Influência da convecção termossolutal na transição colunar/equiaxial em ligas Al-Si sob condições unidirecionais e transitórias de extração de calor

A relação entre macroestrutura e propriedades mecânicas de um material tem sido objeto de intensa investigação pois o tamanho dos grãos, a orientação cristalina e a distribuição dos mesmos exercem influência direta no comportamento mecânico dos produtos acabados. Assim, o entendimento dos fatores que influenciam a formação das zonas estruturais coquilhada, colunar e equiaxial nos materiais fundidos como, por exemplo, o sistema de liga, composição da liga, temperatura de vazamento, temperatura do molde, material do molde, coeficientes de transferência de calor na interface metal/molde, taxa de resfriamento, gradientes térmicos, dimensão da peça, presença de convecção no líquido, transporte de soluto, etc é de fundamental importância para a melhoria da eficiência do processo de fundição envolvido. Com base no conhecimento dos princípios termofísicos em que essas zonas são formadas, é possível manipular de forma bastante razoável a estrutura dos produtos fundidos e, conseqüentemente, as propriedades mecânicas dos mesmos. Tendo como principal foco a análise da mudança da zona colunar para a equiaxial, este trabalho apresenta um estudo teórico-experimental sobre a transição colunar/equiaxial (TCE) das ligas hipoeutéticas Al- 3%Si, Al-7%Si Al-9%Si solidificadas unidirecionalmente em um dispositivo horizontal refrigerado a água sob condições transientes de fluxo de calor. A condição de contato térmico na superfície de extração de calor foi padronizada como sendo polida. Os perfis térmicos foram medidos em diferentes posições do lingote e os dados foram armazenados automaticamente. Um método numérico é utilizado na determinação de variáveis térmicas de solidificação como coeficientes de transferência de calor na interface metal/molde (h_i), velocidades das isotermas liquidus (V_L), gradientes térmicos (G_L) e taxas de resfriamento (T_R) que influenciam diretamente a referida transição estrutural. Os resultados teóricos e experimentais apresentaram boa concordância. Um estudo comparativo entre os resultados obtidos neste trabalho e valores propostos na literatura para analisar a TCE durante a solidificação unidirecional vertical ascendente sob condições transientes de extração de calor das ligas investigadas, também é apresentado.

Projeto, construção e aferição de um dispositivo de solidificação unidirecional horizontal refrigerado à água

O estudo das estruturas de solidificação em função dos parâmetros térmicos é de fundamental importância para o comportamento mecânico dos materiais metálicos. Assim, tais estruturas são bastante influenciadas pelas condições de extração de calor do sistema metal/molde durante o processo de solidificação. Considerando o exposto, o principal objetivo deste trabalho é projetar, construir e aferir um dispositivo capaz de representar o processo de solidificação unidirecional horizontal refrigerado à água onde o efeito da convecção solutal é considerado. A aferição do dispositivo de solidificação em questão foi realizada através da avaliação da unidirecionalidade dos grãos colunares por meio da caracterização das macroestruturas das ligas Al-4%Cu, Sn-5%Pb, Sn-15%Pb e Sn-20%Pb. Os resultados experimentais obtidos da posição da isoterma liquidus em função do tempo são comparados com aqueles fornecidos por um modelo numérico proposto na literatura. Finalmente, é realizada uma comparação entre os valores dos coeficientes de transferência de calor na interface metal/molde levantados no dispositivo construído, com aqueles obtidos por outros trabalhos desenvolvidos recentemente para o caso da solidificação unidirecional vertical ascendente e descendente.

Variáveis térmicas de solidificação, espaçamento dentríticos secundários e resistência à corrosão de ligas hipoeutéticas Al-Ni

