Resfriamento de ligasisomorfas

Ver Todos os Exercícios

Teoria

Fala pessoal!!!! Tudo bem?

Nos tópicos anteriores aprendemos sobre diagrama de fases e regra da alavanca para ligas isomorfas. Estas ligas, como vimos, são soluções homogêneas, onde o soluto e o solvente são completamente solúveis entre si, isto é, forma uma solução como solubilidade completa em ambos os estados, líquido e sólido.

O diagrama que estudamos é para transformações que ocorrem com resfriamento muito lento de modo que o equilíbrio (termodinâmico) entre as fases seja mantido.

Mas afinal, por que o resfriamento, ou melhor, a taxa de resfriamento é tão importante para os materiais?

Antes de respondermos a essa pergunta vamos pensar um pouco!!!

Como é fabricada uma barra de aço?

Para fabricarmos uma barra de aço, por exemplo, precisamos utilizar alguns componentes presentes na natureza. No caso do aço, precisarmos colocar o minério ferro, o carvão (combustível) e o calcário (fundente - facilitar a reação) num alto forno, a fim de produzirmos o gusa, através de uma reação de redução do minério de ferro. O ferro gusa, formado no alto forno, é uma liga de ferro, carbono e outros elementos, que em seu estado líquido é colocado em recipientes, que sofrerá o resfriamento, formando os lingotes. Estes servirão como matérias primas para fabricação de nossas barras.

Note, então, que para produzirmos, por exemplo, o aço, precisamos fundir elementos e depois resfria-los. Por isso, é muito importante conhecermos como ocorre o resfriamento das ligas metálicas, uma vez que taxa de resfriamento diferente irá produzir microestruturas diferentes e, consequentemente, teremos propriedades diferentes!!!!

Vamos entender, primeiramente, como a microestrutura é formada a partir do resfriamento lento de uma liga isomorfa. Para isso iremos utilizar o diagrama de fases da liga cobre-níquel.

Suponha uma liga cobre-níquel composta de 35 % p   d e   N i e 65 % p   d e   C u e esteja a 1300 ° C , ponto a , portanto seu estado está totalmente líquido, sofrendo um resfriamento muuuuuuuito lento. Quando essa liga atingir a temperatura de ≈ 1260 ° C uma pequena fração de sólido α irá se formar, ponto b . Traçando uma linha de amarração no ponto b é possível determinarmos qual é a composição do nosso sólido α formado, ou seja, teremos frações de α com 46 % p   d e   N i . Note na figura abaixo essa fração formada.

Resfriando mais um pouco e atingindo o ponto b teremos uma fração maior de sólido α , que terá uma nova composição química, de acordo com a linha de amarração, de 43 % p   d e   N i . Observe que a composição química diminuiu de 46 % p   d e   N i para 43 % p   d e   N i , conforme figura abaixo. Essa diminuição ocorre devido à difusão (movimentação dos elementos) dos elementos.

Agora resfriando até chegar à linha solidus, ponto d , teremos uma fração maior ainda de sólido α , com 35 % p   d e   N i e uma pequena parcela de líquido. E resfriando mais um pouco, por exemplo, ponto e , teremos a formação completa do sólido α , que possui a composição global da liga (de 35 % p   d e   N i - 65 % p   d e   C u ).

Agora que entendemos o resfriamento em equilíbrio, ou seja, que ocorre muuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuito lentamente, vamos partir para a vida real, onde precisamos realizar nossas tarefas no menor tempo possível.

Na prática temos resfriamento rápido, isto é, fora do equilíbrio termodinâmico, logo não teremos tempo suficiente para que a difusão ocorra de maneira eficaz. Para entender melhor o resfriamento fora do equilíbrio vamos novamente retomar ao diagrama de fases cobre-níquel.

Imagine, novamente, que estamos resfriando nossa liga a partir do ponto a ' . Neste ponto, a liga está em seu estado líquido. Quando nossa liga atingir a temperatura de ≈ 1260 ° C uma pequena fração de sólido α irá se formar, ponto b ' , conforme vimos, também, no resfriamento em equilíbrio. Continuando o resfriamento até o ponto c ' , notaremos que não houve tempo suficiente para os elementos sofram completa difusão, assim teremos neste ponto núcleos de sólidos α com concentração de 46 % p   d e   N i na região central dos núcleos com uma variação da composição até atingir 4 0 % p   d e   N i na periferia, conforme figura abaixo.

