Classificação e Propriedades dos Materiais

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PRINCÍP. DA CIÊNCIA E TEC. DOS MATERIAIS
Iran Aragão
AULA REV1
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OBJETIVO DA AULA
Fazer uma breve revisão do conteúdo para a AV1.
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Os materiais sólidos são freqüentemente classificados em três grandes grupos principais: 
 Materiais metálicos: 
 Materiais cerâmicos: 
 Materiais poliméricos ou plásticos:
CLASSIFICAÇÃO
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» Possuem elétrons livres;
» Bons condutores de eletricidade e calor;
» Não transparentes;
» Muito resistentes;
» Facilmente deformáveis e pesados.
METAIS
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» Composições de elementos metálicos e não metálicos;
» Normalmente isolantes;
» Duros e frágeis (quebradiços);
» Resistente a altas temperaturas (refratários);
CERÂMICAS
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» Compostos orgânicos baseados em carbono, hidrogênio e outros elementos não metálicos;
» Baixa condutividade elétrica;
» Tipicamente tem baixa densidade e podem ser extremamente flexíveis
POLÍMEROS
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LIGAÇÕES QUÍMICAS
Representam a união entre os átomos de um mesmo elemento ou de elementos diferentes.
Dependendo dos átomos que se unem, as ligações podem ser iônicas, covalentes, metálicas.
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Ligação iônica
Resulta da atração entre cátions e ânions.
Todas as substâncias iônicas são sólidas.
Apresentam-se na forma de cristais.
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Covalente
 Elétrons sendo compartilhados com átomos adjacentes;
 Esse tipo de ligação é comum em compostos orgânicos, por exemplo em materiais poliméricos e diamante.
ASSOCIAÇÃO DE ÁTOMOS
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AS 14 REDES DE BRAVAIS
Dos 7 sistemas cristalinos podemos identificar 14 tipos diferentes de células unitárias, conhecidas com redes de Bravais. 
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As redes cristalinas mais importantes:
 Cúbica: 
- Cúbica de corpo centrado (CCC);
- Cúbida de face centrada (CFC).
 
 Hexagonal:
- Hexagonal compacta (HC).
REDES BRAVAIS
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Rede cúbica de corpo centrado (CCC)
NC: Número de Coordenação, que corresponde ao número de átomos vizinhos mais próximos.
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Fator de empacotamento atômico (APF= atomic packing factor)
Rede cúbica de corpo centrado (CCC)
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Rede cúbica de face centrada (CFC)
a=4R
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Rede cúbica de face centrada (CFC)
a=4R
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Rede Hexagonal Compacta (HC)
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Rede Hexagonal Compacta (HC)
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A temperaturas acima de 912° o Fe apresenta-se na forma alotrópica  (CCC); Acima de 912° até 1394°  (CFC); Acima de 1394° até 1538°  (CCC).
 
 
A alotropia do Fe é importante porque a forma alotrópica pode dissolver o Carbono (C) até 2%, o que tem grande significado no tratamento térmico dos aços.
ALOTROPIA DO FERRO PURO
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 Tipos de deformações:
 Elásticas: os átomos se afastam das posições originais sem ocuparem novas posições. O material retorna às suas dimensões originais, quando é cessada o motivo da deformação.
 Plásticas: ao retirarmos o esforço, o material não retorna às suas dimensões originais. Suas dimensões originais ficam alteradas após cessar o esforço externo.
DEFORMAÇÃO
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Tensão e deformação são suficientemente pequenas.
A constante de proporcionalidade entre tensão e deformação denomina-se LEI DE HOOKE.
S.I: Newton/metro (N/m)
ELASTICIDADE
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Diagrama Tensão - Deformação: Materiais Dúcteis
 Quando uma grande deformação plástica ocorre entre o limite de elasticidade e o ponto de fratura, dizemos que esse material é DUCTIL. 
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Calcule a deformação elástica que acontece em um tirante que está submetido a uma força de tração de 10 000 N. O tirante tem seção circular constante cujo diâmetro vale 5 mm, seu comprimento é 0,4 m e seu material tem módulo de elasticidade valendo 2,1 x 105 N / mm2. 
