PRINCÍP. DA CIÊNCIA E TEC. DOS MATERIAIS

1. PRINCÍP. DA CIÊNCIA E TEC. DOS MATERIAIS AULA REV1 Iran Aragão

2. OBJETIVO DA AULA Fazer uma breve revisão do conteúdo para a AV1.

3. CLASSIFICAÇÃO • Os materiais sólidos são freqüentemente classificados em três grandes grupos principais: • Materiais metálicos: • Materiais cerâmicos: • Materiais poliméricos ou plásticos:

4. METAIS • » Possuem elétrons livres; • » Bons condutores de eletricidade e calor; • » Não transparentes; • » Muito resistentes; • » Facilmente deformáveis e pesados.

5. CERÂMICAS • » Composições de elementos metálicos e não metálicos; • » Normalmente isolantes; • » Duros e frágeis (quebradiços); • » Resistente a altas temperaturas (refratários);

6. POLÍMEROS • » Compostos orgânicos baseados em carbono, hidrogênio e outros elementos não metálicos; • » Baixa condutividade elétrica; • » Tipicamente tem baixa densidade e podem ser extremamente flexíveis

7. LIGAÇÕES QUÍMICAS • Representam a união entre os átomos de um mesmo elemento ou de elementos diferentes. • Dependendo dos átomos que se unem, as ligações podem ser iônicas, covalentes, metálicas.

8. Ligação iônica • Resulta da atração entre cátions e ânions. • Todas as substâncias iônicas são sólidas. • Apresentam-se na forma de cristais.

9. ASSOCIAÇÃO DE ÁTOMOS • Covalente • Elétrons sendo compartilhados com átomos adjacentes; • Esse tipo de ligação é comum em compostos orgânicos, por exemplo em materiais poliméricos e diamante.

10. AS 14 REDES DE BRAVAIS • Dos 7 sistemas cristalinos podemos identificar 14 tipos diferentes de células unitárias, conhecidas com redes de Bravais.

11. REDES BRAVAIS • As redes cristalinas mais importantes: • Cúbica: • - Cúbica de corpo centrado (CCC); • - Cúbida de face centrada (CFC). • Hexagonal: • - Hexagonal compacta (HC).

12. Rede cúbica de corpo centrado (CCC) NC: Número de Coordenação, que corresponde ao número de átomos vizinhos mais próximos.

13. Rede cúbica de corpo centrado (CCC) • Fator de empacotamento atômico (APF= atomic packing factor)

14. Rede cúbica de face centrada (CFC) a=4R

15. Rede cúbica de face centrada (CFC) a=4R

16. Rede Hexagonal Compacta (HC)

17. Rede Hexagonal Compacta (HC)

18. ALOTROPIA DO FERRO PURO • A temperaturas acima de 912° o Fe apresenta-se na forma alotrópica  (CCC); Acima de 912° até 1394°  (CFC); Acima de 1394° até 1538°  (CCC). • A alotropia do Fe é importante porque a forma alotrópica pode dissolver o Carbono (C) até 2%, o que tem grande significado no tratamento térmico dos aços.

19. DEFORMAÇÃO • Tipos de deformações: • Elásticas: os átomos se afastam das posições originais sem ocuparem novas posições. O material retorna às suas dimensões originais, quando é cessada o motivo da deformação. • Plásticas: ao retirarmos o esforço, o material não retorna às suas dimensões originais. Suas dimensões originais ficam alteradas após cessar o esforço externo.

20. ELASTICIDADE Tensão e deformação são suficientemente pequenas. A constante de proporcionalidade entre tensão e deformação denomina-se LEI DE HOOKE. S.I: Newton/metro (N/m)

21. (MPa) LR Curva Tensão () x Deformação () f LE Deformação plástica não uniforme Deformação plástica uniforme  = E  Região elástica Região plástica Deformação plástica total LR = Tensão limite de resistência (TS - tensile strength) LE = Tensão limite de escoamento (YS - yield strength) E = Módulo de elasticidade

22. Diagrama Tensão - Deformação: Materiais Dúcteis • Quando uma grande deformação plástica ocorre entre o limite de elasticidade e o ponto de fratura, dizemos que esse material é DUCTIL.

23. EXERCÍCIO • Calcule a deformação elástica que acontece em um tirante que está submetido a uma força de tração de 10 000 N. O tirante tem seção circular constante cujo diâmetro vale 5 mm, seu comprimento é 0,4 m e seu material tem módulo de elasticidade valendo 2,1 x 105 N / mm2. Δl = F . l / E . A F = 10000 ; E = 2,1 x 105 N/mm2 ; l = 400mm A =  d2/4 = 3,14 x 52/4 = 19,625 mm2 l= (10000 x 400) /(210000 x 19,625) Resposta: l= 0,97 mm

24. EXERCÍCIO Uma peça de cobre de 400 mm é tracionada com uma tensão de 220 MPa. Se a deformação é considerada totalmente elástica, qual será o alongamento da peça?  = E .  = E.L/L0  L = L0/E E é obtido de uma tabela: ECu = 11.0 x 104 MPa Assim: L = 220 . 400/11.0 x 104 = 0.80 mm

25. DIAGRAMA FASES Diagrama de fases da água (1 atm = 760 torr)

26. DIAGRAMA FASES • Diagrama de equilíbrio para o cobre (puro), indicando as condições – pressão e temperatura, onde este metal se encontra na fase sólida, líquida ou vapor • (1 N/m2 = 9,868×10-6atm; Ponto de fusão aprox 1085°C) aprox 5 p/ 1 atm no pt B; 3 p/ 0,1 atm; ebulição =2.582 ºC

27. DIAGRAMA FASES

28. SOLUBILIDADE • O 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, tendem a crescer juntos.

29. SISTEMAS BINÁRIOS (características)

30. SISTEMAS BINÁRIOS (ISOMORFO) Diagrama Cobre-Níquel • Os dois componentes formam uma única solução sólida em qualquer composição. • Ou seja, há solubilidade total em qualquer proporção de soluto.

31. SISTEMAS BINÁRIOS (EUTÉTICO) • Reação Eutética transformação imediata de fase líquida em fase sólida. • Nos sistemas eutéticos ocorre a reação, onde , durante a fusão, um líquido se transforma em dois sólidos e vice versa. • Reação eutética: L  (sólido 1 + sólido 2)

32. SISTEMAS BINÁRIOS (EUTÉTICO)

33. SISTEMAS BINÁRIOS (EUTÉTICO)

34. SISTEMAS BINÁRIOS (EUTETÓIDE) • Reação Eutetóide: sólido 1         (sólido 2 + sólido 3)

35. CONCEITOS DE GRÃOS • Encruamento do grão: • Forjamento: Processo de transformação de metais por prensagem ou martelamento. • Laminação: Processo de deformação plástica no qual o metal tem sua forma alterada ao passar entre rolos em rotação. É o de maior uso em função de sua alta produtividade e precisão dimensional.

36. ENCRUAMENTO DO GRÃO

37. ENCRUAMENTO DO GRÃO • Aumento do grau de encruamento: • aumento limite de resistência; • diminuição da dutilidade do material, ficando mais frágil e resistindo menos a esforços de impacto

38. Diagrama de equilíbrio - Fe – C

39. Diagrama de equilíbrio - Fe – C Temperatura Formas do Ferro Tamb – 912ºC Ferrita (α– Fe, CCC) 912ºC – 1394ºC Austenita ( – Fe, CFC) 1294ºC – 1538ºC Delta Ferrita (δ – Fe, CCC)

40. Diagrama de equilíbrio - Fe – C Solubilidade do C no Fe Na fase α Máximo de 0.022% Na fase  Máximo de 2.11 %

41. Diagrama de equilíbrio - Fe – C Cementita – Fe3C • Composto estável que se forma nas fases α e  quando a solubilidade máxima é excedida, até 6.7 wt%C. • É dura e quebradiça. A resistência de aços é aumentada pela sua presença.

42. CLASSIFICAÇÃO DE LIGAS FERROSAS 0-0.008wt% C – Ferro Puro 0.008-2.11wt% C – Aços (na prática <1.0 wt%) 2.11-6.7wt% C – Ferros fundidos (na prática <4.5wt%)

43. CLASSIFICAÇÃO DE LIGAS FERROSAS • Concentração Eutetóide: • A uma temperatura imediatamente abaixo da eutetóide, toda a fase  se transforma em perlita (ferrita + Fe3C) de acordo com a reação eutetóide. Estas duas fases tem concentração de carbono muito diferentes. Esta reação é rápida. Não há tempo para haver grande difusão de carbono (0,77wt% C).

44. CLASSIFICAÇÃO DE LIGAS FERROSAS • Concentração Hipo-Eutetóide: • Inicialmente, temos apenas a fase . Em seguida começa a surgir a fase α nas fronteiras de grão da fase . A uma temperatura imediatamente acima da eutética a fase α já cresceu, ocupando completamente as fronteiras da fase . A concentração da fase α é 0.22 wt%C. A concentração da fase  é 0.77 wt%C, eutetóide.

45. CLASSIFICAÇÃO DE LIGAS FERROSAS • Concentração Hipo-Eutetóide: • A uma temperatura imediatamente abaixo da eutetóide toda a fase  se transforma em perlita (ferrita eutetóide + Fe3C). A fase α, que não muda, é denominada ferrita pro-eutetóide.

46. CLASSIFICAÇÃO DE LIGAS FERROSAS • Concentração Hiper-Eutetóide: • Em seguida a fase  começa a surgir a fase Fe3C, nas fronteiras de grão da fase . A Concentração da Fe3C é constante igual a 6.7 wt%C. A concentração da austenita cai com a temperatura seguindo a linha que separa o campo  + Fe3C do campo . A uma temperatura imediatamente acima da eutetóide a concentração da fase  é 0.77 wt%C, eutetóide.

47. CLASSIFICAÇÃO DE LIGAS FERROSAS • Concentração Hiper-Eutetóide: • A uma temperatura imediatamente abaixo da eutetóide toda a fase  se transforma em perlita. A fase Fe3C, que não muda, é denominada cementita pro-eutetóide.

48. EXERCÍCIO Leia o Diagrama Chumbo-Estanho apresentado a seguir e responda: a) Qual a temperatura de fusão do Pb e do Sn? b) Identifique as Linhas Sólidus e Líquidus: c) Identifique o ponto Eutético, sua temperatura e suas %. d) Use a Regra da Alavanca e estude a liga 30-70 (70%Pb e 30%Sn) na temperatura de 200º. e) Identifique as Linhas Solvus. f) Se você fosse especificar uma liga para ser utilizada em processos de soldagem, qual seria sua composição. Justifique.

49. EXERCÍCIO • Leia o Diagrama Chumbo-Estanho apresentado a seguir e responda: • Qual a temperatura de fusão do Pb e do Sn? • estanho puro 232o C e chumbo puro 320o C • b) Identifique as Linhas Sólidus e Líquidus: • c) Identifique o ponto Eutético, sua temperatura e suas %. • d) Use a Regra da Alavanca e estude a liga 30-70 (70%Pb e 30%Sn) na temperatura de 200º. • e) Identifique as Linhas Solvus. • f) Se você fosse especificar uma liga para ser utilizada em processos de soldagem, qual seria sua composição. Justifique.

50. EXERCÍCIO Leia o Diagrama Chumbo-Estanho apresentado a seguir e responda: b) Identifique as Linhas Sólidus e Líquidus: