Ligas são compostos metálicos compostos de um metal e um ou mais elementos metálicos ou não metálicos. Exemplos de ligas comuns incluem o Aço, que é uma combinação de ferro (metal) e carbono (não-metal); o bronze, que é uma combinação de cobre (metal) e estanho (metal); e latão, que é uma mistura de cobre (metal) e zinco (metal).

O que são ligas metálicas?

Os metais puros individuais podem possuir propriedades úteis, tais como boa condutividade elétrica, alta resistência e dureza, ou resistência a calor e corrosão. As ligas metálicas comerciais tentam combinar essas propriedades benéficas para criar metais mais úteis para aplicações particulares do que qualquer um dos seus elementos componentes. O aço, por exemplo, requer a combinação certa de carbono e ferro (cerca de 99% de ferro e 1% de carbono) para produzir um metal mais forte, mais leve e mais maleável do que o ferro puro.

Propriedades precisas de novas ligas são difíceis de calcular porque os elementos não se combinam apenas para se tornar uma soma de partes; em vez disso, eles se formam através de interações químicas que dependem de partes componentes e métodos de produção específicos. Como resultado, muitos testes são necessários no desenvolvimento de novas ligas metálicas.

Você pode ver a palavra liga descrita como uma “mistura de metais”, mas isso é um pouco enganador porque algumas ligas contêm apenas um metal e é misturado com outras substâncias que não são metais (ferro fundido, por exemplo, é uma liga feita de apenas um metal, ferro, misturado com um não-metal, carbono). A melhor maneira de pensar em uma liga é como um material composto de pelo menos dois elementos químicos diferentes, um dos quais é um metal. O componente metálico mais importante de uma liga (geralmente representando 90% ou mais do material) é chamado de metal principal, metal original ou metal base. Os outros componentes de uma liga (que são chamados de agentes de ligação) podem ser metais ou não-metais e estão presentes em quantidades muito menores (às vezes menos de 1% do total). Embora uma liga às vezes possa ser um composto (os elementos de que é feita são quimicamente ligados), geralmente é uma solução sólida (átomos dos elementos são simplesmente misturados, como sal misturado com água).

Composição das ligas metálicas

Milhares de composições de ligas estão em produção regular, com novas composições sendo desenvolvidas a cada ano. Composições padrão aceitas incluem os níveis de pureza dos elementos constituintes (com base no conteúdo de peso). A composição, bem como as propriedades mecânicas e físicas das ligas comuns, são padronizadas por organizações internacionais como ISO, SAE International e ASTM International.

Se você olhar para um metal através de um poderoso microscópio eletrônico, poderá ver os átomos no interior dispostos em uma estrutura regular chamada de treliça cristalina. Imagine uma pequena caixa de papelão cheia de bolinhas de gude e é basicamente o que você vê. Em uma liga, além dos átomos do metal principal, há também átomos dos agentes de liga espalhados por toda a estrutura. Imagine colocar algumas bolas de plástico na caixa de papelão para que elas se organizem aleatoriamente entre os mármores.

Ligas metálicas

Diferentes tipos de ligas metálicas proporcionam diferentes tipos de benefício, que podem contribuir bastante para diversas funcionalidades. (Foto: quimicoglobal.mx)

Tipos de ligas metálicas

Dois tipos merecem destaque:

Ligas de substituição

Se os átomos do agente de liga substituem os átomos do metal principal, obtemos o que é chamado de liga de substituição. Uma liga como esta formar-se-á apenas se os átomos do metal de base e os do agente de liga forem de tamanho aproximadamente semelhante. Na maioria das ligas de substituição, os elementos constituintes estão bastante próximos um do outro na tabela periódica. O latão, por exemplo, é uma liga de substituição à base de cobre, na qual os átomos de zinco substituem 10% a 35% dos átomos que normalmente seriam de cobre. O latão funciona como uma liga porque o cobre e o zinco estão próximos uns dos outros na tabela periódica e têm átomos de tamanho aproximadamente similar.

