Metais: Obtenção e Corrosão

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Metais
Obtenção/processos de corrosão
Prof. Marcelo J. D. M. Jannini
2012
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INTRODUÇÃO
Ciência dos materiais faz parte do conhecimento básico para todas as engenharias
As propriedades dos materiais definem:
 o desempenho de um determinado componente e o processo de fabricação do mesmo
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Materiais
ENGENHAR I A
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O número de materiais cresceu muito nas últimas décadas e a tendência é de se proliferarem mais num futuro próximo
Desenvolvimento e aperfeiçoamento dos métodos de extração de materiais da natureza
Modificação de materiais naturais
Combinação de materiais conhecidos para a formação de novos materiais
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QUANTOS MATERIAIS DIFERENTES EXISTEM ?
COMO ESCOLHER ??
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Como definir qual o melhor material para um determinado fim?
 Exemplo: Copo
Vidro
Cerâmica
Plástico
Madeira
Metal
Papel
Custo
Tempo de vida ou Durabilidade
Aparência
Finalidade: Natureza do líquido (ex: copo de metal e papel não pode ser usado para café, suco de laranja não pode ser armazenado numa taça antiga de peltre porque remove o Pb da liga)
Depende
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Quais os critérios que um engenheiro deve adotar para selecionar um material entre tantos outros? 
Em primeiro lugar, o engenheiro deve caracterizar quais as condições de operação que será submetido o referido material e levantar as propriedades requeridas para tal aplicação, saber como esses valores foram determinados e quais as limitações e restrições quanto ao uso dos mesmos.
		
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A segunda consideração na escolha do material refere-se ao levantamento sobre o tipo de degradação que o material sofrerá em serviço. 
Por exemplo, elevadas temperaturas e ambientes corrosivos diminuem consideravelmente a resistência mecânica de materiais em geral.
		
Quais os critérios que um engenheiro deve adotar para selecionar um material entre tantos outros? 
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Finalmente, a consideração talvez mais convincente é provavelmente a econômica: 
Qual o custo do produto acabado??? Um material pode reunir um conjunto ideal de propriedades, porém com custo elevadíssimo. 		
Quais os critérios que um engenheiro deve adotar para selecionar um material entre tantos outros? 
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SELEÇÃO DOS MATERIAIS POR ÍNDICE DE MÉRITO
Ex. Resistência:
Material 	 Aço-liga	 Ti 	 Al	 PRFC
			 (alta resist.) 	 (AA7074)
Resist. (MPa) 1000	 800	 50 700
à tração
PRFC= Polímero reforçado com fibra de carbono
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SELEÇÃO DOS MATERIAIS POR ÍNDICE DE MÉRITO
Ex. Resistência/peso:
Material 	 Aço-liga	 Ti 	 	 Al	 PRFC
			 	 	 (AA7074)
		 	 133	 170	 185		390
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SELEÇÃO DOS MATERIAIS POR ÍNDICE DE MÉRITO
Ex. Custo Kg/US$:
Material 	 Aço-liga		Ti 	 Al	 PRFC
			 (alta resist.)	 	 (AA7074)
			 0,75	 15	 3	 20
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INDÚSTRIA DE PONTA
PRODUÇÃO EM MASSA
TIPOS DE INDÚSTRIA - INFLUÊNCIA DOS MATERIAIS
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Em raras ocasiões um material reúne uma combinação ideal de propriedades, ou seja, muitas vezes é necessário reduzir uma em benefício da outra. 
Um exemplo clássico são resistência e ductilidade, geralmente um material de alta resistência apresenta ductilidade limitada. Este tipo de circunstância exige que se estabeleça um compromisso razoável entre duas ou mais propriedades.
Quais os critérios que um engenheiro deve adotar para selecionar um material entre tantos outros? 
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CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS
A classificação tradicional dos materiais é geralmente baseada na estrutura atômica e química destes.