Continuando o resfriamento e atingindo o ponto d ' , uma nova fração de sólido α se formará em volta dos sólidos anteriores com uma concentração, na periferia, de 35 % p   d e   N i . Observe que ainda temos, no ponto d ' , fração de liquido.

A solidificação no ponto d ' já deveria está praticamente concluída, mas ainda temos uma fração apreciável de líquido.

A solidificação fora do equilíbrio atinge seu final no ponto e ' . A composição dessa última parte é de 31 % p   d e   N i .

Note que o resfriamento fora do equilíbrio provoca um deslocamento da linha solidus para baixo, linha tracejada no diagrama. Assim, quando mais lento for o resfriamento menor será o deslocamento vertical da linha solidus, do mesmo modo quando maior for à taxa de resfriamento maior será o deslocamento vertical da linha solidus, conforme figura abaixo.

Algumas considerações importantes para resfriamento fora do equilíbrio:

  • A distribuição dos dois elementos não é uniforme ao longo do grão, esse fenômeno é conhecido como segregação;
  • A região central de cada grão é do elemento de maior ponto de fusão. Em nosso exemplo, o níquel possui maior ponto de fusão do que o cobre, logo a região central terá maior concentração de níquel do que na periferia do grão. O oposto ocorre com o elemento de menor ponto de fusão, que terá maior concentração na periferia do que no centro do grão;
  • Essa estrutura é conhecida como zonada;
  • A temperatura de fusão pode inicia-se abaixo da temperatura solidus de equilíbrio da liga;
  • Através do tratamento térmico de homogeneização, feito em uma temperatura abaixo do ponto solidus para a composição especifica da liga, podemos eliminar estas estruturas zonadas. Essa homogeneização ocorre pela difusão atômica que irá produzir grãos com composição homogênea.

Exercícios Resolvidos

Exercício Resolvido #1

Sobre os resfriamentos de ligas isomorfas fora das condições de equilíbrio determine a opção correta.

  1. Em casos reais a solidificação ocorre em taxas de resfriamento lentas
  2. No resfriamento lento ocorre os reajustes de composição importante para o estado de equilíbrio.
  3. O resfriamento rápido favorece para o desenvolvimento de microestruturas diferentes no sólido.

Passo 1

Em casos reais a solidificação ocorre em taxas de resfriamento rápidas

Passo 2

No resfriamento rápido ocorre os reajustes de composição importante para o estado de equilíbrio.

Passo 3

O resfriamento rápido favorece para o desenvolvimento de microestruturas diferentes no sólido.

Resposta

Alternativa III

Exercício Resolvido #2

Explique sucintamente o que ocorre com a linha solidus quando o material é resfriado fora do equilíbrio.

Passo 1

A primeira coisa que precisamos saber é que o Diagrama de Fases mostra o comportamento do material em função da composição e da temperatura considerando estados de equilíbrio.

Quando o resfriamento é feito rapidamente, o material não consegue manter a condição de equilíbrio, e isso provoca um deslocamento da linha solidus para baixo!

Quanto mais lento for o resfriamento menor será o deslocamento vertical da linha solidus, do mesmo modo quando maior for à taxa de resfriamento maior será o deslocamento vertical da linha solidus.

Resposta

Quanto mais lento for o resfriamento menor será o deslocamento vertical da linha solidus, do mesmo modo quando maior for à taxa de resfriamento maior será o deslocamento vertical da linha solidus.

Exercício Resolvido #3

Avalie o diagrama e explique o que ocorre no ponto “A”.

Passo 1

Um diagrama de fases mostra pra gente a fase em que um material se encontra em função da sua temperatura e composição.

No diagrama Cu-Ni da questão temos a fase líquida em cima e a fase sólida embaixo. A região intermediária, entre as duas linhas vermelhas, é uma região mista, onde se tem fase líquida e fase sólida juntas.

Passo 2

Olhando pro ponto A no diagrama, vemos que ele se encontra no meio da fase Líquida.

Isso significa que uma liga com a composição de 35% Ni à temperatura de 1300° C, a fase em equilíbrio termodinâmico é a fase líquida.

Resposta

A fase em equilíbrio termodinâmico é a fase líquida.

Exercício Resolvido #4

Avalie o diagrama e explique o que ocorre no ponto “B”.

