Cm Apostila Cm 2012 01 Parte 3

Apostila – Ciência dos Materiais – Prof. Carlos Alexandre dos Santos

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CCAAPPÍÍTTUULLOO 0033

IMPERFEIÇÕES CRISTALINAS

As imperfeições ou defeitos cristalinos são irregularidades na rede cristalina com uma ou

mais das suas dimensões. A maioria das propriedades dos materiais é influenciada pela presença

de imperfeições, sendo que estes exercem papel importante na difusão atômica, transformação de

fases e deformação mecânica. Existem em todos os metais puros e ligas, monofásicas e

polifásicas, brutos ou processados. As imperfeições existentes na rede cristalina são classificadas

em: pontuais, lineares, planares e volumétricas.

3.1. DEFEITOS PONTUAIS

Os defeitos pontuais têm a extensão de um ou poucos átomos e são caracterizados por

vazios ou lacunas (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) (metal puro de 1022 a 1023 átomos de impurezas/m3).

Os vazios ou lacunas exercem papel importante na difusão dos metais, e

consequentemente, nas transformações de fases no sólido. Todos os materiais apresentam esse

tipo de defeito, sendo considerado intrínseco ao material. Pode envolver defeitos na posição dos

átomos ou no tipo de átomos. Dependem do material, do histórico do mesmo (processamento) e

do ambiente. O aumento de temperatura induz ao aumento na densidade de vazios, conforme

Equação 3.1:

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛−=T.k

Q.exp.NN VV (3.1)

onde: N = número total de sítios atômicos;

QV = energia para formação de vazio [J/K];

T = temperatura [K];

k = constante de Boltzmann [1,38.10-23 J/atom.K ou 8,62.10-5 eV/átomo.K];

A Figura 3.1 ilustra o comportamento da densidade de vazios (CD) com a variação da

temperatura, em escala normal e em escala ln x 1/T. Para o último caso, o valor de QV pode ser

determinado experimentalmente.

InterstícioTetraédrico

InterstícioOctaédrico

InterstícioTetraédrico

InterstícioOctaédrico


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Figura 3.1 – (a) Representação esquemática de um vazio, e (b) Variação do número de vazios

com a temperatura [Callister, 1994].

Os vazios geralmente são formados durante a solidificação e processamento dos materiais

como resultado do deslocamento dos átomos de suas posições normais (vibrações). Pode-se

projetar materiais com propriedades “pré estabelecidas” através da criação e/ou controle desses

defeitos. No caso de cristais iônicos, existem diversas teorias para formação e comportamento

dos defeitos, como as de Frenkel: consiste em um par de defeitos: uma vacância e um átomo

intersticial, e a de Schottky: consiste em um pequeno número de vacâncias de ânions e cátions,

com relação estequiométrica.

Os defeitos intersticiais ocorrem devido à presença de um átomo extra (do próprio cristal

ou outro átomo) no interstício da rede cristalina (Figura 3.2), o que provoca uma distorção no

reticulado, já que o átomo geralmente é maior que o espaço. A formação do defeito intersticial é

menos provável que uma vacância.

Os defeitos substitucionais ocorrem quando átomos adicionais são inseridos na rede

cristalina da fase matriz, substituindo um átomo em determinada posição (Figura 3.2). Como no

caso dos defeitos intersticiais, os defeitos substitucionais também causam distorção do reticulado

cristalino. Ambos são considerados defeitos extrínsecos aos materiais.

Poucos materiais são utilizados no estado puro ou quase puros. Nas ligas, os átomos de

soluto são adicionados com intuito de obter características específicas aos materiais, como

aumentar a resistência mecânica, a resistência à corrosão, a condutividade elétrica, entre outras

propriedades. Como exemplo, cita-se a Prata de lei composta por 92,5% Ag + 7,5% Cu, sendo

que a Prata “pura” apresenta alta resistência à corrosão, porém baixa resistência, enquanto que a

Prata de lei apresenta aumento na resistência mecânica e baixa diminuição da resistência à

corrosão.

Neste momento, faz-se necessária a definição do termo solução sólida como sendo um

sólido que consta de 2 ou mais elementos que estão dispostos atomicamente e formam a

estrutura de uma única fase. A solução sólida pode ser intersticial ou substitucional. 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


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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 compõe 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

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.

