Suponha que 1 % em átomos dos seguintes elementos seja adicionado ao cobre (formando uma liga separada com cada elemento), sem exceder o limite de solubilidade. Qual poderia proporcionar a maior resistência mecânica? Existe a expectativa de algum dos elementos de liga apresentar solubilidade sólida ilimitada ao cobre? (a) Au; (b) Mn; © Sr; (d) Si e (e) Co.

Passo 1

Beleza, vamos começar resumindo o que a questão está pedindo. A gente tem cobre puro e vai adicionar 1% de átomos de um dos elementos listados (Au, Mn, Sr, Si ou Co) para formar uma liga. A ideia é que essa adição não ultrapasse o limite de solubilidade do elemento no cobre. Queremos descobrir qual desses elementos, ao ser adicionado, vai deixar o cobre com a maior resistência mecânica. Além disso, também precisamos verificar se algum desses elementos tem solubilidade sólida ilimitada no cobre. Para resolver isso, vamos precisar entender um pouco sobre ligas metálicas, solubilidade sólida e como esses elementos afetam as propriedades mecânicas do cobre.

Passo 2

Primeiro, vamos falar sobre ligas metálicas. Quando a gente adiciona um elemento a um metal base, como o cobre, forma-se uma liga. Essa mistura pode melhorar propriedades como resistência, dureza, e durabilidade. A solubilidade sólida é importante aqui porque determina até que ponto o elemento adicionado pode se dissolver no cobre sem formar fases separadas. Se a solubilidade for limitada, além de certo ponto os átomos do elemento extra vão formar partículas separadas no cobre, o que pode fortalecer a liga através de mecanismos como o endurecimento por precipitação.

Passo 3

Agora, sobre resistência mecânica. A adição de um segundo elemento pode aumentar a resistência mecânica do cobre de várias maneiras:
  • Solid Solution Strengthening: Quando os átomos do elemento adicionado se espalham no cobre, eles criam distorções na estrutura cristalina, dificultando o movimento das discordâncias e, assim, aumentando a resistência.
  • Precipitation Hardening: Se os átomos adicionados formarem precipitados ou partículas separadas, essas partículas podem bloquear o movimento das discordâncias, aumentando ainda mais a resistência.
  • Grain Refinement: O elemento adicionado pode atuar como um agente de refinamento de grão, levando a uma microestrutura com grãos menores, o que também contribui para uma maior resistência.

Passo 4

Vamos analisar os elementos listados:
  • (a) Au (Ouro): O ouro tem solubilidade limitada no cobre e forma soluções sólidas. Ele é conhecido por melhorar a ductilidade, mas não é o melhor para aumentar a resistência mecânica.
  • (b) Mn (Manganês): O manganês no cobre pode aumentar a resistência através do fortalecimento por solução sólida e também por precipitação de partículas de Mn³C, por exemplo.
  • © Sr (Estrôncio): O estrôncio não é comumente usado em ligas de cobre para aumentar a resistência mecânica. Sua influência é mais relevante em outras aplicações, como em ligas de alumínio para melhorar a fluidez.
  • (d) Si (Silício): O silício pode aumentar a resistência mecânica no cobre através do fortalecimento por solução sólida e pela formação de precipitados de silício, que dificultam o movimento das discordâncias.
  • (e) Co (Cobalto): O cobalto pode incrementar a resistência mecânica no cobre, mas sua eficácia depende bastante da quantidade adicionada e das interações com o cobre.
Entre esses, o manganês (Mn) e o silício (Si) são os que mais contribuem para o aumento da resistência mecânica no cobre devido à sua capacidade de fortalecer a liga tanto por solução sólida quanto por precipitação.

Passo 5

Sobre a solubilidade sólida ilimitada, nenhum dos elementos listados (Au, Mn, Sr, Si, Co) apresenta solubilidade sólida ilimitada no cobre. Todos eles têm limites de solubilidade, ou seja, além de certa concentração, eles começarão a formar fases separadas na liga. Isso é importante para garantir que a adição de 1% não ultrapasse esses limites, permitindo que a resistência mecânica seja maximizada sem prejudicar a homogeneidade da liga.

Resposta

A adição de 1% de manganês (Mn) ao cobre proporciona a maior resistência mecânica entre as opções listadas. Além disso, nenhum dos elementos apresentados (Au, Mn, Sr, Si, Co) apresenta solubilidade sólida ilimitada no cobre.

Exercícios relacionados