6 - Microestrutura Fases

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1 Microestrutura 6-1. Fases Um cubo de gelo flutuando na água e a atmosfera que os envolve são exemplos dos três estados da matéria, sem dúvida, mas também são exemplos de fases (Figura 6-1). Uma fase apresenta (i) uma interface física definida com as outras fases do sistema (não confundir com as fronteiras que os grãos metálicos, por exemplo, fazem uns com os outros) e (ii) uma homogeneidade muitas vezes até a um nível microscópico. Se adicionarmos óleo ao sistema, teremos duas fases líquidas em equilíbrio. Nem todo o mundo sabe, no entanto, que existem vários tipos de gelo ou seja, que a água possui diversas fases no estado sólido! a b Figura 6-1: Fases e estados: (a) fases da água; (b) exemplo de duas fases líquidas Enquanto que o sal, e o óxido de cálcio são fases do tipo compostos, outras são do tipo misturas como, por exemplo, a atmosfera. O que distingue um composto de uma mistura? Enquanto que num composto a proporção entre os seus constituintes é fixa, nas misturas ela pode variar: a solução 1 de água com açúcar pode ter diferentes proporções de um e de outro. Na natureza, a maior parte das fases pertencem à classe das misturas! Como o gelo, o ferro pode ter diferentes fases no estado sólido e todas são do tipo mistura. Até 910 [ C] a fase é chamada de ferrita, ou ferro alfa conforme pode ser visto na Figura 6-2 e à medida que a temperatura aumenta, outras fases podem se tornar estáveis. Figura 6-2. Fases do ferro desde a temperatura ambiente até o ponto de fusão 1 Solução é um caso especial de mistura, onde um constituinte está em maior proporção e é chamado de solvente

2 Ligas metálicas Muitos metais são solúveis uns nos outros, formando ligas. Quando misturamos água e açúcar, obtemos uma solução ao nível molecular (moléculas de água e de açúcar misturadas, sem a possibilidade de separação dos constituintes por meios mecânicos); já uma liga metálica pode ser imaginada como uma solução (no estado sólido ou líquido) ao nível atômico. Figura 6-3: Idealização de uma liga metálica, em três momentos (composições) diferentes, pela substituição dos átomos verde-claros pelos azuis; tipicamente, neste caso, os átomos verde-claros e os azuis cristalizam no mesmo tipo de rede cristalina Como, ao nível atômico, os átomos dos metais no estado sólido estão organizados em redes cristalinas, na sua forma mais simples, podemos imaginar a liga entre eles como um processo de substituição contínua dos átomos de um tipo por átomos do outro 2. Em alguns casos como, por exemplo, o caso da liga entre o Cu e o Ni essa substituição pode variar de zero a cem porcento (Figura 6-3). Na maioria das ligas, há, contudo, um valor máximo para a solubilidade dos átomos azuis nos cristais preenchidos inicialmente por átomos verde-claros e, também para os átomos verde-claros nos cristais preenchidos inicialmente por átomos azuis. Para uma composição global do sistema entre estes valores limites, pode-se imaginar que o metal está formado pela mistura mecânica de duas ligas diferentes, cada uma delas com uma composição fixa (máxima) e diferente da composição global (Figura 6-4). Um exemplo concreto pode ser dado: uma liga chumbo-estanho, na temperatura de 100 C, é formada pela mistura mecânica das ligas Pb-5%Sn (a solubilidade máxima do Sn no Pb é 5% nessa temperatura) e Sn-1%Pb (a solubilidade máxima do Pb no Sn é aproximadamente 1% nessa temperatura), muito embora a composição global da liga seja, por exemplo, 80% Pb e 20% Sn. Figura 6-4: Em alguns casos um metal (liga) pode ser imaginado como uma mistura de duas ligas com composições fixas e diferentes da composição global 2 A liga é, normalmente, produzida no estado líquido, pela mistura dos dois metais; o que estamos representando aqui é o resultado final, no estado sólido.