Entre os principais fatores que influenciam na formação de soluções sólidas intersticiais ou

substitucionais, cita-se a Regra de Home-Rothery que estabelece que:

• Raio atômico: deve ter uma diferença de no máximo 15% para formar solução sólida

substitucional, caso contrário pode promover distorções na rede e assim formação de nova

fase ou se muito pequeno, solução sólida intersticial;

• Estrutura cristalina: se os dois elementos (solvente e soluto) apresentarem a mesma

estrutura cristalina, maior tendência a solução sólida substitucional

• Eletronegatividade: próximas favorecem solução sólida substitucional;

• Valência: mesma ou maior que a do hospedeiro também favorecem solução sólida

substitucional.

Figura 3.2 – Representação esquemática de átomos: (a) intersticiais, (b) substitucionais.

3.2. DEFEITOS DE LINHA

Os defeitos lineares ou discordâncias têm a extensão de uma linha (uma dimensão) em

torno da qual alguns átomos estão desalinhados, separando a região perfeita da região deformada

do material, podendo ter origem térmica, mecânica e supersaturação de defeitos pontuais. São

classificadas em: discordância em linha, cunha ou aresta (plano extra de átomos introduzido na

rede cristalina), discordância em hélice ou espiral (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


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discordância em hélice, a linha de discordância é o eixo da hélice. A Figura 3.3 apresenta

representações esquemáticas das discordâncias em cunha e espiral.

Figura 3.3 – Representação esquemática das discordâncias: (a) cunha, (b) espiral.

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. A presença deste defeito é a responsável pela deformação (os metais são cerca de 10

vezes mais “moles” do que deveriam), falha e rompimento dos materiais. A quantidade e o

movimento das discordâncias podem ser controlados pelo grau de deformação e/ou por

tratamentos térmicos. Os símbolos utilizados para representar as discordâncias são: Aresta, Linha

ou Cunha ( ⊥ ), Espiral ou Hélice ( ⊃ ).

Discordância em linha, cunha ou aresta - defeito associado com a distorção produzida

no reticulado cristalino pela presença de um semi-plano extra de átomos. A distorção se torna

mais intensa na região limite da nova fileira de átomos (que não tem correspondência), e tem

como características:

- Envolver um plano extra de átomos;

- O vetor de Burgers é perpendicular à direção da linha de discordância;

- Envolve zonas de tração e compressão;

Discordância em hélice ou espiral - defeito associado com a distorção criada no

reticulado cristalino quando planos normalmente paralelos são unidos para formar uma “rampa

helicoidal”. O vetor de Burgers é paralelo à direção da linha de discordância.

O Vetor de Burgers ( b ) expressa a “magnitude” e a “direção” da distorção da rede

cristalina; e corresponde à distância de deslocamento dos átomos ao redor da discordância,

conforme pode ser visto na Figura 3.4. Para determiná-lo é necessário construir o circuito de

posições atômicas ao redor da discordância, considerando a situação ideal e a situação com

defeito. O vetor que faltará para completar o circuito será o vetor de Burgers (b).


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(a)

(b)

Figura 3.4 – Representação esquemática dos vetores de Burgers: (a) cunha, (b) espiral.

Com o aumento da temperatura há um aumento na velocidade de deslocamento das

discordâncias favorecendo o aniquilamento mútuo das mesmas e formação de discordâncias

únicas. As impurezas tendem a difundir-se e concentrar-se em torno das discordâncias formando

uma “atmosfera” de impurezas. As discordâncias geram vacâncias. As discordâncias influem nos

processos de difusão. As discordâncias contribuem para a deformação plástica.

3.3. DEFEITOS PLANARES OU DE INTERFACE

Os defeitos planares, superficiais ou de interface 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 diferentes); contornos de maclas (que

ocorrem quando um sólido cristalino deforma-se de tal forma que se torna a imagem especular de

uma região adjacente não deformada com mesma estrutura cristalina); contornos entre fases, 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.

Superfície Externa: é o tipo de defeito planar mais óbvio no material. Na superfície, os

átomos não estão ligados ao número máximo de vizinhos, e isto implica em um estado energético

maior que no interior do cristal, favorecendo suas combinações com a atmosfera do meio que os

circundam.


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Figura 3.5 – Representação esquemática da condição dos átomos na superfície externa.

Contorno de Grãos: 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. Materiais

policristalinos são formados por vários “monocristais” com diferentes orientações cristalográficas.

A fronteira entre os monocristais é uma “parede”, que corresponde a um defeito bidimensional.

Este defeito refere-se ao contorno que separa dois pequenos grãos (ou cristais), com diferentes

orientações cristalográficas, presentes em um material policristalino. No interior do grão todos os

átomos estão arranjados segundo um “único modelo” e “única orientação”, caracterizada pela

célula unitária. Os contornos de grãos apresentam: empacotamento menos eficiente, energia mais

elevada, favorecem a nucleação de novas fases (segregação) e favorecem a difusão.

