Considerações Iniciais

Um componente mecânico é normalmente fabricado tendo que atender um conjunto de requisitos de projeto, dentre os quais podem ser citados como exemplo: resistência mecânica em condições de cargas constantes ou cíclicas; resistência ao desgaste em função da fricção entre partes do componente, faixa de temperatura de operação, resistência à ação oxidante ou reativa do meio ambiente. O grande desafio de determinados projetos consiste exatamente em otimizar uma determinada propriedade requerida sem causar efeitos deletérios sobre outras também imprescindíveis, ou seja, estabelecer um compromisso entre propriedades. Quando o processo de manufatura é baseado em matéria prima metálica no estado bruto de solidificação ou quando a liga metálica adotada não é suscetível a tratamentos térmicos que causem modificações microestruturais, serão os parâmetros da microestrutura de solidificação que estarão associados às propriedades finais.

É fato conhecido que o tipo de morfologia das estruturas de solidificação tem influência significativa nas propriedades mecânicas de um componente metálico. As diferenças na macroestrutura, passam pela formação ou de grãos de direções aleatórias de crescimento ou de grãos orientados, bem como pelas suas dimensões características. Na microestrutura, pela sua escala (espaçamentos celulares, dendríticos ou interfásicos), e pela escala e distribuição de segundas fases, poros, produtos segregados, etc, conforme mostrado no esquema da Figura 1.1 (Rosa, 2007). A relação entre estrutura e propriedades mecânicas já é estudada desde a década de 1950, quando surgiu a conhecida equação relacionando limite de escoamento com diâmetro médio do grão, decorrente de investigações de Hall (1951) e Petch (1953). Só mais recentemente estudos entre propriedades e parâmetros microestruturais passaram a focar as morfologias do interior do grão cristalino. Fixada a composição da liga, são os parâmetros térmicos de solidificação (gradiente térmico, velocidade e taxa de resfriamento) que podem conduzir, por exemplo, a instabilidades de crescimento que levam inicialmente a uma estrutura celular, e para maiores graus de instabilidade à estrutura dendrítica, conforme mostrado na Figura 1.2, onde a instabilidade da interface planar inicia-se em (A), induz a

formação de células (B), que gradativamente passam para uma transição à morfologia dendrítica (C-D) até que se estabelece um crescimento completamente dendrítico (E). Evidentemente que, à medida que a complexidade da liga aumenta no que diz respeito à existência de outras fases e reações invariantes características, e em ligas multicomponentes, esses parâmetros térmicos irão afetar também a morfologia e a escala dessas múltiplas fases (por exemplos fases intermetálicas, eutéticas, monotéticas, peritéticas, etc).

Figura 1-1-Esquema de uma microestrutura de solidificação de liga metálica(Rosa, 2007).

Figura 1-2 - Representação esquemática de exemplo da sequência de instabilização da

Ligas à base de alumínio têm sido cada vez mais utilizadas na substituição de materiais metálicos mais tradicionais como os aços, objetivando principalmente a redução de peso e maior resistência à corrosão. No que diz respeito às crescentes aplicações dessas ligas nas indústrias automobilística e aeronáutica, o fator peso está diretamente relacionado com consumo de energia, e nesse particular o Al é cerca de três vezes menos denso que o aço. O potencial de ligas de Al para aplicações que exigem resistências à corrosão e resistência ao desgaste também tem despertado um maior interesse investigativo (Granger, 1988). Nesse sentido, o Grupo de Solidificação da FEM/UNICAMP iniciou há cerca de 15 anos, uma sequência de trabalhos de pesquisa visando estabelecer correlações entre microestruturas de solidificação de ligas de Al e propriedades de aplicação. Foram desenvolvidos estudos dessa natureza inicialmente correlacionando propriedades de tração com espaçamentos caraterísticos da matriz rica em Al; com ligas Al-Cu (Quaresma et al., 2000); ligas Al-Fe (Goulart et al.,2010b); e ligas Al-Ni (Canté et al.,2010). O foco desse tipo de trabalho foi ampliado no sentido de incluir também a correlação microestrutura e resistência ao desgaste, com foco inicial em ligas Al-Si e Al-Sn (Cruz et al., 2010), e com continuidade em ligas monotéticas imiscíveis como Al-Pb e Al-Bi (Feitosa et al., 2013) e Al-In (Feitosa et al.,

2013). Foram iniciados também trabalhos em ligas multicomponentes, incorporando adição

de terceiros elementos às ligas binárias já estudadas, ainda na fase de caracterização da evolução microestrutural: Al-Cu-Si (Ferreira et al., 2010); Al-Fe-Ni (Canté et al.,2013); Al- Mg-Si (Brito et al., 2015) e Al-Bi-Sn (Costa et al., 2015).

