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Arranjo Atômico em Ligas

1910
Metalúrgico analisando o arranjo atômico em ligas sob um microscópio em um laboratório.

(Imagem gerada apenas para fins ilustrativos)

As ligas são classificadas com base no arranjo atômico. Em ligas substitucionais, os átomos do elemento soluto substituem os átomos do solvente na rede cristalina, o que é comum quando os tamanhos atômicos são semelhantes. Em ligas intersticiais, átomos menores do soluto, como o carbono no ferro, se encaixam nos espaços (interstícios) entre os átomos maiores do solvente. Essa diferença estrutural determina fundamentalmente as propriedades mecânicas da liga.

A distinção entre soluções sólidas substitucionais e intersticiais é fundamental para a metalurgia física e o projeto de ligas. O tipo de solução sólida que se forma é governado principalmente pelos tamanhos relativos dos átomos do soluto e do solvente. Ligas substitucionais tipicamente se formam quando os raios atômicos dos dois elementos diferem em cerca de 15%, uma diretriz conhecida como regra do fator de tamanho de Hume-Rothery. Quando um átomo de soluto substitui um átomo de solvente, ele introduz uma tensão localizada na rede cristalina, o que impede o movimento das discordâncias e, portanto, aumenta a resistência e a dureza do material, mas frequentemente reduz sua propriedade de granulometria. ductilidadeExemplos incluem latão (zinco no cobre) e bronze (estanho no cobre).

As ligas intersticiais, por outro lado, formam-se quando os átomos do soluto são significativamente menores que os átomos do solvente, permitindo-lhes ocupar os sítios intersticiais na rede cristalina sem deslocar um átomo do solvente. Átomos intersticiais comuns são hidrogênio, boro, carbono e nitrogênio. A presença desses átomos causa uma distorção significativa da rede cristalina, o que proporciona um mecanismo muito eficaz para bloquear o movimento de discordâncias, levando a um aumento substancial na dureza e resistência. O exemplo mais proeminente é o aço, onde os átomos de carbono ocupam sítios intersticiais na rede do ferro. A quantidade de carbono e sua localização, que podem ser controladas por tratamento térmico, determinam as propriedades finais do aço, desde aços dúcteis de baixo carbono até aços duros e quebradiços de alto carbono.

UNESCO Nomenclature: 3308
Metalurgia

Tipo

Princípio Físico

Interrupção

Fundamentais

Uso

Uso generalizado

Precursores

  • teoria atômica de John Dalton
  • Descoberta de estruturas cristalinas por difração de raios X por William Henry Bragg e William Lawrence Bragg
  • Conceitos básicos de misturas e soluções químicas
  • primeiros estudos metalográficos de microestruturas metálicas

Aplicações

  • projeto de aços de alta resistência (carbono intersticial no ferro)
  • Criação de latão resistente à corrosão (substituição de zinco no cobre)
  • Desenvolvimento da prata esterlina para maior durabilidade (substituição do cobre na prata)
  • Formulação de elementos de aquecimento de nicromo (níquel e cromo substitutivos)

Patentes:

NA

Ideias de Inovação Potencial

  • gradient alloys with controlled interstitial-to-substitutional ratios across the material
  • self-lubricating alloys with interstitial elements that diffuse to the surface under stress
  • alloys with tunable thermal expansion by mixing interstitial and substitutional solutes
  • ‘smart’ alloys where interstitial atoms can be moved by an electric field to change properties
  • high-entropy interstitial alloys for extreme temperature applications
  • biocompatible alloys with interstitial elements that promote bone integration
  • phase-change memory alloys based on interstitial atom movement
  • hydrogen storage materials using metals with large interstitial sites
  • catalytic alloys where interstitial atoms modify surface reactivity
  • radiation-resistant alloys for nuclear reactors where interstitial atoms trap defects
Relacionado a: liga substitucional, liga intersticial, rede cristalina, solução sólida, soluto, solvente, metalurgia, arranjo atômico, deformação da rede, aço.

Contexto histórico

Arranjo Atômico em Ligas

1900
1903-05-10
1910
1910
1910
1910
1920
1900
1903
1906
1910
1910
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1920
1920

(Caso a data seja desconhecida ou irrelevante, por exemplo, "mecânica dos fluidos", é fornecida uma estimativa aproximada de seu surgimento notável)

10º ano aniversário

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