3.0 CESOL -SOLID. SIST. CRIST.S GRÃOS RES

(1)

Marca Instituição

Ensino

Prof. M.Sc. Antonio Fernando de Carvalho Mota

SOLIDIFICAÇÃO

SISTEMAS

CRISTALINOS

SOLUÇÕES SÓLIDAS

CONTORNOS DE

GRÃOS

(2)

(3)

T = SuperesfriamentoLíquido

Líquido

Processo de nucleação e crescimento

(4)

ESTRUTURAS DE GRÃO

Grãos equiaxiais

– _{Crescimento de cristais aproximadamente igual em todas as direções} – _{Solidificação rápida}

– _{Usualmente adjacentes a parede fria do molde, (zona Chill, ou}

coquilhada) mas podem aparecer no centro do lingote também

dependendo do tamanho do molde e da velocidade de resfriamento Grãos colunares

– _{Longos, finos, grosseiros}

– _{Solidificação relativamente lenta em gradiente de temperatura} – _{Perpendiculares à parede fria do molde}

(5)

SOLIDIFICAÇÃO

G = G liquido – G sólido,

Gráfico da variação da energia livre em torno do raio do embrião ou núcleo criado durante a solidificação de um metal puro. Se o raio foi maior que r_c, o núcleo é estável e continuará a crescer.

(6)

SISTEMA Cu-Ni

(Sistema isomorfo e binário)

Temperatura de fusão do Níquel puro Temperatura de fusão do Níquel puro Temperatura de fusão do Cobre puro Temperatura de fusão do Cobre puro Solução sólida substitucional Solução sólida substitucional

(7)

Aplicação: solda branda ou solda brasagem fraca

Solda branda é a união de dois metais iguais ou dissimilares, com auxílio de um outro diferente dos metais de base.

Para a sua efetivação há fusão somente do metal de adição e não do metal de base. A coalescência é produzida por aquecimento a temperatura abaixo de 450ºC.

Acima de 450ºC é chamada de Brasagem ou solda brasagem forte

(8)

APLICAÇÕES DA COMPOSIÇÃO EUTÉTICA

Ferro de solda com liga eutética Pb-Sn

(9)

DIAGRAMA DE FASE Fe-Fe

₃

C TRANSFORMAÇÔES



+l

l+Fe

₃

C



+l

PERITÉTICA



+l





EUTÉTICA

l





+Fe

₃

C

EUTETÓIDE



+Fe

₃

C

AÇO

FOFO

(10)

Cristalografia dos Metais

Os átomos são unidades estruturais de todos os materiais.

São de tamanho microscópico, cerca de 2 a 5 Å (angström).

1 Å = 10

-10

m.

Nanotecnologia

1nm = 10

-9

m

Átomo de Bohr em 1913

(11)

Átomo de Ferro: Fe = 2+8+14+2 = 26

Quanto maior o raio atómico, menor a atração que o núcleo do

átomo exerce sobre o elétron que vai adquirir.

(12)

GÁS LÍQUIDO SÓLIDO

(13)

Há 4 tipos de ligações que mantém os átomos dos sólidos sempre

unidos.

1- IÔNICA

2-COVALENTE

3- WAN DER WAALS

4 – METÁLICA

Vários desses tipos de ligações são encontradas nos sólidos;

entretanto as ligações metálicas são predominantes nos metais

A eletronegatividade dos átomos é o que determina o tipo de

ligação.

LIGAÇÕES ATÔMICAS:

Uma medida qualitativa da ionicidade de uma ligação química é fornecida

por meio de uma escala de eletronegatividade, também denominada

de caráter ametálico, é uma propriedade periódica que mede a tendência

de um átomo, de uma ligação química, em ganhar elétrons

(14)

LIGAÇÃO IÔNICA

LIGAÇÃO IÔNICA: Atração mútua entre íons positivos e negativos

(atração eletrostática)

Exemplos: NaCl, Cloreto de Sódio: Na

+

_{+ Cl}

-

_NaCl

MgCl

₂

,Cloreto de Magnésio: Mg

2+

_+2CL

-

_MgCl

2

(15)

LIGAÇÃO COVALENTE

(atração magnética)

Formada entre não metais compartilhamento de elétrons entre 2

átomos

Ex: H

₂

O e CH

₄ Molécula de água H₂O O: 2,6 H: 1 Molécula de Metano – CH₄ C: 2,4 H:1

Camadas com nº máximo: 2,8,18,32,9,2

(16)

Ligações de Van der Waals:

