Composição E Utilização De Ligas

ESCOLA SECUNDÁRIA DE RIO TINTO

COMPOSIÇÃO E UTILIZAÇÃO DE LIGAS

DIOGO MIGUEL TEIXEIRA MOTA 12ºE Nº9 MARÇO 2012

Índice Introdução .................................................................................................................................... 3 Ligas metálicas .............................................................................................................................. 4 Ligas de Ferro ............................................................................................................................ 5 Aço......................................................................................................................................... 5 Aço inoxidável ....................................................................................................................... 6 Ligas de Cobre ........................................................................................................................... 7 Bronze ................................................................................................................................... 7 Latão ...................................................................................................................................... 8 Cuproníquel ........................................................................................................................... 8 Constantan ............................................................................................................................ 9 Zamac .................................................................................................................................... 9 Ligas de Mercúrio .................................................................................................................... 10 Ligas de Ouro ........................................................................................................................... 11 Ligas de Prata .......................................................................................................................... 12 Ligas com “memória de forma” .............................................................................................. 14 Conclusão ................................................................................................................................ 15 Bibliografia .............................................................................................................................. 16

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Composição e utilização de ligas

INTRODUÇÃO

O presente trabalho, realizado no âmbito da disciplina de Química, irá ter como tema de abordagem as ligas metálicas, nomeadamente a sua composição e a sua utilização, estando inserido na unidade de trabalho “Metais”. Desde a antiguidade que os metais sempre tiveram um papel fundamental no funcionamento e desenvolvimento da humanidade. Os metais estão mesmo por todo o lado: fazem parte do organismo humano, são necessários para construir habitações, entram na constituição de um telemóvel… Os metais possuem propriedades características como a condutividade térmica e eléctrica, a maleabilidade ou a dureza, que variam de metal para metal. Usualmente, os metais não são utilizados no seu estado puro, por não apresentar as características exactamente pretendidas para uma aplicação. Então, como forma para tirar o máximo de proveito das características de cada metal, o Homem tem vindo, dao longo do tempo, a explorar a possível mistura dos diferentes metais, de modo a verificar se tem características mais vantajosas quer a nível económico quer a nível de utilidade. Mesmo ainda sem quaisquer fundamentos científicos, as ligas metálicas como o Bronze e o Aço, já são produzidas e utilizadas pelo Homem há alguns milénios, com as mais diversas funcionalidades. Ao longo do trabalho, serão explorados alguns dos exemplos mais significativos das ligas metálicas: a sua constituição, partindo do metal “solvente” (aquele que se encontra em maior quantidade) e explorando algumas das suas propriedades e funções quando misturados com outros metais.

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O QUE SÃO LIGAS METÁLICAS? Uma liga metálica é uma mistura homogéneas, no estado sólido (soluções), de um metal com um ou mais elementos metálicos ou não metálicos. Normalmente, as ligas são obtidas por arrefecimento da mistura dos componentes fundidos, mas também podem ser obtidas por processos de compressão ou electrolíticos. As ligas metálicas formam-se através de alterações na estrutura do metal principal, que é normalmente um metal de transição, e é através das vias como se formam as ligas metálicas que é possível classifica-las: Ilustração 1: Liga substitucional e liga intersticial

LIGA SUBSTITUCIONAL

LIGA INTERSTICIAL

 Formam-se por substituição de alguns cernes do metal principal por átomos de outros elementos, mantendo-se no entanto o «mar» de electrões que caracteriza os metais.

 Os átomos mais pequenos ocupam os intervalos entre os átomos dos metais maiores.

 Este tipo de liga ocorre quando os átomos dos elementos possuem dimensões semelhantes, estruturas electrónicas similares e a mesma estrutura cristalina.

 Este tipo de liga ocorre quando os raios atómicos são muito diferentes.

Assim, uma das vantagens das ligas metálicas é a de se poder controlar as percentagens dos seus respectivos constituintes, de acordo com as propriedades que se deseja obter, o que resulta numa infinidade de possibilidades para a composição, qualitativa e quantitativa, das mesmas. A adição de diferentes componentes, em pequenas proporções, pode conduzir a propriedades bastante diferentes das originais. As ligas podem ser agrupadas segundo o material que se encontra em mais abundância (solvente).

