Aula 06_Solidifica__o_Ferros_fundidos_ligas_Al

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Aula 06: Solidificação de ferros fundidos e ligas de alumínio
Disciplina: Fundição
Professor: Guilherme O. Verran 
Dr. Eng. Metalúrgica
1. Solidificação de Ferros Fundidos
- Introdução
- Diagrama Fe-C
- Diagrama Duplo Fe-C para os Ferros 
Fundidos
- Influências dos elementos de liga e da 
velocidade de resfriamento
- Classificação dos Ferros Fundidos
2. Solidificação das Ligas de Alumínio
- Introdução
- Diagrama Al-Si
- Influências dos elementos de liga
- Modificação das ligas Al-Si
- Microestruturas e propriedades 
mecânicas
- Mecanismos de endurecimento
% C (em peso)
Feγγγγ
Feγγγγ + L
Feδδδδ + L
Feδδδδ
L + Fe3C
L
Feγγγγ + Fe3C
Feδδδδ + Feγγγγ
T (0C)
Feαααα + Fe3C
Fe 0,8 4,3
727
912
1148
Feαααα
Feαααα+ Feγγγγ
1450
Disciplina: Fundição
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Solidificação de Ferros Fundidos
2
Disciplina: Fundição
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Solidificação de Ferros Fundidos
Fundição e Solidificação de Ferros Fundidos
Sistema Estável ⇒⇒⇒⇒
Formação de 
austenita + grafita ⇒⇒⇒⇒
Ferro 
Fundido 
Cinzento
Sistema 
Metaestável ⇒⇒⇒⇒
Formação de 
austenita + Fe3C
⇒⇒⇒⇒
Ferro 
Fundido 
Branco
Fatores que influem 
no Equilíbrio
Velocidade de Resfriamento
Elementos de Liga
Disciplina: Fundição
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Solidificação de Ferros Fundidos
3
Carbono (%)
Te
m
pe
ra
tu
ra
 
(0 C
)
1100
1140
1180
1220
1260
1300
3,0 3,2 3,4 3,6 3,8 4,0 4,2 4,4
L
L +Feγ
Feγ + Fe3C
Feγ + grafita
1ª fase: Solidificação pró-eutética
⇒ formação de dendritas de Fe γ
Ocorre a contração 
na solidificação
2ª fase: Solidificação do 
eutético - Fe γ + grafita 
Ocorre expansão devido a 
formação da grafita e 
contração devido a formação 
da austenita (Fe γ).
Diagrama Duplo Fe-C para Ferros Fundidos
Carbono Equivalente (%)
Te
m
pe
ra
tu
ra
 
(0 C
)
1100
1140
1180
1220
1260
1300
3,0 3,2 3,4 3,6 3,8 4,0 4,2 4,4
L
L + Feγγγγ
L + Grafita
L + Fe3C
Temperatura abaixo da qual pode 
solidificar o eutético Austenita-Cementita
Temperatura abaixo da qual pode 
solidificar o eutético Austenita-Grafita
Disciplina: Fundição
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Solidificação de Ferros Fundidos
4
Influência dos Elementos de Liga
Si ⇒⇒⇒⇒
Aumenta diferença entre 
temperaturas de 
equilíbrio Estável e 
Metaestável
⇒⇒⇒⇒ Grafitizante
⇓⇓⇓⇓
Favorece a formação de 
Ferro Fundido Cinzento
Cr ⇒⇒⇒⇒
Diminui diferença 
entre temperaturas de 
equilíbrio Estável e 
Metaestável
⇒⇒⇒⇒
Estabilizador de 
Carbonetos
⇓⇓⇓⇓
Favorece a formação de 
Ferro Fundido Branco
Disciplina: Fundição
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Solidificação de Ferros Fundidos
Influência do Si no Eutético Fe-C
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Solidificação de Ferros Fundidos
5
Influência do 30 elemento na solubilidade do C no ferro 
líquido, % em peso do elemento de liga
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Solidificação de Ferros Fundidos
Temperatura abaixo 
da qual pode 
solidificar o eutético 
Austenita-Grafita
% de Silício
Temperatura abaixo 
da qual pode 
solidificar o eutético 
Austenita-Cementita
Si ⇒⇒⇒⇒
Aumenta diferença entre 
temperaturas de 
equilíbrio Estável e 
Metaestável
Grafitizante
Favorece a formação de 
Ferro Fundido Cinzento
Te
m
pe
ra
tu
ra
 
(0 C
)
1120
1140
1160
0,5 1,0 1,5 2,0 2,5
⇓⇓⇓⇓
Disciplina: Fundição
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Solidificação de Ferros Fundidos
6
Cr ⇒⇒⇒⇒
Diminui diferença 
entre temperaturas 
de equilíbrio Estável 
e Metaestável
Estabilizador de Carbonetos
⇓⇓⇓⇓
Favorece a formação de 
Ferro Fundido Branco
Te
m
pe
ra
tu
ra
 
(0 C
)
% de Cromo
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2
1100
1120
1140
1160 Temperatura abaixo 
da qual pode 
solidificar o eutético 
Austenita-Grafita
Temperatura abaixo 
da qual pode 
solidificar o eutético 
Austenita-Cementita
Disciplina: Fundição
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Solidificação de Ferros Fundidos
Influência da Velocidade de 
Resfriamento
Curvas de 
Resfriamento
⇒⇒⇒⇒ Indicam :
Temperaturas de 
Transformação Eutética
Velocidade de 
Resfriamento
Resfriamento 
Rápido
⇒⇒⇒⇒
Solidificação 
de acordo com 
o Equilíbrio 
Metaestável
⇒⇒⇒⇒
Formação de Ferro 
Fundido Brando 
(Coquilhamento)
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Solidificação de Ferros Fundidos
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Curvas de Resfriamento esquemáticas 
para Ferros Fundidos Comuns
1 2 3
Temperatura abaixo da 
qual pode solidificar o 
eutético Austenita-Grafita
Temperatura abaixo da qual 
pode solidificar o eutético 
Austenita-Cementita
1 - Ferro Fundido 
Cinzento
2 - Ferro Fundido 
Mesclado
3 - Ferro Fundido 
Branco
Disciplina: Fundição
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Solidificação de Ferros Fundidos
T (0C)
t (tempo)
Classificação dos Ferros Fundidos
Ferros Fundidos Comuns
Cinzentos 
Brancos
Ferros Fundidos Especiais
Nodulares
Vermiculares
Maleáveis
Ligados
Disciplina: Fundição
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Solidificação de Ferros Fundidos
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Classificação dos Ferros Fundidos
Cinzento
Nodular
Maleável
Branco
Vermicular
PERLÍTICO
FERRÍTICO
BAINÍTICO
MARTENSÍTICO
Disciplina: Fundição
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Solidificação de Ferros Fundidos
Ferro Fundido Tipo σt
Mpa
σ
esc
Mpa
Along. 
(5cm)
Aplicações
Típicas
Cinzento
(3,2 C - 2 Si)
Perlítico 275 240 <1% Blocos de motor
Martensítico 550 550 nulo Superfícies sujeitas 
ao 
desgaste
Bainítico 550 550 nulo Eixos de cames
Ferrítico 172 138 < 1% Tubulações, bases de 
máquinas
Nodular
(3,5C - 2,5Si)
Ferrítico 413 275 18 Tubulações
Perlítico 550 380 6 Árvore de manivela
Revenido
Martensítico
825 620 2 Partes especiais de 
máquinasMaleável
(2,2C - 1Si)
Ferrítico 365 240 18 Ferramentas em 
geral
Perlítico 450 310 10 Equipamentos 
ferroviários
Revenido
Martensítico
700 550 2 Equipamentos 
ferroviários
Branco
(3,5 C - 0,5Si)
Perlítico 275 275 nulo Produtos resistentes 
ao desgaste
Disciplina: Fundição
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Solidificação de Ferros Fundidos
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Ferro Fundido Nodular – grafita 
em nódulos (esferoidal)
Ferro Fundido Cinzento –
grafita em lamelas (veios)
Solidificação de Ferros FundidosDisciplina: Fundição
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Ferro Fundido Vermicular ou de 
Grafita Compacta – grafita 
vermicular
Ferro Fundido Maleável –
ferrita, nódulos de grafita e 
algumas inclusões
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Solidificação de Ferros Fundidos
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Ferro Fundido Nodular com Matriz predominantemente Perlítica
Com a presença de Estruturas conhecidas como “Olho de Boi”
(Grafita Esferoidal cercada por Ferrita).Ataque: Nital. Aumento 200x.
Disciplina: Fundição
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Solidificação de Ferros Fundidos
Ferro Fundido Cinzento com Matriz predominantemente Perlítica.
Ataque: Nital. Aumento 200x.
