aula nucleação MF

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Nucleação : Início das transformações de fases

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INÍCIO DAS TRANSFORMAÇÕES DE FASE

 _{As transformações de fase se iniciam com o surgimento de}

partículas bem pequenas de uma nova fase.

 _{Etapas da formação de uma nova fase:}

 _{Nucleação ( Homogênea / Heterogênea)}  _Crescimento

 _{O mecanismo pelo qual ocorre o surgimento de uma nova fase}

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TERMOS DE METALURGIA FÍSICA

Solidificação de Metais

• 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

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SOLIDIFICAÇÃO DE METAIS

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.

• 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.

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DIAGRAMA DE EQUILIBRIO

.

Hipoeutética Eutética Hipereutética

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NUCLEAÇÃO

– Átomos passam de uma fase menos estável (maior energia livre) para uma fase mais estável (menor energia livre).

Se a T > T_f, os embriões irão se decompor espontaneamente (G_s > G_l).

Quando T = T_f, G_l = G_s. Quando T < T_f, G_l> G_s.

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NUCLEAÇÃO HOMOGÊNEA

• Ocorre na região homogênea (livre de defeitos, fronteiras, impurezas, etc.) da fase original.

• Caso mais simples :

• Formação de uma fase β a partir de uma fase α na ausência efeitos cristalográficos e de tensões.

• Exemplo clássico: nucleação de uma gota de liquido puro a partir do vapor puro origem da teoria clássica de nucleação.

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CURVA DE RESFRIAMENTO

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NUCLEAÇÃO HOMOGÊNEA

• A formação de um núcleo → balanço de energia livre→ uma parcela relacionada a formação da interface liquido/vapor e uma fração relacionada a mudança de estado físico dos

átomos.

• Equação da variação da energia livre na nucleação, assumindo-se núcleos esféricos de raio “r”:

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NUCLEAÇÃO HOMOGÊNEA

• Na curva soma da contribuição volumétrica e da contribuição devido a interface, temos um ponto de máximo de onde

obtemos:

• r* - raio critico

• ΔG* - energia de ativação (barreira energética) para formação de núcleos de raio critico r*.

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NUCLEAÇÃO NOS CONTORNOS

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SOLIDIFICAÇÃO DE METAIS

Nucleação e Crescimento de cristais num metal líquido e formação da estrutura de grão.

Estrutura bruta de fusão □Zona coquilhada

□Zona colunar

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SOLIDIFICAÇÃO DE METAIS

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REFINADORES DE GRÃOS

• Principais Agentes Nucleantes: • Ligas Al: Titânio e Boro

• Ligas Mg: Carbono e Zircônio • Ligas Cu: Ferro ou Zircônio • Ligas Pb: Arsênio e Telúrio • Ligas Zn: Titânio

• Ligas Fe-C: Nióbio e Vanádio • Ligas FoFo: Ferro-Si

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REFINADORES DE GRÃOS

Nucleação Heterogênea : Inoculante TiBAl

Grãos de Alumínio Primário

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REFINADORES DE GRÃOS

Ligas de Alumínio

Particulas

Tamanho de grão final de Al em função do tamanho de partícula do inoculante.

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INOCULANTE

Refino de grão por adição de boro-titânio

Estrutura de solidificação normal

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Modificadores de Grãos

Região eutética : Estrôncio - Sr

Fig. 1. Optical and SEM micrographs showing the size and distribution

of the eutectic Si in the Al–10.5Si–2.0Cu alloys with different Sr contents. (a and d) 0.0% Sr, (b and e)0.02% Sr, (c and f) 0.03% Sr. All

samples were held at 720 ◦C for 30 min after modification.

Fig. 2. Variations of (a) the tensile strength and (b) the elongation of the Al–10.5Si–2.0Cu alloy with different Sr

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. Pressão injeção 35/70 MPa

. Temperatura de injeção : 579, 643 e 709°C

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Processo Semi-Sólido

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INICIO DAS TRANSFORMAÇÕES DE FASE

Mecanismos de transformações

• Nucleação da martensita (Lee e Aaronson): explica

somente uma mudança de estrutura cristalina na

transformação.

