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Lista de Exercício para 1º EE - Fundição e Solidificação

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GERAL
>> Em que consiste o processo de refino zonal? Explique.
A fusão zonal compreende uma família de métodos para controle e distribuição de impurezas na qual uma pequena zona fundida é deslocada/movimentada lentamente ao longo de um material sólido repetidas vezes, redistribuindo gradativamente um soluto. Ela é utilizada na purificação de materiais, no processo denominado de refino zonal, mas também pode ser usada na distribuição homogênea ou descontinuas de impurezas e no crescimento de cristais.
O refino zonal consiste na movimentação constante de uma zona líquida do material repetidas vezes numa barra que queira se purificar, de tal forma que as impurezas são acumuladas gradativamente nas extremidades da barra, que por fim são cortadas, removendo assim as impurezas.
>> Quais os mecanismos de endurecimento? Explique.
Mecanismos de endurecimento são obstáculos a movimentação das discordâncias, pois a habilidade de um metal deformar plasticamente depende basicamente da movimentação das suas discordâncias. O que provoca um aumento da resistência mecânica do metal.
- Solução sólida
Consiste na adição de elementos de liga, visando a formação de soluções sólidas substitucionais ou intersticiais (dependendo da relação de tamanhos atômicos entre o solvente e o soluto). Ao ocupar lugares da rede cristalina de um dado metal, os átomos do soluto provocam distorções na rede e para minimizar a energia do material procuram lugares onde se acomodam mais facilmente, junto a discordâncias.
- Precipitação/dispersão de partículas de segunda fase
O material exibe uma segunda fase (região com composição e características distintas) dispersa na matriz. Os contornos entre as diferentes fases (precipitado e matriz) em uma liga são defeitos planares e interferem na movimentação de discordâncias.
- Refino de grão
Ao diminuir os grãos haverá mais contornos para a discordância ultrapassar, dificultando a sua mobilidade. Isso ocorre devido as diferentes orientações dos grãos, havendo a necessidade da discordância mudar sua direção de movimento; e isso é mais difícil quanto maior for a diferença de orientação entre os grãos.
- Encruamento
Também chamado de endurecimento a frio ou endurecimento por trabalho mecânico. Aumenta a densidade de discordâncias através de deformação do metal, resultando em seu auto-embarreiramento; ou seja, limita seu movimento.
>> Qual a relação de Hall-Petch?
Sigma(y) = Sigma(o) + (K / d^1/2)
Sigma(y) -> Limite de escoamento (Yield)
Sigma(o) e K -> Constantes particulares do material
D -> Tamanho médio do grão
Observar que d e Sigma(y) são inversamente proporcionais, ou seja, a resistência mecânica depende do diâmetro médio dos grãos.
Obs. Esta relação não é válida para grãos manométricos (10^-9)
>> Defina grão e contorno de grão.
- Grão
Unidade cristalográfica com uma única orientação preferencial dos seus átomos.
Cada núcleo de solidificação dá origem a um grão.
É espacial, tem 3 dimensões. Quando tem aproximadamente a mesma dimensão nos 3 eixos é chamado de grão equiaxial (quando há deformação isso é mudado).
Tamanho do grão nos metais é de 10 a 30 mícrons.
- Contorno de grão
Região de desajuste entre átomos vizinhos/adjacentes.
É energicamente mais favorecido, pois há uma distorção devido as diferentes orientações dos cristais, quanto maior o desajuste, maior a energia do contorno.
Grãos adjacentes possuem diferentes orientações e um contorno de grão em comum.
>> Qual o mecanismo de deformação nos metais?
Escorregamento ou deslizamento de planos compactos com movimentação de discordâncias (o cristal é o empilhamento de planos compactos, interpretá-los como cartas de baralho em que seu deslizamento ocorre ao jogarmos estas cartas).
>> Segundo Frenkel qual a diferença entre as tensões máximas de cisalhamento para uma rede cristalina perfeita e a rede cristalina real? Qual a conclusão?
Frenkel calculou a tensão teórica de cisalhamento, encontrando valores da ordem de 10^3 a 10^4 da tensão real.
Isso ocorre porque, na prática, a rede cristalina não é perfeita (tem defeitos, como: discordância, lacuna, vacância, etc.). Não é possível fabricar um material sem defeito, mas sim próximo disso, o material chamado de Whiskers (fibras curtas que são resfriadas muito lentamente).
FABRICAÇÃO MECÂNCIA
>> Qual o principal objetivo dos processos de fabricação mecânica?
Conferir forma (geometria), dimensão (e tolerância dimensional) e acabamento superficial (especificado no projeto) a uma matéria-prima bruta, no intuito de que desempenhe uma função.
>> Os processos de fabricação mecânica podem ser divididos em dois grandes grupos. Quais são esses grupos?
