Desenvolvimento de dendritas

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Desenvolvimento de dendritas
Num cristal em crescimento, à medida que átomos de soluto são rejeitados, ocorre um enriquecimento de soluto na interface sólido/líquido. Se esta camada rica em soluto sofrer um superesfriamento constitucional, as pontas de qualquer protuberância que avancem através desta camada tornam se estáveis e crescem. Este serão os braços principais das dendritas, ao se desenvolverem deixam infiltrações de um liquido rico em soluto, figura 8. Estes braços principais podem ser suficientes em número para formar um arranjo continuo e paralelo, levando à formação de uma frente de crescimento colunar. 
Figura 8 – Segregação do soluto no desenvolvimento de dendrítas
Mais frequentemente, a rejeição de soluto lateralmente provoca a formação de braços secundários e ramificações, originando uma morfologia dendrítica.
. A morfologia de crescimento depende tanto da taxa de solidificação local como do gradiente de temperatura. Para baixas taxas de solidificação, o soluto tem tempo para se difundir desde a interface até ao seio do líquido, originando um crescimento planar. Para elevadas taxas de solidificação, o soluto concentra-se na interface, criando um potencial para o superesfriamento constitucional. Somando a isto se o gradiente de temperatura local no líquido for suficientemente baixo, ocorrerá superesfriamento constitucional e crescimento, ou seja instabilidade da interface.	
A figura.9 esquematiza três situações diferentes onde a temperatura do líquido varia com a distância à interface, em consequência do acumulo de soluto. Quando o gradiente de temperatura é elevado, figura.9a), não ocorre superesfriamento constitucional e o crescimento é planar. Na segunda situação, figura.9b), o gradiente de temperatura é suficientemente baixo para provocar um pequeno grau de superesfriamento constitucional, levando a um crescimento colunar. Já no último caso, figura .9 c), o gradiente de temperatura é baixo mas o superesfriamento constitucional é elevado, obtendo crescimento dendrítico.
	Figura.9 – Efeito do superesfriamento constitucional na morfologia de solidificação. 
Uma vez nucleadas as dendritas avançam lateralmente, e os seus braços secundários desenvolvem-se até que uma rede se forma, figura.10 e 11. 
Quando a solidificação termina, todas as dendritas que se formaram a partir de um mesmo núcleo formam um grão/cristal. A desorientação cristalográfica entre os braços das dendritas é de apenas alguns graus e é acomodado por contornos de grão de baixo angulo, que consistem de arranjos de discordâncias. Já os cristais são separados por contornos de grão de alto angulo, apresentando uma desorientação de pelo menos 10. Assim o tamanho de grão de um metal fundido é determinado pelo número de locais de nucleação, enquanto que a granulometria da estrutura dendrítica é definida pela taxa de solidificação, já que esta controla o grau de superesfriamento constitucional.
Figura 10 – Formação da estrutura dendritica ; destaque para o espaçamento entre braços secundários que vai determinar as propriedades mecânicas
	Figura 11 – Estrutura dendritica de um componente fundido
Na maioria dos produtos fundidos com estruturas dendríticas, as dendritas quebram à medida que crescem. Quanto mais finas as dendritas, mais facilmente quebram. Assim, uma alta taxa de solidificação, que origina estruturas dendríticas finas, forma grãos pequenos e consequentemente materiais duros e resistentes. Apesar dos benefícios que um tamanho de grão fino traz para produtos trabalhados, em produtos fundidos uma estrutura refinada pode influenciar negativamente as propriedades mecânicas devido à nucleação de poros. Isto ocorre porque, apesar de todos os produtos trabalhados terem sido fundidos inicialmente, o trabalho a quente homogeneiza segregações e fecha poros, decorrentes do processamento inicial do material. Nestas condições contornos de grão de altos angulo são frequentemente as barreira mais significativas à movimentação de discordâncias presentes na microestrutura. 
Na prática em uma microestrutura fundida a redistribuição de soluto durante o crescimento das dendritas, resulta normalmente na formação de uma segunda fase. Estas são barreiras interdendriticas ao movimento de discordâncias, sendo pelo menos tão importantes quanto os contornos de grão. Esta é a razão pela qual as propriedades mecânicas dos produtos fundidos são controladas pela estrutura dendrítica e não pelo tamanho de grão. O refinamento de uma estrutura dendrítica é descrito pelo espaçamento entre os braços das dendritas. O espaçamento entre os braços secundários das dendritas é considerado o melhor parâmetro para caracterizar a microestrutura. Desde que a macroporosidade não seja um problema, as propriedades mecânicas dos produtos fundidos são fortemente dependentes do espaçamento entre braços secundários das dendrítas. 
O espaçamento entre braços secundários das dendritas diminui com o aumento da taxa de solidificação, de fato verificou-se que ele é proporcional a (DL tf)n, onde DL é o coeficiente de difusão do soluto no líquido, tf é o tempo de solidificação local e n toma valores entre 0.3 e 0.4. Relacionando o tamanho de grão com o espaçamento entre dendrítas percebe-se que é impossível obter-se um tamanho de grão menor do que o espaçamento entre dendrítas, e que na verdade o tamanho de grão de um fundido raramente é controlado pela taxa de solidificação. O tamanho de grão é controlado pelo processo de nucleação e por processos mecânicos, como a agitação, que leva a fragmentação das dendritas, enquanto que o espaçamento entre braços secundários de dendritas é controlado pela taxa de solidificação. Assim se for possível aumentar a taxa de solidificação de um material fundido sem aumentar a porosidade, é possível melhorar as propriedades mecânicas do componente produzido. 
Nas ligas fundidas, onde se tem superesfriamento constitucional e crescimento dendritico, o último líquido que solidifica nos espaços interdendriticos é mais rico no elemento de menor ponto de fusão. A composição das dendritas varia do seu centro até à periferia, ocorrendo o fenômeno de coroamento (microsegregação), que pode ser bastante severo. A presença de uma fase interdendritica com menor ponto de fusão pode limitar a temperatura de qualquer tratamento térmico posterior. 
Muitas das ligas fundidas são de sistemas eutéticos, o que significa que mesmo que a liga não seja de composição eutética, o enriquecimento em soluto que ocorre nos espaços interdendriticos significa que o último líquido a solidificar é de composição eutética, figura 12.
Figura 12 – Desenvolvimento de dendritas em um sistema eutético
Ocorrem ainda uma série de efeitos secundários em consequencia desta segregação Por exemplo, se o componente de baixo ponto de fusão, ou soluto, apresentar uma densidade significativamente diferente da do resto do material, ele pode se depositar no fundo do molde ou flutuar por cima do resto do material fundido. Este fenômeno denomina-se de macrosegregação e pode ser observado em lingotes de aço ou em peças fundidas muito grandes. 
Um outro efeito secundário que ocorre é o aparecimento de inclusões não metálicas, decorrentes de impurezas presentes no metal fundido que se alojam nos espaços interdendriticos. Estas inclusões podem ser de duas origens: inclusões primárias formadas no seio do metal fundido, que no caso de não servirem como nucleadores de sólido, são “empurradas” para os espaços interdendriticos pela frente de solidificação. As inclusões secundárias nucleiam e crescem nos espaços interdendriticos devido à elevada concentração de soluto. A microporosidade também tende a se localizar nos espaços interdendriticos, pois estas são as últimas áreas a solidificar e qualquer inclusão primária que se aloque aí, pode nuclear poros. 
Uma elevada taxa de solidificação reduz o espaçamento entre os braços secundários das dendritas, e a escala da microestrutura. Quaisquer inclusões ou poros também terão a sua dimensão reduzida, e o material será mais homogêneo. Recozimentoposterior da peça fundida contribuirá para uma homogeneização da estrutura.