Solidificação em Metais

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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.
0*r8G*r
3
12
dr
)G(d
se
r4Gr
3
4
dr
d
dr
)G(d
V
2T
2
V
3T







 

VG
2*r


 TH
T2*r
s
m


ou
Hs= calor latente de solidificação
T= temperatura abaixo da temperatura 
de solidificação
Tm = Temperatura de fusão
Metal
Temperatura de 
solidificação 
(C)
Calor de 
solidificação 
(J/cm3)
Energia de 
superfície (J/cm2)
Temperatura 
abaixo da 
temperatura de 
solidificação (C)
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
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.