PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS REVISÃO DAS AULAS 1 A 5 Professor: Iran Aragão.

PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAISREVISÃO DAS AULAS 1 A 5

Professor: Iran AragãoProfessor: Iran Aragão

PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS

REVISÃO AULAS 1 A 5

OBJETIVO DA AULA

Fazer uma breve revisão do conteúdo das aulas 1 a

• Os materiais sólidos são freqüentemente

classificados em três grandes grupos principais:

• Materiais metálicos:

• Materiais cerâmicos:

• Materiais poliméricos ou plásticos:

CLASSIFICAÇÃO

» Possuem elétrons livres;

» Bons condutores de eletricidade e calor;

» Não transparentes;

» Muito resistentes;

» Facilmente deformáveis e pesados.

METAIS

» Composições de elementos metálicos e

não metálicos;

» Normalmente isolantes;

» Duros e frágeis (quebradiços);

» Resistente a altas temperaturas

(refratários);

CERÂMICAS

» Compostos orgânicos baseados em carbono,

hidrogênio e outros elementos não metálicos;

» Baixa condutividade elétrica;

» Tipicamente tem baixa densidade e podem ser

extremamente flexíveis

POLÍMEROS

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.

Ligação iônica

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

Covalente

• Elétrons sendo compartilhados com átomos

adjacentes;

• Esse tipo de ligação é comum em compostos

orgânicos, por exemplo em materiais poliméricos e

diamante.

ASSOCIAÇÃO DE ÁTOMOS

AS 14 REDES DE BRAVAIS

•Dos 7 sistemas cristalinos podemos identificar 14 tipos diferentes de células unitárias, conhecidas com redes de Bravais.

• As redes cristalinas mais importantes:

Cúbica:

- Cúbica de corpo centrado (CCC);

- Cúbida de face centrada (CFC).

Hexagonal:

- Hexagonal compacta (HC).

REDES BRAVAIS

REDE CÚBICA DE CORPO CENTRADO (CCC)

NC: Número de Coordenação, que corresponde ao número de átomos vizinhos mais próximos.

• Fator de empacotamento atômico (APF= atomic

packing factor)

REDE CÚBICA DE CORPO CENTRADO (CCC)

REDE CÚBICA DE FACE CENTRADA (CFC)

REDE HEXAGONAL COMPACTA (HC)

A temperaturas abaixo 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.

ALOTROPIA DO FERRO PURO

• 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.

DEFORMAÇÃO

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)

)( Edeelásticidademódulodeformação

Tensão

ELASTICIDADE

Curva Tensão () x Deformação ()

Região elástica

Região plástica

Deformação plástica uniforme

Deformação plástica não uniforme

Deformação plástica total

LR = Tensão limite de resistência (TS - tensile strength)

LE = Tensão limite de escoamento (YS - yield strength)

E = Módulo de elasticidade

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.

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.

EXERCÍCIO

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

l= (10000 x 400) /(210000 x 19,625)

Resposta: l= 0,97 mm

EXERCÍCIO

= E . = E.L/L0 L = L0/E

E é obtido de uma tabela: ECu = 11.0 x 104

Assim: L = 220 . 400/11.0 x 104 = 0.80 mm

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?

DIAGRAMA FASES

Diagrama de fases da água (1 atm = 760 torr)

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 = 9,868×10-6 atm;

Ponto de fusão aprox

1085°C)

DIAGRAMA FASES

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.

SOLUBILIDADE

SISTEMAS BINÁRIOS (características)

Os dois componentes formam uma única solução sólida em qualquer composição.

Ou seja, há solubilidade total em qualquer proporção de soluto.

SISTEMAS BINÁRIOS (ISOMORFO)Diagrama Cobre-Níquel

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)

SISTEMAS BINÁRIOS (EUTÉTICO)

Reação Eutetóide: sólido 1 (sólido 2 + sólido 3)

SISTEMAS BINÁRIOS (EUTETÓIDE)

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.

CONCEITOS DE GRÃOS

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

ENCRUAMENTO DO GRÃO

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,

Diagrama de equilíbrio - Fe – C

Solubilidade do C no Fe

Na fase α Máximo de 0.022%Na fase Máximo de 2.11 %

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.

DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO - FE – C

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%)

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).

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.

Concentração Hipo-Eutetóide:

eutetóide toda a fase se transforma em perlita

(ferrita eutetóide + Fe3C). A fase α, que não muda,

é denominada ferrita pro-eutetóide.

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.

Concentração Hiper-Eutetóide:

eutetóide toda a fase se transforma em perlita.

A fase Fe3C, que não muda, é denominada

cementita pro-eutetóide.

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.

EXERCÍCIO

Leia o Diagrama Chumbo-Estanho apresentado a seguir e responda: a)Qual a temperatura de fusão do Pb e do Sn?

estanho puro 232o C e chumbo puro 320o Cb) 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.

EXERCÍCIO

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

EXERCÍCIO

Leia o Diagrama Chumbo-Estanho apresentado a seguir e responda: b) Identifique as Linhas Sólidus e Líquidus: c) Identifique o ponto Eutético, sua temperatura e suas %.

liga eutética com 63% Sn e 37% de Pb

EXERCÍCIO

Leia o Diagrama Chumbo-Estanho apresentado a seguir e responda: d) Use a Regra da Alavanca e estude a liga 30-70 (70%Pb e 30%Sn) na temperatura de 200º.

17% – 30 % – 50 %R = 30 – 17 = 13S = 50 – 30 = 20

L = 20/33 = 0,6061 = 0,3939

EXERCÍCIO

Leia o Diagrama Chumbo-Estanho apresentado a seguir e responda: e) Identifique as Linhas Solvus.

EXERCÍCIO

f) Se você fosse especificar uma liga para ser utilizada em processos de soldagem, qual seria sua composição. Justifique. Especificar a liga eutética com 63% Sn e 37% de Pb, que uma liga com essa composição se comporta como uma substância pura, com um ponto definido de fusão, no caso 183o C. Esta é uma temperatura inferior a temperatura de fusão dos metais que compõem esta liga (estanho puro 232o C e chumbo puro 320o C), o que justifica sua ampla utilização na soldagem de componentes eletrônicos, onde o excesso de aquecimento deve sempre ser evitado.

EXERCÍCIO

f) Se você fosse especificar uma liga para ser utilizada em processos de soldagem, qual seria sua composição. Justifique.

EXERCÍCIO

Até a próxima aula!

Bom Estudo!

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