Fenômenos na Solidificação

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<p>27/02/2020</p><p>1</p><p>Processos de Fabricação I</p><p>Prof.: Marcel Freitas de Souza</p><p>1° semestre de 2020</p><p>Universidade Estácio de Sá (UNESA)</p><p>Campus Niterói</p><p>Engenharia mecânica</p><p>AULA 04</p><p>FENÔMENOS NA</p><p>SOLIDIFICAÇÃO</p><p>27/02/2020</p><p>2</p><p>Fenômenos na solidificação</p><p>Cristalização</p><p>Efeitos dos Cantos</p><p>As diagonais</p><p>constituem planos</p><p>de maior fragilidade</p><p>(a)</p><p>Arredondamento</p><p>dos Cantos (b)</p><p>(b)(a)</p><p>Fenômenos na solidificação</p><p>Contração de Volume</p><p>Líquida:</p><p>Correspondente ao</p><p>abaixamento da</p><p>temperatura até o</p><p>inicio da solidificação</p><p>Solidificação:</p><p>Correspondente à</p><p>variação de volume que</p><p>ocorre durante a</p><p>mudança do estado</p><p>líquido para o sólido</p><p>Sólida:</p><p>Variação de volume</p><p>que ocorre no</p><p>estado sólido até a</p><p>temperatura</p><p>ambiente</p><p>Este fato</p><p>influencia em</p><p>sobremaneira o</p><p>projeto dos</p><p>modelos!!!!</p><p>27/02/2020</p><p>3</p><p>Fenômenos na solidificação</p><p>Contração de Volume</p><p>A contração verificada durante a solidificação pode ocasionar:</p><p>Trinca a quente</p><p>Tensões residuais</p><p>Fenômenos na solidificação</p><p>Contração de Volume</p><p>Durante a transformação do estado líquido para sólido, ocorre um agrupamento</p><p>(empacotamento) dos átomos, formando estruturas ordenadas</p><p>Na maioria dos casos esta transformação é acompanhada por um aumento da</p><p>densidade e, consequentemente, por uma contração, tal como ilustra a</p><p>seguinte tabela (valores positivos indicam expansão)</p><p>27/02/2020</p><p>4</p><p>Fenômenos na solidificação</p><p>Contração de Volume</p><p>Fenômenos na solidificação</p><p>Contração de Volume</p><p>Para o controle das contrações na linha central (Vazios) coloca-se uma peça</p><p>postiça de material refratário “cabeça quente” ou “massalote”</p><p>Por ser de material refratário o massalote vai reter o calor por um tempo mais</p><p>longo e será a seção que solidificara por último concentrando-se neste local o</p><p>vazio</p><p>O lingote resulta pela eliminação da sua cabeça superior</p><p>27/02/2020</p><p>5</p><p>Fenômenos na solidificação</p><p>Contração de Volume</p><p>AULA 04</p><p>FENÔMENOS NA</p><p>SOLIDIFICAÇÃO</p><p>(POROSIDADE)</p><p>27/02/2020</p><p>6</p><p>Fenômenos na solidificação</p><p>Defeitos da solidificação</p><p>Denomina-se defeito da solidificação toda a heterogeneidade surgida durante o</p><p>esfriamento de um material fundido. A heterogeneidade refere-se à estrutura</p><p>interna do material</p><p>As heterogeneidades podem ser:</p><p>•De natureza física (poros)</p><p>•De natureza química (segregações)</p><p>Fenômenos na solidificação</p><p>Defeitos da solidificação</p><p>Porosidade</p><p>A presença de poros pode ser causada por fenômenos diferentes: contração</p><p>de solidificação e presença de gases dissolvidos</p><p>Como resultado da contração de solidificação, já abordada, surgem</p><p>porosidades no material, que podem ser de dois tipos:</p><p>•Macroporosidades</p><p>•Microporosidades</p><p>27/02/2020</p><p>7</p><p>Fenômenos na solidificação</p><p>Defeitos da solidificação</p><p>Condições para o surgimento de Micro ou Macroporosidades</p><p>O fator de dependência mais determinante no tipo de porosidade é o intervalo</p><p>de solidificação. Com excepção do Al, ligas metálicas com pequeno intervalo</p><p>de solidificação (caso também de metais comercialmente puros) possuem</p><p>dendritas pequenas na interface L-S e tendem a gerar macroporosidades.