Aula 11-CM, Notas de aula de Engenharia Mecânica

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Solidificação

Transformações de Fase

PG-MEC - EME

Prof Adriano Scheid

Importância da Solidificação

As transformações fusão-solidificação são básicas para diversas aplicações tecnológicas, tais como:

• Fundição de lingotes,
• Fundição de peças,
• Fundição Contínua,
• Crescimento de monocristais semicondutores,
• Solidificação direcional de ligas,
• Solidificação rápida de ligas e vidros.
• Soldagem por fusão.

1 - Nucleação

Existem dois tipos de nucleação: a- Homogênea: núcleos se formam de maneira uniforme ao longo de toda a fase original. b- Heterogênea: núcleos se formam preferencialmente em heterogeneidades estruturais, como superfícies de moldes, impurezas, contornos de grão ou discordâncias. a- Homogênea: Termodinamincamente, uma transformação de fase irá ocorrer de forma espontânea se o G for negativo. Na solidificação, temos:

Cinética das Transformações de Fase

Líquido Sólido Interface Sólido-Líquido

1 - Nucleação

Cinética das Transformações de Fase

Líquido Sólido Interface Sólido-Líquido Temperatura Energia Livre Molar

a- Nucleação Homogênea

Derivando em relação a r, temos: Substituindo r* em Temos:

Cinética das Transformações de Fase

raio, r Variação da Energia Livre,  G T2 < T a T a T Menor T, menor r* e G*.

a- Nucleação Homogênea

O número de núcleos estáveis é dado por n* e vd corresponde à freqüência com que os átomos do líquido se prendem ao núcleo sólido (depende da difusão) e são expressos por:

Cinética das Transformações de Fase

Temperatura^ Temperatura^ Temperatura Número de núcleos estáveis, n* Freqüência de agrupamento, vd

b- Nucleação Heterogênea

Novas expressões para r* e G*: Sendo a função S() dependente apenas da forma do núcleo, apresentando valor entre zero e a unidade.

Cinética das Transformações de Fase

r* é o mesmo para a Nucleação Homogênea e Heterogênea e dependente da energia interfacial Sólido-Líquido. G* é menor para a nucleação heterogênea, por uma quantidade correspondente a S().

b- Nucleação Heterogênea

Na nucleação Heterogênea, a elevação da energia (barreira na nucleação) pela formação de uma interface é reduzida, uma vez que já havia uma interface (defeito). O resultado é a nucleação heterogênea com menores super-resfriamentos

Cinética das Transformações de Fase

Temperatura Taxa de Nucleação

2 - Crescimento

Taxa de Transformação Diagrama TTT

Cinética das Transformações de Fase

Temperatura Temperatura Taxa Tempo para 50% de Transformação (escala logarítmica)

Cinética das Transformações no Estado Sólido

As transformações no estado sólido exibem comportamento cinético conforme a expressão:

Cinética das Transformações de Fase

Equação de Avrami Onde: k e n são constantes independentes do tempo. Fração Transformada, y Nucleação Crescimento Logaritmo do tempo de aquecimento, t

Cinética

Transformação Perlítica

Aço Eutetóide

Temperatura (ºC) Tempo (s) Tempo (s) % Austenita Transformada em Perlita Curva de Início de Transformação Curva de Final (100% Perlita) Curva 50% Perlita Perlita Austenita Instável Austenita estável (^) Temperatura Eutetóide Final da Transformação Temperatura de Transformação 675ºC Início da Transformação Temperatura (ºF)

Transformação Perlítica - Aço Eutetóide

Tempo (s) Transformação Austenita  Perlita Perlita Fina Perlita Grossa Indica que a transformação está ocorrendo Fe 3 C  Austenita Estável (^) T eutetóide 723 ºC Temperatura (ºC)^ Temperatura (ºF)

Esferoidização da Cementita

Quando o aço é aquecido em temperatura logo abaixo de 723 ºC e mantido por longo tempo (várias horas), a cementita da perlita é coalescida. A força motriz deste processo é a redução da área de contorno de fases ferrita e cementita (originalmente lamelares). É um tratamento usado para permitir a usinagem de aços alto carbono e alta liga (aços ferramenta).

Transformação Bainítica

Bainita: Microestrutura formada na faixa de 250 a 450 ºC e consiste de Agulhas ou Placas de ferrita com carbonetos incrustados.

• 450 ºC - Bainita Superior: Formada por placas irregulares com carbonetos grosseiros e alinhados com a direção preferencial da placa. O Carboneto de Ferro (Fe 3 C) é formado.
• 250 ºC - Bainita Inferior: Placas regulares com carbonetos finamente dispersos, formando um ângulo com a direção de orientação da placa de ferrita. O carboneto de ferro épsilon é formado, com estrutura hexagonal e 8 , 4 % em peso de Carbono. A transformação bainítica está associada a temperaturas mais baixas (em relação à transformação perlítica), o que resulta em elevada taxa de nucleação e crescimento da nova fase limitado pela difusão atômica.