Liga

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O metal da madeira , uma liga eutética de bismuto , chumbo , estanho e cádmio com baixo ponto de fusão . Os grãos individuais são vistos como as superfícies planas dos cristais.

Uma liga é uma mistura de metais , ou um metal combinado com um ou mais outros elementos . Por exemplo, a combinação dos elementos metálicos ouro e cobre produz ouro vermelho , ouro e prata tornam-se ouro branco e prata combinada com cobre produz prata esterlina . Combinar ferro com carbono não metálico ou silício produz ligas chamadas aço ou aço silício. A mistura resultante forma uma substância com propriedades que muitas vezes diferem das dos metais puros, como maior resistência ou dureza. Ao contrário de outras substâncias que podem conter bases metálicas, mas não se comportam como metais, como óxido de alumínio (safira), silicato de alumínio e berílio (esmeralda) ou cloreto de sódio (sal), uma liga reterá todas as propriedades de um metal no material resultante , como condutividade elétrica , ductilidade , opacidade e brilho . As ligas são usadas em uma ampla variedade de aplicações, desde ligas de aço, usadas em tudo, de edifícios a automóveis, ferramentas cirúrgicas e titânio exóticoligas usadas na indústria aeroespacial até ligas de berílio-cobre para ferramentas anti-faíscas. Em alguns casos, uma combinação de metais pode reduzir o custo geral do material, preservando propriedades importantes. Em outros casos, a combinação de metais confere propriedades sinérgicas aos elementos metálicos constituintes, como resistência à corrosão ou resistência mecânica. Exemplos de ligas são aço, solda , latão , estanho , duralumínio , bronze e amálgamas .

Uma liga pode ser uma solução sólida de elementos metálicos (uma única fase, onde todos os grãos metálicos (cristais) são da mesma composição) ou uma mistura de fases metálicas (duas ou mais soluções, formando uma microestrutura de diferentes cristais dentro do metal) . Os compostos intermetálicos são ligas com uma estequiometria e estrutura cristalina definidas . As fases de Zintl também são às vezes consideradas ligas, dependendo dos tipos de ligação (consulte o triângulo de Van Arkel-Ketelaar para obter informações sobre a classificação de ligações em compostos binários).

As ligas são definidas por um caráter de ligação metálica . [1] Os constituintes da liga são geralmente medidos pela porcentagem de massa para aplicações práticas, e em fração atômica para estudos de ciência básica. As ligas são geralmente classificadas como ligas substitucionais ou intersticiais , dependendo do arranjo atômico que forma a liga. Eles podem ser ainda classificados como homogêneos (consistindo em uma única fase), ou heterogêneos (consistindo em duas ou mais fases) ou intermetálicos .

Introdução

Bronze líquido , sendo derramado em moldes durante a fundição.
Uma lâmpada de latão .

Uma liga é uma mistura de elementos químicos , que forma uma substância impura (mistura) que retém as características de um metal . Uma liga é distinta de um metal impuro porque, com uma liga, os elementos adicionados são bem controlados para produzir propriedades desejáveis, enquanto os metais impuros, como o ferro forjado, são menos controlados, mas muitas vezes são considerados úteis. As ligas são feitas pela mistura de dois ou mais elementos, pelo menos um dos quais é um metal. Geralmente é chamado de metal primário ou metal de base, e o nome desse metal também pode ser o nome da liga. Os outros constituintes podem ou não ser metais, mas, quando misturados com a base fundida, eles serão solúveise dissolver na mistura. As propriedades mecânicas das ligas costumam ser bastante diferentes daquelas de seus constituintes individuais. Um metal que normalmente é muito macio ( maleável ), como o alumínio , pode ser alterado ligando-o a outro metal macio, como o cobre . Embora ambos os metais sejam muito macios e dúcteis , a liga de alumínio resultante terá uma resistência muito maior . Adicionar uma pequena quantidade de carbono não metálico ao ferro troca sua grande ductilidade pela maior resistência de uma liga chamada aço . Devido à sua resistência muito alta, mas ainda assim uma robustez substancial, e sua capacidade de ser muito alterada por tratamento térmico , o aço é uma das ligas mais úteis e comuns no uso moderno. Ao adicionar cromo ao aço, sua resistência à corrosão pode ser aumentada, criando aço inoxidável , enquanto a adição de silício alterará suas características elétricas, produzindo aço silício .