Passo 1

Um diagrama de fases mostra pra gente a fase em que um material se encontra em função da sua temperatura e composição.

No diagrama Cu-Ni da questão temos a fase líquida em cima e a fase sólida embaixo. A região intermediária, entre as duas linhas vermelhas, é uma região mista, onde se tem fase líquida e fase sólida juntas.

Passo 2

Olhando pro ponto A no diagrama, vemos que ele se encontra em cima da linha vermelha superior, que chamamos de linha liquidus. A linha liquidus separa a região onde existe somente fase líquida da região que possui fase líquida e fase sólida .

Isso significa que uma liga com a composição de 35% Ni à temperatura de 1261 °C, a fase sólida começa a ser formada. Com isso vemos pequenos núcleos surgindo na microscopia.

Esses embriões de fase sólida têm composição 46% Ni. Podemos observar traçando uma linha de amarração (linha verde) nessa temperatura. Os extremos dessa linha, onde ela encontra as interseções com as regiões de fase única, mostram a composição de casa uma dessas fases. Isso significa que no ponto B temos uma fase líquida com 35% de Níquel e núcleos de fase sólida com 46% de Ni.

Resposta

Uma liga com a composição de 35% Ni à temperatura de 1261 °C, a fase sólida começa a ser formada. Com isso vemos pequenos núcleos, de composição 46% Ni surgindo na microscopia.

Exercício Resolvido #5

Determine quais são as fases presentes no diagrama isomorfo.

Passo 1

Através do diagrama é possível observar que acima da linha líquidos temos a fase líquida, entre a linha líquida e sólidus , o campo bifásico de (α+L) e abaixo da linha sólidus temos a fase α

Resposta

Campo alfa (α), campo liquido (L) e campo bifásico (α+L)

Exercício Resolvido #6

No aquecimento de uma liga 70% Ni – 30% Cu, determine em qual temperatura se forma a primeira fração da fase liquida.

Passo 1

Como estamos trabalhando com uma liga de 70% Ni, vamos traçar uma linha vertical nessa composição:

Como estamos aquecendo, vamos acompanhar essa linha de baixo pra cima!

A primeira fração de fase líquida vai surgir no momento em que chegarmos na linha solidus, ou seja, na temperatura de 1350°C.

Linha solidus é o nome que damos pra linha que separa a região de fase sólida da região em que há fase sólida + fase líquida ( +L).

Resposta

A primeira fração na temperatura de 1350°C.

Exercício Resolvido #7

Como determinamos em qual a composição na fase liquida.

Passo 1

Para encontrar a composição na fase liquida é necessário observar o ponto que toca a linha liquidus na temperatura que está sendo avaliada.

Por exemplo, à 1350° C:

Traçando uma linha até cruzar a linha liquidus, verificamos a composição naquele ponto. Nesse caso o liquido terá 59% de Ni.

Resposta

Para encontrar a composição na fase liquida é necessário observar o ponto que toca a linha liquidus na temperatura que está sendo avaliada.

Exercício Resolvido #8

Qual é a composição do último sólido remanescente à 1400°C.

Passo 1

Pra verificar a composição da fase sólida, a primeira coisa é traçar uma linha de amarração na temperatura indicada pelo enunciado (1400°C):

A linha verde mostra pra gente a composição da fase Líquida, pois essa linha foi tirada a partir da linha liquidus. A linha liquidus separa a região onde existe apenas fase líquida, da região onde existe fase líquida e sólida ( +L).

Já a linha azul mostra pra gente a composição da fase sólida ( ), pois essa linha foi tirada a partir da linha solidus. A linha solidus separa a região onde existe apenas fase sólida ( ), da região onde existe fase líquida e sólida ( +L).

Portanto, olhando a composição da linha azul temos uma composição de aproximadamente 83,5% Ni na fase sólida.

Resposta

83,5% Ni

Exercícios de Livros Relacionados

Descreva brevemente o fenômeno do descaroçamento e por que ele ocorre. (b) Cite uma conseqüência indesejável do descarte. Descreva sucintamente o fenômeno da formação de estruturas zonadas e por que e
Deseja-se produzir uma liga de cobre-níquel que apresente um limite mínimo de resistência à tração sem trabalho a frio de 350 MPa (50.750 psi) e uma ductilidade de pelo menos 48% AL. Uma liga com essa