</p><p>Ligas metálicas com grande intervalo de solidificação (caso de alguns latões)</p><p>apresentam dendritas grandes na interface L-S e tendem a gerar</p><p>microporosidades.</p><p>Fenômenos na solidificação</p><p>Defeitos da solidificação</p><p>Condições para o surgimento de Micro ou Macroporosidades</p><p>27/02/2020</p><p>8</p><p>Fenômenos na solidificação</p><p>Defeitos da solidificação</p><p>Condições para o surgimento de Micro ou Macroporosidades</p><p>Fenômenos na solidificação</p><p>Defeitos da solidificação (macroporosidade)</p><p>A forma e a localização da macroporosidade depende do tipo de extração de calor</p><p>sofrido pelo molde</p><p>É um defeito de porosidade que se caracteriza por contrações concentradas em</p><p>um único ponto da peça (que é a última região a se solidificar), resultando em um</p><p>vazio grande e com superfície interna rugosa (formada pelas dendritas)</p><p>27/02/2020</p><p>9</p><p>Fenômenos na solidificação</p><p>Defeitos da solidificação (macroporosidade)</p><p>Casos Típicos:</p><p>Em peças solidificadas unidirecionalmente (p.ex. com a frente de solidificação</p><p>avançando de baixo para cima), há redução das dimensões da peça em apenas</p><p>uma direção. Neste caso não se forma propriamente uma porosidade (ou</p><p>cavidade), mas um rebaixo na superfície da peça (denominado de “rechupe”).</p><p>Fenômenos na solidificação</p><p>Defeitos da solidificação (macroporosidade)</p><p>Casos Típicos:</p><p>No caso da extração de calor ocorrer igualmente nas três direções, forma-se uma</p><p>cavidade no centro da peça</p><p>27/02/2020</p><p>10</p><p>Fenômenos na solidificação</p><p>Defeitos da solidificação (macroporosidade)</p><p>Casos Típicos:</p><p>No caso de uma superfície extrair calor mais lentamente que as demais, forma-se</p><p>um rechupe na região que se solidificou por último</p><p>Fenômenos na solidificação</p><p>Defeitos da solidificação (macroporosidade)</p><p>Como evitar/reduzir:</p><p>Uso de alimentadores (denominados de “massalotes”),</p><p>Após a solidificação, o massalote é separado (cortado) da peça e descartado. O</p><p>material descartado pode ser reciclado em fusões posteriores</p><p>27/02/2020</p><p>11</p><p>Fenômenos na solidificação</p><p>Defeitos da solidificação (microporosidade)</p><p>É um defeito de porosidade que se caracteriza por suas pequenas dimensões e</p><p>por estar distribuído ao longo da peça</p><p>Forma-se quando as dendritas presentes na frente de solidificação</p><p>(interface L-S) são de grande tamanho. Logo, Há dificuldade do metal</p><p>líquido penetrar entre as dendritas na interface L-S, devido à perda de</p><p>carga. Com isto não são compensadas as contrações locais, aparecendo</p><p>porosidades entre os braços das dendritas</p><p>Fenômenos na solidificação</p><p>Defeitos da solidificação (microporosidade)</p><p>Forma-se quando as dendritas</p><p>presentes na frente de</p><p>solidificação (interface L-S) são de</p><p>grande tamanho. Logo, Há</p><p>dificuldade do metal líquido</p><p>penetrar entre as dendritas na</p><p>interface L-S, devido à perda de</p><p>carga. Com isto não são</p><p>compensadas as contrações</p><p>locais, aparecendo porosidades</p><p>entre os braços das dendritas.</p><p>27/02/2020</p><p>12</p><p>Fenômenos na solidificação</p><p>Defeitos da solidificação (microporosidade)</p><p>Como evitar/reduzir:</p><p>Aumentar a extração de calor na</p><p>peça através do uso de</p><p>resfriadores na parede do molde,</p><p>ou usar moldes metálicos</p><p>Fenômenos na solidificação</p><p>Defeitos da solidificação (porosidade)</p><p>Desprendimento de Gases</p><p>São bolhas de gás aprisionadas dentro da peça por causa da dissolução de</p><p>gases por metais em estado líquido</p><p>Mecanismo de formação: Ao se solidificarem,os metais líquidos reduzem as</p><p>condições de solubilidade do gás , formando bolhas que podem ficar</p><p>aprisionadas</p><p>Casos típicos de ocorrência: Alumínio e aços efervescentes</p><p>27/02/2020</p><p>13</p><p>Fenômenos na solidificação</p><p>Defeitos da solidificação (porosidade)</p><p>Desprendimento de Gases</p><p>Como reduzir:</p><p>• Manter baixa a temperatura do metal líquido, minimizando assim a dissolução</p><p>dos gases no metal</p><p>• Adicionar materiais que possam combinar-se com o gás e formar massa sólida.</p><p>Desoxidantes(Si, Mn, Al –SiO2-MnO-Al2O3)</p><p>• Fundir sob condições de vácuo</p><p>• Borbulhar gás inerte (argônio, nitrogênio) no metal líquido arrastando os gases</p><p>dissolvidos para fora da massa de metal.</p><p>AULA 04</p><p>FENÔMENOS NA</p><p>SOLIDIFICAÇÃO</p><p>(SEGREGAÇÕES)</p><p>27/02/2020</p><p>14</p><p>Fenômenos na solidificação</p><p>Defeitos da solidificação</p><p>Denomina-se defeito da solidificação toda a heterogeneidade surgida durante o</p><p>esfriamento de um material fundido. A heterogeneidade refere-se à estrutura</p><p>interna do material</p><p>As heterogeneidades podem ser:</p><p>•De natureza física (poros)</p><p>•De natureza química (segregações)</p><p>Fenômenos na solidificação</p><p>Defeitos da solidificação</p><p>Segregações - Heterogeneidade Química</p><p>É a distribuição heterogênea de elementos de liga e impurezas dentro da</p><p>estrutura do material provocada pela solidificação fora das condições previstas</p><p>pelo diagrama de equilíbrio</p><p>27/02/2020</p><p>15</p><p>Fenômenos na solidificação</p><p>Defeitos da solidificação</p><p>Origem da Segregação</p><p>A solidificação de ligas</p><p>metálicas ocorre em geral</p><p>conforme a faixa de</p><p>temperaturas mostrada na</p><p>figura (exceto no caso de</p><p>ligas eutéticas)</p><p>Fenômenos na solidificação</p><p>Defeitos da solidificação</p><p>Origem da Segregação</p><p>O metal ao</p><p>ser resfriado atinge a temperatura</p><p>liquidus. Nesta temperatura surgem os primeiros</p><p>núcleos sólidos</p><p>Na continuidade surgem mais núcleos e crescem os</p><p>núcleos existentes. Em condições de equilíbrio</p><p>(resfriamento lento) , cada partícula sólida na mistura</p><p>L+S possui a composição correspondente à linha</p><p>solidus. Por sua vez o líquido tem a composição</p><p>ditada pela linha liquidus</p><p>27/02/2020</p><p>16</p><p>Fenômenos na solidificação</p><p>Defeitos da solidificação</p><p>Origem da Segregação</p><p>O primeiro sólido formado possui 52% de Ni</p><p>Durante a solidificação, a composição se altera de 52 a</p><p>40% de Ni, que é a composição média original da liga</p><p>Como resultado a composição química nestas condições</p><p>é homogênea ao longo do grão</p><p>Na maioria dos casos reais a velocidade de solidificação</p><p>não é baixa o suficiente para garantir as condições de</p><p>equilíbrio</p><p>Fenômenos na solidificação</p><p>Defeitos da solidificação</p><p>Caso real de resfriamento em situação de não equilíbrio</p><p>As partículas formadas terão, ao crescerem,</p><p>diferentes composições na periferia e no |núcleo</p><p>Observa-se que a temperatura na qual termina a</p><p>solidificação é inferior àquela obtida sob</p><p>condições de equilíbrio</p><p>A composição do sólido, ao invés