Soluções Sólidas z6gm

UNIVERSIDADE DO EXTREMO SUL CATARINENSE Curso de Engenharia de Materiais Disciplina: Professor: Acadêmica:

Metalurgia I Márcio Rocha Monize Aparecida Martins

Soluções Sólidas (Substitucionais, Intersticiais, Ordenadas e Desordenadas) De acordo com Callister (2002), uma solução sólida se forma quando átomos solutos são adicionados ao material hospedeiro, de forma que a estrutura cristalina é mantida, e nenhuma estrutura nova é formada. Segundo Reed-Hill (1982), a solução sólida substitucional consiste na substituição direta de um tipo de átomo por outro, de forma que os átomos de soluto se localizam em posições normalmente ocupadas por átomos de solvente. Já nas soluções sólidas intersticiais, o átomo de soluto não desloca um átomo de solvente, mas ocupa um dos espaços vazios, ou interstícios, presentes entre os átomos de solvente.

Figura 1 – (A) Representação de uma solução sólida substitucional e (B) uma solução sólida intersticial Fonte: REED-HILL (1982)

Padilha (1997) afirma que as soluções sólidas ordenadas são formadas quando os átomos ocupam posições preferenciais no reticulado cristalino, o que é relativamente frequente nas ligas metálicas. Como exemplo pode-se citar a liga 50% Cu – 50% Zn. Esta liga forma uma fase com estrutura CCC, denominada β’ na qual os átomos de cobre estão localizados na posição

central da célula e os átomos de zinco ocupam as posições dos vértices da célula. Em geral, as fases ordenadas são estáveis abaixo de uma determinada temperatura, denominada temperatura crítica. Acima da temperatura crítica elas se tornam desordenadas, mantendo a cristalinidade. Cottrell (1993) confirma que a distribuição de equilíbrio dos átomos numa solução substitucional depende, geralmente, da temperatura. Além disso, com o aumento da temperatura, ocorre também o aumento da solubilidade, o que resulta no fato de uma solução desordenada ter geralmente uma entropia mais alta do que uma mistura de fases, e assim, ser favorecida a altas temperaturas. 

Propriedades Mecânicas

Dieter (1981) descreve o resultado da adição de solutos como um aumento da tensão de escoamento assim como do nível da curva tensãodeformação como um todo, como mostrado na figura 2. Callister (2002) destaca uma maior resistência ao escorregamento quando os átomos de impureza estão presentes, pois a deformação global da rede deve aumentar se uma discordância for separada deles. Sendo assim, uma maior tensão deve ser aplicada para iniciar e dar continuidade à deformação plástica para ligas com solução sólida, diferente do que ocorre com metais puros, o que fica comprovado pelo aumento da resistência e da dureza.

Figura 2 – Efeito de adições de soluto na curva tensão-deformação Fonte: DIETER (1981)

Sabe-se que os átomos intersticiais são mais eficazes no aumento de resistência mecânica quando comparados aos átomos substitucionais. Na figura abaixo, pode-se observar que os átomos de nitrogênio e carbono (intersticiais), induzem um aumento significativo na tensão de escoamento com porcentagens muito inferiores a dos átomos substitucionais.

Figura 3 – Aumento em tensão de escoamento ∆σ de aço em função da porcentagem da liga. Fonte: MEYERS; CHAWLA (1982)

Para Meyers; Chawla (1982), esse fato é explicado da seguinte forma: Átomos substitucionais, como zinco em cobre, dão origem a uma distorção completamente simétrica no retículo que corresponde exatamente ao problema da elasticidade de uma bola de tamanho maior em um buraco de tamanho menor. É importante observar que, em virtude da simetria esférica dos campos de tensões dos átomos substitucionais de impurezas, eles só podem interagir com defeitos que têm um componente hidrostático em seu campo de tensões, como ocorre com as discordâncias em cunha. Já discordâncias em hélice têm campos de tensão de caráter puramente cisalhante, e, assim sendo, nenhuma interação entre elas e átomos substitucionais ocorrerá. Átomos intersticiais como carbono em ferro α, porém, causam não só uma má adaptação dilatacional (em volume), mas também induzem uma distorção tetragonal. Ambos, carbono e nitrogênio, ocupam posições intersticiais nos centros das faces e/ou nos pontos médios das arestas do cubo de corpo centrado. A distorção tetragonal assim produzida interagirá com campos de tensões hisdrostáticas e

cisalhantes. A consequência importante da distorção tetragonal é que os átomos de impureza interagirão e formarão atmosferas com ambas as discordâncias, em cunha e em hélice, resultando em um impedimento mais efetivo ao movimento das discordâncias que no caso de átomos substitucionais.

REFERÊNCIAS

CALLISTER JR., W. D. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 5ª Ed. Rio de Janeiro: LTC, 2002.

REED-HILL, R. E. Princípios de Metalurgia Física. 2ª ed. Rio de Janeiro: Guanabara Dois, 1982.

DIETER, G. E. Metalurgia Mecânica. 2ª ed. Rio de Janeiro: Guanabara Dois, 1981.

PADILHA, A. F. Materiais de engenharia: microestrutura e propriedades. São Paulo: Hemus, 1997.

MEYERS, M. A.; CHAWLA, K. K. Princípios de metalurgia mecânica. São Paulo: Edgard Blücher, 1982.

COTTRELL, A. H. Introdução à metalurgia. 3ª ed. Lisboa: Fundação Calouste Gulbenkian, 1993.