A estrutura bruta de solidificação das ligas metálicas pode apresentar uma combinação de três zonas distintas (Flood; Hunt, 1988), que estão descritas a seguir e são mostradas na Figura 10:
− Uma zona coquilhada próxima à superfície do molde, composta por
grãos equiaxiais relativamente pequenos;
− Uma zona colunar composta por grãos de formato alongado, alinhados
na direção de maior extração de calor e com início na zona coquilhada;
− Uma zona equiaxial formada por grãos equiaxiais, porém com um
tamanho médio maior do que o dos grãos equiaxiais da zona coquilhada.
Figura 10- Representação das de l
Nem sempre todas contiver grãos colunares e transição colunar-equiaxial Durante a solidifica à frente da zona de cresci crescimento desta frente circunstâncias em que oco grãos equiaxiais e, para crescimento devido à exi equiaxiais, chamado bloqu de soluto ocasionado pe (Martorano; Beckermann; ocasionado pelos grãos eq 2006 e Banaszek et al., 200
Zona equiaxial
s estruturas de grãos que podem ser encontradas apó e ligas metálicas (Bower; Flemings, 1967).
as estas zonas estão presentes, mas se a e equiaxiais, a região de transição entre ele al (CET), é geralmente estreita.
cação, a CET ocorre quando os grãos equiax cimento colunar impõem certas condições q (Flood; Hunt, 1988). Ainda muito se dis orre o bloqueio do crescimento dos grãos c a isso algumas teorias foram formuladas xistência de uma barreira mecânica criad ueio mecânico (Hunt, 1984); bloqueio devid pelos grãos equiaxiais, chamado bloque ; Gandin, 2003); bloqueio devido a um c equiaxiais, chamado bloqueio térmico (Mc F
007). pós a solidificação a estrutura bruta les, chamada de iaxiais crescendo que impedem o iscute sobre as colunares pelos as: bloqueio do da pelos grãos ido a um campo ueio de soluto campo térmico Faden; Browne, Zona coquilhada Zona colunar
A aparição da zona equiaxial é dependente da nucleação e do crescimento de pequenos núcleos de grãos durante o resfriamento. Muitos autores propuseram mecanismos que tentam explicar a aparição desta zona. Os mecanismos propostos concordam no aspecto de que o crescimento dos núcleos dos grãos equiaxiais ocorre na região super-resfriada constitucionalmente, à frente da zona colunar. Entretanto, existem diferenças em relação aos mecanismos propostos para a origem dos grãos. Estes podem ser divididos em (Hutt; StJohn, 1998):
− Nucleação heterogênea na zona de super-resfriamento constitucional; − Explosão de núcleos(“Big Bang”);
− Destacamento de braços de dendritas; − Cristais cadentes;
− Teoria da Separação.
Estes mecanismos estão apresentados detalhadamente a seguir. 3.2.1 Nucleação Heterogênea na Zona de Super-resfriamento Constitucional
O mecanismo de nucleação heterogênea na zona de super-resfriamento constitucional foi, segundo Spittle (2006), inicialmente proposto por Northcott em 1938 e posteriormente por Winegard e Chalmers (1954) e baseia-se na idéia da ocorrência de nucleação adiante da frente de crescimento dos grãos colunares. Nesta região, a interface sólida rejeita soluto durante seu crescimento e cria uma camada mais rica em soluto na fase líquida, que tem sua temperatura liquidus diminuída. O perfil de super-resfriamento constitucional na região à frente da frente de crescimento é mostrado na Figura 11, juntamente com o perfil de concentração de soluto.
Quando o super-resfriamento constitucional ultrapassa o super-resfriamento crítico, ocorre a nucleação heterogênea de grãos sobre partículas de substratos presentes nesta região. O crescimento destes grãos impediria o avanço da frente colunar, ocasionando a transição colunar-equiaxial. Uma ilustração esquemática do mecanismo pode ser vista na Figura 12.
Thomas e Spittle (1971) concluíram, através da observação da nucleação de sólido em uma solução de cloreto de amônio contida em um molde transparente, que a nucleação heterogênea no liquido super-resfriado era responsável pela formação da região equiaxial. Chalmers (1963), Southin (1967),Ohno e Soda (1970) e Ohno (1976) demonstraram após o isolamento mecânico do centro de um molde durante a fundição, que este mecanismo não seria o único responsável pelo crescimento equiaxial.
Figura 11- Representação do campo de soluto e conseqüente super-resfriamento constitucional presentes na frente de crescimento.
Figura 12 - Representação esquemática da teoria da nucleação heterogênea na zona de super- resfriamento constitucional (Spittle, 2006).
3.2.2 Explosão de Núcleos (“Big Bang”)
O modelo de explosão de núcleos (“big bang”) foi primeiramente proposto por Genders (1926) e desenvolvido por Chalmers (1964). Segundo este modelo, a nucleação dos grãos equiaxiais ocorre no líquido que é super-resfriado bruscamente junto à parede do molde durante o vazamento. Após sua formação, estes núcleos são carregados para o interior do molde pelas correntes de convecção no metal líquido e podem sobreviver até que o superaquecimento do metal líquido desapareça. A sobrevivência destes núcleos é mais provável com superaquecimentos do metal líquido menores.
