apostila ciencia e engenharia dos materiais 3

APOSTILA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS

FEVEREIRO 2012

gambaro

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grão cristalino onde os quadrinhos são as células unitária

gambaro

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limite de grão

gambaro

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grão critalino

gambaro

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estrutura c.c.c

gambaro

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célula unitária c.c.c.

SUMÁRIO CAP I- INTRODUÇÃO 01 1.1. CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS 01 Classificação dos Materiais 01 1.1.1. MATERIAIS METÁLICOS 01 1.1.2. MATERIAIS POLIMÉRICOS (PLÁSTICOS) 02 1.1.3. MATERIAIS CERÂMICOS 02 1.2. Propriedades dos materiais- Conceitos de básicos 02 1.2.1. Principais Propriedades Mecânicas 02 1.2.2. Propriedades Térmicas 03 1.2.3. Propriedades Elétricas 03 CAP II- LIGAÇÕES ATÔMICAS 04 2. INTRODUÇÃO 04 2.1. LIGAÇÃO IÔNICA 05 2.2. LIGAÇÃO COVALENTE 06 2.3. LIGAÇÃO METÁLICA 07 2.4. LIGAÇÕES SECUNDÁRIAS 07 CAP III- ESTRUTURA CRISTALINA 09 3. INTRODUÇÃO 09 3.1. ESTRUTURA CRISTALINA 09 3.1.1. Materiais Metálicos 10 3.1.1.1. Estrutura Cúbica de Corpo Centrado-CCC 10 3.1.1.2. Estrutura Cúbica de Face Centrado-CFC 11 3.1.1.2. Estrutura Cúbica de Face Centrado-CFC 12 3.1.2. Estrutura Cristalina dos Materiais Cerâmicos 13 3.1.3. Estrutura Cristalina dos Silicatos 15 3.1.3.1. Unidade estrutural básica do Silicato 15 3.1.3.1. Principais estruturas dos silicatos 16 3.1.4. Estruturas dos argilominerais 18 3.2. CRISTALOGRAFIA E DETERMINAÇÃO DE ESTRUTURAS CRISTALINAS 19 3.2.1. POSIÇÕES, DIREÇÕES E PLANOS EM CRISTAIS 19 3.2.2. Análise de Estruturas Cristalinas 21 3.2.2.1. Obtenção de Raios-X 22 3.2.2.2. Difração de Raios-X 22 3.2.2.3. Análise De Estruturas Cúbicas 23 3.2.2.4. Identificação de minerais 25 CAP IV - IMPERFEIÇÕES DA ESTRUTURA CRISTALINA 27 4.1. INTRODUÇÃO 27 4.2. Imperfeições Estruturais 27 4.2.1. Defeitos Pontuais 27 4.3. Defeitos Lineares (Discordâncias) 30

4.3.1. Discordância Em Cunha 30 4.3.2. Discordância em Hélice 31 4.3.3. Discordância Mista (Cunha + Hélice) 31 4.4. Defeitos de Superfícies 31 4.4.1. Superfícies Livres 32 4.4.2. Contornos de Grão 32 4.4.3. Maclas 34 4.5. Relação entre defeitos e propriedades mecânicas 34 CAP V- DIFUSÃO ATÔMICA 36 5.1. INTRODUÇÃO 36 5.2. Mecanismos do Movimento Atômico 36 5.2.1. Mecanismo Substitucional ou de Vazios 36 5.2.2. Mecanismo Intersticial 36 5.2.3. Mecanismo De Anel 37 5.3. Distribuição De Energia Térmica 37 5.4. Coeficiente De Difusão 38 5.5. Primeira Lei de Fick 38 5.6. Segunda Lei de Fick 40 5.7. Cementação de Aços 42 CAP VI- PROPRIEDADES DOS MATERIAIS 43 6.1. INTRODUÇÃO 43 6.3. Tipos de Esforços que Podem Deformar ou Romper um Material 44 6.4. Principais Propriedades Mecânicas 44 6.5. Ensaios Mecânicos 45 6.5.1. Normalização dos Ensaios 45 6.6. Tipos De Ensaios Mecânicos 45 6.6.1. Ensaio de Tração 45 Apostila de Tecnologia dos Materiais 01 - Produtos Siderurgicos 02 - Obtenção do Ferro Fuundido e Aços 03 - Aços e Aços Liga 04 - Elementos de Liga 05 - Estudo dos Diagramas Fe C 06 - Diagrama de Fases 08 - Fases com relevântes 09 - Aços Hipoeutetoides e hipereutétoide 10 - Temperaturas e formação das Estruturas 11 - Metais não Ferrosos- Leves e Pesados 13

CEMAT - Prof. Gambaro 1

CAP I- INTRODUÇÃO

A produção e transformação de materiais em bens acabados, constituem uma das mais importantes atividades de uma economia moderna. Um produto, para ser manufaturado, requer uma etapa de planejamento de seu processo de produção. Nesta etapa são selecionados diversos materiais, de acordo com custos e, principalmente, com as necessidades técnicas exigidas. A elaboração dessa etapa exige que o responsável pela mesma tenha noção das estruturas internas dos materiais, pois o conhecimento das mesmas, aos níveis submicroscópicos, permite prever o comportamento do material em serviço, bem como possibilita programar e controlar suas propriedades e características.

A produção e transformação de materiais em bens acabados, constituem uma das mais importantes atividades de uma economia moderna. Um produto, para ser manufaturado, requer uma etapa de planejamento de seu processo de produção. Nesta etapa são selecionados diversos materiais, de acordo com custos e, principalmente, com as necessidades técnicas exigidas. A elaboração dessa etapa exige que o responsável pela mesma tenha noção das estruturas internas dos materiais, pois o conhecimento das mesmas, aos níveis submicroscópicos, permite prever o comportamento do material em serviço, bem como possibilita programar e controlar suas propriedades e características.

A ciência dos materiais está associada à geração de conhecimento básico sobre a estrutura interna, propriedades e processamento de materiais. Ela tem ainda como objetivo, compreender a natureza dos materiais, estabelecendo conceitos e teorias que permitam relacionar a estrutura dos materiais com suas propriedades e comportamento. A ciência dos materiais está associada à geração de conhecimento básico sobre a estrutura interna, propriedades e processamento de materiais. Ela tem ainda como objetivo, compreender a natureza dos materiais, estabelecendo conceitos e teorias que permitam relacionar a estrutura dos materiais com suas propriedades e comportamento

1.1. CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS

Por conveniência, a maioria dos materiais de engenharia é classificada em três classes principais, quais sejam: materiais metálicos, materiais poliméricos (plásticos) e materiais cerâmicos. Esta classificação é baseada principalmente no tipo de estrutura atômica.

Em adição a estes três tipos, um estudo mais abrangente deve incluir um outro tipo, que exibe, atualmente, grande importância tecnológica: os materiais compósitos, semicondutores e biomateriais.

1.1.1. MATERIAIS METÁLICOS

Os materiais metálicos são substâncias inorgânicas compostas por um ou mais elementos metálicos e podem, também, conter elementos não-metálicos. Exemplos de materiais metálicos: aço, cobre, alumínio, níquel e titânio. Elementos não-metálicos como carbono, nitrogênio e oxigênio podem estar contidos em materiais metálicos.

Os metais têm uma estrutura cristalina, na qual os átomos estão arranjados de maneira ordenada. Eles, em geral, são bons condutores térmicos e elétricos. Quase todos os metais são mecanicamente resistentes, dúcteis e muitos mantém esta resistência mesmo em altas temperaturas.

Classificação dos Materiais

§ Metais § Cerâmicas § Polímeros § Compósitos § Semicondutores § Biomateriais (Mat. Biocompatíveis)

Classificação Clássica


1.1.2. MATERIAIS POLIMÉRICOS (PLÁSTICOS)

A maioria dos materiais poliméricos consiste de cadeias moleculares orgânicas (carbono) de longa extensão. Estruturalmente, a maioria destes materiais não é cristalina, porém alguns exibem uma mistura de regiões cristalinas e não-cristalinas. A resistência mecânica e ductilidade dos materiais poliméricos variam enormemente. Devido à natureza da estrutura interna, a maioria dos plásticos conduz eletricidade e calor de maneira extremamente precária. Isto permite que os mesmos sejam freqüentemente utilizados como isolantes, tendo grande importância na confecção de dispositivos e equipamentos eletrônicos. Em geral, os materiais poliméricos têm baixo peso específico e apresentam temperatura de decomposição relativamente baixa.

1.1.3. MATERIAIS CERÂMICOS

Os cerâmicos são materiais inorgânicos constituídos por elementos metálicos e não-metálicos unidos por meio de ligações químicas. Estes materiais podem ser cristalinos, não-cristalinos ou uma mistura de ambos. A maioria dos cerâmicos apresenta alta dureza e elevada resistência mecânica, mesmo em altas temperaturas. Entretanto, tais materiais são, normalmente, bastante frágeis. Uma gama bastante ampla de novos materiais cerâmicos está sendo desenvolvida, tendo como objetivo diversas aplicações, como é o caso de peças para motores de combustão interna. Neste caso, este material tem a vantagem do baixo peso, resistência e dureza elevadas, alto resistência ao calor e propriedades isolantes.

O fato de ser um bom isolante térmico, bem como ser resistente ao calor, permite que os materiais cerâmicos tenham importante papel na construção de fornos usados na indústria metalúrgica. Uma aplicação recente, que retrata com fidelidade o potencial dos materiais cerâmicos, é o uso dos mesmos na construção do ônibus espacial americano. A estrutura deste veículo é de alumínio revestida por milhares de pastilhas cerâmicas. Estas pastilhas dão proteção térmica ao ônibus durante a subida e por ocasião da reentrada do mesmo na atmosfera.

1.2. Propriedades dos materiais- Conceitos de básicos.

1.2.1. Principais Propriedades Mecânicas:

- Dutibilidade: capacidade do material em deformar plasticamente sem ruptura , quando submetido a esforço de tração. É expressa em porcentagem.

- Maleabilidade: á a capacidade do material em deformar plasticamente sem ruptura , quando submetido a esforço de compressão.

- Tenacidade: é a medida da energia necessária para fraturar um corpo de prova padrão.

- Modulo de Elasticidade (YOUNG) : É a relação entre a tensão(s) aplicada e a deformação elástica(e) que ela produz.

Está relacionado diretamente com as forças das ligações interatômicas (entre átomos).

Indica a rigidez do material.

- Limite de resistência à tração ou tensão de deformação (se): representa a tensão a partir da qual o material sofre deformação plástica. É uma das mais importantes propriedades de engenharia, pois são utilizados em cálculos de estruturais.

Limite de resistência à ruptura (sr): representa a tensão a partir da qual o material sofre ruptura.

- Resiliência: Corresponde à capacidade do material de absorver energia quando este é deformado elasticamente. Materiais resilientes são aqueles que têm alto limite de elasticidade e baixo módulo de elasticidade (como os materiais utilizados para molas)

- Dureza:

- Materiais Frágeis: capacidade do material resistir à abrasão superficial.

- Material não frágeis: é a medida da resistência de um material à deformação plástica (permanente).

- Resistência à flexão: é definida com a tensão máxima que um corpo de prova suporta antes

de romper quando sujeito a um esforço de flexão. Utilizado para avaliar a resistência mecânica de materiais cerâmicos, principalmente para revestimentos e telhas.


- Resistência à compressão: É definida com a tensão máxima antes da ruptura, que um corpo de prova pode resistir quando submetido a esforços de compressão. Este ensaio é utilizado principalmente para avaliar a resistências de tijolos, blocos e concreto.

- Fluência: limite de resistência à deformação em temperaturas elevadas.

- Fadiga: limite de resistência à fratura de materiais submetidos a carregamentos cíclicos.

1.2.2. Propriedades Térmicas:

- Capacidade térmica: ela representa a quantidade de energia necessária para aumentar a temperatura.

C = dQ dQ- variação de calor (energia)

dT dT- variação de temperatura

As unidades de energia são calorias ou joule

- Dilatação ou expansão Térmica: representa a variação dimensional de um material, quando este é submetido a um resfriamento ou aquecimento. a = DL Li . DT

a - coeficiente de dilatação- ° C -1

Li - Comprimento inicial – m, cm, mm

Lf - Comprimento final – m, cm, mm

DT - (Tf – Ti)- Variação de temperatura ° C

DL - (Lf-Li)- Variação de comprimento

m, cm, mm

- Condutividade Térmica: É o fenômeno pelo qual calor é transportado das regiões de maior temperatura para as regiões de menor temperatura. A propriedade que caracteriza a habilidade de um material transferir calor é a condutividade térmica (k).

Difusividade térmica (h) h= K K- condutividade térmica Cp. r Cp- capacidade térmica r- densidade h- Difusividade térmica Choque térmico IRCT = h . S a.E h- Difusividade térmica S- limite de resistência a- dilatação térmica E- Modulo de elasticidade IRCT- Índice de resistência ao choque térmico

Propriedades Elétricas: Condutividade elétrica (s): indica a facilidade com que um material conduz corrente elétrica, é o inverso da resistividade (r). A unidade da condutividade é (Wm ) -1 . s = 1 r

Rigidez dielétrica: indica em que grau o material é isolante, ela é uma medida da tensão máxima que um material pode suportar antes de perder suas características de isolante.

Termoeletricidade: é a propriedade que apresenta um material em gerar uma corrente elétrica quando submetido a gradientes de temperaturas. A tensão produzida depende do tipo de material e da diferença de temperatura.

Piezeletricidade: indica a capacidade de um material produzir uma polarização (energia elétrica) quando aplicamos uma força.

q = - k. dT dx

q – fluxo de calor (J/m2 ou W/M2) k – condutividade térmica (W/m) dt/dx- gradiente de temperatura no meio condutor


CAP II- LIGAÇÕES ATÔMICAS

2. INTRODUÇÃO

Os materiais sólidos são formados por átomos que são unidos por forças elétricas, formando o que chamamos de ligações químicas. Estas interações elétricas podem ser obtidas de diversas formas, formando diferentes tipos de ligações.

O comportamento de um material pode ser eficientemente previsto a partir da análise do mesmo aos níveis subatômico, atômico e microscópico. Assim, torna-se necessário examinar o mesmo, no tocante aos átomos que constituem o material, bem como o comportamento eletrônico dos mesmos. A estrutura de qualquer material é diretamente dependente dos tipos de átomo envolvidos e das ligações atômicas que eles formam.

A base de qualquer unidade estrutural em ciência e engenharia de materiais é o átomo. O átomo consiste basicamente de três partículas subatômicas: prótons, elétrons e nêutrons. No centro do átomo localiza-se o núcleo, que tem diâmetro próximo a 10-14 m. Este núcleo é envolvido por uma nuvem de elétrons de densidade variável, que resulta em um diâmetro atômico final de 10-10m. No núcleo, onde residem prótons e nêutrons, está a quase totalidade da massa atômica. A massa de um próton é igual a 1,673x10-24g e sua carga elétrica é de +1,602x10-19 Coulomb (C). O nêutron é pouco mais pesado que o próton e tem massa igual a 1,675x10-

24g, porém é eletricamente neutro. O elétron tem massa de 9,109x10-28g e carga igual a -1,602x10-19 Coulomb. Portanto, a quase totalidade do volume atômico concentra-se na nuvem de elétrons, porém, esta colabora com apenas uma pequena parte da massa final do átomo. Os elétrons, particularmente os mais externos, determinam a maioria das características elétricas, mecânicas, químicas e térmicas dos átomos e assim, o conhecimento básico do mesmo é necessário no estudo dos materiais.

A estrutura interna dos materiais é resultado da agregação de átomos obtida através de forças de ligação interatômicas. Esta agregação, em função das características de tais ligações, pode resultar nos estados sólidos, líquido e gasoso.

Energia de Ligação

Porque os átomos se unem:

Por que ao se unir os átomos diminuem a energia interna.

Figura 2.2. Diagrama de energia em função da distancia inter atômicas.

Relação entre energia de ligação e algumas propriedades:

Resistência mecânica: aumenta com a força máxima e com a profundidade do poço da curva de energia de ligação.

Pontos de fusão e de ebulição: aumentam com a profundidade do poço da curva de energia de ligação.

Elétrons de valência

Distancia inter atômica


Coeficiente de expansão térmica: diminui com a profundidade do poço da curva de energia de ligação.

Figura 2.3. Diagrama de energia de ligação de dois materiais.

Ligações Químicas

Basicamente, os átomos podem atingir uma configuração denominada de estável (menor energia) a partir de três maneiras, quais sejam: ganho de elétrons, perda de elétrons ou compartilhamento de elétrons. A facilidade em ganhar elétrons caracteriza o átomo como elemento eletronegativo; a facilidade em perder elétrons o caracteriza como sendo um elemento eletropositivo. Existem também os átomos que não apresentam facilidade em perder ou ganhar elétrons. Estas características atômicas resultam na existência de três tipos de ligações atômicas, denominadas como primárias ou fortes, que são :

ELEMENTO ELETROPOSITIVO +

ELEMENTO ELETRONEGATIVO

LIGAÇÃO IÔNICA

ELEMENTO ELETROPOSITIVO +

ELEMENTO ELETROPOSITIVO

LIGAÇÃO METÁLICA

ELEMENTO ELETRONEGATIVO +

ELEMENTO ELETRONEGATIVO

LIGAÇÃO COVALENTE

Uma outra classe de ligações, denominadas de ligações fracas, pode ser encontrada em algumas substâncias. Estas ligações contribuem para a atração entre moléculas e são classificadas como forças de Van Der Walls (ligação secundaria). Estas moléculas são atraídas, pois nelas podemos ter polarização induzida ou permanente. Quanto maior esta polarização mais forte é á força de ligação entre as moléculas.

2.1. LIGAÇÃO IÔNICA: envolve a transferência de elétrons de um átomo para outro

Figura 2.4- Formação da ligação iônica.

Para o cloreto de sódio, tanto o cátion Na+ quanto o ânion Cl- ficam com seus orbitais externos completos.

LIGAÇÃO IÔNICA - características:

§ Metal (esquerdo TP) + não-metal (direito TP)

§ Envolve a transferência de elétrons de um átomo para outro

§ Resulta da interação eletrostática entre um íon positivo e um íon negativo

§ A ligação é não-direcional

§ É a ligação predominante nos materiais cerâmicos

§ Os materiais são duros e quebradiços

§ Bons isolantes térmicos e elétricos nos sólidos, mas em soluções aquosas e no estado de fusão são bons condutores elétricos.


