SOLIDIFICAÇÃO DE METAIS

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AULA 15 
 
 
 O FENÔMENO DA SOLIDIFICAÇÃO 
 A Solidificação é um fenômeno universal de grande importância científica e 
tecnológica. A solidificação é uma transição de estado, de líquido para sólido; todas as 
transições são caracterizadas por mudanças bruscas nas propriedades dos materiais. Os 
átomos no estado líquido possuem muito mais mobilidade do que os átomos no estado 
sólido. 
 O controle do tamanho e forma do grão, da homogeneidade e da integridade do 
material sólido pode ser feito, na solidificação, pelo controle das velocidades de 
nucleação e de crescimento de fases. 
 O controle adequado da velocidade de solidificação é uma ferramenta tecnológica 
essencial para se melhorar e obter novas propriedades como, por exemplo, a purificação 
de materiais. 
 A importância da solidificação é notável em metais e ligas metálicas, mas os seus 
princípios podem ser usados em qualquer material, como polímeros, vidros, biomateriais, 
etc. 
 Um exemplo comum: a solidificação de um lingote metálico (um lingote de aço), é 
frequentemente utilizada para se descrever, em linhas gerais, o fenômeno. 
 O lingotamento contínuo é um estágio muito importante na fabricação de aços, 
alumínio e cobre, entre outros metais, e produz placas e barras, que são, posteriormente, 
trabalhadas a frio ou a quente até sua forma final. 
 
SOLIDIFICAÇÃO DE METAIS 
 
 Os grandes lingotes, que devem ser resfriados lentamente, requerem aditivos a fim 
de se induzir um aumento da taxa de nucleação (heterogênea), se se deseja a estrutura 
do metal com granulação fina. 
 As primeiras partes do lingote de um metal puro a se solidificarem estão próximas 
das paredes do molde, que prontamente conduzem para fora o calor. Em seguida, é o 
topo do lingote que se solidifica. Consequentemente, o líquido restante ficará envolvido 
pelo sólido. 
 
 
 Como a maioria dos líquidos puros (monocomponentes) se contrai na solidificação, 
a contração do líquido no centro do lingote leva à formação de vazios. Para que isso seja 
evitado, a prática comum é manter quente o topo do lingote, usualmente pela adição de 
compostos que se decompõem exotermicamente. 
 À medida que o líquido se solidifica, o calor é liberado, pois a entalpia do sólido é 
muito menor que a do líquido. Este calor deve ser conduzido para fora, através das 
paredes do molde, sendo o fluxo de calor sempre perpendicular à superfície das paredes. 
O primeiro material a solidificar-se, junto à parede do molde, tem granulação fina e os 
grãos têm orientações cristalográficas aleatórias (ao acaso). Esta região é denominada 
zona coquilhada. 
 O material do interior do lingote resfria-se mais lentamente e a solidificação ocorre 
em temperatura mais alta. Os grãos próximos à superfície crescem para dentro na 
direção contrária do fluxo de calor, que flui para fora. 
 
 Os cristais se tornam maiores que os da zona coquilhada, e alongados, com os 
comprimentos maiores paralelos à direção do fluxo de calor (normais às paredes do 
molde). Esta região é denominada zona colunar. Os grãos colunares não são orientados 
aleatoriamente. Em geral, os cristais crescem mais rapidamente em certas direções. 
 
 
Quando um metal líquido é vazado num molde, a temperatura do líquido, a uma pequena 
distância das paredes, cai abaixo da temperatura de solidificação. 
 É produzido um considerável super-resfriamento nessa região mais externa e a 
velocidade de nucleação heterogênea é relativamente grande. 
 Desse modo, a taxa de nucleação de grãos é alta na zona coquilhada e os grãos 
crescem pouco com orientação qualquer. Já na zona colunar, a taxa de nucleação é 
pequena e predomina o crescimento dos cristais. Logo que a nucleação se inicia na zona 
coquilhada, a temperatura dessa região começa a subir novamente como resultado da 
liberação de calor latente de fusão. 
 
