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Capítulo 09 - Estruturas Longe das Condições de Equilíbrio

Tópico 9.3. Envolvimento Durante a Solidicação

O envolvimento é um tipo de estrutura fora de equilíbrio produzida por um resfriamento rápido através de uma temperatura peritética. A reação peritética é um tipo de reação invariante (1) (Veja Capítulo 8, Diagramas de Equilíbrio) e envolve três fases em equilíbrio. Por esta transformação, durante o resfriamento, uma fase líquida e uma fase sólida se transformam numa outra fase sólida:

(9.1)

As estruturas peritéticas quase sempre apresentam um afastamento do equilíbrio, porque o produto da reação peritética, a fase sólida , forma-se na interface entre e o líquido, e cria uma barreira à difusão dos átomos.
Considere uma liga de composição global , conforme mostrado na Figura 9.c. A primeira porção de sólido a se formar a partir do líquido de composição - quando resfriada em condições de equilíbrio (2) até à temperatura - tem composição . A composição média dos sólidos segue a linha de solidus de equilíbrio (3) até . Na reação peritética que ocorre em condições de equilíbrio, toda a fase sólida e todo o líquido peritético irão se combinar para formar uma fase sólida de composição . Para que esta reação ocorra, os átomos de B do líquido devem se mover até a superfície de e criar uma fina concha de , que envolve a fase (ver animação no canto superior direito da Figura 9.c). Uma nova quantidade de será agora produzida na interface entre e , pelos átomos de B que se difundem para dentro, e entre e , pelos átomos de A, provenientes de , que se difundem para fora. À medida que a concha de se torna mais espessa, a distância para difusão na fase sólida aumenta e a velocidade de crescimento da concha será menor.
Se a velocidade de resfriamento através da temperatura peritética for muito alta, não haverá tempo suficiente para que a reação chegue ao fim nem todo o líquido será consumido na reação com para produzir a fase . Uma parte do líquido se solidificará durante o resfriamento através da região . A microestrutura a ser produzida será constituída de grãos de envolvidos por uma camada de . Adicionalmente, poderá ocorrer também, durante um resfriamento rápido, um zoneamento (Veja Tópico anterior, 9.2). Nesse caso, tanto os grãos de como os de envolvente se apresentarão zonados. As peças metálicas fundidas, cujas microestruturas apresentem zoneamento e envolvimento, freqüentemente são submetidas a um tratamento térmico para homogeneizar a estrutura. Elas são reaquecidas a uma temperatura elevada, abaixo da temperatura de fusão, e a difusão produz uma estrutura mais homogênea. Se o material não homogeneizado for dúctil, o tratamento de homogeneização poderá ser abreviado consideravelmente, laminando-se ou forjando-se a peça fundida antes do reaquecimento, pois novos rearranjos atômicos ocorrem mais prontamente num material deformado plasticamente.

Figura 9.c- O envolvimento pode ocorrer durante uma reação peritética quando a velocidade de resfriamento é muito alta. Se a velocidade de resfriamento é próxima das condições de equilíbrio (muito lenta), não ocorrerá o envolvimento. No canto superior direito da imagem é mostrada uma animação da evolução da microestrutura de um grão em função da temperatura e do tipo de resfriamento (em condições de equilíbrio ou muito rápido).
Notas:
(1) Reações invariantes são reações de tipo padrão, que não variam, que fornecem sempre um determinado resultado. Os tipos mais conhecidos são:
a- No resfriamento, uma fase se separa em duas outras fases;
b- No resfriamento, duas fases reagem para produzir uma terceira fase, distinta das duas iniciais;
(2) Em condições de equilíbrio: resfriamento muito lento, sem variações bruscas em nenhuma das condições experimentais.
(3) Linha de solidus é a linha do diagrama que separa o campo da fase do campo das fases