de seguir a linha</p><p>solidus segue a linha tracejada devido à falta de</p><p>tempo para homogeneização da composição ao</p><p>longo do grão</p><p>27/02/2020</p><p>17</p><p>Fenômenos na solidificação</p><p>Defeitos da solidificação</p><p>Caso real de resfriamento em situação de não equilíbrio</p><p>O resultado final é que os grãos formados possuem um</p><p>gradiente de composição química, isto é, a composição varia</p><p>do centro para a periferia do núcleo</p><p>Ocorre formação de zonas de distintas composições</p><p>químicas dentro do grão, C1,C2,C3,C4,C5,</p><p>Não se tratam de grãos concêntricos, pois não há contornos</p><p>de grão entre uma zona e outra. As zonas situam-se dentro</p><p>do grão e frequentemente não são perceptíveis em exame</p><p>microscópico</p><p>Fenômenos na solidificação</p><p>Defeitos da solidificação</p><p>Caso real de resfriamento em situação de não equilíbrio</p><p>O último líquido a se solidificar que se situa no contorno de grão, tem</p><p>temperatura de fusão mais baixa que o resto do material, inclusive do que aquela</p><p>prevista pelo diagrama de equilíbrio</p><p>No caso de um reaquecimento da peça (por exemplo, no tratamento térmico</p><p>posterior), pode ocorrer fusão (localizada) da região do contorno de grão,</p><p>enquanto o centro do grão permanece sólido</p><p>A fusão localizada do contorno recebe o nome de liquação e resulta em</p><p>intensas distorções dimensionais na peça (grandes empenhamentos) chegando</p><p>a inutilizá-las</p><p>27/02/2020</p><p>18</p><p>Fenômenos na solidificação</p><p>Defeitos da solidificação</p><p>Caso real de resfriamento em situação de não equilíbrio</p><p>A presença de impurezas, tais como S e P, tende a agravar o fenômeno, na</p><p>medida em que as mesmas tendem a serem rejeitadas, durante a solidificação,</p><p>dos núcleos sólidos para o líquido remanescente, resultando em concentrações</p><p>elevadas nos contornos de grão.</p><p>Fenômenos na solidificação</p><p>Defeitos da solidificação (Outros Tipos de segregação - Macrosegregações)</p><p>A macrosegregação tem a mesma origem da microsegregação causada pela</p><p>rejeição de soluto do sólido para o líquido durante a solidificação. A diferença está</p><p>no fato de que a macrosegregação ocorre ao longo da peça (e não apenas dentro</p><p>do grão)</p><p>Uma vez que a solidificação ocorre da parede do molde para o centro da peça, é</p><p>comum que ocorra aumento da concentração de solutos da periferia para o centro</p><p>da peça. Este tipo de macrosegregação é denominada de segregação normal</p><p>Como a macro e a microsegregação tem a mesma origem, as peças fundidas</p><p>costumam ter simultaneamente ambos os tipos de heterogeneidade</p><p>27/02/2020</p><p>19</p><p>Fenômenos na solidificação</p><p>Segregação em Peças Laminadas e Forjadas</p><p>•Propriedades mecânicas diferentes ao longo da peça</p><p>•Presentes nas zonas de menor tensão</p><p>Defeitos da solidificação (Outros Tipos de segregação - Macrosegregações)</p><p>Fenômenos na solidificação</p><p>Defeitos da solidificação (Segregação gravimétrica)</p><p>Ocorre quando a composição química da liga é tal que, durante a solidificação</p><p>formam-se fases sólidas com densidades muito diferentes</p><p>Durante a solidificação em ferros fundidos nodulares, forma-se primeiro a</p><p>grafita (baixa densidade) no metal líquido (maior densidade). Portanto a grafita</p><p>tende a boiar (fenômeno denominado de flotação). As grafitas flotantes podem</p><p>movimentar-se e alinharem-se na peça, criando uma região de concentração</p><p>27/02/2020</p><p>20</p><p>Fenômenos