TECNOLOGIA DOS MATERIAIS

TECNOLOGIA DOS MATERIAIS

2. ESTRUTURA CRISTALINA DOS MATERIAIS

2.1 Introduo

Neste captulo ser discutida a estrutura dos materiais, especificamente a de alguns dos arranjos que podem ser assumidos pelos tomos no estado slido.Dentro desse contexto, so introduzidos os conceitos de cristalinidade e no-cristalinidade. Para os slidos cristalinos, a noo de estrutura cristalina apresentada, especificada em termos de clula unitria. As estruturas cristalinas encontradas tanto nos metais como nas cermicas so ento detalhadas, juntamente com o esquema atravs do qual os pontos, as direes e os planos cristalogrficos so expressos. So considerados os materiais monocristais, policristalinos e no-cristalinos.

ESTRUTURAS CRISTALINA

2.2 Conceitos Fundamentais

Os materiais slidos podem ser classificados de acordo com a regularidade segundo a qual seus tomos ou ons esto arranjados uns em relao aos outros. Um material cristalino aquele em que os tomos esto situados de acordo com uma matriz que se repete, ou que peridica, ao longo de grandes distncias atmicas; isto , existe ordem de longo alcance, tal que, quando ocorre um processo de solidificao, os tomos se posicionam de acordo com um padro tridimensional repetitivo, onde cada tomo est ligado aos seus tomos vizinhos mais prximos. Todos os metais, muitos materiais cermicos e certos polmeros formam estruturas cristalinas sob condies normais de solidificao.Aqueles materiais que no se cristalizam, essa ordem atmica de longo alcance est ausente; esses materiais so chamados de no-cristalinos ou amorfos.Algumas das propriedades dos slidos cristalinos dependem da estrutura cristalina do material, ou seja, da maneira segundo a qual os tomos, ons ou molculas esto arranjados no espao. Existe um nmero extremamente grande de estruturas cristalinas diferentes, todas elas possuindo uma ordenao atmica de longo alcance; essas variam desde estruturas relativamente simples, como ocorre para os metais, at estruturas excessivamente complexas, como as que so exibidas por alguns materiais cermicos e polimricos. Este captulo trata de algumas estruturas cristalinas usuais encontradas em metais e cermicas.Ao descrever as estruturas cristalinas, os tomos (ou ons) so considerados como se fossem esferas slidas com dimetros bem definidos. Isso conhecido por modelo da esfera rgida atmica, no qual as esferas que representam os tomos vizinhos mais prximos tocam umas nas outras. Um exemplo do modelo de esferas rgidas para o arranjo atmico encontrado em alguns metais elementares comuns est mostrado na figura 2.1c. Nesse caso em particular, todos os tomos so idnticos. Algumas vezes o termo rede cristalina utilizado no contexto de estruturas cristalinas; nesse sentido, rede cristalina significa uma matriz tridimensional de pontos que coincidem com posies dos tomos (ou centros de esferas).

ons: so tomos que, por um motivo qualquer, perderam ou ganharam eltrons. Quando um tomo perde eltrons se torna um on positivo ou ction, passando a ter excesso de cargas positivas. Contrariamente, ao ganhar eltrons, torna-se um on negativo ou nion. Os tomos dos elementos qumicos tendem a estabilizar a ltima camada ganhando ou perdendo eltrons, ou seja, para a maioria h necessidade de se transformar em ons. Por exemplo, tomos de metais, como o cobre, tendem a perder eltrons (ons ction) e tomos de ametais, como o oxignio, tendem a ganhar eltrons (ons nion).

2.3 Clulas Unitrias

A ordenao dos tomos nos slidos cristalinos indica que pequenos grupos de tomos formam um padro repetitivo. Dessa forma, ao descrever as estruturas cristalinas, freqentemente se torna conveniente subdividir a estrutura em pequenas entidades repetitivas, chamadas de clulas unitrias. Para a maioria das estruturas cristalinas, as clulas unitrias consistem em paraleleppedos ou prismas com trs conjuntos de faces paralelas; uma dessas clulas unitrias est desenhada no agregado de esferas (Fig. 2.1c), e nesse caso ela tem o formato de um cubo. Uma clula unitria escolhida para representar a simetria da estrutura cristalina, onde todas as posies de tomos no cristal podem ser geradas atravs de translaes das distncias integrais da clula unitria ao longo de cada uma das suas arestas. Assim sendo a clula unitria consiste na unidade estrutural bsica ou bloco construtivo bsico da estrutura cristalina e define a estrutura cristalina em virtude da sua geometria e das posies dos tomos no seu interior. Em geral a convenincia dita que os vrtices do paraleleppedo devem coincidir com os centros dos tomos representados como esferas rgidas. Alm disso, mais do que uma nica clula unitria pode ser escolhida para uma estrutura cristalina particular; contudo, em geral usamos a clula unitria com o mais alto grau de simetria geomtrica.