- Processos mecânicos
As modificações de forma são provocadas pela aplicação de tensões externas.
- Processos metalúrgicos
As modificações de forma estão relacionadas com altas temperaturas.
DIAGRAMA DE FASE
>> Defina ponto de fusão.
É a temperatura ou ponto no diagrama de fases em que a energia livre dos estados sólido e líquido são iguais. Ou seja, é a temperatura de transição (transformação) entre os dois estados, deixa de estar no estado sólido e passa para o líquido.
>> O que é superesfriamento?
Consiste em resfriar um líquido abaixo do seu ponto de fusão (Tf). É necessário para a nucleação, pois o líquido não se transforma imediatamente em sólido ao atingir Tf, mas só inicia a nucleação a partir dele.
>> Quanto ao grau de superesfriamento. Onde o mesmo é mais acentuado: nos metais ou nas ligas metálicas?
Nos metais puros, pois a interface sólido/líquido é normalmente plana, a menos que um severo resfriamento térmico seja imposto. Já numa liga, pode ser planar, celular ou dendítrica, dependendo da condição de solidificação e dos componentes da liga.
>> Defina o conceito de fase em metalurgia.
É uma porção homogênea da matéria com as mesmas propriedades (físicas, químicas, magnéticas, óticas, etc.)
>> Uma mistura de água com areia pode ser considerada uma fase? E se a água fosse misturada apenas com um pouco de sal, seria também uma fase? Justifique.
Não, pois a areia é insolúvel em água, gerando assim duas fases. 
Sim, pois um pouco do sal é solúvel em água, gerando assim uma única fase.
>> Critique no aspecto científico a afirmação: “o aço é um material monofásico e policristalino.”
Os aços são policristalinos, porém geralmente não são monofásicos, pois possuem muitas fases, como: ferrita, cementita, austenita, etc.
>> O que são os diagramas de equilíbrio e quais são as principais limitações na sua aplicação prática?
São gráficos que mostram as fases presentes num material em equilíbrio com o ambiente. Corretamente interpretado, um diagrama de equilíbrio indica o número de fases presentes, suas composições e a percentagem de cada fase, em função da temperatura, da pressão e da composição global do material. Sua limitação na prática se deve a maioria dos materiais de engenharia exista em condição metastável, isto é, fora de equilíbrio
>> Defina o significado físico das linhas (a) solidus e (b) liquidus.
- Solidus
Representa o limite de estabilidade do estado sólido.
Linha onde termina a solidificação.
- Liquidus
Representa o limite de estabilidade do estado líquido.
Linha onde inicia a solidificação. 
SOLIDIFICAÇÃO
>> Descreva os fenômenos metalúrgicos que ocorrem no processo de solidificação de metais puros. Faça o mesmo para ligas metálicas.
- Cristalização
Consiste no surgimento das estruturas cristalinas (nucleação dos grão) e no crescimento destas estruturas, o qual ocorre de maneira não uniforme;
- Contração do volume
Contração líquido: Causada pelo aumento da densidade à medida que o metal líquido é resfriado;
Contração ou solidificação: Causada pela cristalização durante a solidificação;
Contração sólida: Causada pelo resfriamento do metal solidificado, desde a temperatura de solidificação até a temperatura ambiente;
- Concentração de Impurezas
As impurezas são menos solúveisno estado sólido; assim, durante a solidificação estas acompanham o metal líquido, se concentrando da última parte a se solidificar;
- Desprendimento de gases
Consiste na retenção dos gases, dissolvidos no metal líquido e produtos da fundição, no interior da peça.
	
>> Por que a nucleação durante a solidificação ocorre heterogeneamente?
Porque a temperatura não é a mesma em todos os pontos e existem pontos de nucleação preferenciais, como partículas estranhas e superfícies sólidas (como em um molde).
>> Critique no aspecto científico a afirmação: “Durante a solidificação de uma liga metálica a composição química dos grãos é sempre homogênea.”
Durante a solidificação de uma liga metálica a composição dos grãos é heterogênea devido aos fenômenos de cristalização e de concentração de impurezas.
>> Em que consiste o processo de bridgmann de solidificação? Explique
Consiste na solidificação unidirecional com uma taxa ou retirada de calor muito baixa para a fabricação de monocristais (não tem contorno de grão), com o intuito de fabricar um material quase perfeito (sem defeitos). Por exemplo whiskers, que são fibras curtas.
FUNDIÇÃO
>> Defina processo de fundição.
Fundição é um processo de fabricação onde um metal ou liga metálica no estado liquido é vazado por gravidade, em um molde com formato e medidas correspondentes aos da peça a ser produzida e se solidifica.
O processo pode ser classificado de acordo com o tipo e o modelo do molde e/ou pela força exercida para preencher o molde com o metal liquido.
