TECNOLOGIA E PROCESSOS – CONSTITUIÇÃO DA MATÉRIA, ESTRUTURA ATÓMICA E MOLECULAR DOS MATERIAIS

1. Os Metais - Constituição da matéria, estrutura atómica e molecular dos materiais

1.1 - Introdução
Todos os produtos saídos da indústria consistem em pelo menos de um e, muitas vezes,
de muitos tipos de materiais como, por exemplo, o automóvel, que utiliza materiais
desde o vidro ao aço passando pela borracha e pelo plástico, para além de outros.
O número de materiais que estão hoje à nossa disposição na indústria é quase infinito.
As diferentes composições de aços ultrapassa muitas centenas, as variedades do vidro
são diversas havendo ainda um número razoável de plásticos.
Mas a estes números e a estes diferentes materiais teremos que juntar ainda a
capacidade de podermos modificar as suas propriedades, podendo-se obter como que
outros novos materiais.
Dado o elevado número de materiais disponíveis, cada um com as suas propriedades, e
ainda o facto de quase todos os meses aparecerem no mercado novos materiais, torna-
se praticamente impossível conhecer as propriedades de todos eles.
O processo de transformação utilizado na indústria tem por objectivo converter matérias-
primas num produto utilizável. É quase sempre impossível separar a escolha do material
dos processos de fabrico. Podemos então dizer que o processo consiste num ou muitos
passos separados que produzem variações na forma, nas propriedades ou em ambas.
Na maioria dos materiais, a variação da forma pode realizar-se com o material num dos
seus estados (liquido, sólido ou plástico) e as suas propriedades vão estar relacionadas
com a sua estrutura atómica.
Comecemos por abordar a constituição de um
átomo que é composto por um núcleo central,
1.2 Estrutura Atómica
protegido por uma nuvem de electrões que giram
à sua volta em órbitas (figura 1). O átomo é
composto por três tipos básicos de partículas: os
protões, os neutrões e os electrões.
As partículas que possuem carga eléctrica
negativa chamam-se electrões, as que possuem
carga eléctrica positiva são conhecidas por
protões e, por fim, os neutrões são as partículas
sem carga eléctrica. Todos os átomos têm a
mesma estrutura básica, ou seja, são constituídos
por estas três partículas, como mostra a figura 2.

Figura 1 – Estrutura atómica

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Figura 2 – Esquema da constituição de um átomo de hidrogénio e de hélio.

Se retirarmos ao átomo um certo número de electrões, ficaremos com um átomo

carregado positivamente pelo excesso de protões e ao qual designamos por ião
positivo. Se, pelo contrário, aumentarmos o número de electrões, o átomo fica
carregado negativamente, designando-se por ião negativo, como mostra a figura 3.

Figura 3 – O ião positivo e o ião negativo.

Aos electrões da camada exterior chamamos electrões de valência. O número de

neutrões é, normalmente, igual ao número de protões. O número de protões existentes
no núcleo, denominado número atómico, irá servir para catalogar um determinado
elemento químico. Ao número de nucleões, isto é, ao número de protões e neutrões
existentes no núcleo de um átomo, chamamos número de massa.

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1.3 Ligações Químicas

Os átomos agrupam-se para formar moléculas que não são mais do que corpúsculos
formados por agregados de átomos e estas, por sua vez, agrupam-se para formar
cristais.
Quando os átomos se combinam para formar um composto, têm tendência para ganhar
ou perder electrões adquirindo uma estrutura electrónica mais estável. O aumento desta
estabilidade está directamente relacionada com a diminuição de energia dos novos
compostos, ou seja, os átomos no seu estado ligado estão numa condição energética
mais estável do que no estado livre.
À ligação que mantém os átomos unidos entre si designamos por ligação química.
Podemos explicar a ligação química numa molécula de uma maneira mais simples.
Cada átomo possui um ou mais electrões de valência que se movimentam em torno do
seu núcleo (figura 1). Quando os dois átomos se aproximam actuam forças de natureza
electrostática (figura 4a) e b)):
- Entre os núcleos dos dois átomos exercem-se forças repulsivas (cargas eléctricas
positivas);
- Entre cada um dos electrões do respectivo átomo (cargas eléctricas negativas);
- Entre os electrões de cada um dos átomos e os dois núcleos (cargas eléctricas de
sinais contrários).

a) b)
Figura 4 – Esquema de formação de uma molécula.

