Solidificação na Fundição

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Aula 04: Fundamentos da Solidificação dos Metais
1. Introdução
Diferenças entre sólidos e líquidos
Eventos que caracterizam a solidificação.
Heterogeneidades que podem ocorrer durante a solidificação.
Importância da solidificação na tecnologia de fundição.
2. Nucleação da Fase Sólida
Nucleação Homogênea
O conceito de Curvas de Resfriamento
Nucleação Heterogênea
Aplicações práticas da Teoria da Nucleação Heterogênea
Disciplina: Fundição
Professor: Guilherme O. Verran 
Diferenças entre Líquidos e Sólidos
LÍQUIDOS
Átomos apresentam 
alta energia cinética
Ordem de 
curto alcance
SÓLIDOS
Átomos podem vibrar apenas 
em torno de uma posição fixa 
Arranjados numa ordem de 
longo alcance
Fundamentos da Solidificação de Metais e Ligas
Disciplina: Fundição
Professor: Guilherme O. Verran Fundamentos da Solidificação dos Metais
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Disciplina: Fundição
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Fundamentos da Solidificação dos Metais
Metal Líquido
Nucleação
Crescimento Composição
QuímicaVelocidade de 
Solidificação
Gradientes Térmicos
Redistribuição de Soluto
Morfologia da Interface S/L
Estrutura Segregação Defeitos
Metal Sólido
Influência da Taxa de Resfriamento sobre a 
Microestrutura de Solidificação
Líquido
10
102
104
106
108
Taxa de Resfriamento (K/s)
Microestruturas 
Convencionais
Microestruturas 
Refinadas
Novas 
Microestruturas
Dendritas, Eutéticos 
Grosseiros e outros 
constituintes 
Espaçamentos 
Dendríticos e Eutéticos 
Finos, e outros 
microconstituintes 
Estruturas 
Microcristalinas 
Estruturas Cristalinas 
Metaestáveis 
Estruturas vítreas ou 
amorfas
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Fundamentos da Solidificação dos Metais
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SOLIDIFICAÇÃO
Objetivo: fixar os átomos que se 
movimentam violentamente e arranjá-los 
numa ordem de longo alcance
Retirada de 
Energia Térmica
(Resfriamento)
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• A solidificação dos metais resulta 
num decréscimo abrupto na 
mobilidade atômica. 
• A viscosidade dinâmica (η) de um 
metal puro no estado líquido próximo 
ao seu ponto de fusão é semelhante à 
viscosidade da água à temperatura 
ambiente, ou seja da ordem de 10-3
Pa.s .
Fundamentos da Solidificação dos Metais
• A transformação Líquido-Sólido por que 
passa o metal é de natureza ativa e 
dinâmica ⇒ ocorrem diversos eventos que 
devem ser devidamente controlados de 
modo a não comprometerem o 
desempenho final do produto.
SOLIDIFICAÇÃO
⇓
Ocorrência de Heterogeneidades
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Fundamentos da Solidificação dos Metais
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Heterogeneidades que podem ocorrer durante a 
solidificação de metais ou ligas
• Físicas :
• Químicas:
• Estruturais:
• Porosidades
• Rechupes
• Trincas de Contração
• Segregações de Impurezas ou 
Elementos de Liga (escalas micro 
ou macroscópica).
Dos Grãos 
ou Cristais.
• Tipos
• Distribuição
• Tamanho
• Natureza
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Fundamentos da Solidificação dos Metais
Heterogeneidades
Fisicas 
Defeitos Fisicos
DESCONTINUIDADES AO 
LONGO DO MATERIAL.
• Porosidades
• Rechupes
• Trincas de 
Solidificação 
Contração na Solidificação
Modelo de Solidificação 
Projeto 
Gases Dissolvidos no Metal 
Liquido
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Fundamentos da Solidificação dos Metais
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Micrografia mostrando 
Rechupe - defeito devido à 
contração na solidificação, 
aumento 100X.
Rechupe devido a 
contração na região 
de ponto quente.
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Fundamentos da Solidificação dos Metais
Micrografia mostrando porosidade típica em peca injetada 
devido ao aprisionamento de gás pelo sistema de injeção, 
aumento 50X. 
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Fundamentos da Solidificação dos Metais
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Trinca formada em 
um canto do fundido, 
local onde as tensões 
internas são mais 
intensas.