Como óleo e água, um metal fundido nem sempre pode se misturar com outro elemento. Por exemplo, o ferro puro é quase completamente insolúvel com o cobre. Mesmo quando os constituintes são solúveis, cada um normalmente terá um ponto de saturação , além do qual nenhum outro constituinte pode ser adicionado. O ferro, por exemplo, pode conter no máximo 6,67% de carbono. Embora os elementos de uma liga geralmente devam ser solúveis no estado líquido , eles nem sempre podem ser solúveis no estado sólido . Se os metais permanecem solúveis quando sólidos, a liga forma uma solução sólida , tornando-se uma estrutura homogênea composta por cristais idênticos, chamada de fase. Se, à medida que a mistura esfria, os constituintes se tornam insolúveis, eles podem se separar para formar dois ou mais tipos diferentes de cristais, criando uma microestrutura heterogênea de fases diferentes, algumas com mais de um constituinte do que o outro. No entanto, em outras ligas, os elementos insolúveis podem não se separar até que ocorra a cristalização. Se resfriados muito rapidamente, eles primeiro se cristalizam como uma fase homogênea, mas são supersaturados com os constituintes secundários. Com o passar do tempo, os átomos dessas ligas supersaturadas podem se separar da estrutura cristalina, tornando-se mais estáveis ​​e formando uma segunda fase que serve para reforçar os cristais internamente.

Algumas ligas, como o eletro - uma liga de prata e ouro - ocorrem naturalmente. Os meteoritos às vezes são feitos de ligas naturais de ferro e níquel , mas não são nativos da Terra. Uma das primeiras ligas feitas pelo homem foi o bronze , que é uma mistura dos metais estanho e cobre . O bronze era uma liga extremamente útil para os antigos, porque é muito mais forte e mais duro do que qualquer um de seus componentes. O aço era outra liga comum. No entanto, nos tempos antigos, ele só poderia ser criado como um subproduto acidental do aquecimento do minério de ferro em queimadas ( fundição ) durante a fabricação do ferro. Outras ligas antigas incluemestanho , latão e ferro-gusa . Na era moderna, o aço pode ser criado em muitas formas. O aço carbono pode ser feito variando apenas o teor de carbono, produzindo ligas macias como aço carbono ou ligas duras como aço para molas . Os aços-liga podem ser feitos pela adição de outros elementos, como cromo , molibdênio , vanádio ou níquel , resultando em ligas como aço rápido ou aço ferramenta . Pequenas quantidades de manganêssão geralmente ligados com a maioria dos aços modernos por causa de sua capacidade de remover impurezas indesejadas, como fósforo , enxofre e oxigênio , que podem ter efeitos prejudiciais na liga. No entanto, a maioria das ligas não foi criada até 1900, como várias ligas de alumínio, titânio , níquel e magnésio . Algumas superligas modernas , como incoloy , inconel e hastelloy , podem consistir em uma infinidade de elementos diferentes.

Terminologia

Válvula gaveta, fabricada em Inconel .

Como substantivo, o termo liga é usado para descrever uma mistura de átomos em que o constituinte primário é um metal. Quando usado como verbo, o termo se refere ao ato de misturar um metal com outros elementos. O metal primário é chamado de base , matriz ou solvente . Os constituintes secundários são freqüentemente chamados de solutos . Se houver uma mistura de apenas dois tipos de átomos (sem contar as impurezas), como uma liga de cobre-níquel , é chamada de liga binária. Se houver três tipos de átomos formando a mistura, como ferro, níquel e cromo, ela é chamada de liga ternária. Uma liga com quatro constituintes é uma liga quaternária,enquanto uma liga de cinco partes é denominada liga quinária. Como a porcentagem de cada constituinte pode ser variada, com qualquer mistura toda a gama de variações possíveis é chamada de sistema . A este respeito, todas as várias formas de uma liga contendo apenas dois constituintes, como ferro e carbono, são chamadas de sistema binário, enquanto todas as combinações de liga possíveis com uma liga ternária, como ligas de ferro, carbono e cromo, é chamado de sistema ternário . [2]

Uma liga é tecnicamente um metal impuro, mas quando se refere a ligas, o termo impurezas geralmente denota elementos indesejáveis. Essas impurezas são introduzidas a partir dos metais básicos e elementos de liga, mas são removidas durante o processamento. Por exemplo, o enxofre é uma impureza comum no aço. O enxofre se combina prontamente com o ferro para formar sulfeto de ferro , que é muito frágil, criando pontos fracos no aço. [3] Lítio , sódio e cálcio são impurezas comuns em ligas de alumínio, que podem ter efeitos adversos na integridade estruturalde peças fundidas. Por outro lado, metais puros que simplesmente contêm impurezas indesejadas são freqüentemente chamados de "metais impuros" e geralmente não são chamados de ligas. O oxigênio, presente no ar, combina-se prontamente com a maioria dos metais para formar óxidos metálicos ; especialmente em altas temperaturas encontradas durante a liga. Muitas vezes se toma muito cuidado durante o processo de liga para remover o excesso de impurezas, usando fundentes , aditivos químicos ou outros métodos de metalurgia extrativa . [4]

Na prática, algumas ligas são usadas predominantemente em relação aos seus metais básicos, de modo que o nome do constituinte primário também é usado como o nome da liga. Por exemplo, 14 quilates ouro é uma liga de ouro com outros elementos. Da mesma forma, a prata usada em joias e o alumínio usado como material de construção estrutural também são ligas.

