Estrutura Cristalina dos Materiais Metálicos

Segundo o dicionário da Língua Portuguesa (FERREIRA, 1986) material é aquilo que é empregado na confecção de bens materiais como habitações, veículos, máquinas, utensílios etc. Como exposto anteriormente, os materiais para engenharia são classificados em três principais classes independentes - Metais, Cerâmicas e Polímeros - e uma classe composta chamada de Compósitos.

Este estudo priorizará em seu desenvolvimento as características e estruturas dos materiais metálicos e suas ligas. Destaca-se que os 90 (noventa) elementos que constituem a Terra, estão presentes em quantidades adversas e distribuídos de modo não uniforme por ela. A matéria do universo é constituída de átomos, mas somente os gases inertes são encontrados no estado atômico e o restante existe na forma de moléculas constituindo dois ou mais átomos iguais ou diferentes. Nos oceanos encontram-se as substâncias dissolvidas em quantidades variáveis e, em

sua maioria, no estado “iônico” ou “carregado” ao estado atômico ou neutro (CALLISTER JR, 2002).

Na crosta terrestre há principalmente agregados sólidos ou compostos envolvendo os elementos, tais como oxigênio, silício, alumínio, ferro, cálcio entre outros mais comumente encontrados. Chama-se de “fase” a parte da matéria estruturalmente homogênea e, durante a análise de um gás ou de uma mistura de gases, pode-se observar que devido ao seu movimento e a separação de seus constituintes, os gases não possuem um arranjo molecular ou atômico internamente regular. Sendo assim, é considerado um sistema de fase simples, generalizando em sistema gasoso (LAWRENCE, 2000).

Os materiais metálicos possuem suas características e aplicações bem definidas e distintas de outros materiais. Algumas características básicas dos metais é que são relativamente resistentes, maleáveis, dúcteis, excelentes condutores de eletricidade e calor, densos entre outras. Mas o que faz como que essas características sejam reais, é a presença de átomos organizados numa estrutura repetitiva e regular denominada pela ciência dos materiais como Cristal (LAWRENCE, 2000).

Assim, pode-se dizer que a estrutura de um metal é definida por duas coisas: a primeira é a constituição que envolve a composição geral, os elementos (ou componentes) que o metal contém e os pesos relativos de cada um deles. E a segunda é a informação geométrica sobre a forma de cada fase associada ao tamanho e espaçamentos de cada fase (CALLISTER JR, 2002).

Inicialmente, ao examinar a menor das escalas de característica estrutural e controlável, que é como os átomos são empacotados nos metais para dar uma estrutura cristalina ou uma estrutura vítrea (tabela 4), verifica-se que, na maioria dos casos, os átomos do metal são empacotados em simples estruturas cristalinas cúbica de face centrada (CFC), cúbica de corpo centrado (CCC) ou hexagonal compacta (HC). Átomos de metais são como minúsculos rolamentos de esferas e tendem a um extremo empacotamento, possuindo estruturas como a CFC e HC com a mais alta densidade de compactação possível, ou seja, 74% do volume do metal ocupado pelas esferas. Existem também metais como ferro e cromo, que possuem

certa direcionalidade , que faz com que os átomos se empacotem em uma estrutura CCC mais aberta com densidade de 68%. A ligação atômica nesse grupo de materiais é metálica, e, dessa forma, é de natureza não direcional, tornando, consequentemente, mínimas as restrições em relação à quantidade e à posição dos átomos vizinhos mais próximos (ASHBY; JONES, 2007).

Metal puro Estrutura Dimensões da célula unitária (nm) A C Alumínio CFC 0,405 Berílio HC 0,229 0,358 Cádmio HC 0,298 0,562 Cromo CCC 0,289 Cobalto HC 0,251 0,409 Cobre CFC 0,362 Ouro CFC 0,408 Háfnio HC 0,320 0,506

Índio Tetragonal de face centrada

Irídio CFC 0,384 Ferro CCC 0,287 Lantânio HC 0,376 0,606 Chumbo CFC 0,495 Magnésio HC 0,321 0,521 Manganês Cúbico 0,891 Molibdênio CCC 0,315 Níquel CFC 0,352 Nióbio CCC 0,330 Paládio CFC 0,389 Platina CFC 0,392 Ródio CFC 0,380 Prata CFC 0,409 Tântalo CCC 0,331 Tálio HC 0,346 0,553

Estanho Tetragonal de corpo centrado

Titânio HC 0,295 0,468 Tungstênio CCC 0,317 Vanádio CCC 0,303 Ítrio HC 0,365 0,573 Zinco HC 0,267 0,495 Zircônio HC 0,323 0,515

Tabela 4: Estruturas cristalinas de metais puros em temperatura ambiente. Fonte: (ASHBY; JONES, 2007)

Alguns metais têm mais de uma estrutura cristalina, conforme mostrado na figura 43. Essa composição pode ser alterada de acordo com a temperatura de trabalho. Esse polimorfismo é provocado em temperatura ambiente por formação de liga, fazendo com que aços inoxidáveis tornem-se CFC ao invés de CCC. Ressalta- se que em baixas temperaturas tem melhor ductilidade e tenacidade se comparados

ao aço carbono comum. As estruturas vítreas são formadas quando metais fundidos são resfriados com muita rapidez, não deixando tempo para que os átomos organizados aleatoriamente no líquido passem para o arranjo ordenado de um cristal sólido. Assim, forma-se um sólido amorfo quando uma estrutura líquida é “congelada”. Essa estrutura é chamada de empacotamento aleatório denso e tem boa capacidade de modelagem (CALLISTER JR, 2002).