Figura 3.6 – Representação esquemática dos grãos cristalinos e seus contornos.

Maclas: este tipo de contorno, também denominado de “Twins” (cristais gêmeos), é um

tipo especial de contorno de grão, onde existe uma simetria em “espelho” da rede cristalina. Os

átomos de um lado do contorno são “imagens” dos átomos do outro lado do contorno. A macla

ocorre em um plano definido e em uma direção específica, conforme a estrutura cristalina. O

aparecimento do contorno de maclas está, geralmente, associado com: tensões mecânicas

(maclas de deformação): ocorrência de deslocamentos atômicos produzidos por cisalhamento,

observadas em metais com estruturas CCC e HC; tratamento térmico de recozimento (maclas de

recozimento): encontradas geralmente em metais com estrutura cristalina CFC; alteração da

estequiometria; presença de impurezas.


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Figura 3.7 – Representação esquemática das maclas e seus contornos.

Métodos de Determinação de Tamanho de Grão (TG)

Norma: ASTM E 112 - 96 Standard Test Methods for Determining Average Grain Size

Aplicação: Materiais metálicos (independente da composição), e também não-metálicos

Tamanho de grãos cristalino ou células em materiais monofásicos

Não dever ser utilizada para determinar tamanho de grão individual (ASTM E 930)

Em materiais polifásicos ou multiconstituintes, recomenda-se a ASTM E 1181

Utilização de sistemas de aquisição e digitalização, norma ASTM E 1382

Análise em apenas dois planos (imagem planar, e não volumétrica)

Fornece informações qualitativas e quantitativas (comparativas e estatísticas)

Podem ser classificados em 3 categorias:

Figura 3.8 – Representação dos métodos de determinação de tamanho de grão por: (a)

comparação, (b) planimétrico, (c) linear.

3.4. DEFEITOS VOLUMÉTRICOS

Os defeitos volumétricos têm extensão de um volume (três dimensões) e podem ser

classificados em: inclusões, precipitados, porosidades, fases, trincas, etc. São defeitos

introduzidos durante o processamento do material e/ou fabricação do componente. Detalhando os

principais tipos:

Inclusões: presença de impurezas estranhas,

Precipitados: aglomerados de partículas com composição diferente da matriz,


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Porosidade: origina-se devido a presença de gases durante o processamento do material,

Fases: ocorre quando o limite de solubilidade é ultrapassado,

Estrias Segregacionais: presente principalmente em materiais semicondutores dopados.

Figura 3.9 – (a) Metalografias de inclusões em aços, e (b) precipitados em matriz de

alumínio.


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Figura 3.10 – (a) Porosidades, (b) microestrutura de perlita, e (c) veios de grafita.

A Figura 3.11 apresenta um esquema das imperfeições ou defeitos cristalinos na rede.

Figura 3.11 – Representação esquemática dos defeitos cristalinos na rede.

A Figura 3.12a apresenta uma foto de um cristal de quartzo retirado diretamente do solo,

enquanto a Figura 3.12b mostra uma representação esquemática da estrutura de um material

metálico puro, ilustrando aspectos como os grãos e seus contornos. Também é apresentada a


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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 3.12c). A Figura

3.13 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.

(a) (b) (c)

Figura 3.12 – (a) Foto de um cristal, (b) Representação esquemática da estrutura de um metal e

(c) Modificações na estrutura em função de processo de conformação.

Raios-X Microscopia óptica

Figura 3.13 - Vários níveis de energia de um material.

No interior de cada grão existe uma rede de ramificações dendríticas caracterizada por

baixas concentrações de soluto nas ramificações propriamente ditas e determinadas pelo limite de

solubilidade entre soluto e solvente, e ricas de soluto nos interstícios das ramificações dendríticas,

o que pode conduzir à formação de uma segunda fase ou à um gradiente de composição química,

mesmo se a composição nominal da liga indique a presença de uma única fase. É evidente que a

interface externa dessa rede dendrítica, constituída pelo contorno de grão, também é uma região

preferencial para ocorrência de porosidades e precipitação de segundas fases ou eutéticos.

Inclusões não-metálicas também estarão igualmente associadas aos contornos de grão e regiões

interdendríticas. Adicionalmente aos obstáculos intergranulares ao escorregamento, existirão os

obstáculos presentes entre os braços dendríticos. As propriedades mecânicas de uma liga em seu

estado bruto de solidificação ou após qualquer tipo de processamento dependem do arranjo

microestrutural que se define no processo de solidificação e conformação. Nessas condições,

Segunda faseintergranular

Porosidadeintergranular

Porosidadeinterdendrítica

Segunda faseinterdendrítica

Braço dendríticoprimário

Contornode grão

Braço dendríticoterciário

Braço dendríticosecundário

N

E

E

Elétron ao redor do núcleo

Empilhamentoatômico

Grãos 2ª Fase


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tamanho e forma dos grãos, espaçamentos interdendríticos, a forma, tamanho e espalhamento

de eventuais porosidades, produtos segregados e outras fases irão determinar o comportamento

mecânico da liga representado por tensões e deformações.

