TECNOLOGIA DOS METAIS
INTRODUҪÃO
Na sua longa evolução,
o homem para satisfazer as suas necessidades, utilizou um certo número de
matérias-primas com que fabricou os instrumentos necessários a sua
sobrevivência.
No início,
serviu-se apenas de materiais de erigem mineral, vegetal e animal, como a pedra
a madeira e as peles de animais, por serem os de mais fácil acesso e de
elaboração mais simples.
A
descoberta dos metais marca uma fase importante do desenvolvimento humano e dá início
ao aparecimento duma tecnologia que foi progredindo sempre, e da qual nos vamos
ocupar neste tema.
Por
definição, metais são elementos cujos
óxidos não combinam com agua, ou se combinam formam bases. Podemos afirmar
também que, metal é tudo aquilo que pode ser forjado. Ou ainda que, metal é
tudo quilo que quando polido possui um brilho próprio.
Metal puro
Teoricamente, um metal puro é aquele que é constituído por uma única espécie química. Uma amostra desse
metal, é constituída por metal puro, quando contém 100% de átomos de um único
elemento.
Na
realidade isto não existe, consideramos que uma amostra de metal é constituída
por metal puro, quando contém uma percentagem tão próxima quanto possível dos
100%.
Assim,
uma amostra com 99,99% de cobre pode considerar-se tecnicamente pura, por apresentar o máximo de pureza que
conseguimos obter neste metal. O mesmo poderá se dizer para uma amostra com
99,9% de níquel.
A
presença de outros elementos junto dos metais, ainda que em pequenas
quantidades, pode alterar favoravelmente ou desfavoravelmente, algumas das suas
propriedades.
Assim,
se ao cobre associarmos 0,1% de arsênio, a sua condutibilidade térmica diminuirá
de 1/3, mas, se ao ferro associarmos 0,5% de carbono, a sua resistência a
tração aumenta para o dobro.
A
obtenção de um metal tecnicamente puro esta geralmente dependente de processos
de extração complexos e dispendiosos e, em muitos casos, verifica-se que as
suas propriedades não são as melhores para a aplicação industrial imediata.
Por
isso, a produção dos metais puros só se justifica se conduzir a resultados
práticos compensadores. O que raramente acontece.
Estrutura dos metais
Se
polirmos cuidadosamente a amostra dum metal, a sua superfície parecer-nos-á
brilhante, sem qualquer descontinuidade e perfeitamente homogênea. O mesmo se
verifica se a observarmos com uma lupa.
Este
aspecto deve-se fundamentalmente ao brilho natural do metal e ao fato de o
polimento ter criado uma finíssima camada de material deformado plasticamente,
o que impede o aparecimento do seu verdadeiro aspecto estrutural.
O conhecimento
da estrutura interna dos metais e suas ligas permite-nos entender muitas das
suas propriedades.
De
acordo com o grau de observação utilizado, distinguimos três tipos de estrutura
nos metais:
- Estrutura macrográfica ou
macroestrutura;
- Estrutura micrográfica ou
microestrutura;
- Estrutura cristalina.
Estrutura macrográfica
Se,
após o polimento de uma amostra metálica, utilizarmos um reagente (geralmente
um ácido) que dissolve a película superficial e observarmos a amostra com um
meio ótico (lupa ou microscópio) de aplicação não superior a 30 vezes,
obteremos uma imagem bastante diferente da superfície.
Agora,
já se distingue uma pequena mancha granular, onde é possível ver:
- a orientação do grão;
- a existência de
impurezas;
- alterações provocadas por
tratamentos térmicos e mecânicos.
Esta é
a macroestrutura, assim designada por representar uma superfície muito grande da
amostra relativamente ao tamanho dos pequenos elementos que a constituem.
Estrutura micrográfica
A
estrutura micrográfica dá-nos uma visão conjunta da amostra, mas pouco nos diz
sobre a forma e natureza de certos constituintes do metal.
