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Ciência dos Materiais II 4º Período Carga horária semestral: 36h EMENTA Diagramas de equilíbrio de fases: Diagramas de Fases de Substâncias Puras. Diagramas Binários Isomorfos. Diagramas Binários Eutéticos com Soluções Sólidas Terminais. Diagramas Binários Complexos com Soluções Sólidas Intermediárias. Transformações de fases nos metais: Transformações Alotrópicas. Fusão e solidificação. Reações eutéticas. Reações eutetóides. Reações peritéticas. Os aços e suas aplicações: Aços para construção mecânica. Aços para ferramentas e matrizes. Aços resistentes à corrosão. BIBLIOGRAFIA: CALLISTER Jr., W. D. Materials Science and Engineering - An Introduction; John Wiley & Sons, Inc. : New York, 2006, 832 páginas. ASKELAND, D. R.; PHULÉ, P. P. Ciência e Engenharia dos Materiais; Cengage Learning : São Paulo, 2011, 594 páginas. COSTA E SILVA, A. L. V.; MEI, P. R. Aços e Ligas Especiais; Edgard Blücher : São Paulo, 2006, 646 páginas. Introdução 5 Microestrutura Propriedades Processamento Desempenho 6 Processamento Estrutura Propriedades Desempenho Classes de materiais: • Metais Fundição Usinagem Conformação • Cerâmicas Sinterização Fusão • Polímeros Injeção Extrusão Sopro •Semicondutores Implantação Iônica Escalas de tamanho: • Nanométrica visível (sonda) ≥ 0,001 μm (1 nm) nanoestrutura • Micrométrica visível (lentes) ≥ 0,001 mm (1 μm) microestrutura • Macrométrica visível (a olho nú) ≥ 1 mm macroestrutura Mecânicas Elétricas Térmicas Magnéticas Óticas •Rigidez •Resistência •Condutividade Elétrica •Constante Dielétrica •Capacidade calorífica •Condutividade térmica •Permeabilidade •Remanência •Absorção •Reflexão 7 Nanométrica Micrométrica Macrométrica ESCALAS DE TAMANHO 8 ESCALAS DE TAMANHO 9 Al2O3 : monocristal (transparente), policristal denso (translúcido) e policristal poroso (opaco) CORRELAÇÃO ESTRUTURA-PROPRIEDADE Exemplos de materiais usados no projeto e produção de produtos • Plásticos • Madeira • Compósitos • Cerâmicas • Metais • Tecido Materiais As propriedades de um material dependem do que ? Prof. Luciano AlkminTéc. Mecânica - Ciência dos Materiais II As propriedades de um material dependem do que ? Material – Composição química; Processamento; Presença de defeitos; Condições de solicitação – Temperatura e pressão; Fases presentes; Entre outros. Diagrama de fases Diagrama de Fases Diagramas de fase são mapas que permitem prever a microestrutura de um material em função da temperatura e composição de cada componente. Fase é uma parte homogênea no material que tem propriedades físicas e químicas uniformes. Exemplos: Mistura água/gelo: Quimicamente idênticas – H20 Fisicamente distintas – líquido e sólido Mistura água/açúcar, formando precipitado: Quimicamente distintas – solução H20/açúcar e açúcar puro Fisicamente distintas – solução em fase líquida e fase sólida Diagrama de Fases Diagrama de Fases Definições Componente: são elementos puros e/ou compostos dos quais uma liga é constituída. Solvente e Soluto: Solvente representa o elemento ou composto que está presente em maior quantidade e Soluto é usado para denotar um elemento ou composto presente em menor quantidade. Solução Sólida: fase sólida formada por uma combinação de vários elementos (ou compostos), que possui composição uniforme e propriedades espécíficas. Sistema: no contexto dos diagramas de fases, sistema pode