Metais - FTP da PUC

Metais
Obtenção/processos de
corrosão
Prof. Marcelo J. D. M. Jannini
2012
INTRODUÇÃO
 Ciência dos materiais faz parte do
conhecimento básico para todas as
engenharias
As propriedades dos materiais definem:
 o desempenho de um determinado
componente e o processo de fabricação do
mesmo
Materiais
Propriedades dos
Materiais
Microestrutura
Composição e Processo
de Fabricação
E
N
G
E
N
H
A
R
I
A
O número de materiais cresceu muito nas
últimas décadas e a tendência é de se
proliferarem mais num futuro próximo
 Desenvolvimento e aperfeiçoamento dos
métodos de extração de materiais da natureza
 Modificação de materiais naturais
 Combinação de materiais conhecidos para a
formação de novos materiais
QUANTOS MATERIAIS DIFERENTES EXISTEM ?
COMO ESCOLHER ??
Como definir qual o melhor material para um
determinado fim?
 Custo
 Tempo de vida ou
Exemplo: Copo
 Vidro
 Cerâmica
 Plástico
 Madeira
 Metal
 Papel
Depende
Durabilidade
 Aparência
 Finalidade: Natureza do
líquido (ex: copo de
metal e papel não pode
ser usado para café,
suco de laranja não
pode ser armazenado
numa taça antiga de
peltre porque remove o
Pb da liga)
Quais os critérios que um engenheiro deve adotar
para selecionar um material entre tantos outros?
 Em
primeiro lugar, o engenheiro deve
caracterizar quais as condições de
operação que será submetido o referido
material e levantar as propriedades
requeridas para tal aplicação, saber como
esses valores foram determinados e quais as
limitações e restrições quanto ao uso dos
mesmos.
Quais os critérios que um engenheiro deve adotar
para selecionar um material entre tantos outros?
 A segunda consideração na escolha do
material refere-se ao levantamento sobre o
tipo de degradação que o material sofrerá em
serviço.
 Por exemplo, elevadas temperaturas e
ambientes
corrosivos
diminuem
consideravelmente a resistência mecânica de
materiais em geral.
Quais os critérios que um engenheiro deve adotar
para selecionar um material entre tantos outros?
 Finalmente, a consideração talvez mais
convincente é provavelmente a
econômica:
Qual o custo do produto acabado??? Um
material pode reunir um conjunto ideal de
propriedades, porém com custo
elevadíssimo.
SELEÇÃO DOS MATERIAIS
POR ÍNDICE DE MÉRITO
 Ex.
Resistência:
Material Aço-liga
Ti
Al
(alta resist.)
Resist. (MPa)
à tração
1000
PRFC
(AA7074)
800
50
PRFC= Polímero reforçado com fibra de carbono
700
SELEÇÃO DOS MATERIAIS
POR ÍNDICE DE MÉRITO
 Ex. Resistência/peso:
Material
Aço-liga
Ti
Al
PRFC
(AA7074)
133
170
185
390
SELEÇÃO DOS MATERIAIS
POR ÍNDICE DE MÉRITO
 Ex.
Custo Kg/US$:
Material
Aço-liga
Ti
Al
(alta resist.)
0,75
PRFC
(AA7074)
15
3
20
TIPOS DE INDÚSTRIA - INFLUÊNCIA DOS MATERIAIS
INDÚSTRIA DE PONTA
•
•
Grande exigência
tecnológica
Utilização dos materiais nos limites
PRODUÇÃO EM MASSA
•
•
Produtos não
diferenciados
Utilização de materiais
abaixo dos limites
SELEÇÃO CUIDADOSA
SELEÇÃO CUIDADOSA
(FATOR CUSTO SECUNDÁRIO)
(FATOR CUSTO PRIMORDIAL)
Quais os critérios que um engenheiro deve adotar
para selecionar um material entre tantos outros?
 Em raras ocasiões um material reúne uma
combinação ideal de propriedades, ou
seja, muitas vezes é necessário reduzir uma
em benefício da outra.
 Um exemplo clássico são resistência e
ductilidade, geralmente um material de alta
resistência apresenta ductilidade limitada.
Este tipo de circunstância exige que se
estabeleça um compromisso razoável entre
duas ou mais propriedades.
CLASSIFICAÇÃO DOS
MATERIAIS
 A classificação tradicional dos materiais é
geralmente baseada na estrutura atômica e
química destes.
Materiais
Estímulo capaz de
provocar diferentes
respostas
 Mecânica: deformação a uma carga ou força





aplicada (módulo elástico e resistência mecânica)
Elétrica: condutividade e constante dielétrica.
Estímulo: campo elétrico
Térmica: capacidade calorífica e condutividade
térmica
Magnética: resposta de um material à aplicação de
um campo magnético
Óptica: índice de refração de reflectividade.
Estímulo: eletromagnético ou radiação da luz
Deteriorativa: reatividade química de materiais
Por que estudar materiais?
 Engenheiros: mecânicos, civis, químicos,
elétricos, de computação, de produção
INVESTIGAÇÃO E PROJETOS DE MATERIAIS
Classificação dos Materiais
 Metais
 Polímeros
Constituição química e estrutura atômica
 Cerâmicas
 Compósitos: combinações de dois ou mais
materiais diferentes
 Semicondutores: características elétricas
 Biomateriais: biocompatíveis
Metais
 Materiais metálicos: são combinações de
elementos metálicos
 Tem um grande número de elétrons não
localizados – não “amarrados” aos átomos
 São bons condutores de calor e eletricidade
 Não são transparentes à luz visível
(superfície de aparência lustrosa)
 São fortes, podem ser deformáveis ou não:
diversas aplicações
Metais
Metais
CLASSIFICAÇÃO DOS
MATERIAIS
 Cerâmicas
 Materiais cerâmicos são
ALUMINA





geralmente uma combinação de
elementos metálicos e nãometálicos.
Geralmente são óxidos, nitretos e
carbetos. Materiais argilosos,
vidros e cimentos
São geralmente isolantes de calor
e eletricidade
São mais resistêntes à altas
temperaturas e à ambientes
severos que metais e polímeros
Com relação às propriedades
mecânicas as cerâmicas são
duras, porém frágeis
Em geral são leves
OS MATERIAS CERÂMICOS NA TABELA PERIÓDICA
Os cerâmicos são constituídos de metais e não-metais
CLASSIFICAÇÃO DOS
MATERIAIS
 Polímeros
 Materiais poliméricos são
geralmente compostos orgânicos
baseados em carbono, hidrogênio
e outros elementos não-metálicos.
 São constituídos de moléculas
muito grandes (macro-moléculas)
 Tipicamente, esses materiais
apresentam baixa densidade e
podem ser extremamente flexíveis
 Materiais poliméricos incluem
plásticos e borrachas
CLASSIFICAÇÃO DOS
MATERIAIS
 Materiais compósitos são
 Compósitos
constituídos de mais de um tipo
de material insolúveis entre si.
 Os compósitos são “desenhados”
para apresentarem a combinação
das melhores características de
cada material constituinte
 Muitos dos recentes
desenvolvimentos em materiais
envolvem materiais compósitos
 Um exemplo classico é o
compósito de matriz polimérica
com fibra de vidro. O material
compósito apresenta a resistência
da fibra de vidro associado a
flexibilidade do polímero
CLASSIFICAÇÃO DOS
MATERIAIS  Materiais semicondutores
 Semicondutores
InP
apresentam propriedades
elétricas que são intermediárias
entre metais e isolantes
 Além disso, as características
elétricas são extremamente
sensíveis à presença de
pequenas quantidades de
impurezas, cuja concentração
pode ser controlada em pequenas
regiões do material
 Os semicondutores tornaram
possível o advento do circuito
integrado que revolucionou as
indústrias de eletrônica e
computadores
 Ex: Si, Ge, GaAs, InSb, GaN,
CdTe..
CLASSIFICAÇÃO DOS
MATERIAIS
 Biomateriais
 Biomateriais são empregados em
componentes para implantes de
partes em seres humanos
 Esses materiais não devem
produzir substâncias tóxicas e
devem ser compatíveis com o
tecido humano (isto é, não deve
causar rejeição).
 Metais, cerâmicos, compósitos e
polímeros podem ser usados
como biomateriais.
EVOLUÇÃO DA UTLIZAÇÃO DOS MATERIAIS
MATERIAIS AVANÇADOS



São materiais utilizados em aplicações de
tecnologia de ponta, ou seja, são materias
utilizados para a fabricação de dispositivos ou
componentes que funcionam ou operam usando
princípios sofiscados
Exemplos destas aplicações incluem:
equipamentos eletrônicos (VCRs, CD players,
DVDs), computadores, sistemas de fibra óptica,
foguetes e mísseis militares, detectores, lasers,
displays de cristal líquido, indústria
aeroespacial, etc.
Estes materiais são geralmente materiais
tradicionais cujas propriedades são otimizadas
ou materiais novos de alto desempenho.
ALGUMAS CONSIDERAÇÕES SOBRE A
NECESSIDADE DE MATERIAIS MODERNOS

-
Materias que apresentem:
Alto desempenho
Baixo peso e alta resistência
Resistência à altas temperaturas
Desenvolvimento de materiais que sejam
menos danosos ao meio ambiente e mais
fáceis de serem reciclados ou regenerados
MATERIAIS INTELIGENTES E
NANOTECNOLOGIA
METAIS
Metais
 São exemplos de alta resistência que podem
ser encontrados livremente na natureza na
forma de jazidas ou na apresentação de
minério.
 Sobre minérios: espécies de compostos
químicos que em sua constituição
apresentam íons metálicos estruturais.
 Ex: Minério de ferro. (Fe3O4, Fe2O3)
Características
 Tendência à doar elétrons – implica em
serem encontrados na forma de minérios.
M+n
Metal no Minério
REDUÇÃO
Mº
Metal na forma simples
 Metalurgia é a seqüência de processos que
visa obter um metal a partir do minério
correspondente.
Representação Esquemática
Extração da mina
Purificação do Metal
Purificação do Minério
Redução
Metalurgia
Redução do Ferro
 3 Fe2O3 + CO
 Fe3O4 + CO
 FeO + CO
2 Fe3O4 + CO2
3 FeO + CO2
Fe + CO2
 Processos podem ocorrer naturalmente, mas
às vezes há uma grande quantidade de
energia envolvida para obtenção do ferro
metálico. (?????)
Oxidação/Redução – conceitos
importantes
 Na redução há uma tendência de que o
elemento (íon) envolvido ganhe elétrons.
 Na oxidação há uma tendência de que o
elemento (íon) envolvido perca esse elétron.
 Por esse motivo alguns metais tendem a se
desgastar primeiro do que outros.
Metal de Sacrifício
 São metais disposto ao longo da estrutura
metálica majoritária, que não participam da
constituição química da liga metálica
principal, e que tendem a serem oxidados
antes do metal principal.
 Os
metais de sacrifício podem ser
reconhecidos por seus potenciais de redução
ou oxidação.
Metais de sacrifício
Galvanização
 Proteção do ferro (ou o aço), processo no qual a superfície do metal é





coberta por uma camada de zinco metálico.
A peça a ser galvanizada é mergulhada num banho de zinco fundido.
Isso é fácil porque o zinco funde a 420C.
A superfície coberta com zinco fica com aspecto cinza-claro
Por que o zinco protege o ferro? Esse metal, como o alumínio, tem
uma película muito fina, transparente e impermeável de óxido de zinco
que não deixa nem o ar nem a água passarem.
Outra vantagem: no caso de a superfície do zinco ser arranhada e o
ferro exposto ao ar e à umidade, não há problema porque o zinco é
oxidado preferencialmente, e o ferro permanece na forma de metal.
O zinco transforma-se em íons de zinco positivos. Os elétrons que
saem dessa transformação passam para o ferro. Assim, o ferro fica
protegido porque, carregado negativamente, dificulta a oxidação (perda
de elétrons dos átomos). A galvanização é um processo mais caro que
a pintura, mas mais eficiente.
Galvanização
Metais de Sacrifício
 Processo semelhante é muito usado para proteger
os cascos de navios e as estacas das plataformas de
petróleo, feitas de aço.
 O casco do navio e as estacas das plataformas não
são galvanizadas. São colocados blocos de
magnésio metálico, que fazem o mesmo papel do
zinco. O magnésio em contato com a água do mar
sofre oxidação e liberta elétrons que protegem o aço.
 O magnésio é chamado metal de sacrifício porque
precisa ser trocado de tempos em tempos
Processamento Térmico de Metais
 Recozimento
 Material é exposto a uma temperatura
elevada durante um período de tempo e
resfriado lentamente
 Aliviar as tensões do material, tornar mais
mole e tenaz, produzir microestrutura
específica
 Temperado
 Amolecer e aumentar a ductibilidade
Corrosão
Corrosão
Corrosão
Corrosão
Corrosão
Formas de Corrosão
Aço
 Basicamente uma liga ferro-carbono com teor
de carbono inferior a 1,8% em massa e
susceptível de adquirir, por meio de
tratamento mecânico e térmico, variadas
propriedades, podendo conter em sua
composição outros elementos como níquel,
manganês, tungstênio, vanádio, cromo,
silício, etc.
Aço- História
 Um dos primitivos métodos de obtenção do aço
foi o a forja catalã, onde o minério de ferro era
reduzido pelo carvão em uma instalação de
pedra onde incidia um sopro de ar – obtenção de
uma mistura pastosa com metal e impurezas.
 A partir do século XV surgiram os primeiros
altos-fornos, onde através do aumento da
quantidade de ar soprado foi possível o aumento
da temperatura e a conseqüente obtenção da
mistura em estado líquido.
Forja Catalã
Conceitos importantes sobre o aço
 Minério de ferro: presente em aproximadamente 5%
da crosta terrestre. O ferro não é encontrado em
estado puro na natureza mas em combinações
químicas de metais contidos nas rochas. Essas
combinações químicas ocorrem misturadas com as
“gangas”, compostas de silício, alumínio, cal e
magnésio.
 Principais Constituintes: magnetita (Fe3O4) com
cerca de 60% de ferro; hematita vermelha (Fe2O3)
com cerca de 65% de ferro; ferro oolítico; siderita ou
ferro espático (FeCO3) com alto teor de manganês;
FeS2.
 Coque: desempenha uma dupla função na
elaboração da gusa: a de combustível e a de
redutor.
 Origem: provém da destilação do carvão, que
deve ser o mais puro possível para evitar
resíduos como enxofre e fósforo. Como
redutor absorve o oxigênio combinado com
outros elementos.
 Carvão livre de S minimiza as emissões de
gases que na atmosfera podem se combinar
formando a chuva ácida.
 Ganga: Impurezas que ocorrem junto com o
minério de ferro em estado bruto, compostas
principalmente de silício, alumínio, cal e
magnésio.
 Fundente: pedra de cal ou magnésio
adicionada a massa incandescente para
separar o ferro da ganga. O fundente
combinado com a ganga dá a escória
 Gusa: é a parte útil para a produção do aço,
composta basicamente de ferro fundido com
carbono entre 2,5% a 6,67%.
 Aço de alto teor de carbono: pouco
utilizado por causa da sua grande fragilidade.
Ferro + 1,8% a 2,5% de carbono.
 Ferro puro ou ferro da Suécia: Ferro +
pequenos traços de carbono.
Ferro Primário
 Fontes de Ferro
5mm<Pelotas<18mm
Em detalhe
5mm<Sinter<50mm
6mm< Minério <40mm
granulado
Coqueria
 Detalhes do processo
Típica Bateria de coqueificação
Coque incandescente
pronto para ser descarregado
Efeito dos Elementos de Liga nos
Aços
 Alterar as propriedades mecânicas
 Aumentar a usinabilidade
 Aumentar a temperabilidade
 Conferir dureza a quente
 Aumentar a capacidade de corte
 Conferir resistência à corrosão
 Conferir resistência ao desgaste
 Conferir resistência a oxidação
 Modificar as características elétricas e magnéticas.
Dopantes do Aço
 Níquel: de 0,5% a 5% melhora a temperabilidade e
aumenta a resistência mecânica. Com 50% aumenta
a resistência à corrosão.
 Cromo: de 1% a 6% aumenta a temperabilidade e
resistência mecânica. De 10% a 20% torna-o
inoxidável. Com 25% torna o aço refratário.
 Silício: até 2% aumenta a elasticidade e diminui as
perdas magnéticas.
 Manganês: a 13% aumenta a resistência ao impacto
e ao desgaste.
 Tungstênio: até 18% favorece a resistência.
Ligas Não Ferrosas
 Ligas: misturas sólidas de metais – suprir
necessidades específicas
 Propriedades das ligas: afetadas pela
composição e pela estrutura
 Algumas ligas: composições homogêneas de
uma única fase: latão (Cu-Zn), bronze (CuSn, Al, Si, Ni), alumínio (Mg, Ti- transportes),
(Li-aeronáutica, aeroespacial)