O termo "liga" é algumas vezes usado na fala do dia-a-dia como sinônimo de uma liga específica. Por exemplo, rodas de automóveis feitas de liga de alumínio são comumente referidas simplesmente como " rodas de liga leve ", embora, na verdade, os aços e a maioria dos outros metais em uso prático também sejam ligas. O aço é uma liga tão comum que muitos itens feitos com ele, como rodas , barris ou vigas , são simplesmente referidos pelo nome do item, presumindo que seja feito de aço. Quando feitos de outros materiais, eles são normalmente especificados como tal (por exemplo: "roda de bronze", "cilindro de plástico" ou "viga de madeira").

Teoria

A liga de um metal é feita combinando-o com um ou mais outros elementos. O processo de liga mais comum e mais antigo é realizado aquecendo o metal de base além de seu ponto de fusão e, em seguida, dissolvendo os solutos no líquido fundido, o que pode ser possível mesmo se o ponto de fusão do soluto for muito maior do que o da base. Por exemplo, em seu estado líquido, o titânio é um solvente muito forte, capaz de dissolver a maioria dos metais e elementos. Além disso, ele absorve facilmente gases como oxigênio e queima na presença de nitrogênio. Isso aumenta a chance de contaminação de qualquer superfície de contato e, portanto, deve ser derretido em aquecimento por indução a vácuo e cadinhos de cobre resfriados a água especiais . [5]No entanto, alguns metais e solutos, como ferro e carbono, têm pontos de fusão muito altos e eram impossíveis para os povos antigos derreterem. Assim, a liga (em particular, a liga intersticial) também pode ser realizada com um ou mais constituintes em um estado gasoso, tal como encontrado em um alto-forno para fazer ferro-gusa (gás líquido), nitretação , carbonitretação ou outras formas de endurecimento de caso (sólido-gás), ou o processo de cimentação usado para fazer blister de aço (sólido-gás). Também pode ser feito com um, mais ou todos os constituintes no estado sólido, como os encontrados em métodos antigos de soldagem de padrão (sólido-sólido), aço de cisalhamento(sólido-sólido), ou produção de aço ao cadinho (sólido-líquido), misturando os elementos por difusão no estado sólido .

Ao adicionar outro elemento a um metal, as diferenças no tamanho dos átomos criam tensões internas na estrutura dos cristais metálicos; tensões que muitas vezes aumentam suas propriedades. Por exemplo, a combinação de carbono com ferro produz aço , que é mais forte que o ferro , seu elemento primário. A condutividade elétrica e térmica das ligas é geralmente menor do que a dos metais puros. As propriedades físicas, como densidade , reatividade , módulo de Young de uma liga podem não diferir muito daqueles de seu elemento de base, mas propriedades de engenharia, como resistência à tração , [6] ductilidade ea resistência ao cisalhamento pode ser substancialmente diferente daquela dos materiais constituintes. Isso às vezes é resultado do tamanho dos átomos na liga, porque átomos maiores exercem uma força compressiva nos átomos vizinhos e átomos menores exercem uma força de tração em seus vizinhos, ajudando a liga a resistir à deformação. Às vezes, as ligas podem apresentar diferenças marcantes no comportamento, mesmo quando pequenas quantidades de um elemento estão presentes. Por exemplo, impurezas em ligas ferromagnéticas semicondutoras levam a propriedades diferentes, conforme previsto pela primeira vez por White, Hogan, Suhl, Tian Abrie e Nakamura. [7] [8] Algumas ligas são feitas por fusão e mistura de dois ou mais metais. Bronze , uma liga de cobree estanho , foi a primeira liga descoberta, durante o período pré - histórico agora conhecido como Idade do Bronze . Era mais duro do que o cobre puro e originalmente usado para fazer ferramentas e armas, mas mais tarde foi substituído por metais e ligas com melhores propriedades. Em tempos posteriores, o bronze foi usado para ornamentos , sinos , estátuas e rolamentos . O latão é uma liga feita de cobre e zinco .