 Quando isso ocorre, há a diminuição da temperatura à frente da interface entre 
zona coquilhada e líquido. 
 Então, os cristais da zona coquilhada presentes na interface lançam ramos 
cristalinos para dentro do líquido super-resfriado, iniciando a formação da zona colunar. 
 
 
 Algumas vezes os grãos colunares ramificam-se e estes ramos se ramificam de 
novo (ramificações secundárias), podendo surgir até mesmo ramificações terciárias a 
partir das secundárias. Os grãos resultantes são então chamados dendritas, termo 
derivado da palavra grega dendron, que significa "árvore”, pois o cristal ramificado 
resultante tem a aparência de um pinheiro. 
 As Figuras seguintes apresentam uma representação esquemática do estágio 
inicial do crescimento dendrítico. 
 
 
 Na solidificação de metais puros, os grãos colunares poderão crescer até o centro 
do molde. No caso de ligas metálicas, haverá a formação de grãos equiaxiais na zona 
central, cujo crescimento é limitado por grãos vizinhos semelhantes, que foram nucleados 
aproximadamente ao mesmo tempo. 
 As Figuras abaixo mostram uma animação do processo de solidificação de uma 
liga onde ocorre formação de grãos na zona central do molde. 
 
 
 Segregação do Soluto 
 Numa mistura líquido-sólido, é importante observar que o líquido e o sólido não 
têm a mesma composição. 
 Considere o exemplo do diagrama hipotético da figura que mostra um trecho do 
diagrama de equilíbrio para a segregação do soluto na solidificação. 
 A segregação do soluto deste tipo é também útil para purificação por um método 
semicontínuo chamado de solidificação direcional. Técnicas similares são conhecidas 
pelos nomes de fusão zonal e refino por zona. 
 Por estas técnicas é possível purificar lingotes de metais e ligas até um nível de 
impurezas de algumas partes por bilhão (ppb). Evidentemente, é necessário que o metal 
ou a liga apresentem um diagrama de fases adequado para este método. 
 Foi através desta técnica que se produziram os materiais semicondutores silício 
(Si) e germânio (Ge) utilizados nos primeiros transístores comerciais. A obtenção de 
semicondutores e metais ultrapuros em escala industrial possibilitou o surgimento da 
indústria de semicondutores e da chamada "era da informática" desde os anos sessenta 
do século XX. 
 No caso de metais e ligas comuns, geralmente a solidificação longe do equilíbrio 
produz resultados inconvenientes, tais como porosidade, crescimento de grão colunar, 
 
zonado, que é usualmente de composição muito heterogênea. Para se obter estruturas 
de granulação fina, não colunares, podem ser utilizados nucleantes artificiais. 
 A porosidade pode ser eliminada pela adição de ligas metálicas que produzem 
reações exotérmicas na parte superior do lingote. Um tratamento térmico do sólido em 
temperatura elevada homogeneizará a composição. 
 
