Explique a diferença entre o potencial de endurecimento de solutos substitucionais e solutos intersticiais.

Passo 1

O exercício pede para explicar a diferença entre o potencial de endurecimento (ou “solid solution strengthening”) de solutos substitucionais e solutos intersticiais. Estamos na parte de Ciência dos Materiais ou Metalurgia, mais especificamente em soluções sólidas e como os átomos de soluto atrapalham o movimento de discordâncias. Para resolver, vamos precisar:
  • Entender o que são solutos substitucionais e intersticiais.
  • Revisar como a distorção da rede causada por cada tipo de átomo gera um campo de tensão.
  • Ver a fórmula geral que liga essa distorção à resistência mecânica do material.

Passo 2

Primeiro, solutos substitucionais são aqueles que entram na rede cristalina trocando de lugar com átomos da fase principal.
  1. Eles têm tamanho (raio atômico) e módulo elástico geralmente parecidos com o do metal hospedeiro.
  2. Mesmo assim dão origem a uma pequena distorção da rede. Essa distorção cria um campo de tensões que “segura” as discordâncias.
  3. Aumentar a concentração De de soluto causa um incremento de tensão de escoamento aproximado por:
onde
  • é o módulo de cisalhamento do material,
  • é a diferença relativa de tamanho entre soluto e solvente,
  • é a fração atômica de soluto.

Passo 3

Já os solutos intersticiais ficam “espremidos” nos espaços (interstícios) entre os átomos do hospedeiro.
  1. Seu tamanho é muito menor, mas quando ocupam esses espaços causam distorções muito mais fortes ao redor.
  2. Essas distorções geram campos de tensão bem maiores.
  3. A dependência da composição é parecida:
De
porém é tipicamente bem maior do que dos substitucionais, gerando maior incremento de resistência para a mesma .

Passo 4

Comparando:
  • Substitucionais: distorção moderada → endurecimento moderado.
  • Intersticiais: distorção grande → endurecimento forte.
    Ambos seguem a mesma lei funcional , mas o coeficiente de distorção ( ) é bem maior para intersticiais.

Resposta

Solutos intersticiais têm potencial de endurecimento bem maior que substitucionais porque, ao ocuparem espaços entre átomos, provocam distorções de rede muito maiores ( ), o que se traduz em campos de tensão de pinagem de discordâncias mais intensos, mesmo à mesma concentração.

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