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unioeste

UNIVERSIDADE ESTADUAL DO OESTE DO PARAN

Campus de Foz do Iguau/PR Avenida Tarqunio Joslin dos Santos, 1300 Polo Universitrio Caixa Postal 961 Fone: (045) 576-8100 Fax: (045) 575-2733 CEP 85870-650 Foz do Iguau - PR

APOSTILA DE MATERIAIS DE CONSTRUO MECNICA I

Prof. Eduardo Moreira Prof. Joo Carlos Sihvenger

Prof. Vicente de Paula Corra de Sales Dias

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Prefcio A apostila relativa a disciplina Materiais de Construo Mecnica I est fundamentada na apostila utilizada pelo Centro Tecnolgico da Universidade Federal de Santa Catarina UFSC no Departamento de Engenharia Mecnica. O original foi elaborado pela equipe do Laboratrio de Materiais LABMAT coordenada pelo Prof. Dr. Pedro Bernardini, o qual ns gostaramos de agradecer por nos ter cedido, bem como, pela orientao e incentivo ao longo de todo o processo de estruturao desta disciplina. Incorporou-se pequenas adaptaes no texto original fruto da adequao realidade local. Realimentaes no sentido de otimiz-la sero bem vindas. Salientamos que o contedo da apostila uma sntese do abordado em sala de aula, no dispensando a consulta s bibliografias clssicas de materiais.

Prof. Eduardo Moreira.

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Sumrio 1. CINCIA DOS MATERIAIS: ..............................................................................................6

1.1 PANORAMA ................................................................................................................. 6 1.2 CRITRIOS DE CLASSIFICAO DOS MATERIAIS:................................................. 8 1.3 PROPRIEDADES DOS MATERIAIS ............................................................................ 8 1.4 PROPRIEDADES MECNICAS ................................................................................... 9 1.5 PROPRIEDADES TPICAS DOS MATERIAIS ........................................................... 10 1.6 RELAO ENTRE PROPRIEDADES E APLICAES............................................. 10

2. ESTRUTURA DOS TOMOS E TIPOS DE LIGAES .................................................11 2.1 CLASSIFICAO DOS TOMOS.............................................................................. 11 2.2 TIPOS DE LIGAES................................................................................................ 12

2.2.1 INICA: metal (cede eltrons) + no metal (ganha eltrons) Ex.: NaCl / MgO ...12 2.2.2 COVALENTE .......................................................................................................13 2.2.3 METLICA...........................................................................................................14 2.2.4 VAN DER WAALS (secundarias).........................................................................16

3. ESTRUTURAS DOS MATERIAIS....................................................................................17 3.1 TIPOS ARRANJOS (ORGANIZAO) ATMICOS E TIPOS DE CRISTAIS ............ 17 3.2 TERMINOLOGIA ........................................................................................................ 18 3.3 CARACTERSTICAS GEOMTRICAS DOS CRISTAIS............................................. 18

3.3.1 TIPOS DE CRISTAIS...........................................................................................18 3.3.2 CRISTAIS METLICOS MAIS FREQENTES....................................................19 3.3.3 RELAO ENTRE PARMETRO DE REDE E RAIO ATMICO .......................20 3.3.4 NMERO DE TOMOS POR CLULA UNITRIA .............................................20 3.3.5 FATOR DE EMPACOTAMENTO.........................................................................20 3.3.6 DIREES E PLANOS CRISTALINOS ..............................................................21 3.3.7 INTERSTCIOS....................................................................................................23

3.4 SNTESE DAS CARACTERSTICAS CRISTAIS METLICOS MAIS COMUNS........ 23 3.5 TRANSFORMAES ALOTRPICAS / POLIMRFICAS. ....................................... 24

4. DEFEITOS CRISTALINOS ..............................................................................................25 4.1 Visao geral.................................................................................................................. 25 4.2 Defeitos pontuais ........................................................................................................ 25 4.3 Defeitos lineares ......................................................................................................... 26 4.4 Defeitos bidimensionais (superficiais)......................................................................... 27 4.5 Defeitos tridimensionais.............................................................................................. 28

4.5.1 PARTCULAS DE SEGUNDA FASE (PRECIPITADOS, INCLUSES)...............28 4.5.2 POROS................................................................................................................29

5. DIFUSO - MOVIMENTOS ATMICOS .........................................................................31 5.1 O que e Exemplos. .................................................................................................. 31 5.2 Origens ....................................................................................................................... 34 5.3 Mecanismos................................................................................................................ 34 5.4 Equao da difuso - Regime Estacionrio - Primeira Lei de Fick. ............................ 34 5.5 Equao da difuso - Regime No Estacionrio - Segunda Lei de Fick..................... 36

5.5.1 Deduo da equao fundamental ......................................................................36 5.5.2 Exemplos de solues particulares:.....................................................................37 5.5.3 4Exemplos de aplicaes ....................................................................................38

5.6 Fatores que influenciam a difusividade....................................................................... 39 5.6.1 Cintica de reao ...............................................................................................39

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5.6.2 Influncia da temperatura na velocidade de difuso............................................40 5.6.3 Influncia da energia de ativao ........................................................................41 5.6.4 Influncia do tipo de tomo, estrutura e mecanismo...........................................41 5.6.5 Influncia dos circuitos de difuso .......................................................................42

5.7 Outros fenmenos ...................................................................................................... 43 5.7.1 Efeito Kirkendall (difuso conjunta)......................................................................43 5.7.2 Porosidade Kirkendall ..........................................................................................43 Efeito de tenses .............................................................................................................43

6. DEFORMAO PLSTICA.............................................................................................44 6.1 Aspectos macroscpicos do ensaio de trao............................................................ 44 6.2 Tenses Induzidas pelo ensaio de trao................................................................... 45 6.3 MECANISMOS ATMICOS DE DEFORMAO....................................................... 45

6.3.1 MECANISMOS ATMICOS DE ELASTICIDADE................................................46 6.3.2 MECANISMOS ATMICOS DE PLASTICIDADE................................................46

6.4 Competio de mecanismos....................................................................................... 47 6.5 RESISTNCIA TERICA DOS METAIS (Existem discordncias) ............................. 48 6.6 Tipos de discordncias ............................................................................................... 49 6.7 MECANISMOS DE DEFORMAO COM DISCORDNCIA ..................................... 49

6.7.1 Escorregamento simples (Slip) ............................................................................49 6.7.2 Escorregamento com desvio (Cross slip) ............................................................50 6.7.3 Ascenso (Climb).................................................................................................50

6.8 Planos onde discordncia se movimenta mais fcil (menor tenso) .......................... 50 6.9 Direes preferenciais de movimento......................................................................... 50 6.10 Sistemas de escorregamento ..................................................................................... 51 6.11 CONSEQNCIAS DO MOVIMENTO DE DISCORDNCIAS .................................. 52

6.11.1 DISCORDNCIAS SE ANULAM .........................................................................52 6.11.2 DISCORDNCIAS SE REPELEM .......................................................................52 DISCORDNCIAS SE ANCORAM..................................................................................52 6.11.4 DISCORDNCIAS SE MULTIPLICAM ................................................................53 6.11.5 DISCORDNCIAS CONTORNAM OBSTCULOS .............................................53 6.11.6 DISCORDNCIAS ENDURECEM (ENCRUAM) O MATERIAL ..........................54

7. MECANISMOS DE ENDURECIMENTO..........................................................................54 7.1 Encruamento .............................................................................................................. 54 7.2 REFINO DE GRO..................................................................................................... 55 7.3 SOLUO SLIDA .................................................................................................... 56 7.4 PARTCULAS DE SEGUNDA FASE .......................................................................... 57

8. DIAGRAMAS DE EQUILBRIO........................................................................................58 8.1 Conceitos Preliminares ............................................................................................... 58

8.1.1 Nomenclatura.......................................................................................................58 8.1.2 Curvas De Anlise Trmica .................................................................................59 8.1.3 Diagramas De Equilbrio De Fases......................................................................60 8.1.4 Regra das fases de Gibbs ...................................................................................61 8.1.5 Tipos de diagramas de equilbrio. ........................................................................62

8.2 Diagramas de sistemas unitrios. ............................................................................... 63 8.2.1 Elementos do diagrama unitrio ..........................................................................63 8.2.2 Exemplo de uso da regra das fases de Gibbs .....................................................63 8.2.3 Exemplo de metaestabilidade ..............................................................................64 8.2.4 Metaestabilidade, Termodinmica e Cintica ......................................................65

8.3 Diagramas de sistemas binrios. ................................................................................ 66 8.4 SISTEMAS ISOMORFOS........................................................................................... 66

8.4.1 Condies para solubilidade slida ilimitada. ......................................................66 8.4.2 Curvas de solidificao (anlise trmica).............................................................67 8.4.3 Diagrama De Equilbrio Isomorfo. ........................................................................68

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8.4.4 Elementos do diagrama isomorfo ........................................................................69 8.4.5 Informaes obtidas do diagrama........................................................................70

8.5 SISTEMAS EUTTICOS. ........................................................................................... 74 8.5.1 Curvas de solidificao. .......................................................................................75 8.5.2 Diagrama De Equilbrio Euttico. .........................................................................75 8.5.3 ELEMENTOS DO DIAGRAMA EUTTICO .........................................................76 8.5.4 Tipos de Ligas em um Sistema Euttico..............................................................78 Sistemas Eutticos Importantes ......................................................................................83 8.5.5 SISTEMAS EUTETIDES...................................................................................85 Liga eutetide ..................................................................................................................85 Ligas hipo eutetides .......................................................................................................87 Ligas hiper eutetides......................................................................................................89

EXERCCIOS.........................................................................................................................91 9. CURVAS TTT ..................................................................................................................92

9.1 RESFRIAMENTO ISOTRMICO................................................................................ 92 9.2 RESFRIAMENTO CONTNUO - CURVAS CCT......................................................... 95

9.2.1 INFLUNCIA DO CARBONO. .............................................................................95 INFLUNCIA NAS REGIES DA CURVA TTT. ..............................................................95 INFLUNCIA NA POSIO DA CURVA TTT .................................................................96 INFLUNCIA NA PROFUNDIDADE DE TMPERA........................................................98 INFLUNCIA NA DUREZA DA MARTENSITA................................................................99 INFLUNCIA NA AUSTENITA RETIDA ..........................................................................99 INFLUNCIA NA RESISTNCIA AO REVENIDO.........................................................100