Figura 2.5- Estrutura iônica - Cloreto de sódio

2.2. LIGAÇÃO COVALENTE

Na ligação covalente está envolvido o compartilhamento de par(es) de elétron(s) entre os átomos ligantes.

· Covalente (normal): cada um dos átomos participa da ligação com um elétron para a formação do par eletrônico compartilhado;

· Covalente dativa: apenas um átomo estabelece a ligação com o outro átomo compartilhando seus elétrons de valência para a formação do par eletrônico.

Na formação das ligações químicas (covalente e covalente dativa) entre os átomos de oxigênio com o enxofre (átomo central) todos os átomos adquirem a estabilidade eletrônica, ou seja, ambos ficam com a última camada eletrônica totalmente preenchida, semelhante à distribuição eletrônica de um gás nobre.

Figura 2.6. Estrutura de uma ligação covalente, gás metano.

PROPRIEDADES GERAIS DOS COMPOSTOS COVALENTES

Compostos Covalentes que formam moléculas (Ex: Cl2, HCl)

· Na molécula, existem forças covalentes que mantêm os átomos unidos;

· No estado sólido, as moléculas são mantidas por forças de Van der Waals fracas (mais fraca do que a atração eletrostática dos íons);

· Em virtude disto, para fundir ou evaporar compostos covalentes precisa-se de energia (DH) suficiente apenas para romper as forças de Van der Waals.

Em virtude da fraca atração intermolecular, os compostos covalentes se apresentam como:

· Líquidos, com baixo ponto de ebulição, ou gases à temperatura ambiente;

· Compostos sólidos que possuem baixa dureza e baixo ponto de fusão.

· Isolantes: não conduzem corrente elétrica.

Compostos Covalentes formam estrutura (Ex: SiC, C -Diamante)

§ Os átomos são mantidos unidos por ligações covalentes(fortes), formando estruturas cristalinas.

§ Em virtude da alta energia da ligação covalente, os compostos covalentes apresentam como:

§ Compostos sólidos que possuem alta dureza e alto ponto de fusão.

§ Isolantes: não conduzem corrente elétrica.


2.3. LIGAÇÃO METÁLICA

Esse tipo de ligação é normalmente encontrado em metais e envolve a interação de elementos eletropositivos. A ligação metálica é resultado da ação entre elétrons livres (nuvem eletrônica) e íons positivos. Estes elétrons livres são originários da última camada de valência, fracamente presos ao átomo, e que estão livres dentro da estrutura metálica. A figura abaixo mostra as ligações metálicas observadas em metais.

Figura 2.7. Representação esquemática da ligação metálica.

Características e propriedades dos compostos formados por ligações metálicos:

Os átomos de um metal estão unidos através da nuvem eletrônica, formando estrutura cristalina compactas.

Em virtude de possuir elétrons livres as ligações metálicas possuem as seguintes propriedades:

§ Sólidos cristalinos, de alto ponto de fusão e ebulição;

§ São bons condutores de calor e energia;

§ Possuem elevada plasticidade e dutibilidade;

§ Formam estruturas opacas.

§

2.4. LIGAÇÕES SECUNDÁRIAS

Até agora, temos considerado apenas a ligação primaria entre átomos, e vimos como ela depende da interação entre os elétrons de valência. A força motora para a ligação atômica primaria é a diminuição de energia que sofre os elétrons ligantes.

Contratando com as ligações primarias, as ligações secundarias são relativamente fracas, com energias de apenas cerca 4 a 40Kj/mol. A força motora para as ligações secundárias é a atração entre dipolos elétricos que existem nos átomos e moléculas.

Em geral, há dois tipos principais de ligações secundárias entre átomos ou moléculas, envolvendo dipolos elétricos: dipolos flutuantes (ou induzidos) e dipolos permanentes. É costume designar coletivamente estas ligações secundárias dipolares por ligações de Van der Waals.

Dipolos Induzidos

São forças de ligação muito fracas entre elementos de gás nobre, os quais possuem camadas completas de elétrons de valência. Estas ligações surgem por causa da forma assimétrica da distribuição de cargas eletrônicas destes átomos, a qual origina dipolos elétricos. Em qualquer instante, há uma elevada possibilidade de existir maior carga elétrica de um lado do átomo do que do outro. Por isso, num dado átomo, a nuvem de carga elétrica sofrendo alterações no tempo, criando um dipolo flutuante. Os dipolos formados nos átomos podem originar atração entre si, de que resultam fracas ligações interatômicas não direcionais.

Dipolos permanentes

São forças de ligação mais fortes que as ligações por dipolos induzidos que se desenvolvem entre moléculas formadas por ligações covalentes, quando estas moléculas formam dipolos permanentes.


H

H

H C H H C Cl

H H

CH4 CH3Cl

- +

Momento dipolar nulo Momento dipolar

Figura 2.8. Estrutura molecular do metano e clorometano.

Figura 2.9. Representação esquemática da ligação secundária.

Átomo de hidrogênio (eletronegatividade-2.1)

Átomos de cloro (eletronegatividade-3.0)

átomos de carbono (eletronegatividade-2.5)

Figura 2.10. Representação esquemática da estrutura do PVC

Figura 2.8. Representação esquemática da estrutura do PVC

Observando as duas estruturas, notamos que no PVC existem átomos de hidrogênio e cloro na cadeia de carbono, isto provoca uma polarização da molécula, pois o cloro é mais eletronegativo que hidrogênio. Esta polarização provoca uma grande força de atração entre as cadeias de carbono, o produz um plástico duro.

Enquanto o polietileno apresenta apenas átomos de hidrogênio na cadeia, não formando polarização, por isto a força de atração entre as moléculas é menor, produzindo um plástico mais mole.

+.,

+

Atração entre pólos positivos e negativos


CAP III- ESTRUTURA CRISTALINA

3. INTRODUÇÃO

Dependendo da composição química ou do processo de fabricação os átomos na solidificação ou em tratamentos térmicos podem se arranjar de maneira ordenada (estrutura cristalina) ou desordenada (estrutura vítrea).

Figura 3.1. Estrutura cristalina e estrutura vítrea

Estrutura cristalina: compostos por átomos, moléculas ou íons arranjados de uma forma periódica em 3 dimensões.

As posições que são ocupadas seguem uma ordenação que se repete ao longo de grandes distâncias

Distância entre planos de átomos iguais.

Materiais Vítreos (amorfos): compostos por átomos, moléculas ou íons que não apresentam uma ordenação de longo alcance.

Distância entre planos atômicos diferentes

3.1. ESTRUTURA CRISTALINA

A estrutura física dos materiais sólidos depende fundamentalmente do arranjo estrutural de seus átomos, íons ou moléculas. A grande maioria dos materiais comumente utilizados em engenharia, particularmente os metálicos, exibe um arranjo geométrico de seus átomos bem definido, constituindo uma estrutura cristalina. Os materiais cristalinos, independentes do tipo de ligação encontrada no mesmo, caracterizam-se por apresentar um agrupamento ordenado de seus

átomos, íons ou moléculas, que se repete nas três dimensões. Os arranjos atômicos em um sólido cristalino podem ser descritos usando, como referência, os pontos de intersecção de uma rede de linhas nas três dimensões. Em um cristal ideal, o arranjo destes pontos em torno de um ponto particular deve ser igual ao arranjo em torno de qualquer outro ponto da rede cristalina. Dessa maneira, é possível descrever um conjunto de pontos ou posições atômicas repetitivo, denominado de célula unitária. Uma célula unitária é também definida como a menor porção do cristal que ainda conserva as propriedades originais do mesmo. Através da adoção de valores específicos, como parâmetros axiais e ângulos interaxiais, pode-se obter células unitárias de diversas naturezas. O estudo da estrutura interna dos materiais necessita da utilização de 7 arranjos atômicos básicos, que podem representar as estruturas de todas as substâncias cristalinas conhecidas.

Tabela 3.1. Geometria dos sistemas cristalinos.

SISTEMAS EIXOS ÂNGULOS AXIAIS

CÚBICO a=b=c Todos os ângulos = 900

TETRAGONAL a=b¹c Todos os ângulos = 900

ORTORRÔMBICO a¹b¹c Todos os ângulos = 900

MONOCLÍNICO a¹b¹c 2 ângulos = 900

e 1 âng. ¹ 900

TRICLÍNICO a¹b¹c Todos ângulos Z¹ e nenhum igual a 900

HEXAGONAL a1=a2= a3¹c

3 ângulos = 900 1 ângulo = 1200

ROMBOÉDRICO a=b=c Todos os ângulos iguais, mas ¹ de 900

Estes 7 arranjos atômicos básicos definem 7 sistemas cristalinos. Partindo desses sistemas, A. J. Bravais derivou 14 células unitárias, que permitem descrever qualquer estrutura cristalina possível.

Estrutura cristalina Estrutura vítrea


Figura 3.2. Arranjos atômicos-células unitárias.

ESTRUTURA CRISTALINA DOS MATERIAIS DOS MATERIAIS

Fatores que definem o arranjo mais estável dos átomos de um cristal:

§ Preservar a neutralidade elétrica;

§ Satisfazer o caráter direcional das ligações covalentes;

§ Minimizar a repulsão íon-íon;

§ Ajustar os átomos do modo mais compacto possível;

§ Relação entre tamanho de átomos;

3.1.1. Materiais Metálicos

As Ligações metálicas por não apresentarem caráter direcional, não impõe restrições a átomos vizinhos e também por se formados por átomos iguais ou semelhantes, cristalizam-se em estruturas simples e compactas. Os metais se cristalizam nas seguintes estruturas: Hexagonal Compacta, Cúbica de Face Centrada e Cúbica de Corpo Centrado.

3.1.1.1. Estrutura Cúbica de Corpo Centrado-CCC

Neste arranjo estrutural existe um átomo em cada vértice de um cubo e um outro átomo no centro do mesmo, como mostra a figura 3.4. Esta estrutura pode ser encontrada no tungstênio, tântalo, bário, nióbio, lítio, potássio, vanádio, cromo, etc.

Figura 3.3. Estrutura CCC

Figura 3.4. Modelo demonstrando a posição dos átomos da Estrutura CCC


Figura 3.5. Célula Unitária – Estrutura CCC

Características da estrutura CCC

· Relação entre raio e aresta da célula unitária:

( )2 2 2a + a 2 = (4R ) a = 4R

3®

R- raio atômico

a- aresta da célula unitária

· Numero de Átomos por célula unitária: 2 átomos

· Fator de empacotamento atômico (F.E.)= 0,68

F.E. = N V

VA

C

onde: N = Número de átomos que efetivamente

ocupam a célula;

VA = Volume do átomo (4/3.p.R3);

VC = Volume da célula unitária(a3).

3.1.1.2. Estrutura Cúbica de Face Centrado-CFC

Este arranjo caracteriza-se por exibir os mesmos átomos nos vértices encontrados nos outros dois arranjos cúbicos e mais 1 átomo em cada face do cubo. A estrutura cúbica de face centrada é a estrutura do alumínio, cálcio, níquel, cobre, prata,

ouro, platina, chumbo, etc. Neste caso existe um total de quatro átomos no interior da célula unitária.

Figura 3.6. Estrutura CFC

Figura 3.7. Modelo demonstrando a posição dos átomos da Estrutura CFC

Figura 3.8. Célula unitária – Estrutura CFC


Características da estrutura CFC

· Relação entre raio e aresta da célula unitária:

2 2 2a + a = (4R ) a = 2 2R®

R- raio atômico

a- aresta da célula unitária


· Fator de empacotamento atômico (F.E.)= 0,74 ou 74%

3.1.3. Estrutura Hexagonal Compacta

A estrutura hexagonal compacta é formada por dois hexágonos sobrepostos e um plano intermediário de 3 átomos. Nos hexágonos, novamente, existem 6 átomos nos vértices e um outro no centro. A estrutura cristalina hexagonal compacta pode ser observada na figura 3.10. Neste caso, o parâmetro "a" é diferente do parâmetro "c". Os ângulos basais são novamente iguais a 1200 e os verticais de 900. A estrutura HC pode ser observada no berílio, berquélio, lítio, magnésio, cádmio, cobalto, etc. O número de átomos que efetivamente encontram-se dentro de uma célula unitária HC é igual a 6.

Figura 3.9. Estrutura HC

Figura 3.10. Modelo demonstrando a posição dos átomos da Estrutura HC

Características da estrutura CFC


· Fator de empacotamento atômico (F.E.)= 0,74 ou 74%

Comparações entre estruturas CCC, CFC e HC

Tabela 3.2. Comparação entre estruturas metálicas.

Estrutura CFC CCC HC

Dutibilidade Boa Ruim Ruim

FEA 0,74 0,68 0,74

Dureza Baixa Alta Alta

Coef. Dilatação maior menor maior

FEA Fator de empacotamento atômico

ALOTROPIA Diversos elementos, bem como compostos químicos apresentam mais de uma forma cristalina, dependendo de condições como pressão e temperatura envolvidas. Este fenômeno é denominado de alotropia ou polimorfismo. Metais de grande importância industrial como o ferro, o


titânio e o cobalto apresentam transformações alotrópicas em temperaturas elevadas. A tabela 3.3 mostra alguns metais que exibem variações alotrópicas e suas temperaturas de transformação. A variação alotrópica encontrada em cristais de ferro pode ser considerada como um clássico exemplo de polimorfismo. Esta variação alotrópica é muito importante em processos metalúrgicos, pois permite a mudança de certas propriedades do aço (Fe + C), através de tratamentos térmicos.

Tabela .3.3. Formas alotrópicas de alguns metais.

Metal Estrutura na temp. ambiente

Em outras temperaturas

Ca CFC CCC (>4470C)

Co HC CFC (>4270C)

Hf HC CFC (>17420C)

Fe CCC CFC (912-13940C) CCC (>13940C)

Li CCC HC (<-1930C)

Na CCC HC (<-2330C)

Tl HC CCC (>2340C)

Ti HC CCC (>8830C)

Y HC CCC (>14810C)

Zr HC CCC (>8720C)

O ferro apresenta os arranjos CCC e CFC na faixa de temperaturas que vai da temperatura ambiente até a temperatura de fusão do mesmo (15390C). O ferro a existe de -273 a 9120C e tem estrutura cristalina CCC. Entre 768 e 9120C, o ferro a deixa de ser magnético e, algumas vezes, é chamado de ferro b. O ferro g existe de 912 a 13940C e tem estrutura CFC. O ferro d existe de 1394 a 15390C, apresentando, novamente, estrutura CCC. A diferença entre as estruturas CCC do ferro a e do ferro d reside no valor do parâmetro de rede dos dois casos. Na faixa de temperaturas mais baixa, o parâmetro de rede é menor. Um outro exemplo clássico de polimorfismo é a variação alotrópica do carbono. Este elemento é

encontrado como diamante, que é o material mais duro na natureza e na grafite, um material de baixíssima dureza, que pode ser usado como lubrificante. O diamante é duro porque todas as suas ligações são covalentes. Por outro lado, a grafite tem ligações covalentes apenas em alguns planos. Estes planos são agregados a outros planos através de forças secundárias e assim, é fácil provocar o deslizamento dos mesmos. A figura III.10 apresenta as estruturas do diamante e da grafite.

Figura 3.11- Estrutura: a-diamante b- grafite

3.1.2. Estrutura Cristalina dos Materiais Cerâmicos

A estrutura dos materiais cerâmicos pode ser extremamente complexa à medida que um número elevado de átomos, com diferentes funções, pode formar a mesma. Tal estrutura, como de outros materiais (metálicos e poliméricos) é determinada pela natureza das ligações atômicas presentes, bem como das características dos elementos envolvidos em tais ligações. Na maioria dos materiais cerâmicos, a estrutura é resultado da quantidade relativa de ligações iônicas e covalentes presentes. As parcelas iônica e covalente dependem basicamente da eletronegatividade dos átomos envolvidos.

O caráter iônico ou covalente define, em parte, o tipo de estrutura que o composto cerâmico exibe. Como na maioria dos compostos cerâmicos o caráter iônico é predominante, a estrutura dos mesmos é determinada por dois fatores fundamentais. No caso de compostos iônicos simples, do tipo AB, o arranjo dos íons é definido pelos seguintes fatores: a. A relação entre os raios do cátion e do ânion;

a b


b. A necessidade de existir um balanço de cargas no sólido iônico. Como os sólidos iônicos exibem tendência a formar estruturas altamente compactas, o limite de tal compactação é dado pela relação entre raios iônicos e pelo balanço eletrostático dos íons envolvidos. Além disso, para que a ligação iônica ocorra é necessário que os cátions e ânions estejam em contato. Assim, para o caso de uma estrutura onde os íons são iguais, é fácil perceber que o número de coordenação será igual a 12 (estruturas CFC ou HC). Se os íons são diferentes, o N.C. dependerá da relação entre seus raios r/R, onde r é o raio do cátion e R do ânion. Existe uma relação (r/R)ideal, onde o ajuste geométrico é perfeito, como mostra a tabela 3.4. Quando as dimensões dos íons são comparadas, observa-se que os ânions são, geralmente, maiores que os cátions. Este fato está relacionado à força que o núcleo exerce em relação a eletrosfera. Com a perda de elétrons (gerando cátions), os elétrons restantes são atraídos em direção ao núcleo de maneira mais forte, o que reduz o raio iônico. O fenômeno oposto, ou seja, o aumento do raio iônico ocorre com o ganho de elétrons e a formação de ânions. A tabela 3.5 exibe valores do raio iônico de alguns cátions e ânions formadores de estruturas cerâmicas simples. Tabela 3.4.Número de coordenação para as relações entre raios metálicos ou iônicos.

Número de Coordenação

Relação (r/R)ideal

3 0,155

4 0,225-0,414

6 0,414-0,732

8 0,732-1,00

12 1,00

Tabela 3.5. Raios iônicos de alguns cátions e ânions.

Cátion Raio Iônico (nm)

Ânion Raio Iônico (nm)

Cs+ 0,170 Br- 0,196 K+ 0,138 Cl- 0,181

Na+ 0,098 F- 0,133 Ni2+ 0,069 I- 0,220 Mg2+ 0,072 S2- 0,184 Mn2+ 0,067 O2- 0,140

Exemplos de Estrutura Cristalina dos Materiais Cerâmicos

§ Materiais com ligações iônicas

Estrutura do NaCL

Figura 3.12. Diagrama da ligação iônica - Cloreto de Sódio

r/R= 0,564

N.C = 6

Neste tipo de estrutura existe um número equivalente de cátions e ânions. O número de coordenação, que é obtido da relação r/R e resulta no valor de 0,564 conforme dados obtidos na tabela V.5, é igual a 6. Como o número de cátions é igual ao de ânions, o número de


coordenação 6 é igual para ambos os íons. A estrutura desse composto é gerada a partir de um arranjo CFC dos ânions, tendo em seus interstícios, os cátions, como mostra a figura 3.11. Além do NaCl, o MgO, o MnS e o LiF também apresentam este tipo de arranjo estrutural.

Materiais com ligações covalentes

Figura 3.13a. Estrutura do diamante

Figura 3.13b. Estrutura cristalina do SiO2

Os materiais cerâmicos formados estritamente por ligações covalentes apresentam altos pontos de fusão e elevada dureza. Estas propriedades são oriundas da alta força de ligação e da simetria da estrutura.

3.1.3. Estrutura Cristalina dos Silicatos Os silicatos

constituem a classe de maior importância, representando cerca de 25% dos minerais conhecidos e quase 40% dos minerais comuns. Os silicatos constituem cerca de 95% do volume da crosta terrestre, dos quais cerca de 59,5% são representados por feldspatos, 16,8% por anfibólios e piroxênios, 12% por quartzo e 3,8% pelas micas, os outros minerais (silicatos e não silicatos) perfazendo o volume de aproximadamente 7,9%. Dessa maneira, a grande maioria das rochas é formada por silicatos, sendo raras as rochas magmáticas, metamórficas e sedimentares que não possuem como minerais essenciais silicatos. Assim sendo, é impossível classificar rochas sem possuir uma boa base de mineralogia dos silicatos.Muitos materiais cerâmicos têm estruturas do tipo silicato. Muitos minerais que aparecem na natureza tais como argila, feldspato, talco, micas são silicatos.

3.1.3.1. Unidade estrutural básica do Silicato

As estruturas de silicatos restringem-se ao silício tetracoordenado, tetraédrico, exceto em fases estáveis sob altas pressões, bastante raras. A unidade [SiO4] é formada por um átomo de silício no centro e os átomos de oxigênio nos vértices. Cada átomo de oxigênio compartilhado contribui com um elétron em cada ligação ao silício, portanto cada oxigênio terminal, isto é, não compartilhado, provoca o aparecimento de uma carga negativa na unidade. Assim, o ortossilicato é descrito como [SiO4]

4 - [1].

Figura 3.14. Estrutura do ortossilicato [SiO4]4 -


3.1.3.1. Principais estruturas dos silicatos

Estrutura Tridimensional SiO2 : Cada Silício está cercado por quatro oxigênios e cada oxigênio está ligado por dois tetraedros.

Exemplo: Quartzo e Tridimita

Figura 3.15. Estrutura cristalina da Cristobalita e tridimita.

Ortossilicato (SiO4) -4 : um átomo de silício se liga a 4 átomos de oxigênio

Exemplo: Mg2SiO4 (fosterita)

Figura 3.16. Estrutura do ortossilicato

Metassilicato ( Si2O7) -6 : Quando dois radicais

ortossilicato se ligam entre si, usando um oxigênio como ponte.

Exemplo: Ca2Mg Si2O7

Figura 3.18. Estrutura do metassilicato

Piroxênios (SiO3) -2: Unidades de (SiO4) -4

unidas em cadeias

Exemplo:Mg SiO3 (enstetita)

Estrutura em Cadeias simples (piroxênios)

Estrutura em cadeias duplas (anfibólios)

Figura 3.19. Estrutura dos silicatos em cadeia simples e duplas.

• Silício ™ Oxigênio

(a) Cristobalita (b) Tridimita


Estrutura em Camada: Quando os três átomos do tetraedro (SiO4)-4 estão ligados a três tetraedros, formando uma

estrutura lamelar.

Exemplo: Argilominerais, talco

Figura 3.20. Estrutura lamelar

3.3. Estruturas dos argilominerais

Argilominerais –definição: aluminossilicatos hidratados que podem ser dispersos em partículas finas e desenvolvem plasticidade quando misturados com água.

Exemplos: caulinita, halloysita, pirofilita, montmorillonita, mica, ilita, etc...

As estruturas cristalinas dos argilominerais são constituídas por camadas tetraédricas de silício (tetracoordenado) e octaédricas de alumínio (hexacoordenado). Os vértices dos grupos tetraédricos e octaédricos são compostos por átomos ou íons oxigênio e por íons hidroxila, que estão ao redor de pequenos cátions, principalmente Si4+ e Al3+, ocasionalmente Fe3+ e Fe2+, nos grupos tetraédricos Al3+, Mg2+, Fe2+, Fe3+, Ti4+, ocasionalmente Cr3+, Mn2+, Zn2+, Li+, nos grupos octaédricos, geralmente com um certo grau de substituição isomórfica. Essas substituições isomórficas são responsáveis pelo excesso de cargas elétricas negativas na superfície das plaquetas.

a- Grupo tetraédrico silício

b- Lâmina tetraédrica

c- Grupo octaédricos alumínio

d- Lâmina octaédricas

Figura 3.21. Modelo esquemático da camada estrutural básica de uma argila

Modelo estrutural de um argilomineral tipo 1:1.


Figura 3.22. Modelo estrutural de um argilomineral tipo 1:2.

3.1.4. Estrutura dos principais argilominerais

Caulinita

Tipo: Silicato de alumínio hidratado de estrutura lamelar, argilomineral. Estrutura 1:1

Composição: Al 2(Si2O5)(OH)4

Reações:

>500°C se decompõe em metacaulinita, Al2O3·2SiO2

>900°C forma mulita, 3Al2O3·2SiO2, e alumina

>1150°C forma cristobalita

Propriedades e aplicação:

Plasticidade na etapa de conformação

Figura 2.24. Estrutura da caulinita

Tipo: Silicatos de alumínio anidros

Composição:

K2O·Al2O3·6SiO2 (ortoclásio) K2O·Al2O3·6SiO2 (albita), CaO·Al2O3·2SiO2 (anortita)

Reações:

800-1000°C apresenta uma composição próxima do eutético (ortoclásio, feldspato potássico)

Propriedades e aplicação:

Fundentes, insolúveis em água, formadores de fase vítrea em corpos cerâmicos e esmaltes

Tabela 3.7. Formulas químicas dos feldspatos

Ca(Al2Si2)O8 ou CaO·Al2O3·2SiO2Anortita

Na(AlSi3)O8 ou 1/2Na2O·1/2Al2O3·3SiO2Albita

K(AlSi3)O8 ou 1/2K2O·1/2Al2O3·3SiO2Ortoclásio

Fórmula química (estrutural ou em óxidos)

Mineral

Ca(Al2Si2)O8 ou CaO·Al2O3·2SiO2Anortita

Na(AlSi3)O8 ou 1/2Na2O·1/2Al2O3·3SiO2Albita

K(AlSi3)O8 ou 1/2K2O·1/2Al2O3·3SiO2Ortoclásio

Fórmula química (estrutural ou em óxidos)

Mineral

7,1Å


3.2. CRISTALOGRAFIA E DETERMINAÇÃO DE ESTRUTURAS CRISTALINAS

3.2.1. Posições, Direções e Planos em Cristais Freqüentemente, é necessário identificar posições, direções e planos em um cristal. Isto é particularmente importante no caso de metais e suas ligas, que apresentam propriedades que variam com a orientação cristalográfica. Por exemplo, a existência de determinados conjuntos de planos e direções definidos como compactos, desempenham importante papel durante a deformação plástica de metais. A existência de propriedades dependentes da orientação cristalográfica resulta na necessidade de se determinar posições, direções e planos em um cristal.

Posições em Cristais Cúbicos A localização de posições atômicas em uma célula unitária de um cristal cúbico é obtida pelo uso de um sistema de eixos cartesiano. Em cristalografia, o eixo x é a direção perpendicular ao plano do papel, o eixo y é a direção à direita do papel e o eixo z é a direção para cima, como mostra a figura 3.29. As direções negativas destes eixos são opostas às direções mencionadas. As posições atômicas em uma célula unitária são definidas pelo uso de unidades de distâncias ao longo dos eixos x, y e z. Por exemplo, as coordenadas das posições atômicas em uma célula CCC são mostradas na figura 3.29. As posições dos átomos nos oito vértices do cubo têm as coordenadas: (0,0,0), (1,0,0), (0,1,0), (0,0,1), (1,1,1), (1,1,0), (1,0,1) e (0,1,1).

figura 3.29- Posições atômicas de uma célula CCC

Direções em Cristais Cúbicos No sistema cúbico, as direções cristalográficas são obtidas a partir das componentes da direção em questão, tomadas nos três eixos cartesianos. Para indicar esquematicamente uma direção em uma célula unitária, desenha-se um vetor que parte da origem e atinge a posição definida pelas coordenadas consideradas. Assim, para se obter uma direção em um cristal, deve-se observar que: a. Os eixos cristalinos são utilizados como direções básicas; b. As coordenadas de um ponto são medidas em relação ao parâmetro de cada eixo e assim, não representam valores reais de distância; c. A direção [222] é idêntica à direção [111] e dessa forma, a combinação dos menores números inteiros deve ser utilizada; d. As direções negativas são indicadas com um traço sobre o índice; e. Uma direção é representada por índices entre colchetes. Por exemplo, considerando a figura 3.30, as coordenadas do vetor OR, que passa pela origem são (1,0,0). Assim, a direção do mesmo passa a ser [100]. As coordenadas do vetor OT são (1,1,1) e sua direção é dada por [111].


Figura 3.30 Direções em células unitárias cúbicas Planos em Cristais Cúbicos Em determinadas situações é necessário definir planos atômicos dentro de uma estrutura cristalina. Para identificar planos cristalinos em cristais cúbicos, o sistema de notação dos índices de Miller deve ser utilizado. Os índices de Miller de um plano cristalino são definidos como sendo os inversos das coordenadas de interceptação do plano com os eixos x, y e z. O procedimento básico para determinar os índices de Miller para um cristal cúbico são: a. Escolha de um plano que não passe pela origem (0,0,0); b. Determinação dos pontos de interceptação do plano com os eixos x, y e z; c. Obtenção dos inversos das interceptações; d. Obtenção dos menores números inteiros para representar o plano; e. Apresentação dos índices obtidos entre parênteses. Genericamente, as letras h, k e l são usadas para indicar os índices de Miller de um plano, o que resulta em (hkl). A figura 3.31 mostra três dos mais importantes planos das estruturas cúbicas. Considerando o plano indicado na figura 3.31..a, nota-se que o mesmo intercepta x em 1, y em ¥ e z também em ¥. Tomando os inversos pode-se obter os índices de Miller, que resulta em (100). Como estes índices não envolvem frações, os mesmos são usados para representar o referido plano. Considerando o plano da figura 3.31.b., observa-se que o mesmo intercepta os eixos em 1, 1 e ¥. Os inversos fornecem 1, 1 e 0, que resultam em (110). Finalmente, o plano apresentado pela figura 3.31.c intercepta os eixos em 1, 1 e 1, que resulta nos índices de Miller (111). Quando é necessário representar um conjunto de planos equivalentes dentro de um cristal, são utilizadas as famílias de planos. Uma

família de planos, como a dos que passam pelas faces do cubo ou (100), (010), (001), etc, é representada pela notação {100}. Da mesma forma, a família de planos que dividem o cubo em duas partes iguais é dada por {110}. Planos em Cristais Cúbicos Em determinadas situações é necessário definir planos atômicos dentro de uma estrutura cristalina. Para identificar planos cristalinos em cristais cúbicos, o sistema de notação dos índices de Miller deve ser utilizado. Os índices de Miller de um plano cristalino são definidos como sendo os inversos das coordenadas de interceptação do plano com os eixos x, y e z. O procedimento básico para determinar os índices de Miller para um cristal cúbico são: a. Escolha de um plano que não passe pela origem (0,0,0); b. Determinação dos pontos de interceptação do plano com os eixos x, y e z; c. Obtenção dos inversos das interceptações; d. Obtenção dos menores números inteiros para representar o plano; e. Apresentação dos índices obtidos entre parênteses. Genericamente, as letras h, k e l são usadas para indicar os índices de Miller de um plano, o que resulta em (hkl). A figura 3.31 mostra três dos mais importantes planos das estruturas cúbicas.

a b c Figura 3.31.- Principais planos das estruturas cúbicas: (010), (110) e (111)

11, ¥ 1, 1, 0 (110)

1 , 1, 1 1, 1, 1 (111)

¥, 1, ¥ 0, 1, 0 (010)


Densidade Atômica em Cristais Dentre os planos e direções de um cristal, alguns revelam ser mais compactos, ou seja, possuem mais átomos por unidade de comprimento ou de área. Assim no sistema CS, as direções mais compactas são as da família <100> e os planos mais compactos são os da família {100}. A definição de uma direção compacta envolve a definição de densidade linear de átomos. Esta densidade é obtida determinando o número de átomos que efetivamente estão contidos em um determinado comprimento. Assim, a densidade linear da família de direções <100>, no sistema CS (figura 3.33) é igual a:

linear

o

D = n de atomoscomprimento

=

12

+ 12

a =

1a

(III.9)

Da mesma forma, um plano compacto é determinado calculando-se o número de átomos que efetivamente ocupam uma certa área. Assim, a densidade planar de átomos da família de planos {100}, no sistema CS (figura 3.33 é igual a:)

planar

o

2 2D = n de atomos

area =

14

+ 14

+ 14

+ 14

a =

1a

Fi

gura 3.32. Plano e direção 100 da estrutura cúbica

simples .

Os planos e direções compactos são importantes porque desempenham papel significativo no estudo da deformação plástica de metais. Os átomos de um cristal solicitado mecanicamente escorregam ao longo de planos compactos, seguindo direções compactas. 3.2.2. Análise de Estruturas Cristalinas

Grande parte do conhecimento adquirido sobre estruturas cristalinas é resultado da utilização de técnicas de difração de raios-X. Estas técnicas permitem obter informações detalhadas sobre dimensões, presença de defeitos e orientação da rede cristalina. O uso do raios-X no estudo de cristais deve-se ao fato de que esta radiação tem comprimento de onda próximo aos valores de distâncias entre planos cristalinos. A utilização de raios-X iniciou-se logo em seguida a sua descoberta em 1895, por Roentgen. Apesar de, naquela época, a natureza desta radiação não ser conhecida em detalhes (razão do nome "raios-X"), o raios-X foi então, aplicado em estudos da estrutura interna de materiais opacos (radiografia) devido ao seu alto poder de penetração. Desde aquela época, esta radiação era conhecida por propagar-se em linha reta, sensibilizar filmes fotográficos e apresentar velocidade de propagação definida. Os raios-X empregados em técnicas de difração são ondas eletromagnéticas com comprimento de onda na faixa de 0,05 a 0,25nm (0,5 a 2,5 Å). Como


comparação, o comprimento de onda da luz visível é da ordem de 600nm (6.000 Å).

3.2.2.1. Obtenção de Raios-X

A obtenção de raios-X para difração envolve a aplicação de tensões da ordem de 35kV entre um catodo e um anodo, dentro de um sistema apresentando alto vácuo. A figura 3.33 mostra um diagrama esquemático de um equipamento de raios-X.

Figura 3.33. Diagrama esquemático de um sistema de geração de raios-X. O funcionamento do mesmo é bastante simples: Ao ser aquecido, o filamento de tungstênio (catodo) libera elétrons por emissão termo-iônico. Devido à elevada diferença de potencial (35kV), os elétrons liberados são acelerados, ganham energia cinética e movimentam-se em direção ao anodo (molibdênio). Ao colidirem com o anodo, tais elétrons provocam a emissão de raios-X. Entretanto, em torno de 98% da energia cinética dos elétrons é transformada em calor, o que torna necessário o emprego de um sistema de refrigeração do anodo. 3.2.2.2. Difração de Raios-X Em 1912, a partir da teoria eletromagnética da luz, foi possível prever que o raios-X podia ser difratado por estruturas cristalinas. Este fato foi inicialmente implementado experimentalmente na investigação da estrutura cristalina do NaCl, KCl e KBr. Até aquela época, a estrutura cristalina de metais era desconhecida.

Se um feixe de raios-X monocromático (freqüência única) incide sobre um átomo isolado, elétrons do mesmo são excitados e vibram com a mesma freqüência do feixe incidente. Tais elétrons em vibração emitirão raios-X em todas direções com a mesma freqüência do feixe incidente. Assim, o átomo isolado espalha o feixe incidente em todas as direções. Entretanto, quando o mesmo feixe incide sobre um conjunto de átomos ordenados, como é o caso da estrutura cristalina e se este feixe monocromático tiver comprimento de onda com valor semelhante aos espaçamentos entre tais átomos, então ocorrerá interferência construtiva em algumas direções e destrutiva em outras. A figura 3.34 ilustra casos de interferência destrutiva (figura 3.34.a) e construtiva (figura 3.34.b). Observando esta mesma ilustração (figura III.19.c), nota-se que a interferência construtiva de dois raios monocromáticos (raio 1 e 2) ocorrerá quando os mesmos permanecerem em fase. Isto acontecerá quando o raio 2 percorrer uma distância extra MP+PN, equivalente a um número inteiro de comprimentos de ondas (l). Então: n = MP + PNl (IIII.11) onde n=1,2,3,... e é chamado ordem de difração. Como MP e PN são iguais a dhlksenq, onde dhlkl é a distância entre dois planos com índices (hkl), a condição necessária para ocorrer interferência construtiva deverá ser:

n = 2 d senhkll q (III.12)

Esta equação é conhecida como lei de Bragg e relaciona comprimento de onda (l) e ângulo do feixe (q) de raios-X incidente e distância interplanar dhkl. Como na maioria dos casos a ordem de difração é 1, a lei de Bragg torna-se igual a:

l q = 2 d senhkl (III.13)

A tabela 3.8 apresenta a relação entre espaçamento interplanar (dhkl), parâmetros da célula unitária (a, b, c), ângulos a (entre os eixos y e z), b (entre os eixos x e z) e g (entre os eixos x e y) e planos cristalinos (h k l).


Tabela 3.8 Relação entre parâmetros de difração de raios-X e os de planos cristalinos.

SISTEMA

CRISTALINO

RELAÇÃO

CÚBICO 1d

= h + k + la2

2 2 2

2 Um cruzeiro

TETRAGONAL 1d

= h + ka

+ lc2

2 2

2

2

2 Dois cruzeiros

HEXAGONAL 1d

= 43

h + hk + ka

+ lc2

2 2

2

2

2æ

èç

ö

ø÷ Três

cruzeiros

a- raios refletidos não em fase, por isto não haverá reflexão, interferência destrutiva.

b- raios refletidos em fase, por isto haverá reflexão, interferência construtiva.