3.5. OBSERVAÇÃO DA MACRO E MICROESTRUTURA

A estrutura que se forma imediatamente após a solidificação determina as propriedades do

produto final, não somente no caso de peças de fundição, mas também naqueles produtos que

serão processados por etapas posteriores, como conformação mecânica, tratamentos térmicos ou

termoquímicos, tratamentos superficiais, uniões, etc. Em geral, os defeitos formados na estrutura

bruta de solidificação persistem nos produtos acabados, sendo somente minimizados ou

diminuídos [Garcia, 2001].

A solidificação dos metais sob taxas de resfriamento convencionais (∼101 K/s) ocorre

sempre sob a forma cristalina, onde o início é dado pela formação de pequenos cristais em todos

os pontos do fundido que atingiram a temperatura de solidificação. Estes pequenos cristais,

também chamados núcleos ou centros de cristalização, devem crescer no seio do metal através

da solidificação de novas partículas sobre eles, efetuando-se a deposição segundo direções

preferenciais, denominadas eixos de cristalização (Figura 3.14a). Nos metais estes eixos são em

número de três, ortogonais entre si. Cada eixo cresce em direção ao metal líquido, e após certo

desenvolvimento, passa a emitir outros eixos (ortogonais) e assim por diante até que toda a

massa líquida se torne sólida. Ao conjunto formado por cada eixo principal e seus eixos

secundários ou terciários dá-se o nome de dendrita, conforme mostra a Figura 3.14b.

Figura 3.14 – (a) Formação dos primeiros sólidos, (b) Estrutura dendrítica, e (c) Crescimento

dendrítico a partir da parede do molde.

No caso de metais puros, não ocorre a segregação de soluto durante o crescimento dos

núcleos sólidos, e analisando macroscopicamente, pode-se considerar que a interface de

solidificação líquido-sólido se desloca de maneira plana. Já no caso das ligas binárias, em função

da rejeição de soluto para o líquido e acúmulo deste na frente da interface de solidificação, ocorre

a instabilidade da interface, formando protuberâncias sólidas que avançam em direção ao líquido.

A interface de solidificação passa de plana para uma interface dendrítica.


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O termo dendrita é de origem grega onde dendron significa árvore, devido a semelhança

com a ramificação das árvores. O crescimento da dendrita é limitado pelo encontro de seus eixos

com os das dendritas vizinhas e, terminada a solidificação, cada dendrita constitui um pequeno

cristal de contornos irregulares. Tem-se que o crescimento dendrítico é fortemente cristalográfico

onde as ramificações primárias e laterais possuem seus braços paralelos a direções

cristalográficas específicas, em geral dependendo da estrutura da célula primária, conforme

mostra a Tabela 3.1.

Tabela 3.1 – Direções preferenciais do crescimento dendrítico [Muller, 2001].

Estrutura Metal Direção Normal das Dendrítas

CFC Ag, Au, Pd, Al, Cu <001> CCC Fe, Latão-β, Si <001> HC Zn, Cd <1010>

É importante destacar que para taxas de crescimento relativamente baixas, a solidificação

se dá por células que crescem perpendiculares a interface sólido-líquido, sendo indiferente a

orientação cristalográfica. Contudo, com o aumento da taxa de crescimento o efeito cristalográfico

passa a exercer influência, e a direção da célula em crescimento desvia para uma direção de

crescimento preferencial, conforme mostra a Figura 3.14c.

Quando o crescimento dendrítico é contínuo em um grande volume de material, a estrutura

resultante torna-se fortemente anisotrópica causando efeitos danosos nas propriedades

mecânicas finais da peça solidificada. Para as dendritas que se desenvolvem no interior do metal

líquido, longe das paredes do molde no qual o metal está contido, e sem obstáculos para o seu

crescimento, o desenvolvimento dendrítico ocorre na forma de grãos equiaxiais. Por outro lado,

junto às paredes do molde, verifica-se na prática que os eixos orientados normalmente a parede

desenvolvem-se muito mais do que os outros, isto devido ao fato dos ramos laterais esbarrarem

rapidamente com seus vizinhos, ao passo que o ramo ou eixo normal a parede pode desenvolver-

se livremente. Os grãos resultantes deste processo são longos e sensivelmente perpendiculares

às paredes do molde, conforme esboça a Figura 3.15a.