9.3 INFLUNCIA DOS ELEMENTOS DE LIGA.............................................................. 100 INFLUNCIA NA POSIO DA CURVA TTT ...............................................................101 INFLUNCIA NA FORMA DA CURVA TTT...................................................................101 INFLUNCIA DO BORO................................................................................................104 INFLUNCIA NA PROFUNDIDADE DE TMPERA......................................................104 INFLUNCIA NA DUREZA DA MARTENSITA..............................................................105 INFLUNCIA NA AUSTENITA RETIDA ........................................................................105 INFLUNCIA NA RESISTNCIA AO REVENIDO.........................................................106

10. RELAO MICROESTRUTURA X PROCESSAMENTO...........................................108

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1. CINCIA DOS MATERIAIS:

1.1 PANORAMA

composicaomicroestrutura propriedades

desempenhoprocessamentosolicitacao

Exemplo de relao entre processo, microestrutura e propriedade. Exemplos de solicitaes e respostas

Fig. 1

Fig. 2

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Exemplos de microestrutura

Fig. 4: Ao hipoeutetide - 0,4 % C

Fig. 5: A2 temperado e revenido

Fig. 6: Ao eutetide

Fig. 7

Fig. 8: Engrenagem cementada (microestrutura varia da superf. para centro)

Fig. 3: Ferro puro

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1.2 CRITRIOS DE CLASSIFICAO DOS MATERIAIS:

MACROSCPICO (baseado no estado fsico) categorias: slido / lquido / gasoso (inclusive plasma) parmetros: forma e volume ESTRUTURAL ( baseado nos tomos que compem o material) categorias: metais / cermicas / polmeros / compsitos parmetros: tipo de tomo: (posio na tabela peridica = tendncia ganhar ou perder e-)

metal no-metal semi-metal

tipo de ligao (entre tomos) inica covalente metlica Van der Waals mistas tipo de arranjo (disposio dos tomos no espao) cristalino: monofsico / polifsico amorfo amorfo - cristalino Nota: Ligas metlicas industriais so constitudas de FASES. Microestrutura: conjunto de fases presentes na liga Fase: poro homognea quanto composio e estrutura Estrutura: modo como os tomos esto organizados (arranjados)

1.3 PROPRIEDADES DOS MATERIAIS

A cincia dos materiais estuda as relaes existentes entre as estruturas e propriedades dos materiais. Propriedade entendida como uma caracterstica do material em termos, do tipo e da intensidade da resposta, a um estmulo especfico que lhe imposto. As propriedades dos materiais slidos podem ser agrupadas em seis categorias distintas: qumicas (deteriorativa), trmica, eltrica, tica, magntica e mecnica.

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O custo do material, embora no seja uma propriedade intrnseca ao material, freqentemente, fator a ser considerado na seleo de um determinado material para uma dada aplicao. Para facilitar o entendimento das propriedades dos materiais utilizam-se diagramas esquemticos que mostram o efeito de uma varivel sobre uma certa propriedade em termos qualitativos. No entanto, muitas vezes, importante dispor de dados quantitativos relativos s propriedades dos materiais. Na apresentao dos dados quantitativos surge a variana que pose ser encontrada nos ensaios. Esta variao induz adoo de tratamento estatstico para estabelecer o valor mdio e quando da sua utilizao nos clculos deve-se estimar uma margem de segurana adequada, a fim de levar em conta fontes adicionais de variao encontrada em servio.

1.4 PROPRIEDADES MECNICAS

As propriedades mecnicas relacionam deformao com uma carga ou fora aplicada. A primeira propriedade que geralmente nos vem mente a resistncia mecnica, a qual pode se apresentar sob a forma: - resistncia trao; - resistncia compresso; - resistncia ao cizalhamento e toro; - resistncia fadiga; - resistncia ao impacto. Outras propriedades mecnicas so elasticidade, ductilidade, fluncia, dureza e tenacidade. Para se conceituar as propriedades mecnicas mencionadas interessante se definir alguns termos mais comuns em engenharia. Tenso definida como a fora por unidade de rea e expressa em libras por polegada quadrada (psi) ou em quilogramas fora por centmetro quadrado (kgf/cm2) ou por milmetro quadrado (kgf/mm2) e newton por milmetro quadrado (N/mm2 [Mpa]. Como efeito de tenso tem-se a deformao, que pode ser elstica ou plstica. A deformao elstica reversvel, desaparece quando a tenso removida. O mdulo de elasticidade o quociente entre a tenso aplicada e a deformao elstica resultante. Ele est relacionado com a rigidez do material. A deformao plstica a deformao permanente provocada por tenses que ultrapassam o limite de elasticidade. A ductilidade a deformao plstica total at o ponto de ruptura. Pode ser expressa pelo alongamento decorrente da deformao, ou pela estrico que a reduo na rea da seo reta do corpo, imediatamente, antes da ruptura (estrico = (rea inicial rea final) / (rea inicial)). Os materiais altamente dcteis sofrem grande reduo na rea da seo reta antes da ruptura. A dureza definida pela resistncia da superfcie do material penetrao. A dureza e a resistncia trao esto intimamente relacionadas. A tenacidade a medida da energia necessria para romper o material ou a sua habilidade em absorver energia at a sua ruptura. Difere pois, da resistncia trao, que a medida da tenso necessria para romper o material. A energia est relacionada rea sob a curva de tenso versus deformao. Um material dctil com a mesma resistncia de um material frgil ir requerer maior energia para ser rompido e, portanto, mais tenaz. A fluncia uma deformao lenta causada por tenses constantes e inferiores ao limite de escoamento normal. A velocidade de deformao (fluncia) acelerada com o aumento de temperatura.

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1.5 PROPRIEDADES TPICAS DOS MATERIAIS

As propriedades de uma certa classe de material no so constantes, mas variam dentro de uma certa faixa. Todavia, a magnitude desta faixa resultante do tipo de ligao, conforme apresentado na tabela abaixo.

PROPRIEDADE METAIS CERAMICOS POLIMEROS Dureza mdia a alta

(100 a 1000 HB) alta (> 2000 HB)

baixa (

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2. ESTRUTURA DOS TOMOS E TIPOS DE LIGAES

MODELO DE TOMO (Bohr): esferas rgidas prtons /eltrons / nutrons (desenho) camada eletrnica + externa = camada de valncia (orbitais s e p) so o eltrons que participam das ligaes inter-atmicas e, portanto, definem as propriedades dos materiais estabilidade de tomos est ligada ao preenchimento total da camada de valncia caso dos gases nobres (8 eltrons) e hlio (2 eltrons, exceo)

2.1 CLASSIFICAO DOS TOMOS

TIPOS DE TOMOS (quanto capacidade de ceder / doar eltrons) metais: cedem eltrons (lado esquerdo e centro da tabela / maioria) no metais: ganham eltrons (lado direito) semi-metais; ganham ou perdem eltrons

Fig. 9: Modelo de tomo.,

Fig. 10:

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2.2 TIPOS DE LIGAES

2.2.1 INICA: metal (cede eltrons) + no metal (ganha eltrons) Ex.: NaCl / MgO

ocorre entre tomos das extremidades horizontais da tabela peridica natureza da ligao columbiana (eltrica)

NO direcional (magnitude da ligao igual em todas as direes). Isto tambm implica que todos os nions ficam cercados espacialmente por todos os ctions e vice versa para gerar uma somatria de cargas igual a zero. Possui elevada energia ( 600 a 1500 kj/mol) = alto ponto de fuso , duros, frgeis, isolantes eltricos e trmicos. Ligao predominante nas cermicas

Fig. 11

Fig. 12

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2.2.2 COVALENTE

tomos compartilham eltrons: Ex.: Si, C (diamante) ocorre entre tomos menos afastados na tabela peridica que para o caso da ligao inica direcional (devido ao compartilhamento) geralmente uma ligao forte

Fig. 13

Fig. 14

14

pode ocorrer entre tomos distintos; CH4 / H2O / HNO3 pode ocorrer entre tomos similares no metlicos; H2 / Cl2 / F2 pode ocorrer em slidos elementares ; Si / Ge / Diamante ( C ) pode ocorrer entre elementos do lado direito da tabela: SiC / GaAs / InSb existe nas cermicas e nos polmeros alto ponto de fuso (alguns casos, baixo como o bismuto) , materiais duros, frgeis , isolantes trmicos e eltricos.

2.2.3 METLICA

tomos cercados por uma nuvem de eltrons livres

Fig. 15

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Ocorre entre metais No direcional e ausncia de carga local permite ductilidade Tambm so ligaes fortes (menos que as anteriores) Possuem condutividade eltrica, trmica, resistncia mecnica e ductilidade

Fig. 16

Fig. 17

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2.2.4 VAN DER WAALS (secundarias)

atrao eletrosttica (dipolos induzidos) entre tomos de molculas distintas.

o caso da gua e da atraco entre cadeias polimricas distintas tem baixa energia

(quando gua ferve esta ligao esta sendo rompida, mas para dissociar a gua, quebrar ligao h - o precisa de temperatura muito maior) outro exemplo o polmero que tem ligao covalente mas deforma devido a ruptura das ligaes secundrias.

Fig. 18: Ligao secundria entre molculas de gua.

Fig. 19: Presena de ligao secundaria entre molculas de polimeros

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3. ESTRUTURAS DOS MATERIAIS

3.1 TIPOS ARRANJOS (ORGANIZAO) ATMICOS E TIPOS DE CRISTAIS

ARRANJO: a forma como os tomos esto organizados. TIPOS ORGANIZAO: Desconsiderando-se as imperfeies cristalinas, os tomos podem estar arranjados de acordo com trs categorias distintas: SEM ORDEM: quando no h organizao dos tomos em qualquer escala. o caso do argnio. ORDEM DE CURTO ALCANCE: quando h uma repetio, em escala pequena (tomos vizinhos), de uma dada organizao. o caso das molculas de gua, vidros e monmeros (dos polmeros) ORDEM DE LONGO ALCANCE: quando h repetio de uma dada forma de organizao ao longo de todo o material. neste caso h ordem de curto e longo algance. Estruturas que apresentam ordem de longo alcance so ditas CRISTALINAS enquanto materiais com ordem de curto alcance so ditos AMORFOS.

Fig. 20

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3.2 TERMINOLOGIA

REDE CRISTALINA: uma coleo de pontos que esto dispostos em um padro peridico, de tal modo que as vizinhanas de cada ponto so idnticas. ESTRUTURA CRISTALINA: a organizao dos tomos em materiais que apresentam ordem de longo alcance. Em sentido mais especfico, refere-se forma, tamanho e disposio (arranjo) dos tomos dentro da rede cristalina CLULA UNITRIA: uma subdiviso da rede cristalina que ainda retm as caractersticas gerais de toda a rede.

