Materiais de Construção Mecânica I

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Materiais de Construção Mecânica I/Aula 1 Introdu+º+úo Mat Constr Meca.ppt
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
ENGENHAR I A
Propriedades dos 
Materiais
Composição e Processo
de Fabricação
Microestrutura
Figura copiada do material do Prof. Sidnei Paciornik do
 Departamento de Ciência dos Materiais e Metalurgia da PUC-Rio
 
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
QUANTOS MATERIAIS DIFERENTES EXISTEM ?
COMO ESCOLHER ??
Entre 40000 e 80000 
diferentes, contando as variantes 
de tratamento térmico e composição
 de cada material
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
Peltre é uma liga de estanho, antimônio, cobre e chumbo 
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.
		
Quais os critérios que um engenheiro deve adotar para selecionar um material entre tantos outros? 
	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.
		
Quais os critérios que um engenheiro deve adotar para selecionar um material entre tantos outros? 
	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. 		
SELEÇÃO DOS MATERIAIS POR ÍNDICE DE MÉRITO
	Ex. Resistência:
Material 	 Aço-liga	 Ti 	 Al	 PRFC
			 (alta resist.)	 	 (AA7074)
Resist. (MPa) 1000	 800	 500		700
à tração
PRFC= Polímero reforçado com fibra de carbono
SELEÇÃO DOS MATERIAIS POR ÍNDICE DE MÉRITO
	Ex. Resistência/peso:
Material 	 Aço-liga		Ti 	 Al	 PRFC
			 (alta resist.)	 	 (AA7074)
		 	 133	 170	185		390
SELEÇÃO DOS MATERIAIS POR ÍNDICE DE MÉRITO
	Ex. Custo p/Kg/US$:
Material 	 Aço-liga		Ti 	 Al	 PRFC
			 (alta resist.)	 	 (AA7074)
				0,75	 15	 3		20
INDÚSTRIA DE PONTA
PRODUÇÃO EM MASSA
TIPOS DE INDÚSTRIA - INFLUÊNCIA DOS MATERIAIS
Figura copiada do material do Prof. Arlindo Silva do Instituto 
Superior Técnico da Universidade de Portugal
SELEÇÃO CUIDADOSA
(FATOR CUSTO SECUNDÁRIO)
SELEÇÃO CUIDADOSA
(FATOR CUSTO PRIMORDIAL)
	Grande exigência 
	tecnológica
	Utilização dos mate-
	riais nos limites
	Produtos não
	diferenciados
	Utilização de materiais 
	abaixo dos limites
Quais os critérios que um engenheiro deve adotar para selecionar um material entre tantos outros? 
	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.
CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS
	A classificação tradicional dos materiais é geralmente baseada na estrutura atômica e química destes.
CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS
	Metais
	Cerâmicas
	Polímeros
	Compósitos
	Semicondutores
	Biomateriais (Mat. Biocompatíveis)
Classificação tradicional
CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS
	Metais
	Materiais metálicos são geralmente uma combinação de elementos metálicos.
	Os elétrons não estão ligados a nenhum átomo em particular e por isso são bons condutores de calor e eletricidade
	Não são transparentes à luz visível
	Têm aparência lustrosa quando polidos
	Geralmente são resistentes e deformáveis
	São muito utilizados para aplicações estruturais
CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS
	Cerâmicas
	Materiais cerâmicos são geralmente uma combinação de elementos metálicos e não-metálicos.
	Geralmente são óxidos, nitretos e carbetos
	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
OS MATERIAS CERÂMICOS NA TABELA PERIÓDICA
Os cerâmicos são constituídos de metais e não-metais
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
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 desenvolvimento 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
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 (para formar as junções p-n)
	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
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.
EVOLUÇÃO DA UTLIZAÇÃO DOS MATERIAIS
Figura copiada do material do Prof. Arlindo Silva do Instituto 
Superior Técnico da Universidade de Portugal
3.unknown
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 optimizadas ou materiais novos de alto desempenho.
ALGUMAS CONSIDERAÇÕES SOBRE A NECESSIDADE DE 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
*
ALUMINA
Materiais de Construção Mecânica I/Aula 1a-FerroAcoMedievais1.docFerro e aço medievais: Simplificado
Três formas do Ferro:
Ferro Pludado (wrought iron): também conhecido como ferro batido ou forjado. Ferro com muito pouco carbono (<0,025%). Este ferro recebe este nome por poder ser facilmente trabalhado (batido) quando está rubro (~700oC). Ex.: Ferradura. Contudo, é muito macio e não consegue segurar o fio de uma navalha, por exemplo.
A outra forma do ferro é o ferro fundido (cast iron). Recebe este nome porque este material funde dentro do forno e pode ser vazado em moldes, como ouro e prata. Entretanto, é muito frágil e não pode ser trabalhado a quente uma vez solidificado (trinca).
O aço é o ferro com pequena quantidade de carbono dissolvido e combina o melhor dos dois mundos. Este pode ser vazado em moldes, pode ser trabalhado a quente e segura o fio, mesmo para severas condições de trabalho. O aço é considerado o príncipe das ligas ferrosas, mas não é muito fácil de ser produzido.
O carbono é a grande variável que diferencia entre ferro pludado, ferro fundido e aço. Muito pouco deste elemento forma o ferro pludado, muito forma o ferro fundido e somente na exata quantidade (0,025-1%) forma o aço. Então porque todo mundo não fazia o aço? Porque não é possível controlar a quantidade de carbono num forno primitivo.
O que acontece então no forno. O ferro está presente na forma de óxido, por exemplo. A função do forno é quebrar as ligações químicas que existem entre o ferro e o oxigênio, permitindo então que o ferro sem oxigênio seja produzido (processo de redução). O forno então usa duas ferramentas para fazer a redução, isto é, carbono e calor. A geração de calor ocorre através da combustão do carbono. Mas a combustão nunca é completa e gases quentes ricos em carbono são produzidos (CO e CO2), os quais são quimicamente ativos. O carbono quente tem uma grande afinidade pelo oxigênio, fazendo com que os átomos de oxigênio sejam literalmente arrancados do ferro (redução), deixando os átomos de ferro livres que se ligam entre si formando, através de ligