Cap. 17 - Compósitos

Definição: Material multifásico que exibe uma proporção significativa das propriedades

dos materiais que o constitui.

Obs: -Na prática os constituintes devem ser quimicamente diferentes e separados por uma

interface

- Muitos compósitos são constituídos por apenas duas fases; matriz e fase dispersa

liga metálica (perlita): -ferrita (Feα); dúctil e mole

-cementita (Fe3C); frágil e dura

compósitos naturais:

-osso; colágeno (proteína forte mas mole)

e apatita (mineral duro porém frágil)

-madeira; fibras de celulose (resistentes e flexíveis)

envolvidas pela lignina (rígida)

Exemplos:

concreto:-matriz; cimento

-fase dispersa; areia (enchimento) e brita

cermets (cerâmica-metal), ex.: carbetos cimentados

aplicação: ferramentas de corte de aços endurecidos

matriz; metal (Co, Ni)

fase dispersa; (WC, TiC)

Disciplina: EET – 310 Princípio de Ciência dos Materiais (PCM)

Fatores que influem nas propriedades dos compósitos: propriedades das fases, quantidades relativas e

geometria da fase dispersa (forma, tamanho, distribuição e orientação)

Obs: Fração volumétrica; parâmetro que influencia nas propriedades mecânicas dos compósitos

Classificação dos compósitos:

Reforçados com patículas:

- grandes; as interações não são em nível atômico ou molecular, são

rígidas e restringem o movim. da matriz e, suportam parte da carga aplicada

- por dispersão; partículas entre 0,01 e 0,1 µm que dificultam o movim

de discord., restringindo a deform. plast. e melhorando a e o LRT e a H.

Reforçados com fibras; tecnologicamente são os mais importantes para alta resist. e/ou rigidez com baixo

peso. Parâmetros considerados:

-resistência específica (LRT / densidade relativa do material)

-módulo específico (E / densidade relativa do material)

Obs:

-As características mecânicas dos compósitos além das propr. das fibras também dependem da

transferência de carga da matriz para as fibras.

-É necessário um comprimento crítico da fibra (Lc) para aumentar a resistencia e rigidez do compósito.

ex.: Lc = 1 mm e 20d < Lc < 150d para vários tipos de matriz com fibra de vidro ou C e L

-fibras contínuas L > > Lc (L > 15Lc).

-fibras descontínuas (L < Lc); a matriz se deforma ao redor das fibras, não há transferencia de carga

-as orientações, concentração e distribuição das fibras também influem nas propriedades

Comportamento Elástico – Carregamento Longitudinal:Ec = Em.Vm + Ef.Vf (eq. 17.10a )

Ec = Em.(1-Vf) + Ef.Vf (eq. 17.10b )

ou

uísqueres; monocristais (com elevada perfeição cristalina) com razão comprimento /diâmetro muito alta.

São os materiais mais resistentes existentes e isentos de defeito.

fibras: policristalinas ou amorfas com diâmetro relativamente pequenos. São geralmente polímeros

(aramidas) ou cerâmicas (vidro, C, B, alumina)

arames: tem diâmetro relativamente grandes. Incluem o aço, Mo e W

Fibras:

Obs: materiais frágeis na forma de são mais resistentes que os mesmos na forma de volume (< probab.

de defeito crítico superficial produzir trinca)

Classificação das fibras:

Matriz: Pode ser metal, polímero ou cerâmico. Para aplicações que requerem ductilidade opta-se

por metais ou polímeros

Funções da matriz em compósitos reforçados com fibras:

Meio de transmissão de carga.

Proteção das fibras individuais contra danos superficiais (abrasão mecânica ou reações químicas com o meio.

Separação das fibras para evitar a propagação de trincas.

Compósitos com Matriz Polimérica(PMC) reforçadas com:

fibras de vidro, vantagens:

(3µm < diâm. < 20µm)

-alta resistência e facilm. estiradas do estado fundido

-proporciona alta resist. específica no interior da matriz de plastico

-inerte quimicamente junto com plástico( pode ser usada

em ambientes corrosivos)

- aplicações, ex: indústria de transporte para < peso dos veículos e > eficiência dos combustíveis

fibras de C, vantagens:

-maiores resist. espec. e mód. espec. dentre todos os mat. fibrosos

-mantêm estas propr. em temperaturas elevadas (mas; problema de oxidação)

- não são afetadas por umidade, vários solventes , ácidos e bases

-custo relativam baixo dos seus compósitos

- aplicações, ex: equipam. esportivos (tacos de golfe), componentes estruturais de aeronaves

Compósitos com Matriz Metálica (MMC):

-utilizadas em > temperaturas que seus metal-base

-tipos de reforços; partículas, fibras contínuas (C, SiC, alumina

e metais refratários.

