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7 - solidificacao
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• Solidificação - resultado do vazamento de material líquido – 2 etapas
• Nucleação: Formação de núcleos sólidos (agregados oucachos de átomos)
• Crescimento: crescimento dos núcleos formando cristais e
originando uma estrutura de grãos
Capítulo 7 - Solidificação
• Os cristais crescem até as suas fronteiras se tocarem
núcleos cristais em crescimento Estrutura de grãos líquido
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Mecanismos de Nucleação
• Nucleação Homogénea – Núcleos formam-se no interior do metal líquido
– Necessário sobrearrefecimento elevado
(tipicamente 80-300°C)
• Nucleação Heterogénea – Mais fácil pois já existem locais de nucleação:
paredes do molde ou impurezas existentes na fase líquida – Permite solidificação com sobrearrefecimento baixo 0,1-10ºC
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ΔGS
Nucleação Homogénea
Energia Livre de Superfície - energia
necessário fornecer para criar uma interface
sólido-líquido esféricaγ: energia livre de
superfície/unidade área
Energia Livre de Volume – energia
libertada na formação do sólido (volumeesférico)
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ΔGS
ΔGV ΔGT
r *
Nucleação Homogénea
ΔGT = Energia Livre Total
ΔG*ΔG*: energia de activação(máximo de ΔGT)
r*: raio crítico
partículas r < r * tendem a dissolver-se (embriões)
r r
partículas r > r * tendem a crescer (núcleos)
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Nucleação Homogénea
r *
ΔG*
Quando r = r*
γ pouco sensível a T
G muito sensível a Tr* e ΔG* variam com γ e ΔG υ
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Nucleação Homogénea
ΔHS: calor latente de fusão
TF: temperatura de fusão
T=TF-T: sobrearrefecimento
ΔG υ é a força motriz para a nucleação
Quando T=TF ΔT=0
ΔG υ=0Não há nucleaçãor*
ΔG* 8
8
r *
ΔG*
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Nucleação homogénea
Quanto maior ΔT (i.e. quanto menor T):• r* e ΔG* são menores
• Nucleação é mais fácil
• Maior a taxa de nucleação (N: número de núcleos formadospor unidade de volume e de tempo)
Para haver nucleação é necessário que ΔT>0 (i.e. T<TF)
TF
T
TΔT>0
T2<T1ΔT elevado
(80-300°C
metais puros)
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Nucleação homogénea
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Nucleação Heterogénea
nucleação heterogénea
γ diminui
ΔG*het<< ΔG*hom
Agente nucleante (molde, impureza)
Nucleação heterogénea
permite solidificação com
ΔT baixo (0,1-10ºC)
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Crescimento• inicia-se quando os aglomerados de átomos atingem o raio crítico
tornando-se núcleos estáveis.• ocorre por acoplamento de átomos aos núcleos formando cristais
difusão atómica
• cessa quando as fronteiras dos cristais se tocam e a fase mãe (L)
se esgota, originando uma estrutura de grãos
• A velocidade de crescimento é determinada pela velocidade de
difusão (que depende fortemente de T) velocidade decrescimento aumenta com T
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• Controlada por nucleação e crescimento de cristais
Solidificação
% fase
sólida
0
50
100
Regime de
nucleação
Regime de
log (tempo) t 0.5
Taxa de Nucleação aumenta com ΔT
Taxa de crescimento aumenta com T
• Exemplo:
T pouco < T F Taxa de Nucleação baixa Taxa de crescimento elevada
L Fase sólida γ
T << T F
L
Taxa de Nucleação média.Taxa de crescimento média
Taxa de Nucleação elevada
T <<< T F
Taxa de crescimento baixa
L
γ
crescimento
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Materiais de grão fino e grosseiro
ΔT baixo poucos núcleos
-estrutura com poucos grãos egrandes (estrutura de grãogrosseiro)
ΔT elevado muitos núcleos -estrutura com muitos grãos epequenos (estrutura de grão fino)
Mais duro e mais resistente
Mais macio e dúctil
Equação de Hall-Petch
d - tamanho de grão (mm)
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Tamanho de Grão
Método ASTM (American Society for Testing and Materials) (para aços)
Cartas padrão comparativas tendo diferentes tamanhos de grão,
numeradas de 1 a 10 (número ASTM de tamanho de grão n)
• Prepara-se uma imagem de uma amostra com 100X de ampliação• O tamanho de grão dessa amostra determina-se por comparação com acarta que mais se aproxima dos grãos da imagem de forma a que:
n - nº ASTM de tamanho de grão (nº da carta mais aproximada)
N - nº de grãos por polegada quadrada da imagem com 100X
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Tamanho de GrãoExemplo:a) Se numa imagem com 100X de ampliação existirem 35 grãos/polegada2, qual
o tamanho de grão ASTM?