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Materiais
Mecânica: deformação a uma carga ou força aplicada (módulo elástico e resistência mecânica)
Elétrica: condutividade e constante dielétrica. Estímulo: campo elétrico
Térmica: capacidade calorífica e condutividade térmica
Magnética: resposta de um material à aplicação de um campo magnético
Óptica: índice de refração de reflectividade. Estímulo: eletromagnético ou radiação da luz
Deteriorativa: reatividade química de materiais
Estímulo capaz de provocar diferentes respostas
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Por que estudar materiais?
Engenheiros: mecânicos, civis, químicos, elétricos, de computação, de produção
INVESTIGAÇÃO E PROJETOS DE MATERIAIS
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Classificação dos Materiais
Metais
Polímeros
Cerâmicas
Compósitos: combinações de dois ou mais materiais diferentes
Semicondutores: características elétricas
Biomateriais: biocompatíveis 
Constituição química e estrutura atômica
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Metais
Materiais metálicos: são combinações de elementos metálicos
Tem um grande número de elétrons não localizados – não “amarrados” aos átomos
São bons condutores de calor e eletricidade
Não são transparentes à luz visível (superfície de aparência lustrosa)
São fortes, podem ser deformáveis ou não: diversas aplicações
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Metais
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Metais
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CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS
Cerâmicas
Materiais cerâmicos são geralmente uma combinação de elementos metálicos e não-metálicos.
Geralmente são óxidos, nitretos e carbetos. Materiais argilosos, vidros e cimentos
São geralmente isolantes de calor e eletricidade
São mais resistêntes à altas temperaturas e à ambientes severos que metais e polímeros
Com relação às propriedades mecânicas as cerâmicas são duras, porém frágeis
Em geral são leves
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CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS
Polímeros
Materiais poliméricos são geralmente compostos orgânicos baseados em carbono, hidrogênio e outros elementos não-metálicos.
São constituídos de moléculas muito grandes (macro-moléculas)
Tipicamente, esses materiais apresentam baixa densidade e podem ser extremamente flexíveis
Materiais poliméricos incluem plásticos e borrachas
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CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS
Compósitos
Materiais compósitos são constituídos de mais de um tipo de material insolúveis entre si.
Os compósitos são “desenhados” para apresentarem a combinação das melhores características de cada material constituinte
Muitos dos recentes desenvolvimentos em materiais envolvem materiais compósitos
Um exemplo classico é o compósito de matriz polimérica com fibra de vidro. O material compósito apresenta a resistência da fibra de vidro associado a flexibilidade do polímero
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CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS
Semicondutores
Materiais semicondutores apresentam propriedades elétricas que são intermediárias entre metais e isolantes
Além disso, as características elétricas são extremamente sensíveis à presença de pequenas quantidades de impurezas, cuja concentração pode ser controlada em pequenas regiões do material
Os semicondutores tornaram possível o advento do circuito integrado que revolucionou as indústrias de eletrônica e computadores
Ex: Si, Ge, GaAs, InSb, GaN, CdTe..
InP
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CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS
Biomateriais
Biomateriais são empregados em componentes para implantes de partes em seres humanos
Esses materiais não devem produzir substâncias tóxicas e devem ser compatíveis com o tecido humano (isto é, não deve causar rejeição).
Metais, cerâmicos, compósitos e polímeros podem ser usados como biomateriais.
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EVOLUÇÃO DA UTLIZAÇÃO DOS MATERIAIS
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MATERIAIS AVANÇADOS
São materiais utilizados em aplicações de tecnologia de ponta, ou seja, são materias utilizados para a fabricação de dispositivos ou componentes que funcionam ou operam usando princípios sofiscados
Exemplos destas aplicações incluem: equipamentos eletrônicos (VCRs, CD players, DVDs), computadores, sistemas de fibra óptica, foguetes e mísseis militares, detectores, lasers, displays de cristal líquido, indústria aeroespacial, etc. 
Estes materiais são geralmente materiais tradicionais cujas propriedades são otimizadas ou materiais novos de alto desempenho.
