ligas metálicas

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Ligas metálicas
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LIGAS METÁLICAS
Os metais são geralmente utilizados na forma de ligas, ou seja; consistem em
“misturas” de dois ou mais elementos químicos. Nas ligas metálicas, pelo menos um
dos elementos é metal e a liga resultante apresenta características metálicas. (elevada
condutibilidade térmica e elétrica)
IMPUREZAS NOS METAIS
Metais puros possuem inúmeras propriedades que os tornam importantes do
ponto de vista industrial: Condutibilidade elétrica (Au, Cu), temperatura de fusão (W),
etc.
Entretanto, a maioria dos processos metalúrgicos produz metais com uma
quantidade de impurezas que normalmente varia entre 0,01% a 1% em peso.
O efeito das impurezas sobre as propriedades de um metal é relativo e
dependente de questões tecnológicas e econômicas (custo/benefício).
Quando a influência das impurezas é mínima o metal é conhecido como
“COMERCIALMENTE PURO”. Na prática um metal puro nunca será 100%, ou seja sua
pureza pode variar entre 99 e 99,9999%
Metais como o cobre, zinco e Pb podem, por exemplo serem produzidos com
pureza próxima ou superior a 99,99%.
Exemplo: Padrões analíticos de Ferro
Pó de Fe (-200#) 99+%
$ 1,65
Pó de Fe (-200#) 99,9%
$ 19,10
Pó de Fe (-22 #) 99,999%
$ 86,00
(25 g)
(25 g)
(25 g)
Na maioria dos casos, um ou mais elementos podem ser intencionalmente
adicionados a um metal, objetivando-se melhorar as propriedades mecânicas ou obter
certas propriedades específicas.
Se tal adição se tornar parte integral da fase sólida, a fase resultante é
chamada SOLUCÃO SÓLIDA, ou seja o metal puro (solvente) dissolve o elemento
adicionado propositadamente (soluto).
Marcelo F. Moreira
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LIMITE DE SOLUBILIDADE
Para diversos sistemas de ligas (componentes) e sobre uma determinada
temperatura, existe uma concentração máxima de átomos de soluto para formar uma
solução sólida; esta concentração define o limite de solubilidade daquele sistema.
A adição de soluto em quantidades superiores ao limite de solubilidade resulta
na formação de outra solução sólida ou um composto de composição diferente.
Exemplo: SISTEMA C12H22O11 - H2O (Água - açúcar)
FASES
•Uma fase pode ser definida como uma porção homogênea de um sistema que
possui características físicas e químicas uniformes.
Todo metal puro é considerado como uma fase, bem como toda solução sólida
líquida ou gasosa. No exemplo do sistema água-açúcar: a solução líquida (água-doce)
foi discutida como uma fase e o açúcar como outra. Cada qual possui diferentes
características físicas (uma é sólida e outra é líquida) e químicas (composições
químicas diferentes - uma fase apresenta C12H22O11 e H2O e a outra apenas C12H22O11)
Nos sistemas com mais de uma fase, cada uma apresenta propriedades
distintas e um contorno (contorno de fase) separando estas fases, sobre o qual existe
uma mudança descontínua e abrupta nas características físicas e/ou químicas
Marcelo F. Moreira
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MICROESTRUTURA
Na maior parte dos materiais, as propriedades físicas e particularmente o
comportamento mecânico são dependentes de sua microestrutura. A microestrutura
é sujeita a observação direta através de microscópios ópticos ou eletrônicos.
•Nas ligas metálicas, a microestrutura é caracterizada pelo número de fases, suas
proporções e suas morfologias.
EQUILÍBRIO ENTRE FASES
Um sistema está em equilíbrio, quando sua energia livre é mínima em uma
condição específica de temperatura pressão e composição.
Isso significa que as características de um sistema não se alteram com o tempo ou
seja, o sistema está estável.
Alterações na pressão, temperatura e/ou composição química do sistema em
equilíbrio podem resultar em um aumento da energia livre e, conseqüentemente, uma
mudança espontânea para outro estado no qual a energia livre é menor.
Os diagramas de equilíbrio, como o diagrama água-açúcar, fornecem
informações importantes sobre o equilíbrio entre fases, mas não indicam o tempo
necessário para que um novo estado de equilíbrio seja atingido.
Exemplo: sistema água-açúcar com 50% açúcar a 60°C
Adição de mais açúcar
Redução rápida da temperatura para 20°C
No caso de soluções sólidas (movimentação atômica muito menor) os estados
de equilíbrio nunca são estabelecidos e assim o sistema é chamado de não equilíbrio
ou metaestável.
Os estados e microestruturas metaestáveis podem persistir indefinidamente e
freqüentemente possuem aplicações práticas mais expressivas que estados /
microestruturas de equilíbrio.
Exemplo:
Tratamentos térmicos dos aços - têmpera
Tratamentos térmicos em ligas de Al (solubilização e envelhecimento)
Marcelo F. Moreira
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SOLUÇÃO SÓLIDA SUBSTITUCIONAL
Ocorre quando os átomos do soluto substituem as posições atômicas
ocupadas pelos átomos do metal solvente
Para a formação de uma solução sólida substitucional é necessário que os
componentes (solvente e soluto) apresentem:
dimensões atômicas similares (diferença de ~15% máx.)
estruturas eletrônicas semelhantes (eletronegatividade e valência)
mesma estrutura cristalina (CCC, CFC ou HC ).
Exemplo Cu - Ni
Metal
Cobre
Níquel
Raio atômico
0,128
0,125
Eletronegatividade
1,9
1,8
Valência + comum
+1 (+2)
+2
Estrut. cristalina
CFC
CFC
Soluto
Solvente
Ni
Al
(Diferença: 2,3%
Diferença entre os
raios atômicos
[%]
Solubilidade
máxima
[%]
Cu
-2,5
100
Cu
+12,0
9
Pb
Cu
+36,9
0
Ni
Ag
-13,7
0,1
Cu
Ag
-11,5
9
Pb
Ag
+21,2
5
Cu
Ni
+2,56
100
Al
Ni
+14,8
12
Ni
Al
-12,9
0,05
Cu
Al
-10,7
6
Ag
Al
+0,9
48
Marcelo F. Moreira
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SOLUÇÃO SÓLIDA INTERSTICIAL
Geralmente ocorre quando os átomos de soluto apresentam dimensões
menores que os átomos de solvente.
Na solução sólida intersticial os átomos de soluto se localizam nos interstícios
existentes entre átomos maiores (solvente)
Exemplo clássico: Fe-C
Marcelo F. Moreira
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DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO ISOMORFO (Cu-Ni)

