Ligas Metálicas

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Ligas Metálicas
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1. Tipos de Ligas Metálicas
As ligas metálicas, em virtude da sua composição, são agrupadas com frequência em duas classes: Ferrosas e não-ferrosas. As ligas ferrosas, aquelas em que o ferro é o principal constituinte, incluem os aços e os ferros fundidos e consequentemente as não-ferrosas são todas as ligas que não são à base de ferro.
Ligas Ferrosas
 São produzidas em maiores quantidades do que qualquer outro tipo de metal. Elas são especialmente importantes como materiais de construção de engenharia. Seu amplo uso é resultado de 3 fatores:
1. Os compostos contendo ferro existem em quantidades abundantes na crosta terrestre;
2. Ferro metálico e as ligas de aço podem ser produzidos usando técnicas de extração , refino, formação de ligas e fabricação relativamente econômicas;
3. As ligas ferrosas são extremamente versáteis, no sentido de que podem ser projetadas para possuírem uma ampla gama de propriedades físicas e mecânicas.
Esquema de classificação para as várias ligas ferrosas
Aços
Os aços são ligas ferro-carbono que podem conter concentrações apreciáveis de outros elementos de liga. Existem milhares de ligas que possuem composição e/ou tratamentos térmicos diferentes. As propriedades mecânicas são sensíveis ao teor de Carbono (C12), que é normalmente inferior a 1,0%p (1 porcento em peso). Alguns dos aços mais comuns são classificados de acordo com a concentração de carbono. Também existem subclasses dentro de cada grupo, de acordo com as concentrações ed outros elementos na liga.
Ferros fundidos
Genericamente, os ferros fundidos são uma classe de ligas ferrosas com teores de carbono acima de 2,14%p. Um exame do diagrama de fases ferro-carbeto de ferro revela que as ligas dentro desta faixa de composição tornam-se completamente líquidas em temperaturas entre 1150 e 1300 ºC, o que é consideravelmente mais baixo do que para os aços. Dessa forma eles são fundidos com facilidade e apropriadas para fundição.
Ligas não-ferrosas
O aço e as ligas ferrosas são de certa forma muito vantajosos. Entretanto, eles possuem algumas limitações bem definidas como:
1. Massa específica relativamente elevada;
2. Condutividade elétrica comparativamente baixa;
3. Suscetibilidade inerente à corrosão em alguns ambientes usuais.
Dessa forma, para muitas aplicações, é vantajoso eu até mesmo necessário o uso de outras ligas que possuam combinações adequadas de propriedades. Os sistemas de ligas são classificados de acordo com o metal-base ou de acordo com alguma característica específica compartilhada por um grupo de ligas.
Aqui, encontramos as ligas de cobre, alumínio, magnésio e titânio, os materiais refratários, as superligas, os metais nobres e ligas diversas.
Superligas, o que são ?
As superligas são combinações superlativas de propriedades. A maioria é utilizada nos componentes das turbinas de aeronaves, que devem suportar exposições a ambientes severamente oxidantes e temperaturas elevadas, durante períodos de tempo razoáveis. A integridade mecânica sobre essas condições é crítica, nesse sentido a massa específica é um fator importante a ser levado em consideração, pois as tensões centrífugas são reduzidas em elementos rotativos quando a massa específica é reduzida. Esses metais são classificados de acordo com o material predominante na liga que pode ser o Cobalto, o Níquel ou Ferro. Outros elementos incluem os materiais refratários, o Cromo e o Titânio. Além de empregadas em turbinas, essas ligas são aplicadas em reatores nucleares e em equipamentos na indústria petroquímica.
Soluções sólidas
 As ligas são obtidas através da adição de elementos de liga (átomos diferentes do metal-base). Esses átomos adicionados intencionalmente podem ficar em solução sólida e/ou fazer parte de uma segunda fase.
 Em uma liga, o elemento presente em menor concentração denomina-se soluto e aquele em maior quantidade, solvente.
 Solução sólida: ocorre quando a adição de átomos do soluto não modifica a estrutura cristalina nem provoca a formação de novas estruturas.
 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.
Defeitos puntiformes em sólidos iônicos
 A neutralidade elétrica tende a ser respeitada.
1.Defeito de Schottky : lacuna aniônica + lacuna catiônica
2.Defeito de Frenkel : cátion intersticial + lacuna catiônica
 Impurezas
Exemplos de aplicação
 Resistências de fornos elétricos
(condutividade elétrica de
cerâmicas em alta temperatura).
