330446_001 Fundição - Solidificação parte 01

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PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DE MINAS GERAIS
PROCESSOS CONTÍNUOS 
PROF. LUCIANO ANDRADE
CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO À FUNDIÇÃO 
PROCESSOS DE FABRICAÇÃO PARA MATERIAIS METÁLICOS
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PROCESSOS DE 
FABRICAÇÃO 
PARA MATERIAIS 
METÁLICOS
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CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO À FUNDIÇÃO 
PROCESSOS DE 
FUNDIÇÃO EM 
AREIA
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CURSO DE ENGENHARIA DE PRODUÇÃO
PROCESSOS CONTÍNUOS
PROCESSO DE FUNDIÇÃO
PROCESSOS DE FABRICAÇÃO PARA MATERIAIS METÁLICOS
CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO À FUNDIÇÃO 
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PROCESSOS CONTÍNUOS 
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CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO À FUNDIÇÃO 
SOLIDIFICAÇÃO –
EVENTOS QUE 
CARACTERIZAM 
O PROCESSO DE 
SOLIDIFICAÇÃO
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PROCESSO DE FUNDIÇÃO
PROCESSOS DE FABRICAÇÃO PARA MATERIAIS METÁLICOS
CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO À FUNDIÇÃO 
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PROCESSOS CONTÍNUOS 
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CAPÍTULO 1 – INTRODÇÃO À FUNDIÇÃO 
SOLIDIFICAÇÃO – EVENTOS QUE CARACTERIZAM O PROCESSO DE SOLIDIFICAÇÃO
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CIÊNCIA E SELEÇÃO DOS MATERIAS
CAPÍTULO 2 – ESTRUTURA - PROCESSAMENTO - PROPRIEDADE
PROCESSO DE NUCLEAÇÃO E CRESCIMENTO
 PROCESSO DE 
NUCLEAÇÃO É O MODO 
PELO QUAL A FASE 
SÓLIDA SURGE NO SEIO 
DA FASE LÍQUIDA, SOBE A 
FORMA DE PEQUENOS 
NÚCLEOS CRISTALINOS.
 PROCESSO DE 
CRESCIMENTO TRADUZ O 
MODO PELO QUAL ESSES 
NÚCLEOS CRESCEM SOB 
A FORMA DE CRISTAIS OU 
GRÃOS CRISTALINOS.
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CIÊNCIA E SELEÇÃO DOS MATERIAS 
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TRANSFORMAÇÕES DE FASES
 O processo de transformação de fases podem ser divididos em 
dois estágios distintos: NUCLEAÇÃO E CRESCIMENTO.
 A NUCLEAÇÃO envolve o surgimento de partículas, ou núcleos, 
muito pequenas da nova fase (que consistem com freqüência, em 
apenas umas poucas centenas de átomos), que são capazes de 
crescer.
 No CRESCIMENTO os núcleos formados no estágio de nucleação, 
aumentam de tamanho, o que resulta no desaparecimento de parte 
ou de toda a fase original. A transformação atinge o seu final se for 
permitido que o crescimento dessas partículas da nova fase prossiga 
até que a fração de equilíbrio seja alcançada.
CAPÍTULO 11 – TRANSFORMAÇÕES DE FASES
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PROCESSOS CONTÍNUOS 
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CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO À FUNDIÇÃO 
SOLIDIFICAÇÃO –
NUCLEAÇÃO 
HOMOGÊNEA
 NUCLEAÇÃO 
HOMOGÊNEA NA QUAL A 
FASE SÓLIDA NUCLEIA EM 
MEIO À FASE LÍQUIDA, 
SEM QUE HAJA 
INTERFERÊNCIA OU 
CONTRIBUIÇÃO 
ENERGÉTICA DE 
ELEMENTOS OU AGENTES 
ESTRANHOS AO SISTEMA 
METAL LÍQUIDO/METAL 
SÓLIDO, CONDIÇÃO 
POUCO REALISTA.
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NUCLEAÇÃO E CRESCIMENTO
 Existem dois tipos de NUCLEAÇÃO: 
I. Nucleação HOMOGÊNEA os núcleos da nova fase se formam de uma 
maneira uniforme em toda a fase original. Requer supe-resfriamento ou 
dependência em relação a temperatura na taxa de nucleação.
CAPÍTULO 11 – TRANSFORMAÇÕES DE FASES
Diagrama esquemático mostrando a 
nucleação de uma partícula sólida em 
um líquido.

