Solidificação+de+metais

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Solidificação de metais e formação 
da estrutura interna de grãos
Fabricação de metais e ligas
Metais/ 
ligas
Fundição
(Fusão) 
Forma 
final 
Forma 
semifinal
Confor-
mação* 
Forma 
final 
*Forjamento, laminação, extrusão, trefilação 
Visão termodinâmica
• A transformação do estado líquido para o sólido (e vice versa) 
ocorre devido a transformação da matéria para uma condição mais 
estável com menor energia livre.
• Para que o processo de solidificação aconteça deve haver uma 
redução de energia livre. Desta forma no ponto de equilíbrio nada 
acontece, pois as energias dos dois estados são iguais.
• A solidificação somente ocorrerá se o metal for resfriado abaixo da 
temperatura de equilíbrio 
• Essa diferença entre a temperatura de equilíbrio e a temperatura 
onde a solidificação efetivamente acontece chama-se grau de super 
resfriamento.
• Quanto maior a taxa de resfriamento maior o grau de super 
resfriamento. 
Em termos de metalurgia física
• A fusão ocorre quando a energia de 
vibração dos átomos por conta do 
aumento da temperatura supera a energia 
envolvida na ligação química entre os 
átomos.
• No estado líquido não há ordem a longa 
distância (não há sistema cristalino) e as 
ligações entre os átomos é fraca do tipo 
Van der Waals
Curva esquemática de 
resfriamento-Metal puro
Curvas de resfriamento em três 
velocidades diferentes.
Efeito do super-resfriamento sobre o raio 
critico
Raio crítico: cobre
Raio crítico e subresfriamento
r*= -2Tm
HsT
• onde
– r*: raio crítico do 
núcleo
� : energia livre 
superficial
– Tm: temperatura de 
fusão/solidificação 
� Hs : calor latente de 
solidificação 
� T : graus de 
subresfriamento
Solidificação de alguns metais
Metal Temperatura 
de solidifi-
cação (°C)
Calor de 
solidificação 
(J/cm3)
Energia 
superficial 
(J/cm210-7)
T de sub-
resfriamento 
máximo (°C)
Pb 327 -280 33.3 80
Al 660 -1066 93 130
Ag 962 -1097 126 227
Cu 1083 -1826 177 236
Ni 1453 -2660 255 319
Fe 1535 -2098 204 295
Pt 1772 -2160 240 332
Mecanismos de nucleação
• Nucleação homogênea
– Próprio metal fornece átomos para formar núcleos
– Subresfriamento usualmente de centenas de graus 
Celsius
• Nucleação heterogênea
– Presenca de agentes nucleantes: superfície do 
recipiente, impurezas insolúveis, ou material 
estrutural
– Prática industrial: subresfriamento de 0,1 a 10°C
Efeito da presença de nucleantes (refinadores de 
grãos) durante a solidificação.
Processo de nucleação e crescimento
Núcleos
Líquido
Líquido
Cristais que 
formarão 
grãos
Grãos
Contorno
s de grão
Diagramas esquemáticos das várias etapas da solidificação de um material 
policristalino: Os pequenos quadrados representam células unitárias em uma 
escala bidimensional
Grãos e contornos de grão
Processo de solidificação-Formação dos grãos a 
partir das paredes do molde
• Após macrografia e 
ataque químico pode-
se ver os grãos.
Processo de solidificação-Formação dos 
grãos
• Os grãos são formados no início do processo de 
solidificação a partir de pequenos agrupamentos de 
átomos chamados de núcleos.
• Cada núcleo da origem à um grão com crescimento 
cristalográfico em direção diferente de seus vizinhos.
• Quando resta pouco líquido e os diferentes grãos 
começam a se encontrar,formam o contorno de grão.
• O contorno de grão é uma região de 2 a 10Ǻ, 
desordenada, sem uma estrutura cristalina definida, 
sendo portanto uma região de maior energia que a do 
interior do grão. 
Conceito de raio crítico
• Núcleos de grande variedade de tamanhos surgem no líquido mas 
nem todos crescem
• A interface que aparece entre o sólido e o líquido faz aumentar a 
energia livre F (tensão superficial x área da superfície) a medida 
que o raio do núcleo aumenta
• A passagem de líquido para sólido, no entanto, faz reduzir o valor 
da energia livre F a medida que o núcleo cresce.
• A soma dessas duas variações passa por um máximo.
• Espontaneamente somente ocorrem os fenômenos acompanhados 
de redução no valor de F.
• Desta forma somente os núcleos com raio maior que um 
determinado valor podem crescer. Esse valor se chama RAIO 
CRÍTICO 
INFLUÊNCIA DO VALOR DO RAIO 
CRÍTICO
• Assim, núcleos de R < Rc desaparecem
• E núcleos de R ≥ Rc crescem se constituindo em grãos no final da 
solidificação
• Quanto maior a velocidade de resfriamento maior a redução em F 
pela passagem Liq-Sol, desta forma menor o valor de Rc 
• Quanto menor o valor de Rc mais grãos podem crescer, 
solidificando um material com menor tamanho de grão e em maior 
número.
• Industrialmente usa-se a adição de pequenas partículas com ponto 
de fusão levemente superior ao da liga para atuar como nucleantes 
e fabricar componentes com grãos pequenos – Inoculação 
Estruturas de grão
• Grãos equiaxiais:
– Crescimento de cristais aproximadamente igual em todas as 
direções.
– Se formam em grande número devido a alta velocidade de 
solidificação na parede do molde.
– Usualmente adjacentes a parede fria do molde, (zona Chill, ou 
coquilhada) mas podem aparecer no centro do lingote também 
dependendo do tamanho do molde e da velocidade de resfriamento 
(nesse caso se for lenta).
• Grãos colunares:
– Longos, finos, grosseiros.
– Crescem a partir dos grãos equiaxiais formados na parede do 
molde.
– Solidificação relativamente lenta em gradiente de temperatura
– Perpendiculares à parede fria do molde
Estruturas de grão (a direita macrografia 
mostrando os dois tipos de grãos)
Grãos colunares em um lingote de 
alumínio fundido:reativo de Tucker 
Frente de solidificação com crescimento 
dendrítico
Aspecto das dendritas
Relação entre as dendritas e os grãos na 
solidificação
Formação do vazio após a solidificação: Em geral os 
sólidos apresentam menor volume que os líquidos, 
ocorrendo uma contração durante a solidificação 
Efeito da segregação em uma barra de aço fundida: O soluto, em geral, é mais 
solúvel no líquido que no sólido. As últimas partes a solidificar tendem a ficar 
mais impuras. Regiões interdendríticas e o centro do lingote 
Localização esquemática da 
segregação
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