referir-se a um específico corpo de material sob consideração em determinandas condições (fechado/isolado) Diagrama de Fases Limite de Solubilidade Diagrama de Fases Corresponde à concentração máxima que se pode atingir de um soluto dentro de um solvente. O limite de solubilidade depende da temperatura. Em geral, cresce com a temperatura. Diagrama de Fases Solubilidade (dada pela linha solvus) A quantidade de um material (elemento) que se dissolve completamente em outro sem a criação de uma nova fase. Solubilidade ilimitada Quando não existe restrição na quantidade de material (elemento soluto) que se dissolve em outro (elemento solvente). Não ocorre a formação de uma segunda fase. Solubilidade limitada Quando apenas uma determinada quantidade de soluto pode ser dissolvida no elemento solvente. Ultrapassado o limite de solubilidade haverá a formação de uma segunda fase. Diagrama de Fases Solubilidade ilimitada: Quando não existe restrição na quantidade de material (elemento soluto) que se dissolve em outro (elemento solvente). Regras de Hume-Rothery 1. Tamanho atômico (ou iônico) similar – no máximo 15%; 2. Estrutura cristalina idêntica; 3. Mesma valência; 4. Eletronegatividade semelhante. Diagrama de Fases Solubilidade ilimitada: Diagrama de Fases Solubilidade limitada: Diagrama de Fases Solubilidade limitada: Diagrama de Fases Diagrama de fases substâncias puras Diagrama de fases para um sistema com um componente. Diagrama de fases binário Diagrama de fases para um sistema com dois componentes. Isomorfos (apresenta solução sólida ilimitada em qualquer proporção). Eutéticos com soluções sólidas terminais. Complexos com soluções sólidas intermediárias. Diagrama de fases ternário Diagrama de fases para um sistema com três componentes. Diagrama de Fases - Unário Diagrama de Fases - Binário Diagrama de Fases - Ternário Diagramas Unários Diagrama de Fase de substâncias puras Diagrama de Fases Diagrama de Fase de substâncias puras Diagrama de Fases O ponto O é chamado de ponto triplo ou ponto invariante, neste ponto as fases sólido, líquido e vapor estão simultaneamente em equilíbrio umas com as outras. Qualquer desvio deste ponto, por mudança de pressão ou temperatura, causará o desaparecimento de pelo menos uma das fases. Diagrama de Fase de substâncias puras Diagrama de Fases FUSÃO SOLIDIFICAÇÃO EVAPORAÇÃO CONDENSAÇÃO SUBLIMAÇÃO DEPOSIÇÃO Diagrama de Fase de substâncias puras Diagrama de Fases Diagrama de Fase de substâncias puras Diagrama de Fases Diagrama de Fase de substâncias puras Diagrama de Fases Diagramas Binários Isomorfos Diagramas Binários Isomorfos (Solução sólida ilimitada) Diagrama de Fases Diagrama de Fases Linha liquidus: Temperatura na qual inicia a formação do primeiro sólido durante solidificação (acima da linha todas as composições são líquidas). Linha solidus: Temperatura na qual completa a formação do sólido durante solidificação (abaixo da linha todas as composições são sólidas). Diagrama de Fases .Interpretação do Diagrama de Fase: (1) as fases presentes ? (2) as composições químicas destas fases ? (3) as quantidades, porcentagens ou frações das fases ? Região monofásica Diagrama de Fases .Interpretação do Diagrama de Fase: (1) as fases presentes ? (2) as composições químicas destas fases ? (3) as quantidades, porcentagens ou frações das fases ? Região monofásica Diagrama de Fases .Interpretação do Diagrama