No presente trabalho, é realizada uma seqüência de experimentos com ligas hipoeutéticas Al-Ni para analisar a solidificação unidirecional vertical ascendente em condições transitórias de fluxo de calor. Abordagens experimentais são desenvolvidas para a determinação quantitativa de variáveis térmicas de solidificação, tais como: tempos locais de solidificação; velocidades de deslocamento das isotermas liquidus; taxas de resfriamento à frente da isoterma liquidus e gradientes térmicos à frente da interface sólido / líquido. O trabalho analisa também a dependência dos espaçamentos dendríticos secundários em relação às variáveis térmicas de solidificação e ao teor de soluto das ligas, além de relacionar estes parâmetros com a resistência à corrosão destas ligas. Esses parâmetros dendríticos experimentais, referentes à solidificação das ligas Al - 1, 1,4 e 1,8 % Ni, não puderam ser comparados com os principais modelos teóricos de crescimento dendrítico da literatura, pois, para as ligas em estudo há uma escassez de propriedades termofísicas, impossibilitando assim esta comparação. O comportamento corrosivo é analisado pela técnica de polarização potenciodinâmica e técnica de polarização potenciodinâmica cíclica conduzidas em solução de 3,5% NaCl em temperatura ambiente, estruturas dendríticas mais grosseiras tendem a aumentar as taxas de corrosão das ligas hipoeutéticas do sistema Al-Ni. Os resultados experimentais obtidos através de ensaios de corrosão são correlacionados com a microestrutura dendrítica. Dessa forma, são determinadas tendências experimentais de crescimento dendrítico e resistência à corrosão para a solidificação unidirecional vertical ascendente.

Influência das variáveis térmicas sobre os espaçamentos dendríticos terciários durante a solidificação direcional horizontal da liga Al-6%Cu

A liga Al-6%Cu foi solidificada direcionalmente sob condições transitórias de extração de calor e microestruturas dendríticas, variáveis térmicas de solidificação, ou seja, velocidade de deslocamento da isoterma líquidus (V_L), taxa de resfriamento (T_R) e gradiente de temperatura à frente da isoterma liquidus (G_L) foram caracterizadas, determinadas experimentalmente e correlacionadas com os espaçamentos dentríticos terciários (λ₃). Para tanto, foi projetado, construído e aferido um dispositivo de solidificação direcional horizontal. Os resultados encontrados mostram que leis de potência -1,1 e -0,55 caracterizam a variação dos espaçamentos terciários com a velocidade de deslocamento da isoterma liquidus (V_L) e a taxa de resfriamento (T_R), respectivamente. Finalmente, é realizado um estudo comparativo entre os resultados obtidos neste trabalho e aqueles publicados na literatura para ligas Al-Cu solidificadas direcionalmente sob condições transientes de fluxo de calor nos sistemas verticais ascendente e descendente.

Espaçamentos dendríticos primários da liga Sn-5%Pb solidificada direcionalmente em um sistema horizontal

Este trabalho desenvolve um estudo teórico-experimental sobre a correlação entre parâmetros térmicos e os espaçamentos dendríticos primários da liga Sn-5%Pb solidificada direcionalmente em um sistema horizontal sob condições transientes de extração de calor. Os perfis de temperatura foram medidos em diferentes posições do lingote e os dados obtidos foram armazenados automaticamente. São apresentados resultados para o coeficiente de transferência de calor na interface metal/molde o qual foi calculado a partir de uma análise comparativa entre os perfis térmicos experimentais e valores teóricos fornecidos por um modelo numérico. Um método teórico-experimental é aplicado para determinar as velocidades de deslocamento da isoterma liquidus e as taxas de resfriamento. Os resultados teóricos e experimentais levantados apresentaram boa concordância. Um estudo comparativo é realizado entre os dados encontrados neste trabalho e aqueles apresentados na literatura para os espaçamentos dendríticos primários da liga investigada quando solidificada direcionalmente nos sistemas verticais ascendente e descendente, sob as mesmas condições assumidas neste trabalho. A análise das microestruturas indica que os espaçamentos dendríticos primários são bastante influenciados pelos parâmetros térmicos de solidificação.

Influence of thermal parameters on the dendritic arm spacing and the microhardness of Al-5.5wt.%Sn alloy directionally solidified

As ligas Al-Sn são amplamente utilizados em aplicações tribológicas. Nesse estudo, análises térmica, microestrutural e dureza (HV) foram realizadas ao longo de um lingote da liga Al-5,5%Sn, obtido por solidificação direcional horizontal transitória. Os principais parâmetros analisados incluem a velocidade de deslocamento da isoterma liquidus (V_L) e a taxa de resfriamento (T_R). Esses parâmetros térmicos desempenham um papel fundamental na formação da microestrutura. A microestrutura dendrítica foi caracterizada através dos espaçamentos dentríticos primários (λ₁), os quais foram determinados, experimentalmente, e correlacionados com V_L, e T_R. O comportamento apresentado pela liga Al- 5,5% Sn, durante a solidificação,é semelhante ao de outras ligas de alumínio, isto é, observa-se rede dendrítica mais grosseira com a diminuição da taxa de resfriamento, indicando que a imiscibilidade entre o alumínio e estanho não tem um efeito significativo sobre o relação entre o espaçamento dendrítico primário e taxa de resfriamento. A dependência da microdureza em V_L, T_R e no λ₁ foi também analisada. Verificaram-se menores valores de HV para maiores T_R. Por outro lado, os valores HV aumentam com valores crescentes de λ₁.

