experimentais obtidos e os modelos tericos e
transitrios de crescimento primrio, que so Hunt e Lu (1996) e Bouchard e
Kirkaldy (1997) 54
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LISTA DE TABELAS
2.1 Modelos tericos para crescimento dendrtico primrios 32
2.2 Leis experimentais para previso dos espaamentos dendrticos primrios para
ligas binrias base de alumnio
33
3.1 Anlise qumica da matria-prima utilizada nos experimentos 35
3.2 Propriedades Termofsicas da liga do sistema Al-5,5%Sn para o clculo dos
espaamentos tericos (Cruz et al.,2008; Bouchard-Kirkaldy, 1997)
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NOMENCLATURA
LETRAS LATINAS
a, C = constantes
Co= concentrao de soluto na liga
DL =difusividade de soluto no lquido (m2/s)
dP = derivada da posio
dt = derivada do tempo
dT = derivada da temperatura
GL= gradiente de temperatura frente isoterma lquidus(K/mm)ko= coeficiente de partio de soluto (adimensional)
L = calor latente de fuso do material (J/kg)
mL= inclinao da linha lquidus
m = valores variveis do teor de Sn iguais a: 10%, 30% e 40%
P = posio dos termopares
TF= temperatura de fuso (C)
TE= temperatura no ponto euttico (C)TV= temperatura de vazamento (C)
TR= taxa de resfriamento (K/s)
TL= temperatura lquidusda liga (C)
TS= temperaturaslidusda liga (C)
VL= velocidade da isoterma lquidus(mm/s)
VS= velocidade da isotermaslidus(mm/s)
LETRAS GREGAS
C= espaamento celular (m)
1= espaamentos dendrticos primrios (m)
2= espaamentos dendrticos secundrios (m)
= fator de correo do modelode Bouchard-Kirkaldy [ < 1]
T = intervalo de solidificao
= coeficiente de Gibbs-Thompson
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SUMRIO
1 INTRODUO..................................................................................................... 141.1 CONSIDERAES INICIAIS.............................................................................. 14
1.2 OBJETIVO............................................................................................................. 16
2 REVISO BIBLIOGRFICA............................................................................ 18
2.1 VARIVEIS TRMICAS E MICROESTRUTURA DE SOLIDIFICAO...... 18
2.1.1 Variveis Trmicas............................................................................................... 18
2.1.2 Anlise Experimental da solidificao unidirecional em condies
transitrias............................................................................................................. 212.1.3 Microestruturas de Solidificao......................................................................... 26
2.1.4 Leis de crescimento celular e dendrtico............................................................. 30
3 MATERIAIS E MTODOS................................................................................ 34
3.1 CONSIDERAES INICIAIS.............................................................................. 34
3.2 EQUIPAMENTOS E MATERIAIS UTILIZADOS.............................................. 35
3.3 DISPOSITIVO DE SOLIDIFICAO UNIDIRECIONAL HORIZONTAL...... 37
3.4 CARACTERIZAO MACRO E MICROESTRUTURAL................................. 39
4 RESULTADOS E DISCUSSES........................................................................ 44
4.1 MACROESTRUTURA DE SOLIDIFICAO.................................................... 44
4.2 PARMETROS TRMICOS DE SOLIDIFICAO VL, TR, GL........................ 45
4.3 PARMETROS MICROESTRUTURAIS DA SOLIDIFICAO...................... 48
4.3.1 Microestrutura (1)............................................................................................... 48
4.3.2 Correlao entre parmetros trmicos e microestrutura................................. 49
5 CONCLUSES..................................................................................................... 55
SUGESTES PARA TRABALHO FUTUROS................................................ 57
REFERNCIAS.................................................................................................... 58
PRODUO CIENTFICA ORIUNDA DESTE TRABALHO...................... 66
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1 INTRODUO
1.1 CONSIDERAES INICIAIS
O desenvolvimento na indstria para atender s necessidades de mercado tem se
intensificado na busca pelo aprimoramento de seus produtos, investindo na melhoria da
qualidade e reduo de gastos no custo de produo. A qualidade de um produto
proveniente dos processos mais primitivos de fundio e se estende at os processos finais,
relativos solidificao do produto e est diretamente relacionada ao material do qual
constitudo. Dessa forma, a difuso entre processamento, estrutura, propriedade e desempenho
de uma pea ou equipamento so de extrema importncia, pois fato conhecido que,
dependendo da forma como so processados, a morfologia macro e microestrutural
influenciam diretamente nas propriedades dos produtos finais, assim como no desempenho
que vai estar diretamente ligado a estas propriedades.
As propriedades mecnicas resultantes so determinadas pelo arranjo estrutural da
pea que caracterizada pelos espaamentos celular, dendrticos primrios, secundrios e
tercirios, alm de produtos segregados, porosidades e contornos de gro que esto dispostos
nesse arranjo, esquematizado na Figura 1.1. Quanto menores os espaamentos dendrticos
mais refinada a microestrutura apresentada, melhorando o desempenho mecnico dos
produtos fundidos (Bouchard-Kirkaldy, 1996; 1997; Quaresma, 2000; Osrio, 2000; Rocha,
2003a; 2003b; 2003c; 2003d; Peres et al., 2004;Garcia, 2007; Silva, 2007;Moutinho, 2007;Silva, 2008; Carvalho, 2011; Gomes, 2012; Dias, 2012; Costa, 2013).
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Figura 1.1Representao esquemtica de microestrutura de fundidos (Garcia, 2007).
Influenciados pela forte inter-relao entre processamento, estrutura, propriedades e
desempenho dos materiais, pesquisadores utilizam-se da solidificao direcional para
desenvolverem estudos capazes de explicar e provar essa inter-relao, a grande maioria nos
sistemas verticais ascendentes e descendentes. Outro objeto de estudo mais recente a
solidificao direcional com sistemas de configurao horizontal (Quaresma, 2000; Silva,
2007; Silva et al., 2009).
O aumento nas pesquisas direcionadas s ligas Al-Sn vem gerando novos interesses
de estudo, tendo em vista que a aplicabilidade dessas ligas decorre de suas propriedades
tribolgicas e mecnicas que combina uma grande resistncia ao desgaste com uma boa
resistncia corroso e conformabilidade, garantindo uma longa vida til ao material, com a
matriz de alumnio tenaz e as partculas de estanho atuando como lubrificante (Cruz, 2008).
Na indstria as ligas de Al-Sn so muito utilizadas na fabricao de capa de mancal, mancais
fundidos, buchas e bielas.
sabido, portanto, que as propriedades mecnicas so dependentes dos parmetros
operacionais envolvidos no processo de solidificao onde as condies adotadas so
definidas pela resistncia transferncia de calor na interface metal/molde assim como as
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propriedades termofsicas do lquido e do molde. A definio desses parmetros como
velocidade de solidificao (VL), gradiente de temperatura (GL) e taxa de resfriamento (TR)
que esto vinculados ao tempo e posio em relao interface metal/molde (Hunt, 1979;
Kurz & Fisher, 1981; Somboonsuk, 1984; Trivedi, 1984; Mortensen, 1991; Bouchard &
Kirkaldy, 1997; Chen, 1998; Gndz & ardili, 2002; Rocha, 2003a; Peres, 2004; Rosa,
2004; 2007), so determinantes na solidificao para a definio da microestrutura obtida e,
por conseguinte, seu desempenho mecnico. Assim, o estudo da microestrutura possui um
forte carter aplicativo em estudos, que influenciaram pesquisadores como Hunt e Lu (1996) e
Bouchard-Kirkaldy (1997) a desenvolverem modelos matemticos que correlacionam os
supracitados parmetros trmicos com a microestrutura dendrtica, sendo estes direcionados
para regime transiente, que visam prever propriedades futuras dos produtos finais
influenciadas pela microestrutura prognosticada.
Considerando o exposto, o objetivo principal deste trabalho visa desenvolver a
solidificao direcional da liga Al-5,5%Sn, buscando analisar a influncia das variveis
trmicas (VLe TR) nos espaamentos dendrticos primrios (1). Para tanto, ser utilizado um
dispositivo de solidificao direcional horizontal refrigerado gua.