2.4 Estruturas Cristalina dos Metais

A ligao nesse grupo de material metlica, e dessa forma sua natureza no direcional. Conseqentemente, no existem restries em relao quantidade e posio dos tomos vizinhos mais prximos; isso leva a nmeros relativamente elevados de vizinhos mais prximos, assim como a empacotamentos compactos dos tomos na maioria das estruturas cristalinas dos metais. Alm disso, no caso dos metais, ao se utilizar o modelo de esferas rgidas para representar as estruturas cristalinas, cada esfera representa um ncleo inico.Existem trs estruturas cristalinas relativamente simples para a maioria dos metais mais comuns, so elas:1. Cbica de Faces Centradas (CFC);2. Cbica de Corpo Centrado (CCC);3. Hexagonal Compacta (HC).

A Estrutura Cristalina Cbica de Faces Centradas

a = 2RA estrutura cristalina encontrada em muitos metais possui uma clula unitria com geometria cbica, com os tomos localizados em cada um dos vrtices e nos centos de todas as faces do cubo. Essa estrutura adequadamente chamada de estrutura cristalina cbica de faces centradas (CFC). Alguns dos matais mais familiares que possuem essa estrutura cristalina so o cobre, o alumnio, a prata e o ouro. A figura 2.1a mostra um modelo de esferas rgidas para a clula unitria CFC, enquanto na figura 2.1b os centros dos tomos esto representados por com o objetivo de proporcionar uma melhor perspectiva dos tomos. O agregado de tomos na figura 2.1c representa uma seo de um cristal que consiste em muitas clulas unitrias CFC. Essas esferas ou ncleos inicos se tocam umas as outras ao longo de uma diagonal da face; o comprimento da aresta do cubo a e o raio atmico R esto relacionados atravs da expresso:

(2.1)

Na estrutura CFC, cada tomo em um vrtice compartilhado por oito clulas unitrias, enquanto um tomo localizado no centro de uma face pertence a apenas duas clulas. Portanto, um oitavo de cada um dos oito tomos em vrtices, ou um total de quatro tomos inteiros, pode ser atribudo a uma dada clula unitria. Isso est mostrado na figura 2.1a, onde esto representadas apenas as fraes das esferas que esto dentro dos limites do cubo. A clula unitria compreende o volume do cubo que gerado a partir dos centros dos tomos nos vrtices, como mostrado na figura.As posies nos vrtices e nas faces so na realidade equivalentes; isto , uma translao do vrtice do cubo de um tomo originalmente em um vrtice para o centro de um tomo localizado em uma das faces no ir alterar a estrutura da clula unitria.Duas outras caractersticas importantes de uma estrutura cristalina so o nmero de coordenao e o Fator de Empacotamento Atmico (FEA). Nos metais, todos os tomos possuem o mesmo nmero de vizinhos mais prximos ou tomos em contato, o que constitui o seu nmero de coordenao. No caso das estruturas cristalinas cbicas de faces centradas, o nmero de coordenao 12. Isso pode ser confirmado atravs de um exame da figura 2.1a, o tomo na face anterior possui como vizinhos mais prximos quatro tomos que esto localizados nos vrtices ao seu redor, quatro tomos que esto localizados nas faces que esto em contato pelo lado de trs, e quatro outros tomos de faces equivalentes na prxima clula unitria, sua frente, os quais no esto representados na figura.O FEA representa a frao do volume de uma clula unitria que corresponde s esferas slidas, assumindo o modelo das esferas atmicas rgidas, ou:

FEA = (2.2)

Para a estrutura CFC, o fator de empacotamento atmico de 0,74, o qual consiste no mximo empacotamento possvel para um conjunto de esferas onde todas as esferas possuem o mesmo dimetro. Tipicamente, os metais possuem fatores de empacotamento atmico relativamente elevados, a fim de maximizar a proteo conferida pelo gs de eltrons livres.