Assim,
é usual realizarem-se observações de pequenas regiões da amostra, após um
polimento mais fino a que se segue um ataque químico com um reagente apropriado
(geralmente um ácido), com o objetivo de solubilizar a camada superficial e
criar condições para uma camada mais pormenorizada. Como o reagente ataca as
camadas mais periféricas dos grãos (junta de grão) do que os próprios grãos,
assim como altera mais facilmente alguns tipos de constituintes do que outros,
permite-nos identificar os elementos da estrutura.
Após
este tratamento a superfície é imediatamente protegida com uma resina
transparente para que não se altere, sendo posteriormente observada num microscópio
de forte ampliação (até 1500 vezes).
A
imagem obtida no microscópio representa a microestrutura do metal e permite-nos
tirar importantes conclusões sobre:
- o tamanho, a forma e a
distribuição dos grãos;
- o tipo de associações dos
átomos, isto é, se formam corpos puros, misturas homogêneas (soluções solidas)
ou misturas heterogêneas (agregados);
- a existência de detalhes
macroscópicos;
- a penetração de
tratamentos térmicos, mecânicos e químicos.
Estrutura cristalina
Se
aumentássemos a ampliação dos aparelhos de tal forma que fosse possível
observar o modo como os átomos se ligam entre si dentro dum grão obtínhamos a estrutura cristalina dos metais.
Na realidade
não temos microscópios que nos dêem tal ampliação, mas podemos recorrer aos
aparelhos de raio x, que, embora não nos mostrem os átomos, permitem detectar
quais as suas posições relativas.
Utilizando esta técnica, concluiremos que nos grãos, os átomos metálicos
se distribuem ordenadamente no espaço formando uma malha tridimensional.
É de
notar que nesta malha se pode considerar uma unidade tridimensional mínima que
se repete: a célula elementar.
A célula elementar é a base da malha
cristalina.
Há
vários tipos de célula onde os tomos ocupam os vértices, o centro e o meio das
faces. Nos metais os tipos de células mais comuns são:
- a cubica
centrada
- a cubica de faces
centradas
- a hexagonal compacta
- e a tetragonal centrada
A distância
entre dois átomos da mesma malha designa-se por parâmetro reticular. O seu valor depende do metal, do tipo de
malha, e da posição dos átomos. Nos metais estes valores são da ordem de 3
angstrom.
O
conhecimento da estrutura cristalina dos metais, associado as caraterísticas
dos seus átomos, permite-nos expor:
- a elevada densidade dos
metais;
- a variação de algumas
propriedades com a direção – anisotropia;
- a estabilidade da ligação
metálica;
- as principais
propriedades tais como a condutibilidade elétrica e térmica e a plasticidade.
Densidade dos metais
O número
de coordenação de um metal representa a quantidade de átomos que envolve cada
átomo desse metal.
No
caso da malha cubica centrada, cada átomo é envolvido por oito; numa malha
cubica de faces centradas, cada átomo é envolvido por doze.
A
maioria dos metais cristaliza em malhas em que o número de coordenação é
elevado, geralmente 8 a 12.
Como a
distância entre os átomos da malha é pequena, verifica-se uma elevada
concentração de átomos num espaço limitado o que explica a elevada densidade da maioria dos metais.
Ligação metálica
A forma
como os átomos metálicos se ligam entre si constituiu, durante muito tempo, um
enigma, dada a dificuldade em explicar simultaneamente as caraterísticas particulares
das suas propriedades e a grande estabilidade da ligação metálica.
Hoje sabe-se que nos metais (puros) não
existe moléculas, mas átomos simples, facilmente ionizáveis, que ocupam os
espaços, posições bem definidas (ponto de reticulo cristalino) de acordo com o
tipo de malha em que solidificam (cristalizam).
Para
explicar a ligação entre esses átomos, admite-se que os átomos perdem os eletrões
das camadas exteriores (eletrões de valência) e se transformam em iões
(positivos) e que os eletrões de valência se movimentam continuamente no
interior da estrutura metálica.