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LIGAS DE FERRO O ferro é um metal de transição que é utilizado essencialmente para a produção de ligas metálicas como o Aço, não sendo praticamente utilizado na sua forma pura. É um metal de coloração cinzenta, maleável, duro, brilhante e dúctil. À temperatura ambiente é ferromagnético. Essas propriedades magnéticas do ferro fazem com que seja o principal metal utilizado na construção de ímanes.

Ilustração 2: Ponte de Ferro

 AÇO O aço é a principal liga metálica do ferro, resultante da sua mistura com o Carbono. Esta liga difere do ferro fundido na medida em que a tem uma menor percentagem de carbono: o aço tem entre 0,008 a 2,11% de carbono e o ferro fundido tem entre 2,11 a 6,67%. O aço é mais dúctil e mais facilmente moldado através da forja, laminação e da extrusão. As principais aplicações do aço estendem-se à área da construção civil e indústria metalomecânica, nomeadamente sendo parte integrante da construção de navios, casas, pontes…

Ilustração 3: Navio construído com aço

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 AÇO INOXIDÁVEL O Aço inoxidável difere do aço habitual – feito de carbono – por também possuir na sua constituição crómio e em alguns casos níquel, sendo, por isso, bastante mais resistente à oxidação atmosférica devido, essencialmente, à presença do crómio, que resiste muito mais facilmente à corrosão, pois à formação de óxido de crómio (Cr2O3) na superfície exposta ao meio, protegendo assim o aço. É necessária uma percentagem mínima (cerca de 11%) de crómio para isto acontecer. Além da alta resistência à oxidação, o aço inoxidável apresenta algumas características que o tornam uma das ligas mais utilizadas, como a sua resistência mecânica, facilidade de limpeza por apresentar baixa rugosidade superficial, ser resistente a variações bruscas de temperatura e casos extremos e por também ter um forte aspecto visual que lhe confere um ar de modernidade e não apresentar elevados custos. Algumas aplicações:    

Peças de máquinas Tubagens Ferramentas Panela Ilustração 4: Panela em aço inoxidável

Tabela 1: Diferentes tipos de ligas de ferro

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LIGAS DE COBRE O cobre puro é um material de coloração avermelhada, dúctil e maleável. Contudo, se lhe juntar diversos elementos, pode-se obter ligas com propriedades muito valiosas, denominadas ligas de cobre.

 BRONZE O Bronze é uma liga de cobre (90%) e estanho (10%), sendo que pode também ser constituído por zinco, alumínio, prata ou chumbo, em pequenas quantidades. O estanho tem a capacidade de aumentar a resistência mecânica e a dureza do cobre, sem alterar a sua ductilidade. A grande popularidade do Bronze deve-se essencialmente à sua grande resistência estrutural, à não corrosão atmosférica, à facilidade de fundição e à capacidade de acabamento, que permite um excelente polimento, ou até o uso de diversas cores e tipos. O Bronze foi inicialmente utilizado na construção de armas e ferramentas metálicas, sendo hoje ainda usado no fabrico de peças de maquinaria, em moedas e em estátuas. Possui igualmente, características acústicas, e de geração de ondas sinusoidais muito puras, com um timbre bastante distinto. Torna-se, assim, um excelente metal para a fabricação de instrumentos musicais de percussão, como é o caso dos sinos, ou de instrumentos de sopro, como é o caso dos saxofones, trompetes e trombones.