A Estrutura Cristalina Cbica de Corpo Centrado

Uma estrutura cristalina metlica comumente encontrada tambm possui uma clula unitria cbica, com tomos localizados em todos os oito vrtices e um nico outro tomo localizado no centro do cubo. Essa estrutura conhecida por estrutura cristalina cbica de corpo centrado (CCC). Um conjunto de esferas demonstrando essa estrutura cristalina est mostrado na figura 2.2c, enquanto as figuras 2.2a e 2.2b representam diagramas de clulas unitrias CCC onde os tomos esto representados de acordo com os modelos de esferas reduzidas, respectivamente. Os tomos no centro e nos vrtices se tocam uns nos outros ao longo das diagonais do cubo, e o comprimento da clula unitria a e o raio atmico R esto relacionados atravs da expresso:

a = (2.3)

O cromo, o ferro e o tungstnio, assim como diversos outros metais, exibem uma estrutura cristalina do tipo CCC.

Dois tomos esto associados a cada clula unitria CCC: o equivalente a um tomo, distribudo entre os oito vrtices do cubo, onde cada tomo em um vrtice compartilhado por oito clulas unitrias, e o nico tomo no centro do cubo, o qual est totalmente contido dentro da sua clula. Alm disso, as posies atmicas central e no vrtice so equivalentes. O nmero de coordenao para a estrutura cristalina CCC 8; cada tomo central possui os oito tomos localizados nos vrtices do cubo como seus vizinhos mais prximos. Uma vez que o nmero de coordenao menor na estrutura CCC do que na estrutura CFC, o fator de empacotamento atmico na estrutura CCC tambm menor do que na CFC, sendo de 0,68, contra 0,74 na CFC.

A Estrutura Cristalina Hexagonal Compacta

Nem todos os metais possuem clulas unitrias com simetria cbica; a ltima estrutura cristalina comumente encontrada nos metais que ser vista aqui possui uma clula unitria com formato hexagonal. A figura 2.3a mostra uma clula unitria com esferas reduzidas para essa estrutura, que conhecida por hexagonal compacta (HC); uma construo composta por vrias clulas unitria HC est representada a figura 2.3b.As faces superior e inferior da clula unitria so compostas por seis tomos que formam hexgonos regulares e que se encontram ao redor de um nico tomo central. Outro plano que contribui com trs tomos adicionais para a clula unitria est localizado entre os planos superior e inferior. Os tomos localizados nesse plano intermedirio possuem como vizinhos mais prximos tomos em ambos os planos adjacentes. O equivalente a seis tomos est contido em cada clula unitria; um sexto de cada um dos 12 tomos localizados nos vrtices das faces superior e inferior, metade de cada um dos dois tomos no centro das faces superior e inferior, e todos os trs tomos interiores que compe o plano intermedirio. Se a e c representam, respectivamente, as dimenses menor e maior da clula unitria na figura 2.2a, a razo c/a deve ser de 1,633; contudo, no caso de alguns metais que apresentam a estrutura cristalina HC, essa razo apresenta um desvio em relao ao valor ideal.

O nmero de coordenao e o fator de empacotamento atmico para a estrutura cristalina HC so os mesmos que para a estrutura cristalina CFC, ou seja: 12 e 0,74, respectivamente. Os metais HC so o cdmio, o magnsio, o titnio e o zinco.

2.5 Clculos da Densidade - Metais

Um conhecimento da estrutura cristalina de um slido metlico permite o clculo da sua densidade terica, , que obtida atravs da seguinte relao:

=

VcNA (2.4)

Onde:n = nmero de tomos associados a cada clula unitria;A = peso atmico;VC = volume da clula unitria;NA = nmero de Avogrado (6,023 x 1023 tomos/mol).EXERCCIOS

Calcular o volume de uma clula unitria CFC em termos do raio atmico R.

2) Mostrar que o fator de empacotamento atmico para a estrutura cristalina CFC de 0,74.

3) O cobre possui um raio atmico de 0,128 nm, uma estrutura cristalina CFC, e um peso atmico de 63,5g/mol. Calcular sua densidade terica e comparar a resposta com sua densidade medida experimentalmente (8,94g/cm3).