3.3 CARACTERSTICAS GEOMTRICAS DOS CRISTAIS

3.3.1 TIPOS DE CRISTAIS

Existem 14 tipos de clulas unitrias (redes de Bravais) que podem ser agrupadas em 7 sistemas cristalinos distintos.

Fig. 21

Fig. 22

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3.3.2 CRISTAIS METLICOS MAIS FREQENTES

Fig. 23: CCC: Fe, Ti, W, Mo, Nb, Ta, K, Na, V, Cr, Zr Fig. 24: CFC: Fe, Cu, Al, Au, Ag, Pb, Ni, Pt

Fig. 25: HC: Ti, Mg, Zn, Be, Co, Zr, Cd.

Fig. 26: Tetragonal: Martensita

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3.3.3 RELAO ENTRE PARMETRO DE REDE E RAIO ATMICO

O parmetro de rede (aresta do cubo) funo do raio atmico e do tipo de estrutura cristalina. Para determinar a relao entre parmetro de rede (ao) e o raio atmico (r) deve-se localizar a direo onde os tomos se tangenciam. A tabela abaixo ilustra tais relaes.

EXERCCIO: Calcular a densidade do cobre

3.3.4 NMERO DE TOMOS POR CLULA UNITRIA

Consiste no nmero de tomos "efetivamente" presentes na clula unitria. tomos situados nos cantos e nas faces so contados parcialmente. Cubico simples: 8(cantos) x(1/8) = 1 atm/celula CFC: 8(cantos)x(1/8) + 6(faces)x(1/2) = 4 atm/celula CCC: 8(cantos)x(1/8) + 1(face)x(1) = 2 atm/celula

3.3.5 FATOR DE EMPACOTAMENTO

a frao volumtrica dos espaos ocupados por tomos em relao ao volume da clula unitria. Fator de empacotamento = (nmero de tomos / clula) x (volume de cada tomo) / volume da clula unitria.

Maior fator de empacotamento gera maior densidade. A figura ao lado ilustra a variao dimensional resultante das transformaes de fase do ferro, cuja origem a variao do fator de empacotamento (e o efeito o surgimento de tenses durante transformao de fase).

Fig. 27

Estrutura

Parmetro de rede (ao)

CS 2 R CFC 4 / 2R ou 2 2R CCC 4 / 3R ou

4 3 / 3R

Fig. 28

CLULA FATOR DE EMPACOTAMENTO

Cubico simples

0,52

CCC 0,68 CFC 0,74

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3.3.6 DIREES E PLANOS CRISTALINOS

H varias direes e planos em um cristal. Algumas direes e alguns planos so especiais, pois so mais empacotados (tem mais tomos) que outros. Estas direes e planos compactos tem papel relevante na deformao plstica dos metais. Fator de empacotamento linear: a frao (linear) de uma dada direo que ocupada por tomos. Em outras palavras, a relao entre o comprimento ocupado por tomos e o comprimento total da direo. No caso da estrutura CFC, a direo [110], diagonal da base, tem comprimento total de 4 r e a parcela ocupada por tomos tambm 4r, portanto o fator de empacotamento linear de 4r/4r = 1 (100 % empacotada) As direes em que ocorre mximo empacotamento linear so designadas de direes compactas e possuem papel relevante no mecanismo de deformao plstica dos metais. Fator de empacotamento planar: a frao de rea ocupada por tomos em um dado plano em relao a rea do plano. Os planos de mxima densidade planar so denominados planos compactos. ESTRUTURA CFC Planos compactos {111} (Diagonal do cubo) Direes compactas (diagonais da face) ESTRUTURA HC (c/a = 1,633) Planos compactos (0001) (planos da base) Direes compactas (diagonais da base)

Fig. 29

Fig. 30

Fig. 31

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ESTRUTURA CCC Planos compactos NO tem Direes compactas (diagonais do cubo) Planos e direes compactas em estruturas CFC e HC na estrutura CCC tem-se planos "mais compactos" (mas no verdadeiramente compactos, isto , de mxima densidade planar)

Fig. 32

Fig. 33

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3.3.7 INTERSTCIOS

Note: H dois tipos de interstcios (octadricos e tetradricos) CFC mais empacotado que CCC, mas tem interstcios maiores. (da caber mais tomos de C na austenita do que na ferrita) (CFC tem menor difusividade, pois mais empacotado)

3.4 SNTESE DAS CARACTERSTICAS CRISTAIS METLICOS MAIS COMUNS

Obs.: A relao c/a de 1,633 no HC ideal. (Zn tem c/a maior e Zr e Ti tem c/a menor que 1,633)

Fig. 34

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3.5 TRANSFORMAES ALOTRPICAS / POLIMRFICAS.

Materiais que possuem mais de uma estrutura cristalina so chamados de alotrpicos ou polimrficos. Alotropia: termo geralmente aplicado aos elementos puros. Polimorfismo: termo mais geral, usado para substancias compostas. Ferro: pode ser CFC ou CCC.

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4. DEFEITOS CRISTALINOS

4.1 VISAO GERAL

Defeitos Pontuais: Lacunas Interstiticiais, substitucionais Defeitos Lineares: Discordncias em hlice e em cunha. Defeitos Planares: Contornos de pequeno ngulo Contornos de gro Macla Interface precipitado - matriz. Defeitos Volumtricos: precipitados, incluses, poros, microtrincas.

4.2 DEFEITOS PONTUAIS

a) LACUNAS Consiste na ausncia de tomo do reticulado. Importante para mecanismo de interdifuso (tomo substitucional)

Fig. 35

Fig. 36

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b) SOLUCAO SLIDA a presena de um segundo tipo de tomo (soluto) dissolvido em um solvente. H dois tipos: substitucional e intersticial Substitucional: Ocorre quanto tomos tem tamanhos prximos ( diferena entre raios menor que 15 %) Gera distoro no reticulado: introduz tenses, atua como barreira ao movimento de discordncias, aumenta a resistncia do material mais difcil se mover (interdifuso) pela rede cristalina. Ex.: Ni em aos inoxidveis austenticos esta dissolvido na austenita Zn (abaixo de 30 %) no cobre forma lato. Instersiticial: Ocorre quando tomos tem tamanho muito menor do que o solvente. Tambm gera distoro na rede: tem efeito endurecedor. Tem maior mobilidade na rede pois interdifuso no exige mecanismo de lacunas. Caso do H e do C nos aos.

4.3 DEFEITOS LINEARES

DISCORDNCIAS

Imagem (50.000 X) de defeito (discordncias) em amostra de titnio: defeito consiste em linhas de pequena espessura e largura porm com grande comprimento.

Fig. 37: Substitucional

Fig. 38: Intersticial

Fig. 39

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Discordncias: So defeitos lineares, devido presena de semi plano extra na estrutura cristalina Participam de um dos mecanismos de deformao plstica de metais e so responsveis pela elevada ductilidade dos mesmos. Quantidade tpica em um metal no estado recozido: 106 cm de discordncia / cm3 de metal.

4.4 DEFEITOS BIDIMENSIONAIS (SUPERFICIAIS)

CONTORNOS DE GRO So interfaces entre dois gros, sendo que cada gro constitudo de milhares de clulas unitrias. Tem origem na solidificao e atuam como barreira ao movimento de discordncias.

maclas: so desvios nos planos atmicos.

Fig. 43: maclas de recozimento

Fig. 40

Fig. 41

Fig. 42

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4.5 DEFEITOS TRIDIMENSIONAIS

Partculas de segunda fase, poros e trincas. Poros: um poro ausncia de material (uma segunda fase "oca").

4.5.1 PARTCULAS DE SEGUNDA FASE (PRECIPITADOS, INCLUSES)

Partculas de Segunda Fase: Tem origem na imiscibilidade, isto , quando se adicionam tomos que ou so insolveis ou esto em quantidades acima do limite de solubilidade do material que constitui o solvente.

INCLUSES

Fig. 44: Precipitado incoerente e coerente

Fig. 45: Al - Si

Fig. 47: Oxido de Cobre em cobre puro

Fig. 46: Sulfetos de Mangans em aco

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4.5.2 POROS

devido gases

intrnsecos do processo de fabricao

Fig. 48

Fig. 49

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30

devido contrao de solidificao

31

5. DIFUSO - MOVIMENTOS ATMICOS

5.1 O QUE E EXEMPLOS.

O que : transporte de matria no estado slido, induzido por agitao trmica. Exemplos: Cementao, Sinterizao, Soldagem por difuso, Tratamentos trmicos (Galvanizao, Tmpera)

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32

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33

GALVANIZAO: deposio de Zn sobre ao (Parte do Zn difunde para interior do ao, gerando adeso) Tmpera: Consiste em EVITAR difuso do carbono para fora da austenita (ao invs de gerar ferrita e perlita, gera martensita). Revenir: consiste em oportunizar sada parcial do carbono da martensita temperada, visando reduzir tenses internas.

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34

5.2 ORIGENS

TIPO FORA MOTRIZ EXEMPLOS Trmica Amplitude de vibrao gera

saltos de tomos atravs do reticulado

Autodifuso

Mecnica + T

Tenses internas e/ou externas gera movimento de tomos visando aliviar as tenses

Recuperao / recristalizao: ( internas) Fluncia: ( externas)

Qumica + T

Presena de gradientes de potencial qumico (= niG )

Em sist. multifsicos: segregaes em c. gro Em sist. monofsicos: gradientes de concentr.

5.3 MECANISMOS

Difuso de tomo substitucional: se d atravs da troca de posio com lacunas (exige lacunas) Difuso de tomo intersticial: se d pelo movimento atravs dos interstcios (no exige lacunas) Assim: velocidade de difuso de tomo intersticial maior que substitucional.

5.4 EQUAO DA DIFUSO - REGIME ESTACIONRIO - PRIMEIRA LEI DE FICK.

( Leis da Difuso - Adolf Fick -1855) :

C

C

x

J

Equao de xCDJ

=

onde: J = fluxo = atm / (m2 . s) ou g / (m2 . s) D = coef. de difuso. C = concentrao = atm / m3 ou g / m3 x = distncia de difuso (m) (sinal negativo indica fluxo ser contrrio ao gradiente)

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Condies de contorno: Sistema monofsico (fora motriz grad. concentr.). Ausncia de campo eltrico e/ou campo de tenses. Ausncia de fenmenos de interface. Difuso apenas volumtrica. Coef. Difuso no varia com composio (ou concentrao). EXEMPLO: purificao do hidrognio.

Uma mistura gasosa, contendo H2, N2, O2 e vapor de H2O, pressurizada contra uma lmina (5 mm espessura) de paldio. O H2 purificado por se difundir mais rpido que os demais gases, atingindo a outra face da lmina que est mantida sob presso atmosfrica. Calcular fluxo horrio de purificao ( litros / hora?).

Soluo: xCDJ

= = -1 x 10-8 m2/s x (0,6-2,4)(0,005)

mmKg 3/ = 0,36x10-5

smKg

.2

Fluxo horrio = JxArea = 0,36x10-5 2kgm s

x 0,2 m2 x 3.600 s/h = 2,592x10-3Kg/h ou 2,592

gramas H2 / hora Fluxo horrio em litros por hora: 1Mol H2 = 2g e equivale a 22,4 litros nas CNTP

Fluxo = 2,592 22,42

gh x litros

g = 29,03 litros / h

Dados: rea = 0,2 m2. T=500oC DH/Pd (500oC) = 1x10-8 m2 / s C2 = 2,4 Kg H2 / m3 Pd e C1 = 0,6 Kg H2 / m3 Pd

H2 C1

C2 H2 N2 O2 H2O

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5.5 EQUAO DA DIFUSO - REGIME NO ESTACIONRIO - SEGUNDA LEI DE FICK.

(segunda lei de Fick, gradiente de concentrao varia no tempo fluxo tambm varia!)

5.5.1 Deduo da equao fundamental

massa (entra - sai) = acumulao

p/ dado t velocidade (entra-sai) = velocidade de acumulao de massa. veloc. mssica = fluxo x rea (= J x A)

veloc. entrada= (J x A)1

veloc. sada = veloc. entrada + acumulao = (J . A)1 + xAJ

).(

. dx

acumulao = variao conc. em volume

= t

(C . A .dx) = A.dx . tC

J . A - [ J . A + xAJ

).(

. dx] = A dx . tC

- x

J

= tC

entrada sada acumulao

como J = - D xC

(1a lei )

Note: p/ D = constante tC

= D 2

2

xC

Fe - 1% C Fe puro

%C

x

Perfil de C para t = 0

Perfil de C para t = Par de difuso: ao - ferro (1100oC)

tC

=

x ( D

xC

) ( 2 a lei de Fick )

curvatura (concentrao evolui no tempo no sentido da curvatura)

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37

ctetD

x =.2

5.5.2 Exemplos de solues particulares:

eq. geral: tC

=

x ( D

xC

) p/ D = constante

tC

= D 2

2

xC

()

Soluo geral de (*): ( para D = const.) p / nitretao: Co = 0 % N no ao

C (x,t) = Cs [ 1 - erf (tD

x.2

) ]

p / descarbonetao: (Cs = 0 % C)

C (x,t) = Co [erf ( tDx

.2 )] p / C(x,t) = constante )

.2(1),(

tDxerfcte

CoCsCotxC ==

x tD.

).2

(1),(tD

xerfCoCsCotxC =

onde: Cs = conc. superfcie (x=0) Co = C inicial no material C (x,t) = composio p/ dado x e t

erf (z) = 2 z ye

0

2

dy

z erf(z) z erf(z) z erf(z)

0 0 0,55 0,563323 1,3 0,934008 0,025 0,028204 0,6 0,603856 1,4 0,952285 0,05 0,056372 0,65 0,642029 1,5 0,966105 0,1 0,112463 0,7 0,677801 1,6 0,976348 0,15 0,167996 0,75 0,711155 1,7 0,98379 0,2 0,222703 0,8 0,742101 1,8 0,989091 0,25 0,276326 0,85 0,770668 1,9 0,99279 0,3 0,328627 0,9 0,796908 2 0,995322 0,35 0,379382 0,95 0,820891 2,2 0,998137 0,4 0,428392 1 0,842701 2,4 0,999311 0 45 0 475482 1 1 0 880205 2 6 0 999764

Valores da funo erro:

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38

tD. x

5.5.3 4Exemplos de aplicaes

CEMENTAO DE AO: Pretende-se cementar um ao com 0,1 %C, mantendo-o em uma atmosfera com 1,2% C em alta temperatura, at que se atinja 0,45 % C em uma profundidade de 2 mm abaixo da superfcie. Qual o tempo total de cementao se o coeficiente de difuso for D = 2x 10 -11 m2 / s ? SOLUO: Dados do problema: Co = 0,1 % C; Cs = 1,2 % C ; C(x,t) = 0,45 % C x = 2 mm = 0,002 m Usando equao tem-se: 71,0

1022

002,011

= tx t = 27,6 horas A cementao de 1mm de uma engrenagem a 800 C requer 10h. Qual seria o tempo necessrio para se obter a mesma profundidade a 900 C? Dado: Q para difuso de C de ferro CFC = 137859 J/mol. SOLUO: sabe-se que D1073 t1073 = D1173t1173 t1173=

Sabe-se que DAl / Cu (200 C) = 2,5x10-24 m2/s e DAl / Cu (500 C) = 2,5x10-24 m2/s Calcular a energia de ativao para difuso do alumnio no cobre. Soluo:

).2

(1),(tD

xerfCoCsCotxC =

).2

(11,02,11,045,0

tDxerf=

tD

xerf.2

( )= 0,68 tD

x.2

=0,71

horasxxh

RQRQt

DtD

68,2)315,1exp(10)1173314,8/137850exp()1073314,8/137850exp(10

)1173/exp()1073/exp(

10731173

10731073 ===

=

D773/D473=

24

17

105,2101,3)

473314,8exp(

)773314,8

exp(

=

xx

xQDo

xQDo

Q = 166.000 J/mol

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5.6 FATORES QUE INFLUENCIAM A DIFUSIVIDADE

5.6.1 Cintica de reao

- EQUAO DE ARRHENIUS - avalia a cintica de uma reao - Para a DIFUSO, tem-se:

Note:

Ga varia entre: 40 a 300 kJ/mol e Do varia entre: 5x10-6 e 5x10-4 m2/s.(metais) Dados de difuso para alguns materiais Par de Difuso

Q (J/mol)

Do (m2/s) Par de Difuso

Q (J/mol)

Do (m2/s)

Difuso intersticial C em Fe 137.850 0.23x10-4 N em Fe

CCC 76.680 0.0047 x10-4

C em Fe 87.570 0.011 x10-4 H em Fe 43.160 0.0063 x10-4 N em Fe 144.970 0.0034 x10-4 H em Fe 15.080 0.0012 x10-4 Auto-difuso Au em Au 183.520 0.13 x10-4 Al em Al 134.920 0.10 x10-4 Pt em Pt 283.240 0.27 x10-4 Ag em Ag 188.550 0.80 x10-4 Pb em Pb 108.520 1.27 x10-4 Cu em Cu 206.570 0.36 x10-4 Mg em Mg 134.920 1.0 x10-4 Fe em Fe 279.470 0.65 x10-4 Zn em Zn 91.340 0.1 x10-4 Fe em Fe 246.790 4.1 x10-4 Ti em Ti

HCP 95.950 0.4 x10-4

Difuso substitucional Ni em Cu 242.600 2.3 x10-4 Cu em Ni 257.690 0.65 x10-4 Au em Ag 190.650 0.26 x10-4 Zn em Cu 183.940 0.78 x10-4 Ag em Au 168.440 0.072 x10-4 Ni em Fe 268.160 4.1 x10-4 Al em Cu 165.510 0.045 x10-4

TkEa

evv .0

= G

G

Ga onde: v = velocidade da reao. Ea = energia de ativao (barreira)k = constante de Boltzmann. vo = constante (relacionada freqncia de salto)

=kTEa

e parcela dos tomos que tem energia maior que Ea. obs: caso se use Ga (ao invs de

posio

TRGa

eDD .0

= Ga = barreira energtica G = fora motriz (grfico acima) Do = fator de freqncia = constante que depende da

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40

5.6.2 Influncia da temperatura na velocidade de difuso

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41

==

1

2

12

RTGa

RTGa

Ae

Aekk

exp - )]11

21([

TTRGa =exp - )]1.2

21([TTTT

RGa

5.6.3 Influncia da energia de ativao

quanto MAIOR a energia de ativao MENOR a velocidade do processo. quanto MAIOR a energia de ativao MAIOR a sensibilidade da velocidade com T. EXEMPLO: Avalie o efeito do aumento da temperatura de 25C para 600C nas velocidades de reao de dois processos qumicos, caracterizados pelas seguintes energias de ativao. Ga=83,7 kJ/mol e Gb = 251 kJ/mol. Soluo:

para processo A: == )]298873873298(

./314,8/700.83exp[

298873

xKmolJmolJ

KK 25,22e = 4,6x109

para processo B: == )]298873873298(

./314,8/000.251exp[

298873

xKmolJmolJ

KK 73,66e = 9,5x1028

Note: processo B aumenta mais a velocidade, com a temperatura, do que o processo A. aumento de 3 vezes na energia de ativao resultou em aumento de 103 na velocidade. isto mostra que a sensibilidade da velocidade com T MAIOR paraMAIORES Ea. (Como a maioria das reaes no estado slido tem Ea entre 40 a 300 kJ/mol, basta uma variao de centena de graus para cessar a reao.) porm, a velocidade da reao MENOR quanto MAIOR for a Ea (sinal negativo) energia de ativao depende do tipo de tomo, estrutura e do mecanismo.

5.6.4 Influncia do tipo de tomo, estrutura e mecanismo.

Ea de atm intersticial menor que substitucional (resultando em uma, ou mais, ordem de

grandeza mais rpida de difuso) Ea menor para estruturas mais abertas (C em Fe () mais rpido que em Fe ()) Em tomos substitucionais, Ea menor para tomos menores. Em materiais com menor T fuso, Ea menor ( na verdade, maior Th = T/P.F.) Ga=0,034 Tf (Ga em kcal/mol e Tf em Kelvin)

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D sup. ln D

1/T

Dvol D c.g. D sup.

Velocidade: D sup > D c.g. > D vol (estrutura mais aberta) Fluxo: J vol > J c.g. > J sup. (rea maior)

D c.g.

D vol.

5.6.5 Influncia dos circuitos de difuso

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5.7 OUTROS FENMENOS

5.7.1 Efeito Kirkendall (difuso conjunta)

5.7.2 Porosidade Kirkendall

O acmulo de lacunas induzidos em um dado local pelo fenmeno de difuso conjunta pode gerar precipitao das mesmas, gerando porosidade. Tal porosidade pouco frequente devido necessidade de criao de superfcie (que aumenta a energia livre do sistema). Porm, ocorre em alguns poucos casos onde o aporte local de lacunas intenso, tal como na difuso de Al em Fe sinterizado e em regies prximas ao cordo de solda.