Figura 43: Estruturas cristalinas. Fonte: (CALLISTER JR, 2002).

Os cristais quando crescem acabam formando contornos irregulares devido aos pontos de contato de cada conjunto e, consequentemente, formam-se os grãos que são ligados por uma película chamada de “contorno de grão”. Assim, os planos de maior densidade atômica tem uma menor resistência ao escorregamento dos planos dependendo de sua forma alotrópica (diferentes reticulados a diferentes temperaturas), conforme registrado na figura 44. Por exemplo, os metais com reticulados CFC são mais deformáveis que os com reticulado CC (CHIAVERINI, 2002).

Figura 44: Representação do processo de cristalização de um metal. Fonte: (CHIAVERINI, 2002).

A figura 45 representa como resultado a cristalização, formação dos cristais, dando origem ao sistema cristalino que se dividem em sete formas geométricas que são, triclínico, monoclínico, ortorômbico, Hexagonal, Triagonal, Tetragonal e Cúbico, conforme as posições dos átomos, formando as 4 possíveis distribuições chamadas de reticulados Bravais.

Figura 45: Reticulados cristalinos Bravais. Fonte: (CHIAVERINI, 2002).

2.4.4.1 Principais Tipos de Defeitos Cristalinos

Segundo Callister Jr. (2002), imperfeições ou defeitos cristalinos são os defeitos e as causas da deformabilidade ou plasticidade dos metais. Considera-se que o presente estudo busca apreender as condições perfeitas e de isotropia, contudo, como o mundo real é anisotrópico e imperfeito, verifica-se a constante meta de evolução frente à necessidade de superar os empecilhos.

Assim, todas as propriedades citadas anteriormente são estimadas através de um cristal perfeito, no qual não existem defeitos ou imperfeições, servindo de base para a aplicação prática e correção de desvios do padrão criado.

Empregando mais especificidade, pode-se inferir que as propriedades mecânicas são estimadas mediante as imperfeições ou defeitos de um reticulado cristalino. Esses defeitos são classificados, segundo Callister Jr (2002), em puntiformes (lacunas, intersticiais, substitucionais e combinações deles com ou sem impurezas), lineares (discordâncias) e bidimensionais (defeitos de empilhamento, contornos de macla, contornos de sub-grão, contornos de grão, contornos de antifase e interfaces entre fases diferentes).

2.4.4.2 Defeitos Puntiformes

Lacunas são os mais simples dos efeitos pontuais, contida em todos os sólidos cristalinos, sendo impossível de se criar um material isento desse tipo de defeito. A necessidade da existência de lacunas é explicada utilizando os princípios da termodinâmica que favorecem o aumento da entropia do cristal. O auto-intersticial é um átomo de cristal que se encontra comprimido no interior de um sítio intersticial, sua formação não é muito provável e suas concentrações são significativamente menores do que aquelas exibidas pelas lacunas (figura 46).

Figura 46: Representação bidimensional de um sólido cristalino contendo os defeitos intersticial (sefl interstitial), intersticial de átomo impuro (interstitial impurity atom), lacuna (vacancy) e substitucional

(Substitutional).

Fonte: (CALLISTER JR, 2002).

2.4.4.3 Lineares

Lineares são os defeitos caracterizados por discordâncias que se refletem na forma unidimensional, tendo ao seu redor o desalinhamento de alguns átomos. São classificadas em Cunha, Hélice ou Espiral e sua magnitude diminui com a distância de afastamento da linha da discordância, sendo virtualmente perfeito quanto mais se distancia da linha de discordância. O movimento das discordâncias produz a deformação plástica, pois à medida que forças externas são aplicadas nos átomos, eles escorregam com mais facilidade para onde estão localizados os efeitos e vão se rearranjando até não terem mais para onde escorregar (figura 47).

Figura 47: A direita o arranjo dos átomos em torno de uma discordância em Cunha e a esquerda uma em Hélice.

2.4.4.4 Bidimensionais

Segundo Callister Jr (2002) os Defeitos Interfaciais são contornos que possuem duas dimensões e normalmente separam as regiões dos materiais que possuem diferentes estruturas cristalinas e/ou orientações cristalográficas.

Contornos de grão: é o contorno que separa dois pequenos grãos ou cristais que possuem diferentes orientações cristalográficas em materiais policristalinos (figura 48).

Figura 48: Contornos de grão e de sub-grão. Fonte: (CALLISTER JR, 2002).

Contornos de macla: é um tipo especial de contorno de grão através do qual existe uma simetria específica em espelho da rede cristalino, ou seja, os átomos de um lado do contorno estão localizados em posições de imagem em espelho dos átomos do outro lado do contorno (figura 49).

Figura 49: Exemplo de um contorno de macla. Fonte: (CALLISTER JR, 2002).

A variação dos outros efeitos bidimensionais nada mais é que a junção dos contornos com erros de empilhamento e defeitos de interface (figura 50).

Figura 50: Exemplo de interface incoerente. Fonte: (CALLISTER JR, 2002).