Técnico Mecânica
Tecnologia Mecânica 1
Prof. Helio Canavesi Filho
A estrutura dos materiais
Todos os materiais são constituídos de átomos. Durante o final do século
XIX e início do século XX surgiram várias teorias para explicar a natureza e a
estrutura dos átomos, à medida que as técnicas de investigação e as
ferramentas matemáticas de análise foram se desenvolvendo. As pesquisas e
experiências realizadas evoluíram o conceito do átomo, desde a visão simplista
grega do átomo pequeno e indivisível até se chegar ao modelo atual, que é
baseado na mecânica quântica, onde o átomo é composto de diversas
subpartículas atômicas, sendo as mais conhecidas os elétrons, os prótons e os
nêutrons.
O átomo é composto no seu núcleo
pelos prótons e nêutrons e ao redor
movendo em orbitas circulares ou
elípticas os elétrons. Os elétrons são os
responsáveis pelas ligações
interatômicas. Para o nosso curso
vamos estudar as ligações metálicas
Ligação Metálica – em que os elétrons são compartilhados por
numerosos átomos. Este tipo de ligação pode ser mais facilmente explicado da
seguinte maneira: se num átomo existirem apenas poucos elétrons na ultima
camada, eles podem ser removidos de modo relativamente fácil, ao passo que
os elétrons restantes são mantidos firmemente ligados ao núcleo. Esses
elétrons podem abandonar um átomo e se incorporar ao átomo vizinho.
Essa mobilidade dos elétrons explica a elevada condutibilidade elétrica e
térmica dos metais.
Estrutura Cristalina – Os metais, ao se solidificar, cristalizam, ou seja, os
seus átomos que, no estado gasoso ou liquido, estavam se movimentando a
esmo, localizam-se em posições relativamente definidas e ordenadas, que se
repetem em três dimensões e que formam uma figura geométrica regular,
chamada de cristal.
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O modelo resultante dessa disposição típica dos átomos é chamado de
reticulado (retículos ou redes). Considerando apenas um determinado grupo de
átomos e estudando o agrupamento atômico resultante da solidificação, tem-se
uma figura geométrica de forma regular que é chamada célula unitária ou célula
cristalina unitária da estrutura.
O modelo de cristalização pode ser visualizado ao admitir-se o que
acontece quando um metal solidifica, por exemplo, no interior de um
recipiente. As primeiras células unitárias que se formam, em pontos diferentes,
crescem geralmente pela absorção de outras, até se encontrarem formando um
contorno irregular que delimita uma área onde estão compreendidas milhares
daquelas pequenas células. Um conjunto de células unitárias forma o cristal
com contornos geométricos, o qual, ao adquirir os contornos irregulares, devido
aos pontos de contato de cada conjunto, passa a chamar-se grão. Esses grãos
são ligados entre si por uma película que não é mais considerada cristalina,
como se verá mais adiante.
Em resumo, cada grão é constituído por milhares de células unitárias,
estas, por sua vez, consistem de grupos de átomos que se dispuseram em
posições fixas, formando figuras geométricas típicas.
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As disposições dos átomos dão, pois, origem aos chamados retículos ou
reticulados cristalinos. Os mais importantes são os seguintes:
Cúbica de Corpo Centrado (CCC) – em que os átomos se dispõem nos vértices e
no centro de um cubo. Tal reticulado é encontrado no ferro à temperatura
ambiente (forma alotrópica alfa), cromo, lítio, molibdênio e vanádio entre
outros.
Cúbica de Face Centrada (CFC) – em que os átomos se dispõem nos vértices e
nos centros das faces de um cubo. É o caso de ferro acima de 910°C (forma
alotrópica gama), alumínio, cobre, chumbo, níquel, prata, entre outros.
Hexagonal compacta (HC) – em que os átomos se localizam em cada vértice e
no centro das bases de um prisma hexagonal, alem de três outros átomos que
se localizam nos centros de três prismas triangulares compactos alternados. Os
metais, cujo reticulado, é o descrito, são, entre outros, zinco, magnésio, cobalto,
cádmio.
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A propriedade de certos metais – em particular o ferro – apresentarem
reticulados cristalinos diferentes é chamada polimorfismo ou alotropia. Assim,
aquecendo-se o ferro puro, a cerca de 910°C, o reticulado cúbico de corpo
centrado passa a reticulado cúbico de face centrada. A primeira forma
alotrópica, que ocorre da temperatura ambiente até 910°C é designada por alfa
e a segunda forma, que ocorre acima de 910°C é chamada gama. Essa mudança
é reversível.
Essa propriedade do ferro é muito importante sob o ponto de vista
prático: a forma polimórfica gama pode dissolver até aproximadamente 2% de
carbono, ao passo que a alfa pode dissolver apenas até aproximadamente
0,02% de carbono, fato esse de grande significado nos tratamentos térmicos
dos aços.
Os contornos dos grãos podem ser considerados como uma região
conturbada do reticulado, com espessura de apenas alguns diâmetros atômicos.
A deformação, quando aplicada nos metais policristalinos, ocorre no interior
dos grãos, ao passar de um grão para outro, a orientação cristalográfica muda
abruptamente. Os grãos mais favoravelmente orientados em relação à direção
da tensão aplicada deformam-se em primeiro lugar, o que causa um aumento
da resistência para ulterior deformação, devido a um fenômeno conhecido por
encruamento, que será estudado posteriormente. Em seguida, deformam-se os
grãos menos favoravelmente orientados. A deformação em geral, não
prossegue através dos contornos dos grãos, que, em primeira aproximação,
constituem, portanto, uma região de maior resistência mecânica. Essa condição
pode igualmente ser explicada pelo fato de o contorno ser a região
extremamente conturbada do reticulado, como já se mencionou, devido ao
quase embaralhamento de átomos provenientes dos cristais adjacentes ao
contorno. A mudança de orientação de um grão a outro explica também o
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aumento de resistência do contorno, ou seja, na região que marca a pasagem
de um grão a outro.
Do mesmo modo que a policristalinidade confere aumento de resistência
à deformação do metal, o tamanho do grão atua de modo semelhante, no
sentido de que à medida que diminui o tamanho do grão, aumenta a resistência
a deformação mecânica. Em outras palavras, sendo os contornos de grão mais
resistentes, quando maior a quantidade de contornos, ou seja, quanto menor o
tamanho do grão maior a resistência do metal ao esforço de deformação.
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