Ilustração 6: Trombone

Ilustração 5: Estátua de bronze

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 LATÃO O Latão é uma liga metálica de cobre e zinco (entre 3% a 45 %), de cor amarelo metálico, semelhante à do ouro, podendo ocasionalmente ser encontrado pequenas quantidades de outros elementos como o alumínio, o estanho, o chumbo ou arsénio, o que amplia algumas características da liga. É altamente resistente à corrosão, e é mais forte, mais duro e mais resistente do que o cobre puro. Garante também um excelente acabamento nas peças produzidas, podendo ficar com uma aparência semelhante à do aço inox. Aplicações do latão:      

Armamento Ornamentação de casas de banho e cozinhas Tubos de condensadores Terminais eléctricos Objectos de uso doméstico (tachos, bacias, instrumentos musicais de sopro) Jóias

Ilustração 7: Dobradiça em Latão

Ilustração 8: Moeda fabricada com cuproníquel

 CUPRONÍQUEL O Cuproníquel é uma liga metálica de cobre e níquel. É a liga de cobre que apresenta a maior resistência à corrosão, devido ao efeito do níquel, que influencia a estrutura da liga e aumenta a sua passividade, em comparação com o cobre puro. É geralmente utilizado na manufactura de moedas, condensadores e equipamentos de destilação.

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 CONSTANTAN O Constantan é uma liga metálica de cobre (de 58% a 60%), de níquel (32% a 42%) e de magnésio (1% a 2%), que é muito utilizada actualmente. É muitas vezes utilizado na produção de instrumentos de medição, como fios para as resistências eléctricas, uma vez que a sua resistência eléctrica é praticamente independente da temperatura, se esta não ultrapassar os 500ºC. É a liga que possui a melhor combinação de propriedades para aplicações de altas tensões e de temperatura.

 ZAMAC O Zamac é uma liga de cobre, zinco, alumínio e magnésio. É possuidora duma tonalidade cinzenta, e uma boa resistência à corrosão, tracção, choques e desgastes. É uma das ligas metálicas com maior campo de utilização, devidos às suas propriedades físicas, mecânicas e à fácil capacidade de revestimento por electrodeposição (banhos de crómio, níquel, cobre e ouro). Como possui também um ponto de fusão relativamente baixo, aproximadamente 400ºC, permite uma maior durabilidade de moldes, o que leva a uma maior produção de peças em série.

O Zamac pode ser utilizado em fivelas para cintos e Ilustração 9: Cabo de espada em zamac calçado, para enfeites em bolsas, em componentes de relógios, cabos de espadas, adagas e facas, assim como fechaduras residenciais e industriais, e em peças pequenas de brinquedos e microfones. Nas indústrias são geralmente utilizadas na fundição sob pressão. Contudo, o seu elevado preço nos últimos tempos, tem tido como consequência a substituição desta liga metálica pela Alumínio, por possuir uma menor densidade e um preço inferior.

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LIGAS DE MERCÚRIO O mercúrio é o único metal que é líquido às condições de pressão e temperatura normais (para além do bromo). É inodoro e um bom condutor de electricidade. Porém, em comparação com outros metais, não é um bom condutor de calor e é insolúvel em água e solúvel em ácido nítrico. Combina-se facilmente com outros metais formando ligas metálicas, produzindo amálgamas. Quando combinado com alumínio forma uma amálgama de mercúrioalumínio, com o ouro forma uma de ouro-mercúrio e com a prata forma de pratamercúrio. O mais importante de todos os usos modernos para o mercúrio está na fabricação de instrumentos para laboratórios como termómetros, eléctrodos, barómetros, instrumentos para medir pressão do sangue, lâmpadas, medicamentos, espelhos, detonadores corantes e catalisadores.

Ilustração 10: Amalgama Dentária

Uma amálgama é uma substância formada pela reacção do mercúrio com outro metal. Quase todos os metais podem formar amálgamas com mercúrio, sem ser algumas excepções como a platina e o ferro. As amálgamas de prata-mercúrio são muito importantes na medicina – especialmente na medicina dentária – e as de ouromercúrio são utilizadas na extracção do ouro dos minérios, a primeira aplicação deste material. As amálgamas são usadas na medicina dentária por um número variado de motivos: primeiro porque são baratas e relativamente fáceis de utilizar e manipular (mesmo após a colocação) e segundo porque têm uma grande longevidade. Contudo, estas têm sido ultimamente substituídas pelo bismuto que apresenta propriedades semelhantes, sendo no entanto menos tóxico.