1.2 OBJETIVO
Este trabalho foi planejado no sentido de desenvolver uma abordagem terico-
experimental da influncia dos parmetros trmicos sobre a quantificao microestrutural da
morfologia dendrtica primria da liga Al-5,5%Sn. Para o alcance do objetivo, as seguintes
metas so estabelecidas:
a) Reviso crtica e atualizada da literatura existente no que diz respeito s teorias e
trabalhos experimentais sobre o estudo dos espaamentos dendrticos primrios, em
ligas solidificadas unidirecionalmente sob condies transitrias de fluxo de calor, nos
sistemas verticais ascendente e descendente e horizontal;
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b) Realizao de experimentos de solidificao unidirecional horizontal com a liga Al-
5,5%Sn em condies transitrias de extrao de calor, utilizando dispositivo de
solidificao refrigerado gua, desenvolvido pelo Grupo de Pesquisa de Metalurgia
do IFPA;
c) Obteno dos perfis de temperatura em funo do tempo para a liga Al-5,5%Sn em um
sistema de solidificao unidirecional horizontal refrigerado gua em condies
transientes de extrao de calor;
d) Determinao dos parmetros trmicos da solidificao, tais como: velocidades de
deslocamento da isoterma lquidus (VL) e taxas de resfriamento (TR), a partir dos
registros trmicos experimentais;
e) Caracterizao experimental da microestrutura resultante e quantificao dos
espaamentos dendrticos primrios para a liga estudada: espaamentos
interdendrticos primrios, empregando-se tcnicas metalogrficas;
f) Correlao dos espaamentos dendrticos primrios com variveis trmicas de
solidificao, para a liga Al-5,5%Sn, e determinao das equaes experimentais de
crescimento;
g)
Validao dos modelos tericos de crescimento dendrticos primrios previstos na
literatura para regime transitrio de extrao de calor, utilizando os resultados
experimentais obtidos neste trabalho;
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2 REVISO BIBLIOGRFICA
2.1 VARIVEIS TRMICAS E MICROESTRUTURA DE SOLIDIFICAO
2.1.1
Variveis Trmicas
A busca por materiais com propriedades cada vez mais elevadas pelas indstrias
modernas requer um conhecimento mais aprofundado do processo de solidificao em metais
e ligas metlicas. Considerando a importncia cientfica e tecnolgica deste processo,
agregada ao seu vasto campo de aplicaes industriais, certamente o caracterizam como o
mais importante tipo de transformao de fases na cadeia produtiva das indstrias de
fundio. O processo de solidificao consiste fundamentalmente em um processo de
transferncia de massa e calor em regime transitrio onde h mudana de estado da fase
lquida para a fase slida, e em combinao de tcnicas de caracterizao macro e
microestruturais, permitem analisar a influncia das variveis de processo no desempenho dos
produtos gerados.
Variveis trmicas como temperatura de vazamento (TV), gradientes de temperatura
(GL), velocidades de evoluo das isotermas de transformao lquidus eslidus (VLe VS) e
taxas de resfriamento (TR) esto intimamente relacionadas com a cintica do processo de
solidificao e so fatores determinantes para a definio da morfologia e do nvel de refino
da macroestrutura e da microestrutura (Rocha, 2003; Silva, 2007; Moutinho, 2007; Silva,
2008; Cruz, 2010; Carvalho, 2011; Gomes, 2012; Dias, 2012; Costa, 2013; Garcia, 2007). Aspropriedades mecnicas so dependentes das estruturas de solidificao tanto em produtos
fundidos como em produtos submetidos a tratamentos trmicos. Dessa forma, as variveis
trmicas possuem grande influncia sobre a formao da estrutura de solidificao.
A transformao lquido/slido acompanhada por liberao de energia trmica para
o meio ambiente onde a frente de solidificao crescente e separada por duas fases de
propriedades termofsicas distintas. As propriedades do produto final so dependentes dos
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fenmenos decorrentes do processo de solidificao analisados desde a matria-prima lquida
inicial em conjunto com as determinaes das cinticas envolvidas na transformao de
estado, as etapas representadas no fluxograma da Figura 2.1 mostram satisfatoriamente o
encandeamento desse fenmeno.
Figura 2.1Encadeamento de fatores e eventos durante a solidificao de um metal (Garcia,2007).
Os experimentos envolvendo tcnicas de solidificao unidirecional tm sido
bastante utilizados para anlises de segregao e caracterizaes de estruturas, e podem ser
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estudadas em condies estacionrias e transitrias de fluxo de calor. Na condio
estacionria, o gradiente de temperatura (GL) e a velocidade de solidificao (VL) so
controlados de forma independente e mantidos constantes ao longo do experimento, como
aqueles que utilizam as tcnicas de Bridgman/Stockbarger (Gndz & ardili, 2002; Kurz &
Fisher, 1981; Tan & Zabaras, 2007; Trivedi, 1984). A utilizao desta tcnica muito til na
determinao de relaes quantitativas que envolvam microestrutura, como espaamento
interdendrticos e variveis trmicas de solidificao, a qual permite analisar a influncia de
cada varivel de forma independente e mapear experimentalmente os parmetros
microestruturais em um espectro mais amplo da amostra solidificada. Resultados
experimentais para espaamento dendrticos e modelos tericos de crescimento dendrtico
correspondentes existentes na literatura utilizam, na sua grande maioria, condies
estacionrias de trocas de calor.
Por outro lado, a condio transitria de fluxo de calor a que est presente nos
processos industriais (Siqueira, 2002; Rocha, 2003; Silva, 2007; Moutinho, 2007; Nogueira,
2011; Silva, 2011; Garcia, 2007). Nesta condio, a velocidade de avano da isoterma e o
gradiente trmico iro variar ao longo do tempo e da posio do metal em solidificao. Na
literatura, ainda so poucos os modelos tericos que relacionam parmetros microestruturais
com variveis trmicas de solidificao em condies transitrias de extrao de calor, como
os de Hunt-Lu (1996) e o de Bouchard-Kirkaldy (1997), e mesmo assim estes ainda no soamplamente validados em resultados experimentais, principalmente nos estudos para
solidificao com configurao horizontal, onde os efeitos convectivos so mais acentuados,
devido ao gradiente de temperatura ao longo do processo e diferena de densidade entre
solvente e soluto, o que configura, juntamente com a gravidade, uma conveco termosolutal,
fatores de grande influncia. Diante disto, torna-se de extrema importncia a avaliao
terico-experimental da influncia das variveis trmicas (GL, VL, e TR) em condies
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transientes de extrao de calor, sobre os parmetros da macroestrutura e da microestrutura
resultantes do processo de solidificao unidirecional horizontal, para diversos sistemas
metlicos binrios, e em uma ampla faixa de concentrao de soluto. Destacamos os trabalhos
(Rocha et al., 2003a; 2003b; 2003c; 2003d; Rosa, 2004; Silva, et al., 2009; Carvalho, 2011;
Nogueira et al., 2012; Kikuchi et al., 2011; Costa, 2013) elaborados recentemente para
condio direcional horizontal sob condies transitrias de extrao de calor.
2.1.2 Anlise Experimental da solidificao unidirecional em condies transitrias
O fenmeno da solidificao pode ser averiguado experimentalmente em relao
direo de extrao de calor e ao sentido de avano da frente de solidificao. Na literatura,
existem trabalhos que avaliam a influncia de fatores como, por exemplo, a conveco natural
devido a fatores trmicos e composicionais, na formao e nos parmetros quantificadores das
estruturas de solidificao. Essas investigaes tm permitido a obteno de muitas
informaes relevantes sobre a evoluo da cintica do processo de solidificao e sobre a
redistribuio de soluto (macrossegregao e microssegregao) de ligas de sistemas
metlicos (Siqueira, 2002; Osrio, 2003; Rocha, 2003; Spinelli, 2005; Rosa, 2004; 2007;
Silva, 2007; Moutinho, 2007; Cruz, 2008; Cruz et al., 2010 Cant, 2009; Moutinho, 2012;
Nogueira, 2011; Dias, 2012; Costa, 2013).
O estudo da solidificao unidirecional vertical em condies transitrias, porexemplo, pode ser estudada considerando a direo do fluxo de calor extrado, onde o sentido
de avano da frente de solidificao que pode ser ascendente ou descendente. Nas condies
de avano ascendente (Figura 2.2), durante a solidificao, o soluto rejeitado frente da
interface slido/lquido, e dependendo do conjugado soluto/solvente, pode ocorrer a formao
de um lquido interdendrtico mais denso do que o restante do volume total do metal lquido,
ocasionando assim, no que diz respeito movimentao de lquido, uma solidificao com
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completa estabilidade do processo (Garcia, 2007). Dessa forma, o arrefecimento do metal
ocorre na parte inferior, produzindo um perfil de temperaturas no lquido crescente rumo ao
topo da lingoteira e forando o soluto a ser empurrado por essa fronteira de transformao
slido/lquido, o que vai minimizar as correntes convectivas tanto por diferenas de
temperatura quanto por diferenas de concentrao. Nesta condio, como a transferncia de
calor dentro do lingote ocorre essencialmente por conduo trmica unidirecional, a anlise
experimental e os clculos tericos so isentos desse complicador (conveco natural).
Figura 2.2Esquema do dispositivo de solidificao unidirecional vertical ascendente(Siqueira, 2002; Rocha, 2003).
Para a solidificao no sentido descendente, desenvolvido por Spinelli (2005),
representado na Figura 2.3, a configurao quanto estruturao bastante similar ao
anterior, sendo que a cmara refrigerada gua localizada no topo do lingote. Dessa forma,
a fora peso atua no sentido de deslocamento do metal que vai se solidificando no lingote a
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partir do contato com a base refrigerada, provocando mais precocemente uma situao de
maior resistncia trmica na interface metal/molde, o que vai influenciar diretamente na
cintica da transformao lquido/slido, quando comparada a solidificao ascendente. Outro
fator influente a presena do movimento convectivo, que estar presente j que o perfil de
temperatura do lquido crescente em direo base do lingote, isolada termicamente
diminuindo as conveces por diferena de temperatura dentro do lquido. Nessas condies,
se o soluto rejeitado provocar um lquido interdendrtico com maior densidade do que a do
lquido na concentrao nominal da liga, alm da conveco por diferenas de temperaturas,
ocorrer tambm conveco por diferenas de densidade (Spinelli, 2005).
