eme725_solidificacao_2012

8/12/2019 EME725_Solidificacao_2012

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A.S.DOliveira

SOLIDIFICAO


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A.S.DOliveira

Qual a temperatura de fuso dos elementos puros?

Qual a temperatura de fuso da liga Pb40wt%Sn?


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A.S.DOliveira

! Solidificao

L

G1

L

S

G2 = G1+!G

T

G

T

Tf

!T

!Gv

Gslido

Glquido

Temperatura de fuso = T de solidificao?

interface


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A.S.DOliveira

! SolidificaoNucleao homognea

G2=VSGsv+ VLGLV+ASL"SL

Para uma particula esfrica:

!Gr=-4/3#r3!Gv+ 4 #r2"SL

Para reduzir energia do sistema:r* = ncleo crtico:

ncleo < r* reduo; ncleo>r* crescimento

TL

T

rS

m

!!

"=

#2

*

!LS= calor latente de solidificao

Tm= temperatura de fuso

"= energia livre da superfcie

!T= Tm- T= super-resfraimento

r*= raio critico


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A.S.DOliveira

Nucleao homognea

Para reduzir energia do sistema:

r* = ncleo crtico:

ncleo < r* reduo; ncleo>r* crescimento


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A.S.DOliveira

! Solidificao

Raio critico r* diminui com o aumento de !T

Quanto maior o super-resfriamento menor sero r* e !Gv*

Efeito do super-resfriamento sobre o raio critico


7/41A.S.DOliveira

! SolidificaoTaxa de nucleao

Depende do nmero de aglomerados de tomos com raio reda frequncia com um tomo se agregam a este aglomerado

necessrio um super-resfriamento mnimopara

que se inicie a nucleao


8/41A.S.DOliveira

! SolidificaoNucleao Heterognea

Condio necessria para quea nucleao seja eficiente:"SI < "IL+ "SL

No equilibrio:

"IS = "IL+ ("SLcos $)

0 < $ 90no .

Ocorrendo molhabilidade, um ncleo com um raio decurvatura igual ao raio critico em nucleao homognea podeser formado a partir de um nmero muito menor de tomos doque seria necessrio para a formao de um ncleo livre no

seio do lquido.

super-resfriamento necessrio paraa nucleao heterognea muitomenordo que o necessrio para anucleao homognea.

!Ghet=VS!Gv+ASL"SL+ASI"SI -ASL"SL


9/41A.S.DOliveira

! SolidificaoNucleao homognea vsnucleao heterognea

Variao de energia livre para o mesmo r*

Taxa de nucleao


10/41A.S.DOliveira

Nucleao em trincas o angulo de contato pode ser bem diferente da consioanterior; super-resfriamento muito menorA trinca tem de ter largura suficiente para permitir o crescimento do slido

Nucleao na fuso

Critical radius

for solid


11/41A.S.DOliveira

! Solidificao

Solidificao:

- nucleao

- crescimentoTemp

eratura

slido lquido

Temp

eratura

slido lquido

a) b)


12/41A.S.DOliveira

! SolidificaoCrescimento do slido depende da interface:

Rugosa (metais) transio L/S gradual em vrias camadas atmicas;controlada pelo escoamento de calor (metais puros) ou difuso de soluto (ligas);

tomos chegam no cucleo em qualquer localizao crescimento continuoLisa (no metais) atomicamente plana e compacta;

Nucleao nasuperfcie

Crescimento em espiralCrescimento lateral

Influncia do super-resfriamentoda interface S/L na taxa decrescimento para diferentesinterfaces


13/41A.S.DOliveira

! SolidificaoCrescimento influncia do escoamento de calor

Crescimento planar

Crescimento no planar


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A.S.DOliveira

Crescimento dendritico

Crescimento no planar

! Solidificao


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A.S.DOliveira

Crescimento em ligas metlicas - Equilibrio! Solidificao

Para a liga Pb30wt%Sn qual a composio das fases nas temperaturas220C200C

190C


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A.S.DOliveira

! SolidificaoCrescimento em ligas metlicas fora do equilibrio

Sem difuso no slido e mistura perfeita no liquido (queda gradual de T doliq)

Desenvolvimento de dendritasSegregao do soluto


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A.S.DOliveira

! SolidificaoSolidificao de ligas:

!Sem difuso no slido e difuso no liquido

Ao atingir a T2 a taxa de crescimento constante; o aumento da concentraode soluto na frente de solidificaoestabiliza


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A.S.DOliveira

Desenvolvimento de dendritas

Segregao do soluto nodesenvolvimento de dendrtas

Dendritas de um sistema Ni-AlJos Eduard/oUnicamp

! Solidificao


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A.S.DOliveira

! SolidificaoCrescimento celular - Frentede solidificao no planar


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A.S.DOliveira

! SolidificaoEfeito do super-resfriamentoconstitucional na morfologia de

solidificao.


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A.S.DOliveira

! SolidificaoFormao de uma estrutura dendriticaRelao com a estrutura de gro

Resistncia mecnica proporcional ao espaamento entre

braos secundrios das dendritas


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A.S.DOliveira

! SolidificaoFormao de gros em um metal fundido


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A.S.DOliveira

! SolidificaoCrescimento dendritico em um sistema euttico Al-Ni

Com autorizao de JosEduardo/Unicamp


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A.S.DOliveira

! Solidificao

Microestrutura de solidificao no equilibrio e resfriadas

fora do equilibrio?


