D7_T1_sistemas_cristalinos

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Sistemas cristalinos 
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Metalurgia da Soldagem 
Sistemas Cristalinos 
 
Neste texto você estudará as estruturas cristalinas que compõem a 
matéria. Conhecerá os diversos sistemas cristalinos (Cúbico de Corpo 
Centrado – Ccc Cúbico de Face Centrada (CfC) e Hexagonal Compacto 
(HC). Conhecerá particularidades das Ligas Metálicas e os processos de 
Difusão, Nucleação e Crescimento de Grãos. 
A matéria pode de um modo geral, apresentar estruturas amorfas (por 
ex: vidro), moleculares (por ex: água) e cristalinas (por ex: metais). As 
estruturas cristalinas são aquelas em que os átomos encontram-se 
posicionados formando arranjos repetitivos nas três direções que 
cobrem o espaço. Isto é, a estrutura cristalina possui periodicidade de 
longo alcance. 
Os metais no estado sólido apresentam estrutura cristalina, isto é, os 
átomos que o constituem são dispostos de uma maneira organizada e 
periódica. Existe, assim, uma disposição típica dos átomos chamada 
célula unitária que, se reproduzindo, constitui a estrutura cristalina de 
um dado metal. 
Nos modelos de estudo da estrutura cristalina dos metais, 
considerando-se os átomos como esferas, os átomos vibram em torno 
de suas posições de equilíbrio, definidas pela célula unitária. A vibração 
 
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dos átomos é função da temperatura e será tanto maior quanto maior 
for à temperatura do metal. 
A maior parte dos materiais cristalinos de interesse prático está incluída 
nos sistemas cúbico e hexagonal. Por essa razão as malhas cristalinas 
ou reticulados cristalinos desses sistemas serão estudados nesse 
Módulo. 
Existem três modelos principais pelos quais os átomos de um metal se 
ordenam: 
 
A - Sistema Cristalino Cúbico de Corpo Centrado (Ccc) 
O sistema Cristalino Cúbico de Corpo Centrado corresponde ao 
posicionamento atômico tanto nos vértices da célula unitária cúbica 
como no centro da mesma como mostra a figura 1. A colocação de um 
átomo no centro da célula afasta igualmente os átomos do vértice 
mantendo a simetria cúbica. No CCC os átomos se tangenciam segundo 
a diagonal da célula cúbica. 
 
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Figura 1: Célula unitária do sistema cristalino cúbico do corpo centrado 
(CCC). 
 
Como cubo tem oito átomos dispostos nos vértices e um no centro, o 
número médio de átomos por célula unitária será: 
 
1/8 x 8 (átomos do vértice) + 1 (átomo do centro) = 2 átomos. 
 
A malha CCC é razoavelmente compacta visto que a matéria ocupa 68 % 
do espaço do cubo (Fator de Empacotamento ( * ) = 0,68). Por essa 
razão, muitos materiais escolhem a malha CCC para se cristalizarem, 
como exemplo o ferro à temperatura ambiente, o titânio a alta 
temperatura e o cromo em qualquer temperatura. 
( * ) Fator de Empacotamento (F.E) = Volume ocupado pela matéria / 
Volume do cubo. 
 
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B - Sistema Cristalino Cúbico de Face Centrada (CfC) 
Corresponde ao posicionamento atômico tanto nos vértices da célula 
unitária cúbica quanto no centro das faces da mesma como mostra a 
figura 2. A colocação de 6 átomos no centro de cada face da célula 
afasta igualmente os átomos do vértice mantendo a simetria cúbica. 
 
Figura 2: Célula unitária do sistema cristalino cúbico de face centrada 
(CFC). 
 
Na malha cúbica de face centrada, CFC, os átomos se tangenciam 
segundo as diagonais das faces. O cubo tem oito átomos dispostos nos 
vértices e seis átomos dispostos no centro das faces. Assim, o número 
médio de átomos por célula unitária será: 
 
1/8 x 8 (átomos do vértice) + 6 (átomos do centro das faces) x ½ = 
4 átomos. 
 
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A malha CFC é mais compacta que a CCC já que a matéria ocupa 74 % 
do volume do cubo (F.E = 0,74). Como exemplo de metais que 
apresentam sistema cristalino CFC, pode-se citar o níquel, o alumínio e 
o cobre. 
As células unitárias dos metais deste sistema cristalino (CFC) possuem 
maior número de planos de maior densidade atômica que os metais 
CCC. Pelo fato das deformações plásticas se darem preferencialmente 
nos planos de maior densidade atômica, os metais do sistema cristalino 
CFC possuem maior tenacidade que os metais do sistema CCC. 
 
