Resumo: A imposição de uma ampla gama de condições operacionais em processos de fundição e lingotamento tem como decorrência direta a geração de uma diversidade de estruturas de solidificação. Parâmetros estruturais como tamanho de grão e espaçamento interdendrítico são bastante influenciados pelo comportamento térmico do sistema metal/molde durante a solidificação, impondo, conseqüentemente, uma correlação estreita entre este e a microestrutura resultante. As propriedades mecânicas de uma liga em seu estado bruto de solidificação dependem do arranjo microestrutural que se define no processo de solidificação. Nestas condições, tamanho de grão, espaçamentos interdendríticos, eventuais porosidades, produtos segregados e outras fases, é que irão definir o comportamento mecânico da liga, representado por tensões e/ou deformações. Expressões que correlacionam o comportamento mecânico com parâmetros da microestrutura são muito úteis para se buscar uma forma de planejamento prévio das condições de solidificação, em função de um determinado nível de resistência mecânica que se pretenda alcançar, ou seja, estabelecer um caminho de programação da microestrutura e das propriedades mecânicas. Neste particular, a literatura apresenta relações entre o limite de escoamento do material com o tamanho de grão, como a conhecida equação de Hall-Petch. Este trabalho avança nessa direção na busca de relações entre comportamento mecânico no campo plástico, espaçamentos dendríticos secundários e condições de solidificação. Para a análise de uma importante variável da solidificação em moldes de boa difusividade de calor, qual seja o coeficiente de transferência de calor metal/molde
('H IND. I¿), foram escolhidas como base de estudo ligas do sistemas Sn-Pb com composições Sn- 5% Pb, Sn- 10% Pb; Sn- 20% Pb; Sn- 38,1% Pb (eutética) além do elemento estanho. Essa escolha decorreu da facilidade de manipulação dessas ligas em laboratório e principalmente por possuírem propriedades termofisicas conhecidas. Neste particular foram investigadas as influências das seguintes condições operacionais sobre 'H IND. I¿ : espessura do molde, superaquecimento do metal líquido e magnitude do intervalo de solidificação. O confronto de resultados experimentais relativos à distribuição de temperaturas no metal e no molde durante a solidificação e resultados de simulação com um modelo numérico permitiram a obtenção de expressões, para cada caso, relacionando 'H IND. I¿ em função do tempo. Foi também analisada a transferência de calor da superfície externa do molde para o meio ambiente e desenvolvidas expressões que correlacionam o coeficiente de "transferência de calor molde/ambiente ('H IND. AMB¿), também em função do tempo. Para a correlação de parâmetros de estrutura dendrítica e propriedades mecânicas foram escolhidas as seguintes ligas do sistema AI-Cu: AI- 4,5% Cu; AI- 15% Cu. A mesma análise referente a 'H IND. I¿ e ('H IND. AMB¿ já mencionada foi estendida a essas ligas incluindo a liga de composição eutética (AI- 33% Cu) e o alumínio puro. Apoiados em resultados de ensaios de solidificação padronizados, espaçamento dendrítico secundário (EDS), e apoiados em modelos matemáticos de transferência de calor e de crescimento dendrítico, desenvolveram-se expressões correlacionando o limite de resistência à tração ('delta¿ 'mu¿) e o alongamento específico ('delta¿) como função de variáveis do sistema metal/molde, estabelecendo-se um caminho de programação da estrutura dendrítica e do nível de resistência como função de condições operacionais pré-estabelecidas no processo de solidificação Ver menos

Abstract: The imposition of a wide range of operational conditions in foudry and static casting generates, as a direct consequence, a diversity of solidification structures. Structural parameters such as grain size and interdendrictic spacings are highly influenced by the thermal behavior of the metal/mold system. during solidification, consequently imposing a close correlation between the described system and the resulting microstructure. The mechanical properties of an alIoy in its crude state of solidification depend on the microstructural arrangement defined in the solidification process. Under the circumstances, the mechanical behavior of the alIoy, represented by stresses and/or strains, wilI be defined by grain size, interdendritic spacings, casual porosities, segregated products and other phases. Expressions correlating the mechanical behavior with microstructural parameters are very useful in order to search for a type of previous planning of the solidification conditions in terms of a determined leveI of mechanical resistance which is intended to be attained, e.g. to settle a way of programming the microstructure and the mechanical properties as well. Particularly, the literature in this field presents relations between the yield strength of the material and the grain size, such as the renowned HalI-Petch's equation. The present work advances in that direction, in search of relations among mechanical behavior in the plastic field, secondary dendritic spacings and solidification conditions. In order to analyze an important variable of solidification in molds with good heat diffusivity, like the metal/mold heat transfer coefficient, alloys of the Sn-Pb system - with compositions Sn- 5%Pb, Sn- 10%Pb, Sn- 20%Pb, Sn- 38,1%Pb (eutectic) - besides the element tin, were chosen. The choice was made because such alloys are easily handled in laboratory and chiefly because their thermophysical properties are well known. Particularly the influences of the following operational conditions on 'H IND. I¿ were investigated: mold thickness, liquid metal superheating and magnitude of the solidification range. Experimental results related to the distribution of temperatures in metal and mold during solidification, as compared with the results of simulation with a numerical model, made it possible to attain of expressions, for each case, by relating hi in terms of time. Heat transfer from the external surface of the mold to the environment was also analyzed; in the same manner, expressions were developed correlating the mold/environment heat transfer coefficient ('H IND. AMB¿) in terms of time as well. To correlate parameters of dendritic structures and mechanical properties, the following alloys of the AI-Cu system were chosen: AI- 4,5%Cu; AI- 15%Cu. The same aforementioned analysis referring to 'H IND. I¿ and hAmbwas extended to those alloys including the one of eutectic composition ( AI- 33%Cu ) and pure aluminum. Based upon results of standardized solidification tests, secondary dendritic spacing ( EDS ) and upon mathematical models of heat transfer and dendritic growth, expressions were developed correlating the ultimate tensile strength ('delta¿ 'mu¿) and specific elongation ('delta¿) as a function of variables of the metallmold system. Thus it was a way towards the programming of the dendritic structure and the leveI of resistance as a function of preestablished operational conditions in the solidification process Ver menos