5.7.3 Efeito de tenses

D Zn / Cu > D Cu / Zn J Zn / Cu + J Cu /Zn + J v = 0 (presenvao do no stios no reticulado)

FENMENO: Marcadores se movem em sentido oposto ao tomo de maior coef. de difuso (Zn) Isto se deve aniquilao de planos cristalinos da rede, direita dos marcadores, como forma de aniquilar o excesso de lacunas que chegam direita dos marcadores. O fenmeno acima confirma dois fatos importantes: 1- Difuso de tomos diferentes, numa mesma rede (monofsica), se d com velocidades diferentes. (Em geral o tomo de menor ponto de fuso mais veloz.) 2 - O mecanismo de difuso substituicional por lacunas

tenses externas aplicadas ao material podem direcionar o fluxo de tomos (setas cheias), causando direo preferencial de difuso. tal fenmeno ocorre durante a fluncia.

c c

t

t

Fluxo de tomos

Fluxo de lacunas

% Cu,

Cu Zn

J Zn / Cu

J LAC J Cu / Zn

Cu puro Zn puro

Mo, Ta

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6. DEFORMAO PLSTICA

6.1 ASPECTOS MACROSCPICOS DO ENSAIO DE TRAO

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6.2 TENSES INDUZIDAS PELO ENSAIO DE TRAO

Solicitao de trao induz tensoes normais (trativas, que induz fratura) e cisalhantes (que induz deformao plstica)

6.3 MECANISMOS ATMICOS DE DEFORMAO

VISO GERAL: Cada mecanismo de deformao atua em uma determinada faixa de solicitao (nvel de tenso).

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6.3.1 MECANISMOS ATMICOS DE ELASTICIDADE

afastamento de tomos (normal e cisalhante, em metais e cermicos) rotao de ligao (polmeros)

6.3.2 MECANISMOS ATMICOS DE PLASTICIDADE

Metais: cisalhamento e maclao Cermicos: cisalhamento Polmeros: fluxo viscoso

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6.4 COMPETIO DE MECANISMOS

ruptura de ligaes (fratura) x cisalhamento (deformao plstica)

Curvas de trao

Morfologia de uma fratura dctil tipo taa-cone ( esquerda) e frgil ( direita) resultantes de carregamento de trao (Erro! A origem da referncia no foi encontrada.

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abG

2max =

onde: x= distncia na direo de

cisalhamento b = distncia entre posies de

axG

bx = 2max

2max G=

)2sen(maxbx =

6.5 RESISTNCIA TERICA DOS METAIS (EXISTEM DISCORDNCIAS)

RESISTNCIA TERICA AO CISALHAMENTO

Curva senoidal: representa a variao da tenso cisalhante baseado na escala atmica. para pequenas distncias de cisalhamento:

Reta tracejada: Representa a variao da tenso cisalhante baseada no ensaio macroscpico de cisalhamento.

= G onde: G = mdulo de cisalhamento = deformao cisalhante Para pequenas distncias de cisalhamento: = x / a (a = distncia entre planos) Portanto: Gx a = (eq.2) Combinando as equaes (1 e 2) acima, tem-se: Como b da mesma ordem de grandeza que a, tem-se: Conforme dados a seguir, o valor previsto muito acima daquele medido experimentalmente. ERRO ENTRE PREVISO E VALOR EXPERIMENTAL A grande diferena entre os valores previstos e aqueles obtidos experimentalmente est no fato de que o modelo terico no considerou a existncia de defeitos no material O defeito que explica a baixa tenso (experimental) de cisalhamento a discordncia. Na tabela ao lado constata-se que materiais sem discordncias apresentam pequena diferena entre o valor experimental e o terico, confirmando que o defeito controlador do cisalhamento a discordncia.

Material com discordncias. G/2 (GPa) LE (MPa) crss Erro Ag 12,6 0,37 ~ 3 x104 Al 11,3 0,78 ~ 1 x104Cu 19,6 0,49 ~ 4 x104Ni 32 ~ 5 ~ 1 x104Fe 33,9 27,5 ~ 1 x103Mo 54,1 71,6 ~ 8 x102

Material sem discordncias G/2 (GPa) Resistncia (MPa) ErroCu 19,1 3,0 ~6 Ni 33,4 3,9 ~8,5Fe 31,8 13 ~2,5

max2 ( .1)x eqb =bX

bx /.2)2sen(

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6.6 TIPOS DE DISCORDNCIAS

6.7 MECANISMOS DE DEFORMAO COM DISCORDNCIA

6.7.1 Escorregamento simples (Slip)

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6.7.2 Escorregamento com desvio (Cross slip)

Discordncia (em hlice) muda de plano (permite contornar obstculos)

6.7.3 Ascenso (Climb)

Discordncia em cunha muda (sobe) de plano (permite contornar obstculos) Este mecanismo necessita de difuso (portanto termicamente ativado) e ocorre quando h fenmeno de fluncia.

6.8 PLANOS ONDE DISCORDNCIA SE MOVIMENTA MAIS FCIL (MENOR TENSO)

A figura ao lado indica que h menos esforo em se deslizar o plano de tomos, em planos compactos, devido menor inclinao a ser superada.

6.9 DIREES PREFERENCIAIS DE MOVIMENTO

Na figura ao lado observa-se as trs direes compactas em um plano de mxima densidade. Caso o escorregamento ocorra em uma direo no compacta (tal como a indicada pela linha tracejada), necessita-se maior tenso para mover a discordncia.

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6.10 SISTEMAS DE ESCORREGAMENTO

CFC CCC HCP crss 0,35-0,70 35-70 0,35-0,70 No sistemas escorregamento

12 48 (no compactos)

3

Cross Slip pode ocorrer pode ocorrer no pode Propriedade Dutil Resistente Frgil

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6.11 CONSEQNCIAS DO MOVIMENTO DE DISCORDNCIAS

6.11.1 DISCORDNCIAS SE ANULAM

Discordncias de sinais opostos (p.ex. cunha positiva com cunha negativa), ao se interceptarem, se anulam, restaurando o cristal perfeito. Embora haja casos (tal como no processo de recuperao) de aniquilao de discordncias (e portanto reduzindo sua densidade no material), tais casos no so intensos a ponto de aniquilar todas as discordncias.

6.11.2 DISCORDNCIAS SE REPELEM

Discordncias de mesmo sinal tendem a se repelir devido s interaes dos respectivos campos de tenses. Durante o movimento de discordncias, a multiplicao (fenmeno a ser visto em seguida) das mesmas gera maior densidade de discordncias no material, sendo que as mesmas tendem a se repelir. Tal fenmeno explica em parte o endurecimento do material com a deformao.

6.11.3 DISCORDNCIAS SE ANCORAM

Quando duas discordncias se interceptam, surge um degrau que imvel, imobilizando (ancorando) localmente aquele segmento (degrau) da discordncia. O ancoramento tambm pode ocorrer mediante interao da discordncia com precipitados. Assim, o ancoramento (que resulta do movimento de discordncias) exige maior esforo para continuar o movimento das mesmas, constituindo outro motivo para o fenmeno de endurecimento por deformao.

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6.11.4 DISCORDNCIAS SE MULTIPLICAM

Na figura ao lado tem-se uma discordncia inicialmente ancorada nos pontos B e C. O segmento BC, ao se mover, se curva, gerando o anel de discordncia resultando no aumento da densidade das mesmas. Tal mecanismo (tambm denominado de fonte de Frank Read) o responsvel pelo aumento de densidade de discordncias que ocorre com a deformao.

6.11.5 DISCORDNCIAS CONTORNAM OBSTCULOS

Conforme mencionado no item referente aos tipos de movimentos de discordncias, tanto o escorregamento com desvio quanto a ascenso de discordncias permitem que as mesmas contornem obstculos. As estratgias de endurecimento (ver item mecanismos de endurecimento) tem como aspecto comum a tentativa de limitar o movimento das discordncias. Em alguns casos, para que a estratgia seja eficaz (isto , para que se obtenha efetivo endurecimento), deve-se considerar como minimizar a possibilidade das discordncias contornarem obstculos. Um exemplo consiste no uso de partculas duras, cisalhantes no endurecimento por partcula de segunda fase. Outro exemplo o uso de materiais com baixo coeficiente de auto difuso (visando minimizar climb) para solicitaes mecnicas em alta temperatura (fluncia).

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6.11.6 DISCORDNCIAS ENDURECEM (ENCRUAM) O MATERIAL

Na figura ao lado tem-se a evoluo da densidade total, frao mvel e densidade das discordncias mveis com a deformao em um material inicialmente com baixa densidade de discordncias. Ao se deformar o material, vimos que ocorre multiplicao de discordncias (gerando maior densidade total, figura a) e que h interaes que geram ancoramento (gerando menor frao mvel, figura b). De ambos os eventos resulta o pico de discordncias mveis da figura c. Como as discordncias mveis so as responsveis pela dutilidade do material, tem-se que: 1) materiais inicialmente com baixa densidade de discordncias tendem a amolecer com o incio da deformao. Tal situao freqente em materiais no metlicos. 2) materiais inicialmente com elevada densidade de discordncia (nos metais, a densidade tpica de discordncias, mesmo no estado mole, recozido, j alta para o fenmeno aqui descrito) tendem a endurecer com a deformao. Tal fenmeno freqente em metais e suas ligas.

7. MECANISMOS DE ENDURECIMENTO

7.1 ENCRUAMENTO

O encruamento consiste no aumento do limite de escoamento com a deformao plstica do material.

O fenmeno de encruamento resulta da multiplicao das discordncias, de sua interao (ancoramentos e aproximao de campos de tenses) e da impossibilidade de contornarem obstculos (precipitados, contornos de gro)

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Materiais CFC tem maior encruamento devido cross slip, enquanto materiais HC no tem planos compactos transversais que possibilitem cross-slip A figura ao lado ilustra que, para uma mesma quantidade de deformao plstica (1), o material B aumenta mais a resistncia (encrua mais) que o material A e, por isso, materiais com maior coeficiente de encruamento endurecem mais. Tal coeficiente est associado dificuldade de realizar cross slip. Materiais CFC com facilidade de cross slip (alta EFE, tal como o alumnio) tendem a contornar facilmente os obstculos e possuem baixo coeficiente de encruamento (inclinao da curva de trao no campo plstico). Por outro lado, quanto maior o coeficiente de encruamento, maior a resistncia ao incio da estrico, conforme evidenciado na figura ao lado. O alongamento uniforme do material A (uA) menor do que o B (uB). Assim, materiais com mais elevado coeficiente de encruamento no s tem sua resistncia mais elevada pela deformao como tambm aceitam maior intensidade de deformao sem iniciar a estrico (aspecto vantajoso na estampagem profunda). Materiais ferrticos e hexagonais compactos apresentam menor encruamento que materiais CFC. Aos de baixo carbono encruam menos que aos inoxidveis austenticos.

