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Solidificação de metais e formação da estrutura interna de grãos
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Fabricação de metais e ligas
Metais/ ligas
Fundição(Fusão)
Forma final
Forma semifinal
Confor-mação*
Forma final
*Forjamento, laminação, extrusão, trefilação
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Em termos de metalurgia física
• A fusão ocorre quando a energia de vibração dos átomos por conta do aumento da temperatura supera a energia envolvida na ligação química entre os átomos.
• No estado líquido não há ordem a longa distância (não há sistema cristalino) e as ligações entre os átomos é fraca do tipo Van der Waals
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Curva esquemática de resfriamento – Metal puro
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Curvas de resfriamento de Alumínio em três moldes diferentes com três velocidades diferentes.
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Solidificação de alguns metais
Metal Temperatura de solidifi-cação (°C)
Calor de solidificação
(J/cm3)
Energia superficial
(J/cm210-7)
T de sub-resfriamento máximo (°C)
Pb 327 -280 33.3 80
Al 660 -1066 93 130
Ag 962 -1097 126 227
Cu 1083 -1826 177 236
Ni 1453 -2660 255 319
Fe 1535 -2098 204 295
Pt 1772 -2160 240 332
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Processo de nucleação e crescimento
Núcleos
LíquidoLíquido
Cristais que formarão
grãos
Grãos
Contornos de grão
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Mecanismos de nucleação• Nucleação homogênea
– Próprio metal fornece átomos para formar núcleos– Subresfriamento usualmente de centenas de graus
Celsius• Nucleação heterogênea
– Presença de agentes nucleantes: superfície do recipiente, impurezas insolúveis, ou material estrutural
– Prática industrial: subresfriamento de 0,1 a 10°C
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Raio crítico do núcleo do cobre
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Diagramas esquemáticos das várias etapas da solidificação de um material policristalino: Os pequenos quadrados representam células unitárias em uma
escala bidimensional
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Processo de solidificação-Formação dos grãos• Após macrografia e
ataque químico pode-se ver os grãos.
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Processo de solidificação-Formação dos grãos
• Os grãos são formados no início do processo de solidificação a partir de pequenos agrupamentos de átomos chamados de núcleos.
• Cada núcleo da origem à um grão com crescimento cristalográfico em direção diferente de seus vizinhos.
• Quando resta pouco líquido e os diferentes grãos começam a se encontrar,formam o contorno de grão.
• O contorno de grão é uma região de 2 a 10Ǻ, desordenada, sem uma estrutura cristalina definida.
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Estruturas de grão• Grãos equiaxiais
– Crescimento de cristais aproximadamente igual em todas as direções.
– Se formam devido a alta velocidade de solidificação na parede do molde.
– Usualmente adjacentes a parede fria do molde, (zona Chill, ou coquilhada) mas podem aparecer no centro do lingote também dependendo do tamanho do molde e da velocidade de resfriamento (nesse caso se for lenta).
• Grãos colunares– Longos, finos, grosseiros.– Crescem a partir dos grãos equiaxiais formados na parede do molde.– Solidificação relativamente lenta ( em relação aos grãos formados na
parede fria do molde) em gradiente de temperatura perpendiculares à parede fria do molde.
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Estruturas de grão (a direita macrografia mostrando os dois tipos de grãos)
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Grãos colunares em um lingote de alumínio fundido:reativo de Tucker
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Frente de solidificação com crescimento dendrítico
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Relação entre as dendritas e os grãos na solidificação
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Formação do vazio após a solidificação: Em geral os sólidos apresentam menor volume que os líquidos, ocorrendo uma contração durante a solidificação
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Efeito da segregação em uma barra de aço fundida: O soluto, em geral, é mais solúvel no líquido que no sólido. As últimas partes a solidificar tendem a ficar
mais impuras. Regiões interdendríticas e o centro do lingote
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Localização esquemática da segregação
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Classificação dos grãos dos aços
• Os Grãos dos aços são classificados segundo norma ASTM E 112.
• Utiliza-se padrões de 1 a 10 que devem ser comparados com a amostra de aço com 100 X de aumento.
• Padrão 1 grãos grandes Padrão 10 grãos pequenos pois:
• Números de grãos/polegada quadrada a 100X de aumento = 2 n-1 onde n é o número ASTM
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Classificação ASTM para grãos de aço. Padrões para 100 X de aumento da amostra
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Como atua o reagente químico na micrografia