Trincas de 
Solidificação 
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Fundamentos da Solidificação dos Metais
Heterogeneidade
Química
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Segregações
Formação de gradientes no percentual de um elemento de liga 
(soluto) na matriz do metal base (solvente) devido a ocorrência de 
redistribuição de soluto durante a solidificação de ligas 
monofásicas. 
Fundamentos da Solidificação dos Metais
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Propriedades físicas dos metais puros de grande relevância no estudo da solidificação
Disciplina: Fundição
Professor: Guilherme O. Verran Fundamentos da Solidificação dos Metais
Propriedades físicas de ligas relevantes no estudo da solidificação
A auto difusão e a difusão de 
elementos de liga e impurezas são 
muito mais lentas na fase sólida 
do que na fase líquida tanto para 
o Fe como para o Al 
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Grandes consequências na 
distribuição de soluto na fase 
sólida durante a solidificação
Heterogeneidades Químicas
SEGREGAÇÃO
Fundamentos da Solidificação dos Metais
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Heterogeneidades
Estruturais
Tamanhos dos 
Grãos
100 µm
(a) 
(a) (b) (c) (d) (e)
100 µm 100 µm
(d) (e) 
100 µm
(c) 
100 µm
(b) 
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Fundamentos da Solidificação dos Metais
Importância do entendimento da Solidificação na Tecnologia de 
Fundição
• Dimensionamento e 
localização dos canais de 
enchimento e alimentação
• Otimização e controle das 
variáveis do processo.
• Desenvolvimento de novos materiais e 
processos.
Disciplina: Fundição
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Auxilio no projeto do 
ferramental
• Adequações no projeto da 
peça
• Conhecimento das causas e das 
medidas corretivas quanto aos 
defeitos de solidificação
Melhoria do processo
Melhoria do produto
Inovação 
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Nucleação
Surgimento da fase sólida de forma estável no seio da 
fase líquida, sob a forma de pequenos núcleos 
cristalinos. 
Crescimento
Modo pelo qual estes núcleos crescem sob a forma 
de cristais ou grãos cristalinos.
Como todas as transformações de fase, a solidificação
se processa em duas etapas sucessivas de Nucleação
e Crescimento de uma nova fase em meio à anterior.
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Fundamentos da Solidificação dos Metais
• Ocorre sem a interferência ou contribuição 
energética de elementos ou agentes estranhos ao 
sistema metal líquido-metal sólido.
Nucleação Homogênea
• Formação do Núcleo é devida à ocorrência do 
Superesfriamento Térmico.
Superesfriamento Térmico ⇒
Condição essencial para que 
os embriões da fase sólida 
possam sobreviver na forma 
de núcleos estáveis.
Fase Líquida 
Superesfriada 
Térmicamente
Fase Sólida apresenta Maior Estabilidade 
Termodinâmica, pois possui um valor de 
Energia Livre (G) menor que a fase líquida.
⇒
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Solidificação_Nucelação
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CURVAS DE RESFRIAMENTO – ANÁLISE TÉRMICA 
Curva de resfriamento para um Metal Puro mostrando 
a ocorrência de superesfriamento
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Solidificação_Nucelação
CURVA DE RESFRIAMENTO - REGISTRO TÉRMICO DA SOLIDIFICAÇÃO
tempoTempo de Solidificação
Te
m
pe
ra
tu
ra
 
(0 C
)
∆T
L L + 
S
S
Temperatura de Vazamento - Tv
Temperatura de Nucleação - TN
Temperatura de Solidificação - TS
∆T = TS – TN Superesfriamento Térmico
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Solidificação_Nucelação
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Curvas de resfriamento 
para ligashipoeutética (2) 
e eutética (1)
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Solidificação_Nucelação
Analise térmica
• Vaza-se uma certa quantidade de metal em um recipiente contendo um
termopar. Este termopar, acoplado a um equipamento de registro de dados,
grava a evolução da temperatura da amostra durante a solidificação.
As curvas descrevem o balanço térmico entre o calor que é retirado pelo
molde e o calor gerado pelas transformações de fase da amostra durante a
solidificação.
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Solidificação_Nucelação
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Temperatura de 
Super-resfriamento:
Início do crescimento das 
células eutéticas.