Figura 3.34. Reflexão de raios-X de natureza monocromática por planos de um cristal.

3.2.2.4. Análise De Estruturas Cúbicas Um ensaio de raios-X é executado com o emprego de um dispositivo denominado de goniômetro, conforme mostra a figura III.20. Nesse equipamento, a amostra é colocada no ponto O e é girada para que o ângulo de incidência do feixe de raios-X (T) seja variado. O feixe de raios-X difratados é medido através do detector C. Em função das características de um goniômetro, em geral, o ângulo de difração é medido como 2q. A figura 3.36 apresenta um difratograma resultante de um ensaio de raios-X do tungstênio. A intensidade de difração é maior para os planos de alta densidade de átomos. Como, geralmente, a distância entre planos compactos é grande, a análise da equação III.13, permite concluir que os planos de maior intensidade de difração correspondem a baixos ângulos. Na análise de estruturas cúbicas, apenas alguns planos podem provocar difração. No caso das estruturas CCC, a difração é possível quando a soma dos índices de Miller resulta em um número par. Para as estruturas CFC, a difração ocorre quando todos os índices são pares ou todos são impares. A tabela III.4 mostra os planos de difração nas estruturas cúbicas. Tabela 3.9. Família de planos em estruturas cúbicas que provocam difração.

Planos I. Miller {hkl}

(h2+k2+l2)

Planos de Difração CCC CFC

{100} 1 {110} 2 1° {111} 3 1° {200} 4 2° 2° {210} 5 {211} 6 3° {220} 8 4° 3° {221} 9 {310} 10 5°


Figura. 3.35. Goniômetro empregado em ensaios de difração de raios-X A técnica de difração de raios-X pode ser facilmente empregada para diferenciar estruturas CCC e CFC. Analisando a tabela 3.9, observa-se que para as estruturas cúbicas vale a relação:

12d

= 2h + 2k + 2l

2a

(III.14)

Figura 3.36. Difratograma de raios-X do tungstênio Combinando as equações III.13 e III.14 e elevando ambos os lados ao quadrado, pode-se obter:

( )sen 2 = 2

4a 22h + 2k + 2lq

l

(III.15)

Como l e a são constantes, então:

sensen

21

22

qq

= 2h + 2k + 2l2h + 2k + 2l

1 1 1

2 2 2

(III.16)

Onde q1 e q2 estão associados aos principais planos de difração. A aplicação da equação III.16 associada à tabela III.4 permite prever que os dois primeiros planos de uma estrutura CCC resulta no valor sen2q1/sen2q2=0,5. No caso das estruturas CFC, a relação sen2q1/sen2q2=0,75. Exemplo de Exercícios: Um espectro de difração de raios-x de um elemento com estrutura cristalina apresentam os seguintes picos de difração para os seguintes valores de ângulo:

Pico Ângulo de difração (2q)

1o 40,00

2o 58,00

3o 73,00

4o 86,8

Obs : Comprimento de onda l = 0,154056 nm

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

0 20 40 60 80 100 120Angulo de Difração 2O

Inte

ns

idad

e d

o fe

ixe

Com base nos dados acima determine:

1 - a estrutura cristalina

2 - a distancia interplanar entre do 1o Pico

3 - o parâmetro de rede(aresta)

4- o raio do metal

5- o metal

Detector

Fonte

Amostra

Detector

Fonte

Amostra


1 – Para determinar a estrutura devemos calcular a relação entre o quadrado do seno do ângulo do 1º pico com o quadrado do 2º. Pico 2 q q

1 40,00

20

2 58,00

29

3 73,00

36

(sen 20)2 = 0,117 = 0,498 = 0,5 (sen29)2 0,235

A estrutura é CCC pois o quociente é 0,50.

2-Utilizando esta equação l q = 2 d senhkl ,

podemos determinar a distância interplanar dhkl = . l . 2.senq d110= 0,154056 nm = 0,225 nm

2.sen 20 3- Para calcular o parâmetro de rede(aresta) devemos utilizar a formula:

1d

= h + k + la2

2 2 2

2

a = dhkl. (h2 + k2 +l2) 0,5 O valor de h , k e l, é determinado na tabela 3.9 na

pagina 23.

a = 0,225.(12+12+02) 0,5=

a= 0,225.(2) 0,5 = 0,3185nm

a= 4R/ 30,5

R= a. 30,5 = 0,318. 1,732 = 0,1377nm 4 4

Comparando o raio calculado com uma tabela de raio atômico, observamos que o metal é o tungstênio.

3.2.2.4. Identificação de minerais

Para identificar um mineral ou argilomineral

devemos comparar os picos do difratograma com

padrões conhecidos. O difratograma é uma

digital do material.

Os três picos mais intensos são utilizados para

iniciar o procedimento de identificação, na sua

ordem de intensidade, comparando-os com

dados dos arquivos PDF (powder difraction file

do ICDD, International Centre for Diffraction

Data, www.icdd.com). Se elas coincidirem com

uma substância, as posições e intensidades dos

demais picos são comparadas com as do

arquivo.

Figura 3.8. Difratograma de raios-x do BaSO4


Tabela 3.10- Distancia Interplanar dos picos de identificação de alguns minerais e argilominerais.

distancias interplanares difratadas Mineral d int d int d int

Caulim 7,13 x 3,56 x 4,41 6 Ilita 2m 2,56 x 4,49 7 3,35 7 Moscovita 10,1 x 3,36 x 4,49 9 Ilita 1m 4,43 x 2,56 6 3,66 8 Vermicosita 14,2 x 1,53 7 4,57 6 Albita 3,18 x 3,75 3 3,21 3 Ortoclase 3,31 x 3,77 8 4,22 7 Leocita 3,27 x 3,44 9 5,38 8 Nefekina 3 x 3,83 8 3,26 8 Corderita 4,13 x 8,54 8 8,45 8 Calcita 3,04 x 2,29 2 2,1 2 Mulita 3,39 x 3,43 x 2,21 6 Dolomita 2,89 x 2,19 5 1,79 4 Magnetita 2,74 x 2,1 5 1,7 4 Talco 9,35 x 1,53 6 4,59 5 Montimorilonita 13,6 x 4,47 2 3,34 1 Wolastonita 2,98 x 3,32 3 3,52 2 Arnotita 2,85 x 1,75 4 3,07 3 Quartzo 3,34 x 4,26 4 1,82 2 Cristobalita 4,05 x 2,49 2 2,84 1 Tridimita 4,27 x 4,08 9 3,8 9 Fosterita 2,46 x 3,88 7 2,51 7 Esteatita 2,87 x 3,17 8 3,15 5


CAP IV - IMPERFEIÇÕES DA ESTRUTURA CRISTALINA

4.1. INTRODUÇÃO Durante a solidificação, os Materiais sofrem o rearranjo de seus átomos que determina a estrutura cristalina dos mesmos. Dependendo do modo com que o líquido transforma-se em sólido, podem ocorrer defeitos no empilhamento e organização dos átomos, resultando em imperfeições estruturais. O tipo e a quantidade destas imperfeições afetam decisivamente algumas propriedades e o comportamento dos materiais cristalinos. Com exceção de alguns poucos produtos conformados por sinterização (metalurgia do pó), todos os produtos metálicos passam necessariamente pelo processo de solidificação, em algum estágio de sua fabricação. Em geral, o processo de solidificação pode ser dividido em duas etapas: a. Formação de embriões de cristais estáveis dentro do líquido ou etapa de nucleação, como mostra figura 4.1; b. Transformação dos núcleos em cristais, ou etapa de crescimento.

Figura 4.1 Nucleação e crescimento das estruturas cristalinas.

A transformação líquido/sólido e a conseqüente formação da estrutura cristalina é observada na prática em duas situações diferentes, quais sejam: solidificação com nucleação e crescimento controlados e solidificação com nucleação e

crescimento não-controlados. O primeiro caso envolve situações onde existe a necessidade de se produzir um sólido, onde a característica principal do mesmo é a qualidade do arranjo cristalino. Esta situação é geralmente encontrada na obtenção de insumos básicos para microeletrônica, onde a necessidade de monocristais perfeitos de silício, acineto de gálio, etc, é fundamental. 4.2. Imperfeições Estruturais As estruturas cristalinas analisadas até aqui apresentam como característica básica, arranjos cristalinos muito bem definidos. Entretanto, os cristais observados na prática nunca são totalmente perfeitos, exibindo defeitos de diversas naturezas. Tais imperfeições afetam diretamente várias características dos materiais, como os parâmetros envolvidos na deformação plástica, na condutividade elétrica de semicondutores, na corrosão em metais e em processos de difusão atômica. As imperfeições presentes em estruturas cristalinas podem ser de três tipos básicos, quais sejam: ¨ defeitos pontuais; ¨ defeitos em linha; ¨ defeitos de superfície. 4.2.1. Defeitos Pontuais Os cristais podem apresentar defeitos em pontos isolados de sua estrutura, dando lugar às imperfeições de ponto. Dentre as imperfeições pontuais, as mais importantes são: ¨ vacâncias ou vazios; ¨ átomos intersticiais; ¨ átomos substitucionais.. O tipo de defeito mais simples é a vacância. As vacâncias são vazios pontuais causados pela ausência de átomos em algumas posições da rede cristalina, como mostra a figura 4.2. Este tipo de defeito pode ser produzido durante o processo de solidificação, como resultado de perturbações locais no crescimento do cristal. Uma outra causa destas imperfeições é o rearranjo atômico de um cristal já existente, devido à mobilidade de seus átomos. Nos metais, a concentração de vacâncias raramente passa de 1 para cada 104 átomos. As vacâncias podem


ainda ser resultantes da deformação plástica, do resfriamento rápido e do bombardeamento da rede cristalina por partículas atômicas, como nêutro

Figura 2.1. Defeito pontual - Vacância

Em cristais iônicos, os defeitos pontuais exibem caráter mais complexo devido à necessidade de manter a neutralidade elétrica do sistema. Mesmo assim, pode-se observar defeitos estruturais, como o caso em que dois íons de cargas opostas perdidos dentro da estrutura entram em contato, criando uma vacância dupla. Este tipo de defeito é conhecido como imperfeição de Schottky. Quando um íon positivo move-se para uma posição intersticial do cristal iônico, uma "vacância cátion" é criada, conhecida como imperfeição de Frenkel. Os defeitos de Schottky e Frenkel são mostrados na figura 4.3 A presença dos defeitos de Schottky e Frenkel em cristais iônicos aumenta a condutividade elétrica dos mesmos.

Figura 4.4. Defeitos de Frenkel e Schottky.

Uma outra classe de defeitos são os átomos substitucionais e intersticiais estranhos à rede cristalina. Os átomos intersticiais são imperfeições causadas pela presença de átomos estranhos nos interstícios da rede cristalina e os átomos substitucionais são defeitos provocados

pela existência de átomos estranhos nos próprios vértices da rede cristalina, em substituição aos átomos que alí deveriam estar se não existissem vacâncias. Defeitos dessa natureza podem modificar o comportamento de certas propriedades. Por exemplo, a presença de uma quantidade muito pequena de átomos estranhos à rede cristalina do silício pode afetar, de modo significativo, a condutividade elétrica do mesmo. Estes dois tipos de defeitos pontuais são freqüentemente observados durante a formação das ligas metálicas, na forma de soluções sólidas. Na maioria das aplicações de engenharia, a necessidade de propriedades específicas, faz com que o uso de materiais metálicos nem sempre esteja restrito aos metais puro. Na verdade, apenas em um número bastante limitado de aplicações, os metais podem ser encontrados na forma pura ou quase pura. Por exemplo, o cobre de alta pureza (99,99%) é usado na confecção de fios elétricos devido a sua elevada condutividade elétrica. O alumínio superpuro (99,99%) é usado na fabricação de objetos decorativos, pois o mesmo permite obter uma superfície melhor acabada. Por outro lado, a maioria dos materiais metálicos usados em engenharia, estão combinados com outros metais ou não-metais. Estas combinações, denominadas de ligas metálicas, têm o objetivo de aumentar a resistência mecânica, a resistência à corrosão ou melhorar outras propriedades. Uma liga metálica, ou simplesmente uma liga, é a mistura de dois ou mais metais ou metais e não-metais. Estas ligas podem ter estruturas relativamente simples, como a de uma peça de bronze. O bronze é essencialmente uma liga binária (dois metais), contendo 70% em peso de Cu e 30% em peso de Zn. Por outro lado, certas ligas podem ser extremamente complexas como as superligas à base de níquel, denominadas comercialmente de Inconel 718 e usadas na confecção de peças de motores a jato. Estas ligas contém nominalmente em torno de 10 elementos. Um outro exemplo de liga metálica pode ser observado no aço, onde as estruturas CFC e CCC do ferro abrigam átomos de carbono. Esta combinação permite obter um material extremamente versátil, com aplicações bastante diversificadas. O tipo mais simples de liga metálica é aquele que forma uma solução sólida. Uma solução sólida é um sólido que consiste de dois ou mais elementos atomicamente dispersos em uma


estrutura monofásica. Em geral existem dois tipos de soluções sólidas: substitucional e intersticial. Nas soluções sólidas substitucionais formadas por dois elementos, os átomos do soluto podem ser substitutos dos átomos do solvente na rede cristalina. Na figura 3.4 é mostrado um plano (111) de um cristal CFC contendo átomos do soluto substituindo os átomos do solvente. Neste caso, a estrutura do solvente não é alterada, sendo comum a distorção da rede cristalina, já que os átomos do soluto nem sempre exibem o mesmo diâmetro atômico dos átomos do solvente. A fração de átomos de um elemento que pode ser dissolvida em outro, é definida como solubilidade. O termo solubilidade significa a quantidade de um certo material A (soluto) que pode ser dissolvido em outro B (solvente) e varia de um valor muito pequeno, próximo de zero, até 100%. A solubilidade é dada em "% peso" e "% atômica". Assim, uma liga cobre-zinco com 20% em peso de zinco, possui, em 100 gramas da liga, 20 gramas de zinco e 80 gramas de cobre. Do mesmo modo, uma liga com 20% em átomos de zinco apresenta em cada 100 átomos de liga, 20 átomos de zinco e 80 átomos de cobre. Como as densidades dos materiais são diferentes, é evidente que 20% de zinco em peso não correspondem a 20% de zinco em átomos. Para o caso de formação de uma solução sólida substitucional, a solubilidade de um elemento em outro será elevada, desde que as seguintes condições sejam satisfeitas: a. Os raios dos átomos dos dois elementos não devem diferir em mais de 15%; b. A estrutura cristalina dos dois elementos deve ser a mesma; c. Não deve existir diferença significativa entre a eletronegatividade dos dois elementos, assim compostos não serão formados; d. Os dois elementos devem ter a mesma valência. Na tabela 4.1 observa-se que a facilidade de um elemento dissolver-se em outro, é maior se o seu diâmetro for próximo do diâmetro do solvente, no caso o cobre.

Tabela 4.1. Solubilidade de elementos CFC no cobre, em função de seus raios atômicos.

SOLUTO SOLVENTE

RELAÇÃO SOLUBILIDADE

DE RAIOS %

PESO

% AT

Ni (CFC) Cu (CFC) 1,24 =0,98

1,27

100 100

Al (CFC) Cu (CFC) 1,43=1,12

1,27

9 19

Ag (CFC) Cu (CFC) 1,44=1,14

1,27

8 6

Pb (CFC) Cu (CFC) 1,75=1,37

1,27

» 0 » 0

Figura 3.4. Plano (111) de um cristal CFC com o

soluto substituindo o solvente.

O soluto intersticial é o que fica nos "vãos" da matriz. Estes vãos ou vazios são chamados de interstícios. As soluções sólidas intersticiais são formadas quando um átomo é muito maior que o outro. Por exemplo, o ferro a 10000C apresenta estrutura CFC com o maior vão de diâmetro igual a 1,0 Å. Assim estes "buracos" abrigam facilmente o hidrogênio (d=0,9 Å), o boro (d=0,92 Å) e com certa dificuldade, o carbono (d=1,5 Å). Entretanto, apesar dessa diferença, um máximo de 2,08 % em peso de carbono pode ser dissolvido intersticialmente no ferro a 11480C. A figura 4.5 ilustra esquematicamente a distorção da rede cristalina do ferro quando o carbono ocupa posições intersticiais na mesma. Na figura 4.6 são apresentadas as estruturas CFC e CCC do ferro,


com os interstícios tetraédricos e octaédricos. Apesar da célula unitária CCC apresentar diversos vãos, a solubilidade de carbono no Fe é maior em células CFC, pois as mesmas concentram o espaço vazio da célula, nos vãos octaédricos.

Figura 3.5. Diagrama esquemático de uma solução sólida de carbono em ferro CFC, mostrando o plano (100). Note a distorção da rede cristalina do ferro.

Figura 4.6. Interstícios da estrutura do Fe CFC e

CCC. (+) octaédrico e (·) tetraédrico.

4.3. Defeitos Lineares (Discordâncias) Os cristais podem apresentar defeitos alinhados e contínuos em sua estrutura, dando origem às imperfeições de linha. Os defeitos de linha, também chamados de discordâncias são defeitos que causam a distorção da rede cristalina em torno de uma linha e caracterizam-se por envolver um plano extra de átomos. Estas imperfeições podem ser produzidas durante a solidificação, na deformação plástica de sólidos cristalinos ou ainda como resultado da concentração de vacâncias. A presença deste defeito é a responsável pela deformação, falha e rompimento dos materiais A quantidade e o movimento das discordâncias podem ser controlados pelo grau de deformação (conformação mecânica) e/ou por tratamentos térmicos, podendo desta forma endurecer os materiais metálicos. Os três principais tipos de defeitos em linha são conhecidos como: discordância em cunha, discordância em hélice e discordância mista. 4.3.1. Discordância em Cunha Ocorre pela interrupção de um plano atômico como mostra a figura 4.7. A distância de deslocamento dos átomos ao redor da discordância é denominada de vetor de Burgers (b) e neste caso esse vetor é perpendicular à linha de discordância.

Figura 4.7. Ilustração de uma discordância em cunha, que ocorre pela interrupção de um plano atômico. A letra b corresponde ao vetor de Burgers.


4.3.2. Discordância em Hélice Uma discordância é helicoidal quando o empilhamento é feito como se fosse uma mola. Neste caso, o vetor de Burgers é paralelo à linha de discordância, conforme mostra a figura 4.8.

Figura 4.8. Discordância em hélice. O vetor de Burgers é paralelo à linha de discordância. 4.3.3. Discordância Mista (Cunha + Hélice) As discordâncias são produzidas durante solidificação do material ou quando é aplicada uma tensão cisalhante sobre o mesmo, como mostra a figura 4.9. A discordância mista é formada por uma discordância em cunha associada a uma discordância em hélice. Neste caso, as duas

discordâncias apresentam uma única linha de discordância.

Figura 4.9. Discordância mista, que é produzida durante a solidificação do material ou quando se aplica uma tensão cisalhante sobre o mesmo. A discordância mista é formada por uma discordância em cunha associada a uma discordância em hélice.

4.4. Defeitos de Superfícies Os cristais também apresentam defeitos que se estendem ao longo de sua estrutura, formando superfícies e denominados de imperfeições de superfície. Esse tipo de imperfeição cristalina pode ser de três tipos: ¨ superfícies livres; ¨ contornos de grão; ¨ maclas.


4.4.1. Superfícies Livres Apesar de serem consideradas o término da estrutura cristalina, as superfícies externas de um cristal são consideradas defeitos cristalinos, já que o número de vizinhos de um átomo superficial não é o mesmo de um átomo no interior do cristal (figura 4.10). Os átomos superficiais possuem vizinhos apenas de um lado, tem maior energia e assim, estão ligados aos átomos internos mais fragilmente.

Figura 4.10. Apesar de ser considerada o término da estrutura cristalina, as superfícies externas de um cristal são consideradas defeitos cristalinos, já que o número de vizinhos de um átomo superficial não é o mesmo de um átomo no interior do cristal. 4.4.2. Contornos de Grão Uma barra de cobre puro, embora contenha um único elemento, possui vários grãos, ou seja, regiões onde a estrutura cristalina tem a mesma orientação. Durante a solidificação, vários núcleos sólidos surgem no interior do líquido, como é apresentado na figura 4.11. Numa fase seguinte, denominada de crescimento, estes núcleos crescem e se juntam, formando nestas "juntas", uma região conhecida como contorno de grão. Como os diversos grãos não apresentam necessariamente a mesma orientação cristalográfica, como pode ser visto na figura 4.12, o encontro dos mesmos cria superfícies de contato dentro do cristal.

Figura 4.11. Formação de um material policristalino: (a) Etapa de nucleação; (b) Etapa de crescimento; (c) Material policristalino.

Figura 4.12. Os grãos de um material policristalino não apresentam uma mesma orientação cristalográfica. O tamanho de grão de um material policristalino é importante ser conhecido, já que o número de grãos tem papel significativo em muitas propriedades dos materiais, especialmente na resistência mecânica. Em baixas temperaturas, até metade da temperatura de fusão do material, os contornos de grão aumentam a resistência do material através da limitação do movimento de discordâncias. Em altas temperaturas pode ocorrer o escorregamento de contornos de grão ou seja o mecanismo de deformação plástica nestas temperaturas é o de fratura intergranular. Este mecanismo é um dos responsáveis pela queda da resistência mecânica do material em temperaturas elevadas. Na produção de peças submetidas a temperaturas mais próximas a de fusão do material, como é o caso de turbinas de avião, são utilizados processos de fundição com crescimento direcional e controlado. Isto permite obter um


sólido com um número de grãos pequeno e indicado para temperaturas de trabalho elevadas. A tabela 4.2 apresenta a padronização do tamanho de grão cristalino segundo a ASTM. Nesta tabela, o número do tamanho de grão pode ser determinado pela equação: N = 2n-1 (IV.1) onde n é um número inteiro definido como o número do tamanho de grão da ASTM (American Society for Testing and Materials) e N é o número de grãos por pol2, em um material polido, atacado quimicamente e observado com o aumento de 100X. A figura 4.13 mostra micrografias de aço baixo carbono, atacado com NITAL (H2NO3 e álcool) e o respectivo tamanho de grão segundo a ASTM.

Figura 3.13. Micrografias de aço baixo carbono, atacado com Nital (H2NO3 + álcool) e o respectivo tamanho de grão segundo a ASTM (X 100): Como os contornos de grão são regiões onde os átomos estão fragilmente ligados uns aos outros, a ação de um ataque químico permite revelar o mesmo, pois nestes pontos é mais fácil "arrancar" os átomos, em comparação com regiões no interior do grão, como mostra a figura 4.13. A região do contorno de grão aparece mais escura no

microscópio devido a menor capacidade de reflexão de luz da mesma (figura 4.14). Tabela 4.2. Tamanho de grão segundo a ASTM.

Número do Tamanho de

Quantidade Média de Grãos

Grão (n) Por mm2 X 1

Por pol2 X 100

1 15,5 1,0

2 31,0 2,0

4 124 8,0

6 496 32,0

10 7940 512 O contorno grão tem átomos fragilmente interligados e assim, em tal local é mais fácil "arrancar" os átomos da estrutura cristalina em comparação com o interior do grão.

a b c Figura 4.14. A região do contorno de grão aparece mais escura no microscópio devido à menor capacidade de reflexão de luz da mesma.

(a) material não atacado quimicamente (b) material atacado quimicamente monofásico (c) material atacado quimicamente difásico


4.4.3. Maclas As maclas constituem um outro tipo de defeito de superfície e podem surgir a partir de tensões térmicas ou mecânicas. Tal defeito de superfície ocorre quando parte da rede cristalina é deformada, de modo que a mesma forme uma imagem especular da parte não deformada (figura 4.16). O plano cristalográfico de simetria entre as regiões deformadas e não deformada, é chamado de plano de maclação. A maclação, ocorre em direções específicas chamadas de direções de maclação.

Figura 4.16. Diagrama esquemático do defeito de maclação

4.5. Relação entre defeitos e propriedades mecânicas

Discordâncias

¨ Interferem na deformação plástica dos materiais.

¨ Sua presença facilita a deformação

Figura 4.17- Distorção na estrutura causado pela discordância.

A quantidade e o movimento das discordâncias podem ser controlados pelo grau de deformação (conformação mecânica) e/ou por tratamentos térmicos (contorno de grãos, soluções sólidas etc..).

Os defeitos causados pelas soluções sólidas (intersticiais e substitucionais), contorno de grão e deformação mecânica causam deformação na estrutura cristalina dificultando a movimentação das discordâncias aumentando a resistência à deformação do material.


Figura 4.18 . Deformação da estrutura causada pela presença de impurezas substitucionais.

Quando um átomo de uma impureza esta presente, o movimento da discordância fica restringido, ou seja, deve-se fornecer energia adicional para que continue havendo escorregamento. Por isso soluções sólidas de metais são sempre mais resistentes que seus metais puros constituintes.

Quando a solubilidade da solução sólida é ultrapassada, começará a se formar dentro da estrutura uma nova fase, esta causará uma descontinuidade na estrutura dificultando a movimentação das discordâncias, aumentando consideravelmente a resistência deste material.

Figura 4.19-Precipitados de prata no cobre

Numa liga de cobre com prata se colocarmos até 8% de prata formamos uma solução sólida, se colocarmos mais que 8%(limite de solubilidade da prata no cobre, conforme tabela 4.1) começamos a formar uma segunda fase ou seja começamos a formar uma estrutura de prata, que chamamos de precipitado.

Figura 4.20. Comparativo entre resistência a deformação e tipo de defeito.

O contorno de grão interfere no movimento das discordâncias, ao alcançar um contorno há uma mudança de direção dos cristais, e para esta discordância continuar se movimentando ela deverá mudar de direção.

Figura 4.21. Movimentação de uma discordância em material policristalino.

Precipitados de Ag no cobre

% de elemento de liga

Res

istê

ncia

def

orm

ação precipitados

S. Solida intersticiais

S. Solidas Sub.

Ra#Rb

S. Solidas Sub.

Ra@ Rb

% de elemento de liga

Res

istê

ncia

def

orm

ação precipitados

S. Solida intersticiais

S. Solidas Sub.

Ra#Rb

S. Solidas Sub.

Ra@ Rb

Contorno de grão


CAP V- DIFUSÃO ATÔMICA

5.1. INTRODUÇÃO A difusão atômica pode ser definida como um mecanismo pelo qual a matéria é transportada através da matéria. Os átomos em gases, líquidos e sólidos estão em constante movimento. O movimento atômico em gases é relativamente rápido. O movimento atômico em líquidos é, em geral, mais lento que em gases, como pode ser observado durante o movimento de um corante em água. O movimento atômico em sólidos é bastante restrito, já que as forças de ligação atômicas são elevadas e também, devido à existência de posições de equilíbrio bem definidas. Entretanto, vibrações atômicas de origem térmica existentes em sólidos permitem movimentos atômicos limitados. A difusão atômica em metais e ligas é particularmente importante, pois a maioria das reações de estado sólido, que são fundamentais em metalurgia, envolve movimentos atômicos. Exemplos de reações de estado sólido são obtidos na nucleação e crescimento de novas fases em sólidos cristalinos, no tratamento térmico de aços, na produção de circuitos eletrônicos, etc. 5.2. Mecanismos do Movimento Atômico Os átomos apenas estão em repouso absoluto quando a temperatura é igual a zero absoluto (-2730C). Acima desta temperatura os átomos começam a vibrar e saem de suas posições originais. À medida que a temperatura aumenta, esse movimento atômico torna-se mais intenso. Existem dois mecanismos básicos de difusão de átomos em um sólido cristalino, quais sejam: mecanismo substitucional ou de vazios e mecanismo intersticial. Além desses dois, o movimento atômico pode-se dar através do mecanismo de anel, que é de ocorrência mais difícil. 5.2.1. Mecanismo Substitucional ou de Vazios Os átomos podem mover-se no interior de um cristal, de uma posição atômica para outra se os mesmos apresentam energia de vibração

suficiente e se existem posições atômicas vazias ou defeitos cristalinos na estrutura atômica. Esta energia de vibração é resultante da energia térmica dos átomos. Os vazios ou vacâncias em metais e ligas são defeitos de equilíbrio e assim, estão sempre presentes para permitir o movimento atômico pelo mecanismo substitucional. Com o aumento da temperatura em metais, mais vacâncias podem ser observadas e mais energia térmica estará disponível. Assim, a taxa de difusão atômica aumentará com a temperatura. Considere o processo de difusão apresentado na figura 5.1. Se um átomo próximo à vacância tem energia suficiente, ele poderá mover-se até a posição vazia. As diferenças de tamanho atômico e energias de ligação são fatores que afetam a taxa de difusão atômica através de vazios.

Figura 5.1. Mecanismo de difusão atômica de vazios ou substitucional

5.2.2. Mecanismo Intersticial

A difusão de átomos intersticiais em um sólido cristalino ocorre quando um átomo se move de uma posição intersticial para outra posição vizinha intersticial, sem que exista deslocamento de átomos da matriz cristalina, como mostra a figura 5.2. Para que o mecanismo de difusão intersticial seja ativo, o tamanho do átomo em difusão deve ser relativamente pequeno quando comparado com os átomos da matriz. Pequenos átomos como o hidrogênio, oxigênio, nitrogênio e carbono podem apresentar difusão intersticial em alguns sólidos cristalinos. Por exemplo, o carbono pode difundir-se intersticialmente no ferro a e no ferro g. Na difusão intersticial de carbono em ferro, os


átomos de carbono são comprimidos entre a matriz atômica do ferro.

Figura 5.2. Mecanismo de difusão atômica intersticial

5.2.3. Mecanismo De Anel

Este mecanismo é mais raro devido a suas particularidades. A difusão atômica através deste mecanismo envolve a rotação de três ou quatro átomos simultaneamente.

5.3. Distribuição De Energia Térmica

Os átomos dentro de um material, em uma determinada temperatura, apresentam diferentes níveis de energia, sendo esta uma distribuição estatística, como mostra a figura 5.3.

Figura 5.3. Distribuição de energia dos átomos de um material.

Nesta distribuição, nota-se que poucos átomos possuem energia de ativação suficiente para "saltar" fora de sua posições originais, ou em

outras palavras, mover-se na rede cristalina. Porém, aumentando-se a temperatura do sistema, a energia de cada átomo aumenta e assim, alguns átomos que não podiam saltar de suas posições, podem agora fazê-lo. Isto significa que a energia dos mesmos é maior que a energia de ativação, como mostra a figura 5.4. Fazendo uso de análise estatística é possível determinar a parcela de átomos com energia suficiente para apresentar movimento atômico. Boltzmann estudou o efeito da temperatura na energia das moléculas em um gás. Usando os fundamentos estatísticos empregados por Boltzmann, pode-se calcular o número de átomos com energia maior que a energia de ativação:

n = aN -EkT

Aexpæèç

öø÷ (V.1)

onde k=1,38x10-23 [Joule/átomo.K], n é o número de átomos com energia maior que a de ativação, N é o número total de átomos do sólido, a é uma constante típica do sistema, EA é a energia de ativação e T é a temperatura absoluta.

Figura 5.4. Distribuição de energia dos átomos de um material para duas temperaturas diferentes.


5.4. Coeficiente De Difusão A análise estatística de Boltzmann aplicada ao movimento atômico permite estabelecer a intensidade de difusão atômica em materiais. A difusão de um material A (soluto) dentro de um outro material B (solvente) é representada pelo coeficiente de difusão (D), definido como:

D = D e0-

QRT (V.2)

onde D é o coeficiente de difusão, D0 é constante do sistema soluto/solvente, Q é a energia de ativação e R é a constante molar dos gases (8,314 J/mol.K ou 1,987 cal/mol.K). Pela equação V.2, observa-se que o coeficiente de difusão depende da temperatura, aumentando quando a mesma aumenta. Na tabela 5.1 são apresentados os valores de Q e D0 para alguns sistemas em difusão.

Soluto Matriz D0

10-5

m2/s

Q 10-19

J/átomol C Fe CFC 2,0 2,4 C Fe CCC 22,0 2,0 Fe Fe CFC 2,2 4,5 Fe Fe CCC 20,0 4,0 Ní Fe CFC 7,7 4,6 Zn Cobre 3,4 3,2 Cu Cobre 2,0 3,3 Ag Ag

(Cristal) 4,0 3,1

Ag Ag (Cont.Grão.)

1,4 1,5

Si Si 320 6,8 P Si 3,9 5,0

Bo Si 140 5,9 Tabela 5.1. Coeficientes de difusão para diversos sistemas solvente/soluto.

5.5. Primeira Lei de Fick

O fenômeno de difusão atômica pode ser analisado considerando o movimento de átomos entre duas regiões em contato, como mostra a figura 5.5. Assumindo que as concentrações de átomos de soluto nas regiões 1 e 2 não sofrem alterações com o tempo, o sistema pode ser considerado como em regime permanente ou estacionário. A figura 5.6 mostra um processo de difusão em regime permanente, provocado pelo gradiente de concentração (C2-C1)/(x2-x1). Um caso semelhante é observado quando um gás difunde-se através de uma folha fina de metal, como é o caso do hidrogênio difundindo-se por uma folha fina de Paládio. O movimento de átomos por difusão atômica ocorre devido à vibração térmica do átomo. Tal vibração faz com que cada átomo permaneça "saltando" de uma posição a outra. O equacionamento do fluxo atômico em regime permanente, que é dado pela 1ª lei de Fick, é implementado pela definição das seguintes variáveis: Dx - Espessura das regiões 1 e 2; A - Área de contato entre as regiões 1 e 2; f - Freqüência de saltos dos átomos (saltos/s), iguais em todas as direções; C1 - Concentração de átomos de soluto na região 1 (át./cm3); C2 - Concentração de átomos de soluto na região 2 (át./cm3). J - Fluxo de átomos entre as regiões 1 e 2 (át./cm2.s)

Figura 5.5. Diagrama esquemático do fluxo de átomos entre duas regiões, em contato, de concentrações diferente.


Figura 5.6. Difusão atômica em regime estacionário provocada pelo gradiente de concentração (C2-C1)/(x2-x1).

Considerando o movimento atômico espacial, um átomo tem a possibilidade de saltar em seis diferentes direções. Assim, entre as regiões 1 e 2, a freqüência de saltos pode ser dada por f/6 e conseqüentemente, em um intervalo de tempo Dt, o número de átomos saltando da região 1 para a região 2 é proporcional aos valores de C1, de Dt, de f, e do volume da região 1, que pode ser representado por sua espessura, Dx, pois a área de contato é igual para as duas regiões:

12 1N = K Cf6

t xD D (V.3)

onde K é uma constante.

O fluxo de átomos entre as regiões 1 e 2 é dado pela diferença entre os átomos que saltam da região 1 para a região 2 e aqueles que fazem o caminho inverso. Assim,

J t = N - N = K Cf6

t x - K Cf6

t x12 21 1 2D D D D D

(V.4)

ou

( )J = K C Cf6

x1 2- D (V.5)

Desta equação é possível prever que se as concentrações das regiões 1 e 2 são iguais, o fluxo de massa entre elas será nulo. Por outro lado, se existe um gradiente de concentração de átomos de soluto, o fluxo de átomos será diferente de zero. Uma relação entre as concentrações C1 e C2 pode ser obtida se a concentração é contínua ao longo da direção x (paralelo ao fluxo de átomos), ou seja:

2 1t

C = C + xCx

D¶¶

æèç

öø÷ (V.6)

Substituindo o valor de C2, o fluxo de átomos entre as regiões 1 e 2 torna-se igual a:

( )J = - K xf6

Cx

2

tD

¶¶

æèç

öø÷ (V.7)

Esta equação é conhecida como a 1ª lei de Fick e o coeficiente de difusão atômica, D, é dado por:

( )D = K xf6

2D (V.8)

Se no sistema em difusão considerado não ocorrem reações químicas entre os átomos do soluto e os do solvente, a diferença de concentração entre as regiões 1 e 2 resultará em um fluxo atômico que vai do ponto de maior para o de menor concentração. O fluxo de átomos neste tipo de sistema pode ser representado pela equação:

J = - DCx

¶¶

(V.9)

onde J é o fluxo de átomos, D é o coeficiente de

J atomosm .s

= D ms

Cx

atomosm

x 1m2

2

3æèç

öø÷ -

æ

èç

ö

ø÷

¶¶

æèç

öø÷

(V.10)

A tabela 5.2 lista valores de difusividade atômica para alguns sistemas. A difusividade atômica depende de diversos fatores, sendo que os mais importantes são: a. Tipo de mecanismo de difusão (substitucional ou intersticial) - Dependendo dos tamanhos atômicos envolvidos, o mecanismo de difusão influencia a intensidade de difusão. Átomos de tamanhos próximos tem difusão elevada quando o mecanismo é substitucional. Quando os átomos apresentam tamanhos muito diferentes, o mecanismo apropriado é o intersticial, sendo que átomos de menor tamanho tem mais facilidade de se difundir; b. Temperatura na qual a difusão ocorre - A temperatura aumenta a difusão; c. Tipo de estrutura cristalina do solvente - Estruturas compactas (CFC, HC) dificultam a difusão atômica; d. Tipo e quantidade de imperfeições presentes na rede cristalina - Defeitos como discordâncias e vazios aumentam a intensidade de difusão. e. Força de ligação atômica do soluto força de ligação maior dificuldade de difusão

Tabela 5.2. Coeficientes de difusão atômica para 5000C e 10000C.* metaestável.