Aço SAE 9254

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INICIO DAS TRANSFORMAÇÕES DE FASE

• Mecanismos de transformações

• Flutuações por meio das quais agregados metaestáveis

de uma fase mais estável (β) se formam e se

desenvolvem na matriz (α).

• Este mecanismo e proposto pela teoria clássica de

nucleação.

• Note que a ideia de flutuação, ou seja, um arranjo

atômico local pode acomodar a nucleação de uma

nova fase mesmo quando a estrutura e

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MECANISMOS DE TRANSFORMAÇÕES

.











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MECANISMOS DE TRANSFORMAÇÕES

Decomposição Espinodal

- Pressupõe uma mudança de composição química, sem mudança de estrutura cristalina.

- Liga com X0 solubilizada a T1e resfriada a T2, composição será

inicialmente a mesma e energia livre será Go.

- Entretanto a liga será imediatamente instável p.q.pequenas

flutuações de composição que produzem regiões ricas em A e ricas em B causam um decréscimo da energia livre total.

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DECOMPOSIÇÃO ESPINODAL

A energia livre neste caso será diminuída somente se os núcleos são formados com uma composição muito diferente da matriz. Portanto fora do espinodal a transformação deve proceder

através de um processo de nucleação e crescimento, com difusão normal (down-hill).

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MECANISMOS DE TRANSFORMAÇÕES

Recristalização

-

Ocorre por mecanismos específicos.

- Formação de uma protuberância (bulge) no contorno de grão ou também chamada de migração de contorno de grão induzida por deformação (strain induced grain boundary migration);

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Tecnologias de Processamento

- Deformação Plástica Severa - Laminação repetitiva- ARB-

- Extrusão em canal angular - ECAP - Torsão sob alta pressão-HPT

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Deformação Plástica Severa

Extrusão em canal angular – ECAP

- Refinamento microestrutural sítios de nucleação de fases

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PROCESSAMENTO TERMOMECÂNICO

CONTROLADO.

-

Refinamento de grãos e formação microestrutural . - Controle da deformação e temperatura

.

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ENCRUAMENTO

-

Geração de defeitos cristalinos (discordâncias, lacunas e maclas).

Um material é

tracionado além do seu limite de escoamento antes de ser aliviado

Agora o material possui um limite de

escoamento maior, mas uma ductilidade menor

Repetindo-se o procedimento várias vezes, o material vai aumentar seu limite de escoamento e diminuir sua ductilidade

continuamente até tornar-se frágil.

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ENCRUAMENTO

.

Concentração de discordâncias

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RECUPERAÇÃO

- Rearranjo de discordâncias para o equilíbrio dinâmico entre a taxa de geração e de aniquilação de discordâncias.

- Formação de células e subgrãos

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RECRISTALIZAÇÃO

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PROCESSO TERMOMECÂNICO

aa.

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PROCESSO TERMOMECÂNICO CONTROLADO

• Refino de grão durante a deformação a quente dos aços

- Adição de elementos microligantes, Nb, Ti e V. - Efeito de ancoramento

- Retarda a recristalização entre passes de laminação - Acúmulo de deformação na austenita

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PROCESSO TERMOMECÂNICO CONTROLADO

A ciclo termomecânico em ensaios isotérmicos com duas etapas de deformação.

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PROCESSO TERMOMECÂNICO CONTROLADO

Ciclo termomecânico imposto em ensaios realizados com múltiplas deformações em resfriamento contínuo.

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PROCESSO TERMOMECÂNICO CONTROLADO

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PROCESSO TERMOMECÂNICO CONTROLADO

Transformação Induzida

- Aumento simultâneo da tenacidade e resistência mecânica de aços

grão fase

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Processo Termomecânico Controlado

Curva de escoamento plástico e evolução microestrutural

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