Quanto mais alta esta 
temperatura, maior a 
nucleação do banho
Temperatura de 
Final de 
Solidificação:
Término da 
Solidificação da 
Amostra. Quanto mais 
baixa esta temperatura 
maior a tendência à 
formação de carbonetos
Temperatura Liquidus
Início da formação da Austenita: 
Quanto menor o Carbono 
Equivalente, mais alta é esta 
temperatura e maior a formação 
de autenita
Temperatura de 
Recalescência:
Ponto de máximo 
crescimento das 
células eutéticas
Temperatura de 
Nucleação:
Início da nucleação 
da grafita
TEE
Tempo
Te
m
p
e
ra
tu
ra
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Solidificação_Nucelação
Análise térmica
Parâmetros a serem observados da curva de 
análise térmica 
TEE – Temperatura do Eutético Estável
TNE – Temperatura de Nucleação do Eutético
TSE – Temperatura de Superresfriamento do 
Eutético
TRE – Temperatura de Recalescência do 
Eutético
TFS – Temperatura de Superresfriamento do 
Eutético
dT/dt – Velocidade de Recalescência (dada 
pela curva derivada)
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Solidificação_Nucelação
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∆
∆
G r L
T
Tvol f f
=−
4
3
013pi ( )
Variação de Energia Livre 
associada com o Volume da 
fase sólida em nucleação.
Condição termodinamicamente favorável.
NUCLEAÇÃO DO SÓLIDO
∆G rsup ( )= 4 022pi γ
Variação de Energia Livre 
associada com a formação de 
uma Superfície Sólido-Líquido.
Condição termodinamicamente desfavorável.
∆
∆
G r L
T
T
rtotal f
f
= − +
4
3 4 03
3 2pi pi γ ( )
Somando-se (01) e (02):
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Solidificação_Nucelação
Quando ∆Gtotal < 0 ⇒ o Núcleo cresce espontaneamente
⇒ o Embrião atingiu o Raio Crítico e se transformou em Núcleo
passando a apresentar um crescimento espontâneo.
∆G ∆Gsup
∆Gvol
∆Gtotal
RaioRc
Rc = Raio Crítico
Núcleo = Embrião 
que atingiu o Rc
⇓
Tornou-se 
termodinamicamente 
estável (∆G < 0)
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Solidificação_Nucelação
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• Caracteriza-se pela interferência de agentes 
estranhos ao sistema denominados SUBSTRATOS 
(energia superficial participa do jogo energético da 
sobrevivência do embrião na forma de núcleo 
estável).
Nucleação Heterogênea
⇓
Condição mais favorável para a nucleação
O EMBRIÃO surge na superfície do substrato sob a forma de 
uma CALOTA ESFÉRICA, aproveitando a energia de 
superfície ali disponível.
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Solidificação_Nucelação
Formação de um núcleo heterogêneo sobre o substrato,
mostrando o ângulo de molhamento e as tensões
superficiais envolvidas.
Nucleação Heterogênea
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Solidificação_Nucelação
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Nucleação Heterogênea
Casos-limite de molhamento entre o embrião e o 
substrato na nucleação heterogênea.
Nucleação 
Homogênea
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Solidificação_Nucelação
Aplicação Prática da Teoria da Nucleação Heterogênea
INOCULAÇÃO E REFINO DE GRÃO
Adição ou Inoculação de substratos heterogêneos
com alta potência de nucleação (sob a forma de partículas
finamente divididas).
Os INOCULANTES (REFINADORES) são distribuídos 
uniformemente no seio do metal líquido por meio de um veículo 
volátil a eles previamente adicionado
Cada partícula do NUCLEANTE atua como um
SUBSTRATO LOCALIZADO para a nucleação heterogênea da
fase sólida, devido ao fato de apresentar um alto índice de
molhamento pelo metal líquido.
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Solidificação_Nucelação
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VARIAÇÕES NA MACROESTRUTURA DE UMA LIGA AlMg EM FUNÇÃO E 
DO USO DE REFINADOR DE GRÃO PARA DIFERENTES TEMPERATURAS 
DE VAZAMENTO
 
Tv = 8150C
S/ REFINO C/ REFINO
Tv =7500C
 
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Solidificação_Nucelação
Aula 04.a: Fundamentos da Solidificação dos Metais – Parte 2
2. Macro e Microestruturas de
Solidificação
- Tipos de macroestruturas.
- Influência dos parâmetros de processo e
do material sobre as macroestrutura
- Relações estruturas vs. Velocidade de
solidificação.
