Metais Obtenção/processos de corrosão

1. MetaisObtenção/processos de corrosão Prof. Marcelo J. D. M. Jannini 2012

2. 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

3. Propriedades dos Materiais Microestrutura Composição e Processo de Fabricação Materiais ENGENHAR I A

5. 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

6. Entre 40000 e 80000 diferentes, contando as variantes de tratamento térmico e composição de cada material QUANTOS MATERIAIS DIFERENTES EXISTEM ? COMO ESCOLHER ??

7. Como definir qual o melhor material para um determinado fim?Exemplo: Copo • Custo • Tempo de vida ou 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) • Vidro • Cerâmica • Plástico • Madeira • Metal • Papel Depende

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. SELEÇÃO DOS MATERIAIS POR ÍNDICE DE MÉRITO • Ex. Resistência: Material Aço-liga Ti Al PRFC (alta resist.) (AA7074) Resist. (MPa) 1000 800 50 700 à tração PRFC= Polímero reforçado com fibra de carbono

12. SELEÇÃO DOS MATERIAIS POR ÍNDICE DE MÉRITO • Ex. Resistência/peso: Material Aço-liga Ti Al PRFC (AA7074) 133 170 185 390

13. SELEÇÃO DOS MATERIAIS POR ÍNDICE DE MÉRITO • Ex. Custo Kg/US$: Material Aço-liga Ti Al PRFC (alta resist.) (AA7074) 0,75 15 3 20

14. Grande exigência • tecnológica • Utilização dos mate- • riais nos limites • Produtos não • diferenciados • Utilização de materiais • abaixo dos limites SELEÇÃO CUIDADOSA (FATOR CUSTO SECUNDÁRIO) SELEÇÃO CUIDADOSA (FATOR CUSTO PRIMORDIAL) TIPOS DE INDÚSTRIA - INFLUÊNCIA DOS MATERIAIS INDÚSTRIA DE PONTA PRODUÇÃO EM MASSA

15. 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.

16. CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS • A classificação tradicional dos materiais é geralmente baseada na estrutura atômica e química destes.

17. Estímulo capaz de provocar diferentes respostas Materiais • 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

18. Por que estudar materiais? • Engenheiros: mecânicos, civis, químicos, elétricos, de computação, de produção INVESTIGAÇÃO E PROJETOS DE MATERIAIS

19. Classificação dos Materiais • Metais • Polímeros • Cerâmicas • Compósitos: combinações de dois ou mais materiais diferentes • Semicondutores: características elétricas • Biomateriais: biocompatíveis Constituição química e estrutura atômica

20. 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

21. Metais

22. Metais

23. CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS • Materiaiscerâmicossãogeralmenteumacombinação de elementosmetálicos e não-metálicos. • Geralmentesãoóxidos, nitretos e carbetos. Materiaisargilosos, vidros e cimentos • São geralmenteisolantes de calor e eletricidade • São maisresistêntes à altastemperaturas e à ambientesseverosquemetais e polímeros • Com relaçãoàspropriedadesmecânicas as cerâmicassãoduras, porémfrágeis • Emgeralsãoleves • Cerâmicas

24. OS MATERIAS CERÂMICOS NA TABELA PERIÓDICA Os cerâmicos são constituídos de metais e não-metais

25. CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS • 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 • Polímeros

27. CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS • Materiais compósitos são 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 • Compósitos

28. CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS • Materiaissemicondutoresapresentampropriedadeselétricasquesãointermediárias entre metais e isolantes • Além disso, as característicaselétricassãoextremamentesensíveis à presença de pequenasquantidades de impurezas, cujaconcentraçãopode ser controladaempequenasregiões do material • Os semicondutorestornarampossível o advento do circuitointegradoquerevolucionou as indústrias de eletrônica e computadores • Ex: Si, Ge, GaAs, InSb, GaN, CdTe.. • Semicondutores InP

29. CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS • 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. • Biomateriais

30. EVOLUÇÃO DA UTLIZAÇÃO DOS MATERIAIS

31. 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.

32. ALGUMAS CONSIDERAÇÕES SOBRE A NECESSIDADE DE MATERIAIS MODERNOS • Materiasqueapresentem: • Alto desempenho • Baixo peso e altaresistência • Resistência à altastemperaturas • Desenvolvimento de materiaisquesejammenosdanososaomeioambiente e maisfáceis de seremrecicladosouregenerados • MATERIAIS INTELIGENTES E NANOTECNOLOGIA

33. METAIS

34. 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)

35. Características • Tendência à doar elétrons – implica em serem encontrados na forma de minérios. • Metalurgia é a seqüência de processos que visa obter um metal a partir do minério correspondente. REDUÇÃO M+n Metal no Minério Mº Metal na forma simples

36. Representação Esquemática Extração da mina Purificação do Minério Purificação do Metal Redução

37. Metalurgia

38. Redução do Ferro • 3 Fe2O3 + CO 2 Fe3O4 + CO2 • Fe3O4 + CO 3 FeO + CO2 • FeO + CO Fe + CO2 • Processos podem ocorrer naturalmente, mas às vezes há uma grande quantidade de energia envolvida para obtenção do ferro metálico. (?????)

39. 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.

40. 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.

41. Metais de sacrifício

44. 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.

45. Galvanização

46. 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

47. 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

48. Corrosão

49. Corrosão

50. Corrosão