Disciplina: Fundição
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Solidificação de Ferros Fundidos
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Classificação Geral das Ligas de Al
Ligas de
Fundição
Ligas de Conformação 
ou Trabalháveis
Boas Propriedades 
de Fundição
Previsão através de: - Diagramas de Equilibro
- Composição Química
Alta ductilidade
Baixa resistência mecânica
Disciplina: Fundição
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Solidificação de Ligas de Al
Diagramas de Equilíbrio Importantes
Al – Si
Al – Cu
Reação eutética ⇒⇒⇒⇒ excelente fluidez e 
baixa contraçãona solidificação
Alta solubilidade sólida ⇒⇒⇒⇒ maior resistência 
através de tratamentos térmicos
Al – Mg
Disciplina: Fundição
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Solidificação de Ligas de Al
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Ligas de 
fundição mais 
utilizadas
Ponto Eutético
Si 12,6 %
T = 5770C
Diagrama Al-Si
L
αααα
αααα + L
Al Si
αααα + ββββ
ββββ
L + ββββ660
1430
T (oC)
577
12,6
Disciplina: Fundição
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Solidificação de Ligas de Al
Ligas de Fundição ⇒⇒⇒⇒ Si - 5 a 24%
T (oC)
Al
ββββ
1430
L
αααα
Si
660
αααα + Si
5770C
DIAGRAMA Al-Si
LIGAS DE Al PARA 
FUNDIÇÃO
Disciplina: Fundição
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Solidificação de Ligas de Al
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Classificação das 
ligas Al-Si em 
função do teor de Si L
αααα
Al Si
ββββ
T (oC)
Ligas Eutéticas
Ligas 
Hipereutéticas
Ligas 
Hipoeutéticas
Disciplina: Fundição
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Solidificação de Ligas de Al
L
αααα+L
αααα
Al →→→→
%Cu
5,65Cu 33Cu
αααα + CuAl2
T (0C)
5480C
6600C
Diagrama Al-Cu
Maior região de 
solubilidade sólida 
Ligas aceitam 
tratamento de 
solubilização
Disciplina: Fundição
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Solidificação de Ligas de Al
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Importância dos elementos de liga
Elementos que formam precipitados endurecedores:
Elementos que atuam como refinadores de grãos: 
MnTi Bo Cr
Fe Zn Ni
Disciplina: Fundição
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Solidificação de Ligas de Al
Influência dos Elementos de Liga
Propriedades de Fundição
Aumenta fluidezSi
Reduz a contração volumétrica externa
Cu Reduz fluidez
Provoca fragilidade a quente
Reduz a contração interna
FUNDIBILIDADE
FUNDIBILIDADE
Disciplina: Fundição
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Solidificação de Ligas de Al
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Aumenta tendência a oxidação ⇒⇒⇒⇒ formação de borrasMg
Fe Reduz aderência do metal à coquilha
Zn Elevados teores provocam fragilidade
a quente e alta contração
Propriedades de Fundição
Influência dos Elementos de Liga
Disciplina: Fundição
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Solidificação de Ligas de Al
Propriedades dos Fundidos
Influência dos Elementos de Liga
Si
Aumenta as Resistências Mecânica 
ao Desgaste e à Corrosão
Melhora soldabilidade 
Reduz coeficiente de expansão
Melhora estanqueidade
Disciplina: Fundição
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Solidificação de Ligas de Al
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Influência dos Elementos de Liga
Propriedades dos Fundidos
Cu
Melhora a usinabilidade
Endurecedor ⇒⇒⇒⇒ aumenta a resistência mecânica nas ligas 
brutas de fusão e tratadas térmicamente
Reduz a resistência à corrosão
Disciplina: Fundição
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Solidificação de Ligas de Al
Influência dos Elementos de Liga
Propriedades dos Fundidos
Mg
Aumenta a resistência mecânica, a ductilidade e a 
usinabilidade
Permite as melhores combinações de resistência 
mecânica e à corrosão
Em baixos percentuais (0,3-1,0%) torna as 
ligas Al-Si tratáveis térmicamente
Disciplina: Fundição
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Solidificação de Ligas de Al
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Influência dos Elementos de Liga
Propriedades dos Fundidos
Zn
Pequenas adições (em combinação com o Mg) produzem 
boa resistência ao impacto, alta resistência à tração e 
excelente ductilidade
Ni Melhora a estabilidade dimensional e a resistência a altas temperaturas 
Disciplina: Fundição
Professor: Guilherme O. Verran
Solidificação de Ligas de Al
Influência dos Elementos de Liga
Propriedades dos Fundidos
Cr
Reduz tendência a trincas e corrosão sob tensão em 
ligas AlMgZn
Refinador de grão
Mn
Incrementa a resistência à tração em ligas com
Cu ou Si
Refinador de grão
Disciplina: Fundição
Professor: Guilherme O. Verran
Solidificação de Ligas de Al
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Influência dos Elementos de Liga
Propriedades dos Fundidos
Ti
Refinador de grão
Incrementa a resistência à tração e a ductilidade
Diminui a condutividade térmica
Disciplina: Fundição
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Solidificação de Ligas de Al
Influência dos Elementos
sob a Forma de Impurezas
Ni Diminui resistência à corrosão e endurece a matriz (forma intermetálicos)
Zn Aumenta oxidação do Al, as perdas na fusão e o ataque aos refratários (forma pontos duros)
Pb Não é miscível no Al líquido
Disciplina: Fundição
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Solidificação de Ligas de Al
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Liga Al5Si (443)
Fundida em Areia 
Si
Fe3SiAl2(claro)
Dendritas 
de Solução 
Sólida (Alαααα)
Liga Hipoeutética
Disciplina: Fundição
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Solidificação de Ligas de Al
Microestrutura 
das Ligas 
Hipoeutéticas
MATRIZ
Dendritas Celulares de Alαααα
ESTRUTURA INTERDENDRÍTICA
• Partículas de Si eutético
• Fe3SiAl2
• Fe2 Si 
Tonalidade 
de Cinza
Disciplina: Fundição
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Solidificação de Ligas de Al
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Liga 238-F (10Cu4Si0,3Mg)
Fundida em Coquilha
A B
C
D
A = Dendritas de 
Solução Sólida αααα
B = Rede Interdendrítica 
de CuAl2 (cinza claro)
C = Agulhas de Cu2FeAl7 
(cinza médio)
D = Partículas de Si
(cinza escuro)
Disciplina: Fundição
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Solidificação de Ligas de Al
C
Modificação de Ligas Al-Si
• Tratamento que usa Agentes Modificadores (Nucleantes) 
como Na – Sb – Sr que favorecem a solidificação do Si na 
forma de partículas arredondadas e finamente dispersas na 
Matriz de Alαααα
• A composição eutética normal do sistema Al-Si 
corresponde a 12,6% Si a a temperatura de 5770C o Na e 
os outros agentes modificadores tendem a deslocar 
composição e a temperatura de equilíbrio eutético de modo 
a permitir que se consiga fundir ligas hiper eutéticas 
mantendo-se as características de fundição inerentes às 
ligas eutéticas ou tornar ligas eutéticas ligeiramente 
hipoeutéticas 
Principal Consequência ⇒⇒⇒⇒ Aumento da Resistência 
e da Dutilidade nas ligas Al-Si fundidas.
Disciplina: Fundição
Professor: Guilherme O. Verran
Solidificação de Ligas de Al
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Eutético 
Normal 
12,6% Si 
T = 5770C
Eutético 
Modificado
14,2% Si 
T = 5620CSi
L
αααα
αααα + L
Al
αααα + Si Si
L + Si660
1430
T (oC)
12,6 14,2
Disciplina: Fundição
Professor: Guilherme O. Verran
Solidificação de Ligas de Al
Liga 356 (Al7Si0,3Mg) Fundida em 
Moldes de Areia – HF – 100x
Bruto de Fusão
Partículas aciculares de Si
Modificado com 0,025%Na
Partículas de Si menores 
e arredondadas
Disciplina: Fundição
Professor: Guilherme O. Verran
Solidificação de Ligas de Al
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Propriedades Mecânicas
da Liga A356 Bruta de 
Fusão e Modificada com 
Na em função do 
tamanho dos grãos.
Liga Modificada com Na
Disciplina: Fundição
Professor: Guilherme O. Verran
Solidificação de Ligas de Al
Liga 
(SAE)
Composição 
Nominal
σσσσesc
(Mpa)
σσσσmax 
(Mpa)
Alongamento 
(%)
413.0 Al12Si 145 300 2,5
Propriedades Mecânicas da Liga de Al SAE413 para Die 
Casting - Ensaio de Tração 
* Valores considerando condições normais de fundição 
(sem tratamentos de refino)
• Possibilidade de Incremento: Tratamento de Tratamento de 
ModificaModificaçção do Silão do Silííciocio (Na, Sb, St)
Disciplina: Fundição
Professor: Guilherme O. Verran
Solidificação de Ligas de Al
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Propriedades Mecânicas de Ligas de Al para Die Casting 
Ensaio de Tração 
A380.0 Al8,5Si3,5Cu
384.0 Al11,2Si3,8Cu
390.0 Al17Si4,5Cu0.6Mg
160 325 4,0
172 325 1,0
240 280 1,0
Liga 
(SAE)
Composição Nominal σσσσesc
(Mpa)
σσσσmax 
(Mpa)
Alongamento 
(%)
360.0 Al9,5Si0,5Mg 172 324 3,0
Disciplina: Fundição
Professor: Guilherme O. Verran
Solidificaçãode Ligas de Al
Mecanismos de Endurecimento/Aumento de 
Resistência em Ligas de Al
Ligas de Fundição
Tratamentos 
Térmicos 
Solubilização
Precipitação 
(Envelhecimento)
Tratamentos 
do Banho
Refino de Grão
Modificação do Si
Refino da Matriz (α)
Refinamento e 
coalescimento das 
partículas de Si 
Coalescimento das partículas de 
Si e endurecumento por soluto
Formação de precipitados 
submicroscópicos (Zonas GP)
Disciplina: Fundição
Professor: Guilherme O. Verran
Solidificação de Ligas de Al
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F- Bruta de fusão (Investment
Casting)
rede interdendrítica de: 
• Silício Eutético (cinza escuro e 
sharp)
• Cu2Mg8Si6Al5 (cinza claro, 
script)
• Fe2Si2Al9 (cinza médio, blades)
• Mg2 Si (preto)
F- Modificada com adição 
de Al-10Sr ao banho 
(Investment Casting)
Microconstituintes são os 
mesmos, mas a partículas de 
Si eutético estão menos 
pontiagudas
T6 - Fundida em Coquilha , 
solubilizada e envelhecida.
Microconstituintes são os 
mesmos, mas a partículas de 
Si eutético ficaram mais 
coalescidas (arredondadas) 
Liga 355 (Al5Si1,3Cu0,5Mg)
Disciplina: Fundição
Professor: Guilherme O. Verran
Solidificação de Ligas de Al
Liga 356 (Al7Si0,3Mg)
F – Bruta de fusão em 
areia
Tamanho médio dos 
macrogrãos ≅ 5mm
Refinada com adição de 
0,05%Ti e 0,005% B
Tamanho médio dos 
macrogrãos ≅ 1mm 
Disciplina: Fundição
Professor: Guilherme O. Verran
Solidificação de Ligas de Al
25
Bruta de fusão (investment casting)
Rede de partículas de Si (cinzas 
escuro e angulares) em um eutético 
AlSi interdendrítico e partículas de 
Cu2Mg8Si6Al5 (cinza claro, script)
Bruta de fusão (investment 
casting) região solidificada mais 
rapidamente (colocação de um 
resfriador)
Constituintes são os mesmos, mas as 
dendritas celulares de α são 
menores e as partículas do Si 
eutético são menores e menos 
angulares.
Liga 354 (Al9Si1,8Cu0,5Mg)
Disciplina: Fundição
Professor: Guilherme O. Verran
Solidificação de Ligas de Al
Bruta de Fusão em Areia -
Rede de partículas de Si e 
eutético AlSi interdendrítico
Solubilizada a 5400C, 
12h e resfriada em água 
Coalescimento das 
partículas de Si 
Modificada pela 
adição de Na (0,025%) 
Partículas de Si 
eutético menores e 
menos angulares
Liga 356 
(Al7Si0,3Mg)
Modificada pela adição de 
Na (0,025%) e Solubilizada
Partículas de Si 
arredondadas e aglomeradas
Disciplina: Fundição
Professor: Guilherme O. Verran
Solidificação de Ligas de Al
26
Bruta de Fusão (Premium Quality Casting)
Rede interdendrítica de Si eutético (cinza); 
partículas de Mg2Si (preto) 
T6 = Solubilizada + Envelhecida artificialmente 
partículas de eutético e coalescidas aglomeradas 
pela solubilização 
Sob maior aumento, observa-se pequenas 
partículas de Mg2Si não solubilizadas 
(prêto)
Liga 357 
(Al7Si0,5Mg)
Disciplina: Fundição
Professor: Guilherme O. Verran
Solidificação de Ligas de Al
Heterogeneidades Microestruturais em Corpo de Prova Fundido em Coquilha 
(liga A356)
(d) (a)(b)(c) (e)
Borda da amostra 
Estrutura mais refinada
Centro da amostra 
Estrutura mais grosseira
φ = 12,6mm
Superfície de fratura 
(MEV) baixo aumento
HASKEL, Tatiane. Efeito do Tratamento Térmico de Solubilização na Microestrutura e nas 
Propriedades Mecânicas da Liga A356. Dissertação de Mestrado PGCEMUDESC, 2009. 
Disciplina: Fundição
Professor: Guilherme O. Verran Solidificação de Ligas de Al