AULA DE SOLIDIFICAÇÃO

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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.
- Microestruturas x diagramas de 
equilíbrio.
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
Disciplina: Fundição dos metais e suas ligas
Professor: Guilherme O. Verran – Dr. Eng. Metalúrgica
• 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 dos metais e suas ligas
Professor: Guilherme Verran 
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
Disciplina: Fundição dos metais e suas ligas
Professor: Guilherme Verran 
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)
Diagrama esquemático 
mostrando 3 dendritas 
interconectadas
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Professor: Guilherme Verran 
Interface 
Plana
Interface 
Celular
Interface 
Dendrítica
Nucleação 
Independente
Diferentes Tipos de Interfaces de Solidificação
Disciplina: Fundição dos metais e suas ligas
Professor: Guilherme Verran 
Utilização dos D.E. no entendimento dos diferentes 
tipos de solidificação de metais e/ou ligas
Solidificação de Metais 
Puros
Solidificação Monofásica
Liga com grande ∆T
Solidificação Polifásica 
Ocorrência de reação eutética
Solidificação Monofásica
Liga com pequeno ∆T
∆T = Tliquidus – Tsólidus→ Intervalo de Solidificação
Ce 
TB
ααααTe
T
TA
αααα + ββββ
ββββ
A B
ββββ + L
αααα + L
e
C1
L
C2
Linha Liquidus
Linha Solidus
Disciplina: Fundição dos metais e suas ligas
Professor: Guilherme Verran 
Redistribuição de Soluto na Solidificação de Ligas Monofásicas
Nas ligas Monofásicas o Soluto é redistribuído durante a 
solidificação como conseqüência das diferenças de solubilidade no sólido e 
no líquido. 
As variações das condições de crescimento acarretam variações na 
forma com que o soluto é redistribuído entre as fases sólida e líquida.
⇓⇓⇓⇓
Ocorrência de variações nas estruturas dos sólidos formados.
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Coeficiente de Distribuição no Equilíbrio: K0
K0 = CS ÷÷÷÷ CL
CS = concentração de soluto no sólido na temperatura T
CL= concentração de soluto no líquido na temperatura T
K0 <<<< 1 ⇒⇒⇒⇒ o efeito do soluto é baixar TL
Solidificação em Equilíbrio
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Ko mede a tendência à segregação, portanto, quanto mais afastado 
for o seu valor de uma unidade, maior será a tendência de 
segregação de um elemento.
0,95W
0,02S
0,13P
0,02O
0,28N
0,32H
0,90Co
0,95Cr
0,13C
0,02B
0,92Al
Ko (em relação ao Fe)Elemento
Em relação ao Ferro, os 
elementos mais segregáveis 
são B, S, P, C, N e O; 
enquanto W , Cr, Al e Co 
apresentam baixa tendência à
segregação.
Disciplina: Fundição dos metais e suas ligas
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Exemplos de diagramas de fases com elevada e pequena tendência à segregação.
(a) Segregação elevada - Ko bem menor que 1
(b) Segregação pequena - Ko próximo a 1
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Conseqüências Práticas da Redistribuição de Soluto
(a) Ocorrência de Heterogeneidades Químicas ⇒ Segregações 
(b) Alterações na Morfologia da IS/L ⇒ Variações nas 
Estruturas de Solidificação 
(c) Aplicações:
- Refino por Fusão Zonal
- Nivelamento Zonal
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Formação de uma protuberância instável
que funde devido à temperatura local da 
extremidade ser maior que a temperatura de 
fusão. 