[Figura retirada de www.aventuradasparticulas.ift.unesp.br ]

É devido à partilha dos electrões pelos dois núcleos que se forma a ligação química. A
estas ligações que mantêm os átomos unidos uns aos outros chamam-se ligações
intramoleculares. As forças de coesão que se exercem entre as moléculas designam-
se por forças intermoleculares. As propriedades de um determinado material
dependem destes agrupamentos e da natureza dos átomos.

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Podemos dizer que existem dois grupos de ligações entre átomos: as ligações primárias
ou fortes e as ligações secundárias ou fracas.
As ligações primárias ou fortes originam forças inter atómicas relativamente fortes e
podemos dividi-las em três classes:

- Ligações iónicas – resultam da atracção entre iões carregados positiva e

negativamente. Exemplo: NaCl, ou seja, o sal da cozinha.
Os sólidos iónicos são compostos formados por iões positivos e iões negativos,
agregados uns aos outros, dispondo-se ordenadamente formando uma rede cristalina.
São duros e quebradiços, têm pontos de fusão muito elevados e não conduzem a
corrente eléctrica.
- Ligações covalentes – ligações originadas pela partilha de electrões livres das
orbitais não preenchidas. Exemplo: vidro, diamante, grafite.
Nos sólidos covalentes, os átomos ligam-se uns aos outros em número quase
que indeterminado. São sólidos duros e quebradiços, com pontos de fusão e
ebulição muito elevados e não conduzem a corrente eléctrica (à excepção da
grafite).
- Ligações metálicas – têm origem na partilha de electrões, por um agregado de
átomos, em que estes electrões de valência deslocam-se facilmente para a
vizinhança de outros átomos.
Um sólido metálico é formado por um arranjo ordenado de átomos do elemento
metálico, sendo bons condutores térmicos e eléctricos, maleáveis, dúcteis e com
brilho.

As ligações secundárias ou fracas são caracterizadas por uma fraca energia de

ligação.

1.4 Estrutura dos Metais

A ligação metálica é um tipo de ligação atómica que ocorre nos metais sólidos. Os
átomos ligam-se uns aos outros por ligações metálicas de que resulta um estado de
menor energia (ou mais estável). Quando os átomos de um metal se ligam uns aos
outros por partilha dos electrões de valência formando um cristal sólido, há diminuição
da energia total dos átomos individuais, a qual resulta do processo de ligação (figura 5).

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Figura 5 – Diagrama esquemático de átomos com ligação metálica e os

respectivos electrões de valência.

Verificamos que, nos metais, os átomos posicionam-se no espaço formando uma malha
que se repete ao longo de todo o material a que chamamos célula unitária.
A malha cristalina é uma rede periódica de pontos que define um espaço.
A célula unitária é uma subdivisão da malha que ainda mantém as características da
malha (figura 6).

Figura 6 – Esquema da estrutura cristalina de um átomo.

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Chegou-se à conclusão que são necessários sete tipos diferentes de células unitárias
para criar os catorze tipos de redes cristalinas, mostrados na figura 7.

Figura 7 – Esquema dos sistemas cristalográficos

A disposição dos átomos no espaço ocupando posições bem definidas consoante a

estrutura e ligados através de ligações metálicas, condiciona as propriedades químicas
e físicas e, desta forma, as características dos metais. De seguida são salientadas as
propriedades mais importantes dos metais.

1.5 – Propriedades dos Metais

Boa Condutibilidade Eléctrica

A condutibilidade1 eléctrica mede a maior ou menor facilidade que um corpo tem de se
deixar atravessar pela corrente eléctrica.
Ao aplicarmos um campo eléctrico positivo a uma peça metálica, os electrões livres (ou
electrões de valência) movimentam-se entre os átomos dando origem ao que
designamos por corrente eléctrica.