N = 35 grãos/polegada2
b) Se a imagem for obtida com 75X de ampliação, quantos grãos/polegada2 existirão?
N75X > N100X
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Limites de Grão (Defeitos Planares)
Limites ou fronteiras deGrão
• regiões entre os cristais
• transição entre uma região e outracom orientação diferente
•
região ligeiramente desordenada• densidade é baixa nos limites degrão
– mobilidade elevada
– difusividade elevada
– reactividade química elevada
Estrutura em grãos
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Solidificação
Grãos
colunares
no interior onde ΔT é
menor
Camada de
grãos
equiaxiais
devido ao
arrefecimentorapido (ΔT
elevado) junto
às paredes
Fluxo de calor
Grãos: equiaxiais (aproximadamente mesma dimensão em todas as direcções)
colunares (grãos alongados)
~ 8 cm
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• Algumas applicações em engenharia requerem monocristais
(1 núcleo, 1 cristal, 1 grão):
• Propriedades dos materiais cristalinos
relacionadas com estrutura cristalina
- Ex: Calcite fractura mais facilmente
ao longo de alguns planos cristalinosdo que noutros: clivagem
- pás de turbina - monocristais de diamante (abrasivos)
Monocristais
ANISOTROPIA
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• A maioria dos materiais usados em engenharia são policristais.
• Soldadura por feixe de electrões em chapa de Nb-Hf-W
• Cada "grão" é um monocristal com uma orientação cristalográfica.
• Se os grãos estão orientados aleatoriamente, as propriedades globais docomponente são não direccionais.
• Tamanhos de grão variam tipicamente entre 1 nm e 2 cm
(i.e., de alguns planos atómicos até milhões deles).
1 mm
Policristais
Isotropo
Anisotropo
ISOTROPIA
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• Monocristais
-Propriedades variam coma direcção: anisotropia
-Exemplo: o módulo de Young (E)
do Fe CCC:
• Policristais-Propriedades podem ou não
variar com a direcção.
-Se os grãos estiverem
orientados aleatoriamente: isotropia
(Epoli Fe = 210 GPa)
-Se os grãos estiverem orientados segundo
direcção preferencial (textura), anisotropia
Monocristais vs PolicristaisE (diagonal) = 273 GPa
E (aresta) = 125 GPa
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Observação Microscópica
• Vista desarmada para grãos de elevadas dimensões (mm)
• Microscopia óptica e microscopia electrónica de varrimento
para grãos da ordem dos µm
• Microscopia electrónica de transmissão para grãos da
ordem dos nm
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Limites de grão...
• defeitos,
• mais susceptíveis de ataque
• revelados como zonas escuras
Microscopia Óptica
Limite de grão
Sulco
superfície polida
Baixa resolução da microscopia óptica: 0.1 µm
Electrões têm resolução mais elevada pois:
• Comp. de onda 3 pm (0.003 nm)
(ampliações - 1,000,000X)
• Próximo da resolução atómica
Microscopia Electrónica