Uma análise da literatura permite verificar que apesar da variedade de investigações existentes focadas em ligas binárias de Al, alguns sistemas como Al-Ag não foram ainda devidamente estudados, apesar de seu potencial de aplicação decorrente das boas características de fundição e trabalhabilidade (Mahmoud et al., 2010). Em particular no caso de solidificação em regime transitório, no qual ocorre gradual modificação de aspectos microestruturais bem como geração de fases metaestáveis ao longo da espessura da peça ou componente, não se encontram estudos na literatura. Estudos sobre ligas Al-Ag têm sido focados em tratamentos de homogeneização e precipitação e com associação de processos de severa deformação plástica, tendo em vista a busca de reforço na resistência mecânica associado a refino de grão e dispersão de precipitados (Nada et al., 2011; Lee et al., 2013).

1.2 Objetivos

Considerando a escassez na literatura de estudos de solidificação transitória de ligas Al- Ag e ligas Al-Ag com adição de terceiros elementos (Al-Ag-X), o presente trabalho objetiva contribuir nesse sentido através da realização da uma ampla análise experimental da solidificação de ligas do sistema Al-Ag, contemplando quatro ligas de composições hipoeutéticas e adição de Cu a uma dessas ligas para análise de uma liga ternária. Objetiva-se estudar a evolução microestrutural em condições de solidificação transitória e estabelecer correlações entre microestrutura, parâmetros térmicos da solidificação e propriedades mecânicas de tração. Para alcançar esses objetivos foram estabelecidas as seguintes metas sequenciais:

1. Revisão crítica e atualizada da literatura considerando: aspectos teóricos e práticos da solidificação unidirecional em regime transitório de fluxo de calor, formação de microestruturas de solidificação, parâmetros térmicos de controle da solidificação e modelos de crescimento teóricos e experimentais;

2. Elaborar 04 ligas hipoeutéticas Al-Ag em uma faixa representativa de composições, e uma liga ternária Al-Ag-Cu e realizar experimentos de solidificação unidirecional em dispositivo refrigerado a água, permitindo a análise do processo em ampla faixa de taxas de resfriamento durante a solidificação;

3. Registrar a evolução de temperaturas durante a solidificação a partir de termopares distribuídos ao longo do comprimento dos lingotes, e determinar a evolução dos parâmetros térmicos de solidificação: taxa de resfriamento (TR); velocidade de deslocamento da isoterma liquidus (VL)e gradiente térmico (GL);

4. Utilizar um software de termodinâmica computacional para gerar diagramas de equilíbrio; caminhos de solidificação e propriedades termofísicas. Sintetizar essas propriedades com outras localizadas na literatura. A partir dos resultados experimentais de

temperatura dos experimentos de solidificação e das propriedades termofísicas e utilizando um modelo numérico de solidificação, determinar para cada experimento, com ligas Al-Ag, leis experimentais dos perfis transitórios dos coeficientes de transferência de calor metal/molde;

5. Caracterizar a evolução macro e microestrutural das ligas Al-Ag e Al-Ag-Cu ao longo do comprimento dos lingotes direcionais, identificando fases e morfologia da matriz;

6. Correlacionar os espaçamentos interdendríticos primários (λ1) e secundários(λ2)com

os parâmetros térmicos de solidificação (TR,VL e GL ) para as ligas analisadas e estabelecer

leis experimentais de crescimento;

7. Comparar as leis de crescimento experimentais obtidas com as previsões teóricas de modelos de crescimento dendrítico em regime transitório;

8. Determinar a evolução de propriedades mecânicas como microdureza, limite de escoamento, limite de resistência à tração e alongamento específico ao longo do comprimento dos lingotes;

9. Estabelecer leis experimentais correlacionando propriedades de resistência à tração com o espaçamento dendrítico primário quando o efeito desse parâmetro microestrutural for significativo. Caso contrário, estabelecer uma correlação entre a evolução dessas propriedades com o teor de Ag da liga, também através de uma lei experimental.