Líquido Sólido Amorfo Sólido Cristalino

INTRODUÇÃO AOS MATERIAIS METÁLICOS Os processos de fabricação que se encarregam de dar forma à matéria-prima, entre outras coisas, modificam a estrutura interna da mesma apresentada em cada etapa do processamento, implicando na alteração de várias propriedades físicas, químicas e mecânicas. Isto é, no final do processo de fabricação, o componente fabricado terá um conjunto de propriedades decorrentes das características originais da matéria-prima, e que devem coincidir com as especificações finais de projeto proposto. Na maioria dos processos de fabricação envolvendo metais, ocorre a passagem do estado líquido para o sólido ou vice-versa. Quase que invariavelmente, todos os metais passaram por um estágio de solidificação durante sua fabricação. O processo de solidificação é um fenômeno de transformação de fases líquido-sólido. Todo metal que se encontra no estado líquido, apresenta uma estrutura desordenada, ou seja, os átomos se encontrarão em posições aleatórias. Metais solidificam-se através de duas formas distintas: amorfa ou cristalina. A diferença fundamental entre um e outro, é que nos sólidos amorfos, os átomos se encontram dispostos de forma caótica, sem ordenação na estrutura sólida, enquanto que nos sólidos cristalinos, existe a formação de uma estrutura interna ordenada (ou com ordenação de curto alcance), que se repete nas três dimensões do espaço, conforme ilustrado na Figura 2.1. Na solidificação, em função da velocidade de resfriamento, existirá uma ou outra organização atômica. Líquido Sólido Amorfo Sólido Cristalino Figura 2.1 Representação dos átomos nos estados líquido e sólido, mostrando o ordenamento de curto lcance dos sólidos amorfos e o ordenamento de longo alcance dos sólidos cristalinos. A estrutura cristalina deverá se repetir no espaço tridimensional. Nos sólidos cristalinos, 1

observa-se um empilhamento de átomos, chamado de reticulado cristalino. A estrutura cristalina entre outros fatores, determina as propriedades físicas e químicas do material. Todos os metais e suas ligas solidificados em condições normais de temperatura e pressão, apresentarão estruturas sólidas cristalinas, e consequentemente células unitárias (a menor estrutura na organização dos átomos). As diferentes configurações cristalinas que os materiais metálicos apresentam foram primeiramente definidas por Bravais, o qual propôs sete sistemas cristalinos, conforme ilustrado na Figura 2.2. Figura 2.2 Sistemas cristalinos segundo a definição de Bravais. Nos metais observam-se fundamentalmente três tipos: estrutura Cúbica de Corpo Centrado (CCC), Cúbica de Face Centrada (CFC) e a Hexagonal Compacta (HC). A estrutura cúbica de corpo centrado (CCC) tem 2 átomos por célula unitária ( 1 no centro do cubo e 1/8 de cada átomo em cada vértice do cubo), número de coordenação (número de átomos vizinhos para cada átomo) igual a 8, e parâmetro de rede (distância entre os núcleos de dois átomos vizinhos das laterais da célula) igual a a = 4.R / 2, sendo R o raio atômico do átomo. A estrutura cúbica de face centrada (CFC) tem 4 átomos por célula unitária (1/8 de cada átomo em cada vértice do cubo e 1/2 em cada face do cubo), número de coordenação igual a 12, e parâmetro de rede igual a a = 2.R. 2. A estrutura hexagonal compacta tem 6 átomos por célula unitária ( 1/6 em cada vértice, 1/2 em cada face hexagonal do prisma e 3 entre a face inferior e a face superior), número de coordenação igual a 12, e parâmetro de rede igual a a = 2.R e c = 1,666.a. A Figura 2.3 ilustra 2

