UERJ CRR FAT
Disciplina
CIÊNCIA DOS MATERIAIS
Tópico 06 Metais monofásicos
A. Marinho Jr
Parte A - Propriedades
Introdução
Antes de examinarmos os materiais cerâmicos e os polímeros, vamos estudar os materiais
metálicos que são, de certo modo, mais simples. Isto porque um grande número de metais
contêm apenas um tipo de átomo, ou constitui uma solução sólida. Em primeiro lugar,
veremos como as propriedades se relacionam com a estrutura dos metais.
Fases
Fase é aquela parte de um material que é distinta das demais em estrutura e/ou
composição. Consideremos o sistema gelo-água. Ainda que com a mesma composição, o
gelo é um sólido cristalino com reticulado hexagonal e a água é um líquido. O contorno de
fase entre os dois localiza uma descontinuidade na estrutura: são fases separadas.
Consideremos agora o caso da prata revestida com cobre. Ambos os metais são CFC, mas
os átomos de prata são suficientemente maiores que os de cobre para que haja uma uma
descontinuidade, à temperatura ambiente, na composição. Logo, eles formam duas fases
separadas. Uma solução é uma fase com mais de um componente. Uma mistura é um
material com mais de uma fase.
Ligas monofásicas
Muitos metais de grande uso têm apenas uma fase. Eles podem ser comercialmente puros
com apenas um componente, como o cobre eletrolítico para fins elétricos, o zinco para
revestimento de aços e o alumínio para utensílios domésticos. Em muitos casos, um
segundo componente pode ser adicionado intencionalmente para melhorar as propriedades
do metal original. São as chamadas ligas. As ligas são monofásicas se o limite de
solubilidade entre os componentes não for ultrapassado. O latão, uma liga monofásica de
cobre e zinco, o bronze, liga semelhante de cobre e estanho e algumas ligas de cobre e
níquel são exemplos típicos de ligas monofásicas que estudaremos a seguir. As ligas
polifásicas contêm fases adicionais porque o limite de solubilidade entre os componentes
foi ultrapassado. Os aços são um exemplo disso.
Propriedades das ligas monofásicas
As propriedades das ligas são diferentes das dos metais puros, como mostram as figuras
06.1 e 06.2 a seguir para o latão e para uma solução sólida Cu-Ni. Os aumentos de dureza
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são devidos à presença de átomos solutos que interferem com o movimento das
discordâncias nos cristais durante a deformação plástica. Quantidades pequenas de
impurezas diminuem a condutividade elétrica de um metal, porque os átomos estranhos
geram heterogeneidades no campo elétrico no interior do reticulado cristalino. Assim, os
elétrons sofrem mais desvios e reflexões. Num metal, os elétrons transportam a maior parte
da energia por condução térmica, havendo então uma correspondência entre condutividades
elétrica e térmica. Todos esses aspectos podem ser observados nas figuras citadas.
Figura 06.1 Propriedades mecânicas e fisicas de latões recozidos. O limite de solubilidade
do zinco no cobre CFC é próximo de 40%.
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Figura 06.2 Propriedades mecânicas e fisicas de ligas cobre-níquel recozidas. Cobre e
níquel formam uma série completa de soluções sólidas.
Microestruturas de ligas monofásicas
Os grãos foram definidos anteriormente como sendo cristais individuais. Materiais com
muitos grãos são normalmente descritos como policristalinos. Cristais adjacentes têm
orientações diferentes, o que dá origem aos contornos de grãos. As microestruturas de
metais monofásicos podem variar com mudanças no tamanho, forma e orientação dos
grãos, como se vê na figura 06.3 a seguir. Tais aspectos não são totalmente independentes,
pois o tamanho e a forma dos grãos são ambos conseqüências do crescimento de grão. De
modo análogo, a forma do grão é normalmente dependente da orientação cristalina dos
grãos durante o crescimento. Embora seja comum falar-se de tamanho de grão em termos
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de diâmetro, poucos dentre os grãos monofásicos são esféricos. Na figura 06.3 (a) os grãos
são equiaxiais, por terem dimensões aproximadamente iguais nas três direções
coordenadas. Existem também grãos com outros aspectos, como os alinhados, figura
06.3(c) e os dendríticos, que podem ser vistos em materiais fundidos. A orientação dos
grãos no interior dos metais é tipicamente aleatória, como se vê na figura 06.3(a). Contudo,
existem exceções importantes sob o ponto de vista de engenharia. Por exemplo, nas
direções [100] do ferro há uma maior permeabilidade magnética que nas demais. Portanto,
se os grãos no interior de uma chapa de aço policristalina de um transformador não
estiverem ao acaso, mas sim com uma orientação preferencial, de tal sorte que a direção
[100] esteja alinhada com o campo magnético, um desempenho melhor pode ser
conseguido do transformador. O fato de os metalurgistas terem aprendido como fazer isto
significou economia de bilhões de dólares no campo da distribuição de energia elétrica.
Figura 06.3
Variáveis microestruturais de metais monofásicos. Tamanho de grão
(A versus B). Forma do grão (A versus C). Orientação preferencial (B versus D).
Revisão 00 Março de 2009
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