Post on 17-Oct-2015
Eutticos e PeritticosEutticos e PeritticosDisciplina: Metalurgia FsicaDisciplina: Metalurgia Fsica
Conrado Ramos Moreira AfonsoConrado Ramos Moreira AfonsoDepartamento de Engenharia de Materiais (DEMa) Centro de Cincias Exatas e de Tecnologia (CCT)
Universidade Federal de So Carlos (UFSCar) *e*e--mail: mail: conrado@ufscar.brconrado@ufscar.br
Programa DisciplinaPrograma DisciplinaDataData HorrioHorrio LocalLocal DescrioDescrio ObsObs
11/03/11 14:00 17:40h 173/AT7 1 Aula Introdutria Nascente19/03/11 14:00 17:40h 173/AT7 2 Aula n 2 Ademar25/03/11 14:00 17:40h 173/AT7 3 Aula n 3: Anlise Trmica de
Metais / PolmerosConrado/Ademar
01/04/11 14:00 17:40h 163/AT7 4 Aula n 4 Ademar08/04/11 14:00 17:40h 163/AT7 5 Aula n 5 Ademar
15/04/11 14:00 17:40h 163/AT7 6 Aula n 6 Conrado22/04/11 14:00 17:40h 163/AT7 No haver Aula Feriado29/04/11 14:00 17:40h 163/AT7 7 Aula n 7: Difrao de Raios-X
(DRX)Nascente/ Conrado
06/05/11 14:00 17:40h 163/AT7 8 Aula n 8 Conrado13/05/11 14:00 17:40h 163/AT7 9 Aula n 9 Conrado20/05/11 14:00 17:40h 163/AT7 10 Aula n 10 Nascente
DataData HorrioHorrio LocalLocal DescrioDescrio ObsObs20/05/11 14:00 17:40h 163/AT7 10 Aula n 10 Nascente27/05/11 14:00 17:40h 163/AT7 11 Aula n 11: Microscopia de
Fora Atmica (AFM)Nascente/Conrado
03/06/11 14:00 17:40h 163/AT7 1 Avaliao Semestral P210/06/11 14:00 17:40h 163/AT7 Apresentao Seminrio S1
Programa DisciplinaPrograma Disciplina
17/06/11 14:00 17:40h 163/AT7 Apresentao Seminrio S124/06/11 14:00 17:40h 163/AT7 2 Avaliao Semestral (Sub) P3
Referncias Bibliogrficas
ASM American Society for Metals, Casting Metals Handbook, v.15,Metals Park, Ohio, USA, 1988. W.Kurz e D.J.Fisher, Fundamentals of Solidification, Trans Tech PublicationLTD, Swirtzerland, 1986. H.Jones e W.Kurz (Editores), Solidification Microstructures 30 Years afterConstitutional Supercooling, Materials Science and Engineering, Special Issue,65, 1984. H.Biloni, Solidification, em Physical Metallurgy, Part I, Ed. R.W.Cahn eP.Haasen, Nort-Holland Physics Publishing, 1983. A.Ohno, Solidificao de Metais, Livraria Cincia e Tecnologia Editora Ltda. M.P.Campos Filho e G.J.Davies, Solidificao e Fundio de Metais e suasLigas, Livros Tcnicos e Cientficos Editora S.A e Editora da USP, 1978. M.C.Flemings, Solidification Processing, McGraw Hill, New York, 1974. G.J.Davies, Solidification and Casting, Applied Science, London, 1973. B. Chalmers, Principles of Solidification, John Willey Co., New York, 1964.
Apresentam mais de uma fase slida aps a solidificao;
Solidificao de Ligas PolifsicasSolidificao de Ligas Polifsicas
Como as ligas monofsicas, tb podem eventualmente apresentar interface S/L plana;
A instabilidade da interface depender de V e G;
A redistribuio do soluto na interface mais complexa (movimento difusivo de soluto na direo de crescimento e na lateral);
Solidificao de Ligas PolifsicasSolidificao de Ligas Polifsicas
direo de crescimento e na lateral);
Entre as ligas com interface plana: monotticasmonotticas e as eutticaseutticas (importante devido a grande variedade de morfologias estruturais);
5.4 LIGAS POLIFSICAS
5.4.1 Solidificao de Eutticos
Solidificao de Ligas PolifsicasSolidificao de Ligas Polifsicas
CRESCIMENTO simultneo de duas ou mais fasesAs microestruturas de eutticos podem ser classificadas:
LAMELAR: f 0.5 (Pb - Sn) as duas fases em propores (Al - Al2Cu)
FIBROSO: uma das fases em pequena proporo (NiAl - Cr)
REGULAR: as duas fases so no facetadas
IRREGULAR: uma das fases facetada
Tambm merecem ateno as ligas com transformao perittica.perittica.
Solidificao de Ligas PolifsicasSolidificao de Ligas Polifsicas
transformao perittica.perittica.