Ligas intersticiais

As ligas também podem se formar se o agente de liga ou os agentes tiverem átomos que são muito menores que os do metal principal. Nesse caso, os átomos do agente escorregam entre os átomos de metal principais (nos intervalos ou “interstícios”), dando o que é chamado de liga intersticial. O aço é um exemplo de uma liga intersticial na qual um número relativamente pequeno de átomos de carbono desliza nos espaços entre os enormes átomos em uma rede cristalina de ferro.

Produção das ligas metálicas

Algumas ligas metálicas ocorrem naturalmente e requerem pouco processamento para serem convertidas em materiais de grau industrial. Ferro-ligas como ferro-cromo e ferro-silício, por exemplo, são produzidas por fundição de minérios misturados e são usadas na produção de vários aços. No entanto, seria um erro pensar que a liga de metais é um processo simples. Por exemplo, se alguém fosse simplesmente misturar alumínio derretido com chumbo derretido, eles descobririam que os dois se separariam em camadas, muito parecido com óleo e água.

Ligas comerciais geralmente requerem um processamento maior e, na maioria das vezes, são formadas pela mistura de metais fundidos em um ambiente controlado. O procedimento para combinar metais derretidos ou misturar metais com não-metais varia muito dependendo das propriedades dos elementos que estão sendo usados.

Como os elementos metálicos possuem grandes variações em sua tolerância ao calor e aos gases, fatores como temperatura de fusão dos metais dos componentes, níveis de impureza, ambiente de mistura e procedimento de liga são considerações centrais para um processo bem sucedido de liga.

Enquanto elementos como os metais refratários são estáveis ​​em altas temperaturas, outros começam a interagir com seu ambiente, o que pode afetar os níveis de pureza e, em última instância, a qualidade da liga. Muitas vezes, nesses casos, as ligas intermediárias devem ser preparadas para persuadir os elementos a se combinarem.

Você pode achar a ideia de uma liga como uma “mistura de metais” bastante confusa. Como você pode misturar dois pedaços de metal sólido? A maneira tradicional de fazer ligas era aquecer e derreter os componentes para fazer líquidos, misturá-los e depois permitir que eles resfriem no que é chamado de solução sólida (o equivalente sólido de uma solução como sal na água). Uma maneira alternativa de fazer uma liga é transformar os componentes em pó, misturá-los e depois fundi-los com uma combinação de alta pressão e alta temperatura. Essa técnica é chamada de metalurgia do pó. Um terceiro método de fazer ligas é disparar feixes de íons (átomos com muito poucos ou muitos elétrons) na camada superficial de um pedaço de metal. Implantação de íon, como é conhecido, é uma maneira muito precisa de fazer uma liga. É provavelmente mais conhecido como uma maneira de fazer os semicondutores usados ​​em circuitos eletrônicos e chips de computador.

Como exemplo, uma liga de 95,5 por cento de alumínio e 4,5 por cento de cobre é feita preparando primeiro uma mistura de 50% dos dois elementos. Esta mistura tem um ponto de fusão mais baixo que o alumínio puro ou cobre puro e atua como uma “liga de endurecedor”. Isso é então introduzido no alumínio fundido a uma taxa que cria a mistura certa de liga.

Como as ligas metálicas se comportam?

As pessoas fabricam e usam ligas porque os metais não têm exatamente as propriedades certas para um determinado trabalho. O ferro é um ótimo material de construção, mas o aço (uma liga feita pela adição de pequenas quantidades de carbono não metálico ao ferro) é mais forte, resistente e à prova de ferrugem. O alumínio é um metal muito leve, mas também é muito macio em sua forma pura. Adicione pequenas quantidades de metais magnésio, manganês e cobre e faça uma excelente liga de alumínio chamada duralumínio, que é forte o suficiente para fazer aviões. As ligas sempre mostram melhorias em relação ao metal principal em uma ou mais de suas propriedades físicas importantes (coisas como resistência, durabilidade, capacidade de conduzir eletricidade, capacidade de resistir ao calor e assim por diante). Geralmente, as ligas são mais resistentes e duras do que seus metais principais, menos maleáveis ​​(mais difíceis de trabalhar) e menos dúcteis (mais difíceis de usar em fios).