 Sensores de gases.
 Materiais com propriedades 
magnéticas interessantes.
Edge Dislocation Discordância em cunha
Defeitos de linha
Screw Dislocation Discordância em hélice
Defeitos bidimensionais
Interface: contorno entre duas fases diferentes.
Contornos de Grão: contornos entre dois cristais sólidos da mesma fase.
Superfície Externa: superfície entre o cristal e o meio que o circunda
Contorno de Macla: tipo especial de contorno de grão que separa duas regiões com uma simetria tipo ”espelho”.
Falhas de Empilhamento: ocorre nos materiais quando há uma interrupção na sequência de empilhamento, por exemplo na sequência ABCABCABC.... dos planos compactos dos cristais CFC.
Fratura Dúctil
A fratura, em resposta à aplicação de uma carga de tração e em temperaturas relativamente baixas, pode ocorrer por modos dúctil e frágil, ambos os quais envolvem a formação e a propagação de trincas. No caso de uma fratura dúctil, existirá uma evidência de deformação plástica generalizada na superfície da fratura. Em tração, os metais altamente dúcteis irão apresentar estricção até essencialmente uma fratura pontual; nos materiais com ductilidade moderada ocorrem superfícies de fratura que se complementam do tipo taça e cone. As trincas nos materiais dúcteis são ditas estáveis e, uma vez que a fratura não é catastrófica , esse modo de fratura é quase sempre o preferível.
Fratura Frágil
Nos casos das fraturas frágeis, as trincas são instáveis e a superfície de fratura é relativamente plana e perpendicular à direção da carga de tração aplicada. São possíveis padrões de estrias, nervuras e marcas de sargento, os quais indicam a direção da propagação da trinca. Nos materiais policristalinos frágeis, são encontradas fraturas transglanulares e interglanulares.
Tensões cíclicas Fadiga
A curva σ-N
A fadiga é um tipo comum de falha catastrófica, onde o nível da tensão aplicada oscila ao longo do tempo. Os dados de ensaio são traçados como tensão em função do logaritmo do número de ciclos até a falha. Para muitos metais e ligas, a tensão diminui continuamente com o aumento do número de ciclos até a falha; a resistência à fadiga e a vida em fadiga são os parâmetros usados para caracterizar o comportamento em fadiga desses materiais. Por outro lado, para outros metais/ligas , em um dado ponto, a tensão para de diminuir com o número de ciclos, se tornando independente deste; o comportamento da fadiga desses materiais é expresso em termos do limite de resistência à fadiga.
Solução sólida substitucional
Ocorre quando os átomos do soluto substituem as posições atômicas ocupadas pelos átomos do metal solvente
Para a formação de uma solução sólida substitucional é necessário que os componentes (solvente e soluto) apresentem:
Dimensões atômicas similares (diferença de ~15% máx.)
Estruturas eletrônicas semelhantes (eletronegatividade e valência)
Mesma estrutura cristalina (CCC, CFC ou HC ).
Metal
Cobre
Níquel
Raio Atômico
0,128
0,125
Eletronegatividade
1,9
1,8
Valência + Comum
+1 (+2)
+2
Estrutura Cristalina
CFC
CFC
Efeitos do ambiente
O comportamento em fadiga dos materiais também pode ser afetado pelo ambiente. Tensões térmicas podem ser induzidas em componentes que estão expostos a flutuações elevadas de temperatura e quando a expansão e/ou contração térmicaé restringida; a fadiga sob essas condições é denominada fadiga térmica. A presença de um ambiente quimicamente ativo pode levar à redução na vida em fadiga devido à fadiga associada à corrosão.
Efeitos da tensão e da temperatura
Tanto a temperatura quanto ao nível da tensão aplicada influenciam o comportamento em fluência. O aumento de qualquer um desses parâmetros produz os seguintes efeitos:
Um aumento na deformação instantânea inicial
Um aumento na taxa de fluência em regime estacionário
Uma diminuição no tempo de vida até a ruptura.
Referências Lucas Tomazela Prado 
 Engenharia Mecânica - UEM
Callister, W. D. Jr. - Ciência e Engenharia dos Materiais – Uma Introdução, 7ª Edição, Editora LTC.
Capítulos 4, 7 e 13
Van Vlack , L. - Princípios de Ciência dos Materiais, 3ª Edição.
Capítulo 4 : itens 4-1 a 4-9