Figura 2.3Dispositivo de solidificao unidirecional vertical descendente: 1, sistema deaquisio de dados; 2, material refratrio; 3, resistncias eltricas; 4, lingoteira; 5, termopares;
6, registrador de dados; 7, cmara refrigerada; 8, rotmetro; 9, metal; 10, controle do forno(Spinelli 2005; Rosa, 2007).
O sistema de solidificao unidirecional horizontal (Figura 2.4) o que possui uma
configurao mais complexa no que se refere determinao das variveis trmicas de
solidificao. O processo de transformao do lquido em slido pode ser conduzido de duas
maneiras distintas. Na primeira maneira, o vazamento do metal lquido feito dentro de um
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molde isolado termicamente nas laterais da lingoteira e a extrao de calor ocorre apenas de
uma das paredes com um bloco macio metlico ou com uma cmara de refrigerao,
induzindo que a extrao de calor ocorra somente por esta superfcie, neste caso o vazamento
provoca uma turbulncia provocando correntes de conveco forada com intensidades
diferentes ao longo do lingote e levam algum tempo para se dissipar. A segunda maneira, o
sistema semelhante ao primeiro, mas nesse caso o sistema permite fundir o metal em seu
interior at que determinada temperatura seja alcanada, garantindo a fuso total do metal
dentro do molde proporcionando uma maior estabilidade em relao ao movimento
convectivo do metal lquido.
Figura 2.4Esquematizao do dispositivo de solidificao unidirecional horizontal(Adaptado de Silva, 2007).
Entretanto, convm ressaltar que no possvel assegurar as mesmas variveis
trmicas de solidificao ao longo de diferentes seces horizontais da base refrigeradas
extremidade oposta do lingote, uma vez que instabilidades trmicas e diferenas de massa
especfica no lquido iro gerar correntes convectivas que sero diferentes ao longo dessas
seces. O perfil trmico da evoluo da solidificao deve ser levantado em uma seco
horizontal o mais prximo possvel da interface metal/molde, a partir da qual sero retiradas
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as amostras para anlise da estrutura. (Quaresma et al., 2000; Osrio, 2003; Goulart, 2006;
Silva, 2007; Moutinho, 2007).
O esquema apresentado na Figura 2.5 sintetiza em detalhe os provveis modos de
transferncia de calor que podem estar presentes ao longo do processo de solidificao
unidirecional horizontal em um molde metlico refrigerado gua como, por exemplo,
conveco forada na gua, transferncia newtoniana na interface gua/molde, conduo no
molde, transferncia newtoniana na interface molde/metal, conduo trmica no metal slido,
conveco e conduo trmica no metal lquido. Todas essas variveis presentes no caso deste
dispositivo tornam o modelo de solidificao horizontal o mais complexo de ser analisado
dentre os trs dispositivos abordados.
Figura 2.5Modos de transferncia de calor atuantes no sistema metal/molde na solidificaohorizontal (Dias, 2012).
apropriado destacar que para analisar experimentalmente a solidificao, foram
desenvolvidas vrias pesquisas na literatura utilizando-se de configuraes diferentes para
dispositivos que geram unidirecionalidade de extrao de calor (Siqueira, 2002; Rocha, 2003;
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Peres, 2005; Spinelli, 2005; Boeira, 2006; Rosa, 2007; Cant, 2009; Silva, 2011; Nogueira,
2011; Carvalho, 2011; Moutinho, 2012; Gomes, 2012; Dias, 2013).
2.1.3 Microestruturas de Solidificao
As diferentes microestruturas resultantes do processo de solidificao esto
fortemente relacionadas com a modificao da interface entre o slido e o lquido (S/L). Sob
condies ideais, para metais puros, essa interface deveria permanecer plana, entretanto, as
alteraes nos parmetros constitucionais e trmicos do sistema metal/molde decorrentes do
processo de solidificao fazem com que o soluto ou o solvente sejam segregados o que gera
instabilidade no lquido frente dessa interface, dando origem s microestruturas.
A termodinmica do processo impe uma rejeio de soluto ou solvente frente
interface S/L, originando um fenmeno favorvel nucleao, o qual responsvel por sua
instabilidade, mais conhecida na literatura como super-resfriamento constitucional (SRC).
Dependendo do valor do SRC a instabilidade d origem a diferentes morfologias e que, por
ordem crescente desse valor, so denominadas por: planar, celular e dendrtica. A Figura 2.6
apresenta de forma esquemtica, a influncia dos fatores como concentrao de soluto (Co),
velocidade de deslocamento da isoterma lquidus (VL), e o gradiente trmico (GL), para a
instabilidade da interface S/L e, consequentemente, para a formao das microestruturas.
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Figura 2.6Representao esquemtica da atuao dos fatores de influncia na formao dasestruturas de solidificao (Adaptado de Rocha, 2003; Rosa, 2007; Dias, 2012).
Quando ocorre na solidificao apenas uma pequena quantidade de super-
resfriamento constitucional, a interface S/L costuma desenvolver uma morfologia celular.
Entretanto, o aumento do grau de SRC, leva a instabilidades de maior ordem e, ao invs de
formar uma estrutura celular, ocorre o surgimento de uma estrutura mais ramificada com
braos secundrios e at tercirios, caracterizando as redes dendrtica (Figura 2.7).
Figura 2.7Esquema representativo dos espaamentos interdendrticos primrios (1),
secundrio (2) e tercirio (3) (Adaptado de Costa, 2013).
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Os espaos existentes entre centros de clulas e de ramificaes ou braos
dendrticos so definidos como espaamentos intercelulares e interdendrticos, muito
utilizados na caracterizao quantitativa da microestrutura formada. As diferentes morfologias
de estruturas formadas so fortemente influenciadas pela instabilidade causada por diferentes
valores do SRC. Entretanto, a modificao morfolgica da interface plana para a dendrtica
no ir depender somente do gradiente trmico GL, ela est diretamente relacionada com a
razo GL/VL, e na medida em que esse valor cai abaixo de um valor crtico, a instabilidade da
interface inevitvel e estruturas celulares e dendrticas sero formadas (Kurz & Fisher,
1992; Koseki & Flemings, 1995; Hunt & Lu, 1996; Trivedi et al., 2001; Castro et al., 2001).
Dessa forma, a regio super-resfriada constitucionalmente estendida e a clula
comea a se desviar da forma circular original, passando a apresentar uma configurao
denominada de cruz de malta, conforme mostra o esquema apresentado pela Figura 2.8.
Nessas condies de solidificao os fatores cristalogrficos passam a exercer elevada
influncia quanto ao crescimento da microestrutura, passando a ser desviado para a direo
cristalogrfica preferencial (Chalmers, 1968; Flemings, 1974; Kurz & Fisher, 1984; 1992;
Garcia, 2007; Ding & Tewari, 2002; Rocha 2003).
Portanto, o crescimento de clulas regulares se d a velocidades baixas e
perpendicularmente interface slido/lquido e na direo de extrao do fluxo de calor,
sendo praticamente independente da orientao cristalogrfica e, com o aumento do grau desuper-resfriamento constitucional ocorrem instabilidades de maior ordem, com surgimento de
braos secundrios que caracterizam a rede dendrtica (Spinelli, 2005). Essa transio de
celular para dendrtica influenciada por fatores cristalogrficos terminam quando a direo
preferencial atingida (Ding et al., 1996; 1997; Yu et al, 1999; Ding & Tewari, 2002).
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Figura 2.8Mudana morfolgica na estrutura de crescimento medida que a velocidade
aumentada: (a) crescimento celular regular em baixas velocidades; (b) crescimento celularcom alterao na direo de crescimento; (c) transio celular/dendrtica; (d) crescimentodendrtico com incio da formao de instabilidades laterais (Adaptado de Garcia, 2007).
Na Figura 2.9, pode ser observada a influncia da razo GL/VLna instabilizao da
interface planar. Uma liga de composio Co, constituda por uma estrutura planar, por
exemplo, a mudana de estrutura para celular ou dendrtica pode ser conseguida pela
imposio de um aumento gradativo da velocidade de solidificao ocasionando,
consequentemente, a diminuio da razo GL/VL.
Figura 2.9Condies de transio planar/celular/dendrtica pelo efeito de super-resfriamento constitucional (Garcia, 2007).
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2.1.4 Leis de crescimento celular e dendrtico
fato comprovante que sob a maioria das condies em que o processo de
solidificao geralmente ocorre, a morfologia dendrtica a microestrutura predominante nos
produtos fundidos obtidos e exerce elevada influncia nas propriedades futuras. Assim sendo,
vrios pesquisadores no mundo procuram desenvolver modelos matemticos que permitam
prever a microestrutura de solidificao.