Ligas EutticasLigas Eutticas
Transformao Euttica: Lquido + (slidos)
Apresenta ponto de fuso menor que os 2 constituintes da liga euttica
Euttico vem do grego esignifica:de fuso mais fcil
As fases apresentamporcentagem segundoDiagrama de Fases
Microestruturas de Ligas EutticasMicroestruturas de Ligas Eutticas
RegularesRegulares
Podem ser classificadas em:
Regulares ComplexasRegulares ComplexasRegulares ComplexasRegulares Complexas
IrregularesIrregulares
Regulares:Regulares:lamelareslamelaresfibrosasfibrosasglobularesglobulares
Microestruturas de Ligas EutticasMicroestruturas de Ligas Eutticas
Lamelares:Lamelares:placas parelelas e alternadas das duas fases
EXEMPLO:EXEMPLO:Al Al Cu
Microestruturas de Ligas EutticasMicroestruturas de Ligas Eutticas
Al Al2Cu
Fibrosas:Fibrosas:barras finas ou lminas de uma das fases
envolvidas por uma matriz EXEMPLO:EXEMPLO:Al Al Ni
Microestruturas de Ligas EutticasMicroestruturas de Ligas Eutticas
Al Al3Ni
Globulares:Globulares:glbulos de uma das fases envolvidos pela
matriz EXEMPLO:EXEMPLO:Cu CuO
Microestruturas de Ligas EutticasMicroestruturas de Ligas Eutticas
Cu CuO2
Aplicao na produo de materiais comanisotropiaanisotropia de propriedades mecnicas,
Microestruturas de Ligas EutticasMicroestruturas de Ligas Eutticas
anisotropiaanisotropia de propriedades mecnicas,pticas, eletrnicas ou magnticas( Ex: Al - Al3Ni , NiSb InSb )
Regulares complexas:Regulares complexas:Duas regies de aspectos distintos:
- uma com um padro repetitivo- outra com orientao ao acaso
Microestruturas de Ligas EutticasMicroestruturas de Ligas Eutticas
EXEMPLO:EXEMPLO:sistema Bi-Pb
Irregulares:Irregulares:Consiste basicamente de orientaes
ao acaso
Microestruturas de Ligas EutticasMicroestruturas de Ligas Eutticas
EXEMPLO:EXEMPLO:FoFo
Aciculares:Aciculares:agulhas de uma das fases envolvidas pela
matriz EXEMPLO:EXEMPLO:Al AlSi
Microestruturas de Ligas EutticasMicroestruturas de Ligas Eutticas
Al AlSi
Tipo de microestruturamicroestrutura pode ser relacionado com a morfologia da interface S/L:
Facetada ou lisaDifusa ou Rugosa
Obteno de microestruturas regulares depender do controle das condies trmicas Tipo Microestrutura Morfologia de Exemplos
Microestruturas de Ligas EutticasMicroestruturas de Ligas Eutticas
Tipo Microestrutura Morfologia de crescimento euttico
Exemplos
I Regular Difusa / Difusa Sn-Pb , Al-Zn , Al-Cu , Al-Ag
II Regular Complexa
Difusa / Facetada Al-Si , Sn-Bi , Pb-Bi , Al-Ge
III Irregular Difusa / Facetada Al-Si , Fe-CFacetada / Facetada Comp.orgnicos
No facetado/No facetado Benzil/ Benzil/ azobenzenoazobenzeno
Microestruturas de Ligas EutticasMicroestruturas de Ligas Eutticas
Facetado/FacetadoCBrCBr44 / hexacloretano/ hexacloretano
Crescimento de Eutticos Regulares:Crescimento de Eutticos Regulares: Quando a frao volumtrica da fase % menor:
fV < 0,25 fibras; caso contrrio lamelar
EUTTICOS LAMELARESEUTTICOS LAMELARES
Microestruturas de Ligas EutticasMicroestruturas de Ligas Eutticas
EUTTICOS LAMELARESEUTTICOS LAMELARES
Crescimento de Eutticos Regulares:Crescimento de Eutticos Regulares:
Entretanto se a fase minoritria for facetadafacetada: lamelas mesmo para fv < 0,25
Microestruturas de Ligas EutticasMicroestruturas de Ligas Eutticas
EUTTICO LAMELAREUTTICO LAMELAREX.:EX.:
FoFo
Cinzento
Crescimento de Eutticos Regulares:Crescimento de Eutticos Regulares:
Crescimento euttico COOPERATIVOCOOPERATIVO:uma fase rejeita solutouma fase rejeita solutooutra fase absorve soluto
Depende das condies de Superesfriamento na interface (SR)
Microestruturas de Ligas EutticasMicroestruturas de Ligas Eutticas
Lei Clssica de Crescimento Euttico
sendo: E : espaamento lamelarV : velocidade de crescimento
cteV.E2 =V : velocidade de crescimentocte dependente do material
Microestrutura euttica depende de V e Tt e no diretamente da taxa de resfriamento como ocorre com os crescimentos celulares e dendrticos
Variao do espaamento lamelarcom a velocidade de crescimento
Variao do superesfriamentocom a velocidade de crescimento
Ligas EutticasLigas Eutticas
Ligas EutticasLigas Eutticas
Ligas EutticasLigas Eutticas
Ligas EutticasLigas Eutticas
Ligas EutticasLigas Eutticas
Ligas EutticasLigas Eutticas
Mecanismo de variao do espaamentolamelar com a velocidade
Ligas EutticasLigas Eutticas
V V