EXERCÍCIO
Δl = F . l / E . A
F = 10000 ; E = 2,1 x 105 N/mm2 ; l = 400mm
A =  d2/4 = 3,14 x 52/4 = 19,625 mm2
l= (10000 x 400) /(210000 x 19,625)
Resposta: l= 0,97 mm
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EXERCÍCIO
  = E .  = E.L/L0  L = L0/E 
E é obtido de uma tabela: ECu = 11.0 x 104 MPa 
Assim: L = 220 . 400/11.0 x 104 = 0.80 mm 
Uma peça de cobre de 400 mm é tracionada com uma tensão de 220 MPa. Se a deformação é considerada totalmente elástica, qual será o alongamento da peça? 
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DIAGRAMA FASES
Diagrama de fases da água (1 atm = 760 torr)
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DIAGRAMA FASES
Diagrama de equilíbrio para o cobre (puro), indicando as condições – pressão e temperatura, onde este metal se encontra na fase sólida, líquida ou vapor
(1 N/m2 = 9,868×10-6 atm; Ponto de fusão aprox 1085°C) aprox 5 p/ 1 atm no pt B; 3 p/ 0,1 atm; ebulição =2.582 ºC
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DIAGRAMA FASES
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 O limite de solubilidade corresponde a concentração máxima que se pode atingir de um soluto dentro de um solvente.
 O limite de solubilidade depende da temperatura. Em geral, tendem a crescer juntos.
SOLUBILIDADE
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SISTEMAS BINÁRIOS (características)
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Os dois componentes formam uma única solução sólida em qualquer composição. 
Ou seja, há solubilidade total em qualquer proporção de soluto.
SISTEMAS BINÁRIOS (ISOMORFO)
Diagrama Cobre-Níquel
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Reação Eutética  transformação imediata de fase líquida em fase sólida.
Nos sistemas eutéticos ocorre a reação, onde , durante a fusão, um líquido se transforma em dois sólidos e vice versa.
Reação eutética: L  (sólido 1 + sólido 2)
SISTEMAS BINÁRIOS (EUTÉTICO)
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SISTEMAS BINÁRIOS (EUTÉTICO)
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SISTEMAS BINÁRIOS (EUTÉTICO)
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Reação Eutetóide: sólido 1         (sólido 2 + sólido 3)
SISTEMAS BINÁRIOS (EUTETÓIDE)
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 Encruamento do grão:
 Forjamento: Processo de transformação de metais por prensagem ou martelamento.
 Laminação: Processo de deformação plástica no qual o metal tem sua forma alterada ao passar entre rolos em rotação. É o de maior uso em função de sua alta produtividade e precisão dimensional. 
CONCEITOS DE GRÃOS
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ENCRUAMENTO DO GRÃO
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 Aumento do grau de encruamento:
 aumento limite de resistência;
 diminuição da dutilidade do material, ficando mais frágil e resistindo menos a esforços de impacto
ENCRUAMENTO DO GRÃO
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Diagrama de equilíbrio - Fe – C
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Diagrama de equilíbrio - Fe – C
Temperatura			Formas do Ferro
 Tamb – 912ºC			Ferrita (α – Fe, CCC)
 912ºC – 1394ºC			Austenita ( – Fe, CFC)
1294ºC – 1538ºC			Delta Ferrita (δ – Fe, CCC) 					
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Diagrama de equilíbrio - Fe – C
Solubilidade do C no Fe
Na fase α  Máximo de 0.022%
Na fase   Máximo de 2.11 %
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Diagrama de equilíbrio - Fe – C
Cementita – Fe3C
Composto estável que se forma nas fases α e  quando a solubilidade máxima é excedida, até 6.7 wt%C.
É dura e quebradiça. A resistência de aços é aumentada pela sua presença.
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CLASSIFICAÇÃO DE LIGAS FERROSAS
0-0.008wt% C 	– Ferro Puro
0.008-2.11wt% C – Aços (na prática <1.0 wt%)
2.11-6.7wt% C 	– Ferros fundidos (na prática <4.5wt%)
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Concentração Eutetóide:
 A uma temperatura imediatamente abaixo da eutetóide, toda a fase  se transforma em perlita (ferrita + Fe3C) de acordo com a reação eutetóide. Estas duas fases tem concentração de carbono muito diferentes. Esta reação é rápida. Não há tempo para haver grande difusão de carbono (0,77wt% C).
CLASSIFICAÇÃO DE LIGAS FERROSAS
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Concentração Hipo-Eutetóide:
 Inicialmente, temos apenas a fase . Em seguida começa a surgir a fase α nas fronteiras de grão da fase . A uma temperatura imediatamente acima da eutética a fase α já cresceu, ocupando completamente as fronteiras da fase . A concentração da fase α é 0.22 wt%C. A concentração da fase  é 0.77 wt%C, eutetóide. 