C - Sistema Cristalino Hexagonal Compacto (HC) 
O Sistema Cristalino Hexagonal Compacto está representado na Figura 
3. 
 
Figura 3: Célula unitária do reticulado hexagonal compacto (HC). 
 
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A malha do sistema Hexagonal Simples corresponde ao posicionamento 
atômico nos vértices e nos centros das bases de um prisma hexagonal. 
Essa malha pode tornar-se mais compacta se forem considerados 3 
outros átomos encaixados entre as bases como mostra a Figura 6.3, 
obtendo-se dessa forma o sistema Hexagonal Compacto (HC). 
 
O número médio de átomos por célula unitária HC é de 6 átomos: 
(1/6 x 12 (átomos dos vértices)) + (½ x 2 (átomos das bases)) + (1 x 
3(átomos encaixados)) = 6 átomos. 
 
O encaixe perfeito dos planos produz a máxima compactação atômica 
que é o mesmo do sistema CFC, ou seja, de 74 %. 
 
Como exemplo de metais que apresentam sistema cristalino HC pode-
se citar o cobalto, o magnésio e o zinco. 
 
Ligas Metálicas 
A estrutura cristalina (rede) de um metal puro é, teoricamente, uniforme 
em todas as direções. No entanto, por mais puro que um metal possa na 
prática ser fabricado, sempre estará presente, em maior ou menor 
quantidade, átomos diferentes daqueles que caracterizam a matriz. 
 
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Esses átomos de natureza diferente são denominados de átomos 
solutos. 
Por exemplo: É possível fabricar um alumínio com “sete noves de 
pureza”, ou seja, 99,99999% Al. Entretanto, um pequeno pedaço visível 
desse alumínio, ainda contém um grande número de átomos de 
impureza. 
 
Os átomos solutos existentes nos materiais podem ser considerados: 
• Impurezas: quando decorrem espontaneamente do processo de 
fabricação; ou 
• Elementos de ligas: quando são deliberadamente adicionados 
para melhorar as propriedades mecânicas. 
 
À medida que existam impurezas ou átomos de natureza diferentedo 
metal puro, como por exemplo, carbono, hidrogênio e oxigênio com 
relação aos átomos de ferro, estes se dispõem na região intersticial dos 
átomos de ferro, constituindo o que se chama solução sólida intersticial 
(Figura 4A). 
 
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Por exemplo: 
O carbono adicionado ao ferro até determinadas proporções, para 
constituir o aço (liga ferro – carbono), forma uma solução sólida do tipo 
intersticial com o ferro. Os átomos de ferro ocupam posições definidas 
na rede e os átomos de carbono, átomos solutos, (bem menores em 
dimensões) ocupam posições intermediárias, ou seja, interstícios. 
Outro exemplo: O hidrogênio, por ser muito pequeno, é um átomo 
intersticial para as malhas cristalinas dos metais. 
 
Se, entretanto, os átomos de natureza diferente forem de dimensões 
semelhantes aos átomos do metal puro, estes vão deslocar os átomos 
de metal puro de seus lugares originais, constituindo o que se chama 
solução sólida substitucional (figuras 4B e 4C). 
 
Por exemplo: 
O níquel é um átomo substitucional na matriz do cobre ao formar uma 
liga cobre-níquel. 
 
 
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Figura 4: Solução sólida intersticial (A) e substitucional (B). 
 
Em algumas ligas metálicas encontram-se átomos tanto em solução 
sólida intersticial como em solução sólida substitucional. 
A conseqüência da introdução de átomos de natureza diferente na 
estrutura cristalina do metal puro é a distorção da estrutura cristalina. 
Se a distorção da rede tornar mais difícil o deslizamento dos planos, 
pode-se dizer que o metal está mais resistente. Este é o principal 
mecanismo responsável pelo aumento da resistência do aço através da 
adição de elementos de liga. 
 
Figura 4C c - Solução sólida substitucional. 
 