Ligas EutticasLigas Eutticas
EX.:EX.:Zn-4%Al
(Refinada; P0mm)
EX.:EX.:Zn-4%Al
(Grosseira; P50mm)
Formao de falhas lamelares
Ligas EutticasLigas Eutticas
MODIFICAO DE EUTTICOS:MODIFICAO DE EUTTICOS:
Tratamento de Modificao: pequenas alteraes na composio qumica do eutticoeutticopara produzir mudanas microestruturais e das mudanas microestruturais e das propriedadespropriedadespropriedadespropriedades
MODIFICAO DE EUTTICOS:MODIFICAO DE EUTTICOS:
Al-Si: principal liga de fundioutilizando modificaes (Al-11,7% Si)Boa fluidezResistncia corrosoPequena contraoPequena contraoBoa relao resistncia/peso Propriedades dependero:Propriedades dependero:
i) i) processo de fundioprocesso de fundio,,ii) ii) composio da ligacomposio da liga
iii) iii) estrutura eutticaestrutura eutticaiv) iv) distribuio e granulometria distribuio e granulometria
do silciodo silcio
Mtodo de modificao do Euttico:Mtodo de modificao do Euttico:
1.altas velocidades de solidificao, e consequentemente taxas
2. adio de agentes qumicos modificadores 2. adio de agentes qumicos modificadores no banho lquido
Mtodo de modificao do Euttico:Mtodo de modificao do Euttico:
1.altas velocidades de solidificao, e consequentemente taxas
2. adio de agentes qumicos modificadores 2. adio de agentes qumicos modificadores no banho lquido
Principais Modificadores:Na e Sr
Mtodo de modificao do Euttico:Mtodo de modificao do Euttico:
o NaNa e o SrSr tm o poder de causar grandes modificaes mesmo em baixas porcentagens (ppm~1%), no alterando a porcentagens (ppm~1%), no alterando a composio da liga
Modificadores comerciais: Fluoreto de SdioFluoreto de Sdio (NaF Modimil; Foseco)
Mtodo de modificao do Euttico:Mtodo de modificao do Euttico:
O que acontece???? Veios de SiVeios de Si so transformados em uma forma forma fibrosa e ramificadafibrosa e ramificada envolvida por uma matriz. Macroestrutura (gro)Macroestrutura (gro) NO SE ALTERA!!!NO SE ALTERA!!!. Microestrutura (espaamento)Microestrutura (espaamento)
NO SE ALTERA!!!NO SE ALTERA!!!.
Estrutura modificada apresenta melhores Propriedades MecnicasPropriedades Mecnicas
Ligas Eutticas AlLigas Eutticas Al--SiSi
Ligas Eutticas AlLigas Eutticas Al--SiSi
ATAQUEcido Hidroclordrico 5% 100x
ESTADOBruto de Fuso. Molde de areia
ATAQUEcido Hidroclordrico 5% 100x
ESTADOBruto de Fuso. Molde de areia. Modificado
com adio de sdio no banho lquido
Ligas Eutticas AlLigas Eutticas Al--SiSi
ATAQUEcido Hidroclordrico 5% 250x
ESTADOBruto de Fuso. Molde de areia. Modificado
com adio de sdio no banho lquido,
ATAQUEcido Hidroclordrico 5% 300x
ESTADOBruto de Fuso. Molde refrigerado. Modificado
pelas altas taxas de resfrimento
Explicao:no incio: pensava-se que atuava como centros de nucleaoatualmente: sabe-se que alm de diminuir a temperatura de nucleao,
cresce de forma contnua sem a ocorrncia de repetidas nucleaes e em condies de maiores valores de SRC (Super Resfriamento Composicional)
No afeta a matriz rica em Al A modificao est associada a mudana no mecanismo de crescimento do Si
Ligas Eutticas AlLigas Eutticas Al--SiSi
A modificao est associada a mudana no mecanismo de crescimento do Si Passa da forma facetada para uma forma mais difusa
a) Veios de Si no modificadosb) Modificados por altas taxasc) Modificao por ao qumica
% dos Modificadores:
Sdio: r = 1,58 Amais eficiente que o Srdissolve-se rapidamente no lquido sem oxidarperde seu poder rapidamente (~ 20 min)Adies maiores que 0,02% em peso forma composto
Ligas Eutticas AlLigas Eutticas Al--SiSi
AlSiNa frgil
Estrncio: r = 1,84 Amenos eficiente que o Nadissolve-se rapidamente no lquido, porm oxidatem um poder de durao maiorTeores acima de 0,05% em peso diminui resistncia
mecnica pois forma Al2SrSi2
912 Co
0,77%C0,77%C
2,11 %C2,11 %C1148 Co
4,3%C4,3%C
+ Fe C 3
Lquido
+ Fe C3LL +
LIQUIDO
Ponto 1 Ponto 1 -- 1147 C1147 C oo
Ponto 2 Ponto 2 -- TT
Euttico FeEuttico Fe--C:C:Ligas Eutticas FeLigas Eutticas Fe--CC
CC
CC
CC
CCCC
CCCC
CC
CCCC
CC
CC CC CCCCCC
CC
CC
CC
CCCCCC
CCCC CC
CC
CCCC
CC
CC
Ponto 1
DIFUSODIFUSODO CDO C
Enriquecido com 6,67% de C
Empobrecido para 2,11% de C
Empobrecido para 2,11% de C
AUSTENITAAUSTENITA
CEMENTITACEMENTITA
727 Co
0,77%C0,77%C
% C na Austenita % C na Austenita na temperatura Tna temperatura T
+ Fe C 3
+ Fe C 3Ponto 3 Ponto 3 -- 726 C726 Co
Ponto 3