Figura 3.15 – (a) Crescimento dendrítico preferencial, e (b) Espaçamento dendritico primário e

secundário.


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Devido ao fenômeno de segregação, a porção de líquido que se solidifica por último, tem

maior concentração de soluto, e sendo assim, o líquido remanescente entre os ramos dendríticos

e no encontro de dendritas contíguas terá maior concentração de soluto. Conforme a dendrita

cresce e engrossa com a solidificação, está distribuição de soluto produzirá gradientes de

concentração do centro para a superfície da dendrita, semelhante a um caroço, pobre de soluto,

envolto em uma poupa com maiores concentrações (coring). Nos casos extremos, o acúmulo de

soluto entre os braços dendríticos pode levar a formação de uma segunda fase. Esta nova fase

pode atingir quantidades significativamente maiores do que aquelas previstas pelo diagrama de

equilíbrio.

Dendritas grandes originam grãos grandes e a quantidade de soluto nos contornos destes

grãos será maior do que a quantidade encontrada em grãos menores. Devido a este fator, nos

aços diretamente moldados, os que apresentam granulação mais grosseira são em geral mais

quebradiços do que os de granulação fina. O tamanho das dendritas é função principalmente da

velocidade de resfriamento, a qual por sua vez, depende da temperatura com que o metal líquido

é vazado no interior do molde, da massa total de fundido no molde, da difusividade térmica da liga

e das condições de resfriamento do molde. A conjunção de transferência de calor e massa irá

impor condições que determinarão a morfologia do crescimento durante a solidificação, e

consequentemente o arranjo microestrutural. Para ligas que desprendem bolhas gasosas o

crescimento dendrítico é desfavorecido, devido a agitação causada no líquido.

O resfriamento lento e brando conduz a formação de dendritas grandes, por outro lado, o

resfriamento rápido conduz a formação de muitos núcleos de solidificação e deste modo as

dendritas terão pequenas dimensões. Para este último caso, a concentração de soluto entre os

braços dendríticos fica subdividida em parcelas ou áreas menores, resultando em uma distribuição

mais uniforme do soluto, e portanto, peças menos heterogêneas e de características mecânicas

melhoradas. Na prática o tamanho das dendritas é quantificado através do espaçamento entre os

braços dendríticos primários (λ1) e secundários (λ2). O espaçamento dendrítico primário é a

distância entre dois troncos primários e o espaçamento secundário é a distância entre dois braços

perpendiculares ao tronco primário, conforme mostra a Figura 3.14b. As medidas de λ2 permitem

correlações físicas entre estas e as condições de solidificação.

3.6. MACROESTRUTRAS DA SOLIDIFICAÇÃO

A macroestrutura dos metais fundidos após a desmoldagem é de grande importância para

a compreensão das características e propriedades das peças acabadas. Em particular as

propriedades mecânicas têm grande dependência com o tamanho e forma dos grãos. Por outro

lado, a segregação, resultados de diversos modos de redistribuição de soluto, também deve

possuir efeito destacado nas características e propriedades da peça obtida.


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Nos sólidos policristalinos dos metais fundidos, observam-se três zonas macroscópicas

com tamanhos de grãos bastante distintos, conforme mostra a Figura 3.16a, quais sejam:

(a) (b)

Figura 3.16 – (a) Seção transversal de uma estrutura fundida, onde observam-se a zona

coquilhada, a zona colunar e a zona equiaxial, (b) Possíveis estruturas de fundidos. 1. totalmente

colunar exceto pela zona coquilhada, 2. parcialmente colunar e equiaxial, 3. totalmente equiaxial.

Zona coquilhada: consiste de uma camada periférica (região de contato direto com o

molde) de granulometria bastante fina, alta taxa de nucleação com baixa taxa de crescimento, de

orientação randômica (equiaxial);

Zona colunar: consiste de uma banda que cresce de modo alinhado (em geral na direção

oposta ao fluxo de calor), baixa taxa de nucleação com alta taxa de crescimento, com grãos

grandes e alongados;

Zona equiaxial central: consiste de uma zona de grãos equiaxiais, com dimensões

superiores a zona coquilhada. As propriedades mecânicas da zona equiaxial central são

isotrópicas quando comparadas com as propriedades da zona colunar.