Ao contrário dos metais puros, a maioria das ligas não tem um único ponto de fusão , mas uma faixa de fusão durante a qual o material é uma mistura das fases sólida e líquida (uma lama). A temperatura na qual o derretimento começa é chamada de solidus , e a temperatura quando o derretimento está apenas completo é chamada de liquidus . Para muitas ligas, há uma proporção de liga específica (em alguns casos, mais de uma), chamada de mistura eutética ou composição peritética, que dá à liga um ponto de fusão único e baixo, e nenhuma transição líquido / sólido granulado.

Ligas tratáveis ​​termicamente

Alótropos de ferro , ( ferro alfa e ferro gama ) mostrando as diferenças no arranjo atômico.
Fotomicrografias de aço . Foto superior: O aço recozido (resfriado lentamente) forma uma microestrutura lamelar heterogênea chamada perlita , que consiste nas fases cementita (clara) e ferrita (escura). Foto inferior: O aço temperado (resfriado rapidamente) forma uma única fase chamada martensita , na qual o carbono permanece preso dentro dos cristais, criando tensões internas.

Elementos de liga são adicionados a um metal base para induzir dureza , tenacidade , ductilidade ou outras propriedades desejadas. A maioria dos metais e ligas podem ser endurecidos por trabalho , criando defeitos em sua estrutura cristalina. Esses defeitos são criados durante a deformação plástica por martelamento, dobra, extrusão etc., e são permanentes, a menos que o metal seja recristalizado . Caso contrário, algumas ligas também podem ter suas propriedades alteradas por tratamento térmico . Quase todos os metais podem ser amolecidos por recozimento , que recristaliza a liga e repara os defeitos, mas poucos podem ser endurecidos por aquecimento e resfriamento controlados. Muitas ligas dealumínio , cobre , magnésio , titânio e níquel podem ser fortalecidos até certo ponto por algum método de tratamento térmico, mas poucos respondem a isso no mesmo grau que o aço . [9]

O ferro de metal básico da liga de ferro-carbono conhecido como aço sofre uma mudança no arranjo ( alotropia ) dos átomos de sua matriz de cristal a uma certa temperatura (geralmente entre 1.500 ° F (820 ° C) e 1.600 ° F ( 870 ° C), dependendo do conteúdo de carbono). Isso permite que os átomos de carbono menores entrem nos interstícios do cristal de ferro. Quando essa difusão acontece, diz-se que os átomos de carbono estão em solução no ferro, formando uma fase cristalina única, homogênea e particular chamada austenita . Se o aço for resfriado lentamente, o carbono pode se difundir para fora do ferro e gradualmente reverter para seu alótropo de baixa temperatura. Durante o resfriamento lento, os átomos de carbono não serão mais tão solúveiscom o ferro, e será forçado a precipitar fora da solução, nucleando em uma forma mais concentrada de carboneto de ferro (Fe 3 C) nos espaços entre os cristais de ferro puro. O aço torna-se então heterogêneo, pois é formado por duas fases, a fase ferro-carbono, denominada cementita (ou carboneto ), e ferrita de ferro puro . Esse tratamento térmico produz um aço bastante macio. Se o aço for resfriado rapidamente, no entanto, os átomos de carbono não terão tempo para se difundir e precipitar como carboneto, mas ficarão presos dentro dos cristais de ferro. Quando resfriado rapidamente, uma transformação sem difusão (martensita)ocorre, em que os átomos de carbono ficam presos na solução. Isso faz com que os cristais de ferro se deformem enquanto a estrutura do cristal tenta mudar para seu estado de baixa temperatura, deixando esses cristais muito duros, mas muito menos dúcteis (mais quebradiços).

Enquanto a alta resistência do aço resulta quando a difusão e precipitação são evitadas (formando martensita), a maioria das ligas tratáveis ​​termicamente são ligas de endurecimento por precipitação , que dependem da difusão de elementos de liga para atingir sua resistência. Quando aquecidas para formar uma solução e, em seguida, resfriadas rapidamente, essas ligas tornam-se muito mais macias do que o normal, durante a transformação sem difusão, mas depois endurecem à medida que envelhecem. Os solutos nessas ligas precipitarão ao longo do tempo, formando intermetálicosfases, que são difíceis de distinguir do metal de base. Ao contrário do aço, no qual a solução sólida se separa em diferentes fases do cristal (carboneto e ferrita), as ligas de endurecimento por precipitação formam diferentes fases dentro do mesmo cristal. Essas ligas intermetálicas parecem homogêneas na estrutura cristalina, mas tendem a se comportar de maneira heterogênea, tornando-se duras e um tanto frágeis. [9]

Ligas de substituição e intersticiais

Diferentes mecanismos atômicos de formação de ligas, mostrando metal puro, substitucional, intersticial e uma combinação dos dois.

