1 S. Paciornik – DCMM PUC-Rio Fundamentos de Engenharia de Materiais Prof. Sidnei Paciornik Depto. de Engenharia de Materiais http://www.dema.puc-rio.br/cursos/cemat Os textos e imagens presentes neste site são propriedade do autor. A reprodução total ou parcial desta obra só pode ser obtida através de solicitação ao autor. última atualização em 10/4/2012 por [email protected]
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Transcript
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Fundamentos de Engenharia de Materiais
Prof. Sidnei Paciornik
Depto. de Engenharia de Materiais http://www.dema.puc-rio.br/cursos/cemat
Os textos e imagens presentes neste site são propriedade do autor.
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Quando combinados entre si (coluna III-V e II-VI) os metais (quadrados
claros) assumem propriedades semicondutoras.
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Biomateriais
• Os biomateriais podem ser metálicos, cerâmicos, poliméricos ou compósitos, usados em sistemas vivos.
• Característica básica: biocompatibilidade
Podem atuar dentro de um organismo hospedeiro sem disparar uma resposta imune. Se o biomaterial dispara a resposta imune, ele será rejeitado pelo corpo.
• Os biomateriais podem ser sub-divididos em
Biomateriais estruturais (ou inertes): cuja principal função é dar um suporte físico para o corpo.
Biomateriais funcionais (ou ativos): que realizam uma função no corpo, diferente da sustentação física.
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Nano-Materiais
• Desenvolvimento de pesquisa e tecnologia no nível
atômico ou molecular na escala de aproximadamente
1-100nm.
• Criação e uso de estruturas, dispositivos e sistemas que
possuem novas propriedades e funções por causa de
suas dimensões nanométricas.
• Habilidade de controlar e manipular na escala atômica.
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Aplicações Possíveis
• Aumentar espetacularmente a capacidade de
armazenamento e processamento de dados dos
computadores;
• Criar novos mecanismos para entrega de medicamentos,
mais seguros e menos prejudiciais ao paciente dos que os
disponíveis hoje;
• Criar materiais mais leves e mais resistentes do que metais
e plásticos, para prédios, automóveis, aviões;
• Economia de energia, proteção ao meio ambiente, menor
uso de matérias primas escassas, são possibilidades muito
concretas dos desenvolvimentos em nanotecnologia que
estão ocorrendo hoje e podem ser antevistas.
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Naturais Artificiais A Escala das coisas
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Ciência e Engenharia de Materiais
Aplicações
Propriedades
Microestrutura e Composição
(Atômica ou Molecular)
Síntese e
Processamento
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Materiais em uma lâmpada incandescente
Vidro
Solda
de Pb-Sn
Isolante cerâmico
Filamento
de W
Al recoberto com Sn
Liga de Cobre
Placa de cobre
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Relação Estrutura x Propriedades
• As propriedades “cotidianas” dos materiais dependem
da estrutura em escala atômica - nanoestrutura
da microestrutura (estrutura em escala intermediária)
Ambos são metais mas o Al é mais dúctil devido à estrutura cúbica
Alumínio (estrutura cúbica)
Magnésio (estrutura hexagonal) Fibras de vidro em uma
matriz de polímero.
50 µm
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Seleção de Materiais
• Ex: Cilindro de armazenamento de gases
Requerimento: resistir a altas pressões (14MPa)
Resistência
Metais
Cerâmicas
Polímeros
Semicondutores
Compósitos
Flexibilidade Custo
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Seleção de Materiais
• Ex: Vaso de pressão de uma aeronave
Requerimento: resistir a altas pressões e ser leve
Aqui o custo é menos importante do que a funcionalidade
Prefere-se um material leve e forte, mesmo sendo caro.
Metais
Cerâmicas
Polímeros
Semicondutores
Compósitos
Resistência Flexibilidade Leveza
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LIGAÇÕES ATÔMICAS
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Ligação Atômica
• Porque estudar a estrutura atômica ?
As propriedades macroscópicas dos materiais dependem
essencialmente do tipo de ligação entre os átomos.
O tipo de ligação depende fundamentalmente dos elétrons.
Os elétrons são influenciados pelos prótons e neutrons que
formam o núcleo atômico.
Os prótons e neutrons caracterizam quimicamente o
elemento e seus isótopos.
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Estrutura Atômica
Elétrons “girando” em volta do
núcleo em níveis de energia
discretos.
Mpróton = Mneutron = 1.66x10-24g= 1 amu
amu = atomic mass unit
unidade atômica de massa
Em uma grama teremos
1g
1.66x10 24 gamu
6.023x1023 amu
NA= Número de Avogadro
Núcleo contendo
prótons - dão o número atômico
neutrons - dão o número isotópico
Responsáveis pela
ligação atômica
praticamente toda a
massa do átomo está
no núcleo.
Melétron = 0.911x10-27g
Mpróton = 1822 Melétron =>
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Orbitais e níveis de energia
• Os elétrons são atraídos pelos prótons
• Os elétrons se distribuem em orbitais
Níveis de energia bem definidos
Os elétrons não podem assumir níveis intermediários
Para trocar de nível, os elétrons tem que receber a energia exata
que diferencia dois níveis.
A energia é função da distância dos elétrons ao núcleo
Quanto mais perto do núcleo mais ligado o elétron
Quanto mais longe do núcleo menos ligado
Se o elétron recebe energia suficiente, ele é arrancado, se
torna um elétron livre e o átomo é ionizado
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Classificação das Ligações
• Ligações Primárias ou Fortes
Iônica
Covalente
Metálica
• Ligações Secundárias ou Fracas
van der Waals
Dipolo permanente
Dipolo induzido
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Ligação Iônica
• Formada entre dois átomos que se ionizam
• O Sódio tem apenas um elétron na última
camada. Este elétron é fracamente ligado
porque os outros 10 elétrons blindam a
atração do núcleo.
• O Cloro tem 7 elétrons na última camada.
Se adquirir mais um elétron forma uma
configuração mais estável.
• O Sódio perde um elétron e se ioniza,
ficando com carga positiva (cátion).
• O Cloro ganha o elétron e também se
ioniza, ficando Negativo (âNion).
• Os íons se ligam devido à atração
Coulombiana entre cargas opostas.
• Note a diferença entre o raio atômico e o
raio iônico.
Na Cl
Cl- Na+
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Raio Atômico e Iônico • Raio atômico é o raio de um átomo na condição neutra,
normalmente medido entre primeiros vizinhos de um material
puro deste tipo de átomo.
• Raio iônico é o raio do átomo após sua ionização, depende do
tipo de ionização
• Raio covalente é o raio que um átomo teria na condição de
ligação covalente.
Raio (nm) Na Cl
Covalente 0,154 0,099
Atômico 0,190 -
Iônico 0,060 (+1) 0,181 (-1)
0,026 (+7)
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-0.10
-0.08
-0.06
-0.04
-0.02
0.00
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
0 10 20 30
Distância (nm)
Fo
rça (
N)
FAtr .
KQ1Q2
a2
Força de atração
(entre os íons)
Espaçamento Interatômico
a
a0
-0.10
-0.08
-0.06
-0.04
-0.02
0.00
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
0 10 20 30
Distância (nm)
Fo
rça (
N)
Força resultante
Força resultante = 0
-0.10
-0.08
-0.06
-0.04
-0.02
0.00
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
0 10 20 30
Distância (nm)
Fo
rça (
N)
Força de repulsão
(entre as nuvens
eletrônicas)
FRe p. ea
Distância de Equilíbrio
Na distância de equilíbrio, a força de atração entre os íons é compensada pela força de repulsão entre as nuvens eletrônicas
-0.10
-0.08
-0.06
-0.04
-0.02
0.00
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
0 10 20 30
Distância (nm)
Fo
rça (
N)
Força de atração
Força de repulsão
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Força e Energia de Ligação
Força de
ligação
Energia
de ligação
a0
a
a
F = dE/da
O ponto em que a força de ligação
é zero corresponde ao ponto de
mínima energia.