- Fatores que influenciam na velocidade
de solidificação.
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Dr. Eng. Metalúrgica
1. Crescimento da fase sólida 
- Introdução
- Mecanismos (modelos) de crescimento
- Crescimento do interface plana ou solidificação 
progressiva 
- Crescimento com interface dendrítica ou 
solidificação extensiva 
- Utilização dos Diagramas de Equilíbrio no estudo 
da solidificação
- Solidificação de metais puros e de ligas com 
grandes intervalos de solidificação: consequências 
na estrutura de solidificação
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• O crescimento dos cristais e a solidificação dos metais líquidos é uma 
função direta da mobilidade atômica.
• Fatores térmicos e cinéticos devem ser levados em consideração na 
aceleração ou inibição do crescimento de um cristal metálico. 
• Alguns metais como Al e Cu apresentam apenas uma estrutura 
cristalina (CCC), enquanto outros metais como Fe e Co podem apresentar 
diferentes estruturas cristalinas a diferentes temperaturas (o Fe pode ser 
CCC ou CFC)
Crescimento da Fase Sólida
Introdução
Disciplina: Fundição
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Após a formação do núcleo, o mesmo tende a crescer com 
resultado da deposição de átomos que migram do líquido para o 
sólido.
Mecanismos de Crescimento
• Crescimento com Interface Plana(Lisa ou Facetada) 
ou Solidificação Progressiva
• Crescimento com Interface Dendrítica (Difusa) 
ou Solidificação Extensiva
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Durante o resfriamento de muitos metais(e ligas) os cristais nucleados 
crescem preferencialmente em certas direções fazendo com que cada 
cristal em crescimento assuma uma forma distinta conhecida como 
“Dendrita”
Em cristais cúbicos os eixos preferenciais de crescimento estão nas direções (100)
Disciplina: Fundição
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Representação Esquemática de 
03 dendritas interconectadas
Formação de grãos a 
partir das dendritas
Durante a solidificação ⇒ metal semi-sólido Estado sólido 
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Interface 
Plana
Interface 
Celular
Interface 
Dendrítica
Nucleação 
Independente
Diferentes Tipos de Interfaces de Solidificação
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Efeito do incremento na taxa de resfriamento sobre a morfologia 
da interface S/L em um sistema orgânico transparente 
solidificado unidirecionalmente com G = 2,98 K/mm
a = 0,2 µm/s b = 1,0 µm/s c = 3,0 µm/s d = 7,0 µm/s
Gradiente de Temperatura
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Formação de cristais equiaxiais no centro do molde durante a 
solidificação de uma mistura transparente cloreto de amônia-água.
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Líquido 
Sólido 
Modelo de Crescimento com Interface Planaou Lisa 
Solidificação Progressiva
A Interface cresce segundo 
um Plano Atômico bem 
definido que separa as Fases 
Sólido (ordenada 
atomicamente) e Líquido 
(desordenada atomicamente), 
caracterizado por uma 
variação abrupta e nítida 
Típico de Metais Puros ou Ligas Eutéticas.
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Modelo de Crescimento com Interface Dendrítica ou Difusa
Solidificação Extensiva
Metal Semi-Sólido 
Metal Líquido 
Metal Sólido 
A Interface de Crescimento 
não apresenta uma 
separação bem definida 
entre as Fases Sólido e 
Líquido ocorrendo a 
formação de uma região 
intermediária formada pela 
mistura de fases sólida e 
líquida (metal semi-sólido).
Modelo de Crescimento característico de Ligas 
que solidificam sob um intervalo de temperaturas
( ∆T = TL – TS ⇒ Intervalo de Solidificação)
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MICROESTRUTURAS DE SOLIDIFICAÇÃO
As microestruturas formadas na solidificação de ligas metálicas, 
especialmente o tamanho médio dos grãos, estão diretamente 
relacionadas com a velocidade de solidificação.
A velocidade de solidificação, por sua vez, depende do processo 
de fundição utilizado e de características das pecas.
FATORES QUE INFLUENCIAM NA VELOCIDADE DE SOLIDIFICAÇÃO:
• Tipo de molde (material de moldagem) : areia x metal. 
• Dinâmica do Processo: gravidade x pressão. 
• Geometria da Peca: paredes grossas x paredes finas. 
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Velocidade de Resfriamento
Tamanho dos Grãos
Areia Coquilha Sob Pressão
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