Introdução a tecnologia dos materiais
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CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA DE SANTA CATARINA UNIDADE DE ENSINO DE FLORIANÓPOLIS DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE METAL MECÂNICA - DAMM Introdução a tecnologia dos materiais ProIn I Prof. Henrique Cezar Pavanati, Dr. Eng E-mail: [email protected] Prof. Henrique Cezar Pavanati Introdução a tecnologia dos materiais Objetivos da disciplina: 1) Proporcionar ao aluno uma idéia inicial da importância dos materiais para o desenvolvimento da Ciência e Tecnologia 2) Introduzir uma série de conceitos básicos relacionados à estrutura, propriedades e aplicação dos Materiais 3) Conhecer os principais Materiais, suas propriedades e aplicações visando a especificação de materiais 2 Prof. Henrique Cezar Pavanati Introdução a tecnologia dos materiais Bases tecnológicas: 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) 8) 3 Introdução Processos de obtenção de ligas metálicas ferrosas Ligas metálicas ferrosas Diagrams de equilíbrio Curvas TTT Tratamentos térmicos Ensaios Mecânicos Metalografia Prof. Henrique Cezar Pavanati Introdução a tecnologia dos materiais Importância dos materiais para o desenvolvimento da humanidade Os materiais têm influenciado decisivamente o desenvolvimento da humanidade deste o início de sua existência. Há um elo muito forte entre a descoberta de materiais e o desenvolvimento da cultura humana. Grandes avanços tecnológicos estão sempre associados a descoberta de materiais. 4 Prof. Henrique Cezar Pavanati Introdução a tecnologia dos materiais Evolução dos materiais: • Da origem até 7 mil atrás materiais ossos, peles de animais, etc) • Há cerca de 7 mil anos iniciou-se o domínio da fabricação de utensílios domésticos com argilas (materiais cerâmicos primitivos) • Cerca de 6 a 7 mil anos os primeiros utensílios a partir de metais e ligas (arado, a carroça, as embarcações a vela, espadas, facas, etc. • No início da era cristã o homem conhecia apenas sete metais (cobre, prata, chumbo, estanho, ferro, mercúrio, ouro) e algumas ligas como bronze e ligas de chumbo + estanho. Hoje conhecemos e utilizamos milhares de ligas metálicas distintas 5 naturais (madeira, pedras, Prof. Henrique Cezar Pavanati Introdução a tecnologia dos materiais Elementos químicos presentes na crosta terrestre 10 Prof. Henrique Cezar Pavanati Introdução a tecnologia dos materiais Tradicionalmente os materiais podem ser classificados em 4 grupos básicos: Cerâmicos Compósitos Metálicos Poliméricos Embalagem Tetra Pak 11 Prof. Henrique Cezar Pavanati Introdução a tecnologia dos materiais Metálicos 12 Prof. Henrique Cezar Pavanati Introdução a tecnologia dos materiais 1- Materiais Metálicos São materiais inorgânicos formados por elementos metálicos da tabela periódica. A ligação química que predomina nos metais é do tipo metálica. Em decorrência do tipo de ligação química, os metais possuem: elevada condutividade elétrica e térmica e, plasticidade a frio capacidade de sofrer deformação permanente (ou plástica) sem se romper. 13 Prof. Henrique Cezar Pavanati Introdução a tecnologia dos materiais metal puro apenas um elemento químico com ligação química do tipo metálica entre os átomos. Ex: Al, Cu, Fe, W, Ni, Co, Sn, Zn, Au, Ag, ... liga metálica formada por mais de um elemento químico. Ex: bronze (Cu + Sn), latão (Cu + Zn), duralumínio (Al + 4,5%Cu + 0,5Mg), aço ao carbono (Fe + C), aço liga (Fe + C + outros elementos), etc. Na liga metálica temos: matriz o elemento químico presente em maior quantidade elemento de liga o elemento presente em menor quantidade 17 Prof. Henrique Cezar Pavanati Introdução a tecnologia dos materiais Cerâmicos ALUMINA 18 Prof. Henrique Cezar Pavanati Introdução a tecnologia dos materiais 2- Materiais Cerâmicos São materiais inorgânicos nos quais predominam as ligações químicas do tipo iônica ou covalente. Em decorrência do tipo de ligação química, os materiais cerâmicos: • não conduzem eletricidade e conduzem muito mal o calor; • são frágeis e não suportam deformação plástica (não possuem plasticidade) • são duros e resistentes à corrosão e ao calor . 19 Prof. Henrique Cezar Pavanati Introdução a tecnologia dos materiais Tipos de materiais cerâmicos: compostos simples (óxidos, carbonetos, nitretos, boretos, etc.) ligação iônica Compostos mistos (óxidos mistos, carbonetos e nitretos mistos, carbonitretos, etc. ) ligação iônica Diamante ligação covalente Vidros cerâmicos ligação iônica 20 Prof. Henrique Cezar Pavanati Introdução a tecnologia dos materiais Exemplos de materiais cerâmicos a) pisos, azulejos, louça, vasos sanitários, telhas, tijolos: materiais cerâmicos utilizados na construção civil e como utensílios; apresentam elevada dureza mas são frágeis. são fabricados a partir de pós como argilas e rochas moídas. 21 Prof. Henrique Cezar Pavanati Introdução a tecnologia dos materiais b) Cerâmica fina (fine ceramics) ou avançada (advanced ceramics) ou ainda, cerâmica de engenharia (engineering ceramics); Exemplos: Alumina (Al2O3), Óxido de Zircônio (ZrO2), Nitreto de Silício (Si3N4), Carbeto de Silício (SiC), Nitreto de Alumínio (AlN) e outros possível utilizar na engenharia como componentes especiais de máquinas e motores que necessitam de elevada resistência ao desgaste e ao calor; apresentam maior dureza e resistem mais ao impacto do que as cerâmicas de construção civil; 22 Prof. Henrique Cezar Pavanati Introdução a tecnologia dos materiais c) Filmes ou camadas cerâmicas depositadas sobre substratos metálicos nitretos e/ou carbetos são gerados, também, em superfícies de algumas peças metálicas nos tratamentos termoquímicos visando o endurecimento superficial, para aumentar a resistência ao desgaste e diminuir o coeficiente de atrito das peças. 23 Prof. Henrique Cezar Pavanati Introdução a tecnologia dos materiais Camada de nitreto Liga Fe + 3%Ni, sinterizada e nitretada por plasma 24 Agullhas de nitreto precipitada na ferrita Prof. Henrique Cezar Pavanati Introdução a tecnologia dos materiais Poliméricos 25 Prof. Henrique Cezar Pavanati Introdução a tecnologia dos materiais 3 - Polímeros (ou plásticos). A palavra polímero origina-se do grego poli (muitos) e mero (unidade de repetição). Assim, um polímero é uma macromolécula composta por muitas unidades de repetição (dezenas de milhares) denominadas meros, ligados por ligação covalente. Polímero = 26 muitos meros ligados em cadeia por ligação covalente Prof. Henrique Cezar Pavanati Introdução a tecnologia dos materiais Exemplos 1) Polietileno (PE) obtido pela polimerização do etileno mero n H H H H H H C C C C C C C H H H H H H H H H C H etileno 27 polietileno n Prof. Henrique Cezar Pavanati Introdução a tecnologia dos materiais 2) PVC (PolyVinil Chloride) Formado pela polimerização do cloreto de vinila (vinilclorida) 28 H H H H H H H H C C C C C C C C H Cl H Cl H Cl H Cl n Prof. Henrique Cezar Pavanati Introdução a tecnologia dos materiais Os polímeros são formados predominantemente por átomos de C e H. No entanto, podem, além do C e H, conter outros elementos químicos como: N, O, Si, F, S, Cl. O → polímeros acrílicos N → nylons S → borrachas vulcanizadas Si → silicones F → polímeros fluorados (ex.: PTFE- Teflon) Cl → polímeros clorados (ex.:PVC, PVDC) 29 Prof. Henrique Cezar Pavanati Introdução a tecnologia dos materiais Em função de serem produtos moleculares, os polímeros: são isolantes elétricos e maus condutores térmicos; possuem elevada resistência à corrosão e baixa densidade; sua resistência mecânica é menor que a dos metais e das cerâmicas; possuem baixa temperatura de processamento (tipicamente entre 200 a 400 0C) ; possuem ampla possibilidade de formulação (misturar pigmentos e cargas de partículas e fibras, formando compósitos, etc.) 30 Prof. Henrique Cezar Pavanati Introdução a tecnologia dos materiais Os polímeros podem ser naturais ou sintéticos Exemplos de materiais poliméricos naturais: madeira, cabelo, peles, cifres de animais, etc. Exemplos de materiais poliméricos sintéticos: polietileno, polipropileno, nylon, acrílico, teflon, polyester, PVC, etc. 31 Prof. Henrique Cezar Pavanati Introdução a tecnologia dos materiais Compósitos 32 Prof. Henrique Cezar Pavanati Introdução a tecnologia dos materiais 4 - Materiais compósitos: Os materiais compósitos ou conjugados são obtidos pela junção ou reunião de materiais quimicamente distintos e não solúveis entre si. Assim, podem ser formados por: misturas de componentes de grupos básicos distintos; ou misturas de componentes do mesmo grupo básico mas insolúveis entre si. A mistura é feita para obter uma combinação particular de propriedades, não encontrada em apenas um grupo básico de materiais, visando uma aplicação específica. 33 Prof. Henrique Cezar Pavanati Introdução a tecnologia dos materiais Matriz + 10 m 34 Partículas { partículas dispersas ou fibras dispersas 10 m Fibras descontínuas 10 m Fibras contínuas Prof. Henrique Cezar Pavanati Introdução a tecnologia dos materiais Exemplos de compósitos e aplicações 1) Metal duro (hard metals, cemented carbides). Carbeto (WC, TiC, TaC, NbC) + metal (Co, Ni) 2) Pastilhas de freios e de embreagens sinterizadas: mistura de uma fase metálica (Bronze ou aço) + uma fase lubrificante (Grafite ou sulfetos) + uma fase dura que confere o coeficiente de atrito (SiO2, Al2O3, etc.); 3) Contactores elétricos sinterizados(W + Cu, CdO + Ag, etc.); 4) Polímeros reforçados com fibras (pranchas de surfing, carrocerias de buggy, aros de bicicletas de competição, etc). 35 Prof. Henrique Cezar Pavanati Introdução a tecnologia dos materiais MATERIAIS COMPÓSITOS Fibra de carbono Fibra de carbono 36 Matriz polimérica Metal Duro – “widia” Carboneto de Tungstênio Cobalto Prof. Henrique Cezar Pavanati Introdução a tecnologia dos materiais Competição entre materiais Ref.: Prof. Arlindo Silva do Instituto Superior Técnico da Universidade de Portugal 37 Prof. Henrique Cezar Pavanati Introdução a tecnologia dos materiais Estrutura interna dos materiais Modelo atômico de Bohr Núcleo prótons + nêutrons Eletrosfera formada pelos elétrons Átomo neutro tem o número de prótons igual ao número de elétrons. Íon Quando o número de prótons e elétrons não coincide. Logo, o íon tem carga resultante. íon positivo cátion íon negativo ânion 38 Prof. Henrique Cezar Pavanati Introdução a tecnologia dos materiais Modelo atômico de Bohr 39 Modelo aceito atualmente Prof. Henrique Cezar Pavanati Introdução a tecnologia dos materiais FÊMEA MACHO 40 Prof. Henrique Cezar Pavanati Introdução a tecnologia dos materiais O que são as Ligações Químicas? São forças (de natureza elétrica) que mantêm os átomos ou os íons unidos no material. Existem ligações primárias e ligações secundárias. Ligações primárias são ligações fortes (elevada energia de ligação): iônica, metálica, covalente. Ligações secundárias são ligações fracas que ocorrem entre moléculas, chamadas normalmente de forças de Van der Waals. 41 Prof. Henrique Cezar Pavanati Introdução a tecnologia dos materiais Ligação iônica Exemplo1 : NaCl Sódio (Na) 11 elétrons: 1s2, 2s2 2p6, 3s1. Como tem apenas 1 elétron na última camada este é facilmente cedido a outro átomo. Cloro (Cl) 17 elétrons: 1s2, 2s2 2p6, 3s2 3p5. Recebe facilmente um elétron. - - - - - - - - + 11 - - + 17 42 - - - - - - - - - Na - - - - Cl Prof. Henrique Cezar Pavanati Introdução a tecnologia dos materiais Exemplos: Sódio (Na) 11 elétrons: 1s2, 2s2 2p6, 3s1 Como tem apenas 1 elétron na última camada este é facilmente cedido a outro átomo Se entregar, vira o íon Na+ ) Cloro (Cl) 17 elétrons: 1s2, 2s2 2p6, 3s2 3p5 Recebe facilmente um elétron se receber 1 elétron torna-se Cl- Na + Cl quando são aproximados muito reagem formando o NaCl (Cloreto de sódio) 43 Prof. Henrique Cezar Pavanati Introdução a tecnologia dos materiais - + - + - + + - - + - + Composto NaCl 44 - + - Na+ Cl ¯ Prof. Henrique Cezar Pavanati Introdução a tecnologia dos materiais Ligação Metálica. - - 45 + + + + - - + - + - - - + + - - - + - + -+ + - - + - - + - - - + - - + - Prof. Henrique Cezar Pavanati Introdução a tecnologia dos materiais Ligação Covalente. Os elétrons de valência são compartilhados, isto é, formam um par eletrônico que pertence ao mesmo tempo á dois átomos vizinhos. O par de elétrons compartilhados mantém os átomos fortemente ligados. 46 Prof. Henrique Cezar Pavanati Introdução a tecnologia dos materiais C C C C C C C C C C C C b) Representação tridimensional de Ligação covalente 47 a) Representação bidimensional Prof. Henrique Cezar Pavanati Introdução a tecnologia dos materiais Energia de Ligação. Quando se forma uma ligação entre átomos, é liberada energia ao meio ambiente. Quando se desfaz (rompe) a ligação, é absorvida energia do meio ambiente. A distância entre átomos ou íons ligados (comprimento de ligação) depende do tipo de ligação e da energia de ligação. 48 Prof. Henrique Cezar Pavanati Introdução a tecnologia dos materiais Forças de Ligações Secundárias. São ligações físicas fracas que ocorrem entre as moléculas. Embora exista tipos cujos mecanismos envolvidos sejam distintos, são todas agrupas pela denominação de "Forças de Van der Waals". Tipos de ligações secundárias: Moléculas Polares. Moléculas em que os centros das cargas negativas e positivas não coincidem, tais como NH3, CH3Cl e H2O. A energia é, 49 normalmente, menor que 5 kJ/mol. Prof. Henrique Cezar Pavanati Introdução a tecnologia dos materiais Exemplo de ligação de van der Walls entre 2 dipolos 50 Prof. Henrique Cezar Pavanati Introdução a tecnologia dos materiais Arranjos Atômicos Estruturas Moleculares Estruturas Cristalinas Estruturas Amorfas C Metano (CH4) 51 Água (H20) Diamante (C) Grafita (C) Vidros (SiO2, C...) Prof. Henrique Cezar Pavanati Introdução a tecnologia dos materiais Estrutura cristalina do Ferro Polimorfismo do Ferro 52 Prof. Henrique Cezar Pavanati Introdução a tecnologia dos materiais Estrutura cristalina do Ferro Ferro alfa/delta (Fe- e Fe-) – Cúbico de CORPO centrado (CCC) 1 átomo inteiro Célula unitária 1/8 de átomo Numa célula unitária temos: 1 atomo + 8(1/8) = 2 átomos 53 Prof. Henrique Cezar Pavanati Introdução a tecnologia dos materiais Estrutura cristalina do Ferro Ferro gama (Fe-) – Cúbico de FACE centrada (CFC) 1/2 átomo Célula unitária 1/8 de átomo Numa célula unitária temos: 6(1/2) átomo + 8(1/8) = 4 átomos 54 Prof. Henrique Cezar Pavanati Introdução a tecnologia dos materiais Estrutura cristalina do Ferro - Nomenclatura Ferro alfa ou delta Fe - ou Fe - Ferro (CCC) FERRITA Ferro gama Fe - Ferro (CFC) AUSTENITA 55 Prof. Henrique Cezar Pavanati Introdução a tecnologia dos materiais Defeitos da rede cristalina Contornos de grão ASM Handbook Vol 9 (2004) 56 Prof. Henrique Cezar Pavanati Introdução a tecnologia dos materiais Defeitos da rede cristalina Vazios 57 Prof. Henrique Cezar Pavanati Introdução a tecnologia dos materiais Defeitos da rede cristalina Átomo intersticial 58 Prof. Henrique Cezar Pavanati Introdução a tecnologia dos materiais Estrutura real do ferro Defeitos da rede cristalina Discordâncias 59 Prof. Henrique Cezar Pavanati Introdução a tecnologia dos materiais Há dois tipos de soluções sólidas: solvente soluto a) Solução sólida substitucional os átomos dos elementos químicos minoritários (do elemento de liga) ocupam posições regulares da rede 60 cristalina do elemento b) Solução sólida intersticial os elementos em solução ocupam os interstícios da rede cristalina do elemento majoritário Prof. Henrique Cezar Pavanati Introdução a tecnologia dos materiais Distorções causadas por soluções sólidas: 61 b) Distorção da rede cristalina por átomos em solução sólida: átomo maior (amarelo) e átomo menor (vermelho) Prof. Henrique Cezar Pavanati Introdução a tecnologia dos materiais Propriedades mecânicas 1. Resistência Mecânica; 2. Elasticidade; 3. Ductilidade (Plasticidade); 4. Dureza; 5. Resiliência; 6. Tenacidade. 62 Prof. Henrique Cezar Pavanati Introdução a tecnologia dos materiais Propriedades tecnológicas 1. Usinabilidade 2. Conformabilidade 3. Temperabilidade 4. Soldabilidade 5. Sinterabilidade 63