Configuração estável
Valores típicos para a0 são da ordem de
0.3nm (0.3x10-9m)
Valores típicos para a energia de ligação
são entre 600 e 1500 kJ/mol
A energia de ligação está diretamente
relacionada com o ponto de fusão do
material.
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Expansão térmica
• Os átomos estão constantemente vibrando ao redor da
posição de equilíbrio.
• A distância interatômica de equilíbrio, ao, só é bem
definida quando a temperatura é 0 K.
• Normalmente o poço de potencial não é simétrico e a
distância interatômica média aumenta gerando a
EXPANSÃO TÉRMICA.
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Expansão Térmica
• A expansão térmica se deve à curva do poço de energia potencial ser assimétrica, e não às maiores amplitudes vibracionais dos átomos em função da elevação da temperatura.
• Se a curva da energia potencial fosse simétrica não existiria qualquer variação liquida ou global na separação interatômica e, consequentemente, não existiria qualquer expansão térmica.
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Direcionalidade
• A ligação iônica é não direcional
A força de ligação é igual em todas as direções.
Para formar um material 3D é necessário que cada íon de
um tipo esteja cercado de íons do outro tipo
Na+
Cl-
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Exemplo
• Calcule a força de atração entre Na+ e Cl- em uma
molécula de NaCl
K= 9 x 109 V.m/C
Q1 = Q2 = 1 x 1.6 x 10-19C
a = RNa+ + RCl- = 0.098nm + 0.181nm = 0.278 nm
FKQ1Q2
a2
9x109 V.m / C 1.6x10 19 C 1.6x10 19 C
0.278x10 9 m2
F 2.98x10 9V .C / m 2.98x10 9 J / m 2.98x10 9 N
FKQ1Q2
a2
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Exemplo
• Calcule a força de atração em uma molécula de Na2O Neste caso temos Na+ (valência 1) e O2- (valência 2)
onde Z1 e Z2 são as valências
a = RNa+ + RO2- = 0.098nm + 0.132nm = 0.231 nm
Nxmx
CxCxCmVxF 9
29
19199
1064.810231.0
106.1)2(106.1)1(/.109
FKZ1qZ2q
a2
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Ligação Covalente
• Gerada pelo compartilhamento de elétrons de valência
entre os átomos.
Elétrons de valência são os elétrons dos orbitais mais
externos.
Ex: Molécula de Cl2
Um elétron de cada átomo é compartilhado com o outro, gerando
uma camada completa para ambos.
Cl - Cl
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Ligação covalente (cont.)
A ligação covalente é direcional e forma ângulos bem
definidos
Tem uma grande faixa de energias de ligação => pontos de
fusão
Energias da ordem de centenas de kJ/mol
Ex: Carbono na estrutura do diamante 3550°C
Ex: Bismuto 270°C
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Exemplo em polímeros
• Etileno e Polietileno Na molécula de etileno
(C2H4), os carbonos
compartilham dois pares de
elétrons.
A ligação covalente dupla
pode se romper em duas
simples permitindo a ligação
com outros “meros” para
formar uma longa molécula
de polietileno.
Molécula de
etileno
Mero de etileno
Molécula de
polietileno
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Ligação Metálica Nos metais, existe uma grande quantidade de elétrons quase
livres, os elétrons de condução, que não estão presos a
nenhum átomo em particular.
Estes elétrons são compartilhados pelos átomos, formando
uma nuvem eletrônica, responsável pela alta condutividade
elétrica e térmica destes materiais.
A ligação metálica é não direcional, semelhante à ligação
iônica.
Na ligação metálica há compartilhamento de elétrons,
semelhante à ligação covalente, mas o compartilhamento
envolve todos os átomos.
As energias de ligação também são da ordem de centenas
de kJ/mol.
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Ligações Secundárias
É possível obter ligação sem troca ou compartilhamento de
elétrons nas denominada ligações secundárias ou de van
der Waals.
A ligação é gerada por pequenas assimetrias na distribuição
de cargas do átomos, que criam dipolos.
Um dipolo é um par de cargas opostas que mantém uma distância
entre si.
Dipolo permanente
Dipolo induzido
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Dipolos Permanentes e Induzidos
• Dipolo Permanente
Gerado pela estrutura da
molécula.
Energias de ligação
20kJ/mol
Ex: Pontes de Hidrogênio em
H2O
• Dipolo Induzido
A separação de cargas é pequena
Energias de ligação são muito
pequenas ( 1kJ/mol)
O
H H
Átomos isolados
de Ar
(os centros das cargas
positivas e negativas
coincidem)
+ +
Átomos deformados
pela presença do outro
+ - + -
Magnitude do dipolo
Os átomos se ligam pela atração entre os dipolos induzidos
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Comentários
• As ligações covalente e iônica não são “puras” mas sim uma
mistura com proporções que dependem, essencialmente, da
diferença de eletronegatividade dos átomos envolvidos.
Covalente
Metálica Secundária
Iônica Metais
Polímeros
Semicondutores
Cerâmicas e vidros
Material Ligação Pt.Fusão (°C)
NaCl Iônica 801
C (diamante) Covalente 3550
Polietileno Cov./Sec. 120
Cu Metálica 1085
Ar Sec. (ind.) -189
H2O Sec. (perm.) 0
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O CRISTAL IDEAL
Estrutura Cristalina
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O Cristal Perfeito - Estrutura Cristalina
Muitos materiais - metais, algumas cerâmicas, alguns polímeros - ao se
solidificarem, se organizam numa rede geométrica 3D - a rede cristalina.
Estes materiais cristalinos, têm uma estrutura altamente organizada, em
contraposição aos materiais amorfos, nos quais não há ordem de longo
alcance.
Fronteira entre dois cristais de TiO2.
Note a organização geométrica dos átomos.
Carbono amorfo.
Note a desorganização na posição dos átomos.
2nm
Cristal 1
Cristal 2
Fronteira
Imagens obtidas com Microscópio Eletrônico de Transmissão (MET).
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Cristais Naturais e Artificiais
Cristais gigantes de gypsum, de origem
natural, descobertos em uma mina na Espanha
Cristais gigantes de KDP, crescidos em laboratório
Imagem de alta-resolução
mostrando a organização atômica Microscópio Eletrônico de Transmissão
Curva Tensão-Deformação (cont.) • Normalização = P/A0 onde P é a carga e A0 é a seção reta da amostra
= (L-L0)/L0 onde L é o comprimento para uma dada carga e L0 é o comprimento original
• A curva - pode ser dividida em duas regiões.
Região elástica
é proporcional a => =E. E=módulo de Young
A deformação é reversível.
Ligações atômicas são alongadas mas não se rompem.
Região plástica
não é linearmente proporcional a .
A deformação é quase toda não reversível.
Ligações atômicas são alongadas e se rompem.
148 S
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Curva Tensão-Deformação (cont.)
0 0.04 0.05 0.08 0.10 0.02
0
250
500
Deformação, (mm/mm)
Ten
são,
(M
Pa)
Plástica
Elástica
0 0.004 0.005 0.008 0.010 0.002
Deformação, (mm/mm)
fratura
Limite de escoamento
Como não existe um limite claro entre as regiões
elástica e plástica, define-se o Limite de
escoamento, como a tensão que, após liberada,
causa uma pequena deformação residual de 0.2%.
O Módulo de Young, E, (ou módulo de
elasticidade) é dado pela derivada da curva
na região linear.
y
149 S
. P
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Cisalhamento
• Uma tensão cisalhante causa uma deformação cisalhante, de forma análoga a uma tração.
Tensão cisalhante
= F/A0
onde A0 é a área paralela à
aplicação da força.