Boa Condutibilidade Térmica

1
Pode dizer-se condutibilidade ou condutividade.

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A condutibilidade térmica mede a capacidade que um corpo tem de conduzir o calor.

Quando se aquece uma peça metálica, os átomos mais próximos da fonte de calor vão
aumentando a sua energia, que se traduz num aumento das vibrações em volta das
suas posições de equilíbrio. Os electrões livres, ao passarem junto destes átomos
excitados, vão receber parte da sua energia, movimentando-se de uma forma mais
rápida. Este fenómeno transmitir-se-á a toda a estrutura, uma vez que os electrões
servirão de veículo de transmissão de energia, sob a forma de calor, ao longo da peça.

Elevada Densidade
Dada a estrutura cristalina apresentados pelos metais verifica-se que, relativamente a
outros materiais, possuem uma maior concentração de átomos por unidade de volume,
traduzindo-se numa elevada densidade.

Opacidade e Reflectividade
A opacidade óptica dos metais é provocada pelos seus electrões livres, que oscilam no
campo eléctrico alternado de um feixe luminoso incidente, absorvendo energia e
tornando-o opaco à luminosidade. Por sua vez, a reflectividade ocorre quando os
electrões oscilantes emitem ondas luminosas originando o feixe reflectido.

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1. Materiais Metálicos

Os Materiais metálicos são substâncias que contêm um ou mais elementos metálicos

podendo conter também alguns elementos não-metálicos. Possuem, devido ao tipo de
ligação e à estrutura cristalina, boas propriedades químicas, físicas e mecânicas.

1.1 Principais Estruturas Cristalinas dos Metais

A maioria dos materiais metálicos (cerca de 90%), ao solidificar, cristaliza em três
estruturas cristalinas compactas: cúbica de corpo centrado (CCC), cúbica de faces
centradas (CFC) e hexagonal compacta (HC).

A estrutura cúbica de corpo centrado (CCC) é

caracterizada pelo facto dos átomos da malha
posicionarem-se nos vértices de um cubo e um
átomo no centro (figura 8).

Figura 8 – Estrutura Cúbica de corpo centrado (CCC).

Na estrutura cúbica de faces centradas (CFC),

os átomos ocupam os vértices de um cubo,
existindo ainda um átomo no centro de cada face
do cubo, como se observa na figura 9.

Figura 9 – Estrutura cúbica de faces centradas.

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Na estrutura hexagonal (HC) compacta os átomos

ocupam os vértices das bases de um hexágono,
existindo numa camada intermédia de três átomos
que formam um triângulo, como se vê na figura 10.

Figura 10 – Estrutura hexagonal compacta.

2.Solidificação dos Metais

A solidificação de metais e ligas constitui um processo industrial muito importante, uma

vez que os materiais metálicos já são vazados numa forma acabada ou semi-acabada.
Este processo pode ser dividido em várias etapas.

1ª Etapa: Nucleação - A formação de núcleos estáveis em metais líquidos tem origem

em dois mecanismos denominados nucleação homogénea e nucleação heterogénea.
A nucleação homogénea ocorre num metal líquido, quando o próprio metal fornece os
átomos para formarem os núcleos, ou seja, quando o metal é arrefecido abaixo da sua
temperatura de solidificação. Devido às energias causadas pelo arrefecimento vai existir
um movimento lento dos átomos que se vão ligando uns aos outros formando os
núcleos homogéneos.
Para que os núcleos formados sejam estáveis é necessário que atinjam um tamanho
crítico, de modo a poderem crescer e a formar um cristal. No entanto, nem sempre
conseguem atingir este estado porque os átomos envolvidos não atingem o tamanho
crítico. São então designados por embriões, voltando a dissolver-se no metal líquido
pela agitação dos átomos.
A nucleação heterogénea é a que ocorre no metal líquido sobre as paredes do
recipiente onde se efectuar o vazamento, por impurezas insolúveis ou por outro material
presente na estrutura desde que baixe a energia critica para se formar um núcleo
estável. A nucleação heterogénea é a que ocorre mais vezes uma vez que nos

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vazamentos nunca se conseguem atingir graus de sobrearrefecimento elevados. Para

que a nucleação heterogénea ocorra, o agente nucleante terá de ser molhado pelo
líquido, que deve com facilidade solidificar sobre o agente nucleante. Os núcleos
estáveis formam-se devido às energias envolventes serem bastante baixas, logo é
necessário um grau de sobrearrefecimento menor.

