Ligas Metálicas

As Ligas metálicas são soluções sólidas resultante da adição de átomos de impurezas (soluto) a um metal (solvente).
O tipo de solução formada depende:
- natureza química dos elementos envolvidos;
- tamanhos relativos dos átomos envolvidos.
As soluções sólidas podem ser de dois tipos:
- Soluções substitucionais;
- Soluções intersticiais.

• Soluções Substitucionais
  Nessas soluções os átomos adicionados substituem os átomos do metal no retículo.
  - diferenças de raios atómicos inferiores a 15% / mesmo n º de e- valência; ocorre substituição com fraca distorção do cristal.
  - mesma estrutura cristalina;
  - pequena diferença de eletronegatividade;
  - a solubilidade aumenta com a temperatura;
  Exemplo: liga Cu – Ni
  eletronegatividade 1,9 1,8
  raio atômico 0,128 0,125 nm
  estrutura cristalina CFC CFC

• Soluções Intersticiais
  Nessas soluções os átomos adicionados ocupam posições intersticiais no retículo metálico.
  - a relação de raios do átomo menor pelo átomo maior deve estar na faixa entre 0,414 a 0,732;
  - alteração das propriedades físicas como dureza, maleabilidade e ductibilidade.
  Exemplo: ligas de Fe-C
  aço – até 2% de C;
  ferro fundido acima de 2% de C.
  

Propriedades Elétricas

• Condutividade Elétrica
  
  É usada para especificar a natureza elétrica de um material, é um indicativo da facilidade com que um material é capaz de conduzir cargas elétricas (elétrons ou íons) de uma posição para outra.

No caso dos condutores metálicos o fluxo de carga está associado diretamente ao transporte de elétrons que são transferidos de um ponto de maior potencial elétrico para um de menor potencial. Esse fluxo de elétrons é chamado de corrente elétrica.
Ao atravessar um determinado material, a corrente de elétrons sofre resistência ao seu movimento e, curiosamente, cada material apresenta uma resistência diferenciada. Um condutor terá uma resistência que varia em função do material, da temperatura, do seu comprimento e secção. Os valores de resistividade dos materiais são obtidos por verificação da resistência elétrica com 1 metro de comprimento e 1mm2 de secção.

Para um condutor metálico, sob o efeito de uma diferença de potencial, quanto menor a resistência elétrica do material, maior será a corrente circulando através do mesmo e, assim, maior a condutividade elétrica.

• Condução em termos de Bandas

Quando átomos de um material se agrupam formando um sólido com estrutura definida, os níveis de energia associados a cada átomo são alterados devido a interação eletrônica entre os átomos. Com a adição de mais átomos desse material, este processo prossegue até a formação de uma banda destes níveis de energia, no lugar dos discretos níveis de energia dos átomos. Neste processo, os níveis energéticos dos elétrons da camada de valência, banda de valência, são mais perturbados que os níveis energéticos dos elétrons mais próximos do núcleo. Quando os elétrons são excitados para maiores níveis de energia eles passam para a banda de condução.

Dependendo da separação entre a banda de valência e banda de condução os materiais são classificados em: condutores, semi-condutores e isolantes.
•Os metais são bons condutores por excelência, pois a banda de condução está muito próxima da banda de valência .
•Os materiais isolantes apresentam grande separação entre a banda de valência e a banda de condução;
•Os semi-condutores intrínsecos e extrínsecos apresentam pequeno intervalo entre a banda de valência e a banda de condução;
• Semi-condutores extrínsecos tipo-n – os condutores são elétrons em excesso.
• Semi-condutores extrínsecos tipo-p – os condutores são lacunas eletrônicos.

A condutividade elétrica nos metais diminui com :
-o aumento da temperatura – aumento das vibrações térmicas que reduz o livre percurso médio dos elétrons e sua mobilidade;
-a adição de impurezas – centros de espalhamento;
-a deformação plástica – aparecimento de discordâncias no retículo cristalino que causam espalhamento;

Propriedades Mecânicas

As propriedades mecânicas definem o comportamento do material quando sujeitos à esforços mecânicos, pois estas estão relacionadas à capacidade do material de resistir ou transmitir estes esforços aplicados sem romper e sem se deformar de forma incontrolável.

• ELASTICIDADE

É a propriedade que os materiais apresentam de se deformarem quando submetidos a ações externas (forças devidas ao contato com outros corpos, ação gravitacional agindo sobre sua massa, etc.), retornando à sua forma original quando a ação externa é removida.






Até um certo limite, dependente do material e temperatura, as tensões aplicadas são aproximadamente proporcionais às deformações. A constante de proporcionalidade entre elas é chamada módulo de elasticidade ou módulo de Young. Quanto maior esse módulo, maior a tensão necessária para o mesmo grau de deformação, e portanto mais rígido é o material.
A relação linear entre essas grandezas é conhecida como lei de Hooke.A elasticidade linear, entretanto, é uma aproximação; os materiais reais exibem algum grau de comportamento não-linear.
A teoria da elasticidade estuda de forma rigorosa a determinação das tensões, deformações e da relação entre elas para um sólido tridimensional.

• PLASTICIDADE

A plasticidade é a propriedade inversa à da elasticidade, ou seja, do material não volta à sua forma inicial após a remoção da carga externa, obtendo-se deformações permanentes. A deformação plástica altera a estrutura de um metal, aumentando sua dureza. Este fenômeno é denominado endurecimento pela deformação à frio ou encruamento.

• MALEABILIDADE

É a propriedade que apresentam os corpos de serem moldados por deformação sendo transformado em lâminas delgadas, sem que o material se rompa.
O elemento mais maleável é o ouro, que se pode malear até dez milésimos de milímetro de espessura. Também apresenta esta característica, em menor escala, o alumínio, tendo-se popularizado o papel de alumínio como envoltório conservante para alimentos, assim como na fabricação do tetra-bricks.
Em muitos casos, a maleabilidade de uma substância metálica aumenta com a temperatura. Por isso, os metais são trabalhados mais facilmente a quente.

• DUCTILIDADE

É a propriedade física dos materiais de suportar a deformação plástica, sob a ação de cargas, sem se romper ou fraturar. A ductibilidade é a propriedade dos metais para formar fios de diversos diametros.




Ela é caracterizada pelo fluxo do material sob ação de uma tensão cisilhante.No ensaio de tração, os materiais dúcteis apresentam uma fase de fluência caracterizada por uma grande deformação, sem grandes aplicações de cargas.
Os metais se caracterizam por sua elevada ductibilidade, pelo fato dos átomos se disporem de maneira tal na sua estrutura que possibilitam o deslizamento de uns sobre os outros, permitindo o estiramento sem rompimento. A ductilidade de uma determinada liga metálica pode variar em função de sua microestrutura. A microestrutura varia em função do tipo de tratamento térmico e do tipo de processo de fabricação. Ligas quimicamente idênticas, portanto, podem apresentar comportamentos variando entre totalmente frágil e totalmente dúctil. Este fato é de extrema importância para a indústria, que pode trabalhar com um material em sua condição dúctil e, após isto, trata-lo termicamente para que atinja as propriedades finais.


A ductibilidade e a maleabilidade (capacidade de formar lâminas) de um material são duas propriedades relacionadas, já que as duas dependem do deslizamento dos átomos uns sobre os outros através de uma ação externa sobre o material.

• FRAGILIDADE



É a capacidade de um metal ou liga metálica de deformar-se antes de fraturar .

• RESILIÊNCIA

Corresponde à capacidade do material de absorver energia quando este é deformado elasticamente.

• TENACIDADE
  
  Representa uma medida da capacidade de um material absorver energia até a sua fratura; equivale a área sob a curva Tensão x Deformação até o ponto de fratura.
  


• DUREZA

É a propriedade característica de um material sólido, que expressa sua resistência a deformações permanentes e está diretamente relacionada com a força de ligação dos átomos. Basicamente, a dureza pode ser avaliada a partir da capacidade de um material "riscar" o outro, como na popular escala de Mohs para os minerais, que é uma tabela arbitrada de 1 a 10 na qual figuram alguns desses em escala crescente a partir do talco ao diamante.

Estrutura Cristalina

Um sólido é considerado cristalino quando os átomos (ou moléculas) que o constitui estão dispostos segundo uma rede tridimensional bem definida e que é repetida por milhões de vezes.

Exemplos: Todos os metais e a maior parte das cerâmicas.

Os Sólidos amorfos ou não-cristalinos, em geral, não apresentam regularidade na distribuição dos átomos e podem ser considerados como líquidos extremamente viscosos.

Exemplos: Vidro, piche e vários polímeros

• CÉLULAS UNITÁRIAS :
  
  Os sólidos cristalinos, como possuem uma estrutura ordenada, que se repete regularmente, pode ser descritos em termos de células unitárias.
  Célula unitária -unidade estrutural que se repete no espaço.
  Quando repetida em 3 dimensões, gera o cristal inteiro.
  
