Por que metais policristalinos são mais resistentes que metais monocristalinos?

Passo 1

O enunciado pergunta por que um metal policristalino costuma apresentar maior resistência mecânica que um metal monocristalino. Este é um problema de ciência dos materiais, em particular da teoria de deformação plástica controlada pelo movimento de discordâncias (dislocações). Para responder, vamos ver o que são monocristais e policristais, como ocorre o escoamento plástico e qual o efeito das fronteiras de grão.

Passo 2

Em metais, a deformação plástica ocorre principalmente pelo movimento de discordâncias ao longo de planos de deslize cristalográficos. Cada discordância encontra obstáculos no interior do cristal, como impurezas ou defeitos, mas se o material for um monocristal, muitas vezes não há barreiras geométricas internas: a discordância pode percorrer longas distâncias quase sem impedimentos, resultando em uma tensão de escoamento relativamente baixa.

Passo 3

Num metal monocristalino, todas as células unitárias estão orientadas da mesma forma, logo os planos de deslizamento estão alinhados de modo preferencial. Basta atingir a tensão crítica de escoamento sigmay para que as discordâncias se movimentem livremente, levando à deformação plástica com menor esforço aplicado.

Passo 4

Num metal policristalino, o material é formado por muitos pequenos cristais (grãos) com orientações diferentes. As fronteiras de grão entre esses cristais agem como barreiras ao movimento de discordações: quando uma discordância atinge uma fronteira, ela tende a se “empilhar” ali, exigindo um aumento de tensão para continuar o deslizamento no grão vizinho. Esse empilhamento de discordações faz com que a tensão de escoamento seja maior.

Passo 5

Essa relação entre tensão de escoamento e tamanho de grão é formalizada pela lei de Hall–Petch:
sigmay = sigma0 + k,d^-1/2
onde
sigmay é a tensão de escoamento,
sigma0 é a resistência intrínseca do cristal sem fronteiras de grão,
k é uma constante característica do material,
d é o tamanho médio do grão.
Como d^-1/2 cresce quando d diminui, quanto menores forem os grãos (mais fronteiras), maior será sigmay.

Resposta

Metais policristalinos são mais resistentes porque as fronteiras de grão impedem e retardam o movimento de discordações, exigindo maior tensão para o escoamento plástico em comparação com monocristais.

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