Análise comparativa do efeito do Al e Bi na liga Sn-9%Zn: parâmetros térmicos, microestrutura e propriedades mecânicas
dc.contributor.advisor | Silva, Bismarck Luiz | |
dc.contributor.advisor-co1 | Delmonte, Mauricio Roberto Bomio | |
dc.contributor.advisorLattes | http://lattes.cnpq.br/4377238190630005 | pt_BR |
dc.contributor.author | Bezerra Neta, Ione Amorim | |
dc.contributor.authorID | https://orcid.org/0000-0002-5744-8055 | pt_BR |
dc.contributor.authorLattes | http://lattes.cnpq.br/4237409241499220 | pt_BR |
dc.contributor.referees1 | Peres, Maurício Mhirdaui | |
dc.contributor.referees2 | Rodrigues, Adilson Vitor | |
dc.contributor.referees3 | Siqueira Filho, Cláudio Alves de | |
dc.contributor.referees4 | Dantas, Suylan Lourdes de Araújo | |
dc.date.accessioned | 2024-11-12T20:54:03Z | |
dc.date.available | 2024-11-12T20:54:03Z | |
dc.date.issued | 2024-08-21 | |
dc.description.abstract | The search for viable solutions for replacing Sn-Pb alloys in soldered joints of electronic microcomponents has received special attention in recent years. In this sense, the Sn9wt.%Zn eutectic alloy is a promising alternative, as it has a eutectic temperature (198°C) similar to the Sn-38wt.%Pb alloy, low cost and excellent mechanical properties. However, these alloys exhibit disadvantages such as low corrosion resistance, which limits their practical use in soldering operations. One of the improvement alternatives is modification with aluminum (Al) and bismuth (Bi). These elements promote changes in microstructure and mechanical properties. Therefore, the present work aims to study the effect of adding Al (0.5% and 2.0% by mass) and Bi (3.0% and 6.0% by mass) on the thermal parameters of solidification (rate cooling rate-ṪL and growth rate-VL), as-cast microstructure, macrosegregation, mechanical properties and fracture modes of the directionally solidified (DS) Sn-9wt.%Zn-X alloys. The samples were characterized by Optical Microscopy (OM), Scanning Electron Microscopy (SEM), X-ray Fluorescence (XRF), Xray Diffraction (XRD), in addition to analysis of tensile mechanical properties. Thermodynamic calculations were performed by the CALPHAD method via Thermo-calc software, in order to evaluate the solidification sequence, phase compositions and phase transformation temperatures. The main results are highlighted: The additions of Al and Bi to the Sn-9wt.%Zn binary alloy increased the TL values and reduced the TE values, increasing the solidification range for the alloys examined. The Sn-9wt.%Zn-3.0wt.%Bi alloy was the only one to exhibit columnar growth in the macrostructure, with a ColumnarEquiaxial Transition (TCE) being observed in the rest of the alloys. Eutectic cell growth has been observed for the Sn-Zn-Al and Sn-Zn-Bi alloys, composed of the Sn+Zn+Al and Sn+Zn+Bi phases, respectively. Only the 2wt.%Al content was able to change the microstructural scale, subtly refining the eutectic cellular arrangement. On the other hand, all added Bi contents resulted in microstructural refinement. The morphologies of the Bi particles and the α-Zn phase (of the eutectic mixture) were shown to be dependent on the solute content and cooling rate. Al additions promoted a reduction in both the ultimate tensile strength (σu) and elongation-to-fracture (δ). On the other hand, Bi additions promoted an increase in σu and a reduction in δ. In comparison to the Sn9wt.%Zn alloy, it is noted that Al additions did not change the fracture mode, remaining ductile, while Bi additions induced a brittle fracture mechanism through cleavage. | pt_BR |