2.6 Polimorfismo e Alotropia

Alguns metais, bem como no-metais, podem ter mais do que uma estrutura cristalina, este fenmeno conhecido como polimorfismo. Quando encontrado em slidos elementares, essa condio freqentemente denominada de alotropia. A estrutura cristalina predominante depende tanto da temperatura quanto da presso externa. Um exemplo familiar encontrado em carbono: grafita a polimorfa estvel nas condies ambientes, enquanto que diamante formado em presses extremamente altas. Tambm, ferro puro tem uma estrutura cristalina CCC temperatura ambiente, com mudanas para ferro CFC a 912C (1674F). Muitas vezes uma modificao da densidade e outras propriedades fsicas acompanham a transformao polimrfica.

2.7 Sistemas Cristalinos

Como existem muitas estruturas cristalinas possveis, conveniente dividi-las em grupos de acordo com as configuraes da clula unitria e/ou arranjos atmicos. Este esquema baseia-se na geometria da clula unitria, isto , na forma geomtrica da clula unitria sem levar em conta as posies atmicas na clula. Dentro deste arcabouo, um sistema coordenado x, y e z estabelecido com a sua origem em um dos cantos da clula unitria; cada um dos eixos x, y e z coincide com uma das 3 arestas da clula unitria que se estendem a partir deste canto, como ilustrado na Figura 2.4. A geometria da clula unitria completamente definida em termos de 6 parmetros: os 3 comprimentos de arestas a, b e c, e os 3 ngulos , e . Estes esto indicados na Figura 2.4 e so s vezes denominados parmetros de rede cristalina ou parmetros reticulares de uma estrutura cristalina.

Fig. 2.4: Clula unitria com os eixos coordenados x, y e z, mostrando os comprimentos axiais (a, b e c) e os ngulos interaxiais (, e ).

Com base neste principio, existem sete diferentes possveis combinaes de a, b e c e , e , cada um dos quais representa um sistema cristalino distinto. Estes sete sistemas cristalinos so cbico, tetragonal, hexagonal, ortorrmbico, rombodrico, monoclnico e triclnico. As correlaes de parmetros de rede e o esboo da clula unitria para cada sistema cristalino est representado na figura 2.5. O sistema cbico, para o qual a = b = c e = = = 90, tem o mais alto grau de simetria. A simetria mnima exibida pelo sistema triclnico, de vez que a b c e .

Geometria da Clula UnitriaSistema Cristalinongulos Interaxiais

Relaes Axiais

= = 90, = 120 = = = 90a = b = ca = b ca = b c = = = 90 = = 90a = b = cTetragonalRombodrico (Trigonal)CbicaHexagonal

= = = 90a b c = = 90 a b c a b c 90TriclnicoMonoclnicoOrtorrmbico

Fig. 2.5 Relaes entre os Parmetros da Rede Cristalina e Figuras Mostrando as Geometrias das Clulas Unitrias Para os Sete Sistemas Cristalino.

A figura 2.6 mostra a estrutura cristalina de alguns materiais metlicos.

Fig.: 2.6 Estrutura cristalina de alguns metais.

2.8 Materiais Monocristalinos e Policristalinos

Monocristais

Para um material cristalino, quando o arranjo peridico e repetido de tomos for perfeito ou se estende atravs de toda a amostra sem interrupo, o resultado um monocristal. Todas as clulas unitrias encadeiam-se da mesma maneira e tm a mesma orientao. Monocristais existem na natureza, mas eles podem ser tambm produzidos artificialmente. Ordinariamente, eles so difceis de crescer, pois o seu ambiente deve ser cuidadosamente controlado.Permitindo-se que as extremidades de um monocristal cresam sem qualquer restrio externa, o cristal assumir uma forma geomtrica regular, tal como em algumas das pedras preciosas; a forma indicativa da estrutura cristalina. Uma fotografia de vrios monocristais est mostrada na Figura 2.7. Nos ltimos anos passados, os monocristais tm se tornado extremamente importantes em muitas das nossas modernas tecnologias, em particular micro circuitos eletrnicos, os quais empregam monocristais de silcio e outros semicondutores.

Fig.: 2.7 Fotografia mostrando vrios monocristais de fluorita CaF2..

