Materiais de Engenharia
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processo é utilizado
industrialmente e apresenta vantagens com relação à niquelação eletroquímica.

A cinética de cristalização é geralmente representada em um diagrama
tempo-temperatura-transformação, denominado diagrama TTT. As curvas de
início de cristalização tem a forma de um C. Esta forma é característica das
transformações que ocorrem por nucleação e crescimento. A figura 11.3 apre-
senta curvas esquemáticas de início de cristalização para um material metáli-
co e para um silicato ou polímero.

Destruindo a estrutura cristalina

Em 1881, o pesquisador alemão S. Kalisher, trabalhando com chapas de
zinco, sugeriu que a deformação plástica “destruía a cristalinidade” do zinco,
mas o recozimento posterior a restaurava. Nascia aí o termo técnico recrista-
lização. Mais tarde, foi demonstrado experimentalmente que a deformação
plástica dos materiais cristalinos por processos convencionais (laminação,

Figura 11.2 — Aparato para obtenção de fitas amorfas por solidificação
ultra-rápida (“melt-spinning”). Vide descrição no texto.

204 CAPÍTULO 11

forjamento, extrusão e trefilação), embora introduza muitos defeitos cristali-
nos, não é suficiente para destruir a cristalinidade dos materiais.

Por outro lado, existem processos especiais de deformação que podem
destruir a cristalinidade de numerosos materiais. Por exemplo, a moagem por
tempo longo em moinhos de alta energia (“attritor”) pode destruir a cristalini-
dade de um material. Uma outra possibilidade é irradiação com altas doses de
íons pesados e de alta energia.

Materiais metálicos amorfos

Os átomos metálicos comportam-se como fossem esferas rígidas. Os
metais puros têm grande propensão à cristalização e cristalizam-se com es-
truturas relativamente simples. Por esta razão, a grande maioria dos metais
não pode ser obtida como sólidos amorfos. Uma exceção é o molibdênio, que
quando solidificado a partir do vapor em uma superfície refrigerada com
hélio líquido (abaixo de 5 K) produz um filme fino amorfo. Uma reação
química especial pode produzir um pó muito fino de ferro amorfo. Nos dois
casos, a tendência a cristalização é muito grande e ocorre rapidamente se os
metais amorfos forem aquecidos. Por outro lado, a solidificação ultra-rápida
de numerosos sistemas metálicos produz sólidos amorfos, também denomi-
nados vidros metálicos. A maioria dos vidros metálicos contém átomos não
metálicos como silício, boro ou carbono. Estes átomos, menores que os metá-

Figura 11.3 — Diagrama TTT esquemático de cristalização de diferentes
materiais (segundo E. Hornbogen).

SÓLIDOS AMORFOS 205

licos, estabilizam os buracos atômicos da estrutura amorfa ou vítrea. Exem-
plos típicos de vidros metálicos deste tipo são: Au-Si; Pd-Si; Fe-B; Fe-B-C;
Fe-Ni-P-B; Ni-B-Si. Por outro lado, é possível obter vidros metálicos em
sistemas contendo apenas átomos metálicos. Exemplos típicos de vidros me-
tálicos deste tipo são: Zr-Cu; Zr-Ni; Nb-Ni e Ta-Ni.

A grande maioria dos sistemas metálicos não apresenta fase amorfa,
mesmo quando solidificada ultra-rapidamente. Nestes casos, os metais puros
e ligas apresentam grãos com dimensões de poucos micrometros (materiais
microcristalinos). Além disto, estes materiais microcristalinos apresentam
pouca ou nenhuma segregação e maior solubilidade que os valores de equilí-
brio, previstos nos respectivos diagramas de fases.

Os vidros metálicos apresentam algumas propriedades e características
interessantes. Uma delas é a isotropia de propriedades, devida à ausência de
estrutura cristalina. A ausência de simetria cristalina também faz dos vidros
metálicos excelentes materiais magnéticos moles. Eles apresentam alta resis-
tividade elétrica e baixas perdas acústicas. A densidade de um vidro metálico
é cerca de 2% menor que a da liga correspondente no estado cristalino. Os
módulos de elasticidade e de cisalhamento também são menores no estado
amorfo. Por outro lado, suas resistência mecânica e tenacidade são em geral
excelentes. Sua homogeneidade química confere a eles melhor resistência à
corrosão que as ligas cristalinas tradicionais. Apesar de apresentarem pro-
priedades e características tão interessantes, os vidros metálicos ainda não
encontraram muitas aplicações. A principal limitação é a forma em que eles
são obtidos: pós, filmes finos e fitas finas. Além disto, eles apresentam uma
enorme tendência à cristalização, o que pode ocorrer durante o aquecimento.

