metalurgia
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uma barreira) a transformação, tornando necessário um tempo mais ou menos 
longo para esta se completar. Assim, a cinética de evolução de uma estrutura é um aspecto 
complementar do estudo de suas transformações. 
 
Uma discussão muito simplificada de alguns destes aspectos pode ser feita para a solidificação 
de um metal puro. A figura 2.8 mostra, esquematicamente, as energias livres das fases sólida e 
líquida de um metal puro em função da temperatura. 
 
A temperatura Te, onde as energias livres do sólido e do líquido se igualam, corresponde à 
temperatura de equilíbrio das duas fases (\uf044G = 0). Acima desta temperatura, o líquido é a fase 
mais estável (GL < GS) e, abaixo, o sólido tem maior estabilidade (GL > GS). A diferença de 
energia entre as duas fases é a força motriz, a uma dada temperatura, para a transformação da 
fase menos estável na mais estável. 
 
 
 Modenesi, Marques, Santos: Metalurgia da Soldagem - 2.10 
 
 
Figura 2.8. Variação da energia livre em função da temperatura das fases líquida e sólida de um 
metal. 
 
 
Idealmente, assim que a temperatura cai abaixo da temperatura de solidificação, o metal líquido 
poderia se transformar em sólido. Na realidade isto não ocorre instantaneamente em todo o 
volume do material. A probabilidade de todos os átomos do líquido, em um dado instante, 
assumirem sua posição na rede cristalina do sólido é extremamente pequena. Assim, a 
solidificação tende a se iniciar pela formação de pequenas partículas (núcleos) de sólido 
separadas do líquido por uma interface. Desta forma, para o início da solidificação, o líquido 
deve ser super-resfriado, isto é, resfriado de forma apreciável abaixo da temperatura de 
solidificação, para que a força motriz existente possa compensar a energia necessária à criação da 
interface entre o núcleo e o líquido. 
 
A formação de um núcleo no meio do metal líquido sem a participação de um substrato é 
chamada de nucleação homogênea. Em geral, contudo, a nucleação tende a ocorrer nas 
superfícies de um molde, em partículas de outras fases (inclusões), etc, sendo chamada, nestes 
casos, de nucleação heterogênea. Em transformações no estado sólido, por exemplo, na 
decomposição do Fe\uf067 em Fe\uf061, a nucleação tende a ocorrer heterogeneamente a partir dos 
contornos de grão. Uma vez formado, o núcleo tende a crescer à custa da fase instável. 
 
Desta forma, a velocidade global de uma transformação dependerá das velocidades de nucleação 
e crescimento. As velocidades de nucleação e de crescimento tendem, em geral, a crescer com o 
afastamento da temperatura de equilíbrio, devido ao aumento da força motriz. Contudo, para as 
transformações que ocorrem no resfriamento, quando o super-resfriamento for muito grande, a 
mobilidade dos átomos dentro de um material (difusão) pode se tornar extremamente pequena e 
dificultar tanto a nucleação quanto o crescimento, reduzindo portanto a velocidade de 
transformação (figura 2.9). Em resumo, pode-se afirmar que: 
 
\uf071 Velocidade de resfriamento baixa (ou um super-resfriamento pequeno) faz com que a 
transformação ocorra lentamente e com o crescimento de um pequeno número de núcleos. 
 
 Modenesi, Marques, Santos: Metalurgia da Soldagem - 2.11 
\uf071 Velocidade de resfriamento elevada (ou um super-resfriamento maior) resulta em uma 
transformação mais rápida devido às maiores velocidades de nucleação e crescimento. A 
estrutura tende a ser mais fina, isto é, com menor tamanho de grão. 
 
\uf071 Velocidade de resfriamento excessivamente elevada, levando rapidamente o material até 
temperaturas suficientemente baixas, pode suprimir a transformação descrita acima e a fase 
instável pode permanecer inalterada por longos períodos de tempo ou sofrer um outro tipo de 
transformação, para uma fase diferente da prevista pelo diagrama de equilíbrio. 
 