Microestruturas dendrticas refinadas, caracterizadas por espaamentos de braos
dendrticos so reconhecidamente superiores uma vez que proporcionam melhores
propriedades mecnicas como, por exemplo, ductilidade e limite de resistncia trao
(Osrio, 2003; Quaresma et al., 2000). Assim, prefervel a utilizao de sistemas de
solidificao com condies de resfriamento mais eficazes, o que vai permitir a obteno de
microestruturas com espaamentos menores e com uma distribuio mais uniforme da
segregao microscpica existente entre as ramificaes celulares e dendrticas para a melhor
caracterizao.
Ao longo dos anos, muitas pesquisas tm sido desenvolvidas objetivando investigar
os parmetros operacionais e trmicos que influenciam o grau de refino de uma estrutura
dendrtica. Assim, uma interessante forma de estudar o crescimento de clulas e dendritas em
peas fundidas fundamentada na anlise de estruturas brutas obtidas a partir de sistemas de
solidificao unidirecional. Modelos tericos para ligas binrias (Okamoto & Kishitake, 1975;Hunt, 1979; Kurz & Fhisher, 1984; 1986; 1989; 1992; Trivedi, 1984; Hunt & Lu, 1996;
Bouchard & Kirkaldy, 1997), fundamentados nesses sistemas de solidificao, foram
desenvolvidos para examinar a influncia dos parmetros trmicos da solidificao sobre os
espaamentos celulares e dendrticos primrios e secundrios. A partir de modelos propostos
pela literatura, apenas o de Hunt-Lu e Bouchard-Kirkaldy so elaborados para condies de
solidificao em regime transitrio de extrao de calor; os demais so para regime
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estacionrio. Esses estudos tm estabelecido relaes entre parmetros estruturais e
parmetros trmicos de solidificao na forma generalizada pela Equao (2.1).
, , = CG, V, TR (2.1)
Onde C uma constante que depende do tipo de liga; o a um expoente que tem
sido determinado experimentalmente na literatura para uma srie de ligas (Horwath &
Mondolfo, 1962; Couthard & Elliot, 1967; Spittle & Lloyd, 1979; McCartney & Hunt, 1981;
Billia et al., 1981; Tunca & Smith, 1988; Kirkaldy et al., 1995; Ding et al., 1996; Bouchard &
Kirkaldy, 1997; Rios & Caram, 1997; Lapin et al., 1997; Lee et al., 1998; Chen & Kattamis,
1998; Li et al., 1998; Li & Beckermann, 1999; ODell, Ding &Tewari, 1999; Feng et al.,
1999; Lima & Goldenstein, 2000; Yang et al., 2000; Rocha et al., 2000; 2002; 2003; ardili
& Gunduz, 2000; Drevet et al., 2000; Quaresma et al., 2000; Osrio & Garcia, 2002;
Moutinho, 2011; Silva, 2007; Cant, 2009; Dias, 2012; Carvalho, 2011; Nogueira, 2011;
Nogueira et al., 2012; Kikuchi et al., 2011; Cruz, 2008; Costa, 2013); C, 1 e 2 so,
respectivamente, espaamentos celulares, dendrticos primrios e dendrticos secundrios; GL
o gradiente de temperatura frente da isoterma lquidus; VL a velocidade de deslocamento
da isoterma lquidus, e; TR a taxa de resfriamento, que pode ser expressa tambm pelo
produto GL.VL(Spinelli, 2005).As Tabelas 2.1 e 2.2 apresentam, respectivamente, os modelos tericos para
crescimento celular e dendrticos primrios e os experimentais desenvolvidos para ligas
binrias base de alumnio, sob condies direcionais e transitrias de extrao de valor.
Observa-se pela Tabela 2.2, os modelos experimentais das leis que representam o crescimento
dos espaamentos dendrticos primrios que igual quela representada pela Equao 2.1,
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isto , uma frmula do tipo potncia onde o expoente a pode ser igual a 1,1 e 0,55 para
correlao de 1com VLe TR, respectivamente.
Tabela 2.1Modelos tericos para crescimento dendrtico primrios
Autor Modelo MatemticoRegime deExtraode Calor
Equao
Okamoto eKishitakeOK (1975)
= 2 mDC1 kVG
Estacionrio 2.2
Hunt
H (1979) ou = 2,83mC1 kD G V Estacionrio 2.3Kurz e FisherKF (1981) = 4,3 [TDk ]
G V Estacionrio 2.4TrivediT (1984) = 22LmC1 kD G V Estacionrio 2.5Hunt e LuHL (1996) = 4,09k, (T)
, D,V, Estacionrioe transitrio 2.6
Hunt e LuHL (1996)
= 0,07798V,V G,G,
a = 1,131 0,1555logG 0,007589logG
=Tk , G =GkT =, e V =VkDT
Estacionrioe transitrio
2.7
Bouchard eKirkaldyBK (1997)
= a 16C GD1 kmGV
Transitrio 2.8
c, 1, so, respectivamente, os espaamentos dendrticos celular e primrio;
mL, a inclinao da linha lquidus;
DLdifusividade de soluto no lquido;
C0, composio de soluto da liga;
k0coeficiente de partio de soluto
VL, velocidade de deslocamento da isoterma lquidus, e
GL, gradiente de temperatura frente da isoterma lquidus.
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G0, parmetro caracterstico 600 x 6 Kcm-1 (valor definido para compostos orgnicos).(Bouchard e Kirkaldy, 1997).
a1, fator de calibrao do modelo
L, calor latente de fuso e ocoeficiente de Gibbs-Thonson.
Tabela 2.2Leis experimentais para previso dos espaamentos dendrticos primrios paraligas binrias base de alumnio
Autor Liga Lei de CrescimentoSistema de
SolidificaoEquao
Rocha (2003)Al-5%Cu = 250TR, VerticalAscendente 2.9Al-8%CuAl-15%Cu
Peres (2005)
Al-3%Si
= 220TR, VerticalAscendente 2.10Al-5%SiAl-7%SiAl-9%Si
Cruz (2008)Al-20%Sn = 70TR, VerticalAscendente 2.11Al-30%SnAl-40%Sn
Cant (2009)
Al-1%Ni
= 100TR, VerticalAscendente
2.12
Al-1,9%NiAl-3%Ni
Al-4,7%NiAl-5%Ni
Al-2,5%Ni = 220TR,Carvalho (2013)
Al-3%Si = 240TR, Horizontal 2.13Al-7%SiAl-9%Si
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3 MATERIAIS E MTODOS
3.1 CONSIDERAES INICIAIS
As etapas de preparao, determinao dos parmetros trmicos e caracterizao da
liga, podem ser organizadas em forma de fluxograma, conforme Figura 3.1.
Figura 3.1Fluxograma das etapas adotadas no procedimento experimental deste trabalho.
Etapa 1
Clculo estequiomtrico para a obtenao da composio
desejada;
Corte e pesagem dos elementos componentes da liga
estudada;
Introduo e aquecimento da liga no forno mufla;
Fuso dos componentes da liga no forno mufla.
Etapa 3
Corte do lingote para a obteno da respectiva macroestrutura;
Corte e embutimento das correspondentes microestruturas;
Preparao metalogrfica das amostras;
Caracterizao macro e microestrutural da mesma.
Etapa 2
Vazamento da liga no dispositivo de solidificao horizontal;
Mapeamento das temperaturas do metal durante o processo de
solidificao;
Obteno dos perfis de temperatura da liga estudada;
Determinao dos parmetros trmicos de solidificao de
interesse.
Etapa 4
Medio dos espaamentos dendrticos primrios;
Determinao das leis experimentais de crescimento em funo das
variveis trmicas de solidificao;
Comparao dos resultados obtidos com os modelos experimentais
existentes na literatura.
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3.2 EQUIPAMENTOS E MATERIAIS UTILIZADOS
A liga investigada foi obtida a partir de lingotes de alumnio e estanho
comercialmente puros, cujas composies qumicas so apresentadas na Tabela 3.1. Para
elaborao da mesma, os referidos lingotes foram seccionados em pequenas quantidades em
uma serra de fita na proporo estequiometricamente exata e a seguir pesados em uma
balana eletrnica analtica com preciso de 0,01g. O alumnio foi introduzido em um cadinho
de carbeto de silcio, previamente revestido com uma camada de alumina para evitar a
contaminao das ligas, sendo em seguida conduzido at um forno tipo mufla, com
capacidade mxima de temperatura de trabalho de 1250 oC, interiormente revestido com
placas refratrias e controle de processamento de temperatura. Devido s temperaturas de
fuso dos componentes serem bastante diferentes, a liga foi obtida mediante o mecanismo de
difuso do soluto na matriz lquida do solvente, ou seja, aps a total fuso do alumnio o
cadinho foi retirado do forno sendo ento o estanho adicionado ao metal lquido. A mistura
foi homogeneizada com uma vareta de ao revestida com alumina a fim de facilitar a
incorporao do estanho na matriz de alumnio.