Perlita
LEDEBURITALEDEBURITA
LIQUIDOPonto 1 Ponto 1 -- Formao dos Formao dos primeiros cristais slidos primeiros cristais slidos de Austenitade Austenita
Ponto 4 Ponto 4 -- 728 C728 C o
4,3%C4,3%C
912 Co
o
0,77%C0,77%C
2,11 %C2,11 %C
1148 Co
+ Fe C 3
Lquido
+ Fe C 3LL +
Ponto 3 Ponto 3 -- 1147 C1147 C o%C na Austenita no resfriamento
Pto 2 Pto 2 -- Temperatura TTemperatura T
Hipoeuttico:Hipoeuttico:Ligas Eutticas FeLigas Eutticas Fe--CC
P.ex.: Fe P.ex.: Fe -- 3,5 %C3,5 %C
727 Co
+ Fe C 3
%C na Austenitaem solidificao
%C no lquido remanescentePonto 2Ponto 2
Dendritas de Austenita
Ponto 3Ponto 3
Ledeburita
(Fe C + )3Lquidoremanescente
Resfriamento rpido:FoFo Branco(perlita e ledeburita)
Resfriamento lento:Fofo Cinzento ferrtico
Ligas Eutticas FeLigas Eutticas Fe--CC
Fofo Cinzento ferrtico(perlita e grafita)
4,3%C4,3%C
912 Co
727 Co
0,77%C0,77%C
2,11 %C2,11 %C
1148 C o
+ Fe C 3
Lquido
+ Fe C3LL +
LIQUIDO
%C na Austenita no resfriamento
Ponto 1 Ponto 1 -- Formao dos Formao dos primeiros cristais primeiros cristais slidos de Cementitaslidos de Cementita
Pto 2 Pto 2 -- Temperatura TTemperatura T
Pto 3 Pto 3 -- 1147 C1147 Coo
Hipereuttico:Hipereuttico:Ligas Eutticas FeLigas Eutticas Fe--CC
Agulhas de Cementita
Ponto 2Ponto 2
Lquidoremanescente
%C no lquidoremanescente
727 Co
+ Fe C 3
Ponto 3Ponto 3
Fe C3
Ledeburita
(Fe C + )3
Mtodos de Modificao em FoFo Branco:variao nas velocidades de solidificao, e consequentemente taxasadio de agentes qumicos modificadores no banho lquido
Principais Modificadores:
Si principal agente nucleante
Ligas Eutticas FeLigas Eutticas Fe--CC
da grafita em veios e aumentaT metaestvel (fofo cinzento)
Mg favorece a formao degrafita nodulares (ndulos)
Ce nodularizante
Ligas Eutticas FeLigas Eutticas Fe--CC
Branco(perlita e ledeburita)
Cinzento(veios grafita e perlita)
Ligas Eutticas FeLigas Eutticas Fe--CC
Nodular(ferrita e ndulos grafita)
Nodular (perlita e ndulos grafita)
Microestruturas de FoFo para vrios % Mg: 0,017%; 0,026% e 0,13% e detalhes de um ndulo de grafita
Ligas Eutticas FeLigas Eutticas Fe--CC
Ligas Peritticas:Ligas Peritticas: Transformao Perittica:
Lquido + (slido)Ligas Monotticas:Ligas Monotticas: Transformao Monottica:
Lquido1 + Lquido2
Ligas Peritticas:Ligas Peritticas: Transformao Perittica: Lquido + (slido)
Apresentam essa transformao os sistemas:Fe-C Cu-SnFe-Ni Cu-Zn
Ligas PeritticasLigas Peritticas
Mistura total no lquido e mistura parcial no slido
No patamar perittico ocorrem 3 fases: Lquido + +
Fora do EquilbrioNo Equilbrio
Ligas PeritticasLigas Peritticas
Liga Pb-20% Bi
Ligas PeritticasLigas Peritticas
Ligas PeritticasLigas Peritticas
Transformao Monottica: Lquido + Lquido
Apresentam essa transformao os sistemas:Al-Bi, Al-In, Bi-Zn,Cu-Pb
Mistura parcial no lquido e
Ligas Monotticas:Ligas Monotticas:
Mistura parcial no lquido emistura parcial no slido
No patamar monottico ocorrem3 fases: Lquido1 + + Lquido2
MICROSCOPIA TICA DE MATERIAIS AOS
Diagrama Fe-C (Aos e Fofo)
MICROSCOPIA TICA DE MATERIAIS AOS
Propriedades x Microestrutura de Aos Microligados (Laminao e Trincas)
Resumo Fases no Sistema FeResumo Fases no Sistema Fe--CC
Diagrama de Schaeffer: Diagrama de Schaeffer: Sistema FeSistema Fe--C (Inox)C (Inox)
MICROSCOPIA TICA DE MATERIAIS
Micrografia de Chapa de Ao SAE 1010 Cementada e Temperada (Bainita)
Micrografia de Ao Microligado ao Nb (V, Ti, Mo, W)
MICROSCOPIA TICA DE MATERIAIS
Micrografia de Ao C AISI 1020 Na Zona Fundida (ZF)
Micrografia de Ao C AISI 1020 Na ZAC de Gros Grosseiros (GG)
Micrografia de Ao
Microligado ao Nb
MICROSCOPIA TICA DE MATERIAIS
Micrografia de Ao
Microligado ao Nb
MICROSCOPIA TICA DE MATERIAIS
Micrografia de Ao ao Mangans Micrografia de Ao Liga
MICROSCOPIA TICA DE MATERIAIS
Micrografia de Ao FeCrC Micrografia de Ao FeCrC+Nb
MICROSCOPIA TICA DE MATERIAIS
Micrografia de Ferro Fundido BrancoHipoeuttico (FoFo Branco)
Micrografia de Ferro Fundido BrancoEuttico (Ledeburita)
MICROSCOPIA TICA DE MATERIAIS
Micrografia de Ferro Fundido Cinzento (Veios de Grafita)
Solidificao Direcional em Liga TiSolidificao Direcional em Liga Ti--FeFe
Diagrama de Equilbrio do Sistema Binrio Eutetide Ti-FeE. S. Lopes, Directionally Solidified Ti-Fe Eutectic Alloy processed by Arc Melting Technique, Submitted to Intermetallics.