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Difusão 
O aumento na temperatura de um metal ou liga metálica no estado 
sólido, implica em uma maior vibração dos átomos em torno da sua 
posição de equilíbrio. Esta vibração proporciona a possibilidade de uma 
movimentação atômica no estado sólido, a que se chama de difusão e 
esta será tanto maior quanto maior for à temperatura. Cada átomo, 
portanto, pode se deslocar de sua posição inicial de equilíbrio por meio 
de vários mecanismos como, por exemplo, a troca de posição com outro 
átomo. 
A difusão tem particular importância quando átomos de elementos de 
liga são segregados em uma certa região de um material que foi 
submetido, por exemplo, a resfriamento rápido. Aquecendo-se o 
material a temperaturas adequadas haverá a movimentação dos átomos 
segregados de forma a se espalharem mais uniformemente ao longo da 
liga, permitindo assim propriedades mais homogêneas. Um exemplo em 
que isto ocorre é na soldagem de certos aços inoxidáveis austeníticos. A 
temperatura alcançada na zona afetada termicamente, por ocasião da 
soldagem, induz a formação de um composto de carbono e cromo 
(Cr23C6). Isto impede que os átomos de Cr fiquem em solução sólida na 
matriz de Fe, deixando a zona afetada termicamente vulnerável à 
corrosão. A difusão pode ser usada para compensar este problema. No 
caso da junta soldada ser convenientemente aquecida, os átomos de Cr 
se movimentarão de forma a ocupar posições no interior dos grãos. Isto 
 
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restaura a capacidade da zona afetada termicamente de resistir à 
corrosão. 
 
Nucleação e Crescimento de Grãos 
No estado líquido os átomos que constituem os metais não se dispõem 
de forma ordenada, isto é, não possuem estrutura cristalina que, como 
já foi visto, é uma característica dos metais no estado sólido. 
Quando um metal no estado líquido, em um processo de resfriamento 
lento e contínuo, atinge a temperatura de solidificação, algumas 
partículas sólidas, chamadas de núcleos, começam a se formar. Como a 
temperatura continua a ser diminuída, os núcleos formados crescem e 
novos núcleos são formados. O crescimento de cada núcleo 
individualmente gera partículas sólidas chamadas de grãos (ver figura 
5). 
 
Figura 5: Nucleação e crescimento de grãos. 
 
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Todos os grãos têm a mesma estrutura cristalina e o mesmo 
espaçamento atômico. Entretanto, como cada grão cresce de forma 
independente, a orientação dos planos de cada sistema cristalino, isto é, 
de cada grão, é diferente. Portanto, os contornos de grão são regiões 
onde a ordenação dos átomos é abruptamente desfeita. Como 
conseqüência da desordem dos átomos, os metais se comportam 
freqüentemente de modo diferente nos contornos de grão. 
 
O arranjo e o tamanho dos grãos e as fases presentes em uma liga 
constituem o que se chama de microestrutura que é responsável pelas 
propriedades físicas e mecânicas da liga. A microestrutura é afetada 
pela composição química e pelo ciclo térmico imposto à liga. 
 
Muitas das propriedades das ligas metálicas em alta e baixa temperatura 
são regidas pelos contornos de grão. Nestas regiões os átomos não 
estão ordenados, existindo vazios que permitem mais facilmente a 
movimentação atômica. Devido a isto, a difusão ocorre, em geral, mais 
rapidamente nos contornos que no centro dos grãos. Em decorrência, as 
impurezas segregam nos contornos de grão, podendo formar fases que 
alterarão desfavoravelmente as propriedades do material como, por 
exemplo, a redução de ductilidade ou aumento à susceptibilidade à 
trinca durante a soldagem ou tratamento térmico. 
 
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Um dos efeitos do tamanho de grão é influenciar na resistência dos 
materiais. Na temperatura ambiente, quanto menor o tamanho de grão 
maior a resistência dos materiais, e, em altas temperaturas quanto 
menor o tamanho de grão, menor a resistência. Disto resulta que 
materiais de granulação fina comportam-se melhor em baixa 
temperatura e materiais de granulação grosseira em altas temperaturas. 
Por esse motivo, as estruturas dos metais e ligas são freqüentemente 
classificadas de acordo com o tamanho do grão. A Figura 6 mostra um 
exemplo da classificação, segundo a ASTM, para o tamanho de grão. 
 
Figura 6: Padrão ASTM para tamanho de grão (exemplo). 
 
