6 - Microestrutura - UFRGS

1 ENG06638-Introdu o engenharia metal rgica Nestor Cezar Heck / UFRGS DEMET 246 - Microestrutura 6-1. Fases Um cubo de gelo flutuando na gua e a atmosfera que os envolve s o exemplos dos tr s estados da mat ria, sem d vida, mas tamb m s o exemplos de fases (Figura 6-1). Uma fase apresenta (i) uma interface f sica definida com as outras fases do sistema (n o confundir com as fronteiras que os gr os met licos, por exemplo, fazem uns com os outros) e (ii) uma homogeneidade muitas vezes at a um n vel microsc pico. Se adicionarmos leo ao sistema, teremos duas fases l quidas em equil brio. Nem todo o mundo sabe, no entanto, que existem v rios tipos de gelo ou seja, que a gua possui diversas fases no estado s lido! a b Figura 6-1: Fases e estados: (a) fases da gua; (b) exemplo de duas fases l quidas Enquanto que o sal, e o xido de c lcio s o fases do tipo compostos, outras s o do tipo misturas como, por exemplo, a atmosfera.

2 O que distingue um composto de uma mistura? Enquanto que num composto a propor o entre os seus constituintes fixa, nas misturas ela pode variar: a solu o 1 de gua com a car pode ter diferentes propor es de um e de outro. Na natureza, a maior parte das fases pertencem classe das misturas! Como o gelo, o ferro pode ter diferentes fases no estado s lido e todas s o do tipo mistura. At 910 [ C] a fase chamada de ferrita, ou ferro alfa conforme pode ser visto na Figura 6-2 e medida que a temperatura aumenta, outras fases podem se tornar est veis. Figura 6-2. Fases do ferro desde a temperatura ambiente at o ponto de fus o 1 Solu o um caso especial de mistura, onde um constituinte est em maior propor o e chamado de solvente ENG06638-Introdu o engenharia metal rgica Nestor Cezar Heck / UFRGS DEMET 256-2.

3 Ligas met licas Muitos metais s o sol veis uns nos outros, formando ligas. Quando misturamos gua e a car, obtemos uma solu o ao n vel molecular (mol culas de gua e de a car misturadas, sem a possibilidade de separa o dos constituintes por meios mec nicos); j uma liga met lica pode ser imaginada como uma solu o (no estado s lido ou l quido) ao n vel at mico. Figura 6-3: Idealiza o de uma liga met lica, em tr s momentos (composi es) diferentes, pela substitui o dos tomos verde-claros pelos azuis; tipicamente, neste caso, os tomos verde-claros e os azuis cristalizam no mesmo tipo de rede cristalina Como, ao n vel at mico, os tomos dos metais no estado s lido est o organizados em redes cristalinas, na sua forma mais simples, podemos imaginar a liga entre eles como um processo de substitui o cont nua dos tomos de um tipo por tomos do outro 2.

4 Em alguns casos como, por exemplo, o caso da liga entre o Cu e o Ni essa substitui o pode variar de zero a cem porcento (Figura 6-3). Na maioria das ligas, h , contudo, um valor m ximo para a solubilidade dos tomos azuis nos cristais preenchidos inicialmente por tomos verde-claros e, tamb m para os tomos verde-claros nos cristais preenchidos inicialmente por tomos azuis. Para uma composi o global do sistema entre estes valores limites, pode-se imaginar que o metal est formado pela mistura mec nica de duas ligas diferentes, cada uma delas com uma composi o fixa (m xima) e diferente da composi o global (Figura 6-4). Um exemplo concreto pode ser dado: uma liga chumbo-estanho, na temperatura de 100 C, formada pela mistura mec nica das ligas Pb-5%Sn (a solubilidade m xima do Sn no Pb 5% nessa temperatura) e Sn-1%Pb (a solubilidade m xima do Pb no Sn aproximadamente 1% nessa temperatura), muito embora a composi o global da liga seja, por exemplo, 80% Pb e 20% Sn.

5 Figura 6-4: Em alguns casos um metal (liga) pode ser imaginado como uma mistura de duas ligas com composi es fixas e diferentes da composi o global 2 A liga , normalmente, produzida no estado l quido, pela mistura dos dois metais; o que estamos representando aqui o resultado final, no estado s lido. ENG06638-Introdu o engenharia metal rgica Nestor Cezar Heck / UFRGS DEMET 26 Cada gr o (ou cristal) do metal apresentar apenas uma das duas composi es m ximas (n o obstante, a composi o global continuar ser aquela definida no momento da produ o da liga, no forno da usina, de neste exemplo 80%Pb e 20%Sn). Por causa disso, pode acontecer que existam apenas uns poucos gr os de uma das duas composi es dependendo das composi es individuais e total.