Solidificao Direcional em Liga TiSolidificao Direcional em Liga Ti--FeFe
Diagrama Esquemtico do Forno de Fuso Arco para Solidificao DirecionalE. S. Lopes, Directionally Solidified Ti-Fe Eutectic Alloy processed by Arc Melting Technique, Submitted to Intermetallics.
Solidificao Direcional em Liga TiSolidificao Direcional em Liga Ti--FeFe
0.0
0.1
0.2
600
800
1000
12001080oC
T
e
m
p
e
r
a
t
u
r
e
(
C
)
D
T
A
(
V
/
m
g
)
Exo 605oC
F
e
T
i
I
n
t
e
n
s
i
t
y
(
a
.
u
.
)
(
1
1
0
)
As-cast
aFeTi
= 0,2986 nm
-Ti FeTi
D-S
a= 0,3182 nm
Anlise Trmica de DTA da Liga euttica Ti-32,5Fe (%peso) e DRX da Liga Fundida em Forno Arco (As-Cast) e Solidificada Direcionalmente.
E. S. Lopes, Directionally Solidified Ti-Fe Eutectic Alloy processed by Arc Melting Technique, Submitted to Intermetallics.
0 50 100 150 200 250-0.3
-0.2
-0.1
0
200
400
T
e
m
p
e
r
a
t
u
r
e
(
C
)
D
T
A
Time (min) 30 40 50 60 70 80 90
aFeTi
= 0,2996 nm
a= 0,3203 nm
(
2
2
0
)
(
2
1
1
)
(
2
1
1
)
(
2
0
0
)
(
2
0
0
)
(
1
1
0
)
F
e
T
i
I
n
t
e
n
s
i
t
y
(
a
.
u
.
)
2 (Degrees)
(
1
1
0
)
As-cast
Solidificao Direcional em Liga TiSolidificao Direcional em Liga Ti--FeFe
Anlise de Microscopia tica mostrando micrografias da Liga euttica Ti-32,5Fe (%peso)
E. S. Lopes, Directionally Solidified Ti-Fe Eutectic Alloy processed by Arc Melting Technique, Submitted to Intermetallics.
Solidificao Direcional em Liga TiSolidificao Direcional em Liga Ti--FeFe
TEM micrographs in (a) bright field (BF) sign showing the -Ti matrix (bcc) and the cross section of the ordered TiFe fiber phase (cubic). Respective SADP showing orientation
relationship between the (314) // (113)TiFe zone axisE. S. Lopes, Directionally Solidified Ti-Fe Eutectic Alloy processed by Arc Melting Technique, Submitted to Intermetallics.
Solidificao Direcional em Liga TiSolidificao Direcional em Liga Ti--FeFea
b
c
d
e
f
SEM micrographs showing transversal and longitudinal cross-sections at growth rates of (a) and (b) 10 mm/h, (c) and (d) 30 mm/h and (e) and (f) 60 mm/h.
E. S. Lopes, Directionally Solidified Ti-Fe Eutectic Alloy processed by Arc Melting Technique, Submitted to Intermetallics.
b d f
Solidificao Direcional em Liga TiSolidificao Direcional em Liga Ti--FeFe
0.75
1.00
1.25
1.50
1.75
I
n
t
e
r
p
h
a
s
e
S
p
a
c
i
n
g
,
[
m
]
Relationship between the average interspacing (m) and the solidification velocity (mm/h) for directionally solidified Ti-Fe eutectic alloy.
E. S. Lopes, Directionally Solidified Ti-Fe Eutectic Alloy processed by Arc Melting Technique, Submitted to Intermetallics.
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.350.00
0.25
0.50
I
n
t
e
r
p
h
a
s
e
S
p
a
c
i
n
g
,
Linear Regression: = 0.15 + 4.7 V-1/2
Growth Rate, [mm/h]-1/2
Solidificao Direcional em Liga TiSolidificao Direcional em Liga Ti--FeFe
SEM micrographs in BSE sign showing transversal cross-section of Ti-Fe eutectic alloy directionally solidified at v= 30 mm/h in different magnifications.