 Recristalização e Crescimento de Grão em Materiais Metálicos Policristalinos 
 O fenômeno chamado de deformação plástica dos metais modifica a estrutura 
interna do metal ou liga metálica. Os cristais deformados plasticamente possuem mais 
energia que os não deformados, pois tiveram suas concentrações de deslocações (ou 
discordâncias), lacunas e outras imperfeições pontuais aumentadas. 
 Denomina-se encruamento ao fenômeno pelo qual ocorre um aumento da dureza 
e da resistência mecânica de um material metálico dúctil, como resultado da deformação 
plástica. Como a deformação é efetuada numa temperatura que é uma pequena fração 
do valor da temperatura de fusão do material (Tfusão >>> Tdef. a frio ), fenômeno também é 
chamado de trabalho a frio. 
 Para que a recristalização se realize é necessário a ativação térmica. Em primeiro 
lugar, um excesso de defeitos puntiformes que tenham sido gerados (usualmente 
lacunas), desaparece quandose atinge a concentração de equilíbrio. As lacunas 
desaparecem em baixas temperaturas. 
 Em segundo lugar, em temperaturas mais altas as tensões internas são 
parcialmente aliviadas pelo rearranjo da estrutura de deslocações. Parte da energia 
interna de deformação, armazenada pelo trabalho a frio, é liberada em virtude do 
movimento das deslocações, resultado de um aumento da difusão atômica. 
As deslocações se movem de modo a cancelar seus campos de tensão de longo alcance. 
 Este segundo processo, chamado recuperação, necessita de uma energia de 
ativação mais elevada que aquela requerida para a aniquilação de defeitos puntiformes e, 
portanto, só ocorre em temperaturas mais altas. 
 Finalmente, em temperaturas ainda mais elevadas, a alta densidade de 
deslocações é fortemente reduzida pela nucleação e crescimento de novas fases do 
material. Este processo, chamado recristalização, elimina completamente os efeitos da 
deformação plástica. 
 A Figura apresenta, de forma qualitativa, para uma liga metálica qualquer, um 
esquema que descreve a influência da temperatura de recristalização sobre os limites de 
resistência mecânica (tração e ductilidade). 
 
 
 Como foi observado, a força motriz para a recristalização provém da energia 
armazenada durante o trabalho a frio. A temperatura de recristalização se aproxima de 
um valor constante (ou valor limite) em deformações mais elevadas. Denomina-se 
deformação crítica ao percentual de trabalho a frio abaixo do qual a recristalização não 
ocorre. 
 O gráfico mostra a relação entre a temperatura de recristalização e o percentual 
de trabalho a frio. 
 
 
O crescimento de grão é o processo pelo qual o tamanho médio de grão aumenta 
continuamente durante o tratamento térmico. Os grãos livres de deformação continuarão 
a crescer, se o material é deixado a uma temperatura elevada. Este crescimento não 
precisa ser precedido por processos de recuperação e recristalização. 
 A força motriz para o crescimento dos grãos é a redução da área superficial total 
do grão. Quando os grãos crescem em tamanho e decrescem em número, a área do 
contorno de grão diminui e, assim, a energia de superfície decresce. 
 A Figura apresenta uma representação esquemática do crescimento de grão por 
movimentação atômica através do contorno. Grãos com pequeno número de lados 
tendem a desaparecer enquanto grão com seis (hexágonos) ou mais número de lados 
tendem a crescer absorvendo os menores. 
 
 
 DISCUSSÃO SOBRE AS OPERAÇÕES DE CONFORMAÇÃO 
 As operações de conformação consistem naquelas onde a forma de uma peça 
metálica é alterada mediante deformação plástica. Obviamente, a deformação deve ser 
induzida por uma força ou tensão externa, cuja magnitude deve exceder o limite de 
escoamento do material. A maioria dos materiais metálicos é suscetível a esses 
procedimentos, sendo pelo menos moderadamente dúcteis e capazes de sofrer alguma 
deformação permanente sem trincar ou fraturar. 
 Quando a deformação é obtida a uma temperatura acima daquela na qual a 
recristalização ocorre, o processo é conhecido por trabalho a quente; de outro modo, o 
processo é conhecido por trabalho a frio. 
 No caso das operações de trabalho a quente são possíveis grandes deformações, 
que podem ser repetidas sucessivamente, pois o metal permanece mole e dúctil. Ainda, 
as exigências em relação à energia de deformação são menores do que as energias para 
o trabalho a frio. Contudo, alguns metais experimentam alguma oxidação da sua 
superfície, o que resulta em perda do material e em um deficiente acabamento final da 
superfície. 
 O trabalho a frio produz um aumento na resistência com uma consequente 
redução na ductilidade, uma vez que o metal 'encrua'. De qualquer forma, vamos neste 
momento oportuno, fazer algumas considerações. As vantagens em relação ao trabalho a 
quente são uma melhor qualidade do acabamento superficial, melhores propriedades 
mecânicas e uma maior variedade dessas, bem como um controle dimensional mais 
preciso da peça acabada. 
 Ocasionalmente, a deformação total é obtida mediante uma série de etapas onde a 
peça é submetida sucessivamente a pequenas magnitudes de trabalho a frio, sendo 
então submetida a um processo de tratamento térmico; entretanto, esse é um 
procedimento caro e inconveniente. Vejamos agora algumas técnicas de conformação. 
 O "recozimento" é um tratamento térmico comparável, onde a dureza de uma 
microestrutura mecanicamente deformada é reduzida em altas temperaturas. A 
compreensão dos detalhes desse desenvolvimento microestrutural fica mais bem 
compreendidos quando exploramos quatro termos: trabalho a frio, recuperação, 
recristalização e crescimento de grão. 
 