- funções do reforço, melhorar: sua resist. espec., rigidez espec.,

resist à abrasão, resist. à fluência, condut.

térm. e estabilidade dimensional.

Vantagens dos MMC em relação aos PMC:-tem > resist. à degradação por fluidos orgânicos

- podem ser usados em > temperaturas

- não são inflamáveis

fibras aramidas, vantagens:

(nomes comerciais: Kevlar

e nomex)

-materiais com cuja realação resistência – peso superam às dos metais

-seu LRT é > aos demais materiais poliméricos fibrosos

- tem alta tenacidade, resist. ao impacto, à fluência e à fadiga ( mas fracas

sob compressão

- resistentes à combustão (embora termoplásticas)

- embora susceptíveis à degradação por ácidos e bases fortes, são inertes

a outros solventes e produtos químicos

-aplicações; normalmente usadas com matriz de epóxi ou

poliésteres, ex: produtos balísticos ( coletes à prova de balas

Algumas aplicações de MMC:

- recente: componentes de motores de automóveis com matriz Al reforçada com fibras de alumina (

compósitos leves, resist. ao desgaste e à distorções térmicas

- estruturais; matriz de Al reforçada com fibras de B para ônibus espaciais

-espaciais; matriz de Al com fibras de grafita para o telescópio Hubble.

Compósitos com Matriz Cerâmica (CMC):

Obs:

-Os materiais cerâmicos são mais resistentes à oxidação e deterioração em temperaturas elevadas,

não fosse a sua fragilidade seriam ideais para aplicações nestas temperaturas e severas condições de

Tensão como em motores de turbina a gás. Tem tenacidade a fratura (KIC) muito inferior à dos metais.

-A KIC dos cerâmicos tem melhorado com a geração de CMC com partículas, fibras ou uísqueres de outro

Cerâmico (a trinca iniciada na matriz é barrada ou retardada pela fase dispersa)

Algumas vantagens dos CMC :-boa resist. à fluência à temperaturas elevadas

- tem > resist. à choques térmicos

Algumas aplicações de CMC: alumina reforçada com uísqueres de SiC usadas como enxerto em

ferramentas de corte para usinagem de ligas metálicas duras (vida útil > do que ferramentas com carbetos

cimentados).

Compósitos estruturais: São compostos tanto por materiais homogêneos quanto por materiais cujas

propriedades dependem da geometria dos seus constituintes (além das suas características individuais).

-Tipos:

Compósitos laminares : Folhas ou painéis bidimensionais

empilhados e cimentados e, com uma direção preferencial

de alta resistência.Ex.: madeira, plásticos reforçados com

fibras contínuas e alinhadas.

Painéis em sanduíche : Duas folhas externas (faces) mais

resistentes separadas por material menos denso e menos

rígido (recheio).

-materiais típicos para as faces: ligas de Al, plásticos reforçados

com fibras, Ti, aço e madeira compensada.

-recheio: polímero em espuma, borracha sintética

Obs: Outro recheio popular: estrutura

em colméia (finas folhas intertravadas

em formato hexagonal com eixos

perpendiculares às faces.

Aplicações: pisos, telhados, paredes

de prédios, aeronaves ( asas, fuselagem

e revestimento do leme horizontal)

Métodos de Processamento de Compósitos (reforçados com fibras) :

Prepeg: mais utilizada para aplicações estruturais. As fibras contínuas são pré-impregnadas com

resina polimérica parcialmente curada.

Pultrusão: para componentes com comprimento contínuo e secção reta constante (barras, tubos, vigas)

-matriz; poliéster, éster vinílico, resina epóxi

-reforço: fibras de vidro, fibras de C e fibras aramidas

Enrolamento de filamento: As fibras são posicionadas em um padrão pré-determinado para obtenção

de uma forma oca (em geral cilíndrica).

Obs:

- Esta técnica permite um elevado controle sobre a uniformidade e orientação dos enrolamentos

-Vários padrões de enrolamento são possíveis; circunferencial, helicoidal e polar

-São obtidas peças com altas razões entre resistência e peso.

Cap. 18 – Corrosão e Degradação dos Materiais

Mecanismos de Deterioração:

Metais : perda efetiva de material por dissolução (corrosão) ou formação de película de material

não-metálico (oxidação)

Cerâmicos : relativamente resistentes à deterioração em temperaturas elevadas mas também

podem sofrer corrosão (dissolução química)

Polímeros (degradação): Podem se dissolver em um solvente líquido, sofrer inchamento

(absorvendo o solvente) ou sofrer alteração nas suas estruturas moleculares sob radiações

eletromagnéticas (principalmente a ultravioleta). Ex.: polietileno exposto à temperaturas elevadas em

atmosfera rica em O2 torna-se frágil.

Considerações eletroquímicas:

-anodos: átomos metálicos tendem a ceder

elétrons (reação de oxidação): Zn Z2n+ + 2e-

-catodos; átomos receptores de elétrons

(reação de redução) : 2H+ + 2e- H2

-Obs: íon metálico em solução também pode ser

Reduzido, diminuindo seu estado de valência.

Par galvânico: Dois metais conectados eletricamente entre si em um eletrólito. Um se torna o anodo

(sofre a corrosão) e o outro o catodo , exs.: Fe-Cu e Fe-Zn

Obs: Os metais não oxidam-se com o mesmo grau de facilidade.

As medidas de voltagem de pilhas com diferentes pares galvânicos representam apenas as diferenças

no potencial elétrico, logo é necessário estabelecer uma pilha de referência (potencial de eletrodo)

- Semi-pilha de referência: eletrodo de Pt imerso numa solução 1M de íons H+ saturada com gás H2 a

25oC e pressão de 1 atm (condições ideais).

A Tab. 18.1 aplica-se para metais puros em

condições ideais. Variação na temperatura, na

concentração da solução ou eletrodos de ligas

alteram o potencial da pilha e também podem

reverter a direção da reação espontânea.

Classificação prática:

Equação de Nerst:

Potencial de eletrodo: Informações sobre tendências de

ocorrência dereações e as direções de sua espontaneidade.

A Tab. 18.2 é uma classificação mais prática.

Mostra as reatividades de metais e ligas

comerciais imersas em água do mar

Os metais são mais estáveis no estado iônico e a sua passagem para o estado oxidado reduz a

energia livre logo, são encontrados na natureza como compostos químicos; óxidos, hidróxidos,

carbonatos, silicatos, sulfatos.

exceções; metais nobres, Au e Pt . A maioria dos ambientes não lhes favorece a oxidação.

Os potenciais de eletrodo só representam a intensidade da força eletromotriz das pilhas além das

direções das reações espontâneas. Nada informam sobre a taxa de corrosão ou perda de espessura do

material (ou taxa de remoção) .

)( 23.18.eq

At

KWTPC

Taxa de corrosão ou taxa de penetração da corrosão (TPC):

Estimativa da taxa de corrosão, ex.; pilha

eletroquímica padrão Zn/H2. as reações não ocorrem

nas superfícies dos eletrodos (sistema fora do

equilíbrio). Há uma polarização (deslocamento de

cada potencial do seu valor de equilíbrio) cuja

magnitude é a sobretensão ().

Obs: As reações eletroquímicas são realizadas em

sequência de etapas que ocorrem na interface

eletrodo metálico-solução e na solução eletrolítica

Tipos de Polarização:

Por ativação: A taxa é controlada pela etapa

mais lenta de uma série de reações. Há uma

barreira devido a ativação

Ex: reação de redução de íons H+ para formar

bolhas do gás H2 na superfície de um eletrodo

de Zn (Fig. 18.6).

Por concentração: A taxa é limitada pela difusão no

interior da solução.

Ex: reação de redução (anterior) com evolução do

hidrogênio (Fig. 18.8).

-Para taxa lenta de reação e/ou alta concentração de

H+ sempre há suprimento desses íons em solução na

região próxima à interface

-Para taxas altas de reação e baixa concentração de

íons H+ haverá escassez desses íons próximo à

interface (necessários para a reação), portanto, a

difusão desses íons é o fator limitante da taxa de

reação.

Passividade: Metais ativos, sob certas condições ambientes tornam-se inertes, formando películas finas e

aderentes sobre a sua superfície (barreira de proteção contra corrosão adicional), exs: Fe, Cr, Ni, Ti e suas ligas

Fatores que influem na taxa de corrosão; temperatura, concentração do meio corrosivo (ex. ácidos),

deformações plásticas a frio

Formas de corrosão:

Uniforme (mais comum): Ocorre na totalidade da

superfície exposta gerando uma encrustação. Há reações

de redução e oxidação em escala microscópica em toda

superfície, ex.: ferrugem

Galvânica: dois metais ou ligas metálicas dissimilares

são acoplados eletricamente. O mais reativo é o corroído

(anodo) e o mais inerte é protegido (catodo), ex.s:

parafusos de aço em contato com latão no mar,

tubulações de Cu e aço unidas em aquecedores de água

Obs: A taxa de corrosão galvânica depende das

áreas superficiais relativas (anodo e catodo em

contato no eletrólito). Quanto < área do anodo, > a

taxa de corrosão (conforme a eq. 18.24)

Medidas preventivas contra a corrosão galvânica:

-seleção de materiais próximos na série galvânica

-evitar razões entre áreas desfavoráveis (catodo/anodo)

-isolar eletricamente metais dissimilares

-conectar eletricamente um terceiro metal com características

mais anódicas (proteção catódica)

Em frestas: Ocorre por diferença de

concentração nos íons ou gases dissolvidos

no eletrólito e entre duas regiões da mesma

peça metálica,como em fendas onde a solução

fica estagnada e há exaustão de O2.

Medidas preventivas :

-utilização de juntas soldadas ao invés de rebites

e parafusos.

-remoção frequente de depósitos acumulados.

Eq. 18.24 -Taxa de corrosão (r)(r) em função da densidade de corrente (i) ou

corrente / unidade de área da superfície corroída.

)(.

24.18.eq

Fn

ir

Por pites (extremamente traiçoeira): Pequenos buracos que se formam na superfície e penetram no

material praticamente na vertical. Há pouca perda de material até a ocorrência de uma falha

Obs:

- Pites podem ser gerados por defeitos na superfície (arranhões) ou pequenas variações de

composição.

- Amostras polidas são mais resistentes e, aços inox (susceptíveis) com adição de 2% de Mo também

ficam mais resistentes

Intergranular: Ocorre preferencialmente nos contornos de grão de alguns materiais que se desintegram

nestas regiões , ex.: aços inox (500 oC <T< 800 oC) em longos tempos. Formam-se pequenas partículas

de precipitados de Cr23C6 nos contornos pela difusão de Cr e C, empobrecendo de Cr a zona adjacente. É

um problema sério em soldas desses aços

Medidas preventivas :

-tratar termicamente o aço para dissolução das partículas de Cr23C6

-redução do teor de C nestes aços (ideal < 0,03% em peso) para minimizar a formação deste carboneto

-adição de outros elementos de liga (como Ti e Nb) que tenham > tendência de formar carbonetos

favorecendo o Cr permanecer em solução sólida.

Lixívia seletiva: Quando um elemento da liga é removido preferencialmente. Ex.: Zn no latão; fica

somente uma massa porosa de Cu na região de remoção, comprometendo as propriedades da liga que

muda sua cor.

Erosão-corrosão: Ação combinada de ataque químico e abrasão mecânica ou desgaste pelo movimento de

um fluido. Prejudicial para ligas passivadas ( o revestimento deve ser reposto rápido e continuamente).

Metais macios são susceptíveis; Cu e Pb

-Quanto > a velocidade do fluido > a taxa de corrosão

-A presença de bolhas e particulados em suspensão aumenta a severidade desta corrosão

-Normalmente encontrada em tubulações (dobras, curvas, mudanças de direção, variaçoes bruscas de

diâmetro, posições onde há mudança de direção do fluido tornando o escoamento turbulento)

Medidas preventivas :

-modificação do projeto para eliminar efeitos de colisão do fluido e turbulências

-utilização de materiais mais resistentes

-remoção de particulados e bolhas da solução

Corrosão sob tensão: Ação combinada de tensão trativa

num meio corrosivo. Pequenas trincas formam-se

perpendicularmente à direção das tensões (relativamente

baixas e inferiores ao LRT). As tensões podem ser

originadas por cargas externas ou serem residuais

(variações de temperatura).

Exs.: aços inox em soluções com íons cloreto, latões em

soluções de amônia

Medidas preventivas :

-Diminuição da tensão pela redução da carga aplicada ou

aumento da área da secção reta na direção perpendicular

à tensão

-realizaçâo de tratamentos térmicos de recozimento para

eliminar tensões residuais.

Medidas preventivas :

-remoção da fonte de H

-tratamento térmico a temperaturas elevadas para eliminar qualquer H dissolvido

-substituição por ligas mais resistentes

Fragilização por hidrogênio: Várias ligas sofrem considerável redução na sua ductilidade e no LRT ao

serem penetradas por hidrogênio atômico. Exs.: aços de alta resistência (martensíticos) e ligas CFC

(aços austeníticos, ligas de Cu, Al e Ni) endurecidas por precipitação

-A fragilização (trincamento pelo H) é um tipo de falha decorrente de tensões trativas ou tensões

residuais trativas que resulta em fratura frágil de forma catastrófica (as trincas crescem e propagam-se

rapidamente).

-O H (atômico mesmo em ppm) se difunde intersticialmente na rede cristalina causando as trincas

(normalmente transgranulares)

-Para a sua ocorrência é necessária alguma fonte de H e possibilidade de formação do seu componente

atômico. Ex.: H2S encontrados em fluidos derivados e petróleo, gás natural e salmouras de poços de

petróleo.

-O H2S é considerado um veneno por retardar a formação de hidrogenio molecualr e aumentar o tempo

de residência do hidrogênio atômico

Formas gerais de prevenção contra corrosão:

Seleção criteriosa dos materiais para ambientes corrosivos caracterizados:

Alteração de parâmetros do meio corrosivo; redução de temperatura, velocidade do fluido

Aumento ou diminuição da concentração de algum componente

Adição de inibidores (baixas concentrações) em sistemas fechados. Eles podem reagir com o

componente ativo do meio corrosivo (como o O2) eliminando-o. Também podem fixar-se na superfície do

metal interferindo nas reações de redução ou oxidação

Aplicação de barreiras físicas na forma de camadas de revestimento (inertes e com grande adesão)

Proteção catódica:

-Anodo de sacrifício; conexão elétrica a outro metal mais reativo (de caráter mais anódico),geralmente

usa-se Zn ou Mg. Ex.: hélice de navio (bronze ao Mn) é extremamente catódica em relação aço do

casco do navio. Na presença da água do mar (eletrólito forte) o casco rapidamente se corroeria.

-Fornecimento de corrente contínua de fonte externa tornando o metal a ser protegido catódico

-Galvanização: Aplicação de camada de Zn sobre a

superfície de um aço por imersão à quente. Na

atmosfera e na maioria dos ambiente o Zn é anódico

em relação ao aço.

Obs: Qualquer dano à superfície do material ainda

acarretará numa taxa de corrosão muito lenta do Zn

devido à altas razões catodo/anodo.

Oxidação: Além das reações eletroquímicas em

soluções aquosas (corrosão a úmido) a corrosão

também pode ocorrer em atmosferas gasosas ,

Normalmente no ar(corrosão a seco) gerando

uma encrustaçãoou camada de óxido na superfície

Metálica.

Ex.: formação de carepa de óxido de ferro

Tipos de encrustação: A taxa de oxidação,ou aumento da espessura da camada, e sua tendência de

proteção contra oxidação adicional está relacionada com os volumes relativos entre óxido e o metal

através da razão de Pilling-Bedwort (P-B).

)( 32.18.

.

.0eq

OM

M

A

ABP

Obs:

- Valor ideal P-B = 1

-Se P-B <1 , a película do óxido tende a ser porosa e não-protetora ( insuficiente para cobrir toda a

superfície metálica.

-Valores de P-B > 1 resultam em tensões de compressão na camada

- Se P-B > 2 ou 3, o revestimento pode trincar e quebrar expondo continuamente a superfície metálica

Outros fatores que além da P-B influenciam na resistência à oxidação proporcionada pela camada:

-alto grau de aderência

-coeficiente de expansão térmica similar

-elevado ponto de fusão

-alta plasticidade em temperaturas elevadas

Cinética: A taxa oxidação pode ser determinada medindo-se o ganho de peso da camada de óxido (W)

por unidade de área em função do tempo.

-Para óxido não-poroso e bem aderente a sua taxa de crescimento é controlada por difusão iônica. Neste

caso a taxa é determinada por uma relação parabólica entre W por unidade de área e o tempo.

W2 = K1t + K2 (eq. 18.34) , exs.: Co e Cr

-Nas oxidações com encrustações porosas e que se desfolham ( P-B <1 ou P-B >2) a expressão da taxa é

linear, estando o O2 sempre disponível para reagir com a superfície metálica não protegida (o óxido não é

uma barreira efetiva). W = K3t (eq. 18.35) , exs.: Na, K e Ta

-Em camadas muito finas (espessura < 100nm) formadas em temperaturas relativamente baixas (próximas

da ambiente) também pode ser observada a relação logarítmica. W = K4 log (K5t + K6) (eq. 18.36) , exs.: Al,

Fe e Cu