Soluto Solvente Coeficiente de Difusão (m2/s)

5000C 10000C C Fé CFC* 5x10-15 3x10-11 C Fe CCC 10-12 2x10-9 Fé Fe CFC* 2x10-23 2x10-16 Fé Fé CCC 10-20 3x10-14 Ní Fe CFC* 10-23 2x10-16 Mn Fé CFC* 3x10-24 10-16 Zn Cu 4x10-18 5x10-13 Cu Al 4x10-14 10-10 Cu Cu 10-18 2x10-11 Ag Ag

(Cristal) 10-17 10-12

Ag Ag (Cont.Grão)

10-11 -

C Ti 3x10-16 2x10-11 5.6. Segunda Lei de Fick

O movimento atômico em condições estacionárias não é comum em engenharia de materiais. Na maioria dos casos, este movimento ocorre em regime transitório ou em situações onde as concentrações mudam com o tempo. Por exemplo, se o carbono está sendo difundido através da superfície de uma engrenagem de aço para cementar a mesma, a concentração de carbono no interior da peça será alterada à medida que o tempo de processamento aumenta, como mostra a figura V.8. Nestes casos, onde o regime não é permanente, é interessante determinar a evolução da variável composição em função do tempo de processamento e da posição de um dado ponto a ser estudado. Considere uma barra de um material qualquer de concentração C, exibindo transporte de massa do soluto por difusão, como mostra o diagrama da figura 5.9. Considere também a existência de um elemento de volume de largura Dx e área da secção transversal A. Suponha que em tal elemento está entrando fluxo de massa J1 e deixando o mesmo, o fluxo de massa J2. Após



um intervalo de tempo, Dt, a variação na concentração de soluto em tal elemento é dada por: 1 2J A t - J A t = A x CD D D D (V.11)

onde:

J - Fluxo de átomos do soluto (át/cm2.s)

A - Área (cm2)

Dx - largura (cm)

Dt - Intervalo de tempo (s)

DC - Variação na concentração de soluto

(át/cm3)

Figura 5.7. Modelo para aplicação da segunda lei de Fick.

Se o fluxo atômico é contínuo ao longo de x, pode-se escrever:

2 1J = J + Jx

x¶¶

æèç

öø÷ D

(V.12)

A substituição de J2 na equação V.11

permite obter:

-Jx

xA t = A x Ct

¶¶

æèç

öø÷ D D D D (VIII.13)

Fazendo Dt tender a zero,

-Jx

= Ctt x

¶¶

æèç

öø÷

¶¶

æèç

öø÷ (V.14)

O fluxo de átomos pode ser dado pela 1ª lei de

Fick. Substituindo V.9 em V.14, obtêm-se:

-Jx

= x

DCx

¶¶

æèç

öø÷

¶¶

¶¶

æèç

öø÷ (V.15)

ou

¶¶

¶¶

Ct

= DC

x

2

2 (V.16)

Esta equação é denominada de 2ª lei de Fick e é aplicada a casos de difusão atômica em regime transitório. Em função das condições de contorno do problema tratado, esta equação apresenta vários tipos de solução. Em termos práticos, dois tipos de problema podem ser abordados através da equação V.16: cementação de aços e tratamento de homogeneização de peças fundidas.

Figura 5.8. Diagrama do fluxo de átomos na formulação da 2a lei de Fick


5.7. Cementação de Aços

O tratamento da cementação de aços através das equações de difusão envolve o emprego da "função erro". A figura 5.9 exibe um diagrama esquemático de um processo de cementação. Com a solução da equação V.16 é possível descrever o perfil de concentração de carbono em aços durante o processo. Esta solução é dada por:

( )C(x, t) = C - C - C erf x

2 D tS S 0 ×

×æèç

öø÷

(V.17)

na qual C(x,t) é a concentração de carbono num determinado ponto "x", para um certo tempo "t" de cementação (% em peso), C0 é a concentração inicial de carbono (% em peso), CS é a concentração de carbono na superfície da peça, D é o coeficiente de difusão do carbono em aço (m2/s), x é a distância a partir da superfície (m) e t é o tempo de cementação (s). A função erro, "erf", é uma função matemática com valores tabelados da mesma forma que funções trigonométricas.

Figura 5.9. Modelo de análise do processo de cementação de aços.777


CAP VI- PROPRIEDADES DOS MATERIAIS 6.1. INTRODUÇÃO Todos os ramos da engenharia, principalmente os relacionados com estruturas, máquinas, etc., estão intimamente ligados aos materiais utilizados, ou seja, às suas propriedades. As propriedades características de cada material são de importância fundamental para que se estabeleça um critério de aceitação e especificação. As propriedades que os materiais devem possuir são determinadas através de ensaios adequados. Propriedades dos Materiais Os Materiais podem ser classificados, segundo suas propriedades, da seguinte maneira: Propriedades físicas em geral: dimensões, forma, densidade, porosidade, misturas constituintes, macro e micro estrutura. Propriedades químicas e físico-químicas: componentes químicos, acidez e resistência à corrosão, etc. Propriedades mecânicas: resistência mecânica (estática e dinâmica), elasticidade, plasticidade, fragilidade (tenacidade), ductibilidade.

Propriedades elétricas:Condutividade,Rigidez dielétrica, Termoeletricidade e Piezeletricidade.

Propriedades Térmicas: Calor especifico, dilatação térmica, resistência a termoclase e condutividade térmica,. Para se determinar qualquer uma dessas propriedades faz-se necessário realizar um ensaio específico. 6.2. Propriedades Mecânicas dos Materiais

O comportamento de um material sob solicitação mecânica é fundamental na identificação de propriedades de interesse em engenharia mecânica. Tal comportamento é função direta de três fatores básicos ligados às características do material, ou seja: o tipo e a intensidade das ligações envolvendo átomos ou moléculas; a natureza do arranjo dos átomos ou moléculas e a natureza e quantidade de defeitos no arranjo dos átomos ou moléculas do material. Além desses três fatores, o processamento a que

o material foi submetido, determina intensamente a definição das propriedades do mesmo. Uma das características mais importantes dos materiais no estado sólido é a capacidade dos mesmos em resistir ou transmitir tensões. A resposta desses materiais sob tensão está intimamente relacionada com a propriedade do material em se deformar elasticamente ou plasticamente. Quando um material é submetido a esforços mecânicos, ele deforma-se de duas maneiras: elasticamente e plasticamente. Considera-se que um material exibe comportamento elástico, quando o mesmo, ao ser submetido a esforços mecânicos, apresenta deformações não-permanentes, ou seja, ao se remover tais tensões, o material retorna as suas dimensões originais. Ao nível atômico, a deformação elástica é observada quando as células unitárias alteram suas dimensões, alongando, se o esforço for de tração ou comprimindo, se o esforço for de compressão, como apresenta a figura 6.1. Quando os esforços de tração ou compressão cessam, as células cristalinas voltam às formas e dimensões originais.

Figura 6.1. Deformação elástica em cristais: (a) Cristal sem deformação; (b) Cristal deformado por tração; (c) Cristal deformado por compressão

O comportamento plástico é observado quando o mesmo material é submetido a tensões mais elevadas e suas dimensões são alteradas permanentemente, ou seja, cessados os esforços, o material não retorna as suas dimensões originais. Ao nível atômico, a deformação plástica é principalmente observada quando planos atômicos são deslizados uns sobre os outros, de tal maneira que ao se remover os esforços mecânicos, o material não exibe suas dimensões originais.


6.3. Tipos de Esforços que Podem Deformar ou Romper um Material

Representação esquemática de alguns tipos de esforços que afetam os materiais:

6.4. Principais Propriedades Mecânicas Em função do comportamento mecânico dos materiais, as seguintes propriedades mecânicas podem ser definidas:

a. Elasticidade - Capacidade do material ser deformado elasticamente, sem atingir o campo plástico. A relação entre tensão e deformação elástica (s/e) é definida como módulo de elasticidade (E). b. Ductilidade - Capacidade do material ser deformado plasticamente, sem atingir a ruptura. Pode ser obtida da análise do alongamento e da estricção.

c- Resiliência: Corresponde à capacidade do material de absorver energia quando este é deformado elasticamente. Materiais resilientes são aqueles que têm alto limite de elasticidade e baixo módulo de elasticidade (como os materiais utilizados para molas)

d. Fluência - Capacidade do material se deformar lentamente, quando submetido a tensões menores que a de escoamento, sob temperaturas elevadas. e. Tenacidade - Capacidade de um material em armazenar energia sem se romper. Pode ser quantificada através do cálculo da área sob a curva tensão/deformação. f. Dureza - Capacidade de um material em resistir à penetração de sua superfície, está intimamente relacionada com a tensão de escoamento do material.

g. Resistência à flexão: é definida com a tensão máxima que um corpo de prova suporta antes de romper, quando sujeito a um esforço de flexão. Utilizado para avaliar a resistência mecânica de materiais cerâmicos, principalmente para revestimentos e telhas.

h. Resistência à compressão: É definida com a tensão máxima antes da ruptura, que um corpo de prova pode resistir quando submetido a esforços de compressão. Este ensaio é utilizado principalmente para avaliar a resistências de tilojos, blocos e concreto.


6.5. Ensaios Mecânicos Todos os ramos da engenharia, principalmente os relacionados com estruturas, máquinas, etc., estão intimamente ligados aos materiais utilizados, ou seja, às suas propriedades. As propriedades características de cada material são de importância fundamental para que se estabeleça um critério de aceitação e especificação. As propriedades que os materiais devem possuir são determinadas através de ensaios, que na maioria das vezes imitam os esforços que os materiais sofrem na pratica. Os ensaios mecânicos têm as seguintes finalidades: 1- Permitir a obtenção de informações rotineiras da qualidade de um determinado produto – “ensaio de controle”. 2- Desenvolver novas e melhores informações sobre materiais conhecidos, ou então desenvolver novos materiais. 3- Obter medição precisa das propriedades ou constantes físicas. 5.5.1. Normalização dos Ensaios Evidentemente, os ensaios não traduzem valores absolutos e imutáveis. Os ensaios quando realizados na própria estrutura, tem significado mais expressivo, porem são valores obtidos de uma situação particular. Quando generalizamos o resultado de um ensaio realizado em um corpo de prova devemos tomar cuidados, utilizando um fator de segurança para evitar surpresas desagradáveis, e mais, devemos normalizar o ensaio, ou seja, especificar o método empregado, dimensões do corpo de prova, método de fabricação do mesmo, etc. A normalização dos materiais leva a inúmeras vantagens entre as quais pode-se mencionar: 1- Reduz o desentendimento entre o produtor e o consumidor; 2- Torna a qualidade da produção mais uniforme; 3- Reduz os tipos similares de peças e materiais; 4- Diminui o custo unitário de produção; 5- Orienta o projetista na escolha do material existente;

6- Permite a comparação de resultados obtidos em diferentes laboratórios, pela adoção do mesmo método. 6.6. Tipos De Ensaios Mecânicos

· Ensaio de Tração · Ensaio de dureza · Ensaio de Impacto · Ensaio de Flexão · Ensaio de compressão · Ensaio de Fluência · Ensaio de Fadiga

6.6.1. Ensaio de Tração

A caracterização do comportamento mecânico de um material pode ser implementada pelo emprego do ensaio de tração do mesmo (figura 6.2). A aplicação de uma força em um material provoca tensões e deformações (permanentes ou não) no mesmo, como mostra a figura 6.3. A tensão, s, é definida como força por unidade de área, ou:

s = FA

(X.1)

onde: s = Tensão (Pa = N/m2); F = Força Aplicada (N); A = Área do Plano (m2). A deformação (e) é definida como o efeito da tensão em um material, relaciona-se à alteração nas dimensões originais do material e é expressa como variação do comprimento inicial, ou:

e = LL0

D

(X.2)

onde: e = Deformação (%); DL = (L - L0) = Variação de comprimento (m); L0 = Comprimento inicial (m);

CEMAT - Prof. Gambaro

TECNOLOGIA DOS MATERIAIS

MECÂNICA - CEMAT

Apostila complementar de Ciencia e Eng. dos Materiais

Intrudução àTecnologia dos Materiais CEMAT


PRODUTOS SIDERÚRGICOS

A carga num alto-forno é feita na parte superior e constado seguinte: minério de ferro a reduzir (hematita), coque ou carvãode lenha (para fornecer o calor e o CO necessários à redução), efundente (calcário) para fluidificar as impurezas e formar umaescória mais fusível.

Na parte inferior, logo acima do cadinho é injetado arquente para alimentar a combustão do carvão. Das reações quese dão resultam os seguintes produtos:

1. gusa que goteja dentro do cadinho2. a escória que flutua sobre a gusa3. gases

A gusa é recolhida para ulteriores transformações (ob-tenção de ferro fundido e aço).

A escória é aproveitada para o fabrico de tijolos refratá-rios, cimento, lã mineral e lastro de pavimentação.

Os gases saem pela parte superior e são recolhidos parasua utilização como combustível.

FERRO FUNDIDO

A gusa retirada do alto-forno pode ser solidificada em blocos.Refundido num forno cubilô, junto com sucatas de ferro fundido eaço dá origem ao ferro fundido. É um ferro de segunda fusão. Éutilizado para a fabri-cação de peças fun-didas. A temperatu-ra de fusão é em tornode 1200° C.

FORNO CUBILÔ⇒

AÇO

O aço é um produto resultante:

1.) Do refino da gusa bruta no conversor Bessemer ouThomas (figura abaixo) a ar ou a oxigênio;

No conversor o oxigênio ou o ar é insuflado entre a massa líquidadeixando-a gorgulhar.

Esses conversores são usados para refino da gusa rica em silício(Si) e pobre em fósforo (P), também serve para o refino do Chumbo(Pb), Cobre (Cu) e Níquel (Ni).



2.) Do refino da gusa bruta com sucatas de aço ou deferro fundido em fornos como o Siemens-Martin e elétrico;

FORNO SIEMENS MARTIN

FORNO ELÉTRICO

3.) Da refusão de sucata de aço em qualquer forno, menos do tipoconversor. A temperatura de fusão do aço é em torno de 1350 à1400° C.

FERRO FUNDIDO

É uma liga de ferro-carbono que contém 2 a 6,7 % de carbono(industrialmente de 2,5 a 5 % C).

As impurezas do minério de ferro e do carvão, deixam no ferrofundido, pequenas porcentagens de silício, manganês, enxofre efósforo. Os dois primeiros melhoram as qualidades do ferro fundi-do, o mesmo não acontecendo com os outros dois.

O silício favorece a formação do ferro fundido cinzento e o manga-nês, o ferro fundido branco.

Características do ferro fundido cinzento:

1. o carbono se apresenta quase todo em estado livre, sob aforma de palhetas pretas de grafita;

2. quando quebrado, a parte fraturada é escura devido à grafita;3. apresenta elevadas porcentagens de carbono, 3,5 a 5 % e

silício 2,5 %;4. muito resistente à compressão. Não resiste bem à tração;5. fácil de ser trabalhado pelas ferramentas manuais e de ser

usinado nas máquinas;6. funde-se a 1200° C, apresentando-se muito líquido, condição

que é a melhor para a boa modelagem de peças.

Características do ferro fundido branco:

1. quando quebrado, a parte fraturada é brilhante e branca;2. tem baixo teor de carbono, 2,5 a 3 % e silício 1 %;3. muito duro, quebradiço e difícil de ser usinado;4. funde-se a 1160 ° C mas são é bom para a modelagem porque

permanece pouco tempo em estado líquido

AÇO AO CARBONO

É uma liga de ferro-carbono que contém 0 a 2 % de carbono (in-dustrialmente de 0,05 a 1,7 %).

Apresenta também pequenas porcentagens de manganês, silício,fósforo e enxofre.

Depois do ferro o carbono é o elemento mais importante. É oelemento determinativo do aço: a quantidade de carbono define otipo de aço em doce ou duro. O aumento do carbono resulta noaumento da dureza e da resistência à tração e diminuição da resis-tência e da maleabilidade.

No aço doce, o manganês, em pequena porcentagem torna-o dútile maleável. No aço rico em carbono, entretanto, o manganêsendurece o aço e aumenta-lhe a resistência.



O silício torna o aço mais duro e tenaz, evita a porosidade, removeos gases, os óxidos, as falhas e vazios na massa do aço. É umelemento purificador.

O fósforo quando em teor elevado torna o aço frágil e quebradiço,motivo pelo qual se deve reduzi-lo ao mínimo possível, já que nãose pode eliminá-lo integralmente.

O enxofre é também um elemento prejudicial ao aço, tornando-ogranuloso e áspero, devido aos gases que produz na massa metá-lica. O enxofre enfraquece a resistência do aço.

Característica do aço:

1. cor acinzentada;2. peso específico: 7,8g/cm3 ;3. temperatura de fusão: 1350 a 1400º C;4. maleável (lamina-se bem);5. dúctil (estira-se bem em fios)6. tenaz (resiste bem à tração, à compressão e a outros esforços

de deformação lenta);7. deixa-se soldar, isto é, uma barra de aço liga-se a outra pela

ação do calor (solda autágena) ou pela ação combinada do ca-lor com os choques, na bigorna ou no martelete (caldeamento);

8. deixa-se trabalhar bem pelas ferramentas de corte;9. apresenta boa resiliência, isto é, resiste bem aos choques;10. com determinadas porcentagens de carbono, apresenta condi-

ções especiais de dureza (adquire têmpera);11. com determinadas porcentagens de carbono, é mais elástico;12. oferece grande resistência à ruptura.

Pelo teor de C costuma-se classificar os aços em:• aços extra-doces < 0,15 % C• aços doce 0,15 - 0,30 % C• aços meio-doces 0,30 - 0,40 % C• aços meio-duros 0,40 - 0,60 % C• aços duros 0,60 - 0,70 % C• aços extra-duros 0,70 - 1,20 % C

AÇOS LIGA OU AÇOS ESPECIAIS

Além do ferro-carbono contém outros elementos, chamados ele-mentos de adição: níquel, cromo, manganês, tungstênio, molibdê-nio, vanádio, cobalto, silício e alumínio.