CLASSIFICAÇÃO DE LIGAS FERROSAS
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Concentração Hipo-Eutetóide:
 A uma temperatura imediatamente abaixo da eutetóide toda a fase  se transforma em perlita (ferrita eutetóide + Fe3C). A fase α, que não muda, é denominada ferrita pro-eutetóide. 
CLASSIFICAÇÃO DE LIGAS FERROSAS
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Concentração Hiper-Eutetóide:
Em seguida a fase  começa a surgir a fase Fe3C, nas fronteiras de grão da fase . A Concentração da Fe3C é constante igual a 6.7 wt%C. A concentração da austenita cai com a temperatura seguindo a linha que separa o campo  + Fe3C do campo . A uma temperatura imediatamente acima da eutetóide a concentração da fase  é 0.77 wt%C, eutetóide.
CLASSIFICAÇÃO DE LIGAS FERROSAS
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Concentração Hiper-Eutetóide:
 A uma temperatura imediatamente abaixo da eutetóide toda a fase  se transforma em perlita. A fase Fe3C, que não muda, é denominada cementita pro-eutetóide.
CLASSIFICAÇÃO DE LIGAS FERROSAS
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Leia o Diagrama Chumbo-Estanho apresentado a seguir e responda: 
a) Qual a temperatura de fusão do Pb e do Sn? 
b) Identifique as Linhas Sólidus e Líquidus: 
c) Identifique o ponto Eutético, sua temperatura e suas %. 
d) Use a Regra da Alavanca e estude a liga 30-70 (70%Pb e 30%Sn) na temperatura de 200º. 
e) Identifique as Linhas Solvus. 
f) Se você fosse especificar uma liga para ser utilizada em processos de soldagem, qual seria sua composição. Justifique. 
EXERCÍCIO
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Leia o Diagrama Chumbo-Estanho apresentado a seguir e responda: 
Qual a temperatura de fusão do Pb e do Sn? 
estanho puro 232o C e chumbo puro 320o C
b) Identifique as Linhas Sólidus e Líquidus: 
c) Identifique o ponto Eutético, sua temperatura e suas %. 
d) Use a Regra da Alavanca e estude a liga 30-70 (70%Pb e 30%Sn) na temperatura de 200º. 
e) Identifique as Linhas Solvus. 
f) Se você fosse especificar uma liga para ser utilizada em processos de soldagem, qual seria sua composição. Justifique. 
EXERCÍCIO
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Leia o Diagrama Chumbo-Estanho apresentado a seguir e responda: 
b) Identifique as Linhas Sólidus e Líquidus: 
EXERCÍCIO
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Leia o Diagrama Chumbo-Estanho apresentado a seguir e responda: 
b) Identifique as Linhas Sólidus e Líquidus: 
c) Identifique o ponto Eutético, sua temperatura e suas %.
liga eutética com 63% Sn e 37% de Pb 
EXERCÍCIO
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Leia o Diagrama Chumbo-Estanho apresentado a seguir e responda: 
d) Use a Regra da Alavanca e estude a liga 30-70 (70%Pb e 30%Sn) na temperatura de 200º. 
EXERCÍCIO
17% – 30 % – 50 %
R = 30 – 17 = 13
S = 50 – 30 = 20
L = 20/33 = 0,6061
 = 0,3939
α
α
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Leia o Diagrama Chumbo-Estanho apresentado a seguir e responda: 
e) Identifique as Linhas Solvus. 
EXERCÍCIO
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f) Se você fosse especificar uma liga para ser utilizada em processos de soldagem, qual seria sua composição. Justifique. 
Especificar a liga eutética com 63% Sn e 37% de Pb, que uma liga com essa composição se comporta como uma substância pura, com um ponto definido de fusão, no caso 183o C. Esta é uma temperatura inferior a temperatura de fusão dos metais que compõem esta liga (estanho puro 232o C e chumbo puro 320o C), o que justifica sua ampla utilização na soldagem de componentes eletrônicos, onde o excesso de aquecimento deve sempre ser evitado.
EXERCÍCIO
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f) Se você fosse especificar uma liga para ser utilizada em processos de soldagem, qual seria sua composição. Justifique. 
EXERCÍCIO
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Até a próxima aula!
Bom Estudo!
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