2ª Etapa: Crescimento dos núcleos - Como atrás foi dito, depois da formação de
núcleos estáveis no metal a solidificar, estes crescem formando os cristais que, por sua
vez, têm orientações diferentes e que ao juntarem-se uns aos outros formam superfícies
entre eles.
Durante a solidificação obter-se-á uma estrutura grosseira ou de grão grosso se o local
de nucleação for relativamente pequeno. Se, pelo contrário, durante a solidificação
existirem muitos locais de nucleação, produzir-se-á uma estrutura de grão fino.
Se, ao solidificar, o metal contiver muitos cristais, diz-se que é policristalino. Se for
formado por um só cristal diz-se monocristal, como é o caso dos componentes
electrónicos (díodos, transístores, …).

3. Defeitos Cristalinos ou Defeitos Estruturais

Enquanto num cristal perfeito o empilhamento atómico se dispõe dum modo perfeito,
num cristal real existem anomalias no arranjo atómico que dão lugar a diversos tipos de
defeitos. As imperfeições e defeitos existentes na grelha cristalina irão afectar as suas
propriedades, nomeadamente as físicas e as mecânicas.

Dos defeitos que aparecem nas redes cristalinas salientamos três tipos:

a) Defeitos pontuais;

b) Defeitos lineares;

c) Defeitos Bidimensionais.

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3.1 Defeitos Pontuais

Estes defeitos correspondem a interrupções da regularidade da rede cristalina devido à
existência de átomos de substituição, átomos intersticiais e de lacunas, como se pode
observar na figura 11.
Átomo de substituição é um átomo de natureza
diferente dos da rede cristalina que ocupa a
posição de um dos átomos desta.
Átomo intersticial é um átomo da mesma
natureza ou diferente dos da rede que ocupa
um interstício.
Lacuna corresponde à ausência de um átomo
de uma posição que devia estar ocupada.

Figura 11 – Defeitos pontuais existentes numa rede cristalina.

Os átomos de substituição e os átomos intersticiais estranhos à rede causam uma

perturbação que se faz sentir na modificação no volume do cristal.
O átomo intersticial expande a rede ao passo que o átomo de substituição pode
expandir ou contraí-la conforme for maior ou menor que os átomos da rede solvente.
Devido à distorção provocada na rede, a energia associada aos átomos intersticiais é
muito maior que a das lacunas e, por isso, num metal corrente é muito menor o número
de átomos intersticiais do que de lacunas.
As lacunas e os átomos intersticiais formam-se essencialmente devido à temperatura.
Quanto mais elevada for a temperatura, maior será a concentração de lacunas e de
átomos intersticiais.

3.2 Defeitos Lineares

Os defeitos lineares mais importantes são as deslocações pois parecem ser as que
maior influência exercem sobre as propriedades mecânicas dos materiais cristalinos,
com destaque para a deformação plástica. A deslocação ou linha de deslocação
consiste numa imperfeição linear num cristal que delimita uma região que escorregou de
outra que não sofreu escorregamento (figura 12).

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Figura 12 – Esquema de um plano de escorregamento.

A linha de deslocação, ou parte dela, pode ser perpendicular ou paralela ao seu vector
de Burgers ou formar com ela um ângulo qualquer. A diferença de orientação da linha de
deslocação em relação ao seu vector de Burgers permite distinguir diferentes tipos de
deslocações: cunha, parafuso e mista.

3.2.1 Deslocação Cunha

Como podemos observar na figura 12, a deslocação é perpendicular ao vector b e à
tensão aplicada. Podemos considerar que apenas uma parte do cristal sofreu um
escorregamento unitário igual a uma distância interatómica numa dada direcção.