Com a variação dos diferentes parâmetros do processo de solidificação, como velocidade

de solidificação, gradientes térmicos e taxas de resfriamento, a macroestrutura poderá apresentar

uma, ou mais, das zonas descritas, além da possibilidade do controle individual da quantidade de

cada zona presente. Por exemplo, se deseja-se controlar o crescimento dos grãos com o objetivo

de obter uma estrutura isotrópica, tem-se que uma estrutura de granulometria fina e equiaxial será

necessária. Desta forma deve-se impedir a formação da zona colunar e favorecer o crescimento

da zona equiaxial. Por outro lado, se objetiva obter propriedades anisotrópicas, então a zona

colunar deverá ser predominante. Alterações na composição da liga, temperatura de vazamento e

taxas de resfriamento, além de outros fatores, poderão alterar a formação da macroestrutura

conduzindo um lingote a condições completamente equiaxial para completamente colunar,

conforme pode ser visto na Figura 3.17b.

Zona Coquilhada: Após o vazamento, no primeiro instante de contato do metal líquido com as

paredes do molde, ocorre a formação da zona coquilhada. Esta consiste de uma zona bastante

refinada de grãos equiaxiais, que nucleiam de modo evidentemente heterogêneo, tendo como

substrato a superfície fria do molde. A grosso modo, quanto maior a eficiência do contato térmico


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na interface metal/molde, maior a quantidade de núcleos formados e deste modo mais refinada

será a granulometria desta camada. Contudo o número de cristais formados dependerá também

do superaquecimento do líquido, da temperatura inicial do molde, das propriedades térmicas do

metal e molde, bem como do potencial nucleante da parede do molde ou partículas do líquido.

Zona Colunar: Os cristais colunares desenvolvem-se a partir dos grãos coquilhados por meio de

crescimento seletivo e preferencial. Os cristais colunares apresentam seus principais eixos

cristalográficos paralelos a direção do fluxo de calor, e mostram orientação marcadamente

preferencial de crescimento, coincidente com as direções cristalográficas do crescimento

dendritico. Observa-se que o número de grãos da zona coquilhada, deve diminuir com a distância

da paredes do molde. A partir de um determinado número de núcleos, passa a existir efetividade

de crescimento de grãos devido a reduzida interrupção do crescimento dos grãos vizinhos. Assim,

pode-se observar o poder seletivo do crescimento de grãos colunares a partir da zona coquilhada,

conforme mostra a Figura 3.19a. O comprimento relativo (porcentual) da zona colunar depende

muito do superaquecimento de vazamento e do teor de liga, como indicado esquematicamente na

Figura 3.19b. O crescimento da zona colunar continua até que as condições do processo tornem

favorável o surgimento da zona equiaxial central. Em outras palavras, o crescimento da zona

colunar será interrompida apenas com o bloqueio de grãos da zona equiaxial central.

Temperatura de Vazamento

Comprimento Colunar(Percentual do raio)

100

Figura 3.19 – (a) Variação da quantidade de grãos a partir da periferia de uma peça fundida da

liga Al-2%Ag em molde metálico, (b) Variação da zona colunar com a temperatura de vazamento.

Zona Equiaxial Central: Os grãos da zona equiaxial central, normalmente são bem maiores que os

da zona coquilhada. A redução do superaquecimento e o aumento de composição da liga são

fatores favoráveis a zona equiaxial, conforme mostra a Figuras 3.19. Com o aumento do

superaquecimento a tendência a formação da zona equiaxial reduz, mas por outro lado os grãos

equiaxiais que ocorrem terão grandes dimensões. Observa-se que existe um significativo efeito

de tamanho influenciando o desenvolvimento da zona equiaxial. Deste modo, a relação entre o

comprimento da zona colunar e o tamanho dos grãos equiaxiais com o grau de

superaquecimento, são válidos apenas para pequenos lingotes. Diversos estudos com materiais,


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que apresentam solidificação análoga a dos metais (soluções aguosas de NH4Cl) mostraram

claramente que os núcleos da zona equiaxial central, possuem diferentes origens:

A.) Núcleos da zona coquilhada que foram arrastados pela forte convecção gerada no

vazamento;

B.) Quebra de pequenas pontas dos grãos colunares, as quais são arrastadas para o interior do

líquido, devido ao crescimento da zona colunar;

C.) Da solidificação que ocorre na superfície livre do lingote, sendo que pequenos núcleos são

formados e posteriormente caem por gravidade para o interior do líquido;

3.7. MICROESTRUTURAS DE MATERIAIS METÁLICOS

A maioria dos materiais metálicos passa por etapas de processamento posteriores ao

processo de solidificação, causando modificações na estrutura bruta de fusão. Em geral, utilizam-

se tratamentos de deformação a frio (temperaturas abaixo de 0,5 .TFusão) ou à quente