O encruamento um mecanismo de endurecimento importante em metais que no apresentam aumento de resistncia significativa mediante tratamento trmico.

7.2 REFINO DE GRO

O contorno de gro constitui-se em uma barreira ao movimento de discordncia por exigir que a mesma mude de plano de propagao ao cruzar de um gro para o gro adjacente.

O uso do refino de gro uma tcnica muito utilizada, tanto em materiais

conformados e tratados termicamente quanto em materiais fundidos visando aumento da resistncia do material.

2Ko d = +

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7.3 SOLUO SLIDA

A presena de tomos de tamanho distinto do solvente gera distores no reticulado que por sua vez elevam a tenso de Peierls. Quanto maior a diferena entre o tamanho dos tomos do soluto em relao ao solvente, maior o efeito endurecedor, tal como ilustrado na figura ao lado. Neste sentido, tomos intersticiais tem maior efeito endurecedor do que tomos substitucionais. A figura abaixo ilustra o efeito da adio de nquel no cobre em termos de limite de resistncia, limite de elasticidade e alongamento. Na parte superior da figura abaixo tem-se o diagrama de equilbrio cobre - nquel indicando tratar-se de sistema monofsico e, portanto, o efeito do nquel sobre o cobre pelo mecanismo de endurecimento por soluo slida (e no, por exemplo., por partculas de segunda fase).

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7.4 PARTCULAS DE SEGUNDA FASE

A presena de partculas de segunda fase dispersas em uma matriz metlica uma barreira ao movimento de discordncias. H dois mecanismos que podem ocorrer caso uma discordncia encontre um precipitado: corte ou contorno do mesmo. Particulas moles so cortadas enquanto partculas duras so contornadas

Fig. 50 Estrutura do precipitado (coerente ou incoerente)

Fig. 51: Mecanismo de corte (note criao de superfcie: cria endurecimento)

Fig. 52: Mecanismo de contorno (multiplica discord.)

Fig. 53: Estrutura de alumnio com precipitados

CristopherRealce

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8. DIAGRAMAS DE EQUILBRIO

Uma vez que as aplicaes de um material dependem de suas propriedades e estas das fases presentes na microestrutura, percebe-se que o conhecimento das fases presentes no material de suma importncia prtica. Diagramas de equilbrio so grficos (mapas) que indicam quais fases esto presentes em um sistema, em equilbrio, sob um dado estado termodinmico (isto , sob determinadas condies de temperatura, presso e composio qumica). Nem sempre um material possui as fases indicadas pelo respectivo diagrama de equilbrio, pois h casos em que o material se encontra em condies de no equilbrio1. Mesmo assim, o diagrama de equilbrio uma ferramenta til para indicar quais as fases que estariam presentes caso o material venha atingir o equilbrio (p.ex., atravs de tratamentos trmicos). Portanto, os diagramas servem para identificar as fases presentes em um material em equilbrio e para diagnosticar tendncias de um material fora do equilbrio.

8.1 CONCEITOS PRELIMINARES

8.1.1 Nomenclatura

substncia: a natureza dum corpo; aquilo que lhe define as qualidades materiais; matria. A substncia do gelo e da neve a mesma, porm sob formas diferentes.2 As substncias podem ser classificadas em: simples: quando constitudas de uma nica espcie qumica.

Ex.:gua (molculas de H2O), gs hlio (tomos de He), alumnio puro (tomos de Al).

compostas: quando constitudas por diferentes espcies qumicas. Ex.: ar (molculas de N2, O2), tijolos refratrios (SiO2), gua do mar (H2O, NaCl

e outros sais) Os termos mistura e liga so tambm utilizados para designar substncias

compostas. Em geral o termo mistura se aplica s substncias lquidas na temperatura ambiente (mistura gua + sal, mistura gua + leo, mistura gasolina + lcool) e o termo liga se aplica aos metais (liga Fe-C, liga Fe-Si).

Alm disso os termos mistura e liga se referem uma formulao especfica (composio) de dois ou mais componentes.

Ex.: a mistura gua + 10%sal diferente da mistura gua + 20 % sal e a liga cobre + 5 % Zn diferente da liga cobre + 15 % Zn.

componente:

a espcie qumica , com propriedades fsicas e qumicas especficas, que constitui uma substncia composta. Portanto, uma substncia simples constituda de um nico componente, enquanto uma substncia composta constituda de pelo menos dois componentes distintos.

composio qumica:

designa a quantidade (concentrao) de cada componente presente em uma mistura. Ex. ao ABNT 1020 tem composio Fe-0,20% C. Liga Al-Si euttica tem composio Al-12 %Si. Um certo tijolo refratrio tem composio X % Al2O3 e Y % SiO2.

1 Ao temperado e diamante so exemplos de materiais em estado fora do equilbrio. 2 Dicionrio Aurlio

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sistema:

designa genericamente o conjunto de todas as misturas possveis entre dois componentes, sem distinguir uma composio em particular. Ex. misturas gua+10% sal, gua+20% sal, gua+30% sal, pertencem ao sistema gua-sal. Todas as ligas de Fe-C pertencem ao sistema Fe-C. Lato para cartucho tem composio 70% Cu e 30% Zn e pertence ao sistema Cu-Zn.

tipos de sistemas: os sistemas podem ser classificados quanto ao nmero de componentes3 presentes (unitrio, binrio ternrio, etc) e quanto ao tipo de reao que possuem (isomorfo, euttico, eutetide, etc.)

fase: a poro de matria que possui:

mesma estrutura e arranjo atmico interface definida entre a fase e o ambiente ou outra fase. aproximadamente (4) mesma composio e propriedades (fsicas,

mecnicas, qumicas) Em alguns casos uma fase constituda de uma nica espcie qumica. Ex.: A fase cementita (Fe3C) nos aos constituda de 100 % Fe3C Em outros casos, uma fase pode ser constituda por mais de uma espcie qumica.

Ex. Uma mistura de H2O + 5 % NaCl, na temperatura de -10 oC, constituda de uma fase slida ( gelo, e este com 100 % H2O) e de uma fase lquida (esta constituda de 87% H2O e 13% NaCl).

Lates para cartucho so constitudos de uma nica fase () cuja composio 70%Cu e 30% Zn.

8.1.2 Curvas De Anlise Trmica

A anlise trmica uma das ferramentas experimentais5 utilizadas para construo do diagrama de equilbrio e portanto para identificar a ocorrncia de transformaes (reaes) em um material e em qual temperatura tais transformaes ocorrem. Esta anlise consiste, por exemplo, em medir a evoluo da temperatura ao longo do tempo, para uma substncia (composio e presso constantes), durante o resfriamento ou aquecimento da mesma.

Tomando-se o exemplo da gua, sabe-se que, sob presso de 1 atm, ocorre a transformao do estado vapor para o estado lquido a 100oC e a transformao do estado lquido para o slido (gelo) ocorre a 0oC. Neste caso, a curva de resfriamento seria aquela ilustrada na figura ao lado. Nesta curva h que se notar que: as linhas tm, localmente, uma inclinao que depende da taxa de transferncia de calor entre a substncia e o meio

3 Note que o nmero de substncias no o nmero de elementos qumicos. O sistema gua-sal possui quatro elementos qumicos (H, O, Na e Cl) mas tais elementos esto combinados nas substncias gua (H2O) e sal (NaCl), gerando um sistema binrio. Por outro lado, o lato um tipo de metal formado por tomos de cobre e zinco, formando um sistema binrio. 4 ao longo do interior de um gro (de estrutura atmica constante) pode haver flutuao de composio (caso do zonamento) e mesmo assim este gro seria considerado uma nica fase. Da no ser necessrio que a composio qumica seja constante em uma dada fase e, por conseguinte, as propriedades tambm no so constantes. 5 Um exemplo de outra ferramenta experimental o uso de anlise dilatomtrica, que consiste em se avaliar as variaes dimensionais que ocorrem no material ao longo de um ciclo trmico (temperatura e tempo).

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ambiente. Portanto esta curva ilustra um fenmeno que possui carter cintico6, pois depende da velocidade de extrao de calor. as inflexes (pontos a, b, c e d) na curva se devem ao incio (ou final) de uma transformao de fase. a transformao de fase de solidificao, inicia no ponto c e finaliza no ponto d. Tal transformao est ocorrendo a uma temperatura constante. Tal temperatura o ponto de solidificao (ou de fuso). a transformao de fase de condensao, inicia no ponto a e finaliza no ponto b. Tal transformao est ocorrendo a uma temperatura constante. Tal temperatura o ponto de condensao (ou ebulio). Nem todas as substncias possuem um ponto de fuso (ou de solidificao) constante. No caso dos metais, apenas os metais puros e as ligas eutticas apresentam ponto de fuso constante. Os demais metais apresentam solidificao (ou fuso) ocorrendo em um intervalo (faixa) de temperaturas. A curva tracejada representa, com mais exatido, a trajetria de temperatura durante o incio da solidificao. Tal trajetria diz respeito aos fenmenos de super-

resfriamento e recalescncia que ocorrem no incio da solidificao, mas que ser estudado mais adiante, no captulo de solidificao. Dos itens acima constata-se que a anlise trmica indica em qual temperatura inicia ou finaliza uma transformao. Todavia, a anlise trmica, no indica quais transformaes esto ocorrendo. Considere, por exemplo, o resultado de uma anlise trmica realizada em uma liga Pb-30%Sn, conforme ilustra a figura ao lado. Embora a figura indique que nas temperaturas de 270 oC e de 183 oC esteja ocorrendo uma transformao de fase, nada se pode afirmar sobre qual a transformao.

Para se saber qual transformao est ocorrendo, necessrio utilizar conhecimentos complementares, tais como o diagrama de equilbrio de fases discutido a seguir.

8.1.3 Diagramas De Equilbrio De Fases

Um diagrama de fases um grfico que indica as fases presentes em um sistema, em equilbrio, sob determinadas condies (p.ex. temperatura e presso ou temperatura e composio). O conhecimento das fases presentes em um sistema fundamental para se compreender: as transformaes que o mesmo pode sofrer (p.ex. ao se variar a temperatura, a presso ou a composio) as propriedades (fsicas, qumicas, mecnicas) do sistema, pois estas dependem das fases presentes.

