O documento descreve o processo de solidificação de metais, incluindo a formação de grãos e estruturas internas durante o resfriamento. O resumo inclui como os núcleos se formam e crescem em grãos separados conforme o metal resfria, e como fatores como a taxa de resfriamento afetam o tamanho final dos grãos.

1. Solidificação de metais e formação
da estrutura interna de grãos

2. Fabricação de metais e ligas
Metais/
ligas
Fundição
(Fusão)
Forma
final
Forma
semifinal
Confor-
mação*
Forma
final
*Forjamento, laminação, extrusão, trefilação

3. 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.

5. 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

6. Curva esquemática de
resfriamento-Metal puro

7. Curvas de resfriamento em três
velocidades diferentes.

9. Efeito do super-resfriamento sobre o raio
critico

10. Raio crítico: cobre

11. Raio crítico e subresfriamento
r*
= -2γTm
∆Hs∆T
• onde
– r*
: raio crítico do núcleo
γ: energia livre
superficial
– Tm: temperatura de
fusão/solidificação
∆Hs: calor latente de
solidificação
∆T : graus de
subresfriamento

12. 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

13. 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

14. Efeito da presença de nucleantes (refinadores de
grãos) durante a solidificação.

15. Processo de nucleação e crescimento
Núcleos
Líquido
Líquido
Cristais que
formarão grãos
Grãos
Contornos
de grão

16. Diagramas esquemáticos das várias etapas da solidificação de um material
policristalino: Os pequenos quadrados representam células unitárias em uma
escala bidimensional

17. Grãos e contornos de grão

18. Processo de solidificação-Formação dos grãos a
partir das paredes do molde
• Após macrografia e
ataque químico pode-
se ver os grãos.

19. 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.

20. 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

21. 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

22. 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

23. Estruturas de grão (a direita macrografia
mostrando os dois tipos de grãos)

24. Grãos colunares em um lingote de
alumínio fundido:reativo de Tucker

25. Frente de solidificação com crescimento
dendrítico

26. Aspecto das dendritas

27. Relação entre as dendritas e os grãos na
solidificação

29. Formação do vazio após a solidificação: Em geral os
sólidos apresentam menor volume que os líquidos,
ocorrendo uma contração durante a solidificação

30. 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

31. Localização esquemática da
segregação