243
3
4
rGrG 
Contribuição para a variação total na 
energia livre em uma transformação 
por solidificação.
Contribuição da energia 
livre do 
volume.(diferença de 
energia livre entre as 
fase sólida e líquida.
Contribuição da 
energia livre de 
superfície.(associada 
a fronteira entre as 
fases)
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NUCLEAÇÃO E CRESCIMENTO
Nucleação HOMOGÊNEA
CAPÍTULO 11 – TRANSFORMAÇÕES DE FASES
Energia livre de superfície
 24 rGS
 = Tensão superficial
GT = Energia livre Total
= GS + GV
Energia livre de volume
 GrGV
3
3
4
volume unit
energy free volume
 G
r* = raio crítico Gráfico esquemático da energia livre em função do raio 
embrião/núcleo, onde são mostrados a variação da energia livre 
crítica e do raio do núcleo crítico.
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NUCLEAÇÃO E CRESCIMENTO
Nucleação HOMOGÊNEA
CAPÍTULO 11 – TRANSFORMAÇÕES DE FASES
Gráficos esquemáticos que mostram para a solidificação (a) o numero de núcleos estáveis 
(aqueles possuindo raios maiores que r*) versus a temperatura, (b) a freqüência do 
agrupamento dos átomos (freqüência segundo a qual os átomos do líquido se prendem ao 
núcleo sólido) versus a temperatura e (c) a taxa de nucleação versus a temperatura (também 
estão mostradas as curvas para as partes a e b).
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CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO À FUNDIÇÃO 
VALORES PARA O GRAU DE SUPER-
RESFRIAMANTO EM UMA NUCLEAÇÃO 
HOMOGÊNEA
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NUCLEAÇÃO E CRESCIMENTO
II. Nucleação HETEROGÊNEA os núcleos se formam preferencialmente 
em heterogeneidades estruturais, tais como nas superfícies de 
recipientes, em impurezas insolúveis, nos contornos de grão, nas 
discordâncias, etc. Não requer super-resfriamento. Apresenta 
dependência em relação a temperatura na taxa de nucleação.
CAPÍTULO 11 – TRANSFORMAÇÕES DE FASES
Diagrama esquemático mostrando a nucleação heterogênea 
de um sólido a partir de um líquido. As energias interfaciais 
sólidos-superfície (γSI), sólido-líquido (γSL), e líquido-
superfície (γIL), estão presentes por vetores.
 COSSLSIIL 
Equilíbrio de forças no 
plano da superfície plana
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NUCLEAÇÃO E CRESCIMENTO
II. Nucleação HETEROGÊNEA
CAPÍTULO 11 – TRANSFORMAÇÕES DE FASES
Gráfico esquemático para 
a energia livre em função 
do raio do embrião/núcleo, 
onde são apresentadas as 
curvas tanto para 
nucleação homogênea 
quanto para a nucleação 
heterogênea. As energias 
livres criticas e os raios 
crítico também estão 
mostrados.
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NUCLEAÇÃO E CRESCIMENTO
II. Nucleação HETEROGÊNEA
CAPÍTULO 11 – TRANSFORMAÇÕES DE FASES
Gráfico esquemático onde são 
apresentadas as curvas de taxa de 
nucleação em função da temperatura. 
Tanto para taxa de nucleação 
homogênea quanto para a taxa de 
nucleação heterogênea. Os graus de 
super-resfriamento ( ΔT) para cada 
curva também estão mostrados.
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CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO À FUNDIÇÃO 
SOLIDIFICAÇÃO –
NUCLEAÇÃO 
HETEROGÊNEA
 NUCLEAÇÃO 
HETEROGÊNEA NA QUAL A 
FASE SÓLIDA NUCLEIA EM 
MEIO À FASE LÍQUIDA, 
CONTANDO COM A 
CONTRIBUIÇÃO 
ENERGÉTICA DE 
ELEMENTOS OU AGENTES 
ESTRANHOS AO SISTEMA 
TAIS COMO IMPUREZAS, 
INCLUSÕES SÓLIDAS, 
PAREDES DO MOLDE, 
INOCULANTES E ADITIVOS, 
O QUE CORRESPONDE OS 
CASOS MAIS FREQUENTES 
NA PRÁTICA.
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CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO À FUNDIÇÃO 
SOLIDIFICAÇÃO – NUCLEAÇÃO HETEROGÊNEA
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CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO À FUNDIÇÃO 
SOLIDIFICAÇÃO – NUCLEAÇÃO HETEROGÊNEA
 Como geralmente 
os moldes tem 
superfície rugosa 
que absorve 
umidade durante o 
vazamento do metal 
fundido, e também 
existem camada de 
óxidos e outras 
impurezasnão 
metálicas, somente 
os núcleos que 
fazem bom contato 
com a parede 
podem crescer 
preferencialmente.
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NUCLEAÇÃO E CRESCIMENTO
CAPÍTULO 11 – TRANSFORMAÇÕES DE FASES
CRESCIMENTO
 A etapa do crescimento em uma transformação de fases começa uma 
vez que um embrião tenha excedido o tamanho crítico r*, tenha se tornado 
um núcleo estável.
 O crescimento das partículas ocorre por difusão atômica de longo 
alcance, o que envolve normalmente várias etapas – como, por exemplo, a 
difusão da fase original, através de uma fronteira entre fases e então para 
dentro do núcleo.
 A taxa de crescimento G é determinada pela taxa de difusão e a sua 
dependência em relação a temperatura. 







kT
Q
CG exp
.
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NUCLEAÇÃO E CRESCIMENTO
CAPÍTULO 11 – TRANSFORMAÇÕES DE FASES
CRESCIMENTO
Gráfico esquemático 
mostrando as curvas para 
taxa de nucleação (N), a taxa 
de crescimento (G) e a taxa 
de transformação global em 
função da temperatura.
Taxa global de 
transformação
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NUCLEAÇÃO E CRESCIMENTO
CAPÍTULO 11 – TRANSFORMAÇÕES DE FASES
CRESCIMENTO
A taxa de transformação e o tempo necessário para a transformação prossiga 
ate um certo grau de conclusão. Assim podemos expressar a cinética de 
transformação como uma curva espelhada da taxa de transformação usando 
o logaritmo do tempo até determinado grau de transformação. 
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CIÊNCIA E SELEÇÃO DOS MATERIAS
CAPÍTULO 2 – ESTRUTURA - PROCESSAMENTO - PROPRIEDADE
PROCESSO DE SOLIDIFICAÇÃO METAIS
 A estrutura do lingote, pode 
apresentar três zonas, 
dependo do tipo de grão que 
se forma durante o 
resfriamanto. 
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CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO À FUNDIÇÃO 
SOLIDIFICAÇÃO –
ILUSTRAÇÃO 
ESQUE MÁTICA 
DA ESTRUTURA 
ATÔMICA DOS 
DOIS TIPOS DE 
INTERFACE DE 
CRESCIMENTO
 Maneira pela qual o núcleo 
cresce durante a 
solidificação vai depender 
da estrutura atômica da 
interface sólido/líquido, que 
pode ser interface difusa e 
interface facetada.
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CAPÍTULO 2 – ESTRUTURA - PROCESSAMENTO - PROPRIEDADE
 Por outra parte, os diferentes 
tipos de crescimento também 
afetam a macrosegregacão, 
diferenças de concentração 
do soluto e a taxa de 
resfriamento.
PROCESSO DE SOLIDIFICAÇÃO METAIS – REFINO DE GRÃO
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CAPÍTULO 2 – ESTRUTURA - PROCESSAMENTO - PROPRIEDADE
PROCESSO DE SOLIDIFICAÇÃO METAIS – REFINO DE GRÃO
 mostra diferentes lingotes de 
uma liga cobre-alumínio com 
diferentes graus de onde pode 
ser observado que a 
proporção de grãos colunares 
se reduz consideravelmente 
em relação aos grãos 
equiaxiais: com o resfriamento 
do líquido e com a maior 
quantidade de soluto (cobre) 
no alumínio, estas condições 
produz um refino de grãos do 
lingote. 