E. S. Lopes, Directionally Solidified Ti-Fe Eutectic Alloy processed by Arc Melting Technique, Submitted to Intermetallics.
Solidificao Direcional em Liga TiSolidificao Direcional em Liga Ti--FeFe
Evolution of hardness with interphase spacing (m): Vickers microhardness (HVmicro) and nanohardness (HVnano).
E. S. Lopes, Directionally Solidified Ti-Fe Eutectic Alloy processed by Arc Melting Technique, Submitted to Intermetallics.
Solidificao Direcional em Liga TiSolidificao Direcional em Liga Ti--FeFe
Compressive mechanical properties of the Ti-Fe eutectic alloy as a function of the interphase spacings, (m).
Evolution of hardness with interphase spacing (m): Vickers microhardness (HVmicro) and nanohardness (HVnano).
E. S. Lopes, Directionally Solidified Ti-Fe Eutectic Alloy processed by Arc Melting Technique, Submitted to Intermetallics.
Solidificao Rpida Ligas TiSolidificao Rpida Ligas Ti--FeFe--SnSn
XRD patterns of as-cast Ti65Fe35, (Ti65Fe35)99Sn1 and (Ti65Fe35)97Sn3 alloys.
J.H. Han, Ultrafine Eutectic TiFeSn alloys, Journal of Alloys and Compounds 483 (2009) 4446.
Solidificao Rpida Ligas TiSolidificao Rpida Ligas Ti--FeFe--SnSn
SEM secondary electron micrographs of as-cast
Ti65Fe35 (a and b), Ti65Fe35 (a and b), (Ti65Fe35)99Sn1 (c and d)
and (Ti65Fe35)97Sn3 (e and f) alloys.
J.H. Han, Ultrafine Eutectic TiFeSn alloys, Journal of Alloys and Compounds 483 (2009) 4446.
Solidificao Rpida Ligas TiSolidificao Rpida Ligas Ti--FeFe--SnSn
J.H. Han, Ultrafine Eutectic TiFeSn alloys, Journal of Alloys and Compounds 483 (2009) 4446.
Roomtemperature engineering stressstrain curves (a) and SEM micrographs of fracture surface of as-cast Ti65Fe35 (b), (Ti65Fe35)99Sn1 (c) and (Ti65Fe35)97Sn3 (d) alloys.
Solidificao Rpida Ligas TiSolidificao Rpida Ligas Ti--FeFe--SnSn
XRD patterns for
J. Das et al., Bulk ultra-fine eutectic structure TiFeSn alloys, Journal of Alloys and Compounds 434435 (2007) 2831.
XRD patterns for (Ti0.705Fe0.295)100x Snx (x = 0 and 3.85) as-cast rods
and arc-melted ingots.
Solidificao Rpida Ligas TiSolidificao Rpida Ligas Ti--FeFe--SnSn
J. Das et al., Bulk ultra-fine eutectic structure TiFeSn alloys, Journal of Alloys and Compounds 434435 (2007) 2831.
SEM back scattered electron images of: (a) Ti70.5Fe29.5 ingot (near the Cu hearth), inset (near air-cooled region); (b) Ti67.79Fe28.36Sn3.85 ingot; (c) Ti70.5Fe29.5 as-cast rod; (d) Ti67.79Fe28.36Sn3.85 as-cast rod. The micrographs clearly reveal the change in morphology of the eutectic up on Sn addition
Solidificao Rpida Ligas TiSolidificao Rpida Ligas Ti--FeFe--SnSn
J. Das et al., Bulk ultra-fine eutectic structure TiFeSn alloys, Journal of Alloys and Compounds 434435 (2007) 2831.
Room temperature compressive engineering stressstrain curves of the Ti70.5Fe29.5 and Ti67.79Fe28.36Sn3.85 ingots and as-cast rods
Solidificao Rpida Ligas TiSolidificao Rpida Ligas Ti--FeFe--SnSn
J. Das et al., Bulk ultra-fine eutectic structure TiFeSn alloys, Journal of Alloys and Compounds 434435 (2007) 2831.
Room temperature compressive engineering stressstrain curves of the Ti70.5Fe29.5 and Ti67.79Fe28.36Sn3.85 ingots and as-cast rods
Amorfos em Eutticos BinriosAmorfos em Eutticos Binrios
M.F. de Oliveira et al., Topological instability and glass forming ability of amorphous alloys, Intermetallics 17 (2009) 183185
Diagrama de Equilbrio do Sistema Binrio Cu-Zr
Amorfos em Eutticos BinriosAmorfos em Eutticos Binrios
M.F. de Oliveira et al., Topological instability and glass forming ability of amorphous alloys, Intermetallics 17 (2009) 183185
Variation of lminDe in the ZrCu diagram. The vertical dashed lines indicate the experimental ranges of BMGs reported for the ZrCu system and the arrows indicate the intermetallic stable compositions [13]. The symbols mark the lowest calculated critical cooling rates
Amorfos em Eutticos BinriosAmorfos em Eutticos Binrios
M.F. de Oliveira et al., Topological instability and glass forming ability of amorphous alloys, Intermetallics 17 (2009) 183185
Diagrama de Equilbrio do Sistema Binrio Ti-Ni
Amorfos em Eutticos BinriosAmorfos em Eutticos Binrios
M.F. de Oliveira et al., Topological instability and glass forming ability of amorphous alloys, Intermetallics 17 (2009) 183185
Variation of mine in the TiNi diagram. The experimental points for the alloy (open symbols) were produced by melt-spinning [15].
