FPM-Vol-1

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINACurso de Graduao em Engenharia de Materiais

Fundamentos de Processamento de Materiais

EMC 5741

Objetivo geral:

Ao final do curso o aluno dever estar apto a conhecer e interrelacionarconceitos de processamento de materiais metlicos, cermicos e

polimricos.

Plano de Aula

Objetivos especficos:

Ao final de cada unidade do programa o aluno dever estar apto a entender conceitos sobre:

Estrutura e propriedades dos materiais;Solidificao de metais;Sinterizao de metais e cermicas;Estrutura, processamento, propriedades e aplicaes de materiais vtreos: vidros, vitrocermicos e vidrados;

Sntese de polmeros.

Plano de Aula

Plano de Aula

Metodologia:

A aula ser expositiva, com a utilizao de quadro/canetahidrogrfica, data-show e filmes. Amostras de materiaiscermicos sero apresentadas no decorrer da aula,relacionando-as com suas propriedades e aplicaes.Ser tambm distribuda, ao longo do curso, lista deexerccios.

Plano de Aula

Avaliao de aprendizagem

Sero aplicadas duas avaliaes e sero distribudas duas listas de exerccios a ttulo de orientao para estudo.Avaliao 1: Estrutura e propriedades dos materiais: introduo;Solidificao de metais;Sinterizao de metais e cermicas;Avaliao 2:Estrutura, processamento, propriedades e aplicaes de materiais vtreos: vidros, vitrocermicos

e vidrados; Sntese de polmeros: introduo.

Nota Final 1: (Avaliao 1 + Avaliao 2)/2 6 : Aprovado;Nota Final 1: (Avaliao 1 + Avaliao 2)/2 6 : Avaliao de Recuperao (sobre toda a matria);Nota Final 2: (Nota Final 2 +Avaliao de Recuperao)/2 6: Aprovado;

Nota Final 2: (Nota Final 2 + Avaliao de Recuperao)/2 6: Reprovado.

Plano de Aula

Observao:

O aluno que tenha, por qualquer motivo, faltado a qualquer das avaliaesaplicadas, dever, dentro de 72h, contados a partir da data de realizao daavaliao, dirigir-se ao Departamento de Engenharia Mecnica da UFSC paraapresentar justificativa fundamentada. A no apresentao de justificativa ou ano aceitao da mesma, por parte do Departamento de Engenharia Mecnica,acarretar em nota zero (0,0).

Bibliografia

CALLISTER JR, W. D. Materials Science and Engineering An Introduction. 4th ed. New York, Willey, 1996.

CHIAVERINI, V. Tecnologia Mecnica: Materiais de Construo Mecnica, Volume III, Segunda Edio, McGraw-Hill, So Paulo, 1986.

SMITH, W.F. Principles of materials science and engineering 3rd.,ed. New York, McGraw-Hill,1996.

FIGUEIRA, M.E. Introduo Cincia e Tecnologia do Vidro.Universidade Aberta, Lisboa (Portugal), 1999.

STRNAD, Z. Glass-Ceramic Materials - Glass Science and Technology 8. Elsevier, New York, 1996.

HEVIA, R.; CENTRITTO, N.; NOVAES de OLIVEIRA, A.P.; BERNARDINI, A.M.; DURN, A. Introduccin a los Esmaltes Cermicos. Editora: Faenza Editrice Ibrica, Castelln Espanha, 2002.

processamento

propriedadesestrutura

Processamento, estrutura, propriedades

Aplicaes

ESTRUTURA E PROPRIEDADESCermica, metal, polmero

Material

Estrutura Propriedades

LigaoCristali-nidade

EstabilidadeConduti-bilidade

Mecnica

CermicoInica,

covalenteAmorfa, cristalina

Alta Mdia Mdia

Metlico Metlica Cristalina Mdia Alta Alta

PolimricoCovalente,

van der Waals

Amorfa,

semicristalinaBaixa Baixa Baixa

Ligaes atmicas

Ligaes primrias (~100 kcal/mol):

metlica: nuvens de eltrons

inica: doao/recepo de eltrons

covalente: compartilhamento de eltrons

Ligaes secundrias (

Materiais cristalinos e amorfos

Materiais cristalinos: slidos que apresentam ordem de longo alcance (periodicidade maior que comprimento de ligaes)

Monocristalinos

Policristalinos (contornos de gros)

Materiais amorfos, vtreos, no-cristalinos: slidos que no apresentam ordem de longo alcance

Estruturas cristalinas e amorfas

Cristalina Amorfa

Estabilidade trmica e qumica

Degrada com solventes, altas temperaturas

Polmero

Resistente a corroso, oxidao, altas temperaturas

Cermica

Suscetvel a corroso, oxidaoMetal

CaractersticaMaterial

Condutividade eltrica

108 a 1017Polmero

10-6 a 1018Cermica

10-8 a 10-7Metal

Resistividade eltrica (ohm-m)Material

Condutividade trmica

0,01 a 0,5Polmero

1 a 500Cermica

10 a 400Metal

Condutividade trmica (W/m-K)Material

Mdulo de elasticidade

0,002 a 5Polmero

60 a 430Cermica

30 a 400Metal

Mdulo de elasticidade (GPa)Material

Resistncia mecnica

1 a 70Polmero

100 a 1000Cermica

100 a 1700Metal

Resistncia mec. sob trao (MPa)Material

Deformao

1 a 1400Polmero

-Cermica

1 a 60Metal

Deformao na ruptura (%)Material

Tenacidade fratura

0,5 a 6Polmero

0,5 a 6Cermica

20 a 90Metal

Tenacidade fratura (MPa-m-1/2)Material

Processo de fabricao do ao

Ao - Definio: Liga ferro carbono (0,008-2% C)contendo baixos teores de elementos qumicos (Mn,Si, P, S ) residuais do processo de fabricao Aocarbono. Quando os teores de alguns elementosqumicos (inclusive os residuais) esto acima dosteores residuais os aos so classificados comoligados.

Fluxograma bsico do processode fabricao de ao

Carvo

Calcrio

Minrio de Ferro

Coqueria

Moagem e

Peneiramento

Beneficiamento

Alto Forno

Fundio deFerro fundido

Ferro Gusa

Conversor

Ao

Matrias-primas

Minrios de ferro: Magnetita (Fe3O4) : 72,4% Fe; Hematita ( Fe2O3) : 69,9% Fe; Limonita (2Fe2O3.3H2O) : 48,3% Fe.

Carvo: Como combustvel; Redutor do minrio de ferro; Fornecedor de carbono.

Composio qumica:Cinzas: 7,16%Carbono total: 79,41%Hidrognio: 5,14%Nitrognio: 1,46Oxignio: 5,81%Enxofre: 1,02% Fsforo: 0,005%

Matrias-primas

Calcrio (CaCO3):

Fundente bsico reage com impurezas do Ferro e Carvo (cidos) diminuindo seus pontos de fuso e formando escria.

Composio qumica:

CaO: 48%

MgO: 10%

SiO2: 5%

Al2O3: 1,5%

P: 0,05%

S: 0,05%

Fe: 3%

Gs de alto-forno(CO2, CO, H2, N2)

Poeira

Ar comprimido2000/2500 t

Ferro Gusa1000 t

Escria200/400 t

Minrio de Fe: 1560 t;Minrio de Mn: 23 t;

Coque: 800 t;Calcrio: 350 t;

Produo do Ferro Gusa: Alto-FornoSeo transversal de um alto-forno

Produo de Ferro Gusa: Alto Forno

Produtos do alto-forno:

Ferro Gusa 3-4,5% C; 0,5-4% Si; 0,5-2,5% Mn; 0,05-2,0% P; 0,20% S

Escria 29-38% SiO2; 10-22% Al2O3; 44-48% CaO + MgO;

1-3% FeO + MnO; 3-4% CaS

Gs 13% CO2; 27% CO; 3% H2; 57% N2

Obteno do Ao / Conversor LD

Seo transversal esquemtica de um conversor LD utilizando insuflao de oxignio pelo topo.

Obteno do Ao/ConversorPrincipais Reaes

2Fe + O2 2FeO

2FeO + Si SiO2 + 2Fe

FeO + Mn MnO + Fe

FeO + C Fe + CO

FeS + Mn MnS + Fe

3FeO + 2Al Al2O3 + 3Fe

Fabricao de Metais e Ligas

Metais/Ligas Fundio Forma final

Forma semifinal Conformao* Forma final

*Forjamento, laminao, extruso, trefilao.

Fabricao de Metais e Ligas

Laminao Forjamento

Extruso

Trefilao

Cintica de Solidificao

Temperatura de fuso, Tf (materiais cristalinos)e de transio vtrea, Tg (materiais amorfos ou no

cristalinos).

Cintica de cristalizao

Nucleao e Crescimento de cristais:

Nucleao

Formao de ncleos estveis no fundido

Crescimento

Transformao de ncleos em cristais

Formao de uma estrutura de gros

Solidificao:



Mecanismos de nucleao:

Nucleao homognea

Prprio material fornece tomos para formar ncleos

Subresfriamento usualmente de centenas de graus Celsius

Nucleao heterognea

Presenca de agentes nucleantes: superfcie do recipiente, impurezas insolveis, ou material estrutural

Prtica industrial: subresfriamento de 0,1 a 10C


Mecanismos de Cristalizao:

Volumtrica: Nucleao homognea ou heterognea

Superficial: Nucleao heterognea

Cristal de LS Camada cristalina

Vidro

Cristalizao superficialCristalizao volumtrica


Mecanismos de

Nucleao:


Mecanismo de Nucleao Homognea:

el

2

v

3

hom r4Gr3

4WG

v

el*

G

2r

2

2

m

3

el

2

v

3

el*

homG

V16

G

16W


Mecanismo de Nucleao Heterognea:


Mecanismo de Nucleao Heterognea:

fW

4

cos2cos1W

4

cos2cos1

G3

16W

*hom

2*hom

2

2

3el*

het

Cos 90 = 0Cos 180 = -1Cos 0 = 1


LS: Tn = 450C

LS: Tn = 470C

Cristal de LS

Fase vtrea

N ou I = 1/T

Taxa de Nucleao:

Com agente nucleante

Sem agente nucleante


Taxa de Crescimento de Cristais:

Vidro de Slica, cristais de cristobalita

Estruturas de gro

SinterizaoQueima x sinterizao

Queima (firing, coccin, cottura, cozedura): tratamento trmicoem um forno, a que so submetidos produtos a verde, paradesenvolver microestrutura e propriedades desejadas. Divide-seem 3 estgios:

Reaes preliminares

Sinterizao

Resfriamento

Sinterizao: processo de consolidao do produto durante aqueima

Sinterizao

Consolidao implica que dentro do produto aspartculas se uniram em um agregado que possuiresistncia mecnica.

Sinterizao implica geralmente em retrao edensificao. No entanto, alguns produtossinterizados podem ser menos densos do que a verde(ex.: refratrios porosos).

Sinterizao ocorre a partir de a 2/3 datemperatura de fuso, o suficiente para causardifuso atmica ou fluxo viscoso.

Processos de pr-sinterizao

Secagem

Vaporizao de gua combinada

Decomposio de materiais orgnicos

Pirlise (termlise) de aditivos orgnicos

Mudanas no estado de oxidao de ons

Calcinao de carbonatos, sulfatos

Termlise de ligantes: anlise trmica

Extruso: 5,4% vol. aditivo Tape casting: 26,5% vol. aditivo

Decomposio de componentes inorgnicos: anlise trmica

TG

DTA

DTG

Temperatura ()

endot

rmic

oexo

trm

ico

100-200C: perda de gua no-constitucional

450-700C: perda de gua constitucional, formao de metacaulinita

850-1050C: formao de alumina e mulita

Sinterizao:definio e fora motriz

Sinterizao pode ser definida como a remoo dos poros entre as partculas iniciais, acompanhada por retrao da pea combinada com crescimento e formao de ligaes fortes entre partculas adjacentes.

A fora motriz para a sinterizao a reduo da rea superficial (e da energia superficial) obtida pela substituio de um p solto tendo superfcies com alta energia (slido-vapor) por um slido ligado tendo contornos de gro com energia mais baixa.

Sinterizao:processos e controle

Os processos que ocorrem nos compactadoscermicos durante o tratamento trmico aaltas temperaturas so controlados por:

Propriedades do compactado a verde(composio, densidade, porosidade, tamanho eforma de partcula, homogeneidade)

Parmetros de sinterizao (atmosfera, presso etemperatura, incluindo taxas de aquecimento eresfriamento)

Sinterizao: tipos

Sinterizao no estado slido (SSS): somente partculas slidas e poros. Ex.: Al2O3 + 0,5 m% MgO; ZrO2 + 3 m% Y2O3; SiC + 2 m% B4C.

Sinterizao com fase lquida (LPS): trs componentes, mas concentra-se na parte slida (20% lquido). Ex.: cermica branca (porcelana).

Sinterizao: Al2O3 + MgO

Temperatura de queima (C)

Tempo

Sinterizao no estado slido: estgios e caractersticas

Sinterizao inicial: rearranjo das partculas de p eformao de uma ligao forte ou pescoo nos pontos decontato entre partculas; densidade relativa aumenta ~10%.

Sinterizao intermediria: tamanho dos contatos aumenta,porosidade diminui substancialmente e partculas seaproximam levando retrao da pea; contornos de gro(e gros) so formados e crescem lentamente; densidaderelativa pode chegar a ~90%; estgio termina quando osporos esto isolados.

Sinterizao final: poros se fecham e so eliminadoslentamente com pouca densificao; tamanho de groaumenta.

Sinterizao no estado slido: estgios e microestrutura

(a) Partculas soltas de p

(b) Estgio inicial

(c) Estgio intermedirio

(d) Estgio final

Sinterizao no estado slido: transporte de massa

Contorno de gro

(1) Difuso superficial

(2) Difuso volumtrica

(3) Evaporao-condensao



(6) Difuso no contorno de gro

a = raio da partcula

x = raio do pescoo

Crescimento de gro: definio e fora motriz

Crescimento de gro o processo pelo qual otamanho mdio de gro de um material (livre detenso ou quase) aumenta continuamente durante otratamento trmico sem uma mudana dadistribuio de tamanho de gro.

Os gros crescem pelo movimento dos contornos. Afora motriz a diferena na energia livre do materialnos dois lados de um contorno de gro, que faz comque o contorno se mova na direo de seu centro decurvatura.

Setas indicam direo de deslocamento de contornos

Crescimento de gro:tipos e direo

Sinterizao com fase lquida: requisitos

Lquido suficiente deve estar presente na temperatura de sinterizao. Para partculas de cerca de 1 m, menos de 1 V% lquido suficiente para cobri-las uniformemente. Usualmente, para partculas maiores, 5-15% usado.

O lquido deve molhar o slido.

O slido deve ser parcialmente solvel no liquido.

Outras variveis importantes :

Tamanho de partcula do p

Grau de mistura

Viscosidade do lquido formado

Sinterizao com fase lquida: estgios e caractersticas

Rearranjo de partculas: formao e fluxo viscoso de um lquido que molha o slido, se espalha e junta as partculas por presso capilar, causando alguma densificao.

Soluo-precipitao: dissoluo de

partculas slidas pequenas no lquido e precipitao nas superfcies slidas de partculas grandes;

contatos partcula-partcula e precipitao em gros no comprimidos;

cantos agudos e precipitao em superfcies cncavas.

Coalescncia: crescimento de gro ocorre de modo a formar um esqueleto slido de partculas.

Sinterizao: diagramas de fase

Sinterizao com fase lquida permanente e transiente

FPM-Vol-1

Documents

Transcript of FPM-Vol-1