Aula 1

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METALURGIA FÍSICA E TRATAMENTO TÉRMICO
Turma: TMI-24B
Professor: Eduardo Santos
Conceitos e Definições
Metalurgia Física: tratam dos fenômenos físicos e transformações que ocorrem nos metais e ligas e correlaciona a estrutura dos materiais metálicos com suas propriedades.
Tratamentos Térmicos: É o conjunto de operações de aquecimento e resfriamento a que podem ser submetido os materiais, FERROSOS E NÃO FERROSOS, sob condições controladas de TEMPERATURA, TEMPO, ATMOSFERA E VELOCIDADE DE RESFRIAMENTO, com o objetivo de alterar as suas propriedades ou conferir-lhes características determinadas.
Grão: Definição, Forma e Crescimento
Estruturas cristalinas
Cristais
Muitos materiais que utilizamos possuem uma ‘porção mínima’ ao nível atômico – ou célula unitária – que se repete.
Figura 1. Pássaro, aquarela, M.C.Escher, 1959
Rede Cristalina
Figura 2: Um exemplo de rede cristalina cúbica de um metal: a) vista geral; b) célula unitária mostrando a fração dos átomos que está dentro da célula e a visão ‘explodida’ dela; c) construção de toda a rede pelo empilhamento de células unitárias
Rede Cristalina
Figura 3: Evidências da rede cristalina em metais: a) cristais cúbicos de cobre; b) átomos de ouro ‘observados’ ao microscópio de força atômica
Rede Cristalina
Figura 4: A ‘visão’ de uma grande porção da rede por meio da representação ‘explodida’ permite: (a) observar os planos cristalinos; (b) representar o mecanismo de deformação plástica do metal – a deformação se dá ao longo de um plano: o plano de escorregamento.
Tamanho dos cristais
Figura 5: (a) Lâmina monocristalina à base de níquel para a turbina, (b) motor à jato.
Grãos
O tamanho e a orientação dos grãos é importante na metalurgia e pode influenciar as propriedades mecânicas dos componentes de um mecanismo. Com tratamentos térmicos e deformações plásticas podemos modificar o tamanho e a forma dos grãos.
Figura 6: Tamanho de Grãos
Metais monofásicos
Vamos estudar os materiais metálicos que são, de certo modo, mais simples. Isto porque um grande número de metais contêm apenas um tipo de átomo, ou constitui uma solução sólida. Em primeiro lugar, veremos como as propriedades se relacionam com a estrutura dos metais.
Fases
Fase é aquela parte de um material que é distinta das demais em estrutura e/ou composição.
Consideremos o sistema gelo-água. Ainda que com a mesma composição, o gelo é um sólido cristalino com reticulado hexagonal e a água é um líquido. O contorno de fase entre os dois localiza uma descontinuidade na estrutura: são fases separadas.
Fases
Figura 7: Diagrama de Fases
Uma solução é uma fase com mais de um componente. Uma mistura é um material com mais de uma fase.
Ligas monofásicas
Muitos metais de grande uso têm apenas uma fase. Eles podem ser comercialmente puros com apenas um componente, como o cobre eletrolítico para fins elétricos, o zinco para revestimento de aços e o alumínio para utensílios domésticos.
Propriedades das ligas monofásicas
Os aumentos de dureza são devidos à presença de átomos solutos que interferem com o movimento das discordâncias nos cristais durante a deformação plástica. Quantidades pequenas de impurezas diminuem a condutividade elétrica de um metal, porque os átomos estranhos geram heterogeneidades no campo elétrico no interior do reticulado cristalino.
Microestruturas de ligas monofásicas
Os grãos foram definidos anteriormente como sendo cristais individuais. Materiais com muitos grãos são normalmente descritos como policristalinos. Cristais adjacentes têm orientações diferentes, o que dá origem aos contornos de grãos.
Características dos Grãos
os grãos são equiaxiais
Existem também grãos alinhados e dendríticos
A orientação dos grãos no interior dos metais é tipicamente aleatória
na direções [100] do ferro há uma maior permeabilidade magnética
Estrutura não cristalina - amorfa
Materiais de estrutura amorfa ou vítrea, ao nível de seus arranjos atômicos, são aqueles em que os átomos não apresentam qualquer tipo de regularidade ou organização em termos de sua disposição espacial, ou, caso exista algum ordenamento, ele ocorre a curto alcance (em pequenas distâncias).
Arranjos atômicos - estrutura dos materiais
Conceito de “amorfismo”: diz respeito a uma estrutura interna “sem forma”. Se aplicado aos materiais em geral, em suas diversas configurações atômicas, são amorfos:
os gases;
os líquidos;
os sólidos não-cristalinos, como o vidro.
Arranjos atômicos - estrutura dos materiais
a) gás inerte
b) vapor de água
c) estrutura do vidro
d) metal
Fases dos materiais
Fase:
trata-se de uma ou mais partes do material que resguarda homogeneidade do ponto de vista estrutural, ou seja, que mantém um arranjo atômico próprio;
Material unifásico e homogêneo:
Material que possui como um todo um mesmo arranjo atômico; 
Fases dos materiais
Material polifásico:
Caso coexistam em um mesmo material partes com identidades estruturais próprias, o material será bifásico, trifásico ou, de modo genérico, polifásico (ou multifásico), em função do número de partes estruturalmente homogêneas (fases) existentes nesse material.
Fases dos materiais
Fases impuras:
Soluções sólidas ou estruturas de cristais mistos
Fases impuras pressupõem a formação de soluções sólidas (ou estruturas de cristais mistos), na qual átomos de um soluto (em menor quantidade) conseguem se “dissolver” em uma estrutura principal, com átomos de solvente
Fases dos materiais
Exemplos de soluções sólidas aplicadas aos metais:
Solução sólida substitucional
os átomos de soluto substituem uma parte dos átomos de solvente no reticulado.
Solução sólida intersticial
os átomos de soluto ocupam os interstícios existentes no reticulado.
Fases dos materiais
O aço é um exemplo de material que desenvolve uma solução sólida (em uma de suas formas alotrópicas), na qual átomos de carbono se dissolvem na estrutura do ferro.
O aço tem maiores resistência, limite de escoamento e dureza que o ferro puro.
O latão é outro exemplo de material “impuro”, em que o zinco é acrescentado à estrutura do cobre.
O latão é mais duro, mais resistente e mais dúctil do que o cobre.
Solução sólida substitucional
Solução sólida intersticial
Imperfeições estruturais
Defeito
É uma imperfeição ou um “ erro” no arranjo periódico regular dos átomos de um cristal.
Os defeitos podem significar irregularidades:
•	na posição dos átomos;
•	quanto ao tipo de átomo.
O tipo e o número de defeitos dependem do material, do meio ambiente, e das circunstâncias sob as quais o cristal foi processado.
Tipos de imperfeições em sólidos cristalinos
Tipos de Defeitos pontuais:
Vazio
Átomo intersticial
Átomo substitucional
Defeito de Frenkel
Defeito de Schottky