 TRABALHO A FRIO 
 Como discutido, trabalho a frio significa deformar mecanicamente um metal em 
temperaturas relativamente baixas. Esse conceito relaciona o movimento de 
discordâncias com a deformação mecânica. A quantidade de trabalho a frio é definida 
com relação `a redução na área da seção transversal da liga por processos como 
laminação e estiramento. Veja na figura abaixo essa demonstração. Observe nessas 
ilustrações esquemáticas que a redução na área, causada pela operação de trabalho a 
frio, está associada à orientação preferencial dos grãos. 
A porcentagem de trabalho a frio é dada por 
 
 
 
 
onde A0 é a área da seção transversal original e Af é a área da seção transversal final 
após o trabalho a frio. 
 A dureza e resistência das ligas são aumentadas com o aumento da % TF, um 
processo chamado de endurecimento por encruamento. O mecanismo para esse 
endurecimento é a resistência à deformação plástica causada pela alta densidade de 
discordâncias produzidas no trabalho a frio (lembre-se das discordâncias estudadas). A 
densidade das discordâncias pode ser expressa como o comprimento das linhas de 
discordância por unidade de volume (por exemplo, m/m3 ou unidades líquidas de m-2). 
 Acesse nesse o link para acompanhar uma interessante representação 
esquemática do tamanho de grão recristalizado em função do encruamento prévio: 
http://cienciadosmateriais.org/index.php?acao=exibir&cap=12 
 Entenda, caro(a) aluno(a), que uma liga recozida pode ter uma densidade de 
discordâncias tão baixa quanto 1010 m-2, com uma dureza correspondentemente baixa. 
Uma liga altamente trabalhada a frio pode ter uma densidade de discordâncias tão alta 
quanto 1016 m-2, com uma dureza (e resistência) significativamente mais alta. 
 Uma microestrutura trabalhada a frio aparece na figura. Os grãos severamente 
distorcidos são bastante instáveis. Levando a microestrutura a temperaturas mais altas, 
onde está disponível uma mobilidade atômica suficiente, o material pode ser amolecido, e 
uma nova microestrutura pode surgir. 
 
Exemplos de operações de trabalho a frio: (a) laminação a frio de uma barra ou chapa e 
(b) estiramento a frio de um fio. 
 
 RECUPERAÇÃO 
 O estágio mais sutil do recozimento é a recuperação. Nela não ocorre qualquer 
mudança microestrutural visível. A mobilidade atômica, porém, é suficiente para diminuir 
a concentração de defeitos pontuais dentro dos grãos e, em alguns casos, permitir que as 
discordâncias se movam para posições de energia mais baixa. Esse processo gera uma 
diminuição modesta na dureza e pode ocorrer em temperaturas logo abaixo daquelas 
necessárias para produzir mudanças microestruturais significativas. Embora o efeito 
estrutural da recuperação (principalmente o número reduzido de defeitos pontuais) 
produza um efeito modesto no comportamento mecânico, a condutividade elétrica 
aumenta significativamente. 
 
