aula 4a solidifica o 02

of 49 /49
Aula 04-a: Fundamentos da Solidificação dos Metais – Parte 2 2. Macro e Microestruturas de Solidificação - Tipos de macroestruturas. - Influência dos parâmetros de processo e do material sobre as macroestrutura - Relações estruturas vs. Velocidade de solidificação. -Fatores que influenciam na velocidade de solidificação. - Microestruturas x diagramas de equilíbrio. 1. Crescimento da fase sólida - Introdução - Mecanismos (modelos) de crescimento - Crescimento do interface plana ou solidificação progressiva - Crescimento com interface dendrítica ou solidificação extensiva - Utilização dos Diagramas de Equilíbrio no estudo da solidificação - Solidificação de metais puros e de ligas com grandes intervalos de solidificação: consequências na estrutura de solidificação Disciplina: Fundição dos metais e suas ligas Professor: Guilherme O. Verran – Dr. Eng. Metalúrgica

Upload: leticiarocha

Post on 30-Sep-2015

225 views

Category:

Documents


0 download

DESCRIPTION

------

TRANSCRIPT

  • Aula 04-a: Fundamentos da Solidificao dos Metais Parte 2

    2. Macro e Microestruturas de Solidificao

    - Tipos de macroestruturas.

    - Influncia dos parmetros de processo e do material sobre as macroestrutura

    - Relaes estruturas vs. Velocidade de solidificao.

    -Fatores que influenciam na velocidade de solidificao.

    - Microestruturas x diagramas de equilbrio.

    1. Crescimento da fase slida

    - Introduo- Mecanismos (modelos) de crescimento- Crescimento do interface plana ou solidificao progressiva - Crescimento com interface dendrtica ou solidificao extensiva - Utilizao dos Diagramas de Equilbrio no estudo da solidificao- Solidificao de metais puros e de ligas com grandes intervalos de solidificao: consequncias na estrutura de solidificao

    Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme O. Verran Dr. Eng. Metalrgica

  • O crescimento dos cristais e a solidificao dos metais lquidos uma funo direta da mobilidade atmica.

    Fatores trmicos e cinticos devem ser levados em considerao na acelerao ou inibio do crescimento de um cristal metlico.

    Alguns metais como Al e Cu apresentam apenas uma estrutura cristalina (CCC), enquanto outros metais como Fe e Co podem apresentar diferentes estruturas cristalinas a diferentes temperaturas (o Fe pode ser CCC ou CFC)

    Crescimento da Fase SlidaIntroduo

    Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran

  • Aps a formao do ncleo, o mesmo tende a crescer com resultado da deposio de tomos que migram do lquido para o slido.

    Mecanismos de Crescimento

    Crescimento com Interface Plana(Lisa ou Facetada) ou Solidificao Progressiva

    Crescimento com Interface Dendrtica (Difusa) ou Solidificao Extensiva

    Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran

  • Durante o resfriamento de muitos metais(e ligas) os cristais nucleados crescem preferencialmente em certas direes fazendo com que cada cristal em crescimento assuma uma forma distinta conhecida como Dendrita

    Em cristais cbicos os eixos preferenciais de crescimento esto nas direes (100)

    Diagrama esquemtico mostrando 3 dendritas

    interconectadas

    Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran

  • Interface Plana

    Interface Celular

    Interface Dendrtica

    Nucleao Independente

    Diferentes Tipos de Interfaces de Solidificao

    Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran

  • Utilizao dos D.E. no entendimento dos diferentes tipos de solidificao de metais e/ou ligas

    Solidificao de Metais Puros

    Solidificao MonofsicaLiga com grande T

    Solidificao Polifsica Ocorrncia de reao euttica

    Solidificao MonofsicaLiga com pequeno T

    T = Tliquidus Tslidus Intervalo de SolidificaoCe

    TB

    Te

    T

    TA

    +

    A B

    + L + L

    e

    C1

    L

    C2

    Linha LiquidusLinha Solidus

    Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran

  • Redistribuio de Soluto na Solidificao de Ligas Monofsicas

    Nas ligas Monofsicas o Soluto redistribudo durante a solidificao como conseqncia das diferenas de solubilidade no slido e no lquido.

