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Técnico em Metalurgia Disciplina: Metalografia

Meta - Escola Técnica de Formação Profissional Ltda.

Metalografia

Professor :Tiago Gonçalves Belo Horizonte, 10/08/2010

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A grande maioria dos metais, que apresentam alguma importância tecnológica para o homem, são encontrados na natureza na forma de compostos, principalmente como sulfetos e óxidos. Por isto estes materiais são submetidos a diferentes operações visando basicamente a sua redução e seu refino. Estas operações freqüentemente envolvem a fusão do material e levam à obtenção de um produto final ou intermediário, isto é, uma peça fundida ou um lingote.

Por exemplo, o processo mais comum para a obtenção dos aços envolve a redução do minério de ferro pelo monóxido de carbono, em um alto forno, levando à obtenção de uma liga impura de ferro (ferro gusa) que, no estado liquido, o qual alimenta um vaso de refino (convertedor LD). Neste, um jato de oxigênio, que queima o carbono, e a escória, que retira enxofre e fósforo do metal liquido, realizam o refino. Ao final do processo, elementos de liga e desoxidantes são adicionados para ajustar a composição e reduzir o teor de oxigênio dissolvido no aço liquido. Este é então vazado e, após a sua solidificação, obtém-se o lingote, o qual é submetido a uma série de operações compreendendo um conjunto de tratamentos térmicos e mecânicos visando a obtenção de um produto final com forma definida (chapa, barra, perfil, etc.), dimensões e propriedades desejadas. Os tratamentos térmicos e mecânicos a que, por exemplo, um lingote é submetido para a obtenção de um produto final não visam somente dar a forma e dimensão a este produto. Eles também objetivam controlar e otimizar as suas propriedades. Isto porque, ao contrário dos sistemas líquidos ou gasosos, muitas das propriedades dos sólidos, em particular dos metais, estão relacionadas diretamente com a sua estrutura. Esta, por sua vez, depende dos diversos processamentos sofridos anteriormente pelo material, isto é, da sua história.

A figura 1 ilustra esta relação fundamental para um aço com 0,8%C, após tratamento térmico a 900°C.

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Figura 1 - Variação do limite de escoamento com a velocidade de resfriamento para um aço SAE 1080, inicialmente aquecido a 900°C por uma hora.

O termo estrutura é muito geral e pode compreender desde aspectos grosseiros, com dimensões superiores a cerca de 0,1 m (macroestrutura), até detalhes da organização interna dos átomos (estrutura eletrônica). Para analisar a relação estrutura – propriedades; a metalurgia física interessa-se principalmente pelo arranjo e interação dos átomos, que compõem as diversas fases de uma liga (estrutura cristalina) e pelo arranjo, interações e dimensões dos diversos cristais destas fases (microestrutura). Diversas propriedades mecânicas, físicas e químicas das ligas metálicas podem ser estudadas a nível destas estruturas. A tabela I ilustra os diferentes níveis estruturais com alguns exemplos de detalhes que podem ser comumente observados nestes.

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Tabela I - Níveis estruturais, exemplos de técnicas usuais para análise e de detalhes que podem ser observados (a)

Macroestrutura > 100 m

Macrografia, radiografia

Segregação, trincas, camadas cementadas

Microestrutura Microestru Microestru 100 m a 0,1 m

Microscopia ótica (MO)

Microscopia eletrônica de varredura (MEV)

Microscopia eletrônica de transmissão (MET)

Tamanho de grão, microconstituin tes, microtrincas Precipitados submi- croscopicos, células de deslocações

Estrutura cristalina 10R - 1

Difração de raios - X Células unitárias, parâmetros de rede, defeitos cristalinos

Estrutura Eletrônica < 1Ã

Espectrometria de emissão ótica

Níveis atômicos defeitos eletrônicos

Observações (a) Esta tabela é apenas ilustrativa e a separação adotada dos níveis estruturais é arbitrária;

(b) 1 m = 10 -3 m, 1R = 10 -7 m (c) Alguns dos termos apresentados são discutidos ao longo deste texto.

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Ao se observar, no microscópio metalográfico, a seção de um metal puro, polida e atacada convenientemente, pode-se notar que este é formado por grãos separados entre si por contornos de grão (figura 2): num nível atômico, os grãos. são formados por um arranjo de átomos que pode ser descrito nela repetição, nas três dimensões, de uma unidade básica (célula unitária). Esta forma de arranjo atômico é denominada estrutura cristalina dos metais. Existem diferentes tipos de células unitárias e, portanto, diferentes tipos de estruturas cristalinas na natureza. Contudo, a grande maioria dos metais se apresenta em uma, ou mais, de três estruturas básicas: cúbica de corpo centrado (C), cúbica de faces centradas (CFC) e Hexagonal compacta (HC), figura 3. A tabela I mostra a estrutura cristalina de alguns metais puros comuns.

Figura 2 - Representação esquemática da superfície de um metal puro observada ao microscópio ótico.

Tabela I - Estruturas cristalinas de alguns metais puros. Estrutura Cristalina Exemplos

Cúbica de corpo Centrado (C) Fe α (abaixo de 910°C) Cr, V, Mo, W

,Nb

Cúbica de faces centradas (CFC) Fe γ (entre 910 e 1390°C), Al, Ag,

Au , Cu, Ni, Pt Hexagonal compacta (HC) Zn ,Hg, Be, Zr, Hf

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Figura 3 - Estruturas cristalinas mais comuns dos sólidos metálicos, onde as dimensões a e c são os parâmetros de rede.

O tipo de estrutura cristalina confere diversas características particulares a um dado metal puro. Diversos metais podem possuir mais de uma forma cristalina em função da temperatura e pressão. Esta característica (polimorfismo) é apresentada, por exemplo, pelo ferro, tendo enorme importância tecnológica ao determinar a possibilidade dos aços responderem a tratamentos térmicos. Na pressão normal, o ferro tem estrutura C abaixo de 910°C, sendo conhecido como ferro . Entre. 910 e 1390°C, este elemento tem estrutura CFC (Fe ) e, entre 1390°C e 1534°C, volta a ter estrutura C (Fe ). A 1534°C, o ferro se funde.

Comercialmente, a maioria dos metais é utilizada na forma de ligas, onde estruturas cristalinas como as anteriormente descritas são formadas, além de outros tipos. As ligas poderão ser monofásicas ou polifásicas, conterão impurezas formando inclusões não metálicas e diversos tipos de precipitados. Este conjunto de fases e constituintes formam a microestrutura de liga. Os exames e análises desta microestrutura constituem uma etapa fundamental para o entendimento do comportamento da liga em serviço, suas propriedades e características bem como fazem parte do projeto de uma nova liga.

A microestrutura de um material compreende as características físicas do material que podem ser observadas ao microscópio (macroestrutura, em contrapartida, se refere às características observáveis ao olho nú). Um microscópio ótico de boa qualidade pode produzir um aumento por volta de 1000x, enquanto que um microscópio eletrônico moderno é capaz de ampliar uma imagem 1500000x ou mais. Consequentemente, a microestrutura cobre uma faixa de características entre 1E10-9 [m] (1 [nm], ou 10 Å) até 1000 μm (isto é: 1E10-3 [m], ou 1 [m]).

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Muitas das características estruturais (como, por exemplo, o tamanho dos grãos) que governam as propriedades dos materiais caem dentro da faixa da microestrutura, ressaltando, assim, o motivo pelo qual o estudo e o controle da microestrutura dos materiais é tão importante.

A microestrutura dos materiais depende fundamentalmente da composição química e dos tratamentos térmicos e mecânicos aos quais o metal foi submetido. Infelizmente só podemos determinar (com precisão crescente) a composição química – mas não quais foram os tratamentos que produziram uma determinada microestrutura!

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