Interface 
≈≈≈≈ TF
Sólido Líquido
GS >>>> 0
GL <<<< 0
Tlocal <<<< TF
Formação e estabilização de uma protuberância na 
interface, quando ela se projeta para uma região em 
que a temperatura local da extremidade está abaixo 
da temperatura de fusão
Interface 
≈≈≈≈ TF
Sólido Líquido
GS >>>> 0
GL >>>> 0
Tlocal >>>> TF
Distância
T
e
m
p
e
r
a
t
u
r
a
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Ligas Monofásicas
⇓⇓⇓⇓
Redistribuição de Soluto
Ocorrência de Super-resfriamento Constitucional
⇓⇓⇓⇓
⇓⇓⇓⇓
Redução na temperatura 
em virtude de diferentes 
composições de soluto
Distância a Frente 
da Interface
T
e
m
p
e
r
a
t
u
r
a
Gradiente Térmico 
ImpostoG1 G2
Zona Superesfriada 
Constitucionalmente
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Condição para Não Ocorrência de Super-resfriamento Constitucional
(G/R) m. Co . (1 – Ko)DL Ko≥
Parâmetros de 
Crescimento
Parâmetros do 
Sistema
Dependem das 
condições impostas
Dependem da liga 
(Diagrama de Equilíbrio)
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Condições que favorecem o Super-resfriamento Constitucional
(1) Baixo G
(2) Altas R
(3) Linhas Liquidus Abruptas
(4) Altos percentuais de elementos 
de liga (solutos)
(5) Baixa difusividade térmica no 
líquido.
(6) Ko muito pequeno para Ko <<<< 1
(7) Ko muito grande para Ko >1
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Variações Estruturais associadas com o Super-resfriamento 
Constitucional
(a) Sem Superesfriamento Constitucional
⇓
⇓ ⇓
⇓
Interface Plana
(b) Com Superesfriamento Constitucional
⇓
⇓ ⇓
⇓
Formação de Protuberâncias na 
Interface
(c) Aumentando o Superesfriamento Constitucional
- Células Alongadas
- Células Interrompidas
- Dendritas Celulares
- Dendritas Livres
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Influência do Super-resfriamento Constitucional sobre a 
morfologia da interface S/L e no modo de solidificação
a) Sem Superesfriamento 
Constitucional
b) Com Superesfriamento Constitucional
Direção de Crescimento
Aumento do Superesfriamento Constitucional
Interface Plana Interface Celular Crescimento 
Dendrítico
Nucleação 
Independente
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Efeito do incremento na velocidadede 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 Plana ou 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.
Disciplina: Fundição dos metais e suas ligas
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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)
Disciplina: Fundição dos metais e suas ligas
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Ferros FundidosAços
Fofos ↔ ∆T muito pequeno ou inexistenteAços ↔ pequenos e grandes ∆T em 
função do % de C
1 2
Grande ∆T
Pequeno ∆T
Disciplina: Fundição dos metais e suas ligas
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Representação esquemática do modelo de solidificação de um metal puro 
INTERFACE PLANA
• COMPOSIÇÃO 
EUTÉTICA
• METAIS PUROS
Ligas que solidificam 
com temperatura constante
Disciplina: Fundição dos metais e suas ligas
Professor: Guilherme Verran 
Representação esquemática do modelo de solidificação de uma liga com 
pequeno intervalo de solidificação. 
Ligas com pequeno 
intervalo de solidificação
• AÇOS
• FERROS FUNDIDOS
• LATÕES
FRENTE DE SOLIDIFICAÇÃO 
PLANA
Disciplina: Fundição dos metais e suas ligas
Professor: Guilherme Verran 
Representação esquemática do modelo de solidificação de uma liga com 
grande intervalo de solidificação. 
Ligas com grande 
intervalo de solidificação
• LIGAS DE Al HIPOEUTÉTICAS
• BRONZES
FRENTE DE SOLIDIFICAÇÃO 
DENDRÍTICA
Disciplina: Fundição dos metais e suas ligas
Professor: Guilherme Verran 
Representação esquemática do modelo 
de solidificação de uma liga com 
intervalo de solidificação médio
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MACROESTRUTURAS DE SOLIDIFICAÇÃO
• Zona Coquilhada 
(Chill) 
Camada periférica composta de pequenos 
grãos com orientação cristalográfica 
aleatória.
⇒⇒⇒⇒
• Zona Colunar ⇒⇒⇒⇒
Formada por grãos alongados que se 
alinham paralelamente à máxima extração 
de calor. Os grãos se formam por 
crescimento seletivo e preferencial
• Zona Equiaxial 
Central ⇒⇒⇒⇒
Formada por grãos equiaxiais 
pequenos ou grandes com orientação 
cristalográfica aleatória.
Disciplina: Fundição dos metais e suas ligas
Professor: Guilherme Verran 
Representação esquemática dos três 
tipos de estruturas “brutas de fusão”
normalmente existentes nos lingotes:
� Zona CoquilhadaZona Coquilhada: é formada por 
pequenos grãos equiaxiais de 
orientação cristalográfica aleatória 
junto a interface metal-molde.
� Zona ColunarZona Colunar: formada por grãos 
alongados e finos que se alinham 
paralelamente a direção do fluxo de 
calor.
� Zona EquiaxialZona Equiaxial CentralCentral: formada 
por grãos equiaxiais de orientação 
cristalográfica aleatória.
Disciplina: Fundição dos metais e suas ligas
Professor: Guilherme Verran 
Possíveis variações na macroestrutura de um lingote. 
(a) Ausência da Zona Equiaxial Central (b) Presença das três 
Zonas (c) Ausência das Zonas Coquilhada e Colunar.
Liga com pequeno ∆T Liga com médio ∆T Liga com grande ∆T
Disciplina: Fundição dos metais e suas ligas
Professor: Guilherme Verran 
Influência dos parâmetros do processo e do material sobre a 
formação da macroestrutura
↑↑↑↑ Extração de 
Calor
Adição de 
Inoculante
↑↑↑↑ % de Soluto
Agitação 
do líquido
Uso de massalotes
↑↑↑↑ Grau de 
Superaquecimento
Zona 
Equiaxial
Zona 
Colunar
Zona 
Coquilhada
Parâmetro
↓↓↓↓
Disciplina: Fundição dos metais e suas ligas
Professor: Guilherme Verran 
Variação esquemática do comprimento relativo da zona colunar 
em função do teor de soluto.
Influência dos Parâmetros de Solidificação sobre as Estruturas: 
Teor de Soluto
Disciplina: Fundição dos metais e suas ligas
Professor: Guilherme Verran 
Variação esquemática do comprimento relativo da zona colunar em função da 
temperatura de vazamento.
Influência dos Parâmetros de Solidificação sobre as Estruturas:
Temperatura de Vazamento
Disciplina: Fundição dos metais e suas ligas
Professor: Guilherme Verran 
Influência da temperatura de vazamento e da pressão sobre as macroestruturas de 
lingotes de Al puro, solidificados em lingoteiras de aço: a) Tv=760ºC (patm e 8atm); b) 
Tv=790ºC; c) Tv=810ºC.
Influência dos Parâmetros de Solidificação sobre as 
Estruturas: 
Temperatura de vazamento e pressão
Disciplina: Fundição dos metais e suas ligas
Professor: Guilherme Verran 
Efeito do Grau de Superaquecimento
sobre a Bruta de Fusão do Al Puro
S = 70 0 C S = 120 0 C
Disciplina: Fundição dos metais e suas ligas
Professor: Guilherme Verran 
Al Puro Al 6Mg 
Estrutura formada por 
grãos colunares.
Estrutura formada por 
grãos equiaxiais
COMPARAÇÃO DAS MACROESTRUTURAS DE UM METAL PURO E 
DE UMA LIGA VAZADOS COM O MESMO GRAU DE 
SUPERAQUECIMENTO
Disciplina: Fundição dos metais e suas ligas
Professor: Guilherme Verran 
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
 
Disciplina: Fundição dos metais e suas ligas
Professor: Guilherme Verran 
Macroestrutura do 
Aço Inox do tipo 18-8: 
Estrutura fundida de grãos 
grosseiros (parte superior) 
e o mesmo aço refinado 
por inoculação de agentes 
nucleantes (parte inferior).
