Solidificação de metais

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Solidificação de metais e formação da estrutura interna de grãos
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Fabricação de metais e ligas
Metais/ ligas
Fundição
(Fusão) 
Forma final 
Forma semifinal
Confor-mação* 
Forma final 
*Forjamento, laminação, extrusão, trefilação 
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Visão termodinâmica
A transformação do estado líquido para o sólido (e vice versa) ocorre devido a transformação da matéria para uma condição mais estável com menor energia livre.
Para que o processo de solidificação aconteça deve haver uma redução de energia livre. Desta forma no ponto de equilíbrio nada acontece, pois as energias dos dois estados são iguais.
A solidificação somente ocorrerá se o metal for resfriado abaixo da temperatura de equilíbrio 
Essa diferença entre a temperatura de equilíbrio e a temperatura onde a solidificação efetivamente acontece chama-se grau de super resfriamento.
Quanto maior a taxa de resfriamento maior o grau de super resfriamento. 
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Em termos de metalurgia física
A fusão ocorre quando a energia de vibração dos átomos por conta do aumento da temperatura supera a energia envolvida na ligação química entre os átomos.
No estado líquido não há ordem a longa distância (não há sistema cristalino) e as ligações entre os átomos é fraca do tipo Van der Waals
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Curva esquemática de resfriamento-Metal puro
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Curvas de resfriamento em três velocidades diferentes.
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Efeito do super-resfriamento sobre o raio critico
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Raio crítico: cobre
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Raio crítico e subresfriamento
r*=	-2Tm
	HsT
 onde		
r*: raio crítico do núcleo
: energia livre superficial
Tm: temperatura de fusão/solidificação 
Hs : calor latente de solidificação 
T : graus de subresfriamento
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Solidificação de alguns metais
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Mecanismos de nucleação
 Nucleação homogênea
Próprio metal fornece átomos para formar núcleos
Subresfriamento usualmente de centenas de graus Celsius
 Nucleação heterogênea
Presenca de agentes nucleantes: superfície do recipiente, impurezas insolúveis, ou material estrutural
Prática industrial: subresfriamento de 0,1 a 10°C
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Efeito da presença de nucleantes (refinadores de grãos) durante a solidificação.
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Processo de nucleação e crescimento
Núcleos
Líquido
Líquido
Cristais que formarão grãos
Grãos
Contornos de grão
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Diagramas esquemáticos das várias etapas da solidificação de um material policristalino: Os pequenos quadrados representam células unitárias em uma escala bidimensional
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Grãos e contornos de grão
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Processo de solidificação-Formação dos grãos a partir das paredes do molde
Após macrografia e ataque químico pode-se ver os grãos.
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Processo de solidificação-Formação dos grãos
Os grãos são formados no início do processo de solidificação a partir de pequenos agrupamentos de átomos chamados de núcleos.
Cada núcleo da origem à um grão com crescimento cristalográfico em direção diferente de seus vizinhos.
Quando resta pouco líquido e os diferentes grãos começam a se encontrar,formam o contorno de grão.
O contorno de grão é uma região de 2 a 10Ǻ, desordenada, sem uma estrutura cristalina definida, sendo portanto uma região de maior energia que a do interior do grão. 
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Conceito de raio crítico
Núcleos de grande variedade de tamanhos surgem no líquido mas nem todos crescem
A interface que aparece entre o sólido e o líquido faz aumentar a energia livre F (tensão superficial x área da superfície) a medida que o raio do núcleo aumenta
A passagem de líquido para sólido, no entanto, faz reduzir o valor da energia livre F a medida que o núcleo cresce.
A soma dessas duas variações passa por um máximo.
Espontaneamente somente ocorrem os fenômenos acompanhados de redução no valor de F.
Desta forma somente os núcleos com raio maior que um determinado valor podem crescer. Esse valor se chama RAIO CRÍTICO 
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INFLUÊNCIA DO VALOR DO RAIO CRÍTICO
Assim, núcleos de R < Rc desaparecem
E núcleos de R ≥ Rc crescem se constituindo em grãos no final da solidificação
Quanto maior a velocidade de resfriamento maior a redução em F pela passagem Liq-Sol, desta forma menor o valor de Rc 
Quanto menor o valor de Rc mais grãos podem crescer, solidificando um material com menor tamanho de grão e em maior número.
Industrialmente usa-se a adição de pequenas partículas com ponto de fusão levemente superior ao da liga para atuar como nucleantes e fabricar componentes com grãos pequenos – Inoculação 
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Estruturas de grão
Grãos equiaxiais:
Crescimento de cristais aproximadamente igual em todas as direções.
Se formam em grande número devido a alta velocidade de solidificação na parede do molde.
Usualmente adjacentes a parede fria do molde, (zona Chill, ou coquilhada) mas podem aparecer no centro do lingote também dependendo do tamanho do molde e da velocidade de resfriamento (nesse caso se for lenta).
 Grãos colunares:
Longos, finos, grosseiros.
Crescem a partir dos grãos equiaxiais formados na parede do molde.
Solidificação relativamente lenta em gradiente de temperatura
Perpendiculares à parede fria do molde
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Estruturas de grão (a direita macrografia mostrando os dois tipos de grãos)
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Grãos colunares em um lingote de alumínio fundido:reativo de Tucker 
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Frente de solidificação com crescimento dendrítico
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Aspecto das dendritas
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Relação entre as dendritas e os grãos na solidificação
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Formação do vazio após a solidificação: Em geral os sólidos apresentam menor volume que os líquidos, ocorrendo uma contração durante a solidificação 
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Efeito da segregação em uma barra de aço fundida: O soluto, em geral, é mais solúvel no líquido que no sólido. As últimas partes a solidificar tendem a ficar mais impuras. Regiões interdendríticas e o centro do lingote 
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Localização esquemática da segregação
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