6 fenmenos de carter cintico so aqueles que dependem do tempo (e portanto da velocidade) de transformao. Por outro lado, fenmenos de carter termodinmico so aqueles que no dependem do tempo (nem da velocidade). Ponto de fuso e composio qumica de um sistema so exemplos de grandezas termodinmicas.

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Exemplos de diagramas de fases so apresentados nas figuras abaixo.

Note-se que ambos os diagramas tem em comum o fato de indicarem as fases presentes em cada regio do diagrama. Todavia, os diagramas possuem coordenadas diferentes. No primeiro as coordenadas so presso e temperatura enquanto no segundo so temperatura e composio qumica da mistura. Tais diferenas de sistemas de coordenadas se devem ao nmero de variveis necessrio para especificar precisamente o estado termodinmico7 do sistema. No caso do diagrama da gua, necessrio especificar a temperatura e a presso8 para se descrever completamente um dado estado do sistema. No caso do diagrama do sistema gua-sal, necessrio especificar a temperatura, a presso e a composio particular da mistura para se descrever completamente um dado estado deste sistema. Aqui, seria necessrio um grfico com trs eixos (presso, temperatura e composio), mas freqentemente o estudo (e as aplicaes tecnolgicas) de um dado sistema feito sob presso ambiente. Neste caso, o diagrama representa as fases presentes sob uma atmosfera de presso (presso constante) e sua representao pode ser feita em um grfico bidimensional. O nmero de variveis necessrias para descrever o estado particular de um sistema descrito pela regra das fases, conforme prximo item.

8.1.4 Regra das fases de Gibbs

A regra das fases de Gibbs9 estabelece o nmero de fases que podem coexistir em um sistema em equilbrio termodinmico e representada pela seguinte equao.

onde:

P = nmero de fases10 presentes F = nmero de graus de liberdade11 do sistema (isto , o nmero de

variveis independentes que podem ser alteradas sem alterar o nmero de fases em equilbrio)

C = nmero de componentes do sistema

7 Estado termodmico: neste caso se refere a uma situao particular do sistema. gua a 25 oC e a 30 oC encontra-se no estado lquido, mas possui energia diferente, estando sob situaes diferentes. 8 A composio est especificada subliminarmente, pois se trata da substncia gua (H2O). 9 J.Willard Gibbs, fsico do sc. XIX. 10 Do ingls, P de phase. 11 Do ingls, F de freedom, liberdade.

Fig.: Diagrama gua-sal (P= 1 atm).

P + F = C + N

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N = nmero de variveis no relativas composio (p.ex., presso e temperatura)

O emprego desta regra ser apresentado nos prximos itens.

8.1.5 Tipos de diagramas de equilbrio.

Os diagramas de equilbrio so classificados de acordo com: nmero de componentes do sistema : neste caso tm-se sistemas: unitrios (gua, Mg puro, slica) binrios (gua-sal, Fe-C, Al-Si) ternrios (Fe-C-Cr, SiO2-Al2O3-CaO) quaternrios, etc tipo de transformao de fases presente (reao euttica, perittica, eutetide, etc). Cada um dos tipos de diagramas citados acima detalhado nos itens a seguir em ordem crescente de complexidade.

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8.2 DIAGRAMAS DE SISTEMAS UNITRIOS.

Diagramas unitrios so aqueles que envolvem um nico componente. Embora sejam os diagramas mais simples, diversas informaes podem ser obtidas a partir dos mesmos.

8.2.1 Elementos do diagrama unitrio

Os diagramas unitrios possuem elementos cuja descrio ser feita atravs do exemplo da gua, figura ao lado.

Coordenadas: Abscissa: indica uma temperatura particular do sistema. Ordenadas: indica uma presso particular do sistema. Pontos do diagrama: indica um estado particular do sistema (temperatura e presso)

Campos do diagrama: Os campos (ou regies) do diagrama ilustram a fase presente sob uma dada temperatura e presso. P.ex.: a gua a 100 oC e 0,1 atm est no estado vapor (fase vapor), enquanto na mesma temperatura porm a 10 atm se encontra no estado lquido (estado lquido). Note que existem dois campos relativos ao estado slido12: um para gelo I e outro para gelo III. A diferena entre tais campos est no fato de que gelo I e gelo III possuem diferentes estruturas cristalinas e portanto so fases diferentes. O diagrama de fases ilustra as fases (e no apenas os estados da matria) Linhas do diagrama: As linhas indicam interface entre campos do diagrama e indicam o lugar geomtrico13 onde as fases de cada campo adjacente podem coexistir. A linha 1 indica as distintas combinaes de temperatura e presso em que as fases gelo I e lquido podem coexistir e a linha 2 indica as condies em que lquido e vapor podem coexistir.

8.2.2 Exemplo de uso da regra das fases de Gibbs

Exemplos de aplicao da regra das fases de Gibbs sobre tal diagrama apresentado abaixo. Ponto A: Considere o ponto A da figura, situado no campo lquido. Como o diagrama de um nico componente (gua), C=1. O nmero de variveis no relativas composio (N) 2 (temperatura e presso). O nmero de fases (P) no campo do ponto C, 1 (apenas lquido). Pela regra de Gibbs: P+ F = C+ N F+1 = 1 + 2 F = 2

12 Se a figura abrangesse faixa mais ampla de presso e temperatura, haveria a presena de 5 fases slidas, conforme fig. pgina anterior. 13 Lugar Geomtrico: conjunto de pontos (neste caso, presso e temperatura) que satisfazem a determinada condio (neste caso, coexistncia de duas fases).

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Resulta que o nmero de graus de liberdade (F) 2 e isto significa que podemos alterar, de modo independente, tanto a presso, a temperatura ou ambas (pelo menos dentro de certos limites) e ainda permanecer na mesma situao (uma nica fase, lquida). Ponto B: O ponto B situa-se na linha de interface entre os campos lquido e vapor, indicando que duas fases podem coexistir (logo, P = 2). Como N = 2 (presso e temperatura) e C = 1 (gua), temos: P+F=C+N 2+F=1+2 F = 1. Resulta portanto que na situao do ponto B (coexistncia de lquido e vapor), existe apenas um grau de liberdade, ou seja, pode-se apenas alterar uma nica (dentre duas) das variveis no relativas composio (presso e temperatura). Caso se varie, por exemplo, a presso, a temperatura deve ser ajustada (de acordo com o diagrama e no arbitrariamente) para permanecer sobre a linha de interface (e manter a coexistncia entre lquido e vapor). Ponto C: O ponto C se situa sobre a interseo de duas linhas de interface e tambm chamado de ponto triplo. Neste ponto coexistem as fases vapor, gelo e lquido ( P=3). Como N=2 e C = 1, resulta que F = 0. Neste caso no h grau de liberdade algum, isto , no possvel alterar nenhuma das variveis, simultaneamente ou isoladamente (ou temperatura, ou presso ou ambas) e ainda se manter a coexistncia das 3 fases (lquido, slido e vapor). Caso, por exemplo, se diminua a presso, mantendo a temperatura constante, o sistema passar a ter, conforme o diagrama, apenas uma fase (vapor).

8.2.3 Exemplo de metaestabilidade

A figura ao lado ilustra o diagrama do carbono. Existem duas formas alotrpicas14 no estado slido, bastante conhecidas sendo uma a grafita (estrutura hexagonal) e outra o diamante (estrutura piramidal). Segundo o diagrama, a grafita a forma estvel (menor energia interna) do carbono sob presso e temperatura ambiente.

Ainda segundo o diagrama, o diamante estvel apenas em elevadas presses. Caso o diamante fosse mantido na presso ambiente, o mesmo tenderia a se decompor em grafita. Este aspecto do diagrama parece divergir do fato conhecido de que existe diamante em temperatura ambiente (p.ex. nas jias ou em ferramentas de cortar vidro) e que no se observa a decomposio (transformao) do diamante em grafita. Esta aparente contradio entre a informao do diagrama e a constatao da realidade pode ser explicada da seguinte forma. De fato a grafita a forma estvel do carbono na temperatura e presso ambiente e o diamante, nestas condies, tende a se transformar em grafita (tal como sugerido pelo diagrama). Ocorre que a velocidade de transformao do diamante em grafita extremamente lenta (talvez da ordem de grandeza de sculos) e, por isso, tal transformao no observada na prtica.

14 Alotropia: caracterstica de uma substncia de apresentar diferentes tipos de organizao atmica. Cada forma alotrpica de uma substncia possui um tipo de arranjo cristalino, embora a composio qumica seja a mesma.

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8.2.4 Metaestabilidade, Termodinmica e Cintica

O exemplo do diamante tambm permite introduzir o conceito de fase metaestvel. Uma fase metaestvel aquela que no se encontra no seu estado de menor nvel de energia (maior estabilidade) para as condies de temperatura, presso e meio ambiente em vigor. O diamante, em temperatura e presso ambiente, encontra-se em um estado metaestvel. Os metais, em geral, tambm so metaestveis quando na presena de ar (mistura N2 e O2). Basta lembrar que os metais tendem naturalmente a oxidarem e enferrujarem15 e que, na natureza, os metais so geralmente obtidos a partir de minrios (substncias ricas em xidos do metal que se pretende extrair). Finalmente cabe comentar um ltimo aspecto relativo estabilidade / metaestabilidade de um material. Vimos que o fato de uma substncia ser metaestvel no impede, necessariamente, sua utilizao, pois a substncia pode levar um tempo muito longo para se transformar em outra. Neste contexto, o estudo das transformaes que uma substncia pode sofrer envolve duas cincias complementares. A termodinmica a cincia que estuda a estabilidade dos materiais e suas origens e conseqncias (por exemplo, balanos trmicos, tendncia de uma reao, etc). Costuma-se dizer que a termodinmica uma cincia de estado, pois se preocupa (apenas) com o estado (situao) inicial e com o estado final de uma reao. Por outro lado, a atomstica a cincia que estuda o mecanismo das reaes (isto , como elas acontecem). O campo da atomstica que estuda a velocidade com que as reaes (mecanismos) ocorrem chamado de cintica. Costuma-s maior estabilidade (e dizer que a atomstica (e portanto a cintica) uma cincia de caminho, pois se preocupa com o como as reaes acontecem. Retomando-se a questo da existncia de diamante nas condies quotidianas, dir-se-ia que de fato, o diamante (termodinamicamente) instvel na temperatura ambiente, mas o que permite sua ampla utilizao e a baixa velocidade (cintica) de decomposio.