Quando um metal fundido é misturado a outra substância, existem dois mecanismos que podem causar a formação de uma liga, chamados de troca de átomos e mecanismo intersticial . O tamanho relativo de cada elemento na mistura desempenha um papel principal na determinação de qual mecanismo ocorrerá. Quando os átomos são relativamente semelhantes em tamanho, geralmente ocorre o método de troca atômica, onde alguns dos átomos que compõem os cristais metálicos são substituídos por átomos do outro constituinte. Isso é chamado de liga substitucional . Exemplos de ligas de substituição incluem bronze e latão , em que alguns dos átomos de cobre são substituídos por átomos de estanho ou zinco, respectivamente.

No caso do mecanismo intersticial, um átomo geralmente é muito menor que o outro e não pode substituir com sucesso o outro tipo de átomo nos cristais do metal básico. Em vez disso, os átomos menores ficam presos nos espaços entre os átomos da matriz do cristal, chamados de interstícios . Isso é conhecido como liga intersticial . O aço é um exemplo de liga intersticial, porque os átomos de carbono muito pequenos se encaixam nos interstícios da matriz de ferro.

O aço inoxidável é um exemplo de combinação de ligas intersticiais e substitucionais, porque os átomos de carbono se encaixam nos interstícios, mas alguns dos átomos de ferro são substituídos por átomos de níquel e cromo. [9]

História e exemplos

Ferro meteórico

Um meteorito e uma machadinha forjada em ferro meteórico .

O uso de ligas por humanos começou com o uso de ferro meteórico , uma liga natural de níquel e ferro . É o principal constituinte dos meteoritos de ferro . Como nenhum processo metalúrgico foi usado para separar o ferro do níquel, a liga foi usada como estava. [10] O ferro meteórico pode ser forjado a partir de um calor vermelho para fazer objetos como ferramentas, armas e pregos. Em muitas culturas, foi moldado por martelagem a frio em facas e pontas de flechas. Eles eram freqüentemente usados ​​como bigornas. O ferro meteórico era muito raro e valioso, e difícil para os povos antigos trabalharem . [11]

Bronze e latão

Machado de bronze 1100 a.C.
Maçaneta de bronze

O ferro é geralmente encontrado como minério de ferro na Terra, exceto por um depósito de ferro nativo na Groenlândia , que foi usado pelo povo Inuit . [12] Cobre nativo , no entanto, foi encontrado em todo o mundo, junto com prata , ouro e platina , que também foram usados ​​para fazer ferramentas, joias e outros objetos desde o período neolítico. O cobre era o mais duro desses metais e o mais amplamente distribuído. Tornou-se um dos metais mais importantes para os antigos. Cerca de 10.000 anos atrás, nas terras altas da Anatólia (Turquia), os humanos aprenderam a fundir metais como cobre eestanho de minério . Por volta de 2500 aC, as pessoas começaram a ligar os dois metais para formar o bronze , que era muito mais duro do que seus ingredientes. O estanho era raro, porém, encontrado principalmente na Grã-Bretanha. No Oriente Médio, as pessoas começaram a ligar cobre com zinco para formar o latão . [13] Civilizações antigas levaram em consideração a mistura e as várias propriedades que ela produzia, como dureza , tenacidade e ponto de fusão , sob várias condições de temperatura e endurecimento por trabalho , desenvolvendo muitas das informações contidas nos diagramas de fase das ligas modernas .[14] Por exemplo, pontas de flechas da dinastia chinesa Qin (por volta de 200 aC) eram freqüentemente construídas com umaponta debronze dura, mas uma espiga de bronze mais macia, combinando as ligas para evitar embaçamento e quebra durante o uso. [15]

Amálgamas

Mercúrio foi fundido a partir de cinábrio por milhares de anos. O mercúrio dissolve muitos metais, como ouro, prata e estanho, para formar amálgamas (uma liga em uma pasta mole ou na forma líquida à temperatura ambiente). Os amálgamas são usados ​​desde 200 aC na China para dourar objetos como armaduras e espelhos com metais preciosos. Os antigos romanos costumavam usar amálgamas de mercúrio e estanho para dourar suas armaduras. O amálgama era aplicado como uma pasta e então aquecido até que o mercúrio vaporizasse, deixando o ouro, a prata ou o estanho para trás. [16] Mercúrio era freqüentemente usado na mineração, para extrair metais preciosos como ouro e prata de seus minérios. [17]

Ligas de metais preciosos

Electrum , uma liga natural de prata e ouro, era freqüentemente usada para fazer moedas.

