O nitrogênio tem maior solubilidade que o carbono na austenita e na ferrita. Justifique.
Passo 1
O enunciado diz que o nitrogênio apresenta maior solubilidade do que o carbono tanto na ferrita (estrutura BCC) quanto na austenita (estrutura FCC). O conteúdo cental é solubilidade de átomos intersticiais em sólidos cristalinos, e vamos precisar comparar os tamanhos dos interstícios nas duas estruturas com os raios atômicos de
e
, além de discutir o aspecto energético (entalpia de solução).
Passo 2
Em sólidos intersticiais, a solubilidade é limitada pela energia de distorção da rede ao acomodar o átomo estranho e pela entalpia de solução química. Quanto menor for o átomo intersticial em relação ao tamanho do interstício, menor será a energia de deformação (strain energy) exigida.
- Para austenita (FCC de Fe), o raio máximo do interstício octaédrico vale aproximadamente
enquanto o interstício tetraédrico é ainda menor (
).
- Para ferrita (BCC de Fe), o interstício octaédrico é bem reduzido, em torno de
e o tetraédrico vale cerca de
.
Passo 3
Comparando os raios atômicos:
pm e
pm. Em ambas as fases:
- Como
, o nitrogênio causa menos distorção da rede (menor energia de strain). - O carbono, sendo um pouco maior, encaixa pior no mesmo interstício e gera maior tensão, limitando sua solubilidade antes de a rede se saturar ou formar compostos secundários.
Passo 4
Além do efeito de tamanho, a entalpia de solução de nitrogênio em ferro é um pouco mais favorável (menos positiva) do que a do carbono. Ou seja, a interação química
para
é menor, o que amplia ainda mais sua concentração máxima dissolvida sem precipitar nitretos, em comparação com a concentração de carbono que forma cementita precipitante com mais facilidade.
Resposta
O nitrogênio, sendo atomicamente menor, provoca menor distorção elástica da rede tanto em BCC quanto em FCC, e sua entalpia de solução é mais favorável, o que lhe confere maior solubilidade na ferrita e na austenita em relação ao carbono.