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 \mathrm{C} e \mathrm{N}, 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
r_{\rm oct}^{\rm FCC} \approx 0{,}414\,R_{\rm Fe},
enquanto o interstício tetraédrico é ainda menor ( \approx0{,}225\,R_{\rm Fe}).
  • Para ferrita (BCC de Fe), o interstício octaédrico é bem reduzido, em torno de
r_{\rm oct}^{\rm BCC} \approx 0{,}155\,R_{\rm Fe},
e o tetraédrico vale cerca de 0{,}291\,R_{\rm Fe}.

Passo 3

Comparando os raios atômicos:
\mathrm{r_C}\approx70 pm e \mathrm{r_N}\approx65 pm. Em ambas as fases:
  • Como \mathrm{r_N}<\mathrm{r_C}, 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 \Delta H_{\rm sol} para \mathrm{N} 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.

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