Muitas civilizações antigas ligavam metais para fins puramente estéticos. No antigo Egito e em Micenas , o ouro era frequentemente ligado ao cobre para produzir ouro vermelho, ou ferro para produzir um ouro-vinho brilhante. O ouro era freqüentemente encontrado ligado à prata ou outros metais para produzir vários tipos de ouro colorido . Esses metais também eram usados ​​para fortalecer uns aos outros, para fins mais práticos. O cobre era frequentemente adicionado à prata para fazer prata de lei , aumentando sua resistência para uso em pratos, talheres e outros itens práticos. Freqüentemente, metais preciosos eram misturados a substâncias menos valiosas como meio de enganar os compradores. [18] Por volta de 250 aC, Arquimedes foi comissionado pelo Rei daSyracuse para encontrar uma maneira de verificar a pureza do ouro em uma coroa, levando à famosa gritaria de "Eureka!" sobre a descoberta do princípio de Arquimedes . [19]

Peltre

O termo peltre abrange uma variedade de ligas consistindo principalmente de estanho. Como metal puro, o estanho é muito mole para ser usado na maioria dos fins práticos. No entanto, durante a Idade do Bronze , o estanho era um metal raro em muitas partes da Europa e do Mediterrâneo, por isso era frequentemente valorizado mais do que o ouro. Para fazer joias, talheres ou outros objetos de estanho, os trabalhadores geralmente os ligavam com outros metais para aumentar a resistência e dureza. Esses metais eram normalmente chumbo , antimônio , bismutoou cobre. Esses solutos às vezes eram adicionados individualmente em quantidades variáveis, ou somados, formando uma grande variedade de objetos, desde itens práticos como pratos, ferramentas cirúrgicas, castiçais ou funis, até itens decorativos como brincos e grampos de cabelo.

Os primeiros exemplos de peltre vêm do antigo Egito, por volta de 1450 AC. O uso de peltre foi difundido por toda a Europa, da França à Noruega e Grã-Bretanha (onde a maior parte do estanho antigo era extraído) ao Oriente Próximo. [20] A liga também foi usada na China e no Extremo Oriente, chegando ao Japão por volta de 800 DC, onde era usada para fazer objetos como vasos cerimoniais, vasilhas de chá ou cálices usados ​​em santuários xintoístas . [21]

Aço e ferro-gusa

Puddling na China, por volta de 1637. Ao contrário da maioria dos processos de liga, o ferro-gusa líquido é despejado de um alto-forno em um recipiente e agitado para remover o carbono, que se difunde no ar formando dióxido de carbono, deixando para trás um aço macio em ferro forjado.

A primeira fundição conhecida de ferro começou na Anatólia , por volta de 1800 aC. Chamado de processo de floração , ele produzia ferro forjado muito macio, mas dúctil . Por volta de 800 aC, a tecnologia de fabricação de ferro se espalhou pela Europa, chegando ao Japão por volta de 700 dC. O ferro-gusa , uma liga de ferro e carbono muito dura, mas frágil , era produzido na China já em 1200 aC, mas só chegou à Europa na Idade Média. O ferro-gusa tem um ponto de fusão mais baixo do que o ferro e era usado para fazer ferro fundido . No entanto, esses metais encontraram pouco uso prático até a introdução do cadinho de açopor volta de 300 AC. Esses aços eram de baixa qualidade, e a introdução da soldagem padrão , por volta do século I dC, buscou equilibrar as propriedades extremas das ligas laminando-as, para criar um metal mais resistente. Por volta de 700 DC, os japoneses começaram a dobrar aço florido e ferro fundido em camadas alternadas para aumentar a força de suas espadas, usando fluxos de argila para remover escória e impurezas. Este método de espadachim japonês produziu uma das ligas de aço mais puras do mundo antigo. [14]