Polarização eletrônica das moléculas (ligações covalentes)

baixa T de fusão e resistência mecânica, mais fraca das ligações

Ligações de Van der Walls

Átomos

(17)

Devido a mobilidade dos elétrons das últimas órbitas (valência), os metais são bons condutores de calor e eletricidade

LIGAÇÕES METÁLICAS - ELÉTRONS DE VALÊNCIA

Elétrons de valência

(18)

18

7 SISTEMAS CRISTALINOS E 14 REDES BRAVAIS

Cúbico

(a=b=c e ===90°) (a=bc e ===90°) Tetragonal

ORTORRÔMBICO (abc e ===90°) (abc e ==90° e 90°)MONOCLÍNICO TRICLÍNICO (abc e 90°) HEXAGONAL (a1=a2=a3c e ==90° e =120°) ROMBOÉDRICO (a=b=c e ==90°)

(19)

CRISTALINO

= ESTRUTURA COM ÁTOMOS ORDENADOS

CÉLULA UNITÁRIA

= O MAIS SIMPLES MODELO CUJA REPETIÇÃO

NO ESPAÇO GERA A ESTRUTURA CRISTALINA

Sistema cúbico simples a=b=c

a= parâmetro da rede

Nenhum metal solidifica seguindo o sistema cúbico simples

(20)

ESTRUTURA CRISTALINA CÚBICA SIMPLES - CS

Qual a Relação de “a” com “r”?

ESTRUTURA CRISTALINA CÚBICA SIMPLES - CS

Qual a Relação de “a” com “r”?

a = parâmetro da rede

R = raio do átomo

a = 2r

Volume = a

3

= 8r

3

a

_CS

= 2r

Distância atômica, angstrom, 1 Å = 10-10_{m = 10}-8_cm

Angstrom é a unidade de medida comumente utilizada para lidar

com grandezas da ordem do átomo ou dos espaçamentos entre dois planos cristalinos

(21)

21

ESTRUTURA CRISTALINA CÚBICA SIMPLES

Parâmetro da rede a

1/8



Apenas 1/8 de cada átomo cai

dentro da célula unitária, ou

seja, a célula unitária contém

apenas 1 átomo.



Essa é a razão que os metais

não cristalizam na estrutura

cúbica simples (devido ao baixo

empacotamento atômico)

(22)

22

ESTRUTURA CRISTALINA CÚBICO SIMPLES -

CS

ESTRUTURA CRISTALINA CÚBICO SIMPLES -

CS

FATOR DE EMPACOTAMENTO, FE = VOLUME DOS ÁTOMOS VOLUME DA CÉLULA UNITÁRIA

Parâmetro da rede a 1/8 FE = 8 X 1/8 X 4/3  R3 a3 FE= 4/3  R3_{= 0,52 ou 52%} 8R3

(23)

DIREÇÕES E PLANOS CRISTALOGRÁFICOS

Direção compacta Plano compacto? Plano compacto (três direções compactas) x y z

(24)

ESTRUTURA CRISTALINA CÚBICO SIMPLES- CS

3 direções compactas: x,y e z

Nenhum plano compacto

Quantas direções compactas e quantos planos compactos

existem no Cúbico Simples?

(25)

Estrutura Cristalina Cúbica de Faces Centradas - CFC

a= 3,66Aº

O parâmetro da rede do Ferro puro à temperatura de 1.200ºC é de aproximadamente de 3,66Aº.

Relação de “a” com “R”:

(4R)

2

=2a

2

(26)

ESTRUTURA CÚBICA DE FACES CENTRADAS - CFC

6 DIREÇÕES COMPACTAS (DIAGONAIS DAS FACES) 4 PLANOS COMPACTOS

Direções compactas Planos compactos

Quantas direções compactas? Quantos planos compactos?

FE = (8x1/8 +6x1/2) 4/3

R

3

_{= 0,74 ou 74%}

(4R/

2)

3

FE = volume dos átomos

volume da célula unitária

(27)

METAIS CFC

Com tantas direções e planos compactos, o cisalhamento de

planos atômicos ocorre com facilidade, conseqüentemente

os metais “CFC” são menos resistentes, mais dúcteis, mais

condutores de calor e de eletricidade.

Metais “CFC” : Au, Ag, Cu, Al, Ni, Pb e Fe

.

Sequência de Empilhamento: ABC, ABC, ABC

Azul, Amarelo e Vermelho...