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A.S.DOliveira

! SolidificaoLiga hipo-euttica


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A.S.DOliveira

! SolidificaoLiga perittica

! S lidifi


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A.S.DOliveira

! Solidificao

! S lidifi


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A.S.DOliveira

! SolidificaoSolidificao euttica L -> +

Euttico divorciado volume de uma das fases muito pequeno

Euttico lamelar

! S lidifi


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A.S.DOliveira

! SolidificaoSolidificao de lingotes

Zonaequiaxial

Zonacolunar

Zonacoquilhada

Direo de crescimento em metais cbicos

! S lidifi


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A.S.DOliveira

! SolidificaoSolidificao em soldagemSolidificao em soldagem/vazamento continuo

Taxa de aporte de calor (depende do processo de soldagem e dadimenso da solda; ou do volume e temperatura do fundido, q

Velocidade do arco; velocidade de retirada do tarugo, v

Condutividade trmica do metal sendo soldado ou fundido, Ks

Espessura da placa sendo soldada ou fundida, t

! S lidifi


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A.S.DOliveira

Solidificao em soldagem

! Solidificao

Os parmetros Ks, v, t e qiro determinar amorfologia da solidificao

Condutividade

Velocidade

espessura

! Solidificao em soldagem


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A.S.DOliveira


Diluio:alterao da composio

qumica

Microestrutura/propriedades depende de:

Solidificao: parmetros de solidificao G e R

Os parmetros de solidificao so determinadospelos parmetros de soldagem

Tx de crescimento (R) depende da velocidade de

avano da fonte de calor e do formato da poa defuso

Tx de resfriamento (!) e gradiente de T(G) diminuemcom o aumento do aporte de calor

!= G.R


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A.S.DOliveira

! Solidificao em soldagemNucleao -> Crescimento epitaxialMetal de base apresenta uma coerncia cristalogrfica quaseque perfeita; no existe barreira para a nucleao

Gros na poa de fuso crescem diretamente sobre gros pre-existentes no metal-base orientados favoravelmente



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A.S.DOliveira

! Solidificao em soldagemCrescimento:" Gros crescem perpendicularmente a

interface S/L sendo a extrao de calor mxima (calor escoa pelo substrato)" Slido cresce na direo cristalogrfica que for

mais fcil ( metais cubicos [100] gros com[100] orientados perpendicularmente a

interface vo crescer)

Fonte de calor em movimento interface S/L curvae em movimento

Gros que inicialmente exibem orientao favorvelpodem perder esta condio

Crescimento normal as isotermas;ajuste a velocidade da fonte de calor


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A.S.DOliveira

! Solidificao em soldagemO aspecto geomtrico da poa de fuso determina a forma da interface S/L e depende dos parmetros de soldagem

i i i l lli ill i . :

l i i ili i i

l i . l. l il i i i . i . l i

l i ii . i . :

i i i l lli ill i

l i i ili i i

l i l l il i i i i l i

l i ii i

250mm/min

1000mm/min

Liberao de calor latente de solidificao proporcional a tx de crescimento(R) que mxima no centro do cordo;mas o gradiente trmico (G) minimo on centro do cordo o que dificulta atransferencia de calor provoca o alongamento da poa interface S/L reta

Contorno no meio do cordo indesejvel

! S lidifi ld


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A.S.DOliveira


Desenvolvimento de sub-estruturas diferente morfologias dentro de um

groCelular/colunar dendritico/equiaxial dendritico

Interrupo da interface plana Nucleao de slido no liqsuper-resfriado

Relaes que determinam as caracteristicas da estrutura/propriedadesG/R -> tipo de estrutura

G.R -> refino da estrutura

Propriedades dependem do espaamento entre braos das dendritas que proporcional a tx de resfriamento; determina pelo aporte de calor


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A.S.DOliveira

Valores de G e R mudam contantemente em direes opostas em torno dainterface S/L

Linha de fuso:- alto gradiente trmico (G) e baixa taxa de crescimento (R) podeter uma estrutura planar

Centro do cordo:- baixo gradiente trmico (G) e alta taxa de crescimento (R)

Crescimento mais rpido no centro e mais lento nas bordas


Relao entre taxa de crescimento e velocidade de soldagem (v)

R=v.cos"R#0, linha de fusoR#v ,linha central



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A.S.DOliveira38

G/R super-resfriamento

! Solidificao em soldagemDesenvolvimento da estrutura na poa de fusoG/R muito alto na linha de fuso e vai diminuindo at a linha central

Sequencia de solidificao

Estrutura planar

Celular

Colunar dendritica

Equiaxial dendritica(Alto super-resfriamento

constitucional)

Linha de fuso

Centro do cordo

! Solidificao


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A.S.DOliveira

Considere as aletas de turbinas abaixo. Assumindo que todas foramproduzidas com a mesma liga de Ni, descreva como se desenvolvem as 3estruturas de solidificao

! Solidificao

! S lidifi ld


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A.S.DOliveira

2.4mm

substrato

Vergara, V.M., Tese de doutorado 2007

! Solidificao em soldagemDescrever solidificao do

revestimento

! Solidificao


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! Solidificao

Ni12wt%Al

Ni30wt%Al

Explique o desenvolvimento das estruturas de solidificao considerando

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