dc.description.resumo | A busca por soluções viáveis para a substituição das ligas Sn-Pb em juntas soldadas de microcomponentes eletrônicos tem recebido atenção especial nos últimos anos. Nesse sentido, a liga eutética Sn-9%Zn é uma alternativa promissora, pois apresenta temperatura eutética (198°C) similar à liga Sn-38%Pb, baixo custo e excelentes propriedades mecânicas. Contudo, essas ligas exibem desvantagens como baixa resistência à corrosão, o que limita o uso prático em operações de soldagem branda. Uma das alternativas de melhoria é a modificação com alumínio (Al) e bismuto (Bi). Esses elementos promovem modificações na microestrutura e propriedades mecânicas. Diante disso, o presente trabalho objetiva estudar o efeito da adição de Al (0,5% e 2,0% em massa) e de Bi (3,0% e 6,0% em massa) nos parâmetros térmicos de solidificação (taxa de resfriamento-ṪL e velocidade de solidificação-VL), microestrutura, macrossegregação, propriedades mecânicas e modos de fratura das ligas Sn-9%Zn-X solidificadas direcionalmente. As amostras foram caracterizadas por Microscopia Óptica (MO), Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV), Fluorescência de Raios-X (FRX), Difração de Raios-X (DRX), além das análises de propriedades mecânicas por tração. Cálculos termodinâmicos foram realizadas pelo método CALPHAD via software Thermo-calc, a fim de avaliar a sequência de solidificação, as composições das fases e as temperaturas de transformações de fase. Como resultados principais destacam-se: as adições de Al e Bi na liga binária Sn-9%Zn aumentaram os valores de TL e reduziram os valores de TE, aumentando assim, o intervalo de solidificação para as ligas examinadas. A liga Sn-9%Zn-3,0%Bi foi única a exibir um crescimento colunar na macroestrutura, observando-se uma Transição Colunar-Equiaxial (TCE) no restante das ligas. Crescimentos de células eutéticas têm sido observados para as ligas Sn-Zn-Al e Sn-Zn-Bi, compostas pelas fases Sn+Zn+Al e Sn+Zn+Bi, respectivamente. Apenas o teor de 2%Al foi capaz de alterar a escala microestrutural, refinando sutilmente o arranjo celular eutético. Por outro lado, todos os teores de Bi adicionados resultaram no refinamento microestrutural. As morfologias das partículas de Bi e da fase α-Zn (da mistura eutética) se mostraram dependentes do teor de soluto e da taxa de resfriamento. As adições de Al promoveram uma redução tanto do limite de resistência à tração (σu) quanto do alongamento até a fratura (δ). Por outro lado, as adições de Bi promoveram um aumento de σu e uma redução de δ. Em comparação à binária Sn-9%Zn, nota-se que o Al não alterou o modo de fratura, permanecendo dúctil, enquanto o Bi induziu um mecanismo de fratura frágil por clivagem. | pt_BR |
dc.description.sponsorship | Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq | pt_BR |
dc.identifier.citation | BEZERRA NETA, Ione Amorim. Análise comparativa do efeito do Al e Bi na liga Sn-9%Zn: parâmetros térmicos, microestrutura e propriedades mecânicas. Orientador: Dr. Bismarck Luiz Silva. 2024. 171f. Tese (Doutorado em Ciência e Engenharia de Materiais) - Centro de Ciências Exatas e da Terra, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2024. | pt_BR |
dc.identifier.uri | https://repositorio.ufrn.br/handle/123456789/60625 | |
dc.language | pt_BR | pt_BR |
dc.publisher | Universidade Federal do Rio Grande do Norte | pt_BR |
dc.publisher.country | Brasil | pt_BR |
dc.publisher.initials | UFRN | pt_BR |
dc.publisher.program | PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS | pt_BR |
dc.rights | Acesso Aberto | pt_BR |
dc.subject | Ligas Sn-Zn-Al | pt_BR |
dc.subject | Ligas Sn-Zn-Bi | pt_BR |
dc.subject | Solidificação | pt_BR |
dc.subject | Microestrutura | pt_BR |
dc.subject | Propriedades mecânicas | pt_BR |
dc.subject.cnpq | CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA DE MATERIAIS E METALURGICA | pt_BR |
dc.title | Análise comparativa do efeito do Al e Bi na liga Sn-9%Zn: parâmetros térmicos, microestrutura e propriedades mecânicas | pt_BR |
dc.type | doctoralThesis | pt_BR |
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