(28)

Material Condutividade Elétrica [(

.m)

-1

]

Prata 6,8 x 10

7

Cobre puro 6,0 x 10

7

Ouro 4,3 x 10

7

Alumínio 3,8 x 10

7

Constantan 2,0 (S.m/mm

2

)

Mercúrio 1,0044

Grafite 0,07

Fio de cobre

Tabela de Condutividades Elétricas E Resistividade

(29)

Estrutura Cristalina Cúbica de Corpo Centrado- CCC

(4R)

2

=a

2

+ 2a

2

= 3a

2

a

_CCC

= 4 R/3

a= 2,86A°

Relação de “a” com “R”:

O parâmetro de rede do Ferro puro, a temperatura ambiente, é de 2,86Aº.

(30)

ESTRUTURA CÚBICA DE CORPO CENTRADO - CCC

Fator de Empacotamento:

FE = volume dos átomos

volume da célula unitária

FE = (8x1/8 +1) 4/3R

3

_{= 0,68 ou 68%}

(4R/

3)

3 Direções Compactas SIM Planos Compactos NÃO

4 DIREÇÕES COMPACTAS

(DIAGONAIS DO CUBO)

NENHUM PLANO COMPACTO

1/8 de átomo

(31)

METAIS CCC

Como se trata de um sistema com poucas direções

compactas e nenhum plano compacto, o cisalhamento

de planos atômicos é mais difícil, conseqüentemente

os metais “ccc” são mais resistentes, menos dúcteis,

menos condutores de calor e eletricidade.

(32)

ESTRUTURA CRISTALINA HEXAGONAL COMPACTA- HC

A  B  A 

Sequência de empilhamento: AB, AB, AB...

Quantas direções compactas e planos compactos? 3 DIREÇÕES COMPACTAS

1 PLANO COMPACTO (O PLANO DA BASE)

FE = volume dos átomos volume da célula unitária

FE = 0,74 ou 74%

Portanto os metais “HC” são dúcteis somente no plano da base e resistente em todos os outros planos (difícil de sofrer deformação).

(33)

Tabela Periódica – Aplicações - Sistemas Cristalinos

Dos 116 elementos conhecidos hoje, 81 são metálicos

Pb nº atômico 82 Au nº atômico 79 (alquimia, pedra filosofal) HC _CCC _CFC

(34)

ALQUIMIA

Alquimia é uma prática antiga que combina elementos de

Química, Antropologia, Astrologia, Magia, Filosofia,

Metalurgia, Matemática, Misticismo e Religião.

Existem quatro objetivos principais na sua prática. Um

deles seria a transmutação dos metais inferiores ao ouro

A transmutação do Chumbo em Ouro

Au = 2, 8, 18, 32, 18, 1

Pb = 2, 8, 18, 32, 18, 4

(35)

SISTEMAS CRISTALINOS

(terminologia)

SISTEMAS CRISTALINOS

(terminologia)

PORTUGUÊS ESPANHOL INGLÊS

CCC- Cúbico de Corpo

Centrado CC- Cúbica Centrada BCC- Body Centered Cubic CFC- Cúbico de Face

Centrada CCCCentradas- Cúbica de Caras FCC- Face Centered Cubic HC- Hexagonal

(36)

36

RAIO ATÔMICO E ESTRUTURA CRISTALINA DE ALGUNS

METAIS

RAIO ATÔMICO E ESTRUTURA CRISTALINA DE ALGUNS

METAIS

(37)

Diamante

Diamante versos Grafite

Grafite Grafite

Ambos formados pelo elemento C Ligações covalentes

(38)

NÚMERO DE COORDENAÇÃO DA ESTR. CS

Para a estrutura CS o número de coordenação é 6

(39)

39

NÚMERO DE COORDENAÇÃO DA ESTR. CCC

Para a estrutura CCC o número de coordenação é 8

1/8 de átomo

(40)

40

NÚMERO DE COORDENAÇÃO DA ESTR.S CFC

Para a estr.s CFC o número de coordenação é 12.

6 no mesmo plano

+ 3 no plano de baixo

+ 3 no plano de cima

(41)

41

NÚMERO DE COORDENAÇÃO DA ESTR. HC

Para a estr.s HC o número de coordenação é 12

(42)

42

TABELA RESUMO PARA O SISTEMA CÚBICO

CFC

CS

CCC

Átomos Número de Parâmetro Fator de

por célula coordenação de rede empacotamento

CS 1

6 2R 0,52

CCC 2 8 4R/

3

_0,68

(43)

Ferro

Metais

Titânio

Ti  Ti  883ºC Fe  Fe  912ºC

SiC (chega ter 20 modificações cristalinas)

Etc

Carbono (Diamante e Grafite)

Obs.: As transformações alotrópicas são acompanhadas de mudanças na densidade e mudanças de outras propriedades físicas

EXEMPLO DE MATERIAIS QUE EXIBEM

POLIMORFISMO OU ALOTROPIAS

(44)

SOLIDIFICAÇÃO

E

ALOTROPIAS

DO

FERRO

768°C Magnético Não magnético

(45)

Alotropias do Ferro

“É preciso malhar o Ferro

enquanto ainda está quente”.