>> Por que o processo de fundição é mais vantajoso quando comparado com outros processos de fabricação?
Porque é mais econômico, partindo do metal líquido para o produto final. Possui poucas limitações e é possível a obtenção de peças com detalhes complexos, com larga possibilidade de dimensões e grau de acabamento.
>> Quais os dois grandes grupos a partir dos quais se podem dividir os processos de fundição? 
Processo do tipo molde descartável: Molde é sacrificado para remover a peça. 
Processo do tipo molde permanente: Molde é feito de metal e pode ser usado para fazer várias peças. 
>> Quais os principais processos de fundição? Discorra de maneira resumida sobre esses processos.
- Molde em areia verde
Consiste na elaboração do molde com areia úmida modelada pelo formato do modelo da peça a ser fundida. É o método mais empregado, pois serve para todos os metais. É especialmente apropriado para peças de tamanho pequeno e médio. Não é adequada para peças grandes, de geometria complexas, nem para acabamentos finos, pois ficam as marcas de corrugamento da areia, e sua tolerância dimensional é reduzida.
- Molde em areia seca
Este tipo de molde se consolida em altas temperaturas. Este método utilizado para aumentar a resistência mecânica e a rigidez da forma de fundição. Este processo permite a modelação de peças de grande dimensões e geometrias complexas. A precisão dimensional é boa e o acabamento superficial é bom, pois o corrugamento das peças causado pela areia é bem menor.
- Fundição por injeção
O molde é mecanizado. Existem menos restrições à geometria das peças, pois o molde é fabricado por modernos processos como eletroerosão, por laser, entre outros, que dão excelente acabamento, possibilitando menos usinagens nas peças.
- Fundição sob pressão
Consiste em forçar o metal liquido sob pressão, a penetrar na cavidade do molde, chamado matriz. Esta é metálica, portanto de natureza permanente e , assim pode ser usada inúmeras vezes. Devido à pressão e a consequente alta velocidade de enchimento da cavidade do molde, o processo possibilita a fabricação de peças de formas bastante complexas e de paredes mais finas do que os processos por gravidade, permitem. A matriz é geralmente construída em duas partes, que são hermeticamente fechadas no momento do vazamento do metal líquido. Ela pode ser utilizada fria ou aquecida à temperatura do metal líquido, o que exige materiais que suportem essas temperaturas. O metal é bombeado na cavidade da matriz e a sua quantidade deve ser tal que, não só preencha inteiramente esta cavidade, como também os canais localizados em determinados pontos para evasão do ar. Esses canais servem igualmente distribuídos para garantir o preenchimento completo das cavidades da matriz.
- Fundição por centrifugação
O processo consiste em vazar-se metal líquido num molde dotado de movimento de rotação, de modo que a força centrífuga origine uma pressão além da gravidade, que obriga o metal líquido ir de encontro com as paredes do molde onde aquele se solidifica. Um dos exemplos mais conhecidos de utilização do processo, corresponde a fabricação de tubos de ferro fundido para linhas do suprimento de água. A máquina empregada, consiste essencialmente de um molde metálico cilíndrico, montado em roletes, de modo que nele se possa aplicar o movimento de rotação. Esse cilindro é rodeado por uma camisa de água estacionária, montada por sua vez, em rodas, de modo a permitir que o conjunto se movimente longitudinalmente.
- Fundição contínua
Neste processo, as peças fundidas são longas, com secções quadrada, retangular, hexagonal ou de formatos diversos. Em outras palavras, o processo funde barras de grande comprimento com as secções mencionadas, as quais serão posteriormente processadas por usinagem ou pelos métodos de conformação mecânica no estado sólido. Em princípio, o processo consiste em vazar-se o metal líquido num cadinho aquecido. O metal líquido escoa através de matrizes de grafite ou cobre, resfriados na água.
>> Explique os processos de fundição do tipo cera perdida e poliestireno expandido
- Poliestireno expandido
Utiliza um molde de areia compactada em torno de um modelo de espuma de poliestireno, que evapora quando o metal fundido 	é vertido no molde. 
Inicialmente o poliestireno é revestido com um composto refratário. Depois o modelo de espuma é colocado numa caixa com areia compactada em volta. Então o metal fundido é vertido no molde e o poliestireno é vaporizado permitindo o metal preencher toda cavidade do molde. 
- Cera perdida
Um modelo de cera é revestido com um material refratário para fazer o molde. Depois a cera é derretida antes do vazamento do metal fundido, restando apenas o material refratário, servindo como molde. Após a solidificação o molde é quebrado para a retirada da peça. É capaz de produzir componentes com alta precisão e detalhes complexos. 
>> Quais são os processos de fundição do tipo molde descartável?