  Parâmetros de Rede - definem a geometria da célula unitária.
  - Os comprimentos das 3 arestas – a, b e c.
  - Os 3 ângulos entre os eixos – a, b e g
  

O arranjo mais estável dos átomos em um cristal será aquele que minimiza a
energia livre por unidade de volume ou, em outras palavras:
- preserva a neutralidade elétrica da ligação;
- satisfaz o caráter direcional das ligações covalentes;
- minimiza as repulsões íon-íon e, além disso,
- agrupa os átomos do modo mais compacto possível.

• SISTEMAS CRISTALINOS
  
  Considerando-se as combinações possíveis entre os parâmetros de rede obtêm-se 7 diferentes sistemas cristalinos:
  -Cúbico;
  -Hexagonal;
  -Tetragonal;
  -Romboédrico;
  -Ortorrômbico;
  -Monoclínico;
  -Triclínico
  
  



• REDES DE BRAVAIS
  
  As possibilidades de preenchimento dos 7 sistemas cristalinos geram 14 tipos diferentes de células unitárias, chamadas de Redes de Bravais ( homenagem a Auguste Bravais cristalógrafo francês 1811-1863).

CARACTERIZAÇÃO DOS RETICULADOS

- NÚMERO DE COORDENAÇÃO:
Representa o número de átomos mais próximos à um átomo de referência.
- PARÂMETRO DE REDE:
Constitui uma relação matemática entre uma dimensão da célula e o raio atômico
- FATOR DE EMPACOTAMENTO ATÔMICO:
É a relação entre o volume dos átomos no interior da célula unitária pelo volume total
da célula .

• RETÍCULOS CRISTALINOS MAIS IMPORTANTES:

- CÚBICO DE CORPO CENTRADO - CCC

- N° de coordenação : 8
- N° de átomos no interior do reticulado: 2 (8 x 1/8 + 1)
- Fator de empacotamento atômico: 0,68 (68% do volume da célula é ocupado por
átomos)

- CÚBICO DE FACES CENTRADAS - CFC

- N° de coordenação: 12
- N° de átomos no interior do reticulado: 4 (8 x 1/8 + 6 x 1/2)
- Fator de empacotamento atômico: 0,74 (74% do volume da célula é ocupado por
átomos)

- HEXAGONAL COMPACTA - HC

- N° de coordenação: 12
- N° de átomos no reticulado: 2 (6/3)
- Fator de empacotamento atômico: 0,74 (74% do volume da célula é ocupado por
átomos)

• ESTRUTURAS CIRSTALINAS DE ALGUNS METAIS

DEFEITOS EM RETÍCULOS CRISTALINOS

Todos os materiais contêm grande número de uma variedade de defeitos ou imperfeições. Os defeitos aumentam a energia interna do material.
Esses afetam principalmente as propriedades associadas à estrutura: resistência, plasticidade, condutividade, corrosão ... e nem sempre são negativos para o material.
Por defeito cristalino, designa-se uma irregularidade na rede cristalina, sendo classificados em: -defeitos de ponto: intersticial e lacuna; - defeitos de linha ou discordância

Ligação Metálica

Ligação Metálica é uma ligação química especial pois a sua formação envolve todos os átomos do metal, não há moléculas, isso porque:
- os átomos metálicos apresentam poucos elétrons de valência e vários orbitais de valência vazios;
- os elétrons de valência são partilhados entre cada átomo e seus vizinhos, entre estes e os seguintes e assim sucessiva e instantaneamente.
- as energias de ionização são baixas, isto é, os elétrons são frouxamente atraídos pelos núcleos; - os átomos dos metais se associam formando uma estrutura compacta.

• Teoria dos Elétrons Livres
  
  Em 1923 Lorentz sugere que:
  Os metais são constituídos por um retículo de esferas rígidas (íons positivos) imersas numa “nuvem” ou ”mar” de elétrons de valência que podem se mover através dos interstícios existentes no retículo.

• TOM ou Teoria das Bandas de Energia
  
  A formação de um cristal metálico resulta da transformação de orbitais atômicos de valência em orbitais poliatômicos que se estendem a todo o material, como os orbitais moleculares nas moléculas.
  Como resulta um número muito grande de orbitais poliatômicos com energias muito próximas pode se falar numa banda quase contínua de níveis energéticos.