Aula_05__Solidifica__o_de_Ligas_Al

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Aula 05: Solidificação de ligas de alumínio
- Introdução
- Diagrama Al-Si
- Influências dos elementos de liga
- Modificação das ligas Al-Si
- Microestruturas e propriedades mecânicas
- Mecanismos de endurecimento
Disciplina: Fundição dos metais e suas ligas
Professor: Guilherme O. Verran – Dr. Eng. Metalúrgic a
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
Solidificação de Ligas de AlDisciplina: Fundição dos metais e suas ligas
Professor: Guilherme Verran 
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) 
Solidificação de Ligas de AlDisciplina: Fundição dos metais e suas ligas
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Flow chart to Aluminum alloy selection
Solidificação de Ligas de AlDisciplina: Fundição dos metais e suas ligas
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Solidificação de Ligas de AlDisciplina: Fundição dos metais e suas ligas
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Solidificação de Ligas de Al
Elementos de liga primários (major elements): silíc io (Si) – cobre (Cu) e 
magnésio (Mg)
Elementos de liga secundários (minor elements): níqu el (Ni) e estanho (Sn) 
Elementos de modificadores da microestrutura: estrô ncio (Sr) - titânio (Ti) 
– manganês (Mn) – boro (Bo) – cromo (Cr) – fósforo (P) e berílio (Be) 
Elementos considerados impurezas: ferro (Fe) – cromo (Cr) e zinco (Zn) 
Composição Química das Ligas de Alumínio de Fundição : 
elementos usualmente presentes 
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Diagramas de Equilíbrio Importantes
Al – Si
Al – Cu
Reação eutética ⇒⇒⇒⇒ excelente fluidez e 
baixa contração na solidificação
Alta solubilidade sólida ⇒⇒⇒⇒ maior resistência 
através de tratamentos térmicos
Al – Mg
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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
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Solidificação de Ligas de Al
Diagrama de equilíbrio Al-Si (AFS – Aluminum Casting Technology, 1993)
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Ligas de Fundição ⇒⇒⇒⇒ Si - 5 a 24%
T (oC)
Al
ββββ
1430
L
αααα
Si
660
αααα + Si
5770C
Diagrama Al-Si
Ligas para fundição
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Classificação das 
ligas Al-Si em 
função do teor de Si
Ligas Hipereutéticas
Ligas
Hipoeutéticas
Solidificação de Ligas de Al
Mais utilizadas: 
- Boas propriedades de fundição
- Moderadas propriedades 
mecânicas
- Melhores propriedades 
mecânicas com adição de outros 
elementos (Cu, Mg,....)
Ex.: 356 – Al7Si0,3Mg
319 – Al6Si3,5Cu
Ligas Eutéticas
ββββ
Si
L
αααα
Al
T (oC)
- Excelentes propriedades de 
fundição
-Fragilidade em função da 
morfologia do Si
- Aplicações especiais 
(alta resistência ao 
desgaste)
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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
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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
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Influência dos Elementos de LigaSi
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Influência dos Elementos de LigaSi
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Si Influência dos Elementos de Liga
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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
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Cu Influência dos Elementos de Liga
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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 e 
envelhecimento artificial
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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
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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
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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
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Influência dos Elementos de LigaMg
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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 
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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
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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
Solidificação de Ligas de Al
Bo Refinador de grão Ti - Bo
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Influência dos Elementos de Liga
Propriedades dos Fundidos
Sr – Na – Ca - St Modificadores do Si
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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 ataqu e aos refratários (forma pontos duros)
Fe Forma intermetálicos fragilizantes
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Liga Al5Si (443)
Fundida em Areia 
Si
Fe3SiAl 2(claro)
Dendritas 
de Solução 
Sólida (Al αααα)
Liga Hipoeutética
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Microestrutura 
das Ligas 
Hipoeutéticas
MATRIZ
Dendritas Celulares de Al αααα
ESTRUTURA INTERDENDRÍTICA
• Partículas de Si eutético
• Fe3SiAl 2
• Fe2 Si 
Tonalidade 
de Cinza
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Microestrutura típica de uma liga Al7Si
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A Liga 356 – Al7Si0,3Mg
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Sequência de solidificação de ligas hipoeutética AlSiMg (Cu-Mn-Fe)
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Diagrama de fases simplificado para a liga 356.0 (Al-Si-Fe-Mn) com 0,3 Mn mostrando a 
sequência de solidificação representada na linha tracejada 1, 2ª, 2b e 3 
(BACKARD;CHAI;TAMMINEN, 1990.
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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)
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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 endurecimento por soluto
Formação de precipitados 
submicroscópicos (Zonas GP) 
endurecimento por precipitação
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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 Al αααα
• A composição eutética normal do sistema Al-Si 
corresponde a 12,6% Si a a temperatura de 577 0C o Na e 
os outros agentes modificadores tendem a deslocar 
composição e a temperatura de equilíbrio eutético de m odo 
a permitir que se consiga fundir ligas hiper eutéticas 
mantendo-se as características de fundição inerente s às 
ligas eutéticas ou tornar ligas eutéticas ligeirament e 
hipoeutéticas 
Principal Consequência ⇒⇒⇒⇒ Aumento da Resistência 
e da Dutilidade nas ligas Al-Si fundidas.
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Eutético 
Normal 
12,6% Si 
T = 5770C
Eutético 
Modificado
14,2% Si 
T = 5620C
Si
L
αααα
αααα + L
Al
αααα + Si Si
L + Si660
1430
T (oC)
12,6 14,2
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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
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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
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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)
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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
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Liga 356 (Al7Si0,3Mg)
F –Bruta de fusão em 
areia
Tamanho médio dos 
macrogrãos ≅ 5mm 
Refinadacom adição de 
0,05%Ti e 0,005% B
Tamanho médio dos 
macrogrãos ≅ 1mm 
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Mecanismos de Endurecimento/Aumento de 
Resistência em Ligas de Al
Ligas de Fundição
Tratamentos 
Térmicos 
Solubilização
Envelhecimento 
(Precipitação) 
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 endurecimento por soluto
Formação de precipitados 
submicroscópicos (Zonas GP) 
endurecimento por precipitação
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HASKEL , Tatiane ; VERRAN, G. O. . Tratamento de solubilização da liga A356: efeitos do tempo e da temperatura. 
In: Anais do 65h ABM International Congress. São Paulo: ABM, 2010. v. unico. 
Incremento na microdureza com o 
tempo de solubilização de até 10h.
Solubilização do 
intermetálico Al 2Mg 
Fragmentação e 
coalescimento das 
partículas de Si
(b) Solubilizada 6h, 540 C
(a) Bruta de Fusão
Solubilizada 10h, 540 C
Incremento na 
ductilidade com o 
tempo de solubilização 
Solidificação de Ligas de Al
Maiores incrementos para a liga com maior % de Mg 
Disciplina: Fundição dos metais e suas ligas
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Solidificação de Ligas de Al
100 µm 100 µm
(Solubilizada a 510˚C (b) Solubilizada a 540˚C
100 µm
(c) Solubilizada a 570˚C
HASKEL , Tatiane ; VERRAN, G. O. . Tratamento de solubilização da liga A356: efeitos do tempo e da temperatura. 
In: Anais do 65h ABM International Congress. São Paulo: ABM, 2010. v. unico. 
Efeito da temperatura de solubilização na morfologi a do Si
Microestruturas da liga A356 solubilizada por 10 horas a (a) 510˚C, (b) 540˚C e (c) 570˚C.
Disciplina: Fundição dos metais e suas ligas
Professor: Guilherme Verran 
100
150
200
250
300
350
BF Solubilizado T6 2h T6 5h T6 8h T6 12h
Tratamento
Li
m
ite
 d
e 
es
co
am
en
to
100
150
200
250
300
350
Li
m
ite
 d
e 
R
es
is
tê
nc
ia
LE BX Mg
LE Alto Mg
LR Baixo Mg
LR Alto Mg
Liga 356 - Limites de resistência e de escoamento p ara amostras brutas de fundição, 
solubilizadas e envelhecidas a 155 0 C usando diferentes tempos.
RONSANI, G. S. ; VERRAN, G. O. ; Vilella, V. M. C. ; Vogel, W.F. . Envelhecimento artificial das ligas 356 e A356: 
efeitos da composição química e dos parâmetros de p rocessamento . In: Anais do 12 Seminário de Metais Não 
Ferrosos da ABM. São Paulo: ABM- Associação Brasileira de Metalurgia, Materiais e Mineração, 2011. v. u p. 132-142. 
Solidificação de Ligas de AlDisciplina: Fundição dos metais e suas ligas
Professor: Guilherme Verran 
Liga 356 - Valores de microdureza e alongamento para amostras brutas de fundição, 
solubilizadas e envelhecidas a 155 0 C usando diferentes tempos.
RONSANI, G. S. ; VERRAN, G. O. ; Vilella, V. M. C. ; Vogel, W.F. . Envelhecimento artificial das ligas 356 eA356: 
efeitos da composição química e dos parâmetros de p rocessamento . In: Anais do 12 Seminário de Metais Não 
Ferrosos da ABM. São Paulo: ABM- Associação Brasileira de Metalurgia, Materiais e Mineração, 2011. v. u p. 132-142. 
0
20
40
60
80
100
120
140
160
BF solub T6 2h T6 5h T6 8h T6 12h 
Tratamento
M
ic
ro
du
re
za
 V
ic
ke
rs
 (
H
V
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
A
lo
ng
am
en
to
 (
%
)
HV Bx Mg
HV alto Mg
AL% Bx Mg
AL% Alto Mg
Solidificação de Ligas de AlDisciplina: Fundição dos metais e suas ligas
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Liga 356 - Limites de resistência e de escoamento par a amostras brutas de fundição, 
solubilizadas e envelhecidas 5h usando diferentes t emperaturas
RONSANI, G. S. ; VERRAN, G. O. ; Vilella, V. M. C. ; Vogel, W.F. . Envelhecimento artificial das ligas 356 e A356: 
efeitos da composição química e dos parâmetros de p rocessamento . In: Anais do 12 Seminário de Metais Não 
Ferrosos da ABM. São Paulo: ABM- Associação Brasileira de Metalurgia, Materiais e Mineração, 2011. v. u p. 132-142. 
100
150
200
250
300
350
BF Solubilizado 5h 155°C 5h 175°C 5h 195°C 5h 215°C
Tratamento
Li
m
ite
 d
e 
E
sc
oa
m
en
to
 (
M
P
a)
100
150
200
250
300
350
Li
m
ite
 d
e 
R
es
is
tê
nc
ia
 
(M
P
a)
LE BX Mg
LE Alto Mg
LR Baixo Mg
LR Alto Mg
Solidificação de Ligas de Al
Ocorrência de 
superenvelhecimento?
Disciplina: Fundição dos metais e suas ligas
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Liga 356 - Valores de microdureza e alongamento para amostras brutas de 
fundição, solubilizadas e envelhecidas 5h usando diferentes temperaturas
RONSANI, G. S. ; VERRAN, G. O. ; Vilella, V. M. C. ; Vogel, W.F. . Envelhecimento artificial das ligas 356 e A356: 
efeitos da composição química e dos parâmetros de p rocessamento . In: Anais do 12 Seminário de Metais Não 
Ferrosos da ABM. São Paulo: ABM- Associação Brasileira de Metalurgia, Materiais e Mineração, 2011. v. u p. 132-142. 
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
BF
So
lub
iliz
ad
o
5h
 15
5°C
5h
 17
5°C
5h
 19
5°C
5h
 21
5°C
Tratamento
M
ic
ro
du
re
za
 V
ic
ke
rs
 (
H
V
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
A
lo
ng
am
en
to
 (
%
)
HV Bx Mg
HV alto Mg
AL% Bx Mg
AL% Alto Mg
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Variações no limite de escoamento nas ligas 356 e A356 para diferentes condições 
experimentais.
RONSANI, G. S. ; VERRAN, G. O. ; Vilella, V. M. C. ; Vogel, W.F. . Envelhecimento artificial das ligas 356 e A356: 
efeitos da composição química e dos parâmetros de p rocessamento . In: Anais do 12 Seminário de Metais Não 
Ferrosos da ABM. São Paulo: ABM- Associação Brasileira de Metalurgia, Materiais e Mineração, 2011. v. u p. 132-142. 
99,05
133
201
142,5 148,5
228,7
152,5
174,8
252,4
0
50
100
150
200
250
300
Bruta de Fusao Solubilizada T6 5h 155°C
Condição de Tratamento
L
im
it
e
 d
e
 e
sc
o
a
m
e
n
to
 (
M
P
a
)
A356
356 bx Mg
356 At Mg
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Variações da microdureza nas ligas 356 e A356 para diferentes condições experimentais.
RONSANI, G. S. ; VERRAN, G. O. ; Vilella, V. M. C. ; Vogel, W.F. . Envelhecimento artificial das ligas 356 e A356: 
efeitos da composição química e dos parâmetros de p rocessamento . In: Anais do 12 Seminário de Metais Não 
Ferrosos da ABM. São Paulo: ABM- Associação Brasileira de Metalurgia, Materiais e Mineração, 2011. v. u p. 132-142. 
62,5
84,5
88,9
81,3 80,33
108,4
81,8
94,8
114,9
0
20
40
60
80
100
120
140
Bruta de Fusao Solubil izada T6 5h 155°C
Condição de Tratamento
M
ic
ro
d
u
re
za
A356
356 bx Mg
356 At Mg
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F- Bruta de fusão (Investment 
Casting)
rede interdendrítica de: 
• Silício Eutético (cinza escuro e 
sharp)
• Cu2Mg8Si6Al 5 (cinza claro, 
script)
• Fe2Si2Al 9 (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)
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Bruta de fusão (investment casting)
Rede de partículas de Si (cinzas 
escuro e angulares) em um eutético 
AlSi interdendrítico e partículas de 
Cu2Mg8Si6Al 5 (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)
Solidificação de Ligas de AlDisciplina: Fundição dos metais e suas ligas
Professor: Guilherme Verran 
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
Solidificação de Ligas de AlDisciplina: Fundição dos metais e suas ligas
Professor: Guilherme Verran 
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)
Solidificação de Ligas de AlDisciplina: Fundição dos metais e suas ligas
Professor: Guilherme Verran 
Defeitos em Corpo de Prova Fundido em 
Coquilha (liga A356)
Porosidades
Microrechupes ou gases aprisionados ?
HASKEL, Tatiane . Efeito do Tratamento Térmico de Solubilização na Microestrutura e nas 
Propriedades Mecânicas da Liga A356. Dissertação de Mestrado PGCEMUDESC, 2009. 
Disciplina: Fundição dos metais e suas ligas
Professor: Guilherme Verran 
Solidificação de Ligas de Al
Defeitos em Corpo de Prova Fundido em 
Coquilha (liga A356)
Observações usando MEV permitiram identificar a origem das porosidades
HASKEL, Tatiane . Efeito do Tratamento Térmico de Solubilização na Microestrutura e nas 
Propriedades Mecânicas da Liga A356. Dissertação de Mestrado PGCEMUDESC, 2009. 
Disciplina: Fundição dos metais e suas ligas
Professor: Guilherme Verran 
Solidificação de Ligas de Al
Defeitos em Corpo de Prova Fundido em 
Coquilha (liga A356)
HASKEL, Tatiane . Efeito do Tratamento Térmico de Solubilização na Microestrutura e nas 
Propriedades Mecânicas da Liga A356. Dissertação de Mestrado PGCEMUDESC, 2009. 
Identificação de defeito usando 
aumentos progressivos - MEV
Detalhes da dendritas da solução 
sólida rica em Al (Alα) - MEV
Disciplina: Fundição dos metais e suas ligas
Professor: Guilherme Verran 
Solidificação de Ligas de Al
HASKEL, Tatiane . Efeito do Tratamento Térmico de Solubilização na Microestrutura e nas 
Propriedades Mecânicas da Liga A356. Dissertação de Mestrado PGCEMUDESC, 2009. 
Defeitos em Corpo de Prova Fundido em Coquilha (liga A356)
Utilização de observações via MEV para análise da modo de fratura e na identificação 
de defeitos de fundição.
Disciplina: Fundição dos metais e suas ligas
Professor: Guilherme 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. 
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