MetaisObteno/processos de corrosoProf. Marcelo J. D. M. Jannini

2012

INTRODUO

Cincia dos materiais faz parte do conhecimento bsico para todas as engenharias

As propriedades dos materiais definem: o desempenho de um determinado componente e o processo de fabricao do mesmo

Materiais

ENGENHAR I A

O nmero de materiais cresceu muito nas ltimas dcadas e a tendncia de se proliferarem mais num futuro prximo

Desenvolvimento e aperfeioamento dos mtodos de extrao de materiais da naturezaModificao de materiais naturaisCombinao de materiais conhecidos para a formao de novos materiais

QUANTOS MATERIAIS DIFERENTES EXISTEM ?COMO ESCOLHER ??

Como definir qual o melhor material para um determinado fim?

Exemplo: CopoVidroCermicaPlsticoMadeiraMetalPapel

CustoTempo de vida ou DurabilidadeAparnciaFinalidade: Natureza do lquido (ex: copo de metal e papel no pode ser usado para caf, suco de laranja no pode ser armazenado numa taa antiga de peltre porque remove o Pb da liga)

Depende

Quais os critrios que um engenheiro deve adotar para selecionar um material entre tantos outros? Em primeiro lugar, o engenheiro deve caracterizar quais as condies de operao que ser submetido o referido material e levantar as propriedades requeridas para tal aplicao, saber como esses valores foram determinados e quais as limitaes e restries quanto ao uso dos mesmos.

A segunda considerao na escolha do material refere-se ao levantamento sobre o tipo de degradao que o material sofrer em servio. Por exemplo, elevadas temperaturas e ambientes corrosivos diminuem consideravelmente a resistncia mecnica de materiais em geral.

Quais os critrios que um engenheiro deve adotar para selecionar um material entre tantos outros?

Finalmente, a considerao talvez mais convincente provavelmente a econmica:

Qual o custo do produto acabado??? Um material pode reunir um conjunto ideal de propriedades, porm com custo elevadssimo. Quais os critrios que um engenheiro deve adotar para selecionar um material entre tantos outros?

SELEO DOS MATERIAIS POR NDICE DE MRITOEx. Resistncia:

Material Ao-liga Ti Al PRFC (alta resist.) (AA7074)

Resist. (MPa) 1000 800 50 700 traoPRFC= Polmero reforado com fibra de carbono

SELEO DOS MATERIAIS POR NDICE DE MRITOEx. Resistncia/peso:

Material Ao-liga Ti Al PRFC (AA7074)

133 170 185390

SELEO DOS MATERIAIS POR NDICE DE MRITOEx. Custo Kg/US$:

Material Ao-ligaTi Al PRFC (alta resist.) (AA7074)

0,75 15 3 20

INDSTRIA DE PONTAPRODUO EM MASSATIPOS DE INDSTRIA - INFLUNCIA DOS MATERIAIS

Em raras ocasies um material rene uma combinao ideal de propriedades, ou seja, muitas vezes necessrio reduzir uma em benefcio da outra. Um exemplo clssico so resistncia e ductilidade, geralmente um material de alta resistncia apresenta ductilidade limitada. Este tipo de circunstncia exige que se estabelea um compromisso razovel entre duas ou mais propriedades.

Quais os critrios que um engenheiro deve adotar para selecionar um material entre tantos outros?

CLASSIFICAO DOS MATERIAIS

A classificao tradicional dos materiais geralmente baseada na estrutura atmica e qumica destes.

MateriaisMecnica: deformao a uma carga ou fora aplicada (mdulo elstico e resistncia mecnica)Eltrica: condutividade e constante dieltrica. Estmulo: campo eltricoTrmica: capacidade calorfica e condutividade trmicaMagntica: resposta de um material aplicao de um campo magnticoptica: ndice de refrao de reflectividade. Estmulo: eletromagntico ou radiao da luzDeteriorativa: reatividade qumica de materiais

Estmulo capaz de provocar diferentes respostas

Por que estudar materiais?Engenheiros: mecnicos, civis, qumicos, eltricos, de computao, de produo

INVESTIGAO E PROJETOS DE MATERIAIS

Classificao dos MateriaisMetaisPolmerosCermicas

Compsitos: combinaes de dois ou mais materiais diferentesSemicondutores: caractersticas eltricasBiomateriais: biocompatveis

Constituio qumica e estrutura atmica

MetaisMateriais metlicos: so combinaes de elementos metlicosTem um grande nmero de eltrons no localizados no amarrados aos tomosSo bons condutores de calor e eletricidadeNo so transparentes luz visvel (superfcie de aparncia lustrosa)So fortes, podem ser deformveis ou no: diversas aplicaes

Metais

Metais

CLASSIFICAO DOS MATERIAISCermicas

Materiais cermicos so geralmente uma combinao de elementos metlicos e no-metlicos.Geralmente so xidos, nitretos e carbetos. Materiais argilosos, vidros e cimentosSo geralmente isolantes de calor e eletricidadeSo mais resistntes altas temperaturas e ambientes severos que metais e polmerosCom relao s propriedades mecnicas as cermicas so duras, porm frgeisEm geral so leves

CLASSIFICAO DOS MATERIAISPolmeros

Materiais polimricos so geralmente compostos orgnicos baseados em carbono, hidrognio e outros elementos no-metlicos.So constitudos de molculas muito grandes (macro-molculas)Tipicamente, esses materiais apresentam baixa densidade e podem ser extremamente flexveisMateriais polimricos incluem plsticos e borrachas

CLASSIFICAO DOS MATERIAISCompsitos

Materiais compsitos so constitudos de mais de um tipo de material insolveis entre si.Os compsitos so desenhados para apresentarem a combinao das melhores caractersticas de cada material constituinteMuitos dos recentes desenvolvimentos em materiais envolvem materiais compsitosUm exemplo classico o compsito de matriz polimrica com fibra de vidro. O material compsito apresenta a resistncia da fibra de vidro associado a flexibilidade do polmero

CLASSIFICAO DOS MATERIAISSemicondutores

Materiais semicondutores apresentam propriedades eltricas que so intermedirias entre metais e isolantesAlm disso, as caractersticas eltricas so extremamente sensveis presena de pequenas quantidades de impurezas, cuja concentrao pode ser controlada em pequenas regies do materialOs semicondutores tornaram possvel o advento do circuito integrado que revolucionou as indstrias de eletrnica e computadoresEx: Si, Ge, GaAs, InSb, GaN, CdTe..

InP

CLASSIFICAO DOS MATERIAISBiomateriais

Biomateriais so empregados em componentes para implantes de partes em seres humanosEsses materiais no devem produzir substncias txicas e devem ser compatveis com o tecido humano (isto , no deve causar rejeio).Metais, cermicos, compsitos e polmeros podem ser usados como biomateriais.

EVOLUO DA UTLIZAO DOS MATERIAIS

MATERIAIS AVANADOSSo materiais utilizados em aplicaes de tecnologia de ponta, ou seja, so materias utilizados para a fabricao de dispositivos ou componentes que funcionam ou operam usando princpios sofiscadosExemplos destas aplicaes incluem: equipamentos eletrnicos (VCRs, CD players, DVDs), computadores, sistemas de fibra ptica, foguetes e msseis militares, detectores, lasers, displays de cristal lquido, indstria aeroespacial, etc. Estes materiais so geralmente materiais tradicionais cujas propriedades so otimizadas ou materiais novos de alto desempenho.

ALGUMAS CONSIDERAES SOBRE A NECESSIDADE DE MATERIAIS MODERNOSMaterias que apresentem:Alto desempenhoBaixo peso e alta resistnciaResistncia altas temperaturasDesenvolvimento de materiais que sejam menos danosos ao meio ambiente e mais fceis de serem reciclados ou regenerados

MATERIAIS INTELIGENTES E NANOTECNOLOGIA

METAIS

MetaisSo exemplos de alta resistncia que podem ser encontrados livremente na natureza na forma de jazidas ou na apresentao de minrio.Sobre minrios: espcies de compostos qumicos que em sua constituio apresentam ons metlicos estruturais.Ex: Minrio de ferro. (Fe3O4, Fe2O3)

CaractersticasTendncia doar eltrons implica em serem encontrados na forma de minrios.

Metalurgia a seqncia de processos que visa obter um metal a partir do minrio correspondente.

M+nMetal no MinrioREDUOMMetal na forma simples

Representao EsquemticaExtrao da minaPurificao do MinrioReduoPurificao do Metal

Metalurgia

Reduo do Ferro3 Fe2O3 + CO 2 Fe3O4 + CO2Fe3O4 + CO 3 FeO + CO2FeO + CO Fe + CO2

Processos podem ocorrer naturalmente, mas s vezes h uma grande quantidade de energia envolvida para obteno do ferro metlico. (?????)

Oxidao/Reduo conceitos importantesNa reduo h uma tendncia de que o elemento (on) envolvido ganhe eltrons.

Na oxidao h uma tendncia de que o elemento (on) envolvido perca esse eltron.

Por esse motivo alguns metais tendem a se desgastar primeiro do que outros.

Metal de SacrifcioSo metais disposto ao longo da estrutura metlica majoritria, que no participam da constituio qumica da liga metlica principal, e que tendem a serem oxidados antes do metal principal.

Os metais de sacrifcio podem ser reconhecidos por seus potenciais de reduo ou oxidao.

Metais de sacrifcio

GalvanizaoProteo do ferro (ou o ao), processo no qual a superfcie do metal coberta por uma camada de zinco metlico.A pea a ser galvanizada mergulhada num banho de zinco fundido. Isso fcil porque o zinco funde a 420C.A superfcie coberta com zinco fica com aspecto cinza-claroPor que o zinco protege o ferro? Esse metal, como o alumnio, tem uma pelcula muito fina, transparente e impermevel de xido de zinco que no deixa nem o ar nem a gua passarem.Outra vantagem: no caso de a superfcie do zinco ser arranhada e o ferro exposto ao ar e umidade, no h problema porque o zinco oxidado preferencialmente, e o ferro permanece na forma de metal.O zinco transforma-se em ons de zinco positivos. Os eltrons que saem dessa transformao passam para o ferro. Assim, o ferro fica protegido porque, carregado negativamente, dificulta a oxidao (perda de eltrons dos tomos). A galvanizao um processo mais caro que a pintura, mas mais eficiente.

Galvanizao

Metais de SacrifcioProcesso semelhante muito usado para proteger os cascos de navios e as estacas das plataformas de petrleo, feitas de ao. O casco do navio e as estacas das plataformas no so galvanizadas. So colocados blocos de magnsio metlico, que fazem o mesmo papel do zinco. O magnsio em contato com a gua do mar sofre oxidao e liberta eltrons que protegem o ao.O magnsio chamado metal de sacrifcio porque precisa ser trocado de tempos em tempos

Processamento Trmico de MetaisRecozimento

Material exposto a uma temperatura elevada durante um perodo de tempo e resfriado lentamenteAliviar as tenses do material, tornar mais mole e tenaz, produzir microestrutura especficaTemperadoAmolecer e aumentar a ductibilidade

Corroso

Corroso

Corroso

Corroso

Corroso

Formas de Corroso

AoBasicamente uma liga ferro-carbono com teor de carbono inferior a 1,8% em massa e susceptvel de adquirir, por meio de tratamento mecnico e trmico, variadas propriedades, podendo conter em sua composio outros elementos como nquel, mangans, tungstnio, vandio, cromo, silcio, etc.

Ao- HistriaUm dos primitivos mtodos de obteno do ao foi o a forja catal, onde o minrio de ferro era reduzido pelo carvo em uma instalao de pedra onde incidia um sopro de ar obteno de uma mistura pastosa com metal e impurezas.

A partir do sculo XV surgiram os primeiros altos-fornos, onde atravs do aumento da quantidade de ar soprado foi possvel o aumento da temperatura e a conseqente obteno da mistura em estado lquido.

Forja Catal

Conceitos importantes sobre o aoMinrio de ferro: presente em aproximadamente 5% da crosta terrestre. O ferro no encontrado em estado puro na natureza mas em combinaes qumicas de metais contidos nas rochas. Essas combinaes qumicas ocorrem misturadas com as gangas, compostas de silcio, alumnio, cal e magnsio.

Principais Constituintes: magnetita (Fe3O4) com cerca de 60% de ferro; hematita vermelha (Fe2O3) com cerca de 65% de ferro; ferro ooltico; siderita ou ferro esptico (FeCO3) com alto teor de mangans; FeS2.

Coque: desempenha uma dupla funo na elaborao da gusa: a de combustvel e a de redutor.Origem: provm da destilao do carvo, que deve ser o mais puro possvel para evitar resduos como enxofre e fsforo. Como redutor absorve o oxignio combinado com outros elementos. Carvo livre de S minimiza as emisses de gases que na atmosfera podem se combinar formando a chuva cida.

Ganga: Impurezas que ocorrem junto com o minrio de ferro em estado bruto, compostas principalmente de silcio, alumnio, cal e magnsio.

Fundente: pedra de cal ou magnsio adicionada a massa incandescente para separar o ferro da ganga. O fundente combinado com a ganga d a escria

Gusa: a parte til para a produo do ao, composta basicamente de ferro fundido com carbono entre 2,5% a 6,67%.Ao 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 Sucia: Ferro + pequenos traos de carbono.

Ferro PrimrioFontes de Ferro

5mm

Detalhes do processo

Tpica Bateria de coqueificaoCoque incandescente pronto para ser descarregadoCoqueria

Efeito dos Elementos de Liga nos Aos Alterar as propriedades mecnicas Aumentar a usinabilidade Aumentar a temperabilidade Conferir dureza a quente Aumentar a capacidade de corte Conferir resistncia corrosoConferir resistncia ao desgaste Conferir resistncia a oxidao Modificar as caractersticas eltricas e magnticas.

Dopantes do AoNquel: de 0,5% a 5% melhora a temperabilidade e aumenta a resistncia mecnica. Com 50% aumenta a resistncia corroso.Cromo: de 1% a 6% aumenta a temperabilidade e resistncia mecnica. De 10% a 20% torna-o inoxidvel. Com 25% torna o ao refratrio.Silcio: at 2% aumenta a elasticidade e diminui as

perdas magnticas.Mangans: a 13% aumenta a resistncia ao impacto e ao desgaste.Tungstnio: at 18% favorece a resistncia.

Ligas No FerrosasLigas: misturas slidas de metais suprir necessidades especficasPropriedades das ligas: afetadas pela composio e pela estruturaAlgumas ligas: composies homogneas de uma nica fase: lato (Cu-Zn), bronze (Cu-Sn, Al, Si, Ni), alumnio (Mg, Ti- transportes), (Li-aeronutica, aeroespacial)