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.
- Eles têm tamanho (raio atômico) e módulo elástico geralmente parecidos com o do metal hospedeiro.
- Mesmo assim dão origem a uma pequena distorção da rede. Essa distorção cria um campo de tensões que “segura” as discordâncias.
- Aumentar a concentração
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.
- Seu tamanho é muito menor, mas quando ocupam esses espaços causam distorções muito mais fortes ao redor.
- Essas distorções geram campos de tensão bem maiores.
- A dependência da composição é parecida:
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.