LIGAS METÁLICAS IMPUREZAS NOS METAIS

Tamanho: px

Começar a partir da página:

Download "LIGAS METÁLICAS IMPUREZAS NOS METAIS"

Rui Lacerda da Fonseca
8 Há anos
Visualizações:

1 LIGAS METÁLICAS 1 Os metais são geralmente utilizados na forma de ligas, ou seja; consistem em misturas de dois ou mais elementos químicos. Nas ligas metálicas, pelo menos um dos elementos é metal e a liga resultante apresenta características metálicas. (elevada condutibilidade térmica e elétrica) IMPUREZAS NOS METAIS Metais puros possuem inúmeras propriedades que os tornam importantes do ponto de vista industrial: Condutibilidade elétrica (Au, Cu), temperatura de fusão (W), etc. Entretanto, a maioria dos processos metalúrgicos produz metais com uma quantidade de impurezas que normalmente varia entre 0,01% a 1% em peso. O efeito das impurezas sobre as propriedades de um metal é relativo e dependente de questões tecnológicas e econômicas (custo/benefício). Quando a influência das impurezas é mínima o metal é conhecido como COMERCIALMENTE PURO. Na prática um metal puro nunca será 100%, ou seja sua pureza pode variar entre 99 e 99,9999% Metais como o cobre, zinco e Pb podem, por exemplo serem produzidos com pureza próxima ou superior a 99,99%. Exemplo: Padrões analíticos de Ferro Pó de Fe (-200#) 99+% $ 1,65 (25 g) Pó de Fe (-200#) 99,9% $ 19,10 (25 g) Pó de Fe (-22 #) 99,999% $ 86,00 (25 g) Na maioria dos casos, um ou mais elementos podem ser intencionalmente adicionados a um metal, objetivando-se melhorar as propriedades mecânicas ou obter certas propriedades específicas. Se tal adição se tornar parte integral da fase sólida, a fase resultante é chamada SOLUCÃO SÓLIDA, ou seja o metal puro (solvente) dissolve o elemento adicionado propositadamente (soluto).

(elevada condutibilidade térmica e elétrica) IMPUREZAS NOS METAIS Metais puros possuem inúmeras propriedades que os tornam importantes do ponto de vista industrial: Condutibilidade elétrica (Au, Cu),

2 LIMITE DE SOLUBILIDADE 2 Para diversos sistemas de ligas (componentes) e sobre uma determinada temperatura, existe uma concentração máxima de átomos de soluto para formar uma solução sólida; esta concentração define o limite de solubilidade daquele sistema. A adição de soluto em quantidades superiores ao limite de solubilidade resulta na formação de outra solução sólida ou um composto de composição diferente. Exemplo: SISTEMA C 12 H 22 O 11 - H 2 O (Água - açúcar) FASES Uma fase pode ser definida como uma porção homogênea de um sistema que possui características físicas e químicas uniformes. Todo metal puro é considerado como uma fase, bem como toda solução sólida líquida ou gasosa. No exemplo do sistema água-açúcar: a solução líquida (água-doce) foi discutida como uma fase e o açúcar como outra. Cada qual possui diferentes características físicas (uma é sólida e outra é líquida) e químicas (composições químicas diferentes - uma fase apresenta C 12 H 22 O 11 e H 2 O e a outra apenas C 12 H 22 O 11 ) Nos sistemas com mais de uma fase, cada uma apresenta propriedades distintas e um contorno (contorno de fase) separando estas fases, sobre o qual existe uma mudança descontínua e abrupta nas características físicas e/ou químicas

A adição de soluto em quantidades superiores ao limite de solubilidade resulta na formação de outra solução sólida ou um composto de composição diferente.

3 MICROESTRUTURA 3 Na maior parte dos materiais, as propriedades físicas e particularmente o comportamento mecânico são dependentes de sua microestrutura. A microestrutura é sujeita a observação direta através de microscópios ópticos ou eletrônicos. Nas ligas metálicas, a microestrutura é caracterizada pelo número de fases, suas proporções e suas morfologias. EQUILÍBRIO ENTRE FASES Um sistema está em equilíbrio, quando sua energia livre é mínima em uma condição específica de temperatura pressão e composição. Isso significa que as características de um sistema não se alteram com o tempo ou seja, o sistema está estável. Alterações na pressão, temperatura e/ou composição química do sistema em equilíbrio podem resultar em um aumento da energia livre e, conseqüentemente, uma mudança espontânea para outro estado no qual a energia livre é menor. Os diagramas de equilíbrio, como o diagrama água-açúcar, fornecem informações importantes sobre o equilíbrio entre fases, mas não indicam o tempo necessário para que um novo estado de equilíbrio seja atingido. Exemplo: sistema água-açúcar com 50% açúcar a 60 C Adição de mais açúcar Redução rápida da temperatura para 20 C No caso de soluções sólidas (movimentação atômica muito menor) os estados de equilíbrio nunca são estabelecidos e assim o sistema é chamado de não equilíbrio ou metaestável. Os estados e microestruturas metaestáveis podem persistir indefinidamente e freqüentemente possuem aplicações práticas mais expressivas que estados / microestruturas de equilíbrio. Exemplo: Tratamentos térmicos dos aços - têmpera Tratamentos térmicos em ligas de Al (solubilização e envelhecimento)

Nas ligas metálicas, a microestrutura é caracterizada pelo número de fases, suas proporções e suas morfologias.

4 SOLUÇÃO SÓLIDA SUBSTITUCIONAL 4 Ocorre quando os átomos do soluto substituem as posições atômicas ocupadas pelos átomos do metal solvente Para a formação de uma solução sólida substitucional é necessário que os componentes (solvente e soluto) apresentem: dimensões atômicas similares (diferença de ~15% máx.) estruturas eletrônicas semelhantes (eletronegatividade e valência) mesma estrutura cristalina (CCC, CFC ou HC ). Exemplo Cu - Ni Metal Cobre Níquel Raio atômico 0,128 0,125 (Diferença: 2,3% Eletronegatividade 1,9 1,8 Valência + comum +1 (+2) +2 Estrut. cristalina CFC CFC Soluto Solvente Diferença entre os raios atômicos [%] Solubilidade máxima [%] Ni Cu -2,5 100 Al Cu +12,0 9 Pb Cu +36,9 0 Ni Ag -13,7 0,1 Cu Ag -11,5 9 Pb Ag +21,2 5 Cu Ni +2, Al Ni +14,8 12 Ni Al -12,9 0,05 Cu Al -10,7 6 Ag Al +0,9 48

) estruturas eletrônicas semelhantes (eletronegatividade e valência) mesma estrutura cristalina (CCC, CFC ou HC ).

5 5 SOLUÇÃO SÓLIDA INTERSTICIAL Geralmente ocorre quando os átomos de soluto apresentam dimensões menores que os átomos de solvente. Na solução sólida intersticial os átomos de soluto se localizam nos interstícios existentes entre átomos maiores (solvente) Exemplo clássico: Fe-C

Na solução sólida intersticial os átomos de soluto se localizam nos

6 DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO ISOMORFO (Cu-Ni) 6 Isomorfo: (uma só forma) Completa solubilidade no sólido e no líquido É composto por três campos: Campo de α: Solução sólida substitucional composta por átomos de Cu e Ni com estrutura cristalina CFC Campo de L: Solução líquida homogênea composta por Cu e Ni Campo L +α : Mistura em equilíbrio das fases L e α Propriedades mecânicas das soluções sólidas Cu-Ni

de Cu e Ni com estrutura cristalina CFC Campo de L: Solução líquida homogênea composta por Cu e Ni

7 INTERPRETAÇÃO DOS DIAGRAMAS DE FASE 7 FASES PRESENTES: Para uma dada composição e temperatura, as fases presentes são determinadas pela localização destas coordenadas (ponto composição-temperatura) no diagrama, ou seja o campo do diagrama que contêm a coordenada. Ex. Liga 60% Ni a 1100 C (Ponto A) e liga 35% Ni a 1250 C (Ponto B) COMPOSIÇÃO DAS FASES PRESENTES: Localizar o ponto composição - temperatura no diagrama de fase: Para campo monofásico: a composição da fase é a própria composição da liga Para campo bifásico: a- Construir uma isoterma ("tie line") na temperatura fornecida para a localização do ponto. b- Identificar os pontos onde a isoterma intercepta as linhas de contorno de fase c- As composições das respectivas fases são indicadas no eixo de composição com o auxílio de linhas horizontais (C L e C α ) DETERMINAÇÃO DA QUANTIDADE DAS FASES PRESENTES: REGRA DAS ALAVANCAS (Só aplicável em campos bifásicos) A fração de uma fase é calculada tomando-se o comprimento da isoterma da composição da liga até o contorno de fase (C L e C α ) para a outra fase e dividindo-se pelo comprimento total da isoterma ("tie line" ) Assim, para a fração de líquido temos: S % L =.100 = R + S R = R + S C C α α C = C C 0 C L C C L ou para a fase α: % α α L

Liga 60% Ni a 1100 C (Ponto A) e liga 35% Ni a 1250 C (Ponto B) COMPOSIÇÃO DAS FASES PRESENTES: Localizar o ponto composição - temperatura no diagrama de fase: Para campo monofásico: a composição da

8 DESENVOLVIMENTO DA MICROESTRUTURA EM UM DIAGRAMA ISOMORFO 8 Liga contendo 35% Ni: ZONAMENTO ( CORING ) O zonamento é caracterizado por um gradiente de composições químicas em uma fase. Como no equilíbrio termodinâmico (resfriamento extremamente lento), a fase teria uma única composição, o zonamento representa uma condição de nãoequilíbrio em que não houve tempo suficiente para a homogeneização da composição química. É relevante citar que as condições de processamento industriais, quase sempre, são condições de não-equilíbrio e que microestruturas zonadas são comuns em diversas ligas metálicas.

Como no equilíbrio termodinâmico (resfriamento extremamente lento), a fase teria uma única composição, o zonamento representa uma condição de

Documentos relacionados

Ciência e engenharia de materiais: Uma introdução Ciências dos Materiais

Diagrama de Fases Bibliografia Callister Jr., W. D. Ciência e engenharia de materiais: Uma introdução. LTC, 5ed., cap 9, 2002. Shackelford, J.F. Ciências dos Materiais, Pearson Prentice Hall, 6ed., cap