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CAPÍTULO 10 – DIAGRAMAS DE FASES
DESENVOLVIMENTO DA MICROESTRUTURA EM LIGAS ISOMORFAS
B
wt% Ni
20
1200
1300
30 40 50
1100
L (liquid)
a
(solid)
T(°C)
A
35
Co
L: 35wt%Ni
Cu-Ni
system
a: 43 wt% Ni
L: 32 wt% Ni
L: 24 wt% Ni
a: 36 wt% Ni
a: 46 wt% Ni
L: 35 wt% Ni
C
D
E
24 36
B
Representação 
esquemática do 
desenvolvimento da 
microestrutura durante 
a solidificação em 
condições de equilíbrio 
para a liga 
35%p Ni-65%p Cu
RESFRIAMENTO NAS 
CONDIÇÕE DE EQUILÍBRIO
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CAPÍTULO 10 – DIAGRAMAS DE FASES
DESENVOLVIMENTO DA MICROESTRUTURA EM LIGAS ISOMORFAS
RESFRIAMENTO NAS 
CONDIÇÕE DE EQUILÍBRIO
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CAPÍTULO 10 – DIAGRAMAS DE FASES
DESENVOLVIMENTO DA MICROESTRUTURA EM LIGAS ISOMORFAS
Curva de solidificação e Remoção do calor latente de fusão
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CAPÍTULO 10 – DIAGRAMAS DE FASES
DESENVOLVIMENTO DA MICROESTRUTURA EM LIGAS ISOMORFAS
Curva de solidificação e Remoção do calor latente de fusão
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CAPÍTULO 10 – DIAGRAMAS DE FASES
DESENVOLVIMENTO DA MICROESTRUTURA EM LIGAS ISOMORFAS
1° a a se solidificar:
46 %p Ni
Uniforme Ca
35 %p Ni
Últimoa a se solidificar: 
< 35 %p Ni
• Quando a concentração Ca muda durante o processo de solidificação.
O primeiro a a se solidificar tem Ca = 46 %p Ni.
O último a a se solidificar tem Ca = 35 %p Ni.
• Alta taxa de resfriamento:
Estrutura zonada
• taxa de resfriamento lenta:
Estrutura de equilíbrio
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CAPÍTULO 10 – DIAGRAMAS DE FASES
DESENVOLVIMENTO DA MICROESTRUTURA EM LIGAS ISOMORFAS
• Redistribuição de soluto por difusão junto a interface.
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CAPÍTULO 10 – DIAGRAMAS DE FASES
DESENVOLVIMENTO DA MICROESTRUTURA EM LIGAS ISOMORFAS
Representação 
esquemática do 
desenvolvimento da 
microestrutura durante 
a solidificação em 
condições fora de 
equilíbrio para a liga 
35%p Ni-65%p Cu
RESFRIAMENTO FORA DAS 
CONDIÇÕE DE EQUILÍBRIO
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CAPÍTULO 10 – DIAGRAMAS DE FASES
SISTEMAS EUTÉTICOS BINÁRIOS
779°C
Cu-Ag
system
L (liquid)
a L + a
L + b b
a  b
Co wt% Ag
20 40 60 80 1000
200
1200
T(°C)
400
600
800
1000
CE
TE 71.9 91.2
Sistema Cu-Ag
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CAPÍTULO 10 – DIAGRAMAS DE FASES
SISTEMAS EUTÉTICOS BINÁRIOS
779°C
Cu-Ag
system
L (liquid)
a L + a L+b b
a  b
Co wt% Ag
20 40 60 80 1000
200
1200
T(°C)
400
600
800
1000
CE
TE 71.9 91.2
: fusão TE
• Transformação Eutética
L(CE) a(CaE) + b(CbE)
• 3 campos (regiões) fases simples
L, a, b
• Limite de solubilidade: 
a: principalmente Cu 
b: principalmente Ag 
• TE : abaixo de TE não tem líq.
• CE
Ex.: Sistema Cu-Ag 
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CAPÍTULO 10 – DIAGRAMAS DE FASES
SISTEMAS EUTÉTICOS BINÁRIOS
 Reação eutética:
Líquido a + b
Neste caso a solidificação processa-se como num metal puro, 
no entanto o produto é 2 fases sólidas distintas.
 Microestrutura do eutético:
LAMELAR camadas alternadas de fase a e b. 
Ocorre desta forma porque é a de menor percurso para a 
difusão.
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CAPÍTULO 10 – DIAGRAMAS DE FASES
DESENVOLVIMENTO DA MICROESTRUTURA EM LIGAS EUTÉTICAS 
• Co < 2 % Sn
• Resultado:
--policristal de grão a. Somente 
uma fase sólida.
Desenvolvimento da 
microestrutura no resfriamento 
para uma liga do sistema 
eutético Pb-Sn com 2%p Sn.
0
L + a
200
T(°C)
Co , wt% Sn
10
2
20
Co
300
100
L
a
30
a + b
400
(room T solubility limit)
TE
(Pb-Sn
System)
a
L
L: Co wt% Sn
a: Co wt% Sn
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CAPÍTULO 10 – DIAGRAMAS DE FASES
DESENVOLVIMENTO DA MICROESTRUTURA EM LIGAS EUTÉTICAS 
Desenvolvimento da 
microestrutura no resfriamento 
para uma liga do sistema 
eutético Pb-Sn com 18,3 %p Sn.
Pb-Sn
system
L + a
200
T(°C)
Co , wt% Sn
10
18.3
200
Co
300
100
L
a
30
a + b
400
(sol. limit at TE)
TE
2
(sol. limit at T room )
L
a
L: Co wt% Sn
a
b
a: Co wt% Sn
• 2 %p Sn < Co < 18.3 %p Sn
• Resultado:
1. inicialmente líquido + a
2. fase a
3. finalmente duas fases
 a (policristal)
 pequenas inclusões 
de fase b
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CAPÍTULO 10 – DIAGRAMAS DE FASES
DESENVOLVIMENTO DA MICROESTRUTURA EM LIGAS EUTÉTICAS 
NA COMPOSIÇÃO EUTÉTICA
Pb-Sn
system
L  b
a  b
200
T(°C)
C, wt% Sn
20 60 80 1000
300
100
L
a b
L+a
183°C
40
TE
18.3
a: 18.3 wt%Sn
97.8
b: 97.8 wt% Sn
CE
61.9
L: Co wt% Sn
Adapted from Fig. 9.14, Callister 7e.
160m
Micrografia do Pb-Sn 
Microestrutura 
na composição eutética
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CAPÍTULO 10 – DIAGRAMAS DE FASES
Microestrutura eutética (estrutura lamelar). Alterna camadas de lamelas 
de cristais α e β.
DESENVOLVIMENTO DA MICROESTRUTURA EM LIGAS EUTÉTICAS 
NA COMPOSIÇÃO EUTÉTICA
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CAPÍTULO 10 – DIAGRAMAS DE FASES
COMPOSTOS HIPOEUTÉTICO E HIPEREUTÉTICO 
+
+
+
61.9
200
20 60 80 1000
300
100
40
L a
L b
a b
a b
Co, wt% Sn
(Pb-Sn 
System)
Adapted from Fig. 9.8, 
Callister 7e. (Fig. 9.8 
adapted from Binary 
Phase Diagrams, 2nd ed., 
Vol. 3, T.B. Massalski 
(Editor-in-Chief), ASM 
International, Materials 
Park, OH, 1990.)
eutectic micro-constituent
hypereutectic: (illustration only)
b
b
b
b
b
b
Adapted from Fig. 9.17, 
Callister 7e. (Illustration 
only)
(Figs. 9.14 and 9.17 
from Metals 
Handbook, 9th ed.,
Vol. 9, 
Metallography and 
Microstructures, 
American Society 
for Metals, Materials 
Park, OH, 1985.)
175 m 
a
a
a
a
a
a
hypoeutectic: Co = 50 wt% Sn
Adapted from 
Fig. 9.17, Callister 7e.
eutectic
eutectic: Co =61.9wt% Sn
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CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO À FUNDIÇÃO 
SOLIDIFICAÇÃO –ESTRUTURA DE SOLIDIFICAÇÃO
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CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO À FUNDIÇÃO 
SOLIDIFICAÇÃO –ESTRUTURA DE SOLIDIFICAÇÃO
Processo de solidificação-Formação dos grãos
1) Os grãos são formados no início do processo de 
solidificação a partir de pequenos agrupamentos de 
átomos chamados de núcleos.
2) Cada núcleo da origem à um grão com crescimento 
cristalográfico em direção diferente de seus vizinhos.
3) Quando resta pouco líquido e os diferentes grãos 
começam a se encontrar,formam o contorno de grão.
4) O contorno de grão é uma região de 2 a 10Ǻ, 
desordenada, sem uma estrutura cristalina definida.
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CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO À FUNDIÇÃO 
SOLIDIFICAÇÃO –ESTRUTURA DE SOLIDIFICAÇÃO
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CAPÍTULO 5 – IMPERFEIÇÕES NOS SÓLIDOS
MATERIAIS POLICRISTALINOS
CONTORNO DE GRÃO
 Região entre os cristais
 Região de transição entre os 
reticulados cristalinos
 Pouco desordenado
 Baixa densidade
 Alta mobilidade
 Alta difusividade
 Alta reatividade química