Magmatism and fenitization in the Cretaceous potassium-alkaline-carbonatitic complex of Ipanema So Paulo State, Brazil

The Ipanema alkaline-carbonatitic complex is part of the Meso-Cenozoic alkaline magmatism located within the southeastern part of the Brazilian Platform. Drill-core and field sampling have indicated the occurrence of glimmerites, with subordinate shonkinites (mela-syenites), clinopyroxene-bearing glimmerites, diorites and syenites. The glimmerites are cross-cut by lamprophyric dykes and calciocarbonatites. Fenitization has deeply affected the country rocks, originating dioritic and syenitic rocks. The Ipanema rocks show a distinct potassic affinity. The initial Sr-Nd- isotopic composition of the Ipanema rocks ((87)Sr/(86)Sr = 0.70661-0.70754 and (143)Nd/(144)Nd = 0.51169-0.51181) is similar to that of tholeiitic and potassium-rich-alkaline rocks of the Eastern Paraguay. Stable isotope data for the Ipanema calciocarbonatite suggest interaction with fluids at temperatures typical of hydrothermal stages, as hypothesized for other carbonatite complexes from southeastern Brazil. The chemical differences between the lamprophyre, glimmerites, carbonatites, apatitites and magnetitites, and the absence of marked REE enrichment in the evolved lithologies, all indicate that fractional crystallization and accumulus of liquidus phases in a magma reservoir, likely coupled with liquid immiscibility processes, may have played an important role in the genesis of the Ipanema rocks.

Crystallization conditions and controls on trace element residence in the main minerals from the Pedra Branca Syenite, Brazil: An electron microprobe and LA-ICPMS study

Major and trace-element microanalyses of the main minerals from the 610 Ma Pedra Branca Syenite, southeast Brazil, allow inferences on intensive parameters of magmatic crystallization and on the partition of trace-elements among these minerals, with important implications for the petrogenetic evolution of the pluton. Two main syenite types make up the pluton, a quartz-free syenite with tabular alkali feldspar (laminated silica-saturated syenite, LSS, with Na-rich augite + phlogopite + hematite + magnetite + titanite + apatite) and a quartz-bearing syenite (laminated silica-oversaturated syenite, LSO, with scarce corroded plagioclase plus diopside + biotite +/- hornblende + ilmenite magnetite +/- titanite + apatite). Both types share a remarkable enrichment in incompatible elements as K, Ba, Sr, P and LREE. Apatite saturation temperatures of similar to 1060-1090 degrees C are the best estimates of liquidus, whereas the pressure of emplacement, based on Al-in-hornblende barometry, is estimated as 3.3 to 4.8 khan Although both units crystallized under oxidizing conditions, oxygen fugacity was probably higher in LSS, as shown by higher mg# of the mafic minerals and higher hematite contents in Hem-Ilm(ss). In contrast with the Ca-bearing alkali-feldspar from LSO, which hosts most of the whole-rock Sr and Pb, virtually Ca-free alkali-feldspar from LSS hosts similar to 50% of whole-rock Sr and similar to 80% of Pb, the remainder of these elements being shared by apatite, pyroxene and titanite. This contrast reflects a strong crystal-chemical control, whereby a higher proportion of an element with similar ratio and charge (Ca2+) enhances the residence of Sr and Pb in the M-site of alkali feldspar. The more alkaline character of the LSS magma is inferred to have inhibited zircon saturation; Zr + Hf remained in solution until late in the crystallization, and were mostly accommodated in the structure of Ca-Na pyroxene and titanite, which are one order of magnitude richer in these elements compared to the same minerals in LSO, where most of Zr and Hf are inferred to reside in zircon. The REE, Th and U reside mostly in titanite and apatite; D(REE)Tit/Ap raises steadily from 1 to 6 from La to Tb then remains constant up to Lu in the LSO sample; these values are about half as much in the LSS sample, where lower contents of incompatible elements in titanite are attributed to its greater modal abundance and earlier crystallization. (C) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

Influence of Alloying Elements Upon the Solidification Interval of CA6NM Cast Martensitic Stainless Steel

The influence of different Cr and C contents upon the solidification interval of ASTM A352M-06 Grade CA6NM cast martensitic stainless steel has been investigated using computational thermodynamics, and checked against DTA measurements in samples taken from 13 large cast parts, in order to identify potential sources for improvement on the part castability. Calculation results suggest, indeed, that this would be the case for C: when its content increases from 0.018 to 0.044 wt.% C (within the allowed range in the alloy specification), the solidification intervals increases from 25 to 43 K, which suggests improved castability with decreasing C contents. DTA results, however, do not support this prediction, showing a fairly constant solidification interval around 23 K for all investigated samples. The results are discussed both regarding the impact in alloy processing and the fitness of the existing databases to reproduce experimental results in these limiting cases.

