Segregações -Heterogeneidade Química

Características Gerais

É outro tipo de defeito que pode ocorrer em peças fundidas, também denominado hetereogeneidade química.

O que é: é a distribuição heterogênea de elementos de liga e impurezas dentro da estrutura do material
Causa: é provocada pela solidificação fora das condições previstas pelo diagrama de equilíbrio
Mecanismo de formação: Como este mecanismo de formação de defeitos é um pouco mais complexo, será descrito com mais detalhes.

Origem da Segregação

A solidificação de ligas metálicas ocorre em geral conforme a faixa de temperaturas mostrada na figura (exceto no caso de ligas eutéticas).

O metal ao ser resfriado atinge a temperatura liquidus. Nesta temperatura surgem os primeiros núcleos sólidos.
Na continuidade surgem mais núcleos e crescem os núcleos existentes.
Em condições de equilíbrio (resfriamento lento) , cada partícula sólida na mistura L+S possui a composição correspondente à linha solidus.
Por sua vez o líquido tem a composição ditada pela linha liquidus.

Exemplo: Para melhor entendimento, abaixo pode ser observado o exemplo da evolução da composição química do sólido e do líquido, no processo de solidificação de uma liga de cobre com 40 % Ni.

Observe que o primeiro sólido formado possui 52% de Ni.
Durante a solidificação, a composição se altera de 52 a 40% de Ni, que é a composição média original da liga.
Como resultado a composição química nestas condições é homogênea ao longo do grão.

Na maioria dos casos reais a velocidade de solidificação não é baixa o suficiente para garantir as condições de equilíbrio, portanto o resultado não é ideal.

Ilustra-se a seguir o caso real de resfriamento em situação de não equilíbrio. Ou seja, esfriamento onde não há tempo para homogeneização química.
As partículas assim formadas terão , ao crescerem, diferentes composições na periferia e no núcleo.A ilustração refere-se à mesma liga Cu- 40% Ni .

Observa-se que a temperatura na qual termina a solidificação é inferior àquela obtida sob condições de equilíbrio. (Este fato possibilitará a ocorrência do fenômeno de liquação, comentado mais adiante).

Note que a composição do sólido, ao invés de seguir a linha solidus (como no exemplo anterior) segue a linha tracejada devido à falta de tempo para homogeneização da composição ao longo do grão.

O resultado final é que os grãos formados possuem um gradiente de composição química, isto é, a composição varia do centro para a periferia do núcleo.
Ocorre formação de zonas de distintas composições químicas dentro do grão, C1,C2,C3,C4,C5, conforme mostrado abaixo:

Observe que não se tratam de grãos concêntricos, pois não há contornos de grão entre uma zona e outra. As zonas situam-se dentro do grão e freqüentemente não são perceptíveis em exame microscópico.

Este tipo de heterogeneidade química (segregação) que se desenvolve dentro do grão é denominada de zonamento.

Consequências

A presença de segregação traz como conseqüência o fato de que o último líquido a se solidificar (e que se situa no contorno de grão) , tem temperatura de fusão mais baixa que o resto do material (mais baixa inclusive do que aquela prevista pelo diagrama de equilíbrio).

No caso de um reaquecimento da peça (por exemplo, no tratamento térmico posterior), pode ocorrer fusão (localizada) da região do contorno de grão, enquanto o centro do grão permanece sólido. Esta fusão localizada do contorno recebe o nome de liquação e resulta em intensas distorções dimensionais na peça (grandes empenhamentos) chegando a inutilizá-las.

A presença de impurezas tende a agravar o fenômeno, na medida em que as mesmas tendem a serem rejeitadas, durante a solidificação, dos núcleos sólidos para o líquido remanescente, resultando em concentrações elevadas nos contornos de grão.

Outros Tipos de Segregação

Além do zonamento (que é uma microssegregação), existem outros tipos de heterogeneidades químicas, tais como:

Macrossegregação (normal e inversa):
A macrossegregação tem a mesma origem da microsegregação, isto é, é causada pela rejeição de soluto do sólido para o líquido durante a solidificação. A diferença está no fato de que a macrossegregação ocorre ao longo da peça (e não apenas dentro do grão).
Uma vez que a solidificação ocorre da parede do molde para o centro da peça, é comum que ocorra aumento da concentração de solutos da periferia para o centro da peça. Este tipo de macrossegregação é denominada de segregação normal.

Como a macro e a microsegregação tem a mesma origem, as peças fundidas costumam ter simultaneamente heterogeneidade dos dois tipos.

Em alguns casos, particularmente nas ligas com grande intervalo de solidificação, o líquido presente entre as dendritas é bombeado para trás da frente de solidificação. Portanto a concentração de soluto diminui da periferia para o centro da peça e este tipo de segregação é denominado segregação inversa. Aqui há casos onde o líquido (rico em impurezas) chega a sair pelas paredes da peça (a peça “transpira”), sendo tal fenômeno denominado exsudação.

Segregação gravimétrica:
É outro tipo de segregação, que tende a ocorrer quando a composição química da liga é tal que, durante a solidificação formam-se fases sólidas com densidades muito diferentes.
Durante a solidificação em ferros fundidos nodulares, forma-se primeiro a grafita (baixa densidade) no metal líquido (maior densidade). Portanto a grafita tende a boiar (fenômeno denominado de flotação). As grafitas flotantes podem movimentar-se e alinharem-se na peça, criando uma região de concentração