na solidificação</p><p>Defeitos da solidificação (Segregação gravimétrica)</p><p>As grafitas flotantes podem movimentar-se e alinharem-se na peça, criando uma</p><p>região de concentração</p><p>AULA 04</p><p>CLASSIFICAÇÃO DOS</p><p>DEFEITOS DE</p><p>FUNDIÇÃO</p><p>27/02/2020</p><p>21</p><p>Classificação dos defeitos de fundição</p><p>De acordo com o International Atlas of Casting Defects escrito por de Rowley e</p><p>outros (1974), os defeitos de fundição são subdivididos em sete classes básicas a</p><p>partir da localização e da possivel causa de sua origem, e são distribuídos nas</p><p>classes: A, B, C, D, E, F e G.</p><p>• Na classe A estão os defeitos de saliência metálica, sem alteração da forma</p><p>geométrica e com alteração da forma geométrica da peça metálica fundida</p><p>• Na classe B estão os defeitos conhecidos como cavidade ou porosidade</p><p>• Na classe C estão as descontinuidades ou trincas</p><p>• Na classe D estão os defeitos de superfície</p><p>• Na classe E estão os defeitos devido às peças incompletas</p><p>• Na classe F estão os defeitos devido às dimensões</p><p>• Na classe G estão os defeitos de inclusões</p><p>Classificação dos defeitos de fundição</p><p>Classe A: saliências metálicas</p><p>Exemplo: nº A111 – Rebarba</p><p>Saliência fina na superfície de separação ou nas marcações de macho</p><p>27/02/2020</p><p>22</p><p>Classificação dos defeitos de fundição</p><p>Classe B: cavidades</p><p>Exemplo: nº B111 – Bolhas de gás, porosidades</p><p>Cavidades arredondadas de paredes geralmente lisas de tamanho variado,</p><p>isoladas ou agrupadas aleatoriamente por toda a peça</p><p>Classificação dos defeitos de fundição</p><p>Classe B: cavidades</p><p>Exemplo: nº B211 – Rechupe ou chupagem aberta, externa</p><p>Cavidade externa situada acima de uma parte maciça</p><p>27/02/2020</p><p>23</p><p>Classificação dos defeitos de fundição</p><p>Classe C: descontinuidades</p><p>Exemplo: nº C221 – Fissura</p><p>Descontinuidades irregulares em regiões sensíveis a tensões, tendo a superfície</p><p>de separação, aspecto oxidado, podendo eventualmente apresentar estrutura</p><p>dentrítica.</p><p>Classificação dos defeitos de fundição</p><p>https://www.solutionsfonderie.com/wp-content/uploads/2016/01/International-</p><p>classificationof- casting-defect.pdf</p><p>27/02/2020</p><p>24</p><p>Questões</p><p>Considerando que a transformação dos metais e ligas metálicas em peças de uso</p><p>industrial tem como ponto de partida o metal líquido ou fundido, que é derramado</p><p>no interior de um molde cuja cavidade tem a forma da peça que se deseja</p><p>produzir, julgue o item que se segue.</p><p>A colocação de massalotes favorece o aparecimento de rechupe (chupagem) na</p><p>peça final.</p><p>(A) Falso</p><p>(B) Verdadeiro</p><p>Questões - Resposta</p><p>Considerando que a transformação dos metais e ligas metálicas em peças de uso</p><p>industrial tem como ponto de partida o metal líquido ou fundido, que é derramado</p><p>no interior de um molde cuja cavidade tem a forma da peça que se deseja</p><p>produzir, julgue o item que se segue.</p><p>A colocação de massalotes favorece o aparecimento de rechupe (chupagem) na</p><p>peça final.</p><p>(A) Falso</p><p>(B) Verdadeiro</p><p>27/02/2020</p><p>25</p><p>Questões</p><p>A fundição é um dos processos de fabricação mecânica mais empregados na</p><p>indústria, seja ela de máquinas pesadas ou utensílios de decoração.</p><p>Sobre esse processo, afirma-se que:</p><p>na fase de solidificação a contração do material provoca uma heterogeneidade</p><p>conhecida como segregação.