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Princípios da Ciência e Tecnologia dos Materiais CCE 0291 (2 créditos) Fábio Oliveira 2015/2 Unidade 10 Materiais Metálicos Não Ferrosos Classificação Geral PRINCIPAIS MATERIAIS METÁLICOS FERROSOS NÃO FERROSOS FERROS FUNDIDOS Cu e SUAS LIGASAÇOS Al e SUAS LIGAS Ni e SUAS LIGAS Introdução O aço e outras ligas ferrosas são consumidos em quantidades extraordinariamente grandes, pois têm uma enorme variedade de propriedades mecânicas, podem ser fabricados com relativa facilidade e são produzidos de forma econômica. Introdução Entretanto, eles possuem algumas limitações características, principalmente: - massa específica relativamente elevada; - condutividade elétrica comparativamente baixa; e - suscetibilidade inerente à corrosão em alguns ambientes comuns. Introdução Assim, para muitas aplicações, é vantajoso ou até mesmo necessário usar outras ligas com combinações de propriedades mais adequadas. Os sistemas de ligas são classificados ou de acordo com seu metal básico ou de acordo com alguma característica específica que seja compartilhada por um grupo de ligas. Cobre e suas Ligas O cobre a as ligas à base de cobre, que apresentam uma combinação desejável de propriedades físicas, têm sido utilizados em uma grande variedade de aplicações desde a antiguidade. Cobre – elemento PROPRIEDADES Densidade 8,96 g/cm³ Ponto de fusão 1083 °C Condutibilidade elétrica 61,7 Sm/mm² (padrão de referência) Cobre e suas Ligas O cobre, sem elementos de liga, é tão macio e dúctil que é muito difícil de ser usinado. Além disso, ele tem capacidade quase ilimitada de ser trabalhado a frio. Adicionalmente, ele é altamente resistente à corrosão em diversos ambientes, que incluem a atmosfera ambiente, a água do mar e alguns produtos químicos industriais. Cobre e suas Ligas Devido à formação de uma pátina (camada passivante de óxidos) esverdeada, estruturas à base de cobre e ligas de cobre, como telhados (de cobre comercialmente puro) e estátuas (geralmente de bronze), apresentam elevada resistência à corrosão provocada pelas intempéries e corrosão atmosférica. Cobre e suas Ligas As propriedades mecânicas e de resistência à corrosão do cobre podem ser melhoradas pela formação de ligas. A maioria das ligas de cobre não pode ser endurecida ou ter sua resistência aumentada por procedimentos de tratamento térmico. Cobre e suas Ligas Consequentemente, o trabalho a frio e/ou a formação de ligas por solução sólida devem ser utilizados para melhorar essas propriedades mecânicas. As ligas de cobre mais comuns são os latões, em que o zinco, como uma impureza substitucional, é o elemento de liga predominante. Já os bronzes são ligas de cobre e vários outros elementos, incluindo estanho, alumínio, silício e níquel. Cobre e suas Ligas Série CDA/ASTM Tipo de Liga C1XX Cobre comercialmente puro e cobre ligado C2XX Latão binário (Cu-Zn) C3XX Latão com chumbo (Cu-Zn-Pb) C4XX Latão com estanho (Cu-Zn-Sn) C5XX Bronzes (Cu-Sn, com e sem P) C6XX Cobre alumínio, cobre silício C7XX Cuproníquel e alpaca (Cu-Zn-Ni) O sistema da Copper Development Association (CDA), também adotado pela ASTM, divide as ligas de cobre segundo a seguinte classificação: O primeiro algarismo identifica o grupo da liga, enquanto os demais identificam uma determinada liga específica. Cobre e suas Ligas Liga ASTM Composição química Limite de resistência à tração (MPa) Limite de resistência ao escoamento (MPa) Alongamento (%) Dureza Brinell (HB) Limite de resistência à fadiga (MPa) C210 95Cu-5Zn 270-550 100-380 45-3 65-120 - C353 62Cu-36Zn-2Pb 340-700 150-460 45-2 70-125 100-195 C464 61Cu-38Zn-1Sn 395 160-390 40-20 90-145 150-230 C510 95Cu-5Sn 350-950 130-620 55-2 75-205 85-265 C623 87Cu-10Al-3Fe 620-700 300-450 18-10 160-180 200-245 C745 65Cu-10Ni-25Zn 340-910 130-530 50-1 22-92 - Cobre e suas Ligas Cobre e suas Ligas Alumínio e suas Ligas O alumínio é um elemento metálico encontrado de forma abundante na crosta terrestre, geralmente na forma de óxidos (Al₂O₃, por ex.). Possui elevadas condutibilidades térmicas e elétricas, além de ótima resistência à corrosão