Phase Field Simulation of SolidificationPhase Field Simulation of Solidification
Multiphase microstructures formed in the terminal stages of solidification in (a) AlSi 7Mg 0.6as cast, (b) FeC 0.9Cr 4Mo 5W 6.5thixo cast, (c) CuSn 12Ni 2as cast and in ternary AlCuAg alloys after unidirectional solidificationin cross section of Al70Cu13Ag17 (at%)
U. Hecht et al., Multiphase solidification in multicomponent alloys, Materials Science and Engineering R 46 (2004) 149
Phase Field Simulation of SolidificationPhase Field Simulation of Solidification
U. Hecht et al., Multiphase solidification in multicomponent alloys, Materials Science and Engineering R 46 (2004) 149
With increasing Cr-content in ternary FeCCr alloys the d-ferrite field extends to higher carbon content than in the binary FeC system.
Phase Field Simulation of SolidificationPhase Field Simulation of Solidification
U. Hecht et al., Multiphase solidification in multicomponent alloys, Materials Science and Engineering R 46 (2004) 149
Isothermal cut through the phase diagram of the ternary alloy system AlCuAg at T = 505 8C.
Univariant and nonvariant reactions on the liquidus surface of the AlCuAg system.
Phase Field Simulation of SolidificationPhase Field Simulation of Solidification
U. Hecht et al., Multiphase solidification in multicomponent alloys, Materials Science and Engineering R 46 (2004) 149
Phase Field Simulation of SolidificationPhase Field Simulation of Solidification
Multiphase patterns in ternary AlCuAg alloys after unidirectional solidification: eutectic cells in longitudinal (a) and cross section (b) of AlCu 13.66 at.%Ag 10.27 at.% and a three-phase eutectic pattern (c) in cross section of AlCu 13.6 at.%Ag 16.4 at.%.
U. Hecht et al., Multiphase solidification in multicomponent alloys, Materials Science and Engineering R 46 (2004) 149
Phase Field Simulation of SolidificationPhase Field Simulation of Solidification
Cross section through an array of elongated cells of the ternary alloy Al70Cu13Ag17 (at%) after unidirectional solidification in a temperature gradient G = 27x103 K/m with a velocity v = 1.42x10-6m/s (a) and snapshot of the three-phase eutectic pattern obtained for a 3D simulation for G = 5x103 K/m and v = 0.5x10-6 m/s (b). For both images (a) and (b), the phases are Ag2Alwhite, Al2Culight grey, a(Al)dark grey.
U. Hecht et al., Multiphase solidification in multicomponent alloys, Materials Science and Engineering R 46 (2004) 149
Phase Field Simulation of SolidificationPhase Field Simulation of Solidification
Cross section through the three-phase eutectic pattern of the ternary alloy Al70Cu13Ag17 (at%) after unidirectional solidification in a temperature gradient G = 27x103 K/m with a velocity v = 1.42x10-6 m/s (a) and snapshot of the three-phase eutectic pattern obtained for a 3D simulation for G = 5x103 K/m and v = 0.5x10-6 m/s (b). For both images (a) and (b), the phases are Ag2Alwhite, Al2Culight grey, a(Al)dark grey.U. Hecht et al., Multiphase solidification in multicomponent alloys, Materials Science and Engineering R 46 (2004) 149
Phase Field Simulation of SolidificationPhase Field Simulation of Solidification
Solidification of FeC 1 at.%Mn 1 at.% at a cooling rate of 1 K/s in a temperature gradient of 20 103 K/m. Shown are the composition maps of carbon and manganese in atom fractions as well as the phase map.U. Hecht et al., Multiphase solidification in multicomponent alloys, Materials Science and Engineering R 46 (2004) 149
Phase Field Simulation of SolidificationPhase Field Simulation of Solidification
2D dendritic solidification of a binary NiCu alloy as predicted by the phase field theory at 1574 K and a supersaturation of 0.8. By the end of solidification about 300 dendritic particles form. The calculation has been performed on a 3000 3000 grid. In (a) the color map represents compositions, with yellow and blue corresponding to the solidus and liquidus compositions, respectively. In (b) the colors denote crystallographic orientations.U. Hecht et al., Multiphase solidification in multicomponent alloys, Materials Science and Engineering R 46 (2004) 149
Phase Field Simulation of SolidificationPhase Field Simulation of Solidification
Equiaxed solidification in hypo-eutectic (cCu = 0.3), eutectic (cCu = 0.35), and hyper-eutectic (cCu = 0.4) Ag-Culiquids at 900 K as simulated by the phase field model. Composition maps are shown in the top row, the respective orientation maps are in the bottom row. The simulations were performed in 2D on a 1000 1000 grid.