A deslocação pode ser positiva ou negativa, consoante

o plano atómico se encontra acima ou abaixo do plano
de escorregamento, sendo simbolizada por ┴ e ┬,
respectivamente. Este tipo de deslocação também se
pode movimentar perpendicularmente ao plano de
escorregamento, podendo subir ou descer.

Figura 12 – Deslocação cunha

3.2.2 Deslocação Parafuso

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Tem o seu deslocamento, ou vector de Burgers, paralelo ao defeito da linha e à tensão

aplicada. A sua movimentação faz-se paralelamente a si mesma. Apresenta uma maior
mobilidade que a deslocação cunha uma vez que qualquer plano que passe pela linha
de deslocação pode ser um plano de escorregamento, como se pode observar na figura
13.

Figura 13 – Escorregamento motivado pelo movimento de uma deslocação parafuso.

3.2.3 Deslocação Mista

Trata-se do resultado de uma deslocação num mesmo plano ou numa superfície

qualquer. A figura 14 representa uma deslocação com componentes em cunha e
parafuso.

Figura 14 – Deslocação mista, com componentes em cunha e parafuso.

As deslocações podem ser consideradas perfeitas ou imperfeitas, consoante os átomos,

após o escorregamento no seu plano, ocupem ou não posições equivalentes às iniciais,
conforme mostra a figura 15.

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a) b)
Figura 15 – Exemplo de uma deslocação a) perfeita e b) imperfeita.

As deslocações ocorrem nos metais em resultado de:

a) Acidentes de crescimento nos cristais;
b) Tensões térmicas ou tensões externas que causem deformação plástica;
c) Transformações de fase que provoquem perturbações nos planos cristalinos;
d) Segregação de átomos dissolvidos;
e) Condensação de lacunas formadas por outras deslocações.

3.3 Defeitos Bidimensionais

As principais imperfeições bidimensionais são as juntas de grão, as subjuntas (ou juntas

de subgrão), as juntas de maclas e os defeitos de empilhamento.

3.3.1 Juntas de Grão

Pela Microscopia electrónica foi possível
determinar que as juntas de grão (figura 16)
são formadas por uma rede complexa de
deslocações e de lacunas cuja largura é de
apenas alguns diâmetros atómicos, podendo
aumentar com a concentração de impurezas.
As juntas são locais de elevada concentração
de defeitos pontuais e de deslocações, tendo
um papel importante na deformação plástica
visto que podem gerar deslocações. A altas
temperaturas podem dar lugar a
escorregamento dos cristais vizinhos ao longo
das juntas.
Figura 16 – Junta de grão.

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3.3.2 Subjuntas

As subjuntas correspondem a irregularidades de

orientação atómica de fraco ângulo no interior
dos grãos cristalinos, figura 17.
Estas imperfeições podem aparecer com
consequência do recozimento a uma
temperatura não muito elevada e em metais
sujeitos a fraca deformação a frio.

Figura 17 – Subjuntas ou junta de subgrão.

3.3.3 Maclas
São criadas quando os cristais são formados por duas partes contíguas de estruturas
idênticas mas com uma orientação relativa definida. A parte maclada é simétrica da
parte não maclada em relação ao plano de macla, figura 18.

a) b)

Figura 18 – Junta de a) macla aproximada e b) junta de macla perfeita.

3.3.4 Defeito de Empilhamento

Resulta da irregularidade de empilhamento atómico num plano de estrutura compacta

enquanto a restante rede se mantém perfeita. Estes defeitos podem ocorrer durante o
crescimento do cristal ou serem o resultado da separação de duas deslocações.

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1 . Ligas Metálicas

1.1 Noção de Liga

Um elemento metálico forma uma liga com um ou mais elementos quando se obtém um
metal por solidificação de uma fase líquida. Então, liga é uma substância com
propriedades metálicas constituída por dois ou mais elementos em que pelo menos um
é metal.
A combinação íntima entre os elementos que formam uma liga é normalmente realizada
dissolvendo os elementos constituintes no estado líquido. O metal base, ou solvente,
cuja concentração é a mais elevada, é fundido em primeiro lugar num cadinho. Em
seguida, adicionam-se os outros elementos de liga, sob a forma de fragmentos sólidos,
previamente pesados, que se dissolvem por agitação. A adição de pequenas
quantidades de um elemento pode ser feita com maior precisão sob a forma de ligas de
adição, ou seja, ligas concentradas no elemento que se pretende adicionar.

1.2 Estrutura Atómica de Uma Liga

O arranjo de átomos estranhos a uma rede cristalina depende da interacção entre esses
átomos e a rede, uma vez que são capazes de se deslocar, de se redistribuir e de alterar
a rede cristalina, até se estabelecer um equilíbrio entre eles. Temos que considerar três
aspectos fundamentais na relação existente entre os átomos para perceber como será a
estrutura final da liga:

1º - Se são indiferentes uns aos outros, comportam-se como se fossem da mesma

espécie e misturam-se totalmente uns nos outros, pelo que a liga será homogénea.
Diremos então que esta estrutura é uma solução sólida desordenada (figura 19 a)).

2º - Se os átomos diferentes se atraem, as duas espécies distribuem-se numa

determinada estrutura regular e alternada, conhecida por solução sólida ordenada ou
super rede. (figura 19 b)).

3º - Se os átomos se atraem menos do que os átomos iguais, os dois tipos de átomos

tendem a separar-se em agrupamentos diferenciados, dando lugar a colónias em que
umas são mais ricas nuns átomos do que outras. Estas misturas de átomos denominam-
se misturas de fases. Uma mistura de fases nem sempre significa, contudo, que os
átomos diferentes se atraem menos do que os átomos iguais (figura 19 c)).

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Figura 19 – Exemplos de uma a) solução sólida desordenada b) solução

sólida ordenada e c) mistura de fases.

Como já foi dito, as ligas obtêm-se fundindo simultaneamente os diferentes

componentes deixando-os arrefecer em condições de equilíbrio e associar-se de várias
formas:
a) formando uma mistura homogénea e se criam uma rede cristalina entre os seus
átomos, chamamos solução sólida. Este tipo de ligação não depende não só das
dimensões dos átomos componentes, como também do modo como eles se distribuem
pelas posições atómicas da rede cristalina.
As soluções sólidas podem ser de inserção ou de substituição. Nas soluções de
inserção ou intersticiais, os átomos de um dos componentes são suficientemente
pequenos para se poderem acomodar nos espaços intersticiais entre os átomos do
outro componente os quais, por seu turno, se encontram distribuídos numa estrutura
cristalina completa (Figura 20).

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Na solução sólida de substituição os átomos compartilham uma única rede comum de

posições atómicas, em que os átomos do elemento solvente são substituídos por
átomos do elemento solvido.
Esta substituição pode ser feita de uma maneira arbitrária, segundo uma ordem mais ou
menos perfeita ou agrupando-se os átomos da mesma espécie, conforme mostra a
figura 21.

a) A substituição é arbitrária; b) a substituição é mais ou menos perfeita; c) os

átomos da mesma espécie tendem a agrupar-se.

b) Estabelecendo uma solução sólida secundária, no caso não existirem

elementos puros na solução sólida e a rede cristalina final for diferente da dos
componentes.

c) Formando compostos intermetálicos que possuem uma estrutura cristalina

diferente da dos metais base ou das soluções sólidas finais.

Questões

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1. O que entende por ligação química

2. Que tipos de ligações existem entre átomos. Descreva-
as.
3. Porque razão dizemos que os metais são bons
condutores eléctricos e térmicos, têm uma elevada densidade, são
opacos e reflectores. Justifique.
4. O que entende por material metálico.
5. Quais as estruturas cristalinas em que os materiais
metálicos cristalizam.
6. Descreva o processo ou os processos de solidificação
de um metal.
7. Na solidificação de um metal, distinga entre nucleação
homogénea e nucleação heterogénea.
8. Na solidificação ocorrem anomalias quando os átomos
se agrupam. De que anomalias estamos a falar, dê exemplos de
cada uma.
9. O que é uma liga metálica.
10. Como será a estrutura final de uma liga metálica.

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