em alguns ambientes comuns, incluindo a atmosfera ambiente, porém baixa resistência mecânica, quando não ligado. Alumínio – elemento PROPRIEDADES Densidade 2,7 g/cm³ Ponto de fusão 660 °C Condutibilidade elétrica 37,6 Sm/mm² (99,98 % Al) 30 – 31 Sm/mm² (99,00 % Al) Alumínio e suas Ligas Muitas ligas de alumínio são conformadas com facilidade em virtude de suas ductilidades elevadas; isso fica evidenciado nas finas folhas de papel-alumínio nas quais o material relativamente puro pode ser laminado. Alumínio e suas Ligas Uma vez que o alumínio tem estrutura cristalina CFC, sua ductilidade é mantida mesmo em temperaturas muito baixas. A principal limitação do alumínio é sua baixa temperatura de fusão (660 °C), o que restringe a temperatura máxima na qual ele pode ser utilizado. Alumínio e suas Ligas A resistência mecânica do alumínio pode ser aumentada por trabalho a frio e pela formação de ligas; entretanto, ambos os processos tendem a diminuir a resistência à corrosão. Os principais elementos de liga incluem cobre, magnésio, silício, manganês e zinco. Alumínio e suas Ligas Ligas para trabalhos mecânicos Série Composição química Aplicações principais 1XXX Al comercialmente puro Cabos de alumínio, utensílios domésticos, trocadores de calor 2XXX Al-Cu e Al-Cu-Mg Indústria aeronáutica 3XXX Al-Mn e Al-Mn-Mg Latas de bebidas e panelas 4XXX Al-Si Metal de adição para soldas, pistões forjados de motores 5XXX Al-Mg Aplicações náuticas, tanques para transporte de combustíveis e produtos especiais 6XXX Al-Mg-Si Perfis arquitetônicos, componentes automotivos 7XXX Al-Zn e Al-Zn-Mg Indústria aeronáutica 8XXX Outras ligas (Al-Li, Al-Fe, ...) Laminados finos (folhas), e outras para embalagens descartáveis O sistema de classificação adotado pela Aluminum Association e também pela ABNT, subdivide-se em duas partes: o adotado para as ligas utilizadas em trabalhos mecânicos (laminação, extrusão, forjamentos e outros) e o que foi adotado para ligas destinadas exclusivamente à produção de peças fundidas. O primeiro algarismo identifica o grupo da liga, enquanto os demais identificam uma determinada liga específica. Alumínio e suas Ligas Ligas para peças fundidas Série Composição química Aplicações principais 1XX.X Al comercialmente puro Contatos elétricos 2XX.X Al-Cu e Al-Cu-Mg Indústria aeronáutica 3XX.X Al-Si-Mg e Al-Si-Cu Várias 4XX.X Al-Si Pistões fundidos de motores 5XX.X Al-Mg Aplicações náuticas 7XX.X Al-Zn e Al-Zn-Mg Indústria aeronáutica 8XX.X Al-Sn Várias (ligas com baixo ponto de fusão) Alumínio e suas Ligas Liga Composição química Limite de resistência à tração (MPa) Limite de resistência ao escoamento (MPa) Alongamento (%) Dureza Brinell (HB) Limite de resistência à fadiga (MPa) 2017 94,2Al-4Cu- 0,6Mg-0,5Si- 0,7Mn 425 275 22 105 125 3003 98,68Al-1,2Mn- 0,12Cu 110 40 30 28 50 443.0 92,8Al-5,25Si- 0,8Fe-0,6Cu- 0,05Mg-0,5Zn 131 55 8 40 - 5082 95,5Al-4,5Mg 395 370 4 - - 6053 97,85Al-1,2Mg- 0,7Si-0,25Cr 255 220 13 80 90 7178 88,27Al-6,8Zn- 2,7Mg-2Cu-0,23Cr 605 540 10 160 150 Alumínio e suas Ligas Alumínio e suas Ligas Níquel e suas Ligas O níquel é um elemento condutor de eletricidadee calor, dúctil e maleável, porém não pode ser laminado, polido e ou forjado, apresentando certo caráter ferromagnético. É resistente à corrosão e só pode ser utilizado como revestimento por eletrodeposição. Níquel – elemento PROPRIEDADES Densidade 8,9 g/cm³ Ponto de fusão 1455 °C Condutibilidade elétrica 10,41 Sm/mm² (100 % Ni) Níquel e suas Ligas O monel, uma liga à base de níquel que contém aproximadamente 65%p Ni e 28%p Cu (o restante é ferro), possui resistência muito elevada e é extremamente resistente à corrosão; ele é usado em bombas, válvulas e outros componentes que estão em contato com alguma solução ácida ou à base de petróleo. Níquel e suas Ligas Níquel e suas Ligas Exercícios 1. Quais são as principais características das ligas de alumínio? 2. Qual a desvantagem de se trabalhar com o alumínio em temperaturas elevadas (acima de 700 °C)? 3. Pode-se usinar o cobre? Explique. 4. Defina a liga monel.
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