Estes elementos são adicionados em quantidades que proporcio-nam determinadas características ao aço, tais como: resistência àtração e à corrosão, elasticidade, dureza, etc., bem melhores doque as dos aços-carbono comuns.

Dependendo da porcentagem dos elementos obtém-se: aços deusinagem, aços para cementação, aços para beneficiamento, açospara molas, aços para ferramentas, aços resistentes à corrosão eao calor (inoxidáveis), aços com propriedades físicas especiais,aços para válvulas de motores de explosão, etc...

Aço prata é uma denominação comercial dos aços ferramentas (aocarbono ou especial) de bitola pequena, temperáveis em água ouem óleo. Apresenta aparência brilhante, prateada.

FORMAS COMERCIAIS DOS AÇOS

Os aços de baixo teor de carbono (< 0,30 %) são vendidos naforma de vergalhões, perfilados (L, T, duplo T, H, U, etc.) chapas,fios e tubos.

Os aços com médio e alto teor de carbono (> 0,30 %) são encon-trados no comércio na forma de vergalhões (chatos, quadrados,redondos, sextavados) chapas e fios.

As chapas são em geral:

• chapas pretas: tais como saem dos laminadores;• chapas galvanizadas: revestidas de zinco;• chapas estanhadas (folhas de flandres).

Os tubos podem ser:

• com costura: resultam da curvatura de chapas estreitas, cujasbordas são encostadas e soldadas por processo automático.

• sem costura: produzidos por meio de perfuração, a quente, emmáquinas chamadas prensas de extrusão.

CLASSIFICAÇÃO DOS AÇOS

1 - Classificação da DIN (alemã)

a) Aços ao carbono:

Usa-se o símbolo St (stahl = aço), seguido da resistência mínima àtração.

Ex.: St 42 ( σtr = 42 Kg/mm2)

No caso de aços de qualidade emprega-se a letra C seguido doteor de carbono multiplicado por 100.

Ex.: C 35 (teor médio de C = 0,35 %)

Quando o aço é fino (c/baixo teor de P e S), usa-se o símbolo CKseguido do teor médio de C multiplicado por 100.

Ex.: CK 15 (aço fino com teor médio de C = 0,15 %)

b) Aços liga

No caso de baixa liga, os aços são representados de acordo com oseguinte exemplo.

25 Cr Mo 4

Elementos liga Multiplicador

Cr, Co, Mn, Ni, Si, W 04Al, Cu, Mo, Ti, V 10

P, S, N, C 100

Ex.: 10 Cr Mo 9 10 C = 0,10 %Cr x 4 = 9Cr = 2,25 %Mo x 10 = 10 Mo = 1 %

No caso de aços de alta liga (> 5%) a designação é feita antepon-do-se a letra X, e dispensando os multiplicadores com exceção domultiplicador do C.

Ex.: X 10 Cr Ni Ti 1892 0,1 % C 18 % Cr9 % Ni 2 % Ti

Aços e ferros fundidos:

GG (grauguss) fe fo cinzento GH (hartguss) fe fo em coquilhaGT (temperguss) fe fo nodular GS (stahlguss) aço fundido

Ex.: GG 18 - fe fo cinzento com σtr = 18Kg/mm2

GS 22 Mo 4 - aço fundido com 0,22 C e 0,4 % Mo

Teor C multiplicadopor 100

% final, obtida através doliga, no caso, o do cromo

símbolos dos elementos liga



Símbolos complementares:

M aço Siemens-Martin Y aço L.D.T aço Thomas E aço de forno elétricoW aço Bessemer

Ex.: MSt 60 aço Siemens-Martin com σtr = 60Kg/mm2

B .por usinagem (Bearbeiten)V beneficiado (verguten)E cementado (Einsatzhaerten )N normalizado (Normalgluehen)G recozido (Gluehen)K deformado a frio

Ex.: M 16 Mn Cr 5 G aço Siemens-Martin recozido mole E 36 Cr Ni Mo 4 V aço de forno elétrico, beneficiado

2 - Classificação da ABNT

É a adotada pela SAE. Os dois primeiros algarismo definem otipo de aço e os dois últimos (XX) o teor de C divido por 100.

Ex.: SAE 3150 (1,25 Ni, 0,65 Cr, 0,50 % C)

Os aços fundidos são designados por 4 algarismos seguidos porAF. Os dois primeiros indicam a tensão de ruptura em Kg/mm2 eos dois últimos a elongação em %.Ex.: 4524 AF

C = carbono Ni = níquel Mo = molibdênioV = vanádio Mn = manganês

DenominaçãoTipos

ABNT VillaresCaracterísticas e composi-

ção em %

AçosC

10XX11XX13XX

T-13XX

VT-XX---

ComunsUsinagem fácil ou Resulf.Ao manganês - 1,75 MnCom elevado teor de Mn

AçosNi

20XX21XX23XX25XX

----

0,5 Ni1,5 Ni3,5 Ni5,0 Ni

AçosNi - Cr

30XX31XX32XX33XX34XX

-----

inox e resist. À altastemperaturas1,25 Ni - 0,65 Cr1,75 Ni - 1,0Cr3,5 Ni - 1,5 Cr3,0 Ni - 0,8 Cr

AçosMo


-VL-XXVM-XX

--

0,25 Mo0,90 Cr - 0,20 Mo1,75 Ni - 0,80 Cr - 0,25 Mo1,75 Ni - 0,25 Mo3,5 Ni - 0,25 Mo

AçosCromo

50XX50XXX501XX51XX

51XXX511XX514XX515XX52XX

52XXX521XX

---

VR-XX-------

0,3 - 0,6 Cr0,5 Cr - 1,0 C0,5 Cr (para rolamentos)0,8 - 1,05 Cr1,0 Cr - 1,0 C1,0 CrResistente ao calorResistente ao calor1,20 Cr1,45 Cr - 1,0 C1,45 Cr

AçosNi -CrMo


VB-XX-

VA-XX--

0,55 Ni - 0,5 Cr - 0,20 Mo0,55 Ni - 0,5 CR - 0,25 Mo3,25 Ni - 1,2 Cr - 1,12 MO0,55 Ni - 0,17 Cr - 0,20 Mo1,0 Ni - 0,8 Cr - 0,25 Mo

Vários

61XX70XX92XX94XX

VN-XX-

VS-XX-

0,9 Cr - 0,15 VAço tungstênio2,0 Si - 0,55 Mn1,0 Mn - 0,45 Ni - 0,4 Cr0,12 Mo

INFLUÊNCIA DOS ELEMENTOS NOS AÇOS LIGA

ALUMINIO (Al) - Tem efeito semelhante ao do silício. É conside-rado um importante desoxidante na fabricação do aço.Apresenta também uma grande afinidade pelo nitrogênio e, poresta razão, é um elemento de liga muito importante para os açosque serão submetidos à nitretação, pois facilita a penetração donitrogênio.

BORO (B) - Quando adicionado em quantidade variável de 0,001 a0,003 % melhora a temperabilidade, a penetração de tempera, aendurecibilidade, a resistência à fadiga, as características de lami-nação, forjamento e usinagem.

CHUMBO (Pb) - Ele não se liga ao ferro, quando adicionado aeste, espalha-se uniformemente na sua massa em partículas finís-simas.Uma adição de 0,2 a 0,25 % Pb melhora grandemente a usinabili-dade dos aços sem prejudicar qualquer sua propriedade mecânica.

COBALTO (Co) - Sozinho não melhora os aços. É sempreutilizado em liga com outros metais, como o Cr, Mo, W, V.O Co confere aos aços uma granulação finíssima, com grandecapacidade de corte, e resistência ao calor, como nos aços rápi-dos, influi nas propriedades magnéticas.Os aços com Co são empregados em ferramentas com altas velo-cidades de corte.

COBRE (Cu) - Aumenta o limite de escoamento e a resistência doaço, mas diminui o alongamento.O principal efeito é o aumento da resistência `a corrosão atmosféri-ca. A presença de 0,25 % Cu no aço é suficiente para dobrar estaresistência em relação aos aços carbono comuns.

CROMO (Cr) - Aumenta a resistência ao desgaste, a dureza emoderadamente a capacidade de corte.Aumenta a penetração de tempera.

ENXOFRE (S) - Prejudicial ao aço, pois torna-o frágil e quebradi-ço.Para fabricação em série de peças pequenas usam-se aços resul-furados. A adição de S proporciona aços de fácil usinagem, poisos cavacos se destacam em pequenos pedaços.

FÓSFORO (P) - É uma impureza normal existente nos aços. Éprejudicial. Sua única ação benéfica é a de aumentar a usinabili-dade dos aços de corte fácil .

MANGANES (Mn) - Depois do carbono, é talvez o elemento maisimportante no aço. Baixa a temperatura de tempera e diminui asdeformações por ela produzidas.O Mn dá bons aços de tempera em óleo, mas dificulta a usinagempor ferramentas cortantes. Os aços apresentam boa solda e fácilforjamento. Aços com 1,5 a 5 % Mn são frágeis mas duros. Com0,8 a 1,5 % C e 11 a 14 % Mn são dúcteis, resistentes ao desgastee aos choques.Os aços Mn são empregados em ferramentas, machos, cosinetes,pentes de roscas, etc.

MOLIBDÊNIO (Mo) - Os aços Mo apenas, são poucos tenazes,por isso o Mo nunca é utilizado sozinho, mais com outros elemen-tos de liga como Cr, W, etc.Proporciona aços de granulação fina.Juntamente com o Cr dá aços Cr-Mo, de grande resistência, princi-palmente aos esforços repetidos.

Proporciona aços rápidos, empregados na construção de estam-pos, matrizes, laminas de corte submetidas a grandes cargas, etc.



NÍQUEL (Ni) - É o mais importante dos elementos liga que au-mentam a tenacidade, a carga de ruptura e o limite de elasticidadedos aços.Dá boa ductilidade e boa resistência `a corrosão.Teores elevados de Ni produzem aços inoxidáveis.O Ni permite grande penetração de tempera. Os aços Ni apresen-tam grande tenacidade e alta resistência mecânica também a altastemperaturas.Aços com 1 a 3 % Ni são empregados em ferramentas.

SILÍCIO (Si) - É praticamente pouco usado sozinho. Torna osaços de forjamento difícil e praticamente não soldáveis. É usadoem geral em ligas com o Mn, Mo, Cr.O Si é o único metaloide que pode ser utilizado nos aços semprejudicá-los.Aumenta a temperatura e a penetração de tempera, assim como aelasticidade e a resistência. Suprime o magnetismo. Acalma osaços e melhora a resistência à corrosão atmosférica.

TUNGSTÊNIO (W) - Elemento importante na formação de açosrápidos. Dá aos aços maior capacidade de corte e maior dureza.Os aços rápidos com liga de W conservam o fio de corte mesmoquando, pelas condições de trabalho, aquecem ao rubro.Os aços com 13 a 18 % W apresentam grande resistência mesmoem elevadas temperaturas. São empregados em ferramentas decorte de todas as espécies.

VANADIO (V) - O V é excelente desoxidante. Os aços que con-tem V são isentos de bolhas de gás e portanto altamente homogê-neos, dando a eles maior capacidade de forjagem , estampagem eusinagem. Em virtude de sua alta resistência, as ferramentas deaço V podem ter secções bastante reduzidas. O V entra em quasetodas as ligas que compõem os aços rápidos.Geralmente os aços Cr-V contem 0,13 a 1,1 % C, 0,5 a 1,5 % Cr,0,15 a 0,3 % V. São empregados na fabricação de talhadeiraspara máquinas rebarbadoras e ferramentas para grandes esforços:chaxes, alicates, alavancas, etc.

DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO DOFERRO-CARBONO (Fe-C)

As ligas de ferro – carbono são as mais utilizadas dentretodas as ligas metálicas. O ferro é um metal abundante na crostaterrestre e caracteriza-se por ligar-se com outros elementos, metá-licos ou não metálicos, dos quais o principal é o carbono. O dia-grama ferro - carbono é fundamental para facilitar a compreensãosobre o que ocorre com as ligas ferrosas quando submetidas aoperações de tratamento térmico, que modificam suas proprieda-des mecânicas para aplicações sob as mais variadas condições deserviço.

Inicialmente, observaremos as transformações do ele-mento ferro quando submetido ao aquecimento ou resfriamentolentos.

O ferro, como todos os metais tem uma estrutura cristali-na. A disposição própria e regular dos átomos de cada metal, emforma de cristais, se chama rede cristalina ou reticulado cristalino.

ALOTROPIA DO FERRO PURO*ALOTROPIA: é um fenômeno químico que consiste em poder umelemento químico cristalizar-se em mais de um sistema cristalino eter por isso diferentes propriedades físicas.

*FENÔMENO DE CRISTALIZAÇÃO: é o fenômeno em que as“células unitárias” se reúnem e forma uma rede cristalina ou retícu-lo cristalino.

*CÉLULA UNITÁRIA: é o agrupamento dos átomos metálicos queprocuram ocupar posições definidas e ordenadas que se repetemem três dimensões formando uma figura geométrica regular.

Os metais formam três importantes retículos cristalinosque são:

I- RETICULADO CÚBICO DE CORPO CENTRADO (CCC)

Contem 9 átomosMetais: Césio, Rubídio, Potássio, Sódio, Tungstênio, Molibdênio,Vanádio, e Ferro. (temperatura ambiente)

II- RETICULADO CÚBICO DE FACE CENTRADA (CFC)

Contem 14 átomosMetais: Cálcio, Chumbo, Ouro, Prata, Alumínio, Cobre, Cobalto,Níquel, e Ferro. (temperaturas elevadas)

III- RETÍCULO HEXAGONAL COMPACTO (HC) (Disposi-ção compacta)

Contém 17 átomosMetais: Magnésio, Zinco , Titânio , etc...

O conjunto de “células unitárias” forma os cristais. Os cristaisadquirem contornos irregulares, devido aos pontos de contato decada conjunto e desse modo passam a receber o nome de“GRÃOS CRISTALINOS”.



O “Graõ Cristalino” é constituídos por milhares de célulasunitárias.

Os grãos podem ser observados melhor com auxílio de um micros-cópio metalográfico. A figura, abaixo, ilustra uma peça de aço debaixo teor de carbono, com a superfície polida e atacada quimica-mente ampliada muitas vezes.

As regiões claras e escuras, todas com contornos bemdefinidos como se fossem uma colmeia, são os grãos.

O ferro sólido, quando aquecido ou resfriado, apresentadiferentes estruturas em seu reticulado cristalino; conseqüentemen-te, suas propriedades também ficam diferentes. Esse fenômeno sedenomina alotropia e é representado pelas letras do alfabeto grego:α, β, γ, δ, etc.

O gráfico a seguir mostra a curva característica de resfri-amento ou aquecimento. do ferro puro e sua correspondente trans-formação alotrópica.

No intervalo de 1538ºC e 1394ºC o ferro puro se solidifi-ca em reticulado cúbico de corpo centrado CCC, chamado Fe δ(ferro delta).

A 1394ºC se realiza a reestruturação do reticulado cúbi-co de corpo centrado em reticulado cúbico de face centrada,permanecendo até 912ºC. O reticulado cúbico de face centradaCFC denomina-se Fe γ (ferro gama) ou austenita.

A 912ºC o ferro puro sofre mudança na estrutura do reti-culado novamente para cúbico de corpo centrado CCC, chamadoFe α ( ferro alfa) ou ferrita. Abaixo dessa temperatura, a estruturado reticulado do ferro é cúbica de corpo centrado.

O trecho abaixo de 770ºC não representa mudança deestrutura do reticulado, mas o surgimento de propriedades magné-ticas do ferro; o Feα abaixo de 770ºC é magnético e acima de770ºC não tem propriedades magnéticas.

A mudança estrutural do reticulado cristalino do ferro trazconsigo a modificação de suas propriedades; assim, o Feα quasenão dissolve o carbono; o Feγ dissolve até 2,11% de carbono e oFe δ dissolve até 0,09% de carbono. Essa situação ocorre devido àestrutura cúbica de face centrada do Feγ apresentar uma distânciamaior entre os átomos do que a estrutura cúbica de corpo centradodo Feα e Feδ, então é mais fácil aceitar átomos estranhos, comopor exemplo, átomos de carbono. A esse fenômeno damos o nomede solubilidade no estado sólido.

O ferro puro raramente é usado, comumente está ligadocom o carbono. No gráfico apresentado foi vista a curva de resfri-amento ou aquecimento do ferro puro com indicações das formasalotrópicas e suas respectivas temperaturas de transformação. Nasligas de ferro – carbono existem também as formas alotrópicas α eγ, mas as temperaturas de transformação oscilam em função doteor de carbono na liga. O diagrama abaixo de fase ferro – carbo-no, auxilia na visualização dessas oscilações importantes para oestudo dos aços e ferros fundidos.

Grão CristalinoOs quadradinhos são asCélulas Unitárias.



O diagrama de fase ferro carbono pode ser dividido em três partes:• de 0 a 0,008%C - ferro puro• de 0,008 a 2,11%C - aço• de 2,11 a 6,69%C - ferro fundido



Fases relevantes do diagramaferro - carbono

• Ferrita (α) - solução sólida de carbono em ferro CCC , existenteaté a temperatura de 912ºC, caracteriza-se pela baixa solubilidadede carbono no ferro, chegando ao máximo de 0,0218% a 727ºC.

• Austenita (γ) - solução sólida de carbono em ferro CFC, existindoentre as temperaturas de 912ºC e 1495ºC, e com solubilidade máxi-ma de carbono no ferro de 2,11% a 1148ºC.• Ferrita (δ) – solução sólida de carbono em ferro CCC, sendoestável até 1538ºC, quando o ferro se liqüefaz. A solubilidade docarbono é baixa, atingindo um máximo de 0,09% a 1495ºC. Quandonão houver referência contrária, o termo ferrita, subentenderá aferrita α .• Cementita (Fe3C) - é um carboneto de ferro de alta dureza comteor de carbono de 6,69% de carbono.

Linhas relevantes do diagrama ferro-carbono

Linha A1 – indica a ocorrência de uma parada (Arrêt) durante a trans-formação. Assim ao resfriar um aço com 0,77% C, observa-se uma“parada” na temperatura de 727ºC, ou seja, enquanto a transforma-ção γ →α+ Fe3C não se completar a temperatura permaneceráconstante.

Linha A2 – indica a temperatura de transformação magnética do ferroCCC a 770ºC.

Linha A3 – indica a temperatura de transformação γ →α. À medidaque o teor de carbono vai aumentando, a temperatura A3 vai diminu-indo, até o limite de 727ºC, onde se encontra com A1.