3 26 Cada grão (ou cristal) do metal apresentará apenas uma das duas composições máximas (não obstante, a composição global continuará será aquela definida no momento da produção da liga, no forno da usina, de neste exemplo 80%Pb e 20%Sn). Por causa disso, pode acontecer que existam apenas uns poucos grãos de uma das duas composições dependendo das composições individuais e total. Por qual motivo em muitos casos existe uma solubilidade máxima? Os metais: Cu, Ni, Al, Ag e Pb cristalizam, à temperatura ambiente, no mesmo sistema CFC. Contudo, apenas o Ni apresenta 100% de solubilidade no cobre, Tabela 6-I. Nesse caso, a solubilidade foi limitada pelo tamanho relativo entre os átomos: se a diferença de tamanho entre eles for maior do que 15% a solubilidade é praticamente zero 3. Soluto Quociente entre os raios Solub. máxima [%, massa] Ni 0, Al 1,12 9 Ag 1,14 8 Pb 1,37 nenhuma Tabela 6-I: Solubilidade máxima de alguns metais no cobre Fonte: Van Vlack, Intr. à Ciência e Eng. dos Materiais Quando os átomos do soluto substituem os átomos da rede, falamos de uma solução substitucional; quando eles se acomodam nos espaços vazios (ou interstícios) da rede, dizemos que se trata de uma solução intersticial Intermetálicos Nem todas as combinações entre metais são chamadas ligas. Quando eles estão combinados em uma proporção fixa, como num composto químico, são chamados de intermetálicos. Os intermetálicos são, em geral, duros e frágeis. As suas redes atômicas frequentemente são diferentes dos metais que os compõem. São exemplos de intermetálicos: Mg 3 Bi 2, TiNi, Al 2 Cu e Fe 3 C. Assim como nas ligas, existem intermetálicos formados pela combinação entre metais e metalóides. Na metalurgia do ferro, o Fe 3 C ou cementita é um intermetálico da maior importância Fases da liga Fe-C em função da composição e da temperatura As fases da liga Fe-C que chamamos aço ao carbono 4, quando o teor de C é baixo menor que aproximadamente 1% em massa 5 são as mesmas já vistas para o ferro puro à exceção da cementita, Fe 3 C. A ferrita dissolve, no máximo, apenas 0,004% C (em massa) à temperatura ambiente, mas sabemos que há aços com o teor de 1% em massa de carbono! Desse ponto em diante, a única maneira de se aumentar o teor de carbono é pelo aparecimento de uma mistura mecânica entre a ferrita (saturada com carbono) e uma fase de maior teor de carbono: (normalmente) a cementita! 6 Para outras temperaturas, as proporções (e mesmo as fases) poderão ser diferentes, Do mapeamento geral (no canto rico em ferro) das fases que se apresentam em função da temperatura e 3 Essa é uma das regras de Hume-Rothery 4 O aço ao carbono é melhor representado pela liga ternária de Fe, C e Mn 5 Quando o teor é maior, por volta de 3 a 4%, temos os materiais chamados de ferros fundidos 6 Nos ferros fundidos, a fase rica em carbono (termodinamicamente estável) é a grafita

4 27 da composição, nasce o diagrama de fases do sistema Fe-C, Figura 6-5. Figura 6-5: Fases da liga Fe-C em função da temperatura e da composição Fonte: Callister 6-5. O que vem a ser a microestrutura? A microestrutura de um material compreende as características físicas do material que podem ser observadas ao microscópio (macroestrutura, em contrapartida, se refere às características observáveis ao olho nú). Um microscópio ótico de boa qualidade pode produzir um aumento por volta de X, enquanto que um microscópio eletrônico moderno é capaz de ampliar uma imagem X ou mais. Consequentemente a microestrutura cobre uma faixa de características entre 1E10-9 [m] (1 [nm], ou 10 Å) até 1000 µm (isto é: 1E10-3 [m], ou 1 [mm]). Muitas das características estruturais (como, por exemplo, o tamanho dos grãos) que governam as propriedades dos materiais caem dentro da faixa da microestrutura, ressaltando, assim, o motivo pelo qual o estudo e o controle da microestrutura dos materiais é tão importante. A microestrutura dos materiais depende fundamentalmente da composição química e dos tratamentos térmicos e mecânicos aos quais o metal foi submetido. Infelizmente só podemos determinar (com precisão crescente) a composição química mas não quais foram os tratamentos que produziram uma determinada microestrutura! A conclusão mais importante que emerge desse contexto é a constatação de que existe uma relação que entre a microestrutura, as propriedades e o processamento (Figura 6-6): por meio de um processamento almeja-se uma dada microestrutura que, por sua vez, fornece as propriedades desejadas ao material. A boa performance de um componente mecânico em serviço, por exemplo, é

5 28 função dessa relação. Em caso de insucesso quando possível deve-se reprocessar o material, com parâmetros diferentes (e os custos associados), para que o objetivo seja atingido. Figura 6-6: Relação entre o processamento, a microestrutura e as propriedades 6-6. Microestrutura e fases A microestrutura de um material compreende, em poucas palavras, tipicamente as diferentes fases e o modo como elas estão arranjadas. Um bom exemplo de arranjo é aquele apresentado pela perlita nas ligas Fe-C. A perlita não é uma fase, mas uma combinação geométrica das fases alfa e Fe 3 C (ferrita e cementita). A perlita é um sanduíche formado por minúsculas camadas de ferrita e cementita. Quando não existe cementita (como no ferro puro Fe com teor de C < 0,004%) não há perlita; quando só há cementita, também. Nas composições intermediárias, sempre existe perlita. Na composição correspondente ao teor de 0,76%C dita eutetóide a perlita compõe 100% da microestrutura, Figura 6-7. b Figura 6-7: Microestrutura mostrando a perlita; (a) na composição x-x (0,76%C, dita eutetóide) temos 100% da microestrutura formada por perlita caso a temperatura seja menor que 727 C (b) senão será outra fase (a) ; (b) micrografia da perlita: lamelas de cementita em uma matriz ferrítica Fonte: Callister a