ENG06638-Introdução à engenharia metalúrgica
Nestor Cezar Heck / UFRGS – DEMET
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6 - 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
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6-2. 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
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.
2
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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
0,98
100
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.
6-3. 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: Mg3Bi2, TiNi, Al2Cu e Fe3C.
Assim como nas ligas, existem intermetálicos formados pela combinação entre metais e metalóides. Na
metalurgia do ferro, o Fe3C – ou cementita – é um intermetálico da maior importância.
6-4. 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, Fe3C.
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
Essa é uma das regras de Hume-Rothery
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
3
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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 1 000 X, enquanto que um microscópio eletrônico moderno é capaz de ampliar uma imagem
1 500 000 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
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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 Fe3C (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
a
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