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Nota: 
Os conceitos gerais da metalurgia vistos até o presente; sistemas 
cristalinos, ligas metálicas, difusão, nucleação e crescimento de grãos, 
em complemento a outros conceitos (diagrama de fase Fe- Fe3C, curvas 
TTT, e curvas CCT), a serem abordados no curso de inspetor de 
soldagem N2, podem ser considerados como básicos para uma 
“razoável visão” do que ocorre num metal, principalmente nos aços 
(ligas Fe-C), a nível microscópico e, portanto da microestrutura dos 
mesmos. 
 
É importante ressaltar que através do estudo da microestrutura, 
conseguiremos entender e explicar o comportamento mecânico dos 
metais quando estes são submetidos a determinados esforços, ou seja, 
estaremos de certo modo prevendo as próprias propriedades mecânicas 
destes metais. 
Para reforçar esse conceito, lembremos que anteriormente vimos que: 
 “O arranjo e o tamanho dos grãos e as fases presentes em uma liga 
constituem o que se chama de microestrutura a qual é responsável pelas 
propriedades físicas e mecânicas da liga. A microestrutura é afetada 
pela composição química e pelo ciclo térmico imposto à liga”. 
 
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Assim, como exemplos dessa interdependência entre a microestrutura e 
as propriedades físicas e mecânicas de uma dada liga, podemos citar as 
seguintes propriedades: 
●A elasticidade: É dada pelo seu módulo (módulo de elasticidade) 
e é função da força para separar os átomos de suas posições de 
equilíbrio; 
●A resistência mecânica máxima, a tenacidade e a ductilidade: 
Relacionam-se com a energia para romper as ligações atômicas; e 
●A tensão de escoamento, a dureza e a plasticidade: Estão 
diretamente ligadas a compactação atômica.. 
 
Posteriormente, na disciplina sobre ensaios mecânicos, serão abordadas 
as questões relativas às propriedades mecânicas dos aços e os ensaios 
para sua obtenção. 
 
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Você estudou neste texto que os metais no estado sólido, 
diferentemente do estado líquido, apresentam uma estrutura cristalina 
dividida em três modelos principais, definidas a partir da ordenação dos 
átomos no metal. 
Embora se acredite, não há estrutura cristalina de metais puros somente 
com átomos de natureza semelhantes, pois de fato se encontram 
átomos de natureza diferente. A introdução desses átomos diferentes na 
estrutura de um metal contribui para o aumento de sua resistência. 
Teste agora o seu nível de compreensão do texto respondendo às 
questões de revisão. Caso seja necessário releia o texto e/ou recorra 
aos tutores para resolver suas dúvidas. 
 
 
Questões de Revisão 
 
1- Sabe-se que as estruturas cristalinas são aquelas em que os átomos 
encontram-se posicionados formando arranjos repetitivos nas três 
direções que cobrem o espaço. A respeito dos Sistemas Cristalinos, 
explique o que representa a célula unitária e descreva os três principais 
modelos de estrutura cristalina apontando as características principais 
que os diferenciam. 
2- Na composição de Ligas Metálicas de metal puro encontra-se a 
presença de átomos considerados solutos. Sobre estes responda: 
a) O que significam? 
 
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b) Quais são os tipos considerados e como se diferenciam? 
c) Em que consiste a diferença entre solução sólida interstical e 
solução sólida substitucional? 
d) Como ocorre a distorção da estrutura cristalina e qual a sua 
relação com a resistência do metal? 
 
3- Através do processo de Difusão os átomos podem ser deslocados de 
sua posição inicial de equilíbrio por meio de outros mecanismos, 
conseguindo alcançar propriedades mais homogêneas. Como ocorre 
esse processo de Difusão e qual a importância exercida em casos de 
resfriamento rápido. 
 
4- Diferente do que ocorre com os metais no estado sólido, quando um 
metal no estado líquido, após ser submetido a um processo de 
resfriamento lento e contínuo, atinge temperatura de solidificação 
forma-se Núcleos e até mesmo os Grãos, caso a temperatura continue a 
ser diminuída. Dessa forma estabeleça a relação existente entre: 
a) Núcleo e grão. 
b) Grão e área de contorno dos grãos. 
c) Processo de difusão e impurezas no contorno do grão. 
d) Tamanho do grão e a resistência dos materiais. 
 
5- Cite as propriedades geradas a partir da interdependência entre 
microestrutura e propriedades físicas e mecânicas apresentando suas 
definições.