Petrology of Gameleira potassic lamprophyres, São Francisco Craton

Gameleira lamprophyres are dykes and mafic microgranular enclaves associated with the shoshonitic Gameleira monzonite. This association belongs to the Paleoproterozoic alkaline magmatism from Serrinha nucleus, northeast Brazil. The liquidus paragenesis is diopside, pargasite, apatite and mica. Reverse zoning was identified in the groundmass alkali feldspar and was related to the undercooling of lamprophyric magma during the emplacement, with high growth rate of pargasite/edenite inducing disequilibrium between feldspars and liquid. Chemical data indicate that the lamprophyres are basic rocks (SiO2 < 48 wt%), with alkaline character (Na2O + K2O > 3 wt%) and potassic signature (K2O/Na2O ≈ 2). High contents of MgO and Cr are consistent with a signature of a primary liquid, and such concentrations, as well as Al, K, P, Ba, Ni- and light rare earth elements, are consistent with an olivine-free metasomatic mantle source enriched in amphibole, clinopyroxene and apatite. By contrast, the ultrapotassic lamprophyres from Morro do Afonso, contemporaneous alkaline ultrapotassic magmatism in Serrinha nucleus, were probably produced by melting of a clinopyroxene-phlogopite-apatite enriched-source. The identification of different mineral paragenesis in the source of potassic and ultrapotassic lamprophyres from Serrinha nucleus can contribute to the understanding of the mantle heterogeneities and tectonic evolution of this region.

Meccanismi di formazione dei tubi di lava

Two analytical models are proposed to describe two different mechanisms of lava tubes formation. A first model is introduced to describe the development of a solid crust in the central region of the channel, and the formation of a tube when crust widens until it reaches the leve\'es. The Newtonian assumption is considered and the steady state Navier- Stokes equation in a rectangular conduit is solved. A constant heat flux density assigned at the upper flow surface resumes the combined effects of two thermal processes: radiation and convection into the atmosphere. Advective terms are also included, by the introduction of velocity into the expression of temperature. Velocity is calculated as an average value over the channel width, so that lateral variations of temperature are neglected. As long as the upper flow surface cools, a solid layer develops, described as a plastic body, having a resistance to shear deformation. If the applied shear stress exceeds this resistance, crust breaks, otherwise, solid fragments present at the flow surface can weld together forming a continuous roof, as it happens in the sidewall flow regions. Variations of channel width, ground slope and effusion rate are analyzed, as parameters that strongly affect the shear stress values. Crust growing is favored when the channel widens, and tube formation is possible when the ground slope or the effusion rate reduce. A comparison of results is successfully made with data obtained from the analysis of pictures of actual flows. The second model describes the formation of a stable, well defined crust along both channel sides, their growing towards the center and their welding to form the tube roof. The fluid motion is described as in the model above. Thermal budget takes into account conduction into the atmosphere, and advection is included considering the velocity depending both on depth and channel width. The solidified crust has a non uniform thickness along the channel width. Stresses acting on the crust are calculated using the equations of the elastic thin plate, pinned at its ends. The model allows to calculate the distance where crust thickness is able to resist the drag of the underlying fluid and to sustain its weight by itself, and the level of the fluid can lower below the tube roof. Viscosity and thermal conductivity have been experimentally investigated through the use of a rotational viscosimeter. Analyzing samples coming from Mount Etna (2002) the following results have been obtained: the fluid is Newtonian and the thermal conductivity is constant in a range of temperature above the liquidus. For lower temperature, the fluid becomes non homogeneous, and the used experimental techniques are not able to detect any properties, because measurements are not reproducible.

An Investigation Into the Adaption of the Induction Furnace for Determining the Equilibrim Diagram of the System Cu2S-FeS

This investigation was started in an effort to find an accurate and efficient method of determining the freezing points of ferrous and cuprous sulphides, mixtures of the two substances, and from this to establish the liquidus line of the equilibrium dia­gram.