Embora o uso do ferro tenha começado a se generalizar por volta de 1200 aC, principalmente por causa das interrupções nas rotas comerciais do estanho, o metal era muito mais macio que o bronze. No entanto, quantidades muito pequenas de aço (uma liga de ferro e cerca de 1% de carbono) sempre foram um subproduto do processo de floração. A capacidade de modificar a dureza do aço por tratamento térmico era conhecida desde 1100 aC, e o material raro era valorizado para a fabricação de ferramentas e armas. Como os antigos não podiam produzir temperaturas altas o suficiente para derreter totalmente o ferro, a produção de aço em quantidades decentes não ocorria até a introdução do aço bolhadurante a Idade Média. Este método introduziu o carbono pelo aquecimento do ferro forjado no carvão por longos períodos de tempo, mas a absorção do carbono dessa maneira é extremamente lenta, portanto a penetração não era muito profunda, então a liga não era homogênea. Em 1740, Benjamin Huntsman começou a derreter aço bolha em um cadinho para equilibrar o teor de carbono, criando o primeiro processo para a produção em massa de aço ferramenta . O processo da Huntsman foi usado para a fabricação de aço para ferramentas até o início do século XX. [22]

A introdução do alto-forno na Europa na Idade Média significou que as pessoas podiam produzir ferro-gusa em volumes muito maiores do que o ferro forjado. Como o ferro-gusa podia ser fundido, as pessoas começaram a desenvolver processos para reduzir o carbono do ferro-gusa líquido para criar o aço. Puddling tinha sido usado na China desde o primeiro século, e foi introduzido na Europa durante os anos 1700, onde o ferro-gusa fundido era agitado enquanto exposto ao ar, para remover o carbono por oxidação . Em 1858, Henry Bessemer desenvolveu um processo de fabricação de aço soprando ar quente através do ferro-gusa líquido para reduzir o teor de carbono. O processo Bessemer levou à primeira manufatura de aço em grande escala. [22]

Aços de liga

O aço é uma liga de ferro e carbono, mas o termo liga de aço geralmente se refere apenas a aços que contêm outros elementos - como vanádio , molibdênio ou cobalto - em quantidades suficientes para alterar as propriedades do aço base. Desde os tempos antigos, quando o aço era usado principalmente para ferramentas e armas, os métodos de produção e trabalho do metal eram frequentemente segredos bem guardados. Mesmo muito depois da Idade da razão , a indústria do aço era muito competitiva e os fabricantes faziam grandes esforços para manter seus processos confidenciais, resistindo a qualquer tentativa de analisar cientificamente o material por medo de que ele revelasse seus métodos. Por exemplo, o povo de Sheffield, um centro de produção de aço na Inglaterra, eram conhecidos por impedir a entrada de visitantes e turistas na cidade para impedir a espionagem industrial . Assim, quase nenhuma informação metalúrgica existia sobre o aço até 1860. Por causa dessa falta de compreensão, o aço não era geralmente considerado uma liga até as décadas entre 1930 e 1970 (principalmente devido ao trabalho de cientistas como William Chandler Roberts-Austen , Adolf Martens e Edgar Bain ), então "liga de aço" se tornou o termo popular para ligas de aço ternárias e quaternárias. [23] [24]

Depois que Benjamin Huntsman desenvolveu seu cadinho de aço em 1740, ele começou a experimentar a adição de elementos como manganês (na forma de um ferro-gusa com alto teor de manganês chamado spiegeleisen ), que ajudava a remover impurezas como fósforo e oxigênio; um processo adotado por Bessemer e ainda utilizado nos aços modernos (embora em concentrações baixas o suficiente para ainda ser considerado aço carbono). [25] Mais tarde, muitas pessoas começaram a experimentar com várias ligas de aço, sem muito sucesso. Porém, em 1882, Robert Hadfield , sendo um pioneiro na metalurgia do aço, se interessou e produziu uma liga de aço contendo cerca de 12% de manganês. Chamado mangalloy, exibiu extrema dureza e tenacidade, tornando-se o primeiro aço-liga comercialmente viável. [26] Posteriormente, ele criou o aço silício , lançando a busca por outras possíveis ligas de aço. [27]

Robert Forester Mushet descobriu que, ao adicionar tungstênio ao aço, ele poderia produzir uma aresta muito dura que resistiria a perder sua dureza em altas temperaturas. O "aço especial R. Mushet" (RMS) tornou-se o primeiro aço rápido . [28] O aço de Mushet foi rapidamente substituído pelo aço carboneto de tungstênio , desenvolvido por Taylor e White em 1900, no qual eles dobraram o conteúdo de tungstênio e adicionaram pequenas quantidades de cromo e vanádio, produzindo um aço superior para uso em tornos e ferramentas de usinagem. Em 1903, os irmãos Wright usaram um aço cromo-níquel para fazer o virabrequim do motor de seu avião, enquanto em 1908 Henry Fordcomeçou a usar aços vanádio para peças como virabrequins e válvulas em seu Ford Modelo T , devido à sua maior resistência e resistência a altas temperaturas. [29] Em 1912, a Krupp Ironworks na Alemanha desenvolveu um aço resistente à ferrugem adicionando 21% de cromo e 7% de níquel , produzindo o primeiro aço inoxidável . [30]

Alumínio e outras ligas não ferrosas

Ligas não ferrosas não contêm quantidades apreciáveis ​​de ferro. As primeiras ligas, bronze e latão, foram usadas por milhares de anos, junto com ligas de chumbo, estanho e outros - mas todas eram feitas de metais que eram razoavelmente não reativos e podiam ser fundidos em chamas abertas. No século 18, Antoine Lavoisier ajudou a estabelecer a teoria da combustão do oxigênio , substituindo a teoria do flogisto extinta que reinava desde o final da Idade Média. A teoria do oxigênio ajudou a explicar corretamente o fenômeno de coisas como a oxidação de metais (ou seja, ferrugem) e como os minérios rochosos se transformam em metais quando aquecidos. Lavoisier previu que muitas das terras, sais e álcalis - por exemplo, no alúmen, um sal usado desde a antiguidade - continha bases metálicas que eram muito reativas ao oxigênio para serem fundidas pelos métodos usuais. Seu trabalho acabou resultando na tabela periódica de elementos , que ajudou a confirmar a existência desses "metais ausentes".

Devido à sua alta reatividade, a maioria dos metais não foi descoberta até o século XIX. Um método para extrair alumínio da bauxita foi proposto por Humphry Davy em 1807, usando um arco elétrico . Embora suas tentativas tenham fracassado, em 1855 as primeiras vendas de alumínio puro chegaram ao mercado. No entanto, como a metalurgia extrativa ainda estava em sua infância, a maioria dos processos de extração de alumínio produzia ligas indesejadas contaminadas com outros elementos encontrados no minério; o mais abundante deles era o cobre. Essas ligas de alumínio-cobre (na época denominadas "bronze de alumínio") precederam o alumínio puro, oferecendo maior resistência e dureza em relação ao metal puro e macio e, em um certo grau, foram consideradas tratáveis ​​termicamente. [31]No entanto, devido à sua maciez e temperabilidade limitada, essas ligas tiveram pouco uso prático e eram mais uma novidade, até que os irmãos Wright usaram uma liga de alumínio para construir o primeiro motor de avião em 1903. [32] Durante o período entre 1865 e 1910 , foram descobertos processos para extrair muitos outros metais, como cromo, vanádio, tungstênio, irídio , cobalto e molibdênio , e várias ligas foram desenvolvidas. [33]

Antes de 1910, a pesquisa consistia principalmente em indivíduos privados mexendo em seus próprios laboratórios. No entanto, à medida que as indústrias aeronáutica e automotiva começaram a crescer, a pesquisa em ligas tornou-se um esforço industrial nos anos seguintes a 1910, à medida que novas ligas de magnésio eram desenvolvidas para pistões e rodas em carros, metal para alavancas e botões e ligas de alumínio desenvolvidas para fuselagens e películas de aeronaves foram colocadas em uso. [34]

Ligas de endurecimento por precipitação

Em 1906, ligas de endurecimento por precipitação foram descobertas por Alfred Wilm . Ligas de endurecimento por precipitação, como certas ligas de alumínio , titânio e cobre, são ligas tratáveis ​​termicamente que amolecem quando temperadas (resfriam rapidamente) e depois endurecem com o tempo. Wilm estava procurando uma maneira de endurecer ligas de alumínio para uso em caixas de cartuchos de metralhadoras. Sabendo que ligas de alumínio-cobre eram tratáveis ​​termicamente até certo ponto, Wilm tentou temperar uma liga ternária de alumínio, cobre e a adição de magnésio, mas inicialmente ficou desapontado com os resultados. No entanto, quando Wilm testou novamente no dia seguinte, ele descobriu que a liga aumentava em dureza quando deixada para envelhecer em temperatura ambiente, e superava em muito suas expectativas. Embora uma explicação para o fenômeno não tenha sido fornecida até 1919, duralumínio foi uma das primeiras ligas de "endurecimento por envelhecimento" usadas, tornando-se o principal material de construção para os primeiros Zeppelins , e logo foi seguido por muitos outros. [35] Como geralmente exibem uma combinação de alta resistência e baixo peso, essas ligas se tornaram amplamente utilizadas em muitas formas de indústria, incluindo a construção de aeronaves modernas . [36]

Veja também

Referências

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Bibliografia

  • Buchwald, Vagn Fabritius (2005). Ferro e aço nos tempos antigos . Det Kongelige Danske Videnskabernes Selskab. ISBN 978-87-7304-308-0.

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