Isomorfo: (uma só forma) Completa solubilidade no sólido e no líquido
É composto por três campos:
Campo de α: Solução sólida substitucional composta por átomos de Cu e Ni com
estrutura cristalina CFC
Campo de L: Solução líquida homogênea composta por Cu e Ni
Campo L +α : Mistura em equilíbrio das fases L e α
Propriedades mecânicas das soluções sólidas Cu-Ni
Marcelo F. Moreira
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INTERPRETAÇÃO DOS DIAGRAMAS DE FASE
n FASES PRESENTES:
Para uma dada composição e temperatura, as fases presentes são determinadas
pela localização destas coordenadas (ponto composição-temperatura) no diagrama,
ou seja o campo do diagrama que contêm a coordenada.
Ex. Liga 60% Ni a 1100°C (Ponto A) e liga 35% Ni a 1250°C (Ponto B)
o COMPOSIÇÃO DAS FASES PRESENTES:
Localizar o ponto composição - temperatura no diagrama de fase:
Para campo monofásico: a composição da fase é a própria composição da liga
Para campo bifásico:
a- Construir uma isoterma ("tie line") na temperatura fornecida para a
localização do ponto.
b- Identificar os pontos onde a isoterma intercepta as linhas de contorno de
fase
c- As composições das respectivas fases são indicadas no eixo de composição
com o auxílio de linhas horizontais (CL e Cα)
p DETERMINAÇÃO DA QUANTIDADE DAS FASES PRESENTES:
“REGRA DAS ALAVANCAS” (Só aplicável em campos bifásicos)
A fração de uma fase é calculada tomando-se o comprimento da isoterma da
composição da liga até o contorno de fase (CL e Cα) para a outra fase e dividindo-se
pelo comprimento total da isoterma ("tie line" )
Assim, para a fração de líquido temos:
ou para a fase α:
%L=
C − C0
S
.100 = α
.100
R+S
Cα − C L
%α =
C − CL
R
.100 = 0
.100
R+S
Cα − C L
Marcelo F. Moreira
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DESENVOLVIMENTO DA MICROESTRUTURA EM UM DIAGRAMA ISOMORFO

Liga contendo 35% Ni:
ZONAMENTO (“CORING”)
O zonamento é caracterizado por um gradiente de composições químicas em
uma fase. Como no equilíbrio termodinâmico (resfriamento extremamente lento), a
fase teria uma única composição, o zonamento representa uma condição de nãoequilíbrio em que não houve tempo suficiente para a homogeneização da composição
química.
É relevante citar que as condições de processamento industriais, quase
sempre, são condições de não-equilíbrio e que microestruturas zonadas são comuns
em diversas ligas metálicas.
Marcelo F. Moreira