Principais ligas metálicas e seus usos

Há zilhões de diferentes ligas usadas para zilhões de diferentes propósitos. Listamos 20 dos mais comuns (ou interessantes) na tabela abaixo. Há muitas variações diferentes na maioria das ligas e a mistura precisa pode variar muito, então os números percentuais que você vê citados em livros diferentes muitas vezes não concordam exatamente. Listamos também os usos mais comuns para cada uma das ligas abaixo.

Alnico: Ferro (50% +), alumínio (8–12%), níquel (15–25%), cobalto (5–40%), além de outros metais como cobre e titânio. Ímãs em alto-falantes e captadores em guitarras elétricas.

Amálgama: Mercúrio (45–55%), mais prata, estanho, cobre e zinco. Obturações e preenchimentos dentários.

Metal branco: Estanho (90%), antimônio (7–15%), cobre (4-10%). Revestimento de redução de atrito em rolamentos de máquinas.

Latão: Cobre (65–90%), zinco (10–35%). Fechaduras de portas, instrumentos musicais de latão, tubos de aquecimento central.

Bronze: Cobre (78–95%), estanho (5–22%), além de manganês, fósforo, alumínio ou silício. Estátuas decorativas, instrumentos musicais.

Ferro fundido: Ferro (96–98%), carbono (2-4%) e silício. Estruturas metálicas, como pontes e utensílios de cozinha resistentes.

Níquel de cobre: Cobre (75%), níquel (25%), além de pequenas quantidades de manganês. Moedas.

Duralumínio: Alumínio (94%), cobre (4,5–5%), magnésio (0,5–1,5%), manganês (0,5–1,5%). Peças de carroçaria de automóveis e aeronaves, equipamento militar.

Alpaca: Cobre (80–90%), estanho (3–10%), zinco (2–3%) e fósforo. Armas, itens decorativos.

Magnox: Magnésio, alumínio. Reatores nucleares.

Nicromo: Níquel (80%), cromo (20%). Dispositivos de ignição de fogos de artifício, elementos de aquecimento em aparelhos elétricos.

Nitinol: Níquel (50–55%), titânio (45–50%). Liga de memória de forma usada em itens médicos, armações de óculos que retornam à forma e interruptores de temperatura.

Peltre: Estanho (80-99%) com cobre, chumbo e antimônio. Ornamentos, usados ​​para fazer utensílios de mesa antes que o vidro se tornasse mais comum.

Solda: Varia Soldas antiquadas contêm uma mistura de estanho (50-70%), chumbo (30-50%), cobre, antimônio e outros metais. Soldas mais novas dispensam o chumbo por razões de saúde. Uma típica solda moderna tem 99,25% de estanho e 0,75% de cobre. Conectando componentes elétricos em circuitos.

Aço (geral): Ferro (80-98%), carbono (0,2-2%), além de outros metais, como cromo, manganês e vanádio. Estruturas metálicas, peças de carros e aviões e muitos outros usos.

Aço inoxidável: Ferro (50% +), cromo (10-30%), além de quantidades menores de carbono, níquel, manganês, molibdênio e outros metais. Jóias, ferramentas médicas, talheres.

Stellite: Cobalto (67%), cromo (28%), tungstênio (4%), níquel (1%). Revestimento para ferramentas de corte, como dentes de serra, tornos e motosserras.

Prata de lei: Prata (92,5%), cobre (7,5%). Talheres, jóias, instrumentos médicos, instrumentos musicais.

Ouro branco (18 quilates): Ouro (75%), paládio (17%), prata (4%), cobre (4%). Joalheria.

Metal de madeira: Bismuto (50%), chumbo (26,7%), estanho (13,3%), cádmio (10%). Solda, elemento de fusão em sistemas de sprinklers para sistemas de proteção contra incêndios.

Quais outras ligas metálicas vocês conhecem?

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