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LIGAS DE OURO O Ouro é um metal de transição brilhante de cor amarelada, e um dos poucos que surge na natureza no seu estado elementar – metal nativo. Contudo, no estado puro é bastante maleável e quebradiço. Se um anel, por exemplo, fosse feito apenas em ouro puro, a sua resistência à deformação seria tão pequena que as actividades habituais do dia-a-dia seriam suficientes para o danificarem constantemente. Por essa razão, é geralmente endurecido, formando ligas metálicas com a prata, o cobre e o paládio, entre outros metais. A quantidade de ouro nestas ligas é expressa, geralmente, em quilates (K), que indicam o número de partes de ouro em 24 partes da liga. O ouro é utilizado como moeda de troca desde 3000 a.C. A maior parte do ouro produzido em todo o mundo é utilizado na joalharia e em adornos religiosos, na fabricação de moedas e medalhas, e para reservas bancárias como garantia de equilíbrio nas transacções comerciais internacionais.

Tabela 2: Diferentes tipos de ligas de ouro

O ouro de lei é a liga de ouro cujo número de quilates é determinado por disposição governamental, variando de país para país.

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Devido à sua boa condutividade eléctrica, resistência à corrosão e uma boa combinação de propriedades físicas e químicas, o ouro apresenta também diversas aplicações industriais, predominantemente na electrónica e na aeroespacial. Nestas indústrias é comum realizar-se electrodeposições de ouro em componentes electrónicos, escudos de calor, díodos, circuitos impressos ou pinos de ligação. Os filmes de ouro muito finos têm uma excelente reflectividade ao infravermelho, uma boa resistência à corrosão e garantem um baixo ruído de contacto. O ouro é também utilizado em ligas destinadas a próteses dentárias, no tratamento da artrite, como sal solúvel, por administração intramuscular, em contactos eléctricos e na fotografia.

Ilustração 12: moedas em ouro

Ilustração 11: Relógio com pormenores em ouro

LIGAS DE PRATA A prata é conhecida pelo Homem desde a Pré-História, estimando-se que a sua descoberta se realizou pouco tempo depois da do ouro e do cobre. A prata é o metal mais branco que se conhece e demonstra possuir um poder de reflexão da luz particularmente grande. É igualmente o metal que melhor conduz corrente eléctrica, superando o cobre e o ouro.

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Além de não possuir um valor intrínseco tão alto como o ouro, a prata também não possui as mesmas propriedades. Quando recentemente extraída ou polida, a prata possui uma cor branco-prata brilhante característica, assim como um brilho metálico. Entretanto, com a exposição ao oxigénio do ar, forma-se uma camada preta, de óxido de prata, escurecendo a sua superfície. Esta camada preta não afecta a qualidade do produto, e quando novamente polida a prata recupera o seu brilho original.

Ilustração 13: Objeto decorativo em prata

Por causa disso, e pelo facto de ser muito maleável para ser usada em joalharia na sua forma pura, a prata é frequentemente ligada a outros metais. A prata possui várias gradações que indicam o seu nível de pureza. A prata pura ou a prata fina possui o teor de pureza igual a 1000, e não se usa na fabricação de jóias, a não ser em casos especiais, como a filigrana, onde se ornamentam trabalhos com fios muito finos e pequeninas bolas de prata, soldadas de forma a compor um desenho. Peças confeccionadas com prata 1000 ficam com um grau de dureza muito baixo, arranhando-se e deformando-se facilmente.

Liga de Prata Prata 950

Prata 925

Prata 600

Constituição 950 partes de prata + 50 partes de cobre 925 partes de prata + 75 partes de cobre 600 partes de prata + 400 partes de cobre

Aplicações Joalharia artesanal

Joalharia industrial Fabricação de objectos decorativos

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LIGAS COM MEMÓRIA DE FORMA Ligas com memória de forma são constituídas por materiais que, ao serem submetidos a uma deformação, são capazes de, espontaneamente, recuperar a sua forma original através de aquecimento moderado. A primeira liga de memória de forma a ser descoberta foi o NiTinol, abreviatura de Níquel (Ni), Titânio (Ti) e Naval Ordeance Laboratory (NOL). Foi neste laboratório nos Estados Unidos da América que o engenheiro William J. Buehler descobriu que estes dois metais de transição (níquel e titânio), quando combinados de forma a formarem uma liga, possuíam propriedades de impacto invulgares, visto que as suas tiras de metal podiam ser dobradas e desdobradas inúmeras vezes sem se quebrarem. Também constatou, que quando aquecidas as tiras voltam à sua forma inicial. Esta liga tem um número aproximadamente igual em átomos de níquel e titânio, e volta a adoptar a sua forma original quando deformado, devido ao seu arranjado cristalino no estado sólido.