Tabela 3.1Anlise qumica da matria-prima utilizada nos experimentos
Metal
Composio Qumica % (em peso)
Al Fe Ni Si P Ca Ti SnAl 99,7 0,14 0,0069 0,1 - 0,0162 - 0,0084Sn
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final da solidificao, conforme indicado no diagrama de equilbrio de fases, para ajuste da
composio de soluto. As Figuras 3.2 e 3.3 apresentam, respectivamente, o diagrama de
equilbrio de fases, construdo a partir do software Thermo-calc, e a curva de resfriamento
obtida experimentalmente que caracteriza termicamente a liga Al-5,5%Sn, indicando os
valores das temperaturas lquiduseslidusda liga estudada.
Figura 3.2Diagrama de fase construdo no software Thermo-calc (Cruz et al., 2008).
Figura 3.3Curva de resfrimento para caracterizao trmica da liga, obtidaexperimentalmente, indicando os valores das temperaturas lquiduseslidusda liga estudada.
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3.3 DISPOSITIVO DE SOLIDIFICAO UNIDIRECIONAL HORIZONTAL
O dispositivo de solidificao e o sistema de aquisio de dados empregados nos
experimentos so mostrados de forma esquemtica nas Figuras 3.4 e 3.5, respectivamente.
Utilizado pela primeira vez por Silva (2007), integrante do Grupo de Pesquisa em Metalurgia
(GPM) do IFPA, foi projetado de tal maneira que o calor do metal lquido fosse extrado
somente atravs de um sistema refrigerado gua, localizado em uma das extremidades do
molde, promovendo assim a solidificao direcional horizontal. A lingoteira de ao inoxidvel
utilizada possui 110 mm de comprimento, 70 mm de largura, 60 mm de altura e 3 mm de
espessura. As superfcies laterais internas da mesma foram revestidas com camadas de
alumina e a parte superior foi isolada com material refratrio para evitar perdas de calor para
o meio ambiente.
Inicialmente, a liga estudada foi fundida in situ no dispositivo de solidificao e, em
seguida, levada at a temperatura correspondente a 10% acima de sua temperatura lquidus,
visando garantir a formao da zona colunar uma vez que os espaamentos primrios devem
ser quantificados na referida regio (Gndz et al., 2002; Rocha et al., 2003a; 2003b). Depois
de atingido o nvel de superaquecimento desejado, as resistncias eltricas do dispositivo
foram ento desligadas e, imediatamente, acionado o sistema de refrigerao a gua. Os jatos
do fluido refrigerante, direcionados to somente a uma das paredes laterais do molde,
induziram uma extrao de calor no sentido longitudinal, ou seja, apenas na direo horizontalconforme estabelecido neste estudo. Os valores das temperaturas no metal fundido foram
medidos em diferentes posies durante a solidificao e os dados obtidos foram armazenados
automaticamente. Para tanto, cinco termopares tipo K (Chromel - Alumel) foram
posicionados, conforme indicado nas Figuras 3.4 e 3.5, a distncias correspondentes a 5, 10,
15, 30 e 50 mm da superfcie de extrao de calor. Os termopares foram calibrados com base
no ponto de fuso do alumnio indicando flutuaes em torno de 1oC e conectados atravs de
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cabos coaxiais a um sistema de aquisio de dados em um computador. As principais
caractersticas dos termopares utilizados so as seguintes: dimetro igual a 1,5 mm; faixa de
utilizao at 1260 o
C (0,000 a 50,990) mV; potncia termoeltrica: 4,04 mV (100o
C). O
AMR-Software, marca ALMEMO Data-Control, foi o software utilizado para acompanhar,
registrar e armazenar os dados obtidos pelos termopares durante o processo de solidificao,
alm de possibilitar um monitoramento on-line dos dados medidos.
As variveis trmicas experimentais como velocidade de deslocamento da isoterma
lquidus (VL) e a taxa de resfriamento (TR) foram determinadas a partir dos perfis de
temperaturas obtidos para as cinco posies dos termopares, utilizando-se da tcnica
detalhada por Rocha et al.(2003a; 2003b; 2000).
Figura 3.4Representao esquemtica do dispositivo de solidificao direcional horizontalutilizado nos experimentos deste trabalho (Silva, 2007).
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Figura 3.5Representao esquemtica do dispositivo de solidificao, mostrando suainterface com o sistema de registro de temperaturas (Adaptado de Silva, 2007).
3.4 CARACTERIZAO MACRO E MICROESTRUTURAL
Finalmente, para caracterizar e quantificar a estrutura dendrtica analisada,
inicialmente foi revelada a macroestrutura de solidificao, visando avaliar a direcionalidade
da extrao de calor e, ao mesmo tempo, identificar o limite de formao dos gros colunares,
pois a literatura (Rocha, 2003; Spinelli et al., 2004; Cant et al., 2007; Hunt et al., 1996;
Hunt, 1979) orienta que na regio de crescimento desses gros que os espaamentos
primrios devem ser medidos. Para tanto, o reagente qumico Keller (10 ml de HF, 15 ml de
HCl, 25 ml de HNO3 e 50 ml de gua destilada) foi preparado e aplicado por imerso do
lingote no mesmo, durante um tempo de 30 segundos, at a completa revelao da
macroestrutura. Aps essa etapa, foram retirados transversalmente ao longo do comprimento
longitudinal do lingote dez corpos de prova, nas posies correspondentes a 10, 15, 20, 30,
40, 50, 60, 70, 80 e 90 mm, em relao interface metal/molde, destacando que na posio
central de 90 mm em relao base refrigerada foi observada a transio colunar/equiaxial
(TCE). A Figura 3.6 mostra a macrografia do lingote obtido para a liga Al-5,5%Sn, estudada
neste trabalho, indicando a posio da TCE e a regio de retirada dos corpos de provas para
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caracterizao e quantificao dos espaamentos dendrticos primrios (1). Logo, os corpos
de prova foram embutidos a frio, lixados e polidos com pasta de diamante de 6 m at 1 m.
Finalmente, foi realizado o ataque qumico com soluo de 5% de NaOH em gua destilada
para revelar as microestruturas. As miccrografias foram obtidas em um Microscpio
esteoscpico Olympus-Arotec SZ-61com luz refletida acoplada com cmera UC-30 a partir
do software analisador de imagens AnalySIS 5.1 da Olympus representado na Figura 3.8, e a
obteno das medidas de 1 foram realizadas utilizando-se o software Image Tool (IT),
disponvel na internet. O mtodo para quantificar os valores desses espaamentos se encontra
esquematizado na Figura 3.7 e foi utilizado por ardilli et al.(2000) e Rocha et al. (2003a;
2003b; 2000; 2002).
Figura 3.6Macroestrutura da liga Al-5,5%Sn com destaque a TCE e a Regio de mediode 1.
Figura 3.7Tcnica de Medidas dos espaamentos dendrticos primrios, utilizando omtodo do tringulo (Rocha, 2003; Gndz et al., 2002; Cruz et al., 2008): (a) esquema
representativo; (b) Microestrutura obtida deste trabalho.
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Figura 3.8Analisador de Imagem utilizado para a obteno das micrografiassoftwareAnalySIS 5.1 no Microscpio ptico Olympus UC30Laboratrio de Caracterizao de
MateriaisLCM do IFPA (Dias, 2012).
A Tabela 3.2 apresenta as propriedades termofsicas aplicadas nos modelos
matemticos utilizados para o clculo dos valores tericos dos espaamentos dendrticos
primrios.
Tabela 3.2Propriedades Termofsicas das ligas do sistema Al-Sn para o clculo dosespaamentos tericos (Cruz et al., 2008; Bouchard-Kirkaldy, 1997).
Propriedades Al Sn Al-5,5%SnSkgm
2550 7166 3011,6
Lkgm
2368 6986 2829,8L (J/kg ) 397500 60700 -TF[
oC] 660 232 -TL[
oC] - - 650TE[
oC] - - 227k0 - - 0,041
m - - 177,4 x 10-9D [m2/s] - - 3,5 x 10-9
As curvas experimentais da variao de temperatura com o tempo, obtidas para
diferentes posies de termopares, foram armazenadas no registrador de temperatura e
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posteriormente processadas no programa Origin 8.0, o qual gera curvas que representam
perfis de temperatura para cada termopar, conforme esquema mostrado na Figura 3.9.
A partir dessas curvas, podem ser determinadas para todas as ligas analisadas
experimentalmente, as variveis trmicas de solidificao (VL, GL, TR). As velocidades
experimentais para a isoterma lquidus(VL) so determinadas a partir da derivao da funo
P=f(t), ou seja, VL=dP/dt, onde a funo P=f(t) foi obtida experimentalmente pela interseo
das retas de cada temperatura lquidus (TL) com os perfis trmicos em cada posio dos
termopares, ou seja, a partir da TL das ligas traa-se uma reta paralela ao eixo do tempo
indicado no grfico que representa o perfil trmico, conforme esquema indicado na Figura
3.9. A partir das intersees dessa reta com os perfis trmicos, obtm-se o tempo
correspondente. O tempo correspondente pode ser definido como sendo o tempo, t, de
passagem da isoterma lquidus, TL,para cada posio do termopar. Ento, os resultados dos
pares ordenados posies, P, e os tempos, t, (P, t) obtidos a partir do procedimento, permitem
que seja traado um grfico experimental da posio da isoterma lquidus com o tempo.