as três formas de célula unitária encontrada para a maioria dos metais. Apostila Ciência dos Materiais Prof. Carlos Alexandre dos Santos Figura 2.3 Células unitárias encontradas nos metais e seu respectivo empacotamento atômico. (a) Cúbica de corpo centrado CCC (FE = 0,68); (b) Cúbica de face centrada CFC (FE = 0,74); (c) Hexagonal compacta HC (FE = 0,74). FE : fator de empacotamento (relação entre o volume dos átomos dentro da célula unitária e o volume total da célula unitária). Nos sistemas cristalinos cúbicos, a direção cristalina é representada pelas coordenadas do vetor que a descreve em um sistema de eixos ortogonais (x,y,z) reduzidos ao menor conjunto de números inteiros. Considera-se como unidade de medida em cada eixo o parâmetro de rede correspondente. A representação é feita colocando-se as coordenadas x,y,z entre colchetes [ ], sendo as negativas identificadas através de uma barra colocada sobre a mesma. Como exemplo, pode-se citar a diagonal do cubo, sendo representada da seguinte forma: [1 1 1]. No sistema hexagonal as direções são representadas por quatro números correpondentes às coordenadas do vetor que caracteriza a direção. Três relativos à projeção do vetor na base (a 1,a 2,a 3 ) e um relativo ao eixo z. As diagonais da base devem obedecer a relação a 1 + a 2 = - a 3. Uma maneira prática de indexar as componentes das direções na base do hexágono é por meio da divisão dessa base em triângulos equiláteros. Cada lado do triângulo representa uma unidade em cada um dos eixos do sistema de referência. Procura-se então, para uma dada direção, uma combinação de índices nos três eixos (que é única) que satisfaça a relação a 1 + a 2 = - a 3. Se uma direção é perpendicular a um dos eixos do sistema de referência, a coordenada nesse eixo é zero. Como exemplo, a direção na base do prisma perpendicular ao eixo a 1 é representada por [1 1 0 0]. Os planos cristalinos nos sitemas cúbicos são indexados por meio dos índices de Miller (h k l) que representam os inversos das intersecções do plano considerado com os eixos x,y,z do sistema de coordenadas, considerando os parâmetros de rede como unidade, reduzidos ao menor conjunto de números inteiros. Os planos são representados pelos índices colocados entre parênteses ( ), sendo os índices negativos representados com uma barra colocada sobre os 3

mesmos. Como exemplo, a face do cubo que corta o eixo x (paralela a y e z) é representada por (1 0 0). Os planos no sistema hexagonal são indexados por meio dos índices de Miller-Bravais (h k i l) que representam os inversos das intersecções do plano considerado com os eixos a 1, a 2, a 3 e a 4 do sistema de coordenadas, considerando os parâmetros de rede como unidades, reduzidos ao menor valor inteiro. Como apenas três pontos são necessários para representar um plano, os quatro índices não podem ser independentes e devem satisfazer a relação h + k = - i. Por exemplo, os planos da base do prisma são representados por (0 0 0 1). Direções e planos que podem ser transformados uns nos outros por meio de rotações e translações do sistema de referência são equivalentes. A Figura 2.4 mostra alguns exemplos de direções e planos cristalinos para os sistemas cúbico de corpo centrado, cúbico de face centrada e hexagonal compacta. Figura 2.4 Direções e planos cristalinos dos principais sistemas cúbicos. Nos metais, o tipo de ligação atômica é chamada de ligação metálica, consistindo da formação de uma nuvem de elétrons ao redor de todos os átomos que formam o material, não existindo uma posição fixa para esses elétrons em movimento. Típica para elementos que apresentam baixa eletronegatividade, ou seja, até três elétrons na camada de valência, formando uma ligação não-direcional, geralmente forte. Tal ligação confere aos metais boas características de condução de calor e eletricidade, boa capacidade de deformação, e outras. Nos metais alcalinos, Cr, V, Nb, Ta, Mo, W e Fe, observa-se a formação de estruturas CCC. O Cu, Ag, Au, Ca, Sr, Ni, Al e Pb apresentam estruturas CFC, e o Ti, Be, Mg, Zn e Cd estruturas HC. Chama-se a atenção para os metais que alteram sua estrutura cristalina em função da temperatura e da pressão. Esse fenômeno é conhecido como alotropia e um exemplo típico de metal que apresenta 4