Como os
eletrões livres são em grande número, ao movimentarem-se vão ser atraídos simultaneamente
pelos iões que os envolvem e repelido pelos eletrões vizinhos. Isso origina um
elevadíssimo número de interações opostas do tipo eletrostático que garante uma
forte ligação entre os iões, a ligação
metálica.
Condutibilidade elétrica, térmica e
plasticidade
A
forma como os átomos dos metais se distribuem no espaço e as caraterísticas da
sua ligação permitem-nos conceber um modelo através do qual poderemos explicar
algumas propriedades importantes dos metais, nomeadamente a condutibilidade
elétrica, a condutibilidade térmica e a plasticidade.
Neste modelo
os iões positivos ocupam os pontos do retículo, e os eletrões de valência
formam um nevoeiro eletrônico que se movimenta em torno dos iões.
Condutibilidade elétrica
A condutibilidade
elétrica mede a capacidade de os materiais se deixarem atravessar pela corrente
elétrica.
Na
generalidade, os metais são bons condutores elétricos, sendo este comportamento
facilmente compreendido através do modelo.
Assim,
ao aplicarmos um campo elétrico positivo a um dos estremos de uma peça
metálica, o nevoeiro eletrônico tende a deslocar-se imediatamente para ai,
provocando a circulação de uma corrente elétrica.
A passagem
dos eletrões através da estrutura efetua-se facilmente, dada a sua elevada
mobilidade e as interações opostas que os iões exercem sobre eles, podendo
admitir-se que ao deslocarem-se, os eletrões como que deslizam no espaço interatômico.
As
limitações a este deslizamento derivam da possibilidades de choque com os iões.
A probabilidade destes choques depende do tipo e dos parâmetros da malha
cristalina, da existência de imperfeições no seu interior e da temperatura.
A elevação
da temperatura no metal, vai provocar um aumento da vibração dos iões (em volta
dos pontos reticulares) com o consequente aumento do espaço ocupado, o que
dificulta a passagem dos eletrões, diminuindo a condutibilidade elétrica.
Assim
se explica a elevada condutibilidade elétrica nos metais e a sua variação com
as alterações estruturais e a temperatura. Podemos dizer que a condutibilidade elétrica é tanto maior
quanto menor for a resistência a passagem do eletrões e que a resistividade elétrica é uma medida da probabilidade
de choque dos eletrões.
Condutibilidade térmica
A
condutibilidade térmica mede a capacidade que os corpos tem de conduzirem o
calor
Normalmente os metais são bons condutores térmicos, podendo também esta
caraterística ser facilmente compreendida pela aplicação deste modelo.
Assim,
se aquecermos uma região dum metal, os átomos mais próximos vão aumentar a sua
energia. Este acréscimo da energia vai provocar um aumento das vibrações dos iões
em torno dos seus pontos reticulares.
Os
eletrões de valência em contínuo movimento, ao passarem junto desses iões vai
receber parte dessa energia. Essa energia recebida vai aumentar a mobilidade
dos eletrões e provocar uma série de interações em cadeia com os outros iões
possibilitando uma rápida e equitativa distribuição de calor.
Estes
eletrões de valência vão atuar como veículo de distribuição recebendo energia
dos iões mais excitados e entregando-a aos outros.
A
energia necessária para dois átomos atingirem o mesmo estado de vibração varia
de átomo para átomo ou de ião para ião, o que explica as alterações da
condutibilidade quando existem impurezas na malha. Os iões que necessitam de
mais energia vão absorver um maior número de choques limitando a
condutibilidade.
Por
outro lado, ao elevar-se a temperatura, aumentam as amplitudes de vibração dos
iões, do que resulta um maior espaço ocupado, com consequente aumento do volume
do metal.
