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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
(^2) 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.
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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 Fe 3 C (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.
a
b
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