</p><p>(A) Falso</p><p>(B) Verdadeiro</p><p>Questões - Resposta</p><p>A fundição é um dos processos de fabricação mecânica mais empregados na</p><p>indústria, seja ela de máquinas pesadas ou utensílios de decoração.</p><p>Sobre esse processo, afirma-se que:</p><p>na fase de solidificação a contração do material provoca uma heterogeneidade</p><p>conhecida como segregação.</p><p>(A) Falso</p><p>(B) Verdadeiro</p><p>27/02/2020</p><p>26</p><p>Questões</p><p>A fundição é um dos processos de fabricação mecânica mais empregados</p><p>na</p><p>indústria, seja ela de máquinas pesadas ou utensílios de decoração.</p><p>Sobre esse processo, afirma-se que:</p><p>a segregação pode fazer com que as propriedades mecânicas variem de acordo</p><p>com região da peça.</p><p>(A) Falso</p><p>(B) Verdadeiro</p><p>Questões – Resposta</p><p>A fundição é um dos processos de fabricação mecânica mais empregados na</p><p>indústria, seja ela de máquinas pesadas ou utensílios de decoração.</p><p>Sobre esse processo, afirma-se que:</p><p>a segregação pode fazer com que as propriedades mecânicas variem de acordo</p><p>com região da peça.</p><p>(A) Falso</p><p>(B) Verdadeiro</p><p>27/02/2020</p><p>27</p><p>Questões</p><p>No contexto do processo de fundição sob pressão, considere as afirmações a seguir.</p><p>I - O molde utilizado nesse processo geralmente é constituído de duas partes, que são hermeticamente</p><p>fechadas no momento do vazamento do metal líquido. Ele pode ser utilizado frio ou aquecido à temperatura</p><p>do metal líquido, o que exige materiais que suportem essas temperaturas.</p><p>II - O metal é bombeado na cavidade do molde e a sua quantidade deve ser tal que não só preencha</p><p>inteiramente essa cavidade, como também os canais localizados em determinados pontos para evasão do ar.</p><p>Esses canais servem também para garantir o preenchimento completo das cavidades do molde, sendo,</p><p>simultaneamente, produzida alguma rebarba.</p><p>III - Devido à pressão e à conseqüente alta velocidade de enchimento da cavidade do molde, o processo</p><p>possibilita a fabricação de peças de formas pouco complexas e de paredes mais espessas do que permitem</p><p>os processos de gravidade.</p><p>Estão corretas as afirmações</p><p>(A) I, apenas.</p><p>(B) I e II, apenas.</p><p>(C) I e III, apenas.</p><p>(D) II e III, apenas.</p><p>(E) I, II e III.</p><p>Questões - Resposta</p><p>No contexto do processo de fundição sob pressão, considere as afirmações a seguir.</p><p>I - O molde utilizado nesse processo geralmente é constituído de duas partes, que são hermeticamente</p><p>fechadas no momento do vazamento do metal líquido. Ele pode ser utilizado frio ou aquecido à temperatura</p><p>do metal líquido, o que exige materiais que suportem essas temperaturas.</p><p>II - O metal é bombeado na cavidade do molde e a sua quantidade deve ser tal que não só preencha</p><p>inteiramente essa cavidade, como também os canais localizados em determinados pontos para evasão do ar.</p><p>Esses canais servem também para garantir o preenchimento completo das cavidades do molde, sendo,</p><p>simultaneamente, produzida alguma rebarba.</p><p>III - Devido à pressão e à consequente alta velocidade de enchimento da cavidade do molde, o processo</p><p>possibilita a fabricação de peças de formas pouco complexas e de paredes mais espessas do que permitem</p><p>os processos de gravidade.</p><p>Estão corretas as afirmações</p><p>(A) I, apenas.</p><p>(B) I e II, apenas.</p><p>(C) I e III, apenas.</p><p>(D) II e III, apenas.</p><p>(E) I, II e III.</p>