Deformação cisalhante
= tan = y/z0
onde é o ângulo de
deformação
• Módulo de cisalhamento G = G
150 S
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Coeficiente de Poisson
• Quando ocorre elongamento ao longo de uma direção, ocorre contração no plano perpendicular.
• A Relação entre as deformações é dada pelo coeficiente de Poisson .
= - x / z = - y / z
o sinal de menos apenas indica que uma extensão gera uma contração e vice-versa
Os valores de para diversos metais estão entre 0.25 e 0.35.
• E = 2G(1 + )
151 S
. P
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Estricção e limite de resistência
Deformação,
Ten
são,
Limite de
resistência
( R)
estricção
A partir do limite de
resistência começa a ocorrer
um estricção no corpo de
prova. A tensão se concentra
nesta região, levando à
fratura.
152 S
. P
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Ductilidade
• Ductilidade é uma medida da extensão da deformação que ocorre até a fratura.
• Ductilidade pode ser definida como
Elongamento percentual %EL = 100 x (Lf - L0)/L0
onde Lf é o elongamento na fratura
uma fração substancial da deformação se concentra na estricção, o que faz com que %EL dependa do comprimento do corpo de prova. Assim o valor de L0 deve ser citado.
Redução de área percentual %AR = 100 x(A0 - Af)/A0
onde A0 e Af se referem à área da seção reta original e na fratura.
Independente de A0 e L0 e em geral de EL%
153 S
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Resiliência
• Resiliência é a capacidade que o material possui de absorver
energia elástica sob tração e devolvê-la quando relaxado.
Área sob a curva dada pelo limite de escoamento ( y) e pela
deformação no escoamento ( y) .
Módulo de resiliência
Na região linear
Assim, materiais de alta resiliência possuem alto limite de escoamento e
baixo módulo de elasticidade.
Estes materiais seriam ideais para uso em molas.
y
dU r
0
E
EdU
y
yy
yy
r
y
222
2
0
154 S
. P
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Elongamento (mm)
Ten
são
(M
Pa)
Curva para Cobre Recozido
155 S
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Curva para Cobre Endurecido a Frio
Elongamento (mm)
Ten
são
(M
Pa)
156 S
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Comparação
Elongamento (mm)
Ten
são
(M
Pa)
Recozido
Endurecido a frio
157 S
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Tenacidade
• Tenacidade (toughness) é a capacidade que o material
possui de absorver energia mecânica até a fratura.
área sob a curva até a fratura.
O material mais frágil tem
maior limite de escoamento e
maior limite de resistência.
No entanto, tem menor
tenacidade devido à falta de
ductilidade (a área sob a
curva correspondente é muito
menor).
Elongamento (mm)
Ten
são (
MP
a)
Mais frágil, mais resistente,
menos tenaz
Mais dúctil, menos resistente,
mais tenaz
158 S
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Resumo da curva - e propriedades Região elástica (deformação reversível) e região plástica (deformação
quase toda irreversível).
Módulo de Young ou módulo de elasticidade => derivada da curva na região elástica (linear).
Limite de escoamento (yield strength) => define a transição entre região elástica e plástica => tensão que, liberada, gera uma deformação residual de 0.2%.
Limite de resistência (tensile strength) => tensão máxima na curva de engenharia.
Ductilidade => medida da deformabilidade do material
Resiliência => medida da capacidade de absorver e devolver energia mecânica => área sob a região linear.
Tenacidade (toughness) => medida da capacidade de absorver energia mecânica até a fratura=> área sob a curva até a fratura.
159 S
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A curva - real A curva obtida
experimentalmente é denominada curva -e de engenharia.
Esta curva passa por um máximo de
tensão, parecendo indicar que, a partir
deste valor, o material se torna mais
fraco, o que não é verdade.
Isto, na verdade, é uma consequência da
estricção, que concentra o esforço numa
área menor.
Pode-se corrigir este efeito levando em conta a diminuição de área, gerando assim a curva real.
curva real
Curva -e de engenharia
fratura
fratura
160 S
. P
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Sistemas de deslizamento (rev.)
Estrutura
Cristalina
Planos de
Deslizamento
Direções de
Deslizamento
Número de
Sistemas de
Deslizamento
Geometria da
Célula Unitária Exemplos
CCC
{110}
{211}
{321}
<111>
6x2 = 12
12
24
-Fe, Mo,
W
CFC {111} <110> 4x3 = 12 Al, Cu,
-Fe, Ni
HC
{0001}
{1010}
{1011} <1120>
3
3
6
Cd, Mg, -
Ti, Zn
A tabela mostra os sistemas de deslizamento das 3 redes básicas. Em vermelho aparecem os sistemas
principais. Em cinza aparecem os secundários. Por exemplo: Como a rede CFC tem 4 vezes mais
sistemas primários que a HC, ela será muito mais dúctil.
161 S
. P
acio
rnik
– D
CM
M P
UC
-Rio
Deslizamento em mono-cristais
• A aplicação de tração ou compressão uniaxais trará
componentes de cisalhamento em planos e direções
que não sejam paralelos ou normais ao eixo de
aplicação da tensão.
• Isto explica a relação entre a curva - e a resposta
mecânica de discordâncias, que só se movem sob a
aplicação de tensões cisalhantes.
• Para estabelecer numericamente a relação entre tração
(ou compressão) e tensão cisalhante, deve-se projetar a
tração (ou compressão) no plano e direção de
deslizamento.
162 S
. P
acio
rnik
– D
CM
M P
UC
-Rio
Tensão cisalhante resolvida
Plano de
deslizamento
Direção de
deslizamento
F
F
R = cos cos
onde
= F/A
O sistema de deslizamento que sofrer a maior R, será o primeiro a operar.
A deformação plástica começa a ocorrer quando a tração excede a tensão cisalhante resolvida crítica (CRSS - critical resolved shear stress).
• Para aumentar a resistência, procura-se restringir o
movimento das discordâncias. Os mecanismos básicos
para isso são:
Redução de tamanho de grão
Solução sólida
Deformação a frio (encruamento, trabalho a frio, strain
hardening, cold working)
165 S
. P
acio
rnik
– D
CM
M P
UC
-Rio
Redução de tamanho de grão
• As fronteiras de grão funcionam como barreiras para o
movimento de discordâncias. Isto porque
Ao passar de um grão com uma certa orientação para outro
com orientação muito diferente (fronteiras de alto ângulo) a
discordância tem que mudar de direção, o que envolve muitas
distorções locais na rede cristalina.
A fronteira é uma região desordenada, o que faz com que os
planos de deslizamento sofram discontinuidades.
• Como um material com grãos menores tem mais
fronteiras de grão, ele será mais resistente.
166 S
. P
acio
rnik
– D
CM
M P
UC
-Rio
Redução de tamanho de grão (cont.)
• Para muitos materiais, é
possível encontrar uma
relação entre o limite de
escoamento, y, e o tamanho
médio de grão, d.
y = 0 + kyd-1/2
onde 0 e ky são constantes
para um dado material
d-1/2 (mm-1/2)
d (mm)
Lim
ite
de
esco
amen
to (
kpsi
)
Lim
ite
de
esco
amen
to (
MP
a)
Latão
(70Cu-30Zn)
167 S
. P
acio
rnik
– D
CM
M P
UC
-Rio
Solução sólida
• Nesta técnica, a presença de impurezas substitucionais
ou intersticiais leva a um aumento da resistência do
material. Metais ultra puros são sempre mais macios e
fracos do que suas ligas.
Concentração de Zn (%)
Lim
ite
de
resi
stên
cia
(kpsi
)
Lim
ite
de
resi
stên
cia
(MP
a)
Liga Cu-Zn
168 S
. P
acio
rnik
– D
CM
M P
UC
-Rio
Deformação a frio
• O aumento de resistência por deformação mecânica
(strain hardening) ocorre porque
o número de discordâncias aumenta com a deformação
isto causa maior interação entre as discordâncias
o que, por sua vez, dificulta o movimento das
discordâncias, aumentando a resistência.
