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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 10C, 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.
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