Os metais consistem em agregados de átomos regular- mente arranjados numa estrutura cristalina. A despeito de, até agora, considerarmos a formação de cristais simples, os metais geralmente não solidifi cam (daquilo que é conhecido como a fusão) como um cristal único, mas ao invés disso são formados de um grande número de cristais pequenos.
Isso ocorre porque em geral existem muitos núcleos
de cristalização espalhados por todo o metal fundido.
Tais núcleos podem se formar quando quatro átomos perdem sufi ciente energia térmica e se tornam capazes de constituir uma unidade celular. Essas unidades celulares crescerão conforme mais átomos metálicos alcançarem uma energia sufi cientemente baixa para se unir e assim ocorre a formação do cristal. Esse processo é conhecido como nucleação homogênea. Ela requer equipamentos altamente especializados para que ocorra o crescimento de um cristal único do metal completamente derretido.
Mais comumente, a solidifi cação é iniciada pela pre- sença de impurezas na fusão. Conforme a temperatura diminui abaixo do ponto de fusão, os átomos do metal se depositarão nessas impurezas e os cristais começarão a se formar. Esse processo é conhecido como nucleação heterogênea. Os cristais (ou grãos, como são chamados) continuarão a crescer até que todo o metal tenha se solidifi cado. Durante seu crescimento, eles começarão a interagir um com o outro, levando a ligações entre os cristais, onde os átomos estão irregularmente arranjados. Esse limite é chamado limite granular e é essencialmente um defeito na estrutura cristalina do metal.
O processo de solidifi cação de um metal é demons- trado esquematicamente na Figura 1.5.1. Um tamanho de granulação fi no é usualmente desejado num metal porque aumenta o limite de proporcionalidade, mas a razão para isso não será considerada agora. Uma maneira pela qual se promove um tamanho de granulação fi no é a rápida solidifi cação, como usado na fundição de ligas de
ouro de uso odontológico dentro de um molde de revesti- mento mantido a uma temperatura bem abaixo da tempe- ratura de fusão da liga. De maneira alternativa, a presença de muitos sítios de nucleação levará a um tamanho de granulação fi no. Esse método é também empregado em ligas de ouro de uso odontológico pela adição do irídio. O irídio proporciona muitos sítios de nucleação e age como um ingrediente refi nador de grão.
É muito útil ser capaz de estudar a estrutura deta- lhada dos metais, em termos de tamanho dos cristais, sua forma e sua composição, uma vez que essa informação pode acrescentar-nos muito sobre as propriedades do metal e como ele foi feito. Alguma ideia sobre a estrutura pode ser obtida pela avaliação da superfície do metal sob microscopia óptica por luz refl etida.
A luz é refl etida de uma superfície metálica polida, mas a fração de luz incidente que é refl etida de qualquer região dependerá das irregularidades da superfície, pois as irregularidades causarão o espalhamento da luz.
A ação de substâncias químicas numa superfície polida (conhecida como condicionamento) também pode reduzir a quantidade de luz refl etida. A escolha, ade- quada de um agente químico que condicione certas regiões da superfície do metal. Essas áreas tendem a ser submetidas a elevadas tensões, tais como nos limites do grão, onde existe uma organização imperfeita dos átomos. De fato, uma ranhura produzida espalhará a luz incidente e, portanto, aparecerá como uma linha escura.
Esse efeito é mostrado esquematicamente na Figu-
ra 1.5.2 para um metal, que tem uma estrutura de gra-
nulação muito uniforme. Todos os grânulos são quase do mesmo tamanho e forma; tal estrutura granular é descrita como equiaxial. Um exemplo de estrutura de granular para o aço inoxidável hipoeutectoide, revelada pelo condicionamento, está mostrado na Figura 1.5.3. Muitas outras formas e tamanhos de grânulos são pos- síveis, e essas propriedades com frequência dependem dos métodos empregados durante a solidifi cação. Por
CIÊNCIA BÁSICA DOS MATERIAIS DENTÁRIOS
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exemplo, se o metal fundido é vertido dentro de um molde com uma secção transversal quadrada ou circu- lar e que é mantida a uma temperatura bem abaixo da temperatura de fusão do metal, os grânulos poderiam se assemelhar àqueles desenhados na Figura 1.5.4. O crescimento do cristal terá sido das paredes do molde em direção ao centro.
Muitos metais são prontamente deformados, em espe- cial na sua forma elementar (isto é, pura). Isso permite que eles sejam modelados por martelamento, rolamento, pressão ou cunhagem. Um grande modelo de fundição, conhecida como lingote, pode assim ser transformado em qualquer forma desejada, pode ser um aerofólio de carro, o casco de um barco ou um fi o.
Quando deformado dessa maneira, o metal é dito como sendo forjado. Se examinarmos a microestrutura de um fi o sob microscopia óptica, pode ser observada uma estrutura similar àquela mostrada na Figura 1.5.5. Os grânulos foram alongados na direção do desenho, e se apresentam numa estrutura laminar. Assim, da observa- ção da microestrutura do metal podem ser obtidas muitas informações.
LIGAS
Os metais elementares não são geralmente utilizados por causa de diversas limitações em suas propriedades. Muitos metais usados são uma mistura de dois ou mais metais elementares; algumas vezes elementos não metáli- cos são incluídos. Eles são em geral produzidos pela fusão dos elementos acima de suas temperaturas de fusão. A mistura de dois ou mais metais ou metaloides é denomi- nada liga. Dois elementos poderiam constituir uma liga
binária e uma mistura de três é chamada liga ternária.
Uma liga frequentemente consistirá em um número de fases sólidas distintas, onde uma fase é defi nida como uma parte estruturalmente homogênea de um sistema que é separado de outras partes por um limite físico claro. Cada fase terá sua estrutura própria distinta e proprieda- des associadas.
As fases citadas comumente são as fases gasosa, líquida e sólida, uma vez que são muito diferentes umas das outras. Em uma substância pode exibir várias fases. Núcleo de
cristalização Líquido
Grânulo Limite do granular Sólido Congelamento
Superfície polida e condicionada
Figura 1.5.3 Estrutura granular para o aço inoxidável hipoeutectoide. Figura 1.5.1 Solidifi cação de um metal.
Figura 1.5.2 Refl exão da luz incidente da superfície do metal condicionado.
ESTRUTURA DOS METAIS E DAS LIGAS METÁLICAS
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Por exemplo, a água poderia ser considerada como uma estrutura de fase única, enquanto uma mistura de água e óleo poderia consistir em duas fases. A areia poderia ser considerada como um sistema de fase única, embora seja feita de muitas partículas individuais, uma vez que cada partícula de areia é idêntica.
Uma fase pode ter mais de um componente, como o soro fi siológico, por exemplo, que é uma solução aquosa de cloreto de sódio. Igualmente, as fases no metal podem consistir em uma mistura de metais. O cobre pode conter até 40% de zinco sem destruir sua estrutura CFC. Tal solução sólida, como é chamada, atenderá a algumas condições especiais (veja a seguir).