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ALGUMAS CONSIDERAÇÕES SOBRE A NECESSIDADEDE MATERIAIS MODERNOS
Materias que apresentem:
Alto desempenho
Baixo peso e alta resistência
Resistência à altas temperaturas
Desenvolvimento de materiais que sejam menos danosos ao meio ambiente e mais fáceis de serem reciclados ou regenerados
MATERIAIS INTELIGENTES E NANOTECNOLOGIA
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METAIS
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Metais
São exemplos de alta resistência que podem ser encontrados livremente na natureza na forma de jazidas ou na apresentação de minério.
Sobre minérios: espécies de compostos químicos que em sua constituição apresentam íons metálicos estruturais.
Ex: Minério de ferro. (Fe3O4, Fe2O3)
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Características
Tendência à doar elétrons – implica em serem encontrados na forma de minérios.
Metalurgia é a seqüência de processos que visa obter um metal a partir do minério correspondente.
M+n
Metal no Minério
REDUÇÃO
Mº
Metal na forma simples
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Representação Esquemática
Extração da mina
Purificação do Minério
Redução
Purificação do Metal
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Metalurgia
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Redução do Ferro
3 Fe2O3 + CO 2 Fe3O4 + CO2
Fe3O4 + CO 3 FeO + CO2
FeO + CO Fe + CO2
Processos podem ocorrer naturalmente, mas às vezes há uma grande quantidade de energia envolvida para obtenção do ferro metálico.
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Oxidação/Redução – conceitos importantes
Na redução há uma tendência de que o elemento (íon) envolvido ganhe elétrons.
Na oxidação há uma tendência de que o elemento (íon) envolvido perca esse elétron.
Por esse motivo alguns metais tendem a se desgastar primeiro do que outros.
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Metal de Sacrifício
São metais dispostos ao longo da estrutura metálica majoritária, que não participam da constituição química da liga metálica principal, e que tendem a serem oxidados antes do metal principal.
Os metais de sacrifício podem ser reconhecidos por seus potenciais de redução ou oxidação.
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Metais de sacrifício
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Galvanização
Proteção do ferro (ou o aço), processo no qual a superfície do metal é coberta por uma camada de zinco metálico.
A peça a ser galvanizada é mergulhada num banho de zinco fundido. Isso é fácil porque o zinco funde a 420C.
A superfície coberta com zinco fica com aspecto cinza-claro
Por que o zinco protege o ferro? Esse metal, como o alumínio, tem uma película muito fina, transparente e impermeável de óxido de zinco que não deixa nem o ar nem a água passarem.
Outra vantagem: no caso de a superfície do zinco ser arranhada e o ferro exposto ao ar e à umidade, não há problema porque o zinco é oxidado preferencialmente, e o ferro permanece na forma de metal.
O zinco transforma-se em íons de zinco positivos. Os elétrons que saem dessa transformação passam para o ferro. Assim, o ferro fica protegido porque, carregado negativamente, dificulta a oxidação (perda de elétrons dos átomos). A galvanização é um processo mais caro que a pintura, mas mais eficiente.
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Galvanização
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Metais de Sacrifício
Processo semelhante é muito usado para proteger os cascos de navios e as estacas das plataformas de petróleo, feitas de aço. 
O casco do navio e as estacas das plataformas não são galvanizadas. São colocados blocos de magnésio metálico, que fazem o mesmo papel do zinco. O magnésio em contato com a água do mar sofre oxidação e liberta elétrons que protegem o aço.
O magnésio é chamado metal de sacrifício porque precisa ser trocado de tempos em tempos 
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Processamento Térmico de Metais
Recozimento
Material é exposto a uma temperatura elevada durante um período de tempo e resfriado lentamente
Aliviar as tensões do material, tornar mais mole e tenaz, produzir microestrutura específica
Temperado
Amolecer e aumentar a ductibilidade
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Corrosão
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Corrosão
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Corrosão
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Corrosão
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Corrosão
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Formas de Corrosão
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Aço
Basicamente uma liga ferro-carbono com teor de carbono inferior a 1,8% em massa e susceptível de adquirir, por meio de tratamento mecânico e térmico, variadas propriedades, podendo conter em sua composição outros elementos como níquel, manganês, tungstênio, vanádio, cromo, silício, etc.