(temperaturas acima de 0,5 .TFusão), dependendo das condições do material e das características

esperadas no produto final, além de tratamentos térmicos ou termoquímicos. Os processos de

deformação, a frio ou a quente, são empregados para a obtenção de produtos como chapas,

tubos, arames, entre outros. Nesses processos ocorrem várias alterações microestruturais

simultâneas como encruamento, recuperação e recristalização estática ou dinâmica, dependendo

do tempo e da temperatura de trabalho. A distribuição de defeitos cristalinos em um material

deformado ou encruado é bastante heterogênea. As variações de densidade de defeitos

cristalinos ocorrem tanto dentro de um mesmo grão como entre os grãos. Quando um material

metálico é deformado a frio, a maior parte da energia gasta no trabalho a frio se dissipa na forma

de calor, mas uma fração finita é armazenada no material como energia de deformação associada

aos defeitos cristalinos criados pela deformação.

Os contornos de grão desempenham um importante papel no comportamento das

propriedades mecânicas de um metal. A baixas temperaturas, por exemplo, os contornos de grão

são em geral muito fortes e não diminuem a resistência mecânica dos metais. Assim, metais puros

muito deformados, e a maioria das ligas, falham a baixa temperatura por trincas que se

desenvolvem através dos cristais e não nos contornos. Fraturas desse tipo são chamadas de

transgranulares. Contudo, em altas temperaturas e baixas velocidades de deformação, os

contornos de grão perdem sua resistência mais rapidamente do que os cristais, resultando em

uma fratura que não se propaga através do cristal, mas sim ao longo dos contornos de grão.

Fraturas deste tipo são chamadas de fraturas intergranulares. Com ausência de temperaturas

muito elevadas, quase sempre ocorre uma forte dependência entre tamanho de grão, dureza e

resistência, já que os contorno de grão atuam como obstáculos ao escorregamento das

discordâncias, originando empilhamentos de discordância em seus planos de escorregamento

atrás dos contornos. Em geral, em materiais com granulação fina é necessária uma tensão


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aplicada muito maior para causar escorregamento através do contorno de grão do que no caso de

materiais com granulação grosseira. O tamanho final dos grãos depende da porcentagem de

deformação do processo, da temperatura de deformação e tratamento térmico, do tempo de

tratamento e das características do material em estudo. Em relação aos diversos processos de

fabricação e conformação de materiais metálicos, pós solidificação, podem-se destacar:

laminação, extrusão, trefilação, forjamento, soldagem, estampagem, embutimento, etc.

O comportamento mecânico de qualquer material utilizado em engenharia é função de sua

estrutura interna e de sua aplicação em projeto. As características que o material especificado

deve atender podem ser divididas em duas categorias:

• Características de Processamento ⇒ referem-se às propriedades físicas da matéria-prima, como

função dos processos de fabricação envolvidos na manufatura do produto final.

• Características de Aplicação ⇒ referem-se às propriedades físicas desejadas no produto

acabado, como função direta de sua utilização e comportamento estrutural.

A Figura 3.20 mostra micrografias de diferentes estruturas encontradas em materiais

metálicos, destacando-se os grãos cristalinos na estrutura bruta de solidificação e as ramificações

dendríticas formadas no interior desses grãos em função da solidificação e rejeição de soluto.

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

Figura 3.20 - Microestruturas: (a) Grãos de ferrita em um aço SAE 1005 (90x, nital), (b) Grãos de

austenita em um aço SAE 1010 (325x, nital), (c) Ferro fundido nodular 3,5% C ferrítico (100x,

nital), (d) Superfície tratada a laser de um substrato de Al-4,5% Cu (200x, Flick), (e) Estrutura

dendrítica de cobre comercialmente puro no estado bruto de fusão (100x, 10g HNO3-90ml H2O),

(f) Estrutura dendrítica da liga Zn-4%Cu no estado bruto de fusão (64x, Palmerston).


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EXERCÍCIOS PROPOSTOS

1.) A - Como são classificadas as imperfeições estruturais?

B - Dê exemplos de imperfeições ou defeitos estruturais para cada uma das classificações.

2.) A - O que é uma discordância?

B - Quais as principais causas da formação de discordâncias?

3.) O vetor de Burger é a distância de deslocamento dos átomos ao redor da discordância, ou

seja, dá a magnitude e a direção de distorção da rede. Qual a orientação deste vetor para

discordâncias em cunha, em hélice e mista?

4.) A - O que é uma solução sólida?

B - Como as soluções sólidas são classificadas?

5.) De acordo com a tabela abaixo responda quais dos elementos você esperaria formar com o

Níquel:

A - Solução sólida substitucional, com completa solubilidade. Justifique.