Processo no qual o molde é sacrificado para a remoção da peça.
Fundição em areia; moldagem em casca (Shell molding); Moldagem à vácuo; Poliestireno expandido; Cera perdida; molde de gesso ou cerâmica.
>> Cite e organize em sequencia apropriada (fluxograma) as operações envolvidas num processo de fundição em areia.
	
Modelagem > Macharia > Fusão > Vazamento do Fundido > Solidificação > Remoção do fundido > Limpar e inspecionar a peça > Tratamento térmico
>> Cite os componentes básicos e uma mistura de moldagem a verde.
90% de areia sílica, 7% de argila, 3% de água. 
>> Cite duas vantagens e duas desvantagens da moldagem a verde.
	
- Vantagens
1. A moldagem por areia verde é o mais barato dentre todos os métodos de produção de moldes. 
2. Menor distorção de formato do que nos métodos que usam areia seca, porque não há necessidade de aquecimento. 
3.As caixas de moldagem estão prontas para a reutilização em um mínimo espaço de tempo. 
4.Boa estabilidade dimensional. 
5.Menor possibilidade de surgimento de trincas.
- Desvantagens
1. O controle da areia é mais crítico do que nos outros processos que também usam areia. 
2. Maior erosão quando as peças fundidas são de maior tamanho. 
3. O acabamento da superfície piora nas peças de maior peso. 
4. A estabilidade dimensional é menor nas peças de maior tamanho.
>> Como se chamam os dutos que conduzem o metal líquido para o interior do molde?
Canais de alimentação são as vias, ou condutos, por ondeo metal líquido passa para chegar ao molde.
>> Qual o fator material mais importante nos processos de fundição?
O molde.
>> Quando se diz que o molde é de areia verde ou de areia seca?
O molde em areia verde é uma mistura de areia, argila e água; significando que existe umidade no molde. Já o molde em areia seca utiliza aglutinantes orgânicos, em vez de argila; utilizada para aumentar a resistência mecânica e rigidez do molde de fundição e peças de grande porte.
>> Qual a diferença básica entre o processo de moldagem a verde e o processo Shell?
	
A utilização de resina sintética misturada com a areia, que pelo processo de cura da mesma, forma uma casca que dispensa o uso das caixas.
>> Quais são as diferenças operacionais e metalúrgicas entre a fundição num molde de areia e num molde metálico.
O molde de areia, que é considerado molde descartável, além de fundir quase todas as ligas incluindo metais com temperaturas de fusão elevadas, possui a vantagem de poder fazer peças com geometria mais complexas. 
Já um molde metálico, que é considerado de molde permanente, pode ser utilizado para a fabricação de várias peças e assim aumentar a taxa de produção se comparadas com o molde em areia.
>> No que diz respeito a dimensão e peso do fundido. Quais os processos mais indicados para um fundido de grandes dimensões e um fundido de pequenas dimensões?
O processo de fundição em areia é o mais recomendado para peças grandes, enquanto os demais processos são limitados a peças médias ou pequenas.
A moldagem em areia seca á utilizado em peças de qualquer dimensão ou peso, desde que se queira um bom acabamento.
>> A precisão dimensional e o acabamento superficial variam grandemente de processo para processo. Qual o processo que confere melhores acabamento superficial e tolerância dimensional?
A fundição à cera perdida é a que confere melhores acabamentos superficiais, precisão dimensional e tolerâncias à peça, é um processo net shape (não é necessário usinar a peça após o processo).
>> Os processos de fundição também devem ser analisados levando em consideração o aspecto econômico. Que aspectos econômicos devem ser considerados na fabricação de uma peça por fundição?
- O valor do sobremetal da fundição;
- Custo do molde e do modelo (geralmente nos processo de molde permanente possui uma vantagem por utilizar o mesmo molde inúmeras vezes, baixando o custo);
- Capacidade de produção (no caso dos processos de molde descartável que não podem ser automatizados).
>> Escreva V para as sentenças corretas e F para as sentenças erradas.
( F ) Na fundição, a produção de peças é demorada e sempre em pequena quantidade.
( V ) As medidas das peças fundidas podem ter tolerâncias entre 0,2 e 6 mm.
( V ) As peças fundidas podem ter tamanhos pequenos ou muito grandes e formatos simples ou complicados.
( F ) A fundição só produz peças com acabamento muito ásperos.
( V ) A moldagem mecanizada é feita por máquinas de moldar automática ou semi-automática
( V ) A areia de fundição é uma mistura refratária plástica
( F ) A contração da peça acontece durante a fusão. [Falso pois a contração da peça ocorre durante o resfriamento]
( V ) Para eliminar os gases, o molde deve ter boa permeabilidade
( F ) Um molde não necessita resistir à pressão do metal líquido

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