Linha Acm – indica a temperatura de transformação γ → Fe3C. Inicia-se a 727ºC com 0,77% C e vai aumentando com a elevação do teorde carbono, até atingir 1148ºC a 2,11% C.

Linha Solidus – indica que abaixo desta linha todo material estará noestado sólido.

Linha Liquidus – indica que acima desta linha todo material estará naforma líquida.

Pontos relevantes do diagrama ferro-carbono

Ponto eutético - indica a presença de uma liga eutética, com 4,3% Ca 1148ºC Ponto eutetóide indica a presença de uma liga eutetói-de, com 0,77%C a 727ºC.

Componentes da estrutura dos aços

No ponto eutetóide se verifica uma transformação importante noestudo dos aços, ou seja um aço com 0,77%C acima de 727ºCencontra-se no estado de austenita. No ponto eutetóide a austenitase transforma em uma mistura de duas fases – ferrita e cementita -que se denomina perlita.

A perlita tem uma estrutura finamente raiada que, semelhante amadrepérola, está formada de lâminas finíssimas superpostas, alter-nando-se uma camada de ferrita e outra de cementita, conforme afigura a seguir.

Assim os aços com 0,77% C são chamados de eutetóides. Açoscom menos de 0,77%C são chamados hipoeutetóides e com mais de0,77%C são chamados hipereutetóides.

Embora a perlita não seja uma fase, e sim um constituinte, é possí-vel prever quais são as microestruturas presentes nos aços após oresfriamento lento.

Os aços hipoeutetóides (até 0,77%C) apresentam em sua microes-trutura ferrita e perlita conforme mostra a figura esquemática abaixo.



A figura a seguir mostra o aspecto micrográfico de um aço hipo-eutetóide com aproximadamente 0,3%C, submetido ao ataquereativo de nital, ampliado 200 vezes. Os grãos escuros são deperlita e os grãos brancos são de ferrita.

Os aços eutetóides (0,77%C) apresentam em sua microestruturasomente perlita, conforme mostra a figura esquemática abaixo.

A figura a seguir mostra o aspecto micrográfico de um aço eutetóidecom 0,77%C, submetido ao ataque reativo de nital, ampliado 1000vezes.

Nota-se a estrutura lamelar; as linhas escuras representando a ce-mentita e as linhas brancas a ferrita

Os aços hipereutetóides (0,77% a 2,11%C) apresentam em suamicroestrutura perlita e cementita, conforme mostra a figura esque-mática a seguir.



A figura a seguir mostra o aspecto micrográfico de um aço hipereute-tóide com aproximadamente 1%C, submetido ao ataque reativo depicral, ampliado 200 vezes.

Nota-se que a cementita está disposta em torno dos grãos de perlita,formando uma rede.

Os aços hipoeutetóides apresentarão tanto maior quantidade deferrita quanto menos carbono contiverem, e os aços hipereutetóidestanto maior quantidade de cementita quanto mais se aproximarem doteor de 2,11% de carbono. A figura a seguir mostra de modo esque-mático o teor de carbono e sua microestrutura correspondente.

Interpretação final dos diagrama

Os aços hipoeutetóides (0,4%C por exemplo) têm pouco carbono,portanto há pouca perlita e quase nenhuma cementita livre. A maiorparte de massa constitui-se de ferrita que é Feα , caracterizando-sepela baixa dureza, porém com alta ductilidade. O diagrama de faseapresentado a seguir, indica as fases presentes nos pontos determi-nados e o respectivo estado físico do aço hipoeutetóide com 0,4% C,quando submetido ao resfriamento lento.

Ponto Temperaturaaproximada

Estadofísico

Fasespresentes Comentários

A 1600ºC líqüido líqüidaToda a matérialíqüida. Todo o

carbono dissolvido

B 1480ºC líqüido líqüida

Início da solidifica-ção. Forma-se oprimeiro cristal

sólido

C 1450ºC misturalíqüida

+sólida

Campo bifásico.O líqüido vai trans-formando-se conti-

nuamente emaustenita

D 1350ºC sólido austenita

Todo materialsolidificado.

O ultimo líqüidosolidificou-se

E 1000ºC sólido austenita

Apenas sólidopresente – austeni-ta - é Fe CFC comtodo carbono dis-

solvido

F 780ºC sólido austenita

Início da transfor-mação da austenitaem ferrita. O car-bono começa a

liberta-se

G 750ºC sólidoaustenita

+ferrita

CFC transforma-secontinuamente em

CCC, libertandocarbono para for-

mar a perlita

H 727ºC sólidoperlita

+ferrita

Completada atransformação

I <727ºC sólidoperlita

+ferrita

Material prontopara ser utilizado

TIntrudução àTecnologia dos Materiais CEMAT


Nos aços hipereutetóides ( 0,9%C por exemplo), devido ao alto teorde carbono, teremos a formação de cementita mais a perlita. Odiagrama de fase apresentado a seguir mostra as fases presentes eo respectivo estado físico do aço hipereutetóide com 0,9% C ,quandosubmetido ao resfriamento lento.

Ponto Temperaturaaproximada

Estadofísico

Fasespresentes Comentários

A > 1500ºC líqüido líqüidaToda a matérialíqüida. Todo o

carbono dissolvido.

B 1500ºC líqüido líqüida

Início da solidifica-ção. Forma-se oprimeiro cristal

sólido.

C 1450ºC misturalíqüida

+sólida

Campo bifásico.O líqüido vai trans-formando-se conti-

nuamente emaustenita.

D 1430ºC sólido austenita

Todo materialsolidificado.

O último líqüidosolidificou-se.

E 1000ºC sólido austenita

Apenas sólidopresente - austenita

- é Fe CFC comtodo carbono dis-

solvido.

F 800ºC sólido austenita

Início da transfor-mação da austenita

em cementita. Ocarbono começa a

libertar-se.

G 760ºC sólidoaustenita

+cementita

CFC transforma-secontinuamente emCCC, libertando

carbono para for-mar a cementita.

H 727ºC sólidoperlita

+cementita

Completada atransformação.

I < 727ºC sólidoperlita

+cementita

Material pronto paraser utilizado.

Efeito da velocidade de resfriamento nosaços

Um aço resfriado muito lentamente a partir do campo aus-tenítico apresentará, em temperatura ambiente, uma ou mais dasfases ferrita, perlita e cementita, dependendo de seu teor de carbono.

Porém, se o resfriamento do aço a partir da região austenítica formuito rápido impede-se a formação da perlita. Certamente produz-seum rearranjo cúbico de face centrada (CFC) para cúbico de corpocentrado (CCC), porém os átomos de carbono permanecem retidosem seu núcleo. Como o resfriamento é rápido e a dimensão doreticulado cristalino α é menor que a dimensão do reticulado crista-lino γ, o carbono é forçado a permanecer no reticulado cristalino α,causando deformação e tensão, a conseqüência disso é uma estru-tura dura, quebradiça, acicular denominada martensita, que não éprevista no diagrama ferro carbono.



Metais Não Ferrosos

Introdução

Metais não ferrosos são todos os metais puros ou ligados, com exce-ção do ferro e suas ligas.

Os metais não ferrosos podem ser classificados em função de densi-dade em metais leves e metais pesados.

A maioria dos metais puros é mole e tem baixa resistência à tração.Quanto maior for a pureza, mais alto será o ponto de fusão, maior acondutibilidade elétrica e a resistência à corrosão.

Na indicação dos metais não ferrosos puros, deve-se usar a designa-ção química do elemento mais o grau de pureza.

Metais não ferrosos

3dm5kg

pesadosMetais

≥ρ

Metais leves

3dm5kg

≤ρ

CobreChumbo

ZincoNíquel

EstanhoTungstênioMolibdênio

Cromo

CuPbZnNiSnWMoCr

ManganêsVanádioCobaltoCádmioAlumínioMagnésio

Titânio

MnV

CoCdAlMgTi

Designação dos metais puros

Ex.:

Zn 99 , 99

Pureza = 99,99%Elemento químico

Obtenção dos metais

Os minérios de onde são retirados os metais, além do próprio metal,contêm também impurezas, tais como: oxigênio, hidrogênio e enxo-fre. A quantidade (porcentagem) de metal varia em função do tipo deminério.

O esquema abaixo mostra o processo de obtenção da maioria dosmetais.

Para se obter um metal quase que totalmente puro (99,99%) usam-se normalmente outros processos além do processo normal de alte-ração do metal siderúrgico, os quais dependem do tipo de metal.

Minério

Metal puro

Metal siderúrgico

Afinagem(eliminação das impurezas)

Metal bruto

Redução

Calcinação

Normalização

Segundo a DIN 1700, para metais puros escreve-se o símbolo doelemento químico seguido do grau de pureza.

Exemplo:Para as ligas, adota-se a seguinte forma:

Produção ouaplicação

Composição Propriedades especiais

G = Fundido 1. Símboloquímico dometal base

F-40 = Resistên-cia atração emKgf/mm2

GD = Fundido apressão

GK = Fundido em 2. Símboloquímico dos

W = mole

coquilha elementos deliga seguidos

h = duro

Gz = Fundido por de seu teorem porcenta-gem

Wh = dureza delaminado

centrifugação Zh = dureza detrefilado

V = Liga préviade

P = dureza deprensa-gem

adição 150Hv = durezavickers

Gl = Metl. antifric-ção

bk = brilhante

para mancais gb = decapadoL = Metal para

soldag = recozido

dek = oxidávelcom efeito

decorativo

Exemplos:

GD-Zn Al 4 Cu1 → Liga de zinco fundido sob pressão com 4% de Al,1% de Cu.

AlCu Mg1 F40 → Liga de alumínio com ±4% de Cu, ±1% de Mg eresistência a tração de 40kgf/mm2 ≅ 390N/mm2.

As propriedades dos metais puros podem ser melhoradas através deelementos de liga.

Liga é um processo onde se misturam dois ou mais elementos entresi no estado líquido.

Nos metais ligados, geralmente a dureza e a resistência aumentam,enquanto a ductilidade e a condutibilidade elétrica diminuem.

Designação das ligas não ferrosas

É feita pela indicação (símbolo químico) dos metais que nela estãocontidos, seguidos pelo teor (em porcentagem) de cada um dosmetais.

Exemplo: Designação

Cu Zn 40 Pb2

Chumbo 2%

Zinco 40%

Liga de cobre



Metais não ferrosos pesados

Cobre (Cu)

É um metal de cor avermelhada, bastante resistente à intempérie e àcorrosão. É também um excelente condutor elétrico e de calor (seisvezes mais que o ferro).

Propriedades do cobre

Densidade (ρ) 8,93kg/dm3

Temperatura da liquefação 1083ºResistência à tração 200 ... 360 N

mm2

Transformação fria até 600N/mm2

Alongamento 50 ... 35%Transformação fria 2%

Normalização

Exemplo: E-Cu 99,99Cobre especialmente puroObtenção pela eletrólise (E)

É fácil de fundir, dobrar, forjar, repuxar, tanto a quente como a frio. Adeformação a frio deixa o cobre duro e difícil de dobrar. Com o cobrerecozido a uma temperatura de aproximadamente 600ºC, e sem oresfriamento rápido, elimina-se a dureza proveniente da deformaçãoa frio. Nos processos de usinagem com cavacos, devem-se usarferramentas com grande ângulo de saída e, como fluido de corte, oóleo solúvel.

AplicaçãoÉ normalmente empregado para confecção de fios e cabos conduto-res elétricos, sistemas de aquecimento e resfriamento, tubos, cha-pas, peças fundidas e peças de artesanato.

Chumbo (Pb)

É um metal com aspecto exterior característico, pois apresenta umacor cinza azulada. Sua superfície de ruptura (recente) é de uma corbranca prateada muito brilhante. É fácil de reconhecê-lo pelo peso: éum material muito denso e macio.

O chumbo é muito dúctil, fácil de dobrar, laminar, martelar (a frio). Ostubos são curvados com auxílio de uma mola ou enchendo-os deareia fina e seca, ou com ajuda de um aparelho de curvar.

Propriedades do chumbo

Densidade (ρ) 11,3 kgdm3

Ponto de fusão ºC 327ºC

Resistência à tração 15...20 Nmm2

Alongamento 50...30%

Liga-se com dificuldade a outros metais, exceto o estanho, com oqual se produz a solda de estanho. É bem resistente à corrosão,pois, quando exposto ao ar, recobre-se de uma camada protetora deóxido.

Designação do chumbo

Norma DIN 1719 : 1963

Denominação Norma ImpurezaChumbo fino Pb 99,99 0,01%

Chumbo siderúrgico Pb 99,94 0,06%Chumbo refundido Pb 99,9 0,01%

Precaução

Partículas de chumbo que aderem às mãos podem penetrar no orga-nismo e provocar uma intoxicação por isso é indispensável lavar bemas mãos após, seu manuseio.

AplicaçãoÉ aplicado, de forma geral, no revestimento de cabos elétricos sub-terrâneos e de recipientes para ácidos, usados na indústria química.Como liga chumbo-estanho, é utilizado na solda.

O chumbo fino, especificamente, aplica-se em placas de acumulado-res, cristais óticos e proteção contra raios X.

Zinco (Zn)

É um metal branco azulado. Sua superfície de ruptura é formada decristais que se distinguem facilmente. Entre os metais, é o que tem omaior coeficiente de dilatação térmica (0,000029/ºC). Exposto àumidade do ar, combina-se com o dióxido de carbono (CO2) forman-do uma capa cinzenta de carbonato de zinco (Zn + CO2), que protegeo metal.

É muito sensível aos ácidos, que o atacam e destroem, sendo por-tanto impossível conservar ácidos em recipientes de zinco.

As propriedades do zinco podem ser sensivelmente melhoradas pelaadições de outros metais.

Propriedades do zinco

Densidade (ρ) 7,1 kgdm3

Ponto de fusão ºC 419ºCResistência à tração 20...36 N

mm2

Alongamento 1%

Com liga, o zinco de alumínio se torna mais resistente; com liga decobre, mais duro. O magnésio compensa as impurezas existentes eigualmente o torna mais duro. Também o bismuto, o chumbo e o táliomelhoram consideravelmente as propriedades do zinco para suausinagem.

Designação do zinco

Norma DIN 1706

Denominação Norma ImpurezaZinco fino Zn 99,995 0,005%Zinco siderúrgico Zn 99,95 0,05%Zinco fundido G-Zn.Al6.Cu 1%

AplicaçãoPeças de aço que estejam sujeitas à oxidação do tempo, devemreceber uma zincagem (banho de zinco) para sua proteção.

O zinco é um material muito utilizado na fundição de peças.

Peças complicadas são obtidas através de fundição por injeção, aqual facilita a fabricação em série e aumenta a precisão das peças.

Estanho (Sn)

É um metal branco azulado e macio que se funde facilmente e éresistente à corrosão.



Propriedades do estanho

Densidade 7,3 kgdm3

Temperatura de liquefação 232ºCResistência à tração 40...50 N

mm2

Ductibilidade 50%

Dobrando uma barra de estanho, ouve-se um ruído como se o metalestivesse trincado. Esse ruído é produzido em conseqüência dodeslizamento dos cristais, atritando-se entre si (grito do estanho).

Não se altera quando em contato com ácidos orgânicos ou quandoexposto às intempéries. Em temperaturas inferiores a -15ºC, o esta-nho se decompõe formando um pó de cor cinzenta.

Designação do estanho

Denominação NormaEstanho Sn 99,9

Liga fundida Cu Sn 6

AplicaçãoO estanho puro não é empregado em construções de peças devido asua pequena resistência à tração.

Graças a sua ductilidade, podem-se laminar folhas delgadas de até0,008mm de espessura.

É muito utilizado no equipamento e maquinaria da indústria alimentí-cia, por ser não tóxico.

Liga-se perfeitamente a outros metais: cobre, chumbo e antimônio.

A solda de estanho é possível sobre latão, aço e aço fundido.

Ligas dos metais pesados não ferrosos

Para melhorar as propriedades dos metais com base o cobre, sãoadicionadas ligas de outros metais, como o zinco e o estanho. Asligas de cobre possuem cores diferentes, conforme o metal queentra na constituição da liga e na proporção em que é adicionado. Asligas de cobre mais importantes são: latão, bronze e latão vermelho.

Latão

É uma liga de cobre e de zinco com um teor mínimo de 50% decobre.

Produção do latão

Cobre Zn

LatãoTomback, Latão especial

FundiçãoFundição em

areia

Fundição emcoquilha

LaminadosChapas

TirasBarras maciças

TubosArames

Peças de pressãoBarras perfiladas

Propriedades do latão

LatãoMassa específica 8,5kg/dm3

Ponto de fusão 980ºCClassifica-se segundoDIN 1709, 17660, 17661

1. Ligas de fundição (latão fundido)Denominação Abreviatura Composição

em %Propriedades Emprego

especiaisLatão fundido G - CuZn

3664 até 3

Pb Boa conduti-

bi-lidadeInstalaçõespara gás,

Latão defundição emcoquilha

G - CuZn38

62 até 3Pb

Superfíciebrilhante

água epara indús-tria elétrica

Latão fundidosob pressão

G - CuZn40

60 até 2Pb

Superfíciebrilhante

A abreviatura CuZn = Latãoteor de zinco em % = 36teor de cobre em % = 64

O latão é um metal de cor amarelo-claro ou amarelo-ouro. As classesdo latão são reconhecidas pela superfície de ruptura ou em suasuperfície polida.

É fácil de dobrar e repuxar. Tem uma resistência maior do que a docobre (200 - 800N/mm2).

AplicaçãoDevido a sua boa resistência à corrosão causada pelo ar e fluidos, oemprego do latão fundido é muito grande na fabricação de válvulas,torneiras e registros.

Laminado, o latão é empregado na confecção de chapas, perfis dequalquer forma ( , , ) e tubos de radiadores.

Bronze

O bronze é uma ligas com 60% de cobre e um ou vários elementosde liga. O bronze pode ser classificado em ligas fundidas e ligaslaminadas. O quadro a seguir mostra os diversos tipos de bronze.

Tipos de bronze

Bronze- ao estanho- fosforoso- ao alumínio- ao chumbo- ao silício- ao manganês- ao berílio

Ligas deLaminação

Ligas deFundição

Propriedades e aplicaçõesAs ligas de bronze variam entre macias e duras. Resistem muito bemà corrosão. Devido a sua fácil fusão, são empregadas na fabricaçãode sinos, buchas e peças hidráulicas.

O bronze laminado é empregado na fabricação de molas, partindo detiras e de arames estirados a frio.

apostila ciencia e engenharia dos materiais 3

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