Solidificação em metais

Solidificação em metais
Solidificação em metais

Processo industrial importante, já que a
maior parte dos materiais metálicos é
fundida e vazada numa forma acabada
ou semi-acabada.
Etapas da solidificação

A solidificação pode ser dividida em
duas etapas:


Formação de núcleos estáveis, no líquido
(Nucleação).
Crescimento dos núcleos, gerando cristais
e formando a estrutura dos grãos
(microestrutura).
Nucleação

Os dois principais mecanismos pelos
quais ocorre a nucleação de partículas
num metal líquido são a nucleação
homogênea e a nucleação heterogênea.
Nucleação homogênea

É o caso mais simples de nucleação e ocorre quando
o próprio metal fornece os átomos para formar os
núcleos. Quando o metal puro é resfriado até uma
temperatura abaixo de sua temperatura de
solidificação, são criados numerosos núcleos
homogêneos através do movimento lento de átomos
que vão se ligando uns aos outros. Geralmente, a
temperatura de nucleação deve ser da ordem de
algumas centenas de C abaixo da temperatura de
solidificação.
Nucleação homogênea




Um núcleo só será estável se ele crescer e
formar um Cristal.
Para que ele seja estável deverá atingir um
tamanho crítico.
Um conjunto de átomos ligados uns aos outros,
cujo tamanho é inferior ao tamanho crítico é
chamado de embrião e se tiver tamanho
superior ao crítico é chamado de núcleo.
Os embriões são formados e re-dissolvidos
continuamente no metal líquido, devido ao
movimento de agitação dos átomos.
Energias envolvidas na
nucleação homogênea


Energia livre de volume (Gv) –
liberada para transformação do líquido
em sólido.
Energia de superfície () – requerida
para formar as superfícies da partícula
solidificada.

Supondo que a partícula solidificada
possui a forma de uma esfera:


A energia liberada durante a solidificação
será 4/3  r3 Gv (onde 4/3  r3 é o
volume da partícula).
Já a energia utilizada para formar a
superfície da partícula será 4  r2  (onde
4  r2 é a área da superfície da partícula).


GT = 4/3  r3 Gv + 4  r2  (onde
r é o raio da partícula).
Quando uma partícula sólida atinge o
valor de raio crítico, possuirá o maior
valor de energia livre total, ou seja, se
r=r* então d(GT)/dr = 0.
d(GT ) d  4 3
2 

 r GV  4 r  
dr
dr  3

se
d(GT ) 12

r *2 GV  8r *   0
dr
3
2
r*  
G V
ou
2 Tm
r*  
Hs T
Hs= calor latente de solidificação
T= temperatura abaixo da temperatura
de solidificação
Tm = Temperatura de fusão
Temperatura
Temperatura de
Calor de
solidificação
solidificação
(C)
(J/cm3)
Pb
327
-280
33,3 x 10-7
80
Al
660
-1066
93 x 10-7
130
Ag
962
-1097
126 x 10-7
227
Cu
1083
-1826
177 x 10-7
236
Ni
1453
-2660
255 x 10-7
319
Fe
1535
-2098
204 x 10-7
295
Pt
1772
-2160
240 x 10-7
332
Metal
Energia de
abaixo da
superfície (J/cm2)
temperatura de
solidificação (C)
NUCLEAÇÃO HETEROGÊNEA


Ela ocorre quando a solidificação se inicia
nas paredes do molde, na superfície de
impurezas insolúveis ou na superfície de
outro material presente, que baixe a
energia livre crítica necessária para formar
um núcleo estável.
Como durante as operações industriais de
vazamento o valor de T é da ordem de
0,1 a 10C, a nucleação será certamente
heterogênea.


Na nucleação heterogênea o agente nucleante terá
de ser molhado pelo líquido e o líquido deverá se
solidificar facilmente sobre o agente nucleante.
A nucleação ocorre sobre o agente nucleante pois
a energia de superfície, para formar um núcleo, é
baixa do que aquela para formar o núcleo no
próprio material líquido. Como a energia livre de
superfície sobre o agente nucleante é menor, o
tamanho do raio crítico do núcleo é menor, e por
conseguinte é necessário um menor valor de T.
NUCLEAÇÃO HETEROGÊNEA

O número de locais de nucleação disponíveis no metal líquido afetará a
microestrutura do material.

Se, durante a solidificação, o número de locais de nucleação for relativamente
pequeno, a microestrutura será grosseira (grãos grandes). Se, durante a
solidificação, existirem muitos pontos de nucleação, a microestrutura será fina
(grãos pequenos).

Se um metal relativamente puro (sem a presença de impurezas que possam
atuar como agentes nucleantes) for solidificado em um molde, irão ser formados
dois tipos de grãos: grãos equiaxiais e grãos colunares.

Os grãos equiaxiais serão formados junto às paredes do molde, se as
condições de crescimento dos grãos forem iguais em todas as direções. Já
no interior do metal, a solidificação é mais lenta e apresenta um gradiente
de temperatura acentuado, dando origem a grãos alongados. Estes grãos
crescem perpendicularmente as paredes do molde.