B - Solução sólida substitucional, com solubilidade incompleta. Justifique.

C - Solução sólida intersticial. Justifique.

6.) O contorno de grão favorece a nucleação de novas fases, difusão, etc. Por quê?

7.) A - O que é contorno de pequeno ângulo?

B - A energia de contorno de pequeno ângulo é maior ou menor que a energia de contorno de

grão de alto ângulo? Por quê?

8.) O tamanho de grão tem um papel importantíssimo nas propriedades dos materiais. Na prática,

como o tamanho de grão pode ser controlado?


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9.) O que é um “twin” ou macla?

10.) Calcule o número de vacâncias por metro cúbico para o Ferro a 850 °C. A energia para a

formação de vacâncias é 1,08 eV/átomo e a densidade e o peso atômico do Ferro são 7,65

g/cm3 e 55,85 g/mol, respectivamente.

11.) Calcule a energia para formação de vacâncias no Alumínio, sabendo que o número de

vacâncias no equilíbrio a 500 °C é 7,57 x10 23 m-3. O peso atômico e a densidade do Alumínio

(nesta temperatura) são 26,98 g/mol e 2,62 g/cm3.

13.) Ouro forma solução sólida com Prata. Qual o número de átomos de ouro por cm3 para uma

liga de Ag e Au que contém 10% em peso de Au e 90% em peso de Ag? A densidade do Au é

19,32 g/cm3 e da Ag é 10,49 g/cm3 .

14.) A concentração do Carbono numa liga de Ferro é 0,15 % em peso. Qual é a concentração em

kg de carbono por m3 no Ferro?

15.) O vetor de Burger (b) para estruturas cúbicas de face centrada (CFC) e cúbica de corpo

centrado (CCC) pode ser expresso como:

b= a/2 x [hkl]

onde [hkl] é a direção cristalográfica que tem maior densidade atômica.

A - Quais são as representações para o vetor de Burgers para as estruturas CFC e CCC?

B - Se a magnitude do vetor de de Burges ⏐b⏐é igual a a/2 x (h2+k2+l2)1/2, determine o valor

de ⏐b⏐para o Alumínio.


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RESOLUÇÃO 1.) A – pontuais, lineares, planares e volumétricos

B – vazios, impurezas, discordâncias, contornos de grãos e maclas, porosidade, precipitados 2.) A – defeito linear: aresta ou cunha, esperiral ou hélice, e mista

B – solidificação e deformação plástica 3.) cunha: perpendicular, hélice: paralelo, e mista: paralelo 4.) A – mistura íntima de soluto e solvente na matriz

B – intersticiais ou substitucionais 5.) A – Ni – regra de Home-Rottery

B – Ag, Al C – C, H, O

6.) Devido a incompleta ligação dos átomos e acúmulo de energia 7.) A – direções cristalinas dos grãos envolvidos é similar

B – menor 8.) Nas solidificação, conformação plástica e tratamentos térmicos 9.) Defeito superficial ou planar. Limite entre a imagem especular da estrutura 10.) Nv = 1,1798.1024 vac/m3

11.) Qv = 0,7501 eV/át 13.) Nát Au / cm3 liga = 3,36.1021

14.) 11,82 kg de C/m3 de Fe

15.) /b/ Al = 0,2862 nm


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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

1. CALLISTER, Willian D., Materials Science and Engineering: An Introduction. 3ª Edição,

New York, John Wiley & Sons, 1994.

2. VAN VLACK, Lawrence H., Princípio de Ciências e Tecnologia dos Materiais. 4ª Edição, Rio

de Janeiro, Campus, 1984.

3. ASKELAND, Donald R., The Science and Engineering of Materials. 2ª Edição, London,

Chapman and Hall, 1991.

4. SMITHS, W.; Hashemi, J. Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais, Editora

McGrall-Hill, 1998.

5. SMITH, William F., Materials Science and Engineering. New York, McGraw-Hill Publ. Co., 2ª

Ed. 1989.

6. MEYERS, Marc A.; Chawla, Krishan K., Princípios de Metalurgia Mecânica. São Paulo, Edgar

Blücher, 1982.

7. SHACKELDFORD, James F., Introduction to Materials Science for Engineers. New Jersey,

Prentice-Hall, Inc., 4ª Ed. 1996.

8. REED-HILL, W., Physical Metallurgy. McGraw- Hill, 1998.

9. MULLER, Arno. Análise Térmica e Solidificação dos Metais. Ed. UFRGS, R.S., 1999.

10. GARCIA, Amauri. Solidificação dos Metais: Fundamentos e Aplicações. Ed. UNICAMP,

S.P., 2001.

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