Avaliação: Na transformação CFC  CCC, durante o resfriamento, o volume diminui ou aumenta?

1 5 0 0 1 4 0 0 9 1 0 o C F e r r o  _C _C _C F e r r o  C C C F e r r o  C F C F e r r o l í q u i d o

(46)

Pequenos cristais

começam a solidificar

O “caldo de átomos”

Temperatura > 1500o_C

SOLIDIFICAÇÃO

(47)

(48)

SOLIDIFICAÇÃO - CRISTALIZAÇÃO

EMBRIÕES DA FASE SÓLIDA

LÍQUIDO

Nucleação e crescimento de grão

Contornos dos grãos cristalinos

(49)

Os grãos podem ser observados melhor com auxílio de um

microscópio metalográfico.

(50)

AVALIAÇÃO

QUE TIPO DE SOLUÇÃO SÓLIDA

O CARBONO FORMA COM O FERRO?

QUE TIPO DE SOLUÇÃO SÓLIDA

O CARBONO FORMA COM O FERRO?

F E R R I T A

F e r r o  A U S T E N I T A

F e r r o 

(51)

(52)

LIMITES DE SOLIBILIZAÇÃO

Soluto Solvente Relação de raios Solubilidade máxima % em peso % atômica Ni Cu 1,246/1,278 = 0,98 100 100 Al Cu 1,431/1,278 = 1,12 9 19 Ag Cu 1,444/1,278 = 1,14 8 6 Pb Cu 1,750/1,278 = 1,37 nil. nil. 100 50 0 1,0 1,15 1,3 S o lu b il id ad e m áx im a, át o m o s %

Quociente de raios, elemento de liga/cobre

Ni Pt

Au

Al _Ag

(53)

Ouro branco 18K

Para se obter ouro branco 18K

Acrescenta-se ao ouro(Au) 24K: 16,66% de paládio(Pd) + 16,66% de prata(Ag)

Fonte: Cracco Jóias

Quilatagem Conteúdo de Ouro Pureza

24K 100% 999 mil/milésimos 18K 75% 750 mil/milésimos

Anel cartier em ouro branco com uma pérola branca e 10 pedras abrilhantadas

Ouro puro + prata e cobre = ouro amarelo

(54)

Ferrita é uma solução sólida do Carbono no Ferro na estrutura CCC

SOLUÇÕES SÓLIDAS INTERSTICIAIS Fe-C

Na temperatura ambiente a solubilização

do Carbono no Ferro é de

1 átomo de Carbono para 10

8

átomos de Ferro

Qual a maior

quantidade de

Carbono

dissolvida na

Ferrita?

(55)

SOLUÇÕES SÓLIDAS INTERSTICIAIS Fe-C

Austenita é uma solução sólida do Carbono no Ferro na estrutura CFC

A 1.147°C a Austenita pode

dissolver até 2% em peso de Carbono

(9% em átomos)

Fe

C

(56)

COMPOSTO INTERMETÁLICO Fe

₃

C

CEMENTITA – composto intermetálico do C no Fe na

estrutura ortorrômbica.

Também conhecida como Carbeto de Ferro (Fe

₃

C)

tem 6,67%C em peso.

Estrutura do Carbeto de Ferro (Fe

₃

C): A célula

unitária é ortorrômbica, com 12 átomos de Ferro e 4

átomos de Carbono.

(57)

AUSTENITA

 PERLITA

PERLITA = agregado formado por Ferrita e Cementita

No digrama de fases a Perlita é composta de 88% de Ferrita e de 12% de Cementita

DECOMPOSIÇÃO DA AUSTENITA NO PONTO EUTETÓIDE

7 2 3 Co + C e m e n t i t a  + C e m e n t i t a  + 





T e o r d e C a r b o n o

(58)

SOLUÇÕES SÓLIDAS INTERSTÍCIAIS

Arranjo tetraedro (4 átomos vizinhos) Interstícios octaédricos HC CFC CCC

Obs.: Há o dobro de vazios tetraédricos do que octaédrico

Arranjo octaedro (6 átomos vizinhos)

Octahedral