Ilustração 14: Utilização de ligas com "memória de forma" em aparelhos dentários

Estas ligas com Memória de Forma caracterizam-se por ter um arranjo cristalino simétrico, que é relativamente rígido. Quando os metais são arrefecidos abaixo de uma determinada temperatura, chamada temperatura de transição de fase, a fase cristalina altera-se um pouco, ficando mais flexível. A partir desta temperatura de transição para baixo o material é maleável, podendo ser dobrado em diversas formas. Outras ligas de memória são as de ligas de ouro-cádmio, cobre-alumínio e cobrealumínio-níquel (apesar de algumas serem mais plásticas que propriamente ligas de memória). Aplicações:  

  

Aeronáutica Medicina (cateteres, aparelhos dentários, substitutos de ossos fracturados, bisturis) Armações de óculos Extintores de incêndio …

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CONCLUSÃO Não foi preciso explorar muito para se perceber que as ligas metálicas têm inúmeras aplicações no nosso dia-a-dia. Mesmo que nem se pense sobre o assunto, é impossível viver um dia sequer, sem ter qualquer tipo de contacto com objectos que sejam constituídos por ligas metálicas: a todo o instante as ligas metálicas estão à nossa volta, nem mesmo seria possível fazer um trabalho sobre ligas metálicas, se já não se soubesse tanto sobre as suas aplicações… Todos os dias são experimentadas novas “misturas” de metais, com vista a optimizar uma ou outra aplicação. Os conhecimentos dos metais são cada vez mais vastos, mas ainda há imenso a explorar, processos a melhorar, quantidades a ajustar… Parece um trabalho sem fim para a humanidade, que transforma cada vez mais tudo aquilo que a Natureza lhe dá. Há, contudo, que ter noção dos limites da Natureza, pois a dependência dos metais é de tal ordem, que o mundo possivelmente não aguentará o seu esgotamento. Sendo os recursos minerais não renováveis comparativamente ao tempo de vida dos humanos, há que tentar seguir modelos de desenvolvimento sustentável da utilização desses recursos, de modo a preservá-los para as gerações futuras e continuar a haver progresso da sociedade actual. O Homem é insatisfeito por natureza, procura sempre mais e melhor, e neste momento, apoia-se sobretudo na Tecnologia para ajudar nessa evolução. Os metais e as ligas metálicas têm sido usados, e novas estão a ser desenvolvidas de modo a suprir essas necessidades. Mas desengane-se quem só pensa nos benefícios dos metais. É verdade que as ligas metálicas têm contribuído para o bem-estar físico e psicológico do ser humano, por todas as aplicações que têm ao nível da medicina, aos novos aparelhos, novos métodos, instrumentos, técnicas que têm permitido desenvolver, ajudando no progresso da ciência e salvando vidas, ou até mesmo criando objectos que apenas sirvam como forma de entretenimento. É também causador de muitas outras mortes, porque a necessidade do Homem, em combater, as guerras que têm sempre feito parte do quotidiano, leva-o a criar armas cada vez mais mortíferas, que também não seriam possíveis fabricar sem as ligas metálicas Mesmo abordando apenas algumas das ligas mais conhecidas, e apenas algumas das suas aplicações mais importantes, é notório o “mar” de áreas que este estudo atravessa, as áreas que criam as aplicações e as áreas que onde são mesmo aplicadas. Em último caso, cabe ao Homem saber utilizar devidamente estas ligas, pois o seu monopólio de utilizações torna-as uma fonte de poder, que não será para sempre inesgotável.

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BIBLIOGRAFIA

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GIL, Vitor, PAIVA, João, FERREIRA, António José, VALE, João, “12Q – Química 12ºano”, Texto Editores, Lisboa, 1ªedição, 2009

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