Diferentemente da teoria do super-resfriamento constitucional, a teoria da explosão de núcleos ("big bang") utiliza os efeitos de superaquecimento e da convecção nos primeiros estágios da solidificação para explicar a formação dos grãos equiaxiais. Ao aumentar a temperatura de vazamento, há uma redução do
Parede Metal Parede
Zona Colunar Zona Equiaxial
Super-resfriamento Constitucional
tamanho da zona equiaxia campo magnético estático, 1988),confirmando o efeito Tarshis, Walker e R (5, 10, 20 e 30 %Cu) em resfriamentos relativament macroestruturas das zona uma estrutura refinada para e pequenos (0ºC a 40ºC mecanismo para a formaç direta entre o valor do supe pela estrutura grosseira o como seria previsto pela teo 3.2.3 Destacamento de Br
A teoria desenvolv aceitas segundo Flood e orgânicas que as correntes de núcleos. Com isto, foi p taxa de crescimento ocasio dendritas se destaquem do
Figura 13- Crescimento
ial e, ao reduzir a convecção através da intr o, pode-se também eliminar a zona equiaxia ito destas variáveis.
Rutter (1971) realizaram experimentos com condições de resfriamento que produziram nte altos (290ºC) a pequenos (0ºC) e, in
as equiaxiais formadas. Estes experiment ra super-resfriamentos relativamente altos (1 ºC). Os resultados demonstraram a existê ação da zona equiaxial, pois não houve u per-resfriamento e o refinamento da estrutura obtida somente para super-resfriamentos teoria da explosão de núcleos (“big bang”). Braços de Dendritas
olvida por Jackson et al. (1966) tornou-se e Hunt (1988). Os autores observaram es de convecção do líquido produziam um g i postulado que flutuações de temperatura, c sionam uma refusão local fazendo com que o tronco, rumando para o interior do líquido (
o e destacamento de braços de dendritas (Hutt; StJoh
ntrodução de um ial (Flood; Hunt,
m ligas de Ni-Cu m desde super- investigaram as ntos produziram (190ºC a 290ºC) tência de outro uma correlação ra, demonstrado s intermediários,
e uma das mais m em soluções grande número , concentração e ue os braços de o (Figura 13). ohn, 1998).
A recalescência, tanto localmente ou por todo o molde, foi tida como o principal mecanismo de destacamento de braços de dendritas. A refusão seria promovida pelo aumento local da quantidade de soluto, causando uma diminuição no ponto de fusão do sólido.
O destacamento de braços de dendritas é consistente com a influência da convecção. Ao se reduzir a convecção mediante a aplicação de um campo magnético estático, reduz-se ou elimina-se a zona equiaxial. Contrariamente, ao se aumentar a convecção pela imposição de um campo magnético alternado, promove- se a zona equiaxial, reduzindo a extensão da zona colunar.
Ohno, Motegi e Soda (1971), realizaram experimentos em ligas Sn-Bi, Sn- Pb, Sn-Sb e Bi-Sn e afirmaram que a zona equiaxial é formada pelo crescimento e posterior separação dos cristais equiaxiais formados na superfície do molde. Este mecanismo ocorre antes mesmo da criação de uma camada de sólido e aproveita-se da convecção mais vigorosa do início do preenchimento.
3.2.4 Cristais Cadentes
Southing (1967) realizou experimentos com alumínio e ligas de alumínio com até 2% de cobre e através de observações das macroestruturas propôs a existência de um novo mecanismo gerador da CET. Segundo o autor, a transferência de calor por radiação na superfície do lingote era a responsável pelo aparecimento de um super-resfriamento nesta região e, conseqüentemente, pela aparição de grãos equiaxiais que seriam responsáveis pela CET.
Desta forma, o modelo de cristais cadentes prevê que a estrutura equiaxial responsável pelo bloqueio do avanço da frente colunar é formada quando dendritas da superfície do lingote decantam no líquido em direção à frente de crescimento colunar. Com o aquecimento da superfície superior do lingote durante a solidificação, Southing (1967) demonstrou o desaparecimento da zona equiaxial, reforçando a sua teoria.
3.2.5 Teoria da Separação
Ohno (1971) afirmou que os mecanismos inerentes à sua Teoria da Separação são os responsáveis pela formação da zona equiaxial. Segundo esta teoria, os núcleos que se formam sobre a parede do molde têm um crescimento mais expressivo ao longo desta superfície, em um primeiro momento. Posteriormente, devido à rejeição de soluto e à impermeabilidade do molde, o crescimento ao longo da superfície se torna inexpressivo. Este fato é explicado pelo acúmulo de soluto junto ao molde, diminuindo assim a velocidade de crescimento nesta região (Figura 14). Devido ao formato destes grãos, estes são facilmente arrancados da superfície do molde, migrando para o interior e posteriormente originando a região equiaxial.
Figura 14- Representação esquemática do crescimento e destacamento de grãos segundo a teoria da separação (Ohno, 1975).
Ohno (1987) realizou uma série de experimentos como uma resposta aos pesquisadores que, apesar de acharem sua teoria válida, acreditavam que o mecanismo realmente importante era o destacamento de braços de dendritas. Ohno, Motegi e Soda (1971), afirmaram que os grãos observados tinham sua origem no desprendimento de grãos da parede do molde e não no destacamento dos braços das dendritas, apresentando o seu mecanismo como o maior responsável pela formação da zona equiaxial.
Segundo a teoria da separação, Ohno e Motegi (1983) explicaram a influência de fatores como: inoculantes, tipo de molde, movimentação do líquido e temperatura de vazamento na estrutura final de solidificação.
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