 
 
 
Figura 2.9. Diagrama mostrando esquematicamente a variação das velocidades de nucleação, 
crescimento e global de uma transformação em função da temperatura
(2.9)
. As escalas para as 
diferentes velocidades são arbitrárias. 
 
Uma transformação de fase pode ser facilitada pela mudança dos mecanismos atômicos 
associados com ela. Como já descrito, em geral, em temperaturas elevadas, não muito afastadas 
da temperatura de equilíbrio, a transformação ocorre pelo movimento desordenado (difusão) de 
átomos através da interface que separa as fases sendo transformadas e, eventualmente, através 
destas. Estas transformações são conhecidas como \u201creconstrutivas\u201d. Quando a força motriz é 
suficientemente elevada, uma transformação pode ocorrer pelo movimento coordenado de 
átomos, usualmente por uma distância, em relação aos seus vizinhos mais próximos, inferior à 
distância entre átomos. Este movimento tem como resultado a ocorrência de deformações com 
uma importante componente de cisalhamento associadas com a transformação que é conhecida 
como do tipo \u201cdisplacivo\u201d. Como este tipo de transformação não depende necessariamente da 
difusão atômica, ela pode ocorrer de forma muito mais rápida do que as transformações 
reconstrutivas em temperaturas em que a difusão é muito lenta. Um exemplo de grande 
importância tecnológica de uma transformação displaciva é a formação da martensita em aços de 
baixa liga (ver a próxima seção). 
 
 
 Modenesi, Marques, Santos: Metalurgia da Soldagem - 2.12 
2.5 - Metalurgia Física dos Aços 
 
Os aços são basicamente ligas de ferro e carbono, cujo teor deve ser inferior a 2% em peso, 
contendo ainda diversos outros elementos residuais de seu processo de fabricação ou adicionados 
intencionalmente visando a obtenção de certas propriedades. Compreendem o grupo de ligas 
mais usadas pelo homem, pela abundância de matéria prima básica, relativa facilidade de refino, 
baixo custo e vasta gama de propriedades obtidas pela adição de elementos de liga e pelo 
controle de sua estrutura por tratamentos térmicos e mecânicos. Em particular, são também os 
materiais mais utilizados em estruturas soldadas. Nesta seção, os conceitos discutidos 
resumidamente nas seções anteriores serão aplicados no estudo dos aços. 
 
 
2.5.1 - Solidificação dos aços 
 
A solidificação dos aços é um processo complexo e suas características afetam a estrutura e as 
propriedades de uma peça de aço fundido. Seus efeitos persistem, inclusive, numa peça 
conformada e tratada termicamente. 
 
A solubilidade dos gases no aço líquido diminui acentuadamente à medida que o metal é 
resfriado até o intervalo de temperatura onde começa a transição entre o líquido e o sólido. 
Durante a solidificação de lingotes, os gases são liberados em quantidades dependentes das 
originalmente presentes no aço líquido. O principal componente gasoso é o oxigênio que, na 
forma de FeO, reage com o C, produzindo CO. Os gases, que evoluem nas porções ainda 
líquidas do lingote, podem ser aprisionados nas interfaces sólido-líquido, produzindo bolhas 
gasosas (blowholes). A adição de elementos desoxidantes ao aço líquido diminui a quantidade de 
oxigênio dissolvido e o grau de desoxidação determina quatro tipos de aços: acalmado, semi-
acalmado, capeado e efervescente, figura 2.10. 
 
 
 
Figura 2.10. Estrutura dos lingotes. (a) acalmado, (b) semi-acalmado, (c) capeado e (d) 
efervescente. A linha pontilhada indica a altura original do aço líquido. 
 
 
\uf071 Aço acalmado (figura 2a): nele não se forma nenhuma quantidade de gás. Sua superfície 
superior é levemente côncava e, diretamente abaixo do topo, existe uma cavidade de rechupe 
interrompida intermitentemente. Em geral, estes aços são vazados em lingoteiras com cabeça 
quente de tipo refratário, para confinar a cavidade de rechupe ao massalote, que 
posteriormente é cortado.