Dê a definição e explique as consequências da solidificação fora do equilíbrio, em termos de:
Segregação e Microssegregação ou zoneamento.
Segregação e Microssegregação ou zoneamento.
Passo 1
O enunciado pede para definirmos o que é a solidificação fora do equilíbrio — ou não\mbox{-}equilíbrio — e, em seguida, explicar suas consequências em termos de segregação e de microssegregação (zoneamento). O conteúdo aqui é metalurgia de ligas metálicas, mais especificamente o efeito do resfriamento rápido na distribuição de soluto.
Passo 2
Definição de solidificação fora do equilíbrio
Quando uma liga metálica se solidifica muito rapidamente, os átomos de soluto não têm tempo de difundir-se no líquido assim que formam o sólido. Em equilíbrio — resfriamento muito lento — vale a regra de alavanca e a partição de soluto entre sólido e líquido segue o coeficiente de partição de equilíbrio
Quando uma liga metálica se solidifica muito rapidamente, os átomos de soluto não têm tempo de difundir-se no líquido assim que formam o sólido. Em equilíbrio — resfriamento muito lento — vale a regra de alavanca e a partição de soluto entre sólido e líquido segue o coeficiente de partição de equilíbrio
onde
e
são as concentrações do soluto no sólido e no líquido em equilíbrio. Fora do equilíbrio, a difusão é limitada e esse coeficiente efetivo muda, levando a um aprisionamento parcial de soluto ou empobrecimento local.
Passo 3
Segregação (macrosegregação)
Sob resfriamento rápido, ocorrem fluxos de líquido ou convecção interna na peça fundida que transportam soluto para certas regiões maiores (centro, superfície, topo da lingotagem etc.). Isso gera variações de composição em escala macroscópica, chamadas de segregação.
Consequências principais:
Sob resfriamento rápido, ocorrem fluxos de líquido ou convecção interna na peça fundida que transportam soluto para certas regiões maiores (centro, superfície, topo da lingotagem etc.). Isso gera variações de composição em escala macroscópica, chamadas de segregação.
Consequências principais:
- Zonas da peça com propriedades mecânicas e químicas distintas.
- Necessidade de tratamentos subsequentes (homogeneização térmica) para reduzir essas diferenças.
Passo 4
Microssegregação ou zoneamento
Dentro de cada grão, à medida que a frente de solidificação avança, o sólido inicial incorpora soluto segundo um coeficiente de partição local que varia devido à difusão limitada. Isso gera zonas concêntricas (ou lamelares) de composição diferente:
Dentro de cada grão, à medida que a frente de solidificação avança, o sólido inicial incorpora soluto segundo um coeficiente de partição local que varia devido à difusão limitada. Isso gera zonas concêntricas (ou lamelares) de composição diferente:
- Núcleo do grão: relativamente pobre em soluto se
. - Bordas de grão: enriquecidas em soluto.
Esse zoneamento é a microssegregação, e só desaparece com difusão sólida em temperatura elevada (recozimento).
Passo 5
Consequências práticas
. Propriedades mecânicas: regiões ricas em soluto podem ter ponto de fusão mais baixo, fragilizar interfaces de grão ou iniciar trincas por corrosão direcionada.
. Propriedades químicas: variação de resistência à corrosão e condutividade em função da composição local.
. Processamento: peças exigem controle de taxa de resfriamento e tratamentos térmicos (homogeneização) para uniformizar composição e garantir desempenho.
Resposta
Definimos solidificação fora do equilíbrio como o processo em que o resfriamento rápido impede a difusão completa do soluto, alterando o coeficiente de partição e aprisionando soluto de forma não\mbox{-}ideal. Em termos de segregação, isso gera diferenças de composição em escala macroscópica devido à convecção do líquido. Em termos de microssegregação (zoneamento), formam\mbox{-}se zonas concêntricas dentro dos grãos com teores de soluto variados, afetando propriedades mecânicas e químicas e exigindo tratamentos térmicos para homogeneização.