• Como este tipo de deformação se dá a temperaturas
muito abaixo da temperatura de fusão, costuma-se
denominar este método deformação a frio (cold work).
169 S
. P
acio
rnik
– D
CM
M P
UC
-Rio
Deformação a frio (cont.)
% Trabalho a frio (%CW)
Lim
ite
de
esco
amen
to (
kpsi
)
Lim
ite
de
esco
amen
to (
MP
a) Aço 1040
Latão
Cobre
% Trabalho a frio (%CW)
Duct
ilid
ade
(%E
L)
Aço
1040
Latão
Cobre
%CW=100x(A0-Ad)/A0
170 S
. P
acio
rnik
– D
CM
M P
UC
-Rio
Recuperação,Recristalização
e Crescimento de Grão
• Como já vimos, a deformação plástica de materiais a baixas temperaturas
causa mudanças microestruturais e de propriedades.
• Estes efeitos podem ser revertidos, e as propriedades restauradas, através
de tratamentos térmicos a altas temperaturas.
• Os três processos básicos para que isto ocorra são
Recuperação - uma parte das deformações acumuladas é eliminada através do
movimento de discordâncias, facilitado por maior difusão a altas temperaturas.
Recristalização - formação de novos grãos, não deformados, que crescem até
substituir completamente o material original.
Crescimento de grão
171 S
. P
acio
rnik
– D
CM
M P
UC
-Rio
Recristalização e Crescimento de Grão Latão 33%CW deformado a frio
3 segundos a 580ºC início da recristalização
4 segundos a 580ºC avanço da recristalização
8 segundos a 580ºC recristalização completa
15 minutos a 580ºC crescimento de grão
10 minutos a 700ºC maior crescimento de grão
172 S
. P
acio
rnik
– D
CM
M P
UC
-Rio
Recristalização (cont.)
Latão
1 hora
Temperatura de recristalização: é a
temperatura para a qual ocorre
recristalização total após uma hora de
tratamento térmico. Tipicamente entre
1/3 e 1/2 da temperatura de fusão.
No caso do latão do gráfico ao lado
Trec=475ºC e Tf=900ºC
Neste gráfico também é possível
obervar o crescimento de grão em
função da temperatura.
Falta analisar o crescimento de grão
em função do tempo.
173 S
. P
acio
rnik
– D
CM
M P
UC
-Rio
Crescimento de grão
• Como os contornos de grão são regiões deformadas do
material, existe uma energia mecânica associada a eles.
• O crescimento de grãos ocorre porque desta forma a
área total de contornos se reduz, reduzindo a energia
mecânica associada.
• No crescimento de grão, grãos grandes crescem às
expensas de grãos pequenos que diminuem. Desta
forma o tamanho médio de grão aumenta com o tempo.
174 S
. P
acio
rnik
– D
CM
M P
UC
-Rio
Crescimento de grão (cont.)
• Para muitos materiais poli-cristalinos vale a seguinte relação para o diâmetro médio de grão d, em função do tempo t.
dn - d0n =Kt
onde d0 é o diâmetro original (t=0)
K e n são constantes e em geral n 2
Tempo (min)
Diâ
met
ro d
e grã
o (
mm
)
175 S
. P
acio
rnik
– D
CM
M P
UC
-Rio
Fratura
• O processo de fratura é normalmente súbito e
catastrófico, podendo gerar grandes acidentes.
• Envolve duas etapas: formação de trinca e propagação.
• Pode assumir dois modos: dúctil e frágil.
176 S
. P
acio
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– D
CM
M P
UC
-Rio
Fratura dúctil e frágil
• Fratura dúctil A material se deforma substancialmente antes de fraturar.
O processo se desenvolve de forma relativamente lenta a medida que a trinca propaga.
Este tipo de trinca é denominado estável porque ela para de se propagar a menos que haja uma aumento da tensão aplicada no material
Gera uma superfície de fratura com a estrutura “copo e cone”, indicando grande estricção e deslizamento de planos a 45º.
177 S
. P
acio
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– D
CM
M P
UC
-Rio
Fratura dúctil e frágil (cont.)
• Fratura frágil
O material se deforma pouco, antes de fraturar.
O processo de propagação de trinca pode ser muito veloz, gerando situações catastróficas.
A partir de um certo ponto, a trinca é dita instável porque se propagará mesmo sem aumento da tensão aplicada sobre o material.
A superfície de fratura é plana e não aparece estricção.
178 S
. P
acio
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– D
CM
M P
UC
-Rio
Transição dúctil-frágil
• A ductilidade dos materiais é função da temperatura e
da presença de impurezas.
• Materiais dúcteis se tornam frágeis a temperaturas mais
baixas. Isto pode gerar situações desastrosas caso a
temperatura de teste do material não corresponda a
temperatura efetiva de trabalho.
Ex: Os navios tipo Liberty, da época da 2ª Guerra, que
literalmente quebraram ao meio. Eles eram fabricados de
aço com baixa concentração de carbono, que se tornou
frágil em contato com as águas frias do mar.
179 S
. P
acio
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– D
CM
M P
UC
-Rio
Teste de impacto (Charpy)
• Um martelo cai como um pêndulo e bate na amostra, que fratura.
• A energia necessária para fraturar, a energia de impacto, é obtida diretamente da diferença entre altura final e altura inicial do martelo. Materiais dúcteis se
deformam muito e absorvem muita energia do martelo.
Materiais frágeis se deformam pouco e absorvem pouca energia do martelo
Martelo Posição
inicial
Amostra Posição
final h
h’
180 S
. P
acio
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– D
CM
M P
UC
-Rio
Transição dúctil-frágil (cont.)
Temperatura (ºC)
En
erg
ia d
e Im
pac
to (
J)
Temperatura (ºC)
Aços com diferentes
concentrações de carbono
Aços com diferentes
concentrações de manganês
Fratura dúctil
181 S
. P
acio
rnik
– D
CM
M P
UC
-Rio
Fadiga
• Fadiga é um tipo de falha que ocorre em materiais
sujeitos à tensão que varia no tempo.
• A falha pode ocorrer a níveis de tensão
substancialmente mais baixos do que o limite de
resistência do material.
• É responsável por 90% de todas as falhas de metais,
afetando também polímeros e cerâmicas.
• Ocorre subitamente e sem aviso prévio.
• A falha por fadiga é do tipo frágil, com muito pouca
deformação plástica.
182 S
. P
acio
rnik
– D
CM
M P
UC
-Rio
Teste de fadiga
fratura
Ten
são
Limite de resistência
Tempo
amostra
carga carga
motor
contador junta
flexível
183 S
. P
acio
rnik
– D
CM
M P
UC
-Rio
A curva S-N
• A curva Stress-Number of cycles é um gráfico que
relaciona o número de ciclos até a fratura com a tensão
aplicada.
Limite de fadiga
(35 a 60%) do
limite de
resistência (T.S.)
Número de ciclos até a fratura, N
Ten
são
,S (
MP
a)
S1
Quanto menor a tensão, maior é o número de ciclos
que o material tolera.
Ligas ferrosas normalmente possuem um limite de
fadiga. Para tensões abaixo deste valor o material
não apresenta fadiga.
Ligas não ferrosas não possuem um
limite de fadiga. A fadiga sempre ocorre
mesmo para tensões baixas e grande
número de ciclos. Vida de fadiga a
uma tensão S1
184 S
. P
acio
rnik
– D
CM
M P
UC
-Rio
Fatores que afetam a vida de fadiga • Nível médio de tensão
Quanto maior o valor médio da tensão, menor é a vida.
• Efeitos de superfície
A maior parte das trincas que iniciam o processo de falha se origina
na superfície do material. Isto implica que as condições da superfície
afetam fortemente a vida de fadiga.
Projeto da superfície: evitando cantos vivos.
Tratamento da superfície:
Eliminar arranhões ou marcas através de polimento.
Tratar a superfície para gerar camadas mais duras (carbonetação) e que geram
tensões compressivas que compensam parcialmente a tensão externa.
185 S
. P
acio
rnik
– D
CM
M P
UC
-Rio
Fluência
• Fluência é a deformação
plástica crescente que ocorre
em materiais sujeitos a tensões
constantes, a temperaturas
elevadas.
Turbinas de jatos, geradores a
vapor.
É muitas vezes o fator limitante
na vida útil da peça.
Se torna importante, para metais,
a temperaturas 0.4Tf Carga constante
Forno
186 S
. P
acio
rnik
– D
CM
M P
UC
-Rio
Curva de fluência
Tempo
Primária
Terciária
Secundária
Deformação instantânea
(elástica)
Na região primária o material
encrua, tornando-se mais rígido,
e a taxa de crescimento da
deformação com o tempo
diminui.
Na região secundária a taxa de
crescimento é constante (estado
estacionário), devido a uma
competição entre encruamento e
recuperação.
Na região terciária ocorre uma
aceleração da deformação
causada por mudanças
microestruturais tais como
rompimento das fronteiras de
grão.
vida de ruptura
187 S
. P
acio
rnik
– D
CM
M P
UC
-Rio
Influência da temperatura e tensão • As curvas de fluência variam em função da
temperatura de trabalho e da tensão aplicada.
A taxa de estado estacionário aumenta
Tempo
Temperatura aumentando Tensão aumentando
Tempo
188 S
. P
acio
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– D
CM
M P
UC
-Rio
• Relação entre e a taxa de fluência estacionária
onde K1 e n são constantes do material
Influência da tensão
nK1
lnlnln 1 nK
Taxa de fluência estacionária (%/1000 h)
Ten
são (M
Pa)
189 S
. P
acio
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– D
CM
M P
UC
-Rio
Influência da temperatura
• Relação entre T e a taxa
de fluência estacionária
onde K2 e n são
constantes do material
Qc é a energia de
ativação para fluência
RT
QK cn exp2
Tax
a d
e fl
uên
cia
esta
cion
ária
(%
/10
00
h)
190 S
. P
acio
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– D
CM
M P
UC
-Rio
DIAGRAMAS DE FASE
191 S
. P
acio
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– D
CM
M P
UC
-Rio
Diagramas de fase
• Diagramas de fase são mapas que permitem prever a microestrutura de um material em função da temperatura e composição de cada componente.
• Fase é uma porção homogênea do material que tem propriedades físicas ou químicas uniformes:
Ex: Mistura água/gelo - duas fases
Quimicamente idênticas - H2O
Fisicamente distintas - líquida/sólida
Ex: Mistura água/açúcar com açúcar precipitado - duas
Quimicamente distintas - solução H2O/açúcar e açúcar puro
Fisicamente distintas - solução em fase líquida e fase sólida
192 S
. P
acio
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– D
CM
M P
UC
-Rio
Limite de solubilidade
• Corresponde a concentração máxima que se pode atingir de um soluto dentro de um solvente.
• O limite de solubilidade depende da temperatura. Em geral, cresce com a temperatura.
Solução líquida
(água açucarada)
Solução líquida
+ açúcar sólido
100
60
80
40
20
0
Tem
per
atu
ra (
ºC)
25 100 50 75 0
25 100 50 75 0
Composição (wt%)
Açúcar Água
Limite de
solubilidade
193 S
. P
acio
rnik
– D
CM
M P
UC
-Rio
Diagramas binários T
emp
era
tura
(ºC
)
L = Líquido
= alfa
+ L
Composição (wt% Ni)
Linha
solidus
Linha
liquidus
30 40 50
1250ºC B
C0 CCL
A
B
Ponto A
60% Ni
1100ºC
Ponto B
35% Ni
1250ºC
194 S
. P
acio
rnik
– D
CM
M P
UC
-Rio
Interpretação dos diagramas
• Fases presentes
Para uma coordenada qualquer do diagrama, verifica-se quais fases
estão presentes
Ponto A => apenas fase alfa
Ponto B => fase alfa e fase líquida
• Composição de cada fase
Para uma coordenada qualquer do diagrama, verifica-se quantas fases
existem
Uma fase => trivial => composição lida direto do gráfico.
Duas fases => Usa-se o método da linha de conexão (tie-line)
– A tie-line se extende de uma fronteira a outra
– Marca-se as intersecções entre a tie-line e as fronteiras e verifica-se as concentrações
correspondentes no eixo horizontal
195 S
. P
acio
rnik
– D
CM
M P
UC
-Rio
Interpretação (cont.)
30 40 50
1250ºC
B
C0 CCL
tie-line
• Fase líquida
CL = 32 wt% Ni - 68wt% Cu • Fase alfa (solução sólida)
C = 43 wt% Ni - 57 wt% Cu
• Composição de cada fase (cont.)
196 S
. P
acio
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– D
CM
M P
UC
-Rio
Interpretação (cont.)
• Determinação das frações de cada fase
Uma fase => trivial => 100% da própria fase
Duas fases => Regra da Alavanca (lever rule)
30 40 50
1250ºC
B
C0 CCL
tie-line WL
C C0
C CL
43 35
43 320.73
WC0 CL
C CL
35 32
43 320.27
197 S
. P
acio
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– D
CM
M P
UC
-Rio
Lógica da regra da alavanca
• A regra da alavanca nada mais é do que a solução de duas
equações simultâneas de balanço de massa
Com apenas duas fases presentes, a soma das suas frações tem
que ser 1
W + WL = 1
A massa de um dos componentes (p.ex. Ni) que está presente em
ambas as fases deve ser igual a massa deste componente na liga como
um todo
W C + WLCL = C0
• A regra da alavanca, na verdade, deveria ser chamada de regra
da alavanca invertida.
198 S
. P
acio
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– D
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M P
UC
-Rio
Diagramas de fase e microestrutura
• Até agora nós estudamos diagramas de fase isomorfos,
nos quais existe uma faixa de temperaturas em que há
completa miscibilidade de um constituinte no outro.
• Outra condição implicitamente utilizada até agora é de
que os diagramas são de equilíbrio. Isto quer dizer que
qualquer variação de temperatura ocorre lentamente o
suficiente para permitir um rearranjo entre as fases
através de processos difusionais. Também quer dizer
que as fases presentes a uma dada temperatura são
estáveis.
199 S
. P
acio
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– D
CM
M P
UC
-Rio
Diagramas de fase e microestrutura
• Evolução microestrutural
Tem
per
atura
Composição
L
+ L
CL3 CL2 CL1 C 3 C 2 C 1
100% Líquido
C0 constituinte B
90% Líquido - 10% alfa
CL1 const. B - C 1 const. B
60% Líquido - 40% alfa
CL2 const. B - C 2 const. B
10% Líquido - 90% alfa
CL3 const. B - C 3 const. B
100% Sólido - alfa
C0 constituinte B
200 S
. P
acio
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– D
CM
M P
UC
-Rio
Diagrama Isomorfo - Animação
Animação desenvolvida por Lucas Ferraz Clique Aqui para baixar um arquivo
• Durante o resfriamento, ocorrem mudanças na composição das duas fases.
Estas mudanças dependem de difusão, que é um processo lento na solução sólida.
Na prática não vale a pena manter taxas tão lentas de resfriamento, o que implica que as estruturas obtidas não são exatamente as descritas até agora.
Assim, a região central de cada grão vai ser rica no constituinte de alto ponto de fusão. A concentração do outro constituinte aumenta em direção ao contorno de grão.
Isto implica em uma maior sensibilidade das fronteiras à temperatura. No aquecimento elas derreterão e o material se esfacelará.
202 S
. P
acio
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– D
CM
M P
UC
-Rio
Sistemas binários eutéticos
Composição (wt% Ag)
Tem
per
atura
(°C
)
Líquido
+ L
+ L
+ C E CE C E
Reação Eutética (a 780°C)
L (71.9% Ag) (7.9% Ag) + (91.2% Ag)
A temperatura de fusão do eutético é mais
baixa que as dos seus constituintes.
203 S
. P
acio
rnik
– D
CM
M P
UC
-Rio
Exemplo: Solda (Pb-Sn)
• Para uma liga de 40%wt Sn-60%wt Pb a 150°C
Quais são as fases presentes, suas composições e proporções ?
Composição (wt% Sn)
Tem
per
atura
(°C
)
C C
Fases Presentes:
e
Composições:
C 11% Sn
C 99% Sn
Proporções:
W = (C - C )/(C - C )
= 0.67
W = 1 - W
+
204 S
. P
acio
rnik
– D
CM
M P
UC
-Rio
Microestrutura em eutéticos • Composição eutética
Microestrutura eutética:
Camadas finas alternadas de fases e
Microestrutura eutética:
Camadas finas alternadas das fases e
(pequena variação em relação a T1)
100% Líquido com a
composição eutética
A transição eutética é rápida. Assim, não
há tempo para ocorrer difusão
substancial. A segregação de átomos de
tipo A e B tem que se dar em pequena
escala de distâncias.
Composição
Tem
per
atura
(°C
)
205 S
. P
acio
rnik
– D
CM
M P
UC
-Rio
Diagrama Eutético - Animação
Animação desenvolvida por Lucas Ferraz Clique Aqui para baixar um arquivo
Seleção de Materiais para fabricar: • Estante de aço para uso em casa/escritório
Aço baixo carbono – baixa resistência/deformável
• Disco de abrasão, ou bisturi, faca e facão
Aço alto carbono, e/ou revestimento cerâmico – alta dureza na superfície de corte mas precisa preservar flexibilidade
• Tanque para processar remédios e alimentos
Aço inox austenítico – menos susceptível à oxidação
• Pregos, parafusos e porcas
Aço de médio carbono – combinação de flexibilidade e dureza
• Estrutura de aço para plataforma de petróleo que precisa operar no Mar do Norte (entre Inglaterra e Europa)
Aço baixo carbono com manganês para reduzir a temperatura da transição dúctil-frágil
• Eixo de motor que gira a uma velocidade de 5000rpm
Aço médio carbono com alta dureza superficial e acabamento superficial de excelente qualidade para diminuir a chance de formação de trincas que levem à falha por fadiga.
225 S
. P
acio
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– D
CM
M P
UC
-Rio
Aços
• Aços são ligas Fe-C que podem conter outros
elementos.
Propriedades mecânicas dependem da %C.
%C < 0.25% => baixo carbono
0.25% < %C < 0.60% => médio carbono
0.60% < %C < 1.4% => alto carbono
• Aços carbono
Baixíssima concentração de outros elementos.
• Aços liga
Outros elementos em concentração apreciável.
226 S
. P
acio
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– D
CM
M P
UC
-Rio
Aços Baixo Carbono
• Aços Carbono
Microestrutura de ferrita e perlita
Macios e pouco resistentes, muito dúcteis e tenazes
Insensíveis a tratamentos térmicos
Custo mais baixo de produção
Usos em painéis de carros, tubos, pregos, arame...
• Alta Resistência Baixa Liga (High Strength Low Alloy)
Contém outros elementos tais como Cu, Va, Ni e Mo
Mais resistentes e mais resistentes à corrosão
Aceitam tratamentos térmicos
Usos em estruturas para baixas temperaturas, chassis de caminhões,
vagões...
227 S
. P
acio
rnik
– D
CM
M P
UC
-Rio
Aços Médio Carbono
• Aços Carbono
Utilizados na forma de martensita (fase extremamente dura
mas frágil) temperada (tratamento térmico para aumentar
tenacidade da martensita).
Usos em facas, martelos, talhadeiras, serras de metal...
• Tratáveis termicamente
A presença de impurezas aumenta a resposta a tratamentos
térmicos.
Se tornam mais resistentes mas menos dúcteis e tenazes.
Usos em molas, pistões, engrenagens...
228 S
. P
acio
rnik
– D
CM
M P
UC
-Rio
Aços Alto Carbono
• Aços Carbono e Ferramenta
Extremamente duros e fortes, pouco dúcteis.
Resistentes ao desgaste e mantém o fio.
Se combinam com Cr, V e W para formar carbetos
(Cr23C6,V4C3 e WC) que são extremamente duros e
resistentes.
Usos em moldes, facas, lâminas de barbear, molas...
229 S
. P
acio
rnik
– D
CM
M P
UC
-Rio
Aços Inox
• Estrutura e Propriedades
Impureza predominante - Cr > 11wt%
Pode incluir Ni e Mo
Tres classes em função da microestrutura
martensítico => tratável termicamente, magnético
ferrítico => não tratável termicamente, magnético
austenítico => mais resistente à corrosão, não magnético
Resistentes a corrosão a temperaturas de até 1000ºC.
230 S
. P
acio
rnik
– D
CM
M P
UC
-Rio
Comparação de Propriedades
Liga (#AISI) Tipo R (MPa) %EL
1010 Baixo C,
carbono 180 28
A656 HSLA 552 21
1040 Médio C,
carbono
780 33
4063 Trat. Term. 2380 24
409 Inox 448 25
304 Inox 586 55
410 Inox mart. 483 30
440A Inox mart. 1790 5
231 S
. P
acio
rnik
– D
CM
M P
UC
-Rio
Ferros Fundidos
• Ferros fundidos são ligas Fe-C com concentração
acima de 2.1 wt% C (tipicamente entre 3 e 4.5%).
• Nesta faixa de concentrações, a temperatura de fusão é
substancialmente mais baixa do que a dos aços. Isto
facilita o processo de fundição e moldagem.
• Suas propriedades mudam radicalmente em função da
concentração de C e outras impurezas (Si, Mg. Ce) e
do tratamento térmico.
232 S
. P
acio
rnik
– D
CM
M P
UC
-Rio
Diagrama Fe-C verdadeiro
Composição (wt% C)
Tem
per
atura
(°C
)
• A reação básica que está em
jogo é a da decomposição da
cementita em ferrita e grafite.
Fe3C => 3Fe( ) + C(grafite)
• A formação de grafite
depende da composição, da
taxa de resfriamento e da
presença de impurezas.
• A presença de Si privilegia a
formação de grafite.
• Tudo isso influenciará
fortemente as propriedades
mecânicas.
233 S
. P
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– D
CM
M P
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-Rio
Ferros fundidos, microestrutura
Maleável
perlítica
Maleável
ferrítica
Ferro
branco
Ferro cinzento
perlítico Ferro cinzento
ferrítico
Ferro dúctil
perlítico
Ferro dúctil
ferrítico
Resfriamento Moderado Rápido Lento
P + Fe3C P + Gveios + Gveios
Moderado Lento P + Grosetas + Grosetas
Reaquece e mantém a 700°C por 30 horas
Resfriamento Moderado Lento
P + Gnódulos + Gnódulos
Adições
(Mg/Ce)
P = Perlita
G = Grafite
234 S
. P
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– D
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Ferros fundidos, propriedades
• Ferro cinzento
wt%C entre 2.5 e 4.0, wt%Si entre 1.0 e 3.0
Grafite em forma de veios cercados por ferrita/perlita.
O nome vem da cor típica de uma superfície de fratura.
Fraco e quebradiço sob tração.
Os veios funcionam como pontos de concentração de tensão e
iniciam fratura sob tração.
Mais resistente e dúctil sob compressão.
Ótimo amortecedor de vibrações.
Resistente ao desgaste, baixa viscosidade quando fundidos,
permitindo moldar peças complexas.
Mais barato de todos os materiais metálicos.
235 S
. P
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Ferros fundidos, propriedades
• Ferro Dúctil ou nodular
A adição de Magnésio ou Cério ao Ferro cinza faz com que
o grafite se forme em nódulos esféricos e não em veios.
Esta microestrutura leva a muito maior ductilidade e
resistência, se aproximando das propriedades dos aços.
Esta microestrutura lembra a de um material compósito.
Neste caso, o grafite em nódulos dá resistência e a matriz
de perlita ou ferrita dá ductilidade.
Usado em válvulas, corpos de bombas, engrenagens,...
236 S
. P
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Ferros fundidos, propriedades
• Ferro branco e ferro maleável
Para concentrações de Si abaixo de 1% e taxas rápidas de
resfriamento a maior parte do carbono se mantém na forma
de Cementita.
A superfície de fratura neste caso é branca.
Muito duro e muito frágil, sendo praticamente intratável
mecânicamente.
Se reaquecido a 800°C por dezenas de horas (em
atmosfera neutra para evitar oxidação) a cementita se
decompõe formando grafite em pequenas regiões (rosetas),
análogo ao ferro nodular.
237 S
. P
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Ferros fundidos, microestruturas Branco
Maleável
Cinza
Nodular
400 x
100 x
100 x
100 x
238 S
. P
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Ligas não-ferrosas
• Porque ?
Apesar da diversidade de propriedades das ligas ferrosas,
facilidade de produção e baixo custo, elas ainda apresentam
limitações:
Alta densidade, baixa condutividade elétrica, corrosão.
Cobre puro é extremamente macio, dúctil e deformável a frio. Resistente à corrosão.
Ligas não são tratáveis termicamente. A melhora das propriedades mecânicas deve ser obtida por trabalho a frio ou solução sólida.
As ligas mais comuns são os latões, com Zn, com propriedades que dependem da concentração de Zn, em função das fases formadas e suas estruturas cristalinas (vide Callister sec.12.7)
Os bronzes incluem Sn, Al, Si e Ni. Mas fortes do que os latões.
Novas ligas com Be possuem um conjunto de propriedades excepcionais (vide Callister sec.12.7).
240 S
. P
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Ligas de Alumínio
• Ligas de Alumínio
Alumínio é pouco denso (2.7g/cm3, 1/3 da densidade de aço), ótimo condutor de temperatura e eletricidade, resistente à corrosão. Possui alta ductilidade em função de sua estrutura cfc. A maior limitação é a baixa temperatura de fusão (660°C).
A resistência mecânica pode ser aumentada através de ligas com Cu, Mg, Si, Mn e Zn.
Novas ligas com Mg e Ti tem aplicação na indústria automobilística, reduzindo o consumo a partir de redução do peso.
De 1976 a 1986 o peso médio dos automóveis caiu cerca de 16% devido à redução de 29% do uso de aços, ao aumento de 63% no uso de ligas de Al e de 33% no uso de polímeros e compósitos.
241 S
. P
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Ligas de Magnésio e de Titânio
• Ligas de magnésio
O Mg é o menos denso de todos os metais estruturais
(1.7 g/cm3).
Muito utilizado em aviação.
Estrutura hc, com baixo módulo de Young (45 x 103MPa),
baixo ponto de fusão (651°C).
• Ligas de titânio
O Ti é pouco denso (4.5 g/cm3), tem alto módulo de Young
(107 x 103MPa) e alto ponto de fusão (1668°C).
Ligas de titânio são muito resistentes com limites de
resistência de até 1400 MPa.
Muito reativo, dificultando e encarecendo a produção.
242 S
. P
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Refratários e Super-Ligas
• Metais refratários
Nb, Mo, W, Ta.
Altíssimo ponto de fusão (de 2468°C a 3410°C).
Ligações atômicas extremamente fortes, alto módulo de
Young, resistência e dureza.
Usados em filamentos de lâmpadas, cadinhos, eletrodos de
soldagem, etc...
• Super-ligas
Ligas de Co, Ni ou Fe com Nb, Mo, W, Ta, Cr e Ti.
Usados em turbinas de avião. Resistem a atmosferas
oxidantes a altas temperaturas.
243 S
. P
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Algumas Propriedades dos Metais
• Nas próximas páginas, algumas propriedades básicas,
além do preço aproximado, são apresentadas para um
grupo básico de metais ferrosos e não ferrosos.
• As propriedades aparecem na forma de gráficos
gerados pelo programa CES Edupack.
244 S
. P
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Metais - Ponto de Fusão
245 S
. P
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Metais - Resistividade Elétrica
246 S
. P
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Metais - Condutividade Térmica
247 S
. P
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Metais - Resistência Mecânica
248 S
. P
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Metais - Densidade
249 S
. P
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Metais - Resistência Específica
Resistência Específica = Limite de Resistência/Densidade
250 S
. P
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Metais – Tenacidade à Fratura
251 S
. P
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Metais - Preço
252 S
. P
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CERÂMICAS
253 S
. P
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Cerâmicas e vidros
• Propriedades básicas
São uma combinação de metais com O, N, C, P, S
São altamente resistentes a temperatura (refratários)
São isolantes térmicos e elétricos
São frágeis (quebram sem deformar)
São menos densas do que metais
Podem ser transparentes
254 S
. P
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As cerâmicas na tabela periódica
Cerâmicas são formadas por combinação de metais
(quadrados mais claros) com os elementos C, N, O, P e S. Si e Ge são semicondutores mas são usados em cerâmicas de forma equivalente a metais
255 S
. P
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-Rio
Cerâmicas
• Características básicas
Vem do grego “keramikos” que significa “material
queimado”, indicando a necessidade de tratamento térmico
para adequar as propriedades.
Ligação atômica essencialmente iônica entre metais e não
metais.
Menos densas do que metais.
Cerâmicas tradicionais
barro, argila, porcelanas, tijolos, ladrilhos e vidros
Cerâmicas avançadas
Utilizadas em inúmeras aplicações tecnológicas tais como
encapsulamento de chips, isolamento térmico do ônibus espacial,
revestimento de peças, fibras óticas, etc...
256 S
. P
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-Rio
Estruturas básicas
CsCl NaCl
CaF2 BaTiO3
257 S
. P
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-Rio
Estruturas de Carbono
Grafite Diamante C60 (bucky ball)
Nanotubo
258 S
. P
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-Rio
Silicatos
50
40
30
20
10
Per
centa
gem
da
cro
sta
terr
estr
e (%
)
O Si Al Fe Ca Na K Mg H
• Formados por Si e O, os dois elementos mais abundantes da terra.
Solos, rochas, argilas, areias
Sílica (SiO2)
Cristalina - Ex: quartzo, baixa densidade alto ponto de fusão
Vítrea - misturada com CaO e Na2O - garrafas, vidros
Outros silicatos - Ex: Mg2SiO4
Silicatos em camadas (layered)
259 S
. P
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-Rio
Defeitos em cerâmicas
• Defeitos mais complexos do que vacâncias ou átomos
intersticiais podem se formar a partir do fato de que a
estrutura é formada por íons positivos e negativos
Defeito Schottky
(vacância aniônica
ligada a vacância
catiônica) Defeito Frenkel
(vacância ligada a
átomo intersticial)
260 S
. P
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UC
-Rio
Diagramas de fases de cerâmicas
• Exemplo interessante
Zircônia parcialmente
estabilizada com cal
A transição da
estrutura monoclínica
para tetragonal a
1000°C causa tanta
distorção na rede que o
material arrebenta.
A adição de CaO cria
uma solução sólida
estável até 2500 °C.
2000
1500
1000
500
2500
T (°C)
Composição (mol % CaO)
10 20 30 40 50 ZrO2
261 S
. P
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-Rio
Mecanismos de deformação plástica
• Cerâmicas cristalinas
Apesar das estruturas serem semelhantes às de metais,
muitos sistemas de deslizamento não são ativos porque o
deslizamento em certos planos aproximaria íons de cargas
iguais, que se repelem. Isto não acontece em metais porque
os átomos são neutros.
Isto explica a dureza e fragilidade das cerâmicas. Não
podendo deslizar, elas fraturam com pouca deformação
plástica
• Cerâmicas não cristalinas
Como não há rede cristalina, estes materiais se comportam
Cinto de aço Promove a rigidez da cobertura e protege
a carcassa
3
Camada em
espiral Promove a alta durabilidade e
manobrabilidade
4
Ombro Ë a parte mais grossa e do pneu, protege
a carcassa de choques externos e danos.
5
Parede lateral
É a parte mais flexível do pneu , protege
a carcassa e permite uma jornada
confortável
6
Laminados
(Plycord) É o corpo principal do pneu.
Sustenta a pressão, as cargas e choques.
7
Preenchimento Promove alta durabilidade e alta
manobrabilidade.
8
Arames de
reforço Mantem o pneu nas dimensões
9
Acabamento
Protege os laminados da geração de calor
que ocorre devido a abrasão com o
flange
Pneus
307 S
. P
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M P
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-Rio
Classificação dos Compósitos
• Classificação em Função da Forma do Reforço
Particulados Reforçados por Fibras Estruturais
Contínuas Descontínuas Laminados Painéis
sandwich
Materiais compósitos
308 S
. P
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-Rio
Particulados
• Partículas grandes
Cermets (cerâmico/metal)
Ex: Carbeto cimentado composto de partículas ultra-duras de carbetos (WC ou TiC) numa matriz metálica (Co ou Ni). Utilizado como ferramentas de corte para aços.
Polímero/metal
Ex: Borracha para pneus composta por um elastômero e “carbon-black”, partículas de carbono, que aumentam o limite de resistência, tenacidade e resistência a abrasão.
Cerâmico/cerâmico
Ex: Concreto, formado por cimento, areia, cascalho e água. As partículas de areia preechem os espaços deixados pelo cascalho. Areia e cascalho são mais baratos do que o cimento.
309 S
. P
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-Rio
Particulados (cont.)
Ex: Concreto armado, composto por concreto e barras de ferro ou
aço que melhoram a resposta mecânica do material. Aço é
adequado porque tem o mesmo coeficiente de dilatação do
concreto, não é corroído neste ambiente e forma boa ligação com o
concreto.
Ex: Concreto protendido (pre-stressed), composto por concreto e
barras de aço que são mantidas sob tensão trativa até o concreto
endurecer. Após a solidificação, a tração é liberada, colocando o
concreto sob tensão compressiva. Desta forma, a tração mínima
para fraturar a peça será muito maior porque é preciso primeiro
superar a tensão compressiva residual.
310 S
. P
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-Rio
-Aço
esferoidizado
matriz ferrita ( )
(dutil)
particulas: cementita
( Fe 3 C )
(frágil)
-WC/Co
carbetos de W
matriz: cobalto
(ductil)
partículas: WC
(frágil, dura)
-Pneu de
automóveis
matriz: borracha
partículas: C (rígida)
60 m
V m :
10-15vol%! 600 m
0.75 m
Adaptado da Fig.
10.10, Callister 6e.
(Fig. 10.10 é
copyright United
States Steel
Corporation, 1971.)
Adaptado da Fig.
16.4, Callister 6e.
(Fig. 16.4 é cortesia
da Carboloy
Systems,
Department,
General Electric
Company.)
Adaptado da Fig.
16.5, Callister 6e.
(Fig. 16.5 é cortesia
Goodyear Tire and
Rubber Company.)
Compósitos Reforçados por Partículas
• Exemplos
311 S
. P
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Reforçados por fibras
• Princípio de funcionamento
Uma fibra de um dado material é muito mais forte do que o material como um todo, porque a probabilidade de encontrar uma trinca de superfície que leva à fratura diminui com a diminuição do volume da amostra.
Ex: Whiskers, pequenos monocristais que são usados como fibras em compósitos. Por serem monocristais perfeitos são extremamente insensíveis a fratura.
• Tipos mais comuns
Fibras de vidro em matriz de epoxi
Fibras de carbono em matrizes de polímeros
Ex: mastro de windsurf
312 S
. P
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-Rio
Exemplos
Alumínio
Tungstênio
Boro
Matriz de Alumínio
reforçada por fibras
de tungstênio
recobertas com boro
Liga de Prata–Cobre
Fibras de Carbono.
313 S
. P
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-Rio
Resposta mecânica
• O comportamento mecânico de compósitos será, em geral, anisotrópico.
Carga longitudinal (na direção do eixo das fibras)
Ótima ligação entre matriz e fibras => mesma deformação para ambas => condição “isostrain”
Fc = Fm + Ff => cAc = mAm + fAf
=> c = m(Am/Ac) + f(Af/Ac)
Se os comprimentos são todos idênticos, as frações
de área são iguais às frações de volume da matriz
(Vm) e das fibras (Vf). Assim
c = mVm + fVf e lembrando que c= m= f
( c/ c) = ( m/ m )Vm + ( f/ f) Vf =>
Ec = EmVm + EfVf
314 S
. P
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-Rio
Resposta mecânica (cont.)
Carga transversal
Neste caso a tensão é igual para o compósito e as duas fases.
(condição “isostress”)
c = m = f =
A deformação total do compósito será
c = mVm + fVf
e lembrando que = /E
=> ( /Ec) = ( /Em )Vm + ( /Ef) Vf
dividindo por
(1//Ec) = (1//Em )Vm + (1/Ef) Vf
Ec = EmEf /(VmEf + VfEm)
315 S
. P
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-Rio
Resposta mecânica (cont.)
• As condições isostrain e isostress são os limites superior e inferior dos valores das propriedades mecânicas dos compósitos.
Ex: Fibra de vidro
Matriz: epoxi
E = 6.9x103Mpa
Fibra: vidro
E = 72.4x103Mpa
Vf = 60%
Ec = 0.4 x 6.9 + 0.6 x 72.4
= 46.2 x 103 MPa
Ec = 6.9 x 72.4 =15.1 x 103Mpa
0.4 x 72.4 + 0.6 x 6.9
316 S
. P
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Exemplo
• Compósito
Matriz polimérica
Reforçado por fibras de vidro
Fabricado por enrolamento filamentar
Corte Circunferencial
Corte Axial
317 S
. P
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Exemplo (cont.) Axial
2 mm
Circunferencial
2 mm
318 S
. P
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Compósitos estruturais
• Formados por materiais homogêneos e compósitos,
com propriedades dependentes da orientação relativa
dos componentes.
Laminados: formados por camadas sucessivas de um
compósito anisotrópico, com orientações alternadas.
Ex: Compensado de madeira
Sandwich: formados por folhas separadas por uma camada
de material menos denso.
Ex: Divisórias
319 S
. P
acio
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– D
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São folhas (laminados) de fibras contínuas de modo que cada
camada possui fibras orientadas em uma dada direção.
Compósitos Laminados
320 S
. P
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Ski Moderno
Laminados
321 S
. P
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Algumas Propriedades dos Compósitos
• Nas próximas páginas, algumas propriedades básicas,
além do preço aproximado, são apresentadas para um
grupo básico de compósitos, comparadas com metais.
• As propriedades aparecem na forma de gráficos
gerados pelo programa CES Edupack.
• OBS:
CFRP – Carbon Fiber Reinforced Polymer – Polímero
reforçado com fibras de carbono
GFRP – Glass Fiber Reinforced Polymer – Polímero
reforçado com fibras de vidro
322 S
. P
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Compósitos - Ponto de Fusão
323 S
. P
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Compósitos - Resistividade Elétrica
324 S
. P
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Compósitos - Condutividade Térmica
325 S
. P
acio
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Compósitos - Resistência Mecânica
326 S
. P
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Compósitos - Densidade
327 S
. P
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Compósitos - Resistência Específica
Resistência Específica = Limite de Resistência/Densidade