masterThesis
Avaliação do efeito do zinco nas variáveis térmicas, microestrutura e propriedades mecânicas da liga Sn-34%Bi solidificada direcionalmente
Registro en:
CARVALHO, Cássia Carla de. Avaliação do efeito do zinco nas variáveis térmicas, microestrutura e propriedades mecânicas da liga Sn-34%Bi solidificada direcionalmente. Orientador: Bismarck Luiz Silva. 2022. 115f. Dissertação (Mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais) - Centro de Ciências Exatas e da Terra, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2022.
Autor
Carvalho, Cássia Carla de
Resumen
Due to environmental and human health issues related to the use of lead-containing alloys for
applications in soldered joints of electronic microcomponents, it is necessary to study new
soldering alloys with less toxicity and similar properties to the Sn-Pb system alloys. In this
sense, Sn-Bi alloys have emerged as promising alternatives, since they have high mechanical
and creep resistance and low cost. However, they exhibit disadvantages such as low ductility
and segregation. One way to improve such characteristics is to add ternary alloying elements
such as zinc (Zn), which can refine the microstructure, increase mechanical properties and
inhibit Bi segregation in Sn-Bi alloys. Thus, the present proposal aims to evaluate the effect of
adding Zn (0.5% and 9% by weight) on the microstructure, thermal parameters (cooling rateṪL and solidification speed-VL), segregation and mechanical properties of Sn-34%Bi-xZn alloys
solidified directly under transient heat flow conditions. For this, the samples have been
identified by Optical Microscopy (OM), Scanning Electron Microscopy (SEM), X-Ray
Fluorescence (XRF) and X-Ray Diffraction (XRD), in addition to mechanical tests such as
Vickers microhardness and traction. Thermodynamic simulations via Thermo-calc have been
carried out to obtain information such as transformation temperatures, solidification paths,
types of phases and their fractions. The microstructure for Sn-Bi-Zn alloys is completely
dendritic, composed of an Sn-rich matrix (β-Sn) with Bi precipitates (with spherical, ellipsoidal
and plate-type morphologies) in its interior and surrounded by a eutectic mixture of the β-Sn
and α-Bi phases predominantly in the coarse scale, with the Sn-34wt.%Bi-9wt.%Zn alloy
exhibiting Zn primary needles. The additions of Zn in the Sn-Bi binary alloy increased the VL
values, while the 9wt.%Zn content increased the ṪL values. In addition, the Zn caused a
coarsening of the dendritic arrangement, except for the tertiary dendritic spacing for the Sn34wt.%Bi-0.5wt.%Zn alloy. The Zn content remained constant throughout the Sn-34wt.Bi0.5wt.%Zn casting, while for the alloy with 9wt.%Zn addition, it presented a normal type
macrosegregation profile. Both additions caused inverse-type macrosegregation profiles for
bismuth, differing from the Sn-Bi binary alloy. The additions of Zn promoted an increase in
Vickers microhardness and yield strength (σy) and ultimate tensile strength (σu), mainly for
more refined microstructures, however, not reflecting on specific elongation values (δ). The
Sn-34wt.%Bi-0.5wt.%Zn and Sn-34wt.%Bi-9wt.%Zn alloys exhibit ductile and brittle, and brittle
(cleavage) fracture modes, respectively. Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES Devido às questões ambientais e de saúde humana pelo uso de ligas contendo chumbo para
aplicações em juntas soldadas de microcomponentes eletrônicos, faz-se necessário estudos
em novas ligas de brasagem com menor toxicidade e propriedades similares às ligas do
sistema Sn-Pb. Neste sentido, ligas Sn-Bi têm surgido como alternativas promissoras, visto
que apresentam altas resistências mecânica e à fluência e baixo custo. Contudo, exibem
desvantagens como baixa ductilidade e segregação. Uma forma de melhorar tais
características é adicionando elementos de liga ternários como o zinco (Zn), que pode refinar
microestrutura, aumentar propriedades mecânicas e inibir a segregação do Bi em ligas Sn-Bi.
Assim, a presente proposta tem como objetivo avaliar o efeito da adição de Zn (0,5% e 9%
em peso) na microestrutura, parâmetros térmicos (taxa de resfriamento-ṪL e velocidade de
solidificação-VL), segregação e propriedades mecânicas das ligas Sn-34%Bi-xZn solidificadas
direcionalmente em condições transitórias de fluxo de calor. Para isto, as amostras têm sido
caracterizadas por Microscopia Óptica (MO), Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV),
Fluorescência de Raios-X (FRX) e Difração de Raios-X (DRX), além de ensaios mecânicas
como microdureza Vickers e tração. Simulações termodinâmicas via Thermo-calc têm sido
realizadas, a fim de obter informações como temperaturas de transformação, caminhos de
solidificação, tipos de fases e suas frações. A microestrutura para as ligas Sn-Bi-Zn é
completamente dendrítica, composta por uma matriz rica em Sn (β-Sn) com precipitados de
Bi (com morfologias tipo esférica, elipsoidal e em placas) no seu interior e circundada por uma
mistura eutética das fases β-Sn e α-Bi predominantemente na escala grosseira, com a liga
Sn-34%Bi-9%Zn exibindo agulhas primárias de Zn. As adições de Zn na liga binária Sn-Bi
aumentaram os valores de VL, enquanto o teor de 9%Zn aumentou os valores de ṪL. Além
disso, o Zn causou um engrossamento do arranjo dendrítico, com exceção do espaçamento
dendrítico terciário para a liga Sn-34%Bi-0,5%Zn. O teor de Zn se manteve constante ao longo
do lingote Sn-34%Bi-0,5%Zn, enquanto para a liga com adição de 9%Zn, apresentou um perfil
de macrossegregação tipo normal. Ambas as adições causaram perfis de macrossegregação
do tipo inverso para o bismuto, diferindo da liga binária Sn-Bi. As adições de Zn promoveram
um aumento da microdureza Vickers e dos limites de escoamento (σe) e de resistência à
tração (σu), principalmente para as microestruturas mais refinadas, contudo, não refletindo
nos valores de alongamento específico (δ). As ligas Sn-34%Bi-0,5%Zn e Sn-34%Bi-9%Zn
exibiram modos de fratura dúctil e frágil, e frágil (clivagem), respectivamente.