U. Hecht et al., Multiphase solidification in multicomponent alloys, Materials Science and Engineering R 46 (2004) 149
Phase Field Simulation of SolidificationPhase Field Simulation of Solidification
Heterogeneous crystal nucleation on rough (sinusoidal) surfaces in a binary liquid as predicted by the phase field simulations. Composition maps are shown (liquidusblue, solidusyellow, graywallsU. Hecht et al., Multiphase solidification in multicomponent alloys, Materials Science and Engineering R 46 (2004) 149
Precipitation HardeningPrecipitation Hardening The strength and hardness of some metal
alloys may be improved by the formation of extremely small, uniformly dispersed particles (precipitates) of a second phase within the original phase matrix.Other alloys that can be precipitation Other alloys that can be precipitation hardened or age hardened:
Copper-beryllium (Cu-Be) Copper-tin (Cu-Sn) Magnesium-aluminum (Mg-Al) Aluminum-copper (Al-Cu) High-strength aluminum alloys
Criteria:Maximum solubility of 1 component in the other (M);Solubility limit that rapidly decreases with decrease in temperature (MN).Process:Solution Heat Treatment first heat
Phase Diagram for Precipitation Hardened Alloy
Solution Heat Treatment first heat treatment where all solute atoms are dissolved to form a single-phase solid solution.Heat to T0 and dissolve B phase.Rapidly quench to T1Nonequilibrium state ( phase solid solution supersaturated with B atoms; alloy is soft, weak-no ppts).
The supersaturated solid solution is usually heated to an intermediate temperature T2within the + region (diffusionrates increase).
The precipitates (PPT) begin to form as finely dispersed particles. This process is
Precipitation Heat Treatment the 2nd stage
particles. This process is referred to as aging.
After aging at T2, the alloy is cooled to room temperature.
Strength and hardness of the alloy depend on the ppt temperature (T2) and the aging time at this temperature.
L+L
+
+L
300
400
500
600
700T(C) CuAl2
A
Precipitation HardeningPrecipitation Hardening Particles impede dislocation motion. Ex: Al-Cu system Procedure:
-- Pt B: quench to room temp.(retain solid solution)
-- Pt C: reheat to nucleate
-- Pt A: solution heat treat(get solid solution)
C
0 10 20 30 40 50wt% Cu
300(Al)
composition range available for precipitation hardening
-- Pt C: reheat to nucleatesmall particles within phase.
Temp.
Time
Pt A (solution heat treat)
B
Pt B
Pt C (precipitate )
At room temperature the stable state of an aluminum-copper alloy is an aluminum-rich solid solution () and an intermetallic phase with a tetragonal crystal structure having nominal composition CuAl2 ().
Precipitation Heat Treatment the 2nd stage
PPT behavior is represented in the diagram:
With increasing time, the hardness increases, reaching a maximum (peak), then decreasing in strength.
The reduction in strength and hardness after long periods is overaging (continued particle growth). Small solute-enriched regions in a
solid solution where the lattice is identical or somewhat perturbed from that of the solid solution are called Guinier-Preston zones.
Hard precipitates are difficult to shear.
Ex: Ceramics in metals (SiC in Iron or Aluminum).
Large shear stress needed
to move dislocation toward precipitate and shear it.
Side View
precipitate
PRECIPITATION STRENGTHENINGPRECIPITATION STRENGTHENING
24
Top View
Slipped part of slip plane
Unslipped part of slip plane
S
Dislocation advances but
precipitates act as pinning sites with spacing S.
Result:
y ~1S
Several stages in the formation of the equilibrium PPT () phase. (a)supersaturated solid solution; (b)transition () PPT phase; (c)equilibrium phase within the matrix phase.
2014 Al Alloy: TS peak with precipitation time. Increasing T accelerates
process.
Influence of Precipitation Heat Treatment Influence of Precipitation Heat Treatment on Tensile Strength (TS), %ELon Tensile Strength (TS), %EL
%EL reaches minimumwith precipitation time.
precipitation heat treat time
t
e
n
s
i
l
e
s
t
r
e
n
g
t
h
(
M
P
a
)
200
300
400
100 1min 1h 1day 1mo 1yr
204C149C
%
E
L
(
2
i
n
s
a
m
p
l
e
)
10
20
30
0 1min 1h 1day 1mo 1yr
204C 149C
precipitation heat treat time
Effects of Temperature
Characteristics of a 2014 aluminum alloy (0.9 wt% Si, 4.4 wt% Cu, 0.8 wt% Mn, 0.5 wt% Mg) at 4 different aging Mg) at 4 different aging temperatures.
Aluminum rivetsAluminum rivets
Alloys that experience significant precipitation hardening at room temp and after short periods must be quenched to and stored under refrigerated conditions.
Several aluminum alloys that are used for rivets exhibit this behavior. They are driven while still soft, then allowed to age harden at the normal room temperature.
Peritectic SolidificationPeritectic Solidification
Peritectic Reaction All three phase in contact (, and liquid)
Peritectic Transformation Liquid and are separated by B phase Liquid and are separated by B phase
l
Reaction
l
Transformation
Growth of Growth of
Diffusional Growth
Mass Balance at interface
D dCdx
=
= V C dx x= 0
2 interfaces/ and /l
DdCdx
x= x
=
dxdt
C C[ ]
DdCdx
x= x l
=
dxldt
Cl Cl [ ]
C C Cl Cl
Stainless SteelsStainless SteelsPeritectic/Eutectic TransformationPeritectic/Eutectic Transformation
5 Modes ofSolidification
AC -AcicularNet -NetworkVm- VermicularD - DendriticD - DendriticID - Interdendritic
Phase Selection in Stainless Phase Selection in Stainless SteelsSteels
Slab Production: StainlessSlab Production: Stainless