esse fenômeno é o Ferro. A Tabela 2.1 mostra um resumo dos metais que apresentam alotropia, com suas respectivas formas alotrópicas, temperaturas de estabilidade e estruturas cristalinas. Tabela 2.1 Alotropia nos metais. Metal Forma Alotrópica Intervalo de Temperatura de Estabilidade ( o C) Estutura Cristalina Ferro (Fe) Titânio (Ti) Estanho (Sn) Manganês (Mn) Cobalto (Co) Zircônio (Zr) Urânio (U) < 911 CCC Cúbica de Corpo Centrado 911 1392 CFC Cúbica de Face Centrada 1392 1538 CCC Cúbica de Corpo Centrado < 882 HC Hexagonal Compacta 882 1660 CCC Cúbica de Corpo Centrado < 18 Rede de Diamante 18-232 Tetragonal de Corpo Centrado < 700 Cúbica Complexa 700 1079 Cúbica Complexa 1079 1143 Tetragonal 1143 1244 CCC Cúbica de Corpo Centrado < 450 HC Hexagonal Compacta 450 1480 CFC Cúbica de Face Centrada < 867 HC Hexagonal Compacta 867 1860 CCC Cúbica de Corpo Centrado < 668 Ortorrômbica 668 720 Tetragonal 720 1132 CCC Cúbica de Corpo Centrado As imperfeições cristalinas, ou defeitos existente na rede cristalina, são classificadas em : pontuais, lineares ou discordâncias, superficiais e volumétricas. Os defeitos pontuais têm a extensão de um átomo e são caracterizadas por vazios (falta de átomo em uma posição na rede cristalina), átomos substitucionais (átomo estranho substituindo átomo da rede cristalina) e átomos intersticiais (átomo estranho intersticial da rede cristalina). Os vazios exercem papel importante na difusão dos metais, e consequentemente, nas transformações de fases no sólido. Os defeitos lineares ou discordâncias têm a extensão de uma linha (uma dimensão) e são classificadas em: discordância em cunha ou aresta (plano extra de átomos introduzido na rede cristalina), discordância em hélice (crescimento atômico de forma helicoidal em torno de um eixo) e discordâncias mistas (formada pela interação das duas anteriores). Para a discordância em cunha, a linha de discordância é a aresta do plano extra de átomos e para a discordância em hélice, a linha de discordância é o eixo da hélice. Um parâmetro importante e usado na análise das discordâncias é o Vetor de Burgues (b), que caracteriza o deslocamento sofrido pela rede cristalina em função da existência da discordância. Esse vetor é construído traçando-se um circuito na rede em torno da discordância, de forma que o primeiro movimento seja perpendicular 5

à linha de discordância. No caso da discordância em cunha, o Vetor de Burgues é perpendicular à linha de discordância, e no caso da discordância em hélice, é paralelo à linha de discordância. As discordâncias são importantes tanto na transformação de uma fase no estado sólido, por constituirem regiões de alta energia e contribuirem com parcela de energia de ativação, como nas transformações associadas à deformação, por facilitarem o deslizamento dos planos atômicos. Os defeitos superficiais têm a extensão de uma superfície (duas dimensões) e podem ser classificados em: contornos de grão (superfície de separação entre regiões cristalinas que apresentam direções ou estruturas); maclas (que ocorrem quando um sólido cristalino deforma-se de tal forma que se torna a imagem especular de uma região adjacente não deformada) e falhas de empilhamento atômico (quando ocorre uma alteração na sequência normal de empilhamento de planos atômicos da estrutura cristalina). Tais defeitos formam regiões de alta energia que facilitam as transformações de fases, contribuindo com parcela de energia de ativação. Os defeitos volumétricos têm extensão de um volume (três dimensões) e podem ser classificados em: inclusões, precipitados, porosidades, fases. A Figura 2.5 ilustra esquema das imperfeições ou defeitos cristalinos na rede. Figura 2.5 Representação esquemática dos defeitos cristalinos na rede. O grão é a menor unidade cristalina dentro do qual o arranjo dos átomos é idêntico, entretanto, a orientação do arranjo atômico ou estrutura cristalina pode ser diferente para os diferentes grãos. O contorno de grão é a superfície que separa os diferentes grãos, sendo relativamente estreito e devido à pequena ordenação entre os átomos, é uma região que apresenta alta energia. O material constituído de um só grão cristalino é chamado de monocristalino e o material que apresenta vários grãos é chamado de policristalino. A Figura 2.6a 6