15 Oxidar e enferrujar so reaes distintas pois geram diferentes produtos de reao.

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8.3 DIAGRAMAS DE SISTEMAS BINRIOS.

Sistemas binrios so aqueles constitudos de dois componentes. Exemplos de sistemas binrios freqentemente encontrados no quotidiano so: gua-sal, Fe-C (aos), Al-Si, Cu-Zn (lates), Pb-Sn (ligas de soldagem) e Cu-Sn (bronzes). Estes sistemas podem conter diferentes tipos de reaes, variando desde os casos mais simples (sistemas isomorfos) at os mais complexos (sistemas com reao peritetide). Nos prximos itens so apresentados estes sistemas, em ordem crescente de complexidade.

8.4 SISTEMAS ISOMORFOS16

So sistemas nos quais existe solubilidade ilimitada (ou total) entre os componentes (elementares ou substncias qumicas). Como conseqncia, no estado slido tais sistemas so constitudos de uma nica fase.

Cu-Ni, NiO-MgO e Al2O3-Cr2O3 so exemplos de sistemas isomorfos. gua lcool tem total solubilidade.

8.4.1 Condies para solubilidade slida ilimitada.

Para que haja total solubilidade slida entre dois metais, certas condies17 devem ser preenchidas. a) Os tomos dos metais devem possuir tamanhos similares, com uma diferena de tamanho de raio atmico inferior a 15%. b) Os metais devem possuir mesma estrutura cristalina. c) Os tomos devem possuir mesma valncia. d) Os tomos devem possuir mesma eletronegatividade. valncia eletronegatividade estrutura raios

(10-8 cm) r/r Solubilidade

Total Ag-Au ambos =

1* Eag=1,9 Eau=2,4 similar

ambos CFC

Rag=1,445Rau=1,442

0,2% (

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8.4.2 Curvas de solidificao (anlise trmica)

Considere um metal puro no estado lquido e que est sendo resfriado at a temperatura ambiente.

Na medida em que este metal perde calor, a evoluo da temperatura com o tempo ocorre de acordo com o indicado na figura abaixo. No caso de cobre puro e nquel puro, a etapa de solidificao ocorre a 1085 oC e 1455 oC respectivamente. Nesta etapa tem-se a presena simultnea de duas fases (uma slida e outra lquida) conforme ilustrado na figura. No caso de uma liga de Cu com 40%Ni, a etapa

de solidificao ocorre em um intervalo de temperaturas (entre 1280 oC e 1240 oC ). Assim, uma diferena entre a solidificao de metais puros e de ligas18 que nos

primeiros a mesma ocorre a uma temperatura constante (ponto de fuso) e nas ligas a solidificao ocorre em um intervalo de temperaturas (chamado tambm de intervalo de solidificao) Para cada composio de um dado sistema, existe uma curva de solidificao que indica a temperatura de incio e de final de solidificao, conforme ilustra a figura ao lado. Nesta figura apresentam-se curvas tracejadas que indica os locais de incio e de final de solidificao para as diversas ligas de cobre-nquel. A figura ao lado ilustra, portanto, qual(is) fase(s) est presente para uma dada liga (composio) em uma dada temperatura.

Um modo mais conveniente de se representar graficamente as fases presentes nas diferentes ligas de um sistema consiste no emprego de diagramas de equilbrio, conforme apresentado no prximo item.

18 Algumas ligas, denominadas eutticas, tambm solidificam em uma temperatura constante.

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8.4.3 Diagrama De Equilbrio Isomorfo.

As figuras abaixo ilustram exemplos de diagramas de

equilbrio para os sistemas Cu-Ni e NiO-MgO

Observe a similaridade entre as linhas de incio e final de solidificao (curvas tracejadas) apresentadas no item anterior e as linhas liquidus e solidus da figura acima. Uma vez que no sistema isomorfo h solubilidade total entre seus componentes, no estado slido (campo da figura acima) qualquer composio apresenta uma nica fase. Para detalhar melhor a constituio da microestrutura e da estrutura resultantes em um sistema isomorfo, observe-se a figura abaixo.

A figura ao lado ilustra alguns aspectos de uma liga Cu-Ni. (a) ilustra a microestrutura tpica de tais ligas (escala do microscpio tico). Note-se a presena de vrios gros (material policristalino), embora todos os gros sejam constitudos da mesma estrutura (mesma fase, CFC sendo portanto, monofsico). Os sistemas isomorfos so monofsicos e todas as ligas do sistema apresentam mesma microestrutura. (b) ilustra a o reticulado cristalino da estrutura CFC (escala atmica). Os gros (fig a), so constitudos de milhares destes reticulados dispostos de modo ordenado dentro de cada gro. (c) e (d) ilustram uma vista frontal da clula CFC (fig. b). Nestas figuras ilustra-se a

diferena estrutural entre duas ligas (uma com 20 % at Ni e outra com 80% at Ni). Em ambos os casos os tomos de Cu e de Ni ocupam posies equivalentes (posies de tomos substitucionais) e a diferena entre as ligas est apenas na quantidade relativa de cada elemento qumico.

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No caso de sistemas isomorfos cujos componentes no so substncias elementares, tais como o sistema NiO-MgO, permanecem iguais os mesmos aspectos microestruturais e estruturais discutidos na figura anterior.

A figura acima ilustra a estrutura dos componentes MgO, NiO e de uma mistura de ambos os sistemas. Note-se a semelhana com a figura anterior, no sentido de que os tomos de Ni e Mg ocupam as mesmas posies equivalentes (posies substitucionais) do reticulado.

8.4.4 Elementos do diagrama isomorfo

Coordenadas: Abscissa: indica uma composio particular do sistema. A maioria dos diagramas apresenta escalas de composio atmica e de composio em massa. Ordenada: indica uma temperatura particular.

Pontos do diagrama:Cada ponto define uma temperatura e uma composio.

Regies do diagrama: As diferentes regies do diagrama indicam a(s) fase(s) presente(s) na regio.

Regio de fase lquida: a regio de temperaturas e composies onde o sistema se encontra no estado lquido. Situa-se na parte superior do diagrama e indicada pela letra L.

Regio de fases lquida e slida: a regio de temperaturas e composies onde coexistem duas fases, sendo uma lquida e outra slida. Situa-se na parte intermediria do diagrama e est indicada pelas letras L + . Indica, para cada composio do sistema, a faixa de temperaturas na qual ocorre a solidificao (ou fuso).

Regio de fase slida:

a regio de temperaturas e composies onde o sistema se encontra no estado slido. Situa-se na parte inferior do diagrama e indicada pela letra . Nesta regio, qualquer composio do sistema constituda de uma nica fase. Note: dependendo de como a liga foi fabricada, pode-se ter um material monocristalino ou policristalino, mas em ambos os casos o sistema monofsico. A absoluta maioria dos materiais so policristalinos (constitudos de milhares de gro) e todos os gro so feitos da mesma fase (mesma estrutura).

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Linhas do diagrama: Linha liquidus:

o lugar geomtrico que separa o campo lquido do campo lquido + slido.

Indica, para cada composio do sistema, a temperatura na qual se inicia a solidificao (ou termina a fuso).

Linha solidus: o lugar geomtrico que separa o campo lquido + slido do campo slido. Indica, para cada composio do sistema, a temperatura na qual termina a solidificao (ou inicia a fuso).

8.4.5 Informaes obtidas do diagrama.

Para uma dada composio qumica, o diagrama fornece as seguintes informaes: a) Temperaturas de incio e de final de solidificao. b) Fase(s) presente(s) em cada temperatura. c) Composio qumica da(s) fase(s) presente(s). d) Quantidade de cada fase presente.

Para ilustrar como se obtm tais informaes, ser utilizada como exemplo uma liga de Cu-35%Ni.

8.4.5.1 Temperaturas de incio e de final de solidificao A figura ao lado ilustra as fases presentes em diferentes temperaturas para uma liga Cu-35 % Ni. A temperatura de incio da solidificao corresponde ao ponto que se situa na linha liquidus e que delimita a interface entre os campos L e L+. No caso da liga com 35 % Ni, tal ponto corresponde ao ponto b, na temperatura de 1270 oC. Este ponto tambm corresponde temperatura de final de fuso. A temperatura de final de solidificao corresponde ao ponto que se situa na linha solidus e que delimita a interface entre os campos L+ e . No caso da liga com 35 % Ni, tal ponto corresponde ao ponto e, na temperatura de 1220 oC. Este ponto tambm corresponde temperatura

de incio de fuso.

8.4.5.2 Fases presentes A(s) fase(s) presente em uma dada temperatura para uma dada liga determinada pelo campo onde se situa as coordenadas de temperatura e composio. No caso da liga com 35 % Ni (reta tracejada vertical) temos: 1300 oC e 1270 oC :

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Nestas temperaturas, correspondentes aos pontos a e b (19) respectivamente, a liga se situa no campo L (lquido). Portanto, tem-se, em ambas temperaturas, apenas a presena de lquido. 1255 e 1240 oC : Nestas temperaturas, correspondentes aos pontos c e d respectivamente, a liga se situa no campo L+ (lquido + slido ). Portanto, em cada uma destas temperaturas, tem-se a presena simultnea de duas fases, sendo uma slida e outra lquida. 1220 oC e 1180 oC : Nestas temperaturas, correspondentes aos pontos e e f respectivamente, a liga se situa no campo monofsico . Portanto, em cada uma destas temperaturas, a liga com 35 % Ni encontra-se no estado slido.

8.4.5.3 Composio da(s) fase(s) presente(s) A maneira de se obter a composio de cada fase presente, para uma dada temperatura e composio da liga, depende do tipo de regio do diagrama. Quando o ponto em questo se situa em um campo monofsico, a composio desta fase a mesma que a composio da liga. Assim, os pontos a e b, por situarem-se no campo lquido, possuem uma nica fase e tal fase (lquido) tem composio de 35 % Ni.

Do mesmo modo, os pontos e e f, por situarem-se em campo slido, possuem uma nica fase (slida, de estrutura cristalina ) e tal fase tem composio qumica de 35 % Ni.

Quando o ponto se situa em um campo bifsico, a composio de cada fase dada pela interseo entre a linha horizontal (na temperatura de interesse) e as linhas que delimitam o campo bifsico (linhas liquidus e solidus respectivamente).

Tomando-se a liga 35 % Ni na temperatura de 1255 oC (ponto c), sabemos, do item anterior, que existem duas fases presentes ( L e ).

Para se saber a composio qumica de cada uma destas fases, utiliza-se do seguinte procedimento:

a) traa-se uma linha horizont