As taxas de resfriamento (TR) foram obtidas experimentalmente para cada posio
dos termopares, atravs das intersees das retas de cada temperatura lquidus (TL) com os
perfis trmicos em cada posio dos termopares, e a partir do resultado da leitura do quociente
das temperaturas imediatamente antes e depois da TLe dos tempos correspondentes, isto ,
dTR=dT/dt. A Figura 3.9 representa tambm a metodologia esquemtica do procedimentoutilizado para os clculos de VLe TR.
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Figura 3.9Tratamento dos dados experimentais para obteno das variveis trmicas(Rocha, 2003).
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4 RESULTADOS E DISCUSSES
4.1 MACROESTRUTURA DE SOLIDIFICAO
A macroestrutura de solidificao do lingote obtido para a liga Al-5,5%Sn, vazada
com um superaquecimento de 10% da temperatura lquidus (TL = 650C), pode ser observada
na Figura 4.1. Verifica-se que a Transio Colunar-Equiaxial (TCE) ocorreu em uma faixa de
posio que variou de 80 a 98 mm em relao base refrigerada. Sabe-se que fenmenos
fsicos complexos, provocados pela conveco devida os gradientes de temperaturas e a
rejeio de soluto frente interface de solidificao, que somada com o efeito da gravidade
(g), atuando em direo perpendicular interface slido/lquido (S/L), devem estar
provocando a morfologia da TCE caracterizada na Figura 4.1. Estudos mais aprofundados
esto sendo desenvolvidos pelo Grupo de Pesquisa GPM para explicar fisicamente o
fenmeno. Imaginando uma linha na longitudinal do lingote, rea de retirada dos corpos de
provas para caracterizao e quantificao de 1, pode-se observar que a TCE ocorre a 90 mm
da interface metal-molde.
Figura 4.1Macroestrutura de solidificao da liga Al-5,5%Sn.
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4.2 PARMETROS TRMICOS DE SOLIDIFICAO VL, TR, GL
A Figura 4.2 apresenta a curva correspondente s respostas dos termopares inseridos
no interior da lingoteira em diferentes posies da superfcie resfriada para a liga estudada, no
experimento de solidificao em regime transitrio de extrao de calor.
0 100 200 300 400 500
0
100
200
300
400
500
600
700
800
TL
Temperatura(C)
Tempo (s)
Termopar 05 mm
Termopar 10 mm
Termopar 15 mm
Termopar 30 mm
Termopar 50 mm
Al-5,5%Sn
TL
= 650oC
TV
= 715oC
Figura 4.2Curva experimental de resfriamento da liga estudada. TLe TV so as temperaturaslquiduse vazamento do metal lquido, respectivamente.
Para a determinao dos valores dos parmetros trmicos de solidificao VL e TR,
que variam tanto em funo do tempo como da posio durante a solidificao, as leituras dos
termopares (Figura 4.2) foram utilizadas para gerar um grfico da posio da interface
metal/molde em funo do tempo correspondente passagem da frente lquidus pelos
termopares. Os tempos experimentais foram obtidos a partir das intersees das retas de cada
temperatura lquidus(TL) com as curvas de resfriamento, para cada posio dos termopares.
Uma tcnica de ajuste por curva a esses pontos experimentais gerou uma expresso algbrica
da posio em funo do tempo, conforme apresentado na Figura 4.3.
A derivada da funo potncia da posio com relao ao tempo, ou seja, V L= dP/dt,
permitiu a obteno dos respectivos valores experimentais para as velocidades de
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deslocamento da isoterma lquidusa partir da interface metal/molde em funo do tempo. Os
resultados gerados so mostrados na Figura 4.4.
Por outro lado, os valores das taxas de resfriamento (T R) foram determinados
considerando os perfis experimentais de temperatura (Figura 4.2), conforme metodologia
apresentada por Rocha et al.(2003a; 2003b; 2000). Os resultados obtidos esto indicados na
Figura 4.5.
Vale destacar, por meio das observaes das Figuras 4.4 e 4.5, que os parmetros
trmicos de solidificao VLe TR diminuem com o avano da posio da isoterma lquidus,
isto , quanto mais prximo da base refrigerada maiores so esses parmetros. Esse fenmeno
pode ser explicado atravs da formao contnua da camada solidificada na mesma direo e
sentido do avano da solidificao, promovendo resistncia trmica extrao de calor por
conduo. Conforme pode ser observado pelas Figuras 4.3 e 4.5 , foi possvel constatar um
ajuste entre os pontos experimentais e as correspondentes curvas, validado matematicamente
pelos valores representados pelos coeficientes de correlaes R2 do mtodo dos mnimos
quadrados, iguais a 0,76 e 0,92, respectivamente.
10 20 30 40 50 60 70 80 90
0
10
20
30
40
50
60
Al - 5,5% Sn
Experimental
P = 0,99(t)0,89
R2= 0,76P
osio,
P(mm
)
Tempo, t (s)
Figura 4.3Posio das isotermas lquidusa partir da interface metal/molde em funo dotempo da liga estudada.
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0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0,50
0,55
0,60
0,65
0,70
0,75
0,80
Al - 5,5% Sn
VL= 0.88(P)-0.10
Velocid
adedaisotermaliquidus-VL
(mm/s
)
Posio - P (mm)
Figura 4.4Correlao entre velocidade de deslocamento da isoterma lquiduscom aposio.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0
1
2
3
4
5
Al 3,8% Sn
TR= 11(P)-0.54
R2
= 0,92
Tax
aderesfriamentoTR
(C/s)
Posio - P (mm)
Figura 4.5Taxa de resfriamento a partir da interface metal/molde em funo da posio.
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4.3 PARMETROS MICROESTRUTURAIS DA SOLIDIFICAO
4.3.1 Microestrutura (1)
As microestruturas observadas ao longo das sees transversais da liga estudada
apresentaram morfologia dendrtica para todas as composies examinadas. As referidas
microestruturas, conforme citado anteriormente, foram obtidas nas posies correspondentes a
5, 10, 15, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 e 90 mm em relao superfcie de extrao de calor. Na
Figura 4.6, so apresentadas micrografias da liga Al-5,5%Sn e os correspondentes valores de
TR, VLe 1em trs diferentes posies do lingote de modo a permitir representar e comparar a
evoluo das microestruturas dendrticas, bem como as condies locais de solidificao,
parametrizadas pelas variveis trmicas. Sendo assim, foram selecionadas as microestruturas
nas seguintes posies: prxima base refrigerada, na regio central do lingote e prximo
ocorrncia da TCE, considerando o centro do produto fundido.
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MicroestruturaP
Posio(mm)
VLVelocidade
(mm/s)
TRTaxa de
Resfriamento(0C/s)
Espaamento
primrio (m
5 0,75 4,6 65
50 0,6 1,3 119
90 0,56 0,91 142
Figura 4.6Micrografias da liga Al-5,5%Sn e os correspondentes valores de TR, VLe 1para
a liga Al-5,5%Sn solidificada direcionalmente em regime transitrio de extrao calor.
4.3.2 Correlao entre parmetros trmicos e microestrutura
As Figuras 4.7a, 4.7b e 4.7c apresentam, respectivamente, a correlao dos
espaamentos dendrticos primrios em funo da posio e da velocidade de deslocamento
da isoterma lquidus e da Taxa de Resfriamento. Verifica-se pelas mesmas o aumento desses
espaamentos para posies mais afastadas da interface metal/molde, isto , para posies do
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lingote mais distantes da cmara refrigerada (interface metal/molde) mais grosseira a
estrutura dendrtica e, consequentemente, maior o espaamento primrio (1).
Com base nos procedimentos experimentais adotados, foram realizadas as medies
dos espaamentos dendrticos primrios em posies especficas a partir da interface
metal/molde. Os resultados obtidos so apresentados na Figura 4.7(a). Em anlise
concomitante as Figuras 4.4 e 4.5, permitem observar que a ao do fluido de refrigerao
impe valores de velocidades e taxas de resfriamento bastante elevadas prximo interface
metal/molde e que estes diminuem gradativamente durante a solidificao em funo do
aumento da resistncia trmica promovida pela progressiva formao do metal slido. Tal
efeito influencia diretamente os espaamentos dendrticos primrios, determinados
experimentalmente para a liga investigada.
A Figura 4.7(b) apresenta os valores experimentais dos espaamentos dendrticos
primrios em funo da velocidade de deslocamento da isoterma lquidus. Observa-se o
aumento dos espaamentos para posies mais afastadas da base refrigerada, isto ,
espaamentos maiores para velocidades (VL) menores. A partir dos dados experimentais foi
determinado o expoente 1,1, caracterizando assim uma lei experimental para os
espaamentos dendrticos primrios com VL, dada pela frmula matemtica 1 = constante
(VL)-1,1, representada na figura por uma linha contnua. A eficcia da concordncia entre
resultados e a equao experimental (grau de ajuste) foi parametrizado em termos docoeficiente de correlao R2do mtodo dos mnimos quadrados.