Assim
se pode concluir que a elevada
condutibilidade nos metais de deve as caraterísticas da sua ligação,
nomeadamente aos seus eletrões de valência, e compreender a razão pela qual geralmente
nos metais os valores de condutibilidade elétrica e térmica estão relacionados
(maior condutibilidade elétrica
corresponde a maior condutibilidade térmica) e variam de forma semelhante
com as variações estruturais do metal.
Plasticidade
A
plasticidade é uma das mais importantes propriedades dos metais e poderá ser explicada
se recordarmos que no modelo a que nos temos vindo a referir, os iões ocupam
posições no espaço que prefiguram um edifício cristalino constituído por
pequenos módulos – as células elementares.
Assim,
se aplicarmos forças a este modelo, ele vai reagir procurando adaptar-se as
solicitações em duas fases:
- numa primeira fase,
enquanto as forças interatômicas o permitam, aumentam ligeiramente os
parâmetros do metal.
- numa segunda fase, para forças
mais intensas, verifica-se o resvalamento de alguns módulos para novas posições
sem que se destrua o edifício cristalino.
Teremos então, inicialmente uma deformação elástica e depois uma deformação
plástica.
A
capacidade dos metais de se deformarem plasticamente pode explicar-se da
seguinte forma:
Os
deslizamentos relativos dos módulos ocorre segundo direções bem definidas
(plano de deslizamento), de tal modo que cada modulo ao afastar-se do vizinho
se aproxima do seguinte, permitindo aos eletrões de valência a manutenção do
campo de forças do tipo eletrostático, que é responsável pela estabilidade da
estrutura.
Os
eletrões de valência vão atuar como uma cola elástica e permanente que assegura
o deslocamento relativo dos módulos cristalinos e impede a sua fuga.
O
edifício só ruirá, quando as solicitações forem capazes de anular a ação da
nuvem eletrônica e separar os módulos.
Raciocinando a nível da macroestrutura sabemos que os metais são
formados por um conjunto de pequenos grãos, e que cada grão é um edifício
cristalino constituído por um elevado número de células elementares.
Assim
quanto maiores forem os grãos maior poderá ser a amplitude dos deslizamentos e
consequentemente a deformação plástica.
Analisemos o que se passa em duas amostras, uma constituída por grãos grosso
e outra por grão fino.
Como a
malha cristalina em cada grão tem a sua orientação própria, as regiões que
ligam os grãos do mesmo tipo (juntas de grão), são constituídas por átomos
metálicos, cuja orientação não é a de nenhum grão em contato, mas corresponde a
uma orientação intermedia.
Recentes estudos provaram que estas juntas, em frio, possuem
caraterísticas de resistência mecânica superiores a dos grãos.
Se à
amostra de grão grosso for aplicada uma forca de tração, o edifício reticular
sofre deslocamentos, distando-se.
Em
muitos casos, e de forma evidente, podem verificar-se as deformações a nível de
grão, cuja direção da deformação depende da orientação da forca aplicada e do
grão. Se o grão for fino, realiza-se também um certo deslizamento em cada grão,
de amplitude proporcional ao tamanho. As juntas de grão, em muito maior número,
limitam esses deslizamentos, dado que os seus átomos, orientados de forma
diferente, oferecem uma certa resistência ao reordenamento atômico,
Assim, para um mesmo metal, uma
estrutura de grão grosso apresenta elevada plasticidade; uma estrutura de grão
fino deforma-se plasticamente menos, mas apresenta melhores caraterísticas de
resistência mecânica.
Na prática
verificamos que a plasticidade dos metais, assim como outras propriedades
mecânicas que nos referimos, não depende apenas da estrutura cristalina, mas de
outros fatores em que o tamanho do grão é apenas um exemplo.
Dada a
diversidade desses fatores e a ação contraditória de muitos deles, não cabe no
âmbito deste curso fazer uma análise mais exaustiva do problema.
Diremos apenas que, duma forma geral, as propriedades dos materiais
metálicos melhoram com o afinamento e homogeneização do grão.