Materiais cerâmicos amorfos

Os materiais cerâmicos iônicos do tipo composto estequiométrico,
como o NaCl, à exemplo dos metais puros, têm uma enorme propensão à
cristalização. A cristalização é neste caso uma maneira eficiente do sólido
manter a neutralidade elétrica e estes materiais praticamente inexistem na
forma amorfa.

Os materiais cerâmicos com forte caráter covalente têm maior propen-
são à formação de fase amorfa do que os iônicos. Este é, por exemplo, o caso
da sílica. A sílica cristalina consiste de tetraedros, onde predominam fortes
ligações covalentes (vide figura 11.4).

206 CAPÍTULO 11

A sílica fundida é obtida aquecendo-se o quartzo acima de 1700°C.
Nesta temperatura, o coeficiente de viscosidade da sílica é cerca de 108 vezes
maior que o da água líquida. Isto se deve às fortes ligações covalentes. No
estado líquido, algumas ligações são quebradas e outras distorcidas, mas o
líquido preserva alguma rigidez. Durante o resfriamento à partir do estado
líquido, os embriões de fase cristalina têm dificuldades de crescer e a cristali-
zação pode ser evitada obtendo-se um sólido amorfo. A fase amorfa da sílica
pode ser obtida com velocidades de resfriamento relativamente baixas.

A figura 11.5 mostra uma representação bidimensional da sílica cristali-
na e da sílica amorfa.

Figura 11.4 — Estrutura tetraédrica do quartzo.

Figura 11.5 — Representação bidimensional da sílica:
a) cristalina e b) amorfa.

SÓLIDOS AMORFOS 207

Uma maneira muito eficiente de diminuir o ponto de fusão da sílica e
também diminuir a viscosidade do líquido é a adição de óxidos de sódio,
cálcio e chumbo. Por exemplo, a adição de cerca de 25% em moles de Na2O
no sistema SiO2 - Na2O, diminui o ponto de fusão da mistura para temperatu-
ras abaixo de 900°C. Além disto, os cátions Na+ dificultam a cristalização e
facilitam a formação de fase vítrea, conforme ilustra a figura 11.6.

Os compostos SiO2 , B2O3 , GeO2 e P2O5 apresentam alta energia de
ligação (80 kcal/mol) e são denominados formadores de rede. Os óxidos
Na2O, K2O, CaO e MgO apresentam baixa energia de ligação (< 40
kcal/mol) e são denominados modificadores de rede. A tabela 11.1 apresenta
a composição, propriedades e usos de alguns vidros mais comuns.

Figura 11.6 — Ação do cátion Na+ na formação de fase vítrea da sílica.

208 CAPÍTULO 11

Tabela 11.1 — Composição, propriedades e usos de alguns vidros
(segundo R.A.Higgins).

Tipo de vidro Composição
aprox. (%) Propriedades e utilizações

Vidro de
carbonato
de sódio

72 SiO2
Janelas, vidro para espelhos, garrafas e outros
recipientes.

15 Na2O
9 CaO
4 MgO

Vidros de
chumbo

60 SiO2 Têm uma elevada resistência elétrica — usa-
do para lâmpadas, válvulas etc.15 Na2O + K2O

25 PbO
40 SiO2 Alto índice refrativo e poder de dispersão —

utilizado para lentes e outros produtos óticos.
Também para baixelas de vidro “cristal”.

7,5Na2O + K2O
47,5PbO
5 Al2O3

Vidros de
boro-silicato

70 SiO2 Baixa expansão e boa resistência a agentes
químicos — utilizado para louça resistente ao
calor (“Pyrex”) e aparatos de laboratório. Pode
ser fundido com um certo número de metais.

7 Na2O + K2O
3 Al2O3

20 B2O3

Vidros de
alumínio-
silicato

35 SiO2 Têm uma faixa alta de amolecimento com TV
da ordem de 800°C.30 CaO

25 Al2O3
5 B2O3
5 MgO

Na produção de vidros, as matérias primas, tais como areia especial,
sulfato, calcáreo, dolomita, barrilha, feldspato e hematita são misturadas e
levadas ao forno de fusão por correias transportadoras. Um forno de fusão de
vidros tem várias zona de aquecimento, na faixa de 1500 a 1200°C. Na
produção de vidros planos, a temperatura de saída do material do