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Al-5,5%SnExperimental
1=43(P)
0,26
R2=0,98
Espaamentoprimrio,
1(
mm)
Posio, P (mm)
6x10-1
7x10-1
8x10-1
102
103
Al-5,5%Sn Experimental
1=62(VL)-1,1
R2=0,70
Espaamentoprimrio,
1(mm)
Velocidade da isoterma lquidus, VL
(mm/s)
100
2x100
3x100
4x100
5x100
102
103
Al-5,5%Sn Experimental
1=144(TR)-0,55
R2=0,98
Espaamentoprimrio,
1
(mm)
Taxa de resfriamento, TR
(K/s)
Figura 4.7Correlao entre os espaamentos dendrticos primrios e as variveis trmicas:(a) 1= f(P); (b) 1= f(VL); (c) 1= f(TR).
(a)
(b)
(c)
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A Figura 4.7(c) mostra os resultados experimentais dos espaamentos dendrticos
primrios da liga investigada em funo da taxa de resfriamento. Da mesma maneira que para
o parmetro de solidificao anterior (VL), os referidos espaamentos tambm diminuem para
valores mais elevados de TR. A mesma figura tambm permite observar que o expoente0,55,
obtido, caracteriza a lei de crescimento dos espaamentos dendrticos primrios com TR. Esse
comportamento mostra uma concordncia muito boa com os resultados obtidos por Bouchard
e Kirkaldy (1997) e Rocha (2003) para ligas de diversos sistemas binrios base de alumnio,
solidificadas em moldes verticais ascendentes sob condies transientes de extrao de calor,
os quais so representados por equaes na forma de potncia em funo do tempo, definidas,
respectivamente por 1 = constante(TR)-0,50 e 1 = constante(TR)
-0,55. Vale destacar que
recentemente Cruz (2008) obteve como resultado a mesma equao de potencia para 1 em
funo de TR, observando tambm o expoente -0,55 e a constante igual a 70 para ligas da
famlia Al-mSn, sendo que m assume valores variveis do teor de Sn iguais a: 10%, 30% e
40%. O referido autor apresenta em seu trabalho, uma comparao dos seus resultados com os
dados experimentais obtidos por Okamoto-Kishitake (1975). Neste trabalho, aproveita-se o
estudo de Cruz (2008) e faz-se uma comparao entre os resultados obtidos pelo referido
autor com os de Okamoto-Kishitake (1975) e com os obtidos experimentalmente para a liga
Al-5,5%Sn, solidificada no sistema horizontal sob regime transitrio de extrao de calor. A
Figura 4.8 apresenta tal comparao. Observa-se uma excelente aproximao dos resultadosobtidos neste trabalho com os de Okamoto- Kishitake (1975). Provavelmente, a faixa
composicional abordada neste trabalho e por Okamoto-Kishitake para as ligas Al-Sn
influenciam nos resultados. Cruz concluiu que os espaamentos dendrticos primrios obtidos
por Okamoto- Kishitake foram cerca de quatro vezes maiores que os obtidos por ele.
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100
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Liga Al-1% Sn [Okamoto & Kishitake 1975]
Liga Al-3% Sn [Okamoto & kishitake 1975]
Liga Al-5% Sn [Okamoto & Kishitake 1975]
1=70[ TL]-0,55
- Cruz [2008]
1=144[ TL]-0,55
- deste trabalho
Espaamentoprimrio,
(1)[
mm]
Taxa de Resfriamento, (TR
) [K/s]
Figura 4.8Comparao de dados experimentais retirados de Okamoto-Kishitake (1975),Cruz (2008) e a equao experimental para espaamento dendrtico primrio, em funo da
taxa de resfriamento do presente trabalho (Adaptado de Cruz, 2008).
A Figura 4.9 apresenta a comparao entre os resultados experimentais obtidos e os
modelos tericos e transitrios de crescimento primrio, que so Hunt e Lu (HL) (1996) e
Bouchard-Kirkaldy (BK) (1997), representados pelas Equaes 2.7 e 2.8 da Tabela 2.1,
respectivamente. Observa-se pela Figura 4.9 que ambos modelos superestimaram os valores
experimentais deste trabalho. Resultado semelhante foi observado por Cruz (2008) para
solidificao direcional vertical, concluindo que embora o modelo de HL seja considerado
adequado para ligas de alumnio, em especial ligas dos sistemas Al-Si e Al-Cu, solidificadas
em estado transitrio de fluxo de calor, os resultados experimentais obtidos por ele no podem
ser representados por tal modelo, j que as curvas do modelo esto distantes da disperso dos
valores experimentais para as trs composies estudadas pelo referido autor. De modo
semelhante, Cruz (2008) tambm observou que os valores experimentais no se ajustaram ao
modelo de Bouchard-Kirkaldy (BK) para crescimento primrio, pois, segundo o autor a
disperso dos pontos experimentais encontra-se abaixo da curva, igualmente observado no
presente trabalho. O autor atribui tal comportamento ao extenso intervalo de solidificao do
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sistema Al-Sn, e a grande diferena de massa especfica entre os dois componentes
(virtualmente imiscveis), que aumenta significativamente nas condies de extrao de calor
na direo vertical, cujo fenmeno pode ser atribudo tambm ao comportamento observado
do presente trabalho.
O modelo de BK prope um fator de calibrao (a1) igual a 250 para ligas de Al (Al-
Sn, Al-Cu, Al-Si), que no se aplica para a liga Al-5,5%Sn solidificada sob as condies
utilizadas neste estudo. Se o fator de calibrao (a1) adotado 50, o modelo de BK ajusta-se
satisfatoriamente. Cruz (2008) prope o fator a1 = 14 para o sistema Al-Sn solidificado no
sistema vertical.
1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5
1
Experimental
HL (min)
HL (max)
BK - a1
= 250
BK - a1
= 50 (proposta deste trabalho)
10000
Al-5,5%Sn
Espaamentoprimrio,
1[mm]
Taxa de resfriamento, TR(K)/s Figura 4.9Comparao entre os resultados experimentais obtidos e os modelos tericos e
transitrios de crescimento primrio, que so Hunt e Lu (1996) e Bouchard e Kirkaldy (1997).
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5 CONCLUSES
A anlise dos resultados das investigaes tericas e experimentais conduzidas ao
longo deste trabalho, relacionados solidificao direcional horizontal transiente da liga Al-
5,5%Sn e somadas s comparaes realizadas, tendo como referncia os demais estudos
contidos na literatura no assunto, podem ser extradas as seguintes concluses:
1. A observao da macroestrutura permitiu comprovar a direcionalidade do processo de
solidificao, evidenciada pelo crescimento dos gros colunares paralelamente
direo do fluxo de extrao de calor.
2. A velocidade de deslocamento da isoterma lquidus(VL) e a taxa de resfriamento (TR)
frente interface slido/lquido diminui com o avano da referida isoterma, isto ,
menores valores para esses parmetros so encontrados em posies mais afastadas da
superfcie de extrao de calor. Os valores dessas variveis trmicas podem ser
representados por equaes experimentais expressas na forma de potncia do tipo (VL,
TR) = C(P)-n, sendo C n iguais a 0,88 e -0,10 e 11 e -0,54 para VL e TR,
respectivamente, em funo de P.
3. Os espaamentos dendrticos primrios aumentam progressivamente da interface
metal/molde para o interior do lingote, uma vez que a ao do fluido de refrigerao
impe valores de velocidades e taxas de resfriamento bastante elevados prximo
superfcie de extrao de calor, sendo que estes diminuem gradativamente durante asolidificao em funo do aumento da resistncia trmica, promovida pela
progressiva formao da camada de metal slido.
4. A variao dos espaamentos dendrticos primrios pode ser representada por
equaes experimentais na forma de potncia em funo da velocidade da isoterma
lquiduse da taxa de resfriamento dadas pelas frmulas matemticas: 1= 62(VL)-ae
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1=144(TR)-b, fornecendo como expoentes a=1,1 e b=0,55, respectivamente, conforme
proposto pela primeira vez por Rocha (2003) e, mais recentemente, por outros autores.
5.
Os resultados obtidos neste trabalho, quando comparados com os de Okamoto-
Kishitake (1975), nos permite concluir uma excelente aproximao entres os mesmos
e que a faixa composicional utilizada em ambos os trabalhos influenciam nesses
resultados, inclusive no afastamento dos resultados deste trabalho em relao aos
encontrados por Cruz (2008);
6. A comparao entre os resultados experimentais obtidos neste trabalho com os dos
modelos tericos para regimes transitrios de crescimento primrio, propostos,
respectivamente, por Hunt e Lu (HL) e Bouchard e Kirkaldy (BK), permiti-nos
concluir que os valores tericos superestimaram os valores experimentais deste
trabalho e que o elevado intervalo de solidificao desse sistema de liga pode estar
influenciando nesses resultados. Por outro lado, se o fator de calibrao (a1) do modelo
de BK adotado 50, em vez de 250, a curva terica obtida ajusta-se satisfatoriamente.
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SUGESTES PARA TRABALHO FUTUROS
Considerando os resultados obtidos, as discusses e as concluses realizadas neste
trabalho, podem ser sugeridas as seguintes linhas de pesquisas para realizao de trabalhos
futuros:
(1) Analisar os espaamentos dendrticos primrios para diferentes composies de Sn,
durante a solidificao direcional horizontal para o sistema de liga assumido neste
trabalho;
(2) Analisar os espaamentos dendrticos secundrios e tercirios durante a solidificao
direcional horizontal da liga utilizada no presente estudo, assim como para diferentes
composies de Sn.
(3) Desenvolver estudos que correlacionem espaamentos dendrticos primrios,
secundrios e tercirios de ligas de sistemas binrios, considerando diferentes
dispositivos de solidificao unidirecional (horizontal, vertical ascendente e vertical
descendente), diferentes tipos de moldes (refrigerado, macio, etc) e lingotes de
diferentes dimenses.
(4) Avaliar a macrossegregao durante a solidificao direcional horizontal para ligas do
sistema Al-Sn.
(5) Correlacionar parmetros trmicos e espaamentos dendrticos primrios obtidos
durante a solidificao horizontal com propriedades mecnicas (LRT, dureza,desgaste, etc).
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REFERNCIAS
BILLIA, B.; JAMGOTCHIAN, H.; CAPELLA L. Unidirectional solidification of dilute Pb-
Bi alloys,Acta Metallurgica, v. 29, pp. 1785-1789, 1981.BOEIRA, A.P. Macrossegregao e formao de poros na solidificao de ligasAl-Cu:
Modelagem numrica e desenvolvimento experimental. 2006. Tese (Doutorado
em Engenharia Mecnica), Universidade de Campinas, Campinas, 2006.
BOUCHARD, D.; KIRKALDY, J. S. Scaling of intragranular dendritic microstruture in
ingot solidifications.Metallurgical and Materials Transaction B, v. 27B, p. 101-113,
1996.
BOUCHARD, D.; KIRKALDY, J. S. Prediction of dendrite arm spacings in unsteady andsteady-state heat flow of unidirectionally binary alloys. Metallurgical and
Materials Transactions B, v. 28B, p. 651-663, 1997.
CANT, MANUEL VENCESLAU. Solidificao Transitria, Microestrutura e
Propriedades de Ligas Al-Ni.2009. Tese (Doutorado em Engenharia Mecnica)
Universidade de Campinas, Campinas, 2009.
CARVALHO, DIEGO DE LEON BRITO. Espaamentos dendrticos primrios da liga Al-
3%Si solidificada unidirecionalmente sob condies transientes de extrao de
calor. 2011. Trabalho de Concluso de Curso (Graduao em Engenharia de
Mecnica)Universidade Federal o Par, Belm, Par, 2011.
CASTRO B. W.; MAIA L. M.; KIMINAMI S. C.; BOLFANI C. Microstructure of
undercooled Pb-Sn alloys,Materials Science and Enginneering A, v. 304-306, pp.
255-261, 2001.
CHALMERS, B. The structure of ingots.The Journal of the Australian Institute of Metals,
v. 8, p. 255, 1968.
CHEN, M.; KATAMMIS, T. Z. Dendrite coarsening during directional solidification of
Al-Cu-Mn alloys.Materials Science Engineering A, v. 247, pp. 239-247, 1998.
COUTHARD, J. O.; ELLIOT R. The dependence of the cellular interface structure in
dilute binary alloys on solidification conditions, Journal of the Institute of Metals,
v. 95, pp. 21-23, 1967.
COSTA, THIAGO ANTNIO PAIXO DE SOUZA. Solidificao horizontal transitria
da liga al-6%cu-8%si: microestrutura e dureza.2013. Trabalho de Concluso de
Curso (Graduao em Engenharia de Mecnica), Universidade Federal o Par,
Belm, Par, 2013.
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59
CRUZ, KLEBER AGUSTIN SABAT DA. Microestrutura de Solidificao, Resistncias
Mecnica e ao Desgaste de Ligas Al-Sn e Al-Si. 2008. Tese (Doutorado em
Engenharia Mecnica), Universidade de Campinas, Campinas, 2008.
CRUZ, K. S; MEZA, E. S.; FERNANDES, F. A. P.; QUARESMA, J. M. V.; CASTELETTI,
L. C.; GARCIA, A. Dendritic arm spacing affecting mechanical properties and
wear behavior of Al-Sn and Al-Si alloys directionally solidified under unsteady-
state conditions,Metallurgical and Materials Transactions A, v. 41A, p. 972-984,
2010.
ADIRLI, E.; GNDZ, M. The directional solidification of Pb-Sn alloys, Journal of
Materials Science, v. 35, p. 3837-3848, 2000.
DIAS FILHO, JOS MARCELINO DA SILVA. Anlise Terico-Experimental dosEspaamentos Dendrticos Primrios e Secundrios da Liga Al-6%Cu
Solidificada Unidirecionalmente sob Condies Transitrias de Extrao de
Calor. 2012. Trabalho de Concluso de Curso (Graduao em Engenharia de
Materiais), Instituto Federal de Educao, Cincia e Tecnologia do Par, Belm,
Par, 2012.
DIAS FILHO, JOS MARCELINO DA SILVA. Anlises trmica e microestrutural na
solidificao de ligas monofsica e peritticas do sistema Zn-Ag. 2013.Dissertao (Mestrado em Engenharia Mecnica), Universidade de Campinas,
Campinas, 2013.
DING, G.; HUANG W. D,; HUANG X.; LIN X.; ZHOU Y. On primary dendritic spacing
during unidirectional solidification, Acta Materialia, v. 44, n. 9, pp. 3705-3709,
1996.
DING, G.; HUANG W. D,; LIN X.; ZHOU Y. Prediction of average spacing for
constrained cellular/dendritic growth, Journal of Crystal Growth, v. 177, pp.281-288, 1997.
DING, G. L.; TEWARI, S. N. Dendritic Morphologies of Directionally Solidified Single
Crystal Along Different Crystallographic Orientations. Journal of Crystal
Growth, v. 236, p. 420-428, 2002.
DREVET, B.; THI, H. N.; CAMEL, D.; BILLIA, B.; DUPOUY, M. D. Solidification of
aluminium-lithium alloys near the cell/dendrite transition-influence of solutal
convection,Journal of Crystal Growth, v. 218, p. 419-433, 2000.
-
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60
FENG, J.; HUANG, W. D.; LIN, X.; PAN, Q. Y.; LI, T.; ZHOU, Y. H. Primary
cellular/dendrite spacing selection of Al-Zn alloy during unidirectional
solidification, Journal of Crystal Growth, v.197, pp. 393-395, 1999.
GARCIA, A. Solidificao: fundamentos e aplicaes. 2 ed. Campinas-SP: Editora da
Unicamp, 2007.
GOMES, LARCIO GOUVEA. Microestrutura Dendritica, Macrossegregacao e
Microporosidade na Solidificacao de Ligas Ternarias Al-Si-Cu. 2012. Tese
(Doutorado em Engenharia Mecnica) Universidade de Campinas, Campinas,
2012.
GNDZ, M.; ARDILI, E. Directional Solidification of AluminiumCopper Alloys,
Materials Science and Engineering A, v. 327, p. 167185, 2002.HORWATH, J. A.; MONDOLFO L. F. Dendrite growth,Acta Metallurgica, v. 10, pp. 1037-
1042, 1962.
HUNT, J. D. Keynote Address: Cellular and primary dendrite spacings, International
Conference on Solidification and Casting of Metals, London, Metals Society, p. 3-9,
1979.
HUNT, J. D.; LU, S. Z. Numerical modeling of cellular array growth: spacing and
structure predictions,Metallurgical and Materials Transactions A, v. 27A, p. 611-623, 1996.
KIRKALDY, J. S.; LIU, L. X.; KROUPA, A. Thin Film Forced Velocity Cells and
Cellular/Dendrites - I. Experiments,Acta Metallurgica Materialia, v. 43, n. 8, p.
2891-2904, 1995.
KIKUCHI, R. H. L.; VASCONCELOS, A. J.; SILVA, F. P.; DIAS FILHO, J. M. S.;
ROCHA, O. F. L. Estudo da transio colunar/equiaxial na liga Al-6%Cu sob
condies de solidificao direcional e transitria de extrao de calor.Congresso de Pesquisa e Inovao da Rede Norte e Nordeste de Educao
Tecnolgica, NatalRN, 2011.
KOSEKI, T.; FLEMINGS M. C. Effect of external heat extraction on dendritic growth
into undercooled melts,ISIJ International, v. 35, n. 6, pp. 611-617, 1995.
KURZ, W.; FISHER, D. J. Dendrite growth at the limit of stability: Tip radius and
spacing, Acta Metallurgica, v. 29, p. 11-20, 1981.
KURZ, W.; FISHER, D. J. Fundamentals of Solidification. Switzerland: Trans Tech Public.,
p.85-90, 1984 / 1986 / 1989 /1992.
-
7/25/2019 VARIVEIS TRMICAS E MICROESTRUTURA DA LIGA Al-5,5%Sn SOLIDIFICADA DIRECIONALMENTE
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LAPIN, J.; KLIMOV, A.; VELSEK, R.; KURSA, M
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