apresenta uma foto de um cristal de quartzo retirado diretamente do solo, enquanto a Figura 2.6b mostra uma representação esquemática da estrutura de um material metálico puro, ilustrando aspectos como os grãos e seus contornos. Também é apresentada a estrutura de um material metálico antes e após o processo de conformação, onde se observam as modificações causadas na granulação do material em função da deformação, sendo que antes da deformação os grãos são equiaxiais e após, se apresentam alongados (Figura 2.6c). A Figura 2.7 apresenta uma representação esquemática dos vários níveis de energia de um material metálico, sendo o primeiro nível o atômico, o segundo é o empilhamento de átomos, o terceiro é a formação de grãos e o quarto nível é a formação de segunda fase. Braço dendrítico secundário Braço dendrítico primário Contorno de grão Segunda fase interdendrítica Segunda fase intergranular Porosidade intergranular Braço dendrítico terciário Porosidade interdendrítica (a) (b) (c) Figura 2.6 (a) Foto de um cristal, (b) Representação esquemática da estrutura de um metal e (c) Modificações na estrutura em função de processo de conformação. Elétron ao redor do núcleo Empilhamento atômico Grãos 2ª Fase E N E Raios-X Microscopia óptica Figura 2.7 - Vários níveis de energia de uma material. A combinação de dois ou mais elementos metálicos é chamado de liga. Quando a combinação for em escala atômica, geralmente diz-se que o elemento A está dissolvido na matriz do elemento B e o resultado é chamado de solução. Quando isso ocorre no estado líquido, a solução é chamada de solução líquida, e quando ocorre no estado sólido, é chamado de solução sólida. A dissolução, e solução sólida, de um elemento soluto na rede cristalina do elemento solvente que compôe a matriz pode ser de forma intersticial ou substitucional. A solução sólida intersticial é aquela em que os átomos do soluto ocupam posições intersticiais no reticulado do solvente, enquanto que a solução sólida substitucional os átomos do soluto ocupam posições dos átomos do solvente no reticulado. Ao contrário dos metais puros, que solidificam a uma 7

temperatura fixa, a temperatura de fusão do metal puro, as soluções sólidas geralmente se solidificam em uma faixa de temperatura, o que pode acarretar a não homogeneidade da composição química do produto, refletindo diretamente na estrutura interna do mesmo, chamada de microestrutura. REFERÊNCIAS 1 - CALLISTER, W.D., Engenharia e Ciência dos Materiais. Uma Introdução, Rio de Janeiro: LTC Editora, 2002. 2 - VAN VLACK, L. H. Princípios de Ciência e Tecnologia dos Materiais, Rio de Janeiro: McGrall- Hill, 1998. 3 - GARCIA, A., SPIM, J.A., SANTOS, C.A., Ensaios dos Materiais, Rio de Janeiro: LTC Editora, 1998. 4 - SMITHS, W.; HASHEMI, J. Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais, Rio de Janeiro: McGrall-Hill, 1998. 5 - REED-HILL, Physical Metallurgy, Rio de Janeiro: McGrall- Hill, 1998. 8