 RECRISTALIZAÇÃO 
 O resultado microestruturalda exposição a temperaturas onde a mobilidade 
atômica é suficiente para afetar as propriedades mecânicas é chamado de recristalização 
(a) 
 
(b) 
 
e ilustrado drasticamente na figura a. Novos grãos equiaxiais3, livres de tensão, nucleiam 
em regiões de alta tensão na microestrutura trabalhada a frio, figura b. 
 Esses grãos, então, crescem juntos até constituírem a microestrutura inteira, como 
mostrado em c e d. Como a etapa de nucleação ocorre para estabilizar o sistema, não é 
surpresa que a concentração de novos núcleos de grãos aumente com o grau de trabalho 
a frio.A diminuição na dureza devido ao recozimento é substancial. 
 Finalmente, a regra prática citada no início desta discussão da recristalização 
efetivamente define a temperatura de recristalização. Para determinada composição da 
liga, a temperatura precisa de recristalização dependerá ligeiramente da porcentagem do 
trabalho a frio. Valores mais altos de % TF correspondem a graus mais altos de 
endurecimento por encruamento e temperaturas de recristalização mais baixas; ou seja, 
menor fornecimento de energia térmica é exigido para iniciar a reforma da microestrutura. 
 
 CRESCIMENTO DE GRÃO 
 A microestrutura desenvolvida durante a recristalização ocorre espontaneamente. 
Isso pode ser visto na figura d. A microestrutura recristalizada, porém, contém uma 
grande concentração de contornos de grão. Observamos frequentemente, que a redução 
dessas interfaces de alta energia é um método para maior estabilização de um sistema. 
O engrossamento das microestruturas recozidas pelo crescimento de grão é um exemplo 
desse tipo. A figura e ilustra o crescimento de grão, que não é diferente da união de 
bolhas de sabão, um processo controlado de modo similar pela redução da área 
superficial. 
 
 
(a) 
 
(b) 
 
(c) 
 
(d) 
 
(e) 
 
(a) bronze trabalhado a frio (deformado por roletes, de modo que a área da seção 
transversal da peça foi reduzida em um terço; (b) aparecimento de novos grãos, após 3 s 
a 580 ºC; (c) muito mais grãos novos surgem, após 4 s a 580 ºC; (d) ocorrência da 
recristalização completa, após 8 s a 580 ºC; (e) ocorrência de substancial crescimento de 
grão, após 1 h a 580 ºC. Todas as micrografias possuem uma ampliação de 75X. 
 
 Acesse ao link para visualizar simulações da etapa de crescimento de grão: 
http://cienciadosmateriais.org/index.php?acao=exibir&cap=21 
 
 Observe agora a figura abaixo. Ela mostra que o estágio de crescimento de grão 
produz pouco amolecimento adicional da liga. Este efeito está associado 
predominantemente à recristalização. 
 
Ilustração esquemática do efeito da temperatura de recozimento sobre a resistência e a 
ductilidade de uma liga de bronze. 
 
Veja um exemplo que aborda a associação de algumas propriedades mecânicas com o 
trabalho a frio de ligas metálicas. 
Exemplo 1: 
Uma barra de latão 70 Cu-30 Zn recozido (10 mm de diâmetro) é estirada a frio através 
de uma matriz com um diâmetro de 8 mm. Observando a figura 12.14 que apresenta a 
variação das propriedades mecânicas de duas ligas de latão com o grau de trabalho a 
frio, determine qual é 
(a) o limite de resistência à tração, e 
(b) a ductilidade da barra resultante? 
 
Variação das propriedades mecânicas de duas ligas de latão com o grau 
de trabalho a frio. 
 
Solução: 
Os resultados estão disponíveis na figura, uma vez que a porcentagem do trabalho a frio 
é determinada. Essa porcentagem é dada por 
 
 
 
 
para determinado histórico de processamento, 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Pela figura, vemos que: 
(a) limite de resistência à tração = 520 MPa, e 
(b) ductilidade (alongamento) - 9% 
 
 Para fechar, caro(a) aluno(a), é importante que você acompanhe uma interessante 
simulação que relaciona as propriedades mecânicas, o tamanho de grão e a 
microestrutura para uma liga metálica durante a recristalização. 
Acesse o link: http://cienciadosmateriais.org/index.php?acao=exibir&cap=21