de Fase: (1) as fases presentes ? (2) as composições químicas destas fases ? (3) as quantidades, porcentagens ou frações das fases ? Região bifásica . . Linha de ligação (Tie Line) . Para a composição das fases: Usa-se a Linha de Ligação para achar a composição da fase líquida e da fase sólida ! Prof. Luciano AlkminTéc. Mecânica - Ciência dos Materiais II . Para a quantidade das fases: Usa-se a Regra da alavanca. . Regra da alavanca . Regra da alavanca Produzir 10 Kg de uma liga apartir de uma liga Cu-20% Ni e níquel puro, com limite de escoamento mínimo de 140 Mpa, limite de resistência à tração mínimo de 420 MPa e alongamento superiora 20%. Obs: O níquel é mais caro que o cobre; Considerar produção por fundição. ‘ Diagramas Binários Eutéticos Diagramas Binários Eutéticos com soluções sólidas terminais. Diagrama de Fases Diagramas Binários Eutéticos com soluções sólidas terminais. Diagrama de Fases Diagrama de Fases Diagrama de Fases Téc. Mecânica - Ciência dos Materiais II Diagrama de Fases Téc. Mecânica - Ciência dos Materiais II Diagrama de Fases Téc. Mecânica - Ciência dos Materiais II Diagrama de Fases Téc. Mecânica - Ciência dos Materiais II Diagrama de Fases Téc. Mecânica - Ciência dos Materiais II Diagrama de Fases Diagrama de Fases Diagrama de Fases Diagrama de Fases Diagrama de Fases Diagrama de Fases Prof. Henrique VarellaTéc. Mecânica - Ciência dos Materiais II Diagrama de Fases Diagrama de Fases Diagrama de Fases Téc. Mecânica - Ciência dos Materiais II Diagrama de Fases Exercícios Exercícios Fórmulas para cálculo da fração volumétrica do exercício c) para o diagrama Pb-Sn 1) Densidade de cada fase: 2) Fração volumétrica de cada fase: obs: a massa especifica do chumbo e estanho são 11,23 e 7,24 g/cm³. As composições do estanho e do chumbo foram encontradas em sala de aula para a temperatura de 150°C. Resposta: Diagramas Binários Diagrama Fe-C Diagrama Fe-C FERRO = FERRITA •Estrutura= ccc •Temperatura “existência”= até 912 C •Fase Magnética até 768 C (temperatura de Curie) •Solubilidade máx do Carbono= 0,02% a 727 C FERRO = AUSTENITA • Estrutura= cfc (tem + posições intersticiais) • Temperatura “existência”= 912 - 1394C • Fase Não-Magnética • Solubilidade máx do Carbono= 2,14% a 1148C Diagrama Fe-C FERRO = FERRITA •Estrutura= ccc •Temperatura “existência”= acima de 1394C •Fase Não-Magnética •É a mesma que a ferrita •Como é estável somente a altas temperaturas não apresenta interesse comercial Diagrama Fe-C FERRITA (ampliação de 90x) AUSTENITA (ampliação de 325x) Diagrama Fe-C Ponto eutetóide 0,76%C Ponto eutético 4,3%C Diagrama Fe-C Ferro Puro= até 0,02% de Carbono Aço= 0,02 até 2,14% de Carbono Diagrama Fe-C Ferro Fundido= 2,1-4,3% de Carbono Fe3C (CEMENTITA)= 6,7% de C Diagrama Fe-C Aço hipoeutetóide 0,008 - 0,77 %C Aço eutetóide 0,77%C Aço hipereutetóide 0,77 - 2,11%C Diagrama Fe-C Resfriamento microestrutura eutetóide Diagrama Fe-C Resfriamento microestrutura hipoutetóide Aço hipoeutetóide 0,008 - 0,77 %C Diagrama Fe-C Aço hipereutetóide 0,77 - 2,11%C Diagrama Fe-C Constituinte Limite de resistência à tração (Mpa) Alongamento (%) Dureza Brinell Ferrita 340 40 90 Perlita 830 10 250-300 Cementita 30 0 650 Diagramas Binários Complexos com soluções sólidas intermediárias. Diagramas Compostos itermediários - Intermetálicos Diagramas Reação Peritética : Diagramas
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