    As variaes das condies de crescimento acarretam variaes na forma com que o soluto redistribudo entre as fases slida e lquida.

    Ocorrncia de variaes nas estruturas dos slidos formados.

    Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran

  • Coeficiente de Distribuio no Equilbrio: K0

    K0 = CS CL

    CS = concentrao de soluto no slido na temperatura T

    CL= concentrao de soluto no lquido na temperatura T

    K0

  • Ko mede a tendncia segregao, portanto, quanto mais afastado for o seu valor de uma unidade, maior ser a tendncia de segregao de um elemento.

    0,95W0,02S0,13P0,02O0,28N0,32H0,90Co0,95Cr0,13C0,02B0,92Al

    Ko (em relao ao Fe)Elemento

    Em relao ao Ferro, os elementos mais segregveis so B, S, P, C, N e O; enquanto W , Cr, Al e Co apresentam baixa tendncia segregao.

    Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran

  • Exemplos de diagramas de fases com elevada e pequena tendncia segregao.

    (a) Segregao elevada - Ko bem menor que 1(b) Segregao pequena - Ko prximo a 1

    Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran

  • Conseqncias Prticas da Redistribuio de Soluto

    (a) Ocorrncia de Heterogeneidades Qumicas Segregaes

    (b) Alteraes na Morfologia da IS/L Variaes nas Estruturas de Solidificao

    (c) Aplicaes:

    - Refino por Fuso Zonal

    - Nivelamento Zonal

    Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran

  • Formao de uma protuberncia instvelque funde devido temperatura local da

    extremidade ser maior que a temperatura de fuso.

    Interface TF

    Slido Lquido

    GS >>>> 0GL >> 0

    Tlocal >>>> TF

    Distncia

    T

    e

    m

    p

    e

    r

    a

    t

    u

    r

    a

    Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran

  • Ligas Monofsicas

    Redistribuio de Soluto

    Ocorrncia de Super-resfriamento Constitucional

    Reduo na temperatura em virtude de diferentes composies de soluto

    Distncia a Frente da Interface

    T

    e

    m

    p

    e

    r

    a

    t

    u

    r

    a

    Gradiente Trmico ImpostoG1 G2

    Zona Superesfriada Constitucionalmente

    Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran

  • Condio para No Ocorrncia de Super-resfriamento Constitucional

    (G/R) m. Co . (1 Ko)DL Ko

    Parmetros de Crescimento

    Parmetros do Sistema

    Dependem das condies impostas

    Dependem da liga (Diagrama de Equilbrio)

    Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran

  • Condies que favorecem o Super-resfriamento Constitucional

    (1) Baixo G

    (2) Altas R

    (3) Linhas Liquidus Abruptas

    (4) Altos percentuais de elementos de liga (solutos)

    (5) Baixa difusividade trmica no lquido.

    (6) Ko muito pequeno para Ko

  • Variaes Estruturais associadas com o Super-resfriamento Constitucional

    (a) Sem Superesfriamento Constitucional

    Interface Plana

    (b) Com Superesfriamento Constitucional

    Formao de Protuberncias na Interface

    (c) Aumentando o Superesfriamento Constitucional- Clulas Alongadas- Clulas Interrompidas- Dendritas Celulares

    - Dendritas Livres

    Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran

  • Influncia do Super-resfriamento Constitucional sobre a morfologia da interface S/L e no modo de solidificao

    a) Sem Superesfriamento Constitucional

    b) Com Superesfriamento Constitucional

    Direo de Crescimento

    Aumento do Superesfriamento Constitucional

    Interface Plana Interface Celular Crescimento Dendrtico

    Nucleao Independente

    Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran

  • Efeito do incremento na velocidade de resfriamento sobre a morfologia da interface S/L em um sistema orgnico transparente solidificado unidirecionalmente com G = 2,98 K/mm

    a = 0,2 m/s b = 1,0 m/s c = 3,0 m/s d = 7,0 m/s

    Gradiente de Temperatura

    Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran

  • Formao de cristais equiaxiais no centro do molde durante a solidificao de uma mistura transparente cloreto de amnia-gua.

    Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran

  • Lquido

    Slido

    Modelo de Crescimento com Interface Plana ou Lisa Solidificao Progressiva

    A Interface cresce segundo um Plano Atmico bem definido que separa as Fases Slido (ordenada atomicamente) e Lquido (desordenada atomicamente), caracterizado por uma variao abrupta e ntida

    Tpico de Metais Puros ou Ligas Eutticas.

    Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran

  • Modelo de Crescimento com Interface Dendrtica ou DifusaSolidificao Extensiva

    Metal Semi-Slido

    Metal Lquido

    Metal Slido

    A Interface de Crescimento no apresenta uma separao bem definida entre as Fases Slido e Lquido ocorrendo a formao de uma regio intermediria formada pela mistura de fases slida e lquida (metal semi-slido).

    Modelo de Crescimento caracterstico de Ligas que solidificam sob um intervalo de temperaturas

    ( T = TL TS Intervalo de Solidificao)

    Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran

  • Ferros FundidosAos

    Fofos T muito pequeno ou inexistenteAos pequenos e grandes T em funo do % de C

    1 2

    Grande T

    Pequeno T

    Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran

  • Representao esquemtica do modelo de solidificao de um metal puro

    INTERFACE PLANA

    COMPOSIO EUTTICA

    METAIS PUROS

    Ligas que solidificam com temperatura constante

    Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran

  • Representao esquemtica do modelo de solidificao de uma liga com pequeno intervalo de solidificao.

    Ligas com pequeno intervalo de solidificao

    AOS FERROS FUNDIDOS

    LATES

    FRENTE DE SOLIDIFICAO PLANA

    Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran

  • Representao esquemtica do modelo de solidificao de uma liga com grande intervalo de solidificao.

    Ligas com grande intervalo de solidificao

    LIGAS DE Al HIPOEUTTICAS

    BRONZES

    FRENTE DE SOLIDIFICAO DENDRTICA

    Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran

  • Representao esquemtica do modelo de solidificao de uma liga com intervalo de solidificao mdio

    Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran

  • MACROESTRUTURAS DE SOLIDIFICAO

    Zona Coquilhada (Chill)

    Camada perifrica composta de pequenos gros com orientao cristalogrfica aleatria.

    Zona Colunar Formada por gros alongados que se alinham paralelamente mxima extrao de calor. Os gros se formam por crescimento seletivo e preferencial

    Zona Equiaxial Central

    Formada por gros equiaxiais pequenos ou grandes com orientao cristalogrfica aleatria.

    Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran

  • Representao esquemtica dos trs tipos de estruturas brutas de fusonormalmente existentes nos lingotes: Zona CoquilhadaZona Coquilhada: formada por

    pequenos gros equiaxiais de orientao cristalogrfica aleatria

    junto a interface metal-molde. Zona ColunarZona Colunar: formada por gros

    alongados e finos que se alinham paralelamente a direo do fluxo de

    calor. Zona EquiaxialZona Equiaxial CentralCentral: formada por gros equiaxiais de orientao

    cristalogrfica aleatria.

    Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran

  • Possveis variaes na macroestrutura de um lingote. (a) Ausncia da Zona Equiaxial Central (b) Presena das trs

    Zonas (c) Ausncia das Zonas Coquilhada e Colunar.

    Liga com pequeno T Liga com mdio T Liga com grande T

    Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran

  • Influncia dos parmetros do processo e do material sobre a formao da macroestrutura

    Extrao de Calor

    Adio de Inoculante

    % de Soluto

    Agitao do lquido

    Uso de massalotes

    Grau de Superaquecimento

    Zona Equiaxial

    Zona Colunar

    Zona Coquilhada

    Parmetro

    Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran

  • Variao esquemtica do comprimento relativo da zona colunar em funo do teor de soluto.

    Influncia dos Parmetros de Solidificao sobre as Estruturas: Teor de Soluto

    Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran

  • Variao esquemtica do comprimento relativo da zona colunar em funo da temperatura de vazamento.

    Influncia dos Parmetros de Solidificao sobre as Estruturas:Temperatura de Vazamento

    Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran

  • Influncia da temperatura de vazamento e da presso sobre as macroestruturas de lingotes de Al puro, solidificados em lingoteiras de ao: a) Tv=760C (patm e 8atm); b) Tv=790C; c) Tv=810C.

