Materiais de Engenharia
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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 forno está
entre 1100 e 1000°C. Uma camada fluida de vidro flutua (“floating”) sobre
estanho líquido. A temperatura de saída da zona de “floating” situa-se por
volta de 600°C. Os vidros planos tem temperatura de transição vítrea entre
540 e 520ºC.

SÓLIDOS AMORFOS 209

Materiais orgânicos amorfos

Os materiais orgânicos são freqüentemente constituídos de enormes
cadeias ou macromoléculas. As ligações químicas no interior da cadeia são
geralmente ligações covalentes muito fortes. As ligações intercadeias são em
geral ligações secundárias fracas. Além disto, deve-se mencionar que as liga-
ções covalentes são direcionais. Pelas