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Aço- História
Um dos primitivos métodos de obtenção do aço foi o a forja catalã, onde o minério de ferro era reduzido pelo carvão em uma instalação de pedra onde incidia um sopro de ar – obtenção de uma mistura pastosa com metal e impurezas.
A partir do século XV surgiram os primeiros altos-fornos, onde através do aumento da quantidade de ar soprado foi possível o aumento da temperatura e a conseqüente obtenção da mistura em estado líquido.
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Forja Catalã
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Conceitos importantes sobre o aço
Minério de ferro: presente em aproximadamente 5% da crosta terrestre. O ferro não é encontrado em estado puro na natureza mas em combinações químicas de metais contidos nas rochas. Essas combinações químicas ocorrem misturadas com as “gangas”, compostas de silício, alumínio, cal e magnésio.
Principais Constituintes: magnetita (Fe3O4) com cerca de 60% de ferro; hematita vermelha (Fe2O3) com cerca de 65% de ferro; ferro olítico; siderita ou ferro espático (FeCO3) com alto teor de manganês; FeS2.
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Coque: desempenha uma dupla função na elaboração da gusa: a de combustível e a de redutor.
Origem: provém da destilação do carvão, que deve ser o mais puro possível para evitar resíduos como enxofre e fósforo. Como redutor absorve o oxigênio combinado com outros elementos. 
Carvão livre de S minimiza as emissões de gases que na atmosfera podem se combinar formando a chuva ácida.
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Ganga: Impurezas que ocorrem junto com o minério de ferro em estado bruto, compostas principalmente de silício, alumínio, cal e magnésio.
Fundente: pedra de cal ou magnésio adicionada a massa incandescente para separar o ferro da ganga. O fundente combinado com a ganga dá a escória
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Gusa: é a parte útil para a produção do aço, composta basicamente de ferro fundido com carbono entre 2,5% a 6,67%.
Aço de alto teor de carbono: pouco utilizado por causa da sua grande fragilidade. Ferro + 1,8% a 2,5% de carbono.
Ferro puro ou ferro da Suécia: Ferro + pequenos traços de carbono.
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Ferro Primário
Fontes de Ferro
5mm<Pelotas<18mm
 5mm<Sinter<50mm
6mm< Minério <40mm granulado
 Em detalhe
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Detalhes do processo
 Típica Bateria de coqueificação
Coque incandescente 
pronto para ser descarregado
Coqueria
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Efeito dos Elementos de Liga nos Aços
 Alterar as propriedades mecânicas
 Aumentar a usinabilidade
 Aumentar a temperabilidade
 Conferir dureza a quente
 Aumentar a capacidade de corte
 Conferir resistência à corrosão
Conferir resistência ao desgaste
 Conferir resistência a oxidação
 Modificar as características elétricas e magnéticas.
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Dopantes do Aço
Níquel: de 0,5% a 5% melhora a temperabilidade e aumenta a resistência mecânica. Com 50% aumenta a resistência à corrosão.
Cromo: de 1% a 6% aumenta a temperabilidade e resistência mecânica. De 10% a 20% torna-o inoxidável. Com 25% torna o aço refratário.
Silício: até 2% aumenta a elasticidade e diminui as
perdas magnéticas.
Manganês: a 13% aumenta a resistência ao impacto e ao desgaste.
Tungstênio: até 18% favorece a resistência.
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Ligas Não Ferrosas
Ligas: misturas sólidas de metais – suprir necessidades específicas
Propriedades das ligas: afetadas pela composição e pela estrutura
Algumas ligas: composições homogêneas de uma única fase: latão (Cu-Zn), bronze (Cu-Sn, Al, Si, Ni), alumínio (Mg, Ti- transportes), (Li-aeronáutica, aeroespacial)