6 Por qual motivo em muitos casos existe uma solubilidade m xima? Os metais: Cu, Ni, Al, Ag e Pb cristalizam, 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 tomos: se a diferen a de tamanho entre eles for maior do que 15% a solubilidade praticamente zero 3. Soluto Quociente entre os raios Solub. m xima [%, massa] Ni 0,98 100 Al 1,12 9 Ag 1,14 8 Pb 1,37 nenhuma Tabela 6-I: Solubilidade m xima de alguns metais no cobre Fonte: Van Vlack, Intr.

7 Ci ncia e Eng. dos Materiais Quando os tomos do soluto substituem os tomos da rede, falamos de uma solu o substitucional; quando eles se acomodam nos espa os vazios (ou interst cios) da rede, dizemos que se trata de uma solu o intersticial. 6-3. Intermet licos Nem todas as combina es entre metais s o chamadas ligas. Quando eles est o combinados em uma propor o fixa, como num composto qu mico, s o chamados de intermet licos. Os intermet licos s o, em geral, duros e fr geis. As suas redes at micas frequentemente s o diferentes dos metais que os comp em. S o exemplos de intermet licos: Mg3Bi2, TiNi, Al2Cu e Fe3C. Assim como nas ligas, existem intermet licos formados pela combina o entre metais e metal ides. Na metalurgia do ferro, o Fe3C ou cementita um intermet lico da maior import ncia.

8 6-4. Fases da liga Fe-C em fun o da composi o e da temperatura As fases da liga Fe-C que chamamos a o ao carbono 4, quando o teor de C baixo menor que aproximadamente 1% em massa 5 s o as mesmas j vistas para o ferro puro exce o da cementita, Fe3C. A ferrita dissolve, no m ximo, apenas 0,004% C (em massa) temperatura ambiente, mas sabemos que h a os com o teor de 1% em massa de carbono! Desse ponto em diante, a nica maneira de se aumentar o teor de carbono pelo aparecimento de uma mistura mec nica entre a ferrita (saturada com carbono) e uma fase de maior teor de carbono: (normalmente) a cementita! 6 Para outras temperaturas, as propor es (e mesmo as fases) poder o ser diferentes, Do mapeamento geral (no canto rico em ferro) das fases que se apresentam em fun o da temperatura e 3 Essa uma das regras de Hume-Rothery 4 O a o ao carbono melhor representado pela liga tern ria de Fe, C e Mn 5 Quando o teor maior, por volta de 3 a 4%, temos os materiais chamados de ferros fundidos 6 Nos ferros fundidos, a fase rica em carbono (termodinamicamente est vel) a grafita ENG06638-Introdu o engenharia metal rgica Nestor Cezar Heck / UFRGS DEMET 27da composi o, nasce o diagrama de fases do sistema Fe-C, Figura 6-5.

9 Figura 6-5: Fases da liga Fe-C em fun o da temperatura e da composi o Fonte: Callister 6-5. O que vem a ser a Microestrutura ? A Microestrutura de um material compreende as caracter sticas f sicas do material que podem ser observadas ao microsc pio (macroestrutura, em contrapartida, se refere s caracter sticas observ veis ao olho n ). Um microsc pio tico de boa qualidade pode produzir um aumento por volta de 1 000 X, enquanto que um microsc pio eletr nico moderno capaz de ampliar uma imagem 1 500 000 X ou mais. Consequentemente a Microestrutura cobre uma faixa de caracter sticas entre 1E10-9 [m] (1 [nm], ou 10 ) at 1000 m (isto : 1E10-3 [m], ou 1 [mm]). Muitas das caracter sticas estruturais (como, por exemplo, o tamanho dos gr os) 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 t o importante.

10 A Microestrutura dos materiais depende fundamentalmente da composi o qu mica e dos tratamentos t rmicos e mec nicos aos quais o metal foi submetido. Infelizmente s podemos determinar (com precis o crescente) a composi o qu mica mas n o quais foram os tratamentos que produziram uma determinada Microestrutura ! A conclus o mais importante que emerge desse contexto a constata o de que existe uma rela o 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 mec nico em servi o, por exemplo, ENG06638-Introdu o engenharia metal rgica Nestor Cezar Heck / UFRGS DEMET 28fun o dessa rela o. Em caso de insucesso quando poss vel deve-se reprocessar o material, com par metros diferentes (e os custos associados), para que o objetivo seja atingido.