Materiais Policristalinos

A maioria dos slidos cristalinos composta de muitos pequenos cristais ou gros; tais materiais so denominados policristalinos. Vrios estgios na solidificao de uma amostra policristalina esto representados esquematicamente na Figura 2.8. Inicialmente, pequenos cristais ou ncleos formam-se em vrias posies. Estes tm orientaes cristalogrficas aleatrias, como indicam os retculos quadrados. Os pequenos gros crescem por sucessiva adio a partir do lquido circunvizinho de tomos para a estrutura de cada gro. medida que o processo de solidificao se aproxima de seu final, as extremidades de gros adjacentes se chocam uma contra as outras. Como indicado na Figura 2.8, a orientao cristalogrfica varia de gro para gro. Tambm, existe algum desarranjo (desajuste) atmico dentro da regio onde dois gros se encontram; esta rea, denominada de contorno de gro.

(b)(a)

(d)(c)

Fig.: 2.8 Diagramas esquemticos dos vrios estgios na solidificao de um metal policristalino: os retculos quadrados representam clulas unitrias. (a) Pequenos ncleos de cristalizao (cristalitos). (b) Crescimento dos cristalitos: tambm mostrada a obstruo de alguns gros que so adjacentes entre si. (c) Ao se completar a solidificao, houve a formao de gros com formas irregulares. (d) A estrutura granular como ela apareceria sob um microscpio; as linhas escuras so os contornos dos gros.

Cristalizao dos Metais

Durante a solidificao dos metais h o surgimento de estruturas cristalinas sendo que o crescimento destas estruturas se d de maneira no uniforme. O processo de solidificao ocorre em duas etapas denominadas de nucleao e crescimento. Inicialmente forma-se um pequeno ncleo slido, no seio do liquido, que posteriormente cresce. Isto acontece com vrios ncleos simultaneamente at que todo o material transforme-se em um slido. A evoluo do processo de solidificao depende primeiramente da composio qumica do material, assim um slido cristalino puro apresenta uma temperatura de fuso/solidificao nica, Tf, sendo que acima de Tf a energia livre do slido mais elevada do que a do liquido, e neste, a energia mais estvel. Abaixo de Tf o slido que apresenta menor energia livre. No caso de ligas metlicas a solidificao ocorre em uma faixa de temperaturas que depende da composio especifica da liga em estudo, figura 2.9. Em qualquer dos casos, durante o processo de resfriamento o liquido no se transforma instantaneamente em slido ao atingir Tf, necessrio certo grau de super-resfriamente para que se forme o ncleo cristalino. Depois que ocorre a nucleao, a temperatura do liquido aumenta em consequncia da evoluo do calor latente, e permanece apenas um pequeno super-resfriamento at que a solidificao se complete. Poros, devido contrao e bolhas tambm podem nuclear e crescer medida que metal solidifica, gerando defeitos no produto final.

TempoTempo

Fig. 2.9 Solidificao em funo do tempo. (a) metal puro, (b) soluo slida.

Nucleao

Os dois principais mecanismos pelos quais ocorre a nucleao de partculas slidas num metal lquido so a nucleao homognea e a nucleao heterognea.

Nucleao Homognea

A nucleao homognea ocorre aleatoriamente em todo o sistema, ou seja, no existem stios preferenciais para a formao de ncleo. Uma condio necessria para este tipo de nucleao que a matriz seja qumica, estrutural e energeticamente homognea. Do ponto de vista experimental questiona-se a ocorrncia ou no de nucleao homognea visto que cada fase real contm algum tipo de defeito, como incluses slidas, impurezas, superfcies estranhas, etc.Num metal liquido, a nucleao homognea ocorre quando o prprio metal fornece os tomos para formar os ncleos. Quando um metal lquido puro resfriado abaixo da temperatura de fuso, Tf criam-se numerosos ncleos homogneos atravs do movimento lento dos tomos que vo ligando-se uns aos outros. Para que um ncleo seja estvel, de modo a crescer e formar um cristal, o mesmo deve atingir um raio crtico, r. Assim um cluster de tomos ligados uns aos outros forma um embrio, se o embrio atingir um tamanho superior que r, eles crescem e levam cristalizao total. Este processo chamado de nucleao e a taxa na qual os embries da fase estvel aparecem denominada taxa de nucleao.

Nucleao Heterognea

Nucleao heterognea a que ocorre no lquido quando h stios preferenciais como contornos de gro, discordncias, incluses, bolhas, sobre as paredes do recipiente, impurezas insolveis ou outro material presente na estrutura, estas superfcies j existentes diminuem a energia interfacial, ou energia de superfcie e, portanto h uma diminuio da barreira termodinmica necessria para formar um ncleo estvel.Nas operaes industriais de vazamento, a nucleao ser certamente heterognea e no homognea. A Figura 2.10 ilustra que a superfcie a ser criada pela nucleao a partir de um substrato (nucleao heterognea) menor, (comparada a da nucleao homognea) podendo facilitar o processo, pois exige menor energia de interface (barreira energtica). Observa-se tambm que o ncleo resultante da presena de um substrato (N1) possui menor volume e, portanto, menor nmero de tomos.