Petrology and geochemistry of the basement boninite series of ODP Site 125-786

The 720 m of igneous basement that was penetrated at Site 786 of Ocean Drilling Program Leg 125 consists of boninite-series volcanics. Bronzite andesites dominate the lithology and primitive magmas of high-Ca, intermediate-Ca, and low-Ca boninite are present in subordinate amounts. Sparsely phyric boninites typically contain olivine and orthopyroxene phenocrysts with Mg numbers [= Mg/(Mg + Fe) in moles] between 86% and 87%. Their high whole-rock Mg numbers, and the absence of zonation in the phenocrysts, imply equilibration at temperatures probably between 1200° and 1250°C, and 20° to 50°C below their liquidus. Equilibrium olivine and orthopyroxene have identical Mg numbers, and Mg/Fe partitioning between these minerals and the melt thus can be described with a single Kd. The invariably phenocryst-rich bronzite andesites contain Plagioclase that has spectacular zoning and mafic phases that can be as magnesian as those of the boninite parent. The most evolved melts are rhyolites with hypersthene, Plagioclase (An50), and magnetite. Eruption temperatures for the rhyolites are estimated at about 1000°C. Some magmas contain ferroactinolite in the groundmass, which is most likely a secondary, low-temperature phase. The locally large contrasts in degree of alteration are consistent with multiple episodes of magmatic activity. However, all igneous events produced boninite volcanics. Only the first, the edifice-building episode, gave rise to differentiated magmas. Differentiation of parental boninites took place by limited fractional crystallization, producing bronzite andesites. The erupted andesites, dacites and rhyolites are filter pressed extracts from these bronzite andesite magmas, which, as a result, have accumulated crystals. Subsequent younger igneous events produced high-Ca and intermediate-Ca boninites which intruded as dikes and sills throughout the basement sequence. The mineralogy of the dikes and sills reflects variable degrees of subliquidus cooling of the magma before emplacement.

Chemistry of basalts of ODP Hole 111-504B

The effect of oxygen fugacity (fO2) on the partition relationship of Mg and Fe between Plagioclase and sillicate liquid was investigated at 1 atm for basaltic samples recovered during ODP Leg 111 from Hole 504B. Samples 111-504B-143R-2 (Piece 8) and 111-504B-169R-1 (Piece 1) have Plagioclase as the liquidus phase. The distribution coefficient of Mg between Plagioclase and melt is constant at about 0.04 against the variation of fO2, whereas that of Fe (total Fe) varies from 0.3 at f(O2) = 0.2 atm to 0.03 at f(o2) = 10**-11.5 at 1200°C. The distribution coefficient of Mg is slightly higher than that calculated from the phenocryst and bulk-rock compositions, suggesting a kinetic disequilibrium effect on the distribution of Mg in Plagioclase. Because Mg, Fe, and Fe3+ have similar diffusion coefficients in silicate melt, the disequilibrium effect is greatly reduced for the exchange reaction of Mg and total Fe between Plagioclase and liquid. The exchange partition coefficient is highly dependent on fo2, with log fo2 ranging from -0.7 to - 11.5 at approximately 1200°C. Using this relationship, the f(O2) of crystallization of the magmas is estimated to be near the one defined by the fayalite-quartz-magnetite assemblage.

Petrology of high-MgO bronzite andesite resembling boninite at DSDP Hole 60-458

A high-MgO andesite which is texturally similar to boninite and a variolitic basalt collected from Site 458, about 100 km west of the Mariana Trench, have been studied through microprobe analyses and melting experiments at high water pressures. The boninite-type andesite is very similar in composition and texture to a boninite from Bonin Islands, except that the former is more calcic than the latter. The variolitic basalt contains magnesian pigeonite (Ca12Mg74Fe14) in cores of augite microphenocrysts. This pigeonite crystallized at temperatures above 1200°C. In the melting experiments of the boninite-type rock, clinopyroxene crystallizes as a liquidus phase at pressures at least above 8 kbar. No olivine crystallizes near the liquidus temperatures, indicating that the magma of this rock cannot be in equilibrium with the upper mantle periodotite (lherzolite) at depths at least greater than 25 km. The boninite-type rock is probably a product of fractional crystallization of a more primitive magma (e.g., olivine-bearing boninite magma) by separation of olivine and orthopyroxene. The magma of the variolitic basalt also cannot be in equilibrium with the upper mantle peridotite, and may be a product of fractional crystallization of a more primitive basaltic magma.