Metais
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Elementos químicos que existem como
cristais ou agregados de cristais com caráter
metálico
PROPRIEDADES
Grande número de elétrons livres
Alta dureza
Elevada resistência mecânica
Dúcteis(deformação antes de quebrar)
Excelente condutividade elétrica e térmica
(a) Micrografia óptica de um latão policristalino; (b) micrografia óptica (luz refletida) de
um aço hipoeutetóide, mostrando perlita grossa
Alguns apresentam estados alotrópicos(estruturas
diferentes devido à temperatura e/ou à pressão)
Ex: Fe
Entre -273ºC e 912ºC – CCC, conhecido como α-Fe(ferrita)
Entre 912ºC e 1394ºC – CFC, conhecido como γ-Fe(austenita)
Entre 1394ºC e 1539ºC – CCC, conhecido como δ-Fe
É magnética até 768ºC
Entre 768ºC e 912ºC deixa de ser (Nessa faixa de temperatura, a fase é conhecida como β-Fe (Visualmente é idêntica à fase ferrita)
α-Fe (ferrita=solução sólida de C em α-Fe)
Não forma liga com o carbono(dissolve no
máximo 0,002%p C à 727ºC)
É dúctil e macia(facilmente usinável)
γ-Fe (Austenita=solução sólida de C + γ-Fe)
Fase que melhor permite maior solubilidade
do carbono(~ 2,14%p C à 1148ºC)
Não é magnética
É mais dura que a ferrita
Ligas Ferrosas(Baseadas em Fe)
Aço Carbono ( teor de impurezas ~ 2%)
Aços – liga (teor de impurezas entre 2 e 6,67%)
Ferro fundido
Aço Carbono
Apresenta variedades alotrópicas que
dependem do teor de C(%pC) e da Tº C.
Austenita – Solução sólida de C e γ-Fe
Ferrita – Solução sólida de C e α-Fe
Cementita - Carboneto de Ferro (Fe3C)
(6,67% de C e 93,33% de Fe)
Aços – liga
Entre 2 e 5% de elementos, contando com o C →Aço
baixa-liga Acima de 5% de elementos, contando com o C→alta-liga
Fe3C+Cr, Fe3C+Si+Mn
Fe3C+Cr+V
Fe3c+Ni
Aços rápidos (Fe3C+W+V+Mo)
Não contém ferro ou contém baixa quantidade
Ligas de Alumínio
Ligas de Titânio
Ligas de Cobre
Ligas de Níquel
Chumbo
Zinco
Ligas Não Ferrosas
OBTENÇÃO DOS METAIS
Normalmente são concentrados em jazidas e
dificilmente são encontrados na forma pura, como as
pepitas de Au e Ag.
Mistura entre metais e impurezas é chamada de
minério
A partir do minério, a obtenção passa por 2 fases:
MINERAÇÃO E METALURGIA
APÓS A COLHEITA
Separação(Purificação) dos minérios utilizáveis e
eliminação de impurezas (areia, argila, etc.)
Processos Mecânicos
Purificação
Processo Químicos
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1-Ensaio de tração
Ensaio utilizado na
maioria nos Metais e
Plásticos.
No ensaio o corpo de
prova é submetido à
uma força de tração
uniaxial que tende a
esticá-lo ou alongá-lo
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Tensão:
É definida como a força por unidade de
área e é expressa em libras por polegadas
quadrada (psi) ou kilograma força por
centímetro quadrado (kgf/cm2).A tensão é
calculada dividindo-se a força pela área na
qual atua.
= F/ A
A
F
A
F
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Tração:
Diz-se que uma barra esta sob tração
quando as forças que sobre ela atuam
tendem a separar as moléculas no
sentido de seu eixo de aplicação.
OBS.: ensaio solicitado para barras.
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Modulo de elasticidade:
É o quociente entre a tensão aplicada e a
deformação elástica resultante. Ele esta
relacionada com a rigidez do material. O
módulo resultante da tração ou
compressão do material é expresso em
Kgf/mm² ou psi.
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Deformação nos materiais:
Todos os materiais de modo geral são
projetados para não sofrerem deformações,
ou seja; trabalham dentro da deformação
elástica.
oL
LE
.
A
F
A
F
01/04/2014 29
Deformação plástica:
É a deformação permanente provocada por
tensões que ultrapassa o limite de elasticidade.
A deformação plástica é o resultado de um
deslocamento permanente dos átomos que
constituem o material e, portanto, difere da
deformação elástica onde os átomos mantêm
suas posições relativas.
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Ductilidade
Materiais frágeis
possuem deformação na
ordem de 5%;
Materiais dúcteis são
considerados
generosos.Ou seja;
experimentam
deformações
consideráveis sem se
deformar.
Ex.: Plásticos e Metais
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PROPRIEDADES DOS METAIS DEFORMADOS
PLASTICAMENTE
A capacidade de um material se deformar
plasticamente está relacionado com a
habilidade das discordâncias se
movimentarem
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O escorregamento de planos atômicos
envolve o movimento de discordâncias
MOVIMENTO DE DISCORDÂNCIAS
MOVIMENTO DE DISCORDÂNCIAS EM CUNHA E EM HÉLICE
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Em uma escala microscópica a
deformação plástica é o
resultado do movimento dos
átomos devido à tensão
aplicada. Durante este processo
ligações são outras refeitas;
Nos sólidos cristalinos a deformação plástica
geralmente envolve o escorregamento de planos
atômicos, o movimento de discordâncias e a formação
de maclas
Então, a formação e movimento das discordâncias
têm papel fundamental para o aumento da
resistência mecânica em muitos materiais.
A resistência Mecânica pode ser aumentada
restringindo-se o movimento das discordancias
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MOVIMENTO DE DISCORDÂNCIAS E A DEFORMAÇÃO
PLÁSTICA
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Discordâncias em cunha movem-se devido à aplicação de uma tensão de cisalhamento perpendicular à linha de discordância;
O movimento das discordâncias pode parar na superfície do material, no contorno de grão ou num precipitado ou outro defeito;
A deformação plástica corresponde à deformação permanente que resulta principalmente do movimento de discordâncias (em cunha ou em hélice)
A presença de discordâncias
promove uma distorção da
rede cristalina de modo que
certas regiões sofrem tensões
compressivas e outras tensões
de tração.
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MOVIMENTO DE DISCORDÂNCIAS EM MONOCRISTAIS
Durante a deformação plástica o
número de discordâncias
aumenta drasticamente
As discordâncias movem-se mais
facilmente nos planos de maior
densidade atômica (chamados
planos de escorregamento).
Neste caso, a energia necessária
para mover uma discordância é
mínima
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MACLAS
È o deslocamento da discordancia devido a planos
diferentes, fazendo com que o plano curve.
Discordâncias não é o único defeito cristalino responsável pela deformação plástica, maclas também contribuem.
Deformação em materiais cfc, como o cobre, é comum ocorrer por maclação
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MECANISMOS PARA AUMENTO DA RESISTENCIA
NOS METAIS:
Aumento da resistência por
adição de elemento de liga
(formação de solução sólida
ou precipitação de fases)
Aumento da resistência por
redução do tamanho de grão
Aumento da resistência por
encruamento
Aumento da resistência por
tratamento térmico
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DEFORMAÇÃO PLÁSTICA EM MATERIAIS
POLICRISTALINOS
O contorno de grão interfere no movimento das discordâncias
Devido as diferentes orientações cristalinas presentes, resultantes do grande número de grãos,
as direções de escorregamento das discordâncias variam de grão para grão.
01/04/2014
MECANISMOS DE AUMENTO DE RESISTENCIA
Aumento da resistência por diminuição do
tamanho de grão;
Aumento da resistência por solução sólida;
Encruamento, recuperação, recristalização
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AUMENTO DA RESISTENCIA POR REDUÇÃO DO
TAMANHO DO GRÃO
Grãos menores possuem mais contornos de
grão que impedem o movimento das
discordâncias, aumentando assim a
Resistência.
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ENCRUAMENTO OU ENDURECIMENTO PELA
DEFORMAÇÃO À FRIO
É o fenômeno no qual um material endurece devido à deformação plástica (realizado pelo trabalho à frio)
Esse endurecimento dá-se devido ao aumento de discordâncias e imperfeições promovidas pela deformação, que impedem o escorregamento dos planos atômicos.
A medida que se aumenta o encruamento maior é a força necessária para produzir uma maior deformação;
O encruamento pode ser removido por tratamento térmico (recristalização
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MECANISMO QUE OCORRE NO AQUECIMENTO
DE UM MATERIAL ENCRUADO
ESTÁGIOS:
Recuperação
Recristalização
Crescimento de grão
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RECUPERAÇÃO
Há um alívio das tensões internas armazenadas durante a deformação devido ao movimento das discordâncias resultante da difusão atômica;
Nesta etapa há uma redução do número de discordâncias e um rearranjo das mesmas;
Propriedades físicas como condutividade térmica e elétrica voltam ao seu estado original (correspondente ao material não-deformado)
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RECRISTALIZAÇÃO
Depois da recuperação, os grãos ainda estão tensionados;
Na recristalização os grão se tornam novamente equiaxiais (dimensões iguais em todas as direções);
O número de discordâncias reduz mais ainda;
As propriedades mecânicas voltam ao seu estado original;
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CRESCIMENTO DE GRÃO
Depois da recristalização se o material
permanecer por mais tempo em
temperaturas elevadas o grão
continuará à crescer
Em geral, quanto maior o tamanho de
grão mais mole é o material e menor é
sua resistência
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TEMPERATURAS DE RECRISTALIZAÇÃO
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Estanho - 4C
Zinco 10C
Alumínio de alta pureza 80C
Cobre de alta pureza 120C
Latão 60-40 475C
Níquel 370C
Ferro 450C
Tungstênio 1200C
DEFORMAÇÃO À QUENTE E À FRIO
Deformação à quente: quando a
deformação ou trabalho mecânico é
realizado acima da temperatura de
recristalização do material
Deformação à frio: quando a
deformação ou trabalho mecânico é
realizado abaixo da temperatura de
recristalização do material
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DEFORMAÇÃO À QUENTE
VANTAGENS
Permite o emprego de menor esforço mecânico para a mesma
deformação (necessita-se então de máquinas de menor
capacidade se comparado com o trabalho a frio).
Promove o refinamento da estrutura do material, melhorando a
tenacidade
Elimina porosidades
Deforma profundamente devido a recristalização
DESVANTAGENS:
Exige ferramental de boa resistência ao calor, o que implica em
custo
O material sofre maior oxidação, formando casca de óxidos
Não permite a obtenção de dimensões dentro de tolerâncias
estreitas
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DEFORMAÇÃO À FRIO
Aumenta a dureza e a resistência dos
materiais, mas a ductilidade diminui
Permite a obtenção de dimensões dentro de
tolerâncias estreitas
Produz melhor acabamento superficial
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RESILIENCIA
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È a capacidade de um material absorver
Energia quando deformado elasticamente,
sendo que após a remoção ela recupera
a energia.
Os materiais possuem elevada LE e
baixo exemplos molas.
TENACIDADE
Capacidade do material absorver
energia até fratura. Um material tenaz
possui elevada ductilidade e boa
resistencia
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01/04/2014 59
2-RESISTÊNCIA A COMPRESSÃO
●OS ESFORÇOS TENDEM A ESMAGAR AS PARTÍCULAS;
●AQUI TAMBEM EXISTE UM PERIODO ELASTICO;
●AQUI EXISTE UMA SITUAÇÃO QUE CHAMAMOS DE
FLAMBAGEM;
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Resistência a Flexão
È uma deformação
composta, porque
resulta no aparecimento
de tensões de
compressão na face que
recebe a força, e tensão
de tração na face
oposta.
σ = 3PL
2a²b
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LIGA
METÁLICA
Limite de
Escoamento
(MPa)
Limite
Resistência a
Tração
(MPa)
Ductilidade(
%)
Aluminio 35 90 40 Cobre 69 200 45 Latão
(70Cu30Zn) 75 300 68
Ferro 130 262 45 Niquel 138 480 40 Aço (1020) 180 380 25 Titânio 450 520 25 Molibidênio 565 655 35
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DUREZA É a medida da resistência de um material a uma
deformação plástica localizada a uma impressão ou
risco.
Estes ensaios são realizados com mais frequencia do
que qualquer outro devidos aos seguintes motivos:
- São mais baratos
- Não e destrutivo
-Outras propriedades podem
ser estimadas por eles.
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Correlação entre dureza e o Limite de Resistência
O ensaio consiste na aplicação de uma carga
conhecida através de um penetrador de geometria
conhecida e na media da identação obtida. Existem
equipamentos que registram diretamente no mostrador
a dureza. Caso contrário será necessário fazer uma
medida da marca obtida. Como se pode esperar a
resistência a tração e dureza são diretamente
proporcionais.
LR (MPa) = 3,45 HB
xHBMPaLT 45,3)(
Antes da Mecânica da Fratura
foram desenvolvidos os testes de impacto
Justificativa -
Condições de impacto são as mais severas quanto ao poten
cial para fraturar os materiais sob certas condições de carga
:
Temperatura baixa
Temperatura baixa
Alta taxa de deformação
Estado triaxial de tensões (introduzido pela presença do ent
alhe)
01/04/2014 68
01/04/2014 71
OBJETIVO DO TESTE CHARPY E ISOLD:
Verificar se existe em determinado material transição na fratura
ductil frágil e em que faixa de temperatura isto ocorre.
Transição Dúctil‐Frágil
Alguns metais não apresentam a transição dúctil‐frágil
Ex: Metais CFC e Ligas de Al, Cu e aço inox austenítico
Ligas de Al: se mantêm dúcteis mesmo a T muito baixas
Aços Inox Austenítico aplicações criogênicas
Metais CCC e hexagonais → apresentam esta transição.
A Temperatura de Transição é dependente da composição química
da liga
e da microestrutura.
Aços: > %C > T de transição
OBS: Reduzir o tamanho de grão diminui a T de transição!
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PROCESSO FABRICAÇÃO METAIS
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A indústria siderúrgica abrange todas as etapas necessárias para, a partir das
matérias-primas, produzir-se ferro e aço.
Estes dois materiais, de largo emprego em nosso planeta, não são
encontrados sob a forma de metais no ambiente. A matéria-prima a ser
transformada é o minério de ferro. O processo clássico e mais usado para a
redução do minério de ferro é o do alto-forno, cujo produto consiste numa liga
ferro-carbono de alto teor de carbono, denominado ferro gusa, o qual, ainda
no estado líquido, é encaminhado à aciaria, onde, em fornos adequados, é
transformado em aço. Este é vazado na forma de lingotes, os quais, por sua
vez, são submetidos à transformação mecânica, por intermédio
de laminadores, resultando blocos, tarugos e placas. Estes, finalmente, ainda
por intermédio de laminadores, são transformados em perfis, trilhos, tarugos,
chapas, barras, etc.
Austenite
g
Martensite
(TCC)
Perlite (a + Fe3C)+ fase
pró-eutectoide
Arrefecimento
lento Arrefecimento
rápido
Bainite (a + Fe3C)
Arrefecimento
moderado
Estrututuras metaestáveis Estrututura estável
Tratamentos térmicos
(Recozimento / Normalização) (Têmpera)
TRATAMENTO
TÉRMICO FINALIDADE PROCESSO
RECOZIMENTO Remoção de tensões deixadas no aço por
trabalho a frio. Diminui a dureza e as tensões
limite elástica e de ruptura. Diminui a dureza do
aço.
Aquecimento seguido de
arrefecimento no próprio
forno (lentamente).
NORMALIZAÇÃO Homogeneização da microestrutura e alívio de
tensões internas.
Aquecimento seguido de
arrefecimento ao ar.
TÊMPERA Obtenção de martensite e/ou bainite. Aumenta
a resistência mecânica e a dureza.
Aquecimento a alta
temperatura seguido de
arrefecimento rápido (em
água ou óleo)
REVENIDO Acompanha a têmpera, aliviando ou
removendo as tensões internas deixadas por
ela, e corrige as excessivas dureza e
fragilidade do material, melhorando a sua
ductilidade.
Aquecimento e
permanência a
temperaturas de 250 a 550
C, seguido de
arrefecimento.