Fig.: 2.10 - Comparao entre as energias envolvidas na nucleao homognea e heterognea.

Para que ocorra nucleao heterognea, o agente nucleante do slido (cristal) a impureza (parede do recipiente) ter que ser molhado pelo metal liquido. O liquido dever igualmente solidificar facilmente sobre o agente nucleante, como ilustrado na Figura 6.9. Na mesma mostrado um agente nucleante, substrato que molhado pelo lquido a solidificar.

Crescimento

Uma vez que o cristal nucleado e o seu raio for superior ao raio critico, ele vai desenvolver-se. A maneira como este cristal cresce vai determinar as propriedades do material fundido.

Metais puros

Nos metais puros necessrio um grau de superesfriamento para que a nucleao ocorra. O mesmo ocorre para que o cristal continue a crescer na interface slido/lquido. Se o metal estiver temperatura de fuso no ocorre crescimento efetivo do cristal. Quanto maior o grau de superesfriamento mais rpido o crescimento. A taxa de crescimento depende da temperatura na interface slido/lquido, que por sua vez funo da taxa qual o calor latente liberado durante a cristalizao, removido. Isto resulta em um gradiente de temperatura no metal lquido, que consequentemente afeta a forma do cristal. Os tipos de gradiente de temperatura possveis de encontrar esto esquematizados na figura 2.11.

Fig. 2.11 - Gradientes de temperatura possveis de encontrar em um metal fundido a) normal e b) invertido.

No caso normal (a) a temperatura mais baixa na interface no que no seio do lquido. O crescimento ocorre uniformemente e planar. A explicao simples: se uma regio na interface cresce mais rapidamente que o resto, avanando para uma regio mais quente do lquido, o superesfriamento reduz o crescimento at que toda a interface avance. Este tipo de gradiente trmico comum, pois na maior parte dos casos o principal mecanismo de resfriamento atravs do molde que contem o metal fundido, de forma que o crescimento se inicia na parede do molde, que nestes casos est a uma temperatura muito inferior temperatura de fuso.No caso de gradiente trmico invertido (b), o calor extrado atravs do lquido na frente de solidificao. Agora, quando uma regio da interface se desenvolve mais e avana, encontra uma zona de lquido com uma temperatura menor que a sua temperatura de fuso e ter o seu crescimento favorecido. A interface em desenvolvimento tender a formar uma srie de protuberncias longas. Alm disso, qualquer salincia na superfcie lateral dessas protuberncias tender a crescer de forma idntica dando origem a braos secundrios e tercirios, estrutura dendrtica, figura 2.12.

Fig.: 2.12 - Dendrita originada na solidificao.

As protuberncias ou dendritas tendem a desenvolver-se ao longo de direes cristalinas preferenciais, como por exemplo, a aresta do cubo em um cristal CCC ou CFC. A velocidade de crescimento no aumenta indefinidamente, ela ser constante quando se estabelece um equilbrio entre o calor que se desenvolve na interface e o fluxo de calor para longe dela. Cada uma das dendritas desenvolve-se at que encontrem outras dendritas ou pelas paredes do molde. Este tipo de gradiente trmico pode ser observado, quando se usam moldes isolantes ou quando a superfcie do metal fundido fica exposta ao ar.

Ligas Monofsicas

Nas ligas metlicas o crescimento dendrtico muito mais comum, e provocado no por um gradiente trmico invertido, mas por gradientes de concentrao que se desenvolvem no metal lquido quando a solidificao ocorre demasiado rpido, impedindo que se estabelea um equilbrio entre o slido e o lquido. Estes gradientes de concentrao fora de equilbrio originam superesfriamento constitucional, o qual favorece o crescimento de dendritas a partir da superfcie de um cristal.

Desenvolvimento de Dendritas

Num cristal em crescimento, medida que tomos de soluto so rejeitados, ocorre um enriquecimento de soluto na interface slido/lquido. Se esta camada rica em soluto sofrer um superesfriamento constitucional, as pontas de qualquer protuberncia que avancem atravs desta camada tornam-se estveis e crescem. Estes sero os braos principais das dendritas, ao se desenvolverem deixam infiltraes de um liquido rico em soluto, figura 2.13. Estes braos principais podem ser suficientes em nmero para formar um arranjo continuo e paralelo, levando formao de uma frente de crescimento colunar.

Fig.: 2.13 - Segregao do soluto no desenvolvimento de dendrtas

Mais frequentemente, a rejeio de soluto lateralmente provoca a formao de braos secundrios e ramificaes, originando uma morfologia dendrtica. A morfologia de crescimento depende tanto da taxa de solidificao local como do gradiente de temperatura. Para baixas taxas de solidificao, o soluto tem tempo para se difundir desde a interface at ao seio do lquido, originando um crescimento planar. Para elevadas taxas de solidificao, o soluto concentra-se na interface, criando um potencial para o superesfriamento constitucional. Somando a isto se o gradiente de temperatura local no lquido for suficientemente baixo, ocorrer superesfriamento constitucional e crescimento, ou seja, instabilidade da interface.A figura 2.14 esquematiza trs situaes diferentes onde a temperatura do lquido varia com a distncia interface, em consequncia do acumulo de soluto. Quando o gradiente de temperatura elevado, figura.9a), no ocorre superesfriamento constitucional e o crescimento planar. Na segunda situao, figura.9b), o gradiente de temperatura suficientemente baixo para provocar um pequeno grau de superesfriamento constitucional, levando a um crescimento colunar. J no ltimo caso, figura .9 c), o gradiente de temperatura baixo mas o superesfriamento constitucional elevado, obtendo crescimento dendrtico.

Fig.: 2.14 - Efeito do superesfriamento constitucional na morfologia de solidificao.

Uma vez nucleadas as dendritas avanam lateralmente, e os seus braos secundrios desenvolvem-se at que uma rede se forma; figuras 2.14 e 2.15.Quando a solidificao termina, todas as dendritas que se formaram a partir de um mesmo ncleo formam um gro/cristal. A desorientao cristalogrfica entre os braos das dendritas de apenas alguns graus e acomodado por contornos de gro de baixo ngulo que consistem de arranjos de discordncias. J os cristais so separados por contornos de gro de alto ngulo, apresentando uma desorientao de pelo menos 10. Assim o tamanho de gro de um metal fundido determinado pelo nmero de locais de nucleao, enquanto que a granulometria da estrutura dendrtica definida pela taxa de solidificao, j que esta controla o grau de superesfriamento constitucional.

Fig.: 2.14 - Formao da estrutura dendritica; destaque para o espaamento entre braos secundrios que vai determinar as propriedades mecnicas.

Fig.: 2.15 - Estrutura dendritica de um componente fundido.

Contorno de Gro

Contorno de gro o limite ou fronteira entre gros. Os gros so formados a partir dos ncleos iniciais, que ao crescerem, encontram outros ncleos que tambm cresceram, ento criado um limite entre eles, o qual denominado contorno de gro, figura 2.16.Os contornos de gro so considerados imperfeies cristalinas, porque eles representam interrupes no arranjo uniforme dos tomos.

(a)

(b)

Fig.: 2.16 (a) Detalhe espacial de gros formando uma estrutura. (b) Ampliao de uma microestrutura.Os tomos ao longo do contorno apresentam um maior nvel energtico energia potencial que os tomos do interior de cada gro, tornando-os mais reativos e com maior poder de difuso.

Tamanho do Gro e Propriedades Mecnicas

As propriedades mecnicas dependem fortemente do tamanho de gro do metal, figura 2.17. Um metal que apresenta tamanho de gro pequeno ter melhor resistncia trao a temperatura ambiente, pois os contornos de gro tendem a inibir a deformao de gros individuais quando o material submetido a esforos de tenso.

Fig.: 2.17 Microestruturas com tamanho de gros diferentes.

Porm, em temperaturas elevadas, sendo a movimentao atmica favorecida principalmente nos contornos de gro e em reas tensionadas a resistncia do material ser menor.Como resultados so preferidos materiais com tamanho de gro pequeno para aplicaes em baixas temperaturas e temperatura ambiente. Por outro lado materiais com tamanho de gro grande (grosseiro) so desejveis para servio em temperaturas elevadas.Metais e ligas metlicas com tamanho de gro pequeno geralmente possuem melhor resistncia trao, melhor tenacidade e melhor resistncia fadiga.

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