    Influncia dos Parmetros de Solidificao sobre as Estruturas:

    Temperatura de vazamento e presso

    Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran

  • Efeito do Grau de Superaquecimentosobre a Bruta de Fuso do Al Puro

    S = 70 0 C S = 120 0 C

    Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran

  • Al Puro Al 6Mg

    Estrutura formada por gros colunares.

    Estrutura formada por gros equiaxiais

    COMPARAO DAS MACROESTRUTURAS DE UM METAL PURO E DE UMA LIGA VAZADOS COM O MESMO GRAU DE SUPERAQUECIMENTO

    Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran

  • VARIAES NA MACROESTRUTURA DE UMA LIGA AlMg EM FUNO E DO USO DE REFINADOR DE GRO PARA DIFERENTES TEMPERATURAS

    DE VAZAMENTO

    Tv = 8150C

    S/ REFINO C/ REFINO

    Tv =7500C

    Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran

  • Macroestrutura do Ao Inox do tipo 18-8:

    Estrutura fundida de gros grosseiros (parte superior) e o mesmo ao refinado

    por inoculao de agentes nucleantes (parte inferior).

    Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran

  • Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran

  • Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran

  • MICROESTRUTURAS DE SOLIDIFICAO1. As microestruturas formadas na solidificao de ligas

    metlicas, especialmente o tamanho mdio dos gros, esto diretamente relacionadas com a velocidade de solidificao.

    A velocidade de solidificao, por sua vez, depende do processo de fundio utilizado e de caractersticas das pecas.

    FATORES QUE INFLUENCIAM NA VELOCIDADE DE SOLIDIFICAO: Tipo de molde (material de moldagem) : areia x metal. Dinmica do Processo: gravidade x presso. Geometria da Peca: paredes grossas x paredes finas.

    2. A velocidade de solidificao tambm influencia no equilbrio durante a solidificao de ligas metlicas.

    Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran

  • Velocidade de Resfriamento

    Tamanho dos Gros

    Areia Coquilha Sob Presso

    Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran

  • Evoluo da estrutura para um Sistema Isomorfo (Cu-Ni)

    resfriando sobCondies de Equilbrio

    Estrutura policristalina e monofsica

    Soluo Slida

    Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran

  • Evoluo da estrutura para um Sistema Isomorfo (Cu-Ni)

    resfriando sob Condies de No Equilbrio

    Ocorrncia de gradientes de concentrao ao longo dos gros

    Segregao

    Forma de eliminaoTratamento Trmico

    (Homogeneizao)

    Coring ou Zoneamento

    Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran

  • Representao esquemtica do resfriamento sob Condies de

    Equilbrio para uma liga Pb-Sncom composio C1 .

    Estrutura Policristalina e Monofsica a temperatura

    ambiente

    % de Soluto no excede ao limite de mxima solubilidade slida

    Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran

  • Representao esquemtica do resfriamento sob Condies de

    Equilbrio para uma liga Pb-Sncom composio C2 .

    Estrutura Policristalina e Polifsica a temperatura

    ambiente

    % de Soluto excede ao limite de mxima solubilidade slida

    Ao longo do resfriamento as partculas da fase vo crescer

    Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran

  • Representao esquemtica do resfriamento sob Condies de Equilbrio para uma liga Pb-Sn com composio

    Euttica (C3 )

    Na temperatura euttica (1830C) a fase lquida se transforma em uma estrutura formada por

    lamelas de e .

    Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran

  • Micrografia de uma liga Pb-Sn com composio euttica, formada por lamelas de soluo slida rica em Pb

    (escuras) e lamelas de soluo slida rica em Sn (claras), aumento 375x.

    Um microconstituinte

    Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran

  • Representao esquemtica do resfriamento sob Condies de Equilbrio para uma liga Pb-Sn que cruza

    a isoterma euttica (C4 )

    Na temperatura ambiente a liga constituda por gros da fase primria e

    gros do euttico( + )

    Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran

  • Micrografia de uma liga Sn-Pb com composio hipoeuttica 50Pb-50Sn, mostrando fase primria rica em Pb(regies escuras) em uma estrutura euttica lamelar(lamelas claras de rica em Sn e lamelas

    escuras de rica em Pb), aumento 400x.

    Dois microconstituintes

    Disciplina: Fundio dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran