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

δ-Fe (Ferrita δ)

Não magnética

É idêntica à α-Fe

Só é estável em altas temperaturas

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)

Ferro Fundido

Cinzento

Branco

Misto

Maleável

Nodular

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

MINERAÇÃO

Colheita do minério:

Céu aberto

subterrâneo

APÓS A COLHEITA

Separação(Purificação) dos minérios utilizáveis e

eliminação de impurezas (areia, argila, etc.)

Processos Mecânicos

Purificação

Processo Químicos

PROCESSOS MECÂMICOS

Classificação

Levigação

Flotação

Lavagem

PROCESSOS QUÍMICOS

Calcinação

Redução

Precipitação

Eletrólise

Ustulação

PROPRIEDADES MECANICAS

01/04/2014 21

01/04/2014 22

Principais esforços mecânicos

COMPRESSÃO

TRAÇÃO

FLEXÃO

TORÇÃO

CISALHAMENTO

01/04/2014 23

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

01/04/2014 24

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

01/04/2014 26

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.

01/04/2014 27

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.

01/04/2014 28

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.

01/04/2014 30

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

01/04/2014 31

PROPRIEDADES DOS METAIS DEFORMADOS

PLASTICAMENTE

A capacidade de um material se deformar

plasticamente está relacionado com a

habilidade das discordâncias se

movimentarem

01/04/2014 32

O escorregamento de planos atômicos

envolve o movimento de discordâncias

MOVIMENTO DE DISCORDÂNCIAS

MOVIMENTO DE DISCORDÂNCIAS EM CUNHA E EM HÉLICE

01/04/2014 33

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

01/04/2014 34

MOVIMENTO DE DISCORDÂNCIAS E A DEFORMAÇÃO

PLÁSTICA

01/04/2014 35

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.

01/04/2014 36

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

01/04/2014 37

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

01/04/2014 38

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

01/04/2014 39

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

01/04/2014 41

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.

01/04/2014 42

SOLUÇÃO SÓLIDA

01/04/2014 43

A adição de metais impede o movimento das

discordâncias.

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

01/04/2014 44

01/04/2014 45

01/04/2014 46

01/04/2014 47

ENCRUAMENTO E MICROESTRUTURA

Antes da deformação Após a deformação

01/04/2014 48

MECANISMO QUE OCORRE NO AQUECIMENTO

DE UM MATERIAL ENCRUADO

ESTÁGIOS:

Recuperação

Recristalização

Crescimento de grão

01/04/2014 49

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)

01/04/2014 50

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;

01/04/2014 51

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

01/04/2014 52

TEMPERATURAS DE RECRISTALIZAÇÃO

01/04/2014 53

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

01/04/2014 54

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

01/04/2014 55

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

01/04/2014 56

RESILIENCIA

01/04/2014 57

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

01/04/2014 58

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;

01/04/2014 60

R = F/ A

A = BxL

A = π R²

Ensaio solicitado para

tijolos.

01/04/2014 61

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

01/04/2014 62

01/04/2014 63

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

01/04/2014 64

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.

01/04/2014 65

01/04/2014 66

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)(

PROPRIEDADES DOS

MATERIAIS MECÂNICOS

(Impacto materiais metálicos)

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 69

01/04/2014 70

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

01/04/2014 72

01/04/2014 73

01/04/2014 74

01/04/2014 75

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!

01/04/2014 76

01/04/2014 77

01/04/2014 78

01/04/2014 79

PROCESSO FABRICAÇÃO METAIS

01/04/2014 80

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.

PROCESSO FABRICAÇÃO METAIS

01/04/2014 81

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.