Disciplina: Fundição dos metais e suas ligas
Professor: Guilherme Verran 
Disciplina: Fundição dos metais e suas ligas
Professor: Guilherme Verran 
Disciplina: Fundição dos metais e suas ligas
Professor: Guilherme Verran 
MICROESTRUTURAS DE SOLIDIFICAÇÃO
1. 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. 
2. A velocidade de solidificação também 
influencia no equilíbrio durante a solidificação 
de ligas metálicas.
Disciplina: Fundição dos metais e suas ligas
Professor: Guilherme Verran 
Velocidade de Resfriamento
Tamanho dos Grãos
Areia Coquilha Sob Pressão
Disciplina: Fundição dos metais e suas ligas
Professor: Guilherme Verran 
Evolução da estrutura para um 
Sistema Isomorfo (Cu-Ni) 
resfriando sob
Condições deEquilíbrio
Estrutura policristalina 
e monofásica
Solução Sólida
Disciplina: Fundição dos metais e suas ligas
Professor: Guilherme Verran 
Evolução da estrutura para um 
Sistema Isomorfo (Cu-Ni) 
resfriando sob Condições de 
Não Equilíbrio
Ocorrência de gradientes de 
concentração ao longo dos grãos
Segregação
⇓⇓⇓⇓
Forma de eliminação
Tratamento Térmico 
(Homogeneização)
⇒⇒⇒⇒
“Coring” ou Zoneamento
⇓⇓⇓⇓
Disciplina: Fundição dos metais e suas ligas
Professor: Guilherme Verran 
Representação esquemática do 
resfriamento sob Condições de 
Equilíbrio para uma liga Pb-Sn
com composição C1 .
Estrutura Policristalina 
e Monofásica a temperatura 
ambiente
% de Soluto não excede ao limite 
de máxima solubilidade sólida
Disciplina: Fundição dos metais e suas ligas
Professor: Guilherme Verran 
Representação esquemática do 
resfriamento sob Condições de 
Equilíbrio para uma liga Pb-Sn
com composição C2 .
Estrutura Policristalina 
e Polifásica a temperatura 
ambiente
% de Soluto excede ao limite 
de máxima solubilidade sólida
Ao longo do resfriamento as 
partículas da fase ββββ vão crescer
Disciplina: Fundição dos metais e suas ligas
Professor: Guilherme Verran 
Representação esquemática do resfriamento sob Condições 
de Equilíbrio para uma liga Pb-Sn com composição 
Eutética (C3 )
Na temperatura 
eutética (1830C) 
a fase líquida se 
transforma em 
uma estrutura 
formada por 
lamelas de αααα e ββββ.
Disciplina: Fundição dos metais e suas ligas
Professor: Guilherme Verran 
Micrografia de uma liga Pb-Sn com composição eutética, 
formada por lamelas de solução sólida αααα rica em Pb 
(escuras) e lamelas de solução sólida ββββ rica em Sn 
(claras), aumento 375x.
Um 
microconstituinte
Disciplina: Fundição dos metais e suas ligas
Professor: Guilherme Verran 
Representação esquemática do resfriamento sob 
Condições de Equilíbrio para uma liga Pb-Sn que cruza 
a isoterma eutética (C4 )
Na temperatura 
ambiente a liga é
constituída por 
grãos da fase 
primária αααα e 
grãos do eutético
(αααα + ββββ)
Disciplina: Fundição dos metais e suas ligas
Professor: Guilherme Verran 
Micrografia de uma liga Sn-Pb com composição 
hipoeutética 50Pb-50Sn, mostrando fase αααα primária rica 
em Pb(regiões escuras) em uma estrutura eutética 
lamelar(lamelas claras de ββββ rica em Sn e lamelas 
escuras de αααα rica em Pb), aumento 400x.
Dois 
microconstituintes
Disciplina: Fundição dos metais e suas ligas
Professor: Guilherme Verran