Tratamentos Térmicos

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SOLIDIFICAÇÃO E REFINO DE GRÃO
De todas as técnicas de processamento usadas na fabricação de materiais, a solidificação 
é provavelmente a mais importante.
Todos os materiais metálicos, assim como a maioria das cerâmicas, vidros e polímeros 
termoplásticos, foram líquidos ou fundidos em algum momento de seu processamento.
Nucleação
No contexto da solidificação, o termo nucleação refere-se à formação dos primeiros 
cristais de dimensões nanométricas a partir do material fundido (num sentido mais 
amplo, o termo nucleação refere-se ao estágio inicial da formação de uma nova fase a 
partir de uma outra).
Um embrião é uma parte minúscula de sólido que é formado pelo agrupamento dos 
átomos vindos do líquido.
Ele é instável e poderá crescer, originando um núcleo estável, ou então se redissolver 
no líquido.
A formação de embriões é um processo estatístico. Muitos embriões formam-se e 
redissolvem-se. Se, entretanto, um embrião se formar com um raio maior do que um 
raio crítico, r*, essa partícula sólida é estável e passa a ser chamada de núcleo. A 
partir daí tem início o crescimento desse núcleo para formar a nova fase (nesse caso, 
o sólido).
Em metais puros, o tamanho do raio crítico depende de propriedades tais como a 
temperatura de fusão (Tf), o calor de fusão (∆Hf), a energia para criação de interface 
sólido-líquido (σsl) e o superresfriamento do líquido (∆T).
r* = 
�	σsl 
Tf
∆Hf
 
∆T
T < Tf
Numa temperatura abaixo da 
temperatura de fusão, partículas 
sólidas começam a aparecer no meio 
do líquido.
T < Tf
Algumas partículas sólidas começam a se aglutinar e dão 
origem a um embrião.
T < Tf
Ao atingirem um determinado 
tamanho, dado por um raio 
crítico, r*, os embriões 
tornam-se estáveis e passam a 
chamar-se núcleos.
T < Tf
Uma vez formados, 
os núcleos começam 
a crescer.
EXERCÍCIO
Cálculo do raio crítico para solidificação do cobre:
Calcule o tamanho do raio crítico e a quantidade de átomos no núcleo 
crítico se o cobre se solidifica por nucleação homogênea. Dados:
Tf = 1085
0C; Tl = 849
0C; ∆Hf = 1628 J.cm-3; σsl = 177 x 10-7 J.cm-2; parâmetro 
de rede do Cu CFC a0 = 0,3615 nm.
A nucleação homogênea ocorre quando o superresfriamento se torna grande o 
suficiente para permitir a formação de núcleos estáveis no meio da fase líquida.
Quando a nucleação ocorre em superfícies pré-existentes é necessário que apenas 
poucos átomos se agrupem para produzir uma partícula sólida. Assim, na nucleação 
heterogênea (que ocorre em superfícies pré-existentes) um superresfriamento muito 
menor é suficiente para obter um tamanho crítico.
Amento de resistência pela diminuição do tamanho de grão
Quando um metal líquido se solidifica, as impurezas contidas no material 
fundido e as paredes do molde que contém o líquido servem como locais para a 
nucleação heterogênea.
Às vezes, partículas nucleadoras são intencionalmente introduzidas no líquido. 
Esse procedimento é chamado de refino de grão ou inoculação. 
Os produtos adicionados a metais fundidos para aumentar o número de núcleos 
formados e, por conseguinte, reduzir o tamanho dos grãos, são conhecidos 
como refinadores de grão ou inoculantes.
Por exemplo, uma combinação de 0,03% Ti + 0,01% B é adicionada a ligas de Al 
líquido. Formam-se partículas minúsculas de compostos de alumínio e titânio 
(Al3Ti) e de diboretos de titânio (TiB2), que atuam como substrato patra 
nucleação heterogênea.
Quando aumenta a nucleação, diminui o crescimento. Assim, são produzidos um 
grande número de grãos que crescem pouco. A maior quantidade de área de 
contorno de grão resulta no aumento da resistência mecânica!
Na fabricação de componentes por fundição, os 
metais fundidos são vazados em moldes onde 
solidificam. O molde possibilita a obtenção de 
uma forma acabada, conhecida como fundido.
Em outros casos, o molde produz formas simples, 
chamadas de lingote. O lingote é um produto 
intermediário, que normalmente requer 
conformação plástica para chegar a um produto 
acabado.
A macroestrutura é chamada de estrutura bruta 
de fusão e é composta de 3 partes:
Zona Coquilhada: faixa estreita de grãos com 
orientação aleatória na superfície do lingote.
Zona Colunar: adjacente à zona coquilhada, contém grãos alongados que crescem na 
direção oposta à do fluxo de calor na solidificação.
Zona Equiaxial: na zona central do lingote, contém grãos novos, orientados aleatoriamente, 
frequentemente associados a uma baixa temperatura de vazamento, à presença de 
elementos de liga ou agentes refinadores-inoculadores de grãos.
LINGOTE DE 
ALUMÍNIO
Defeitos de Solidificação
Contração de solidificação
Quase todos os materiais são mais densos no estado 
sólido do que no líquido. Durante a solidificação o 
alumínio, por exemplo, contrai até 7%, o ferro contrai até 
3,4% e o cobre até 5,1%.
A maior parte da contração de solidificação resulta em 
rechupes na região que se solidifica por último. Utilizam-
se alimentadores ou massalotes para garantir que a 
última região solidificada esteja fora da peça fundida.
Porosidade de Gás
Muitos metais no estado líquido dissolvem uma grande 
quantidade de gás. O alumínio, por exemplo, dissolve o 
hidrogênio. Quando solidifica, o metal sólido retém em sua 
estrutura somente uma pequena fração de gás, já que a 
solubilidade é muito menor. O excesso de gás, que não 
consegue ser incorporado ao metal sólido ou à estrutura 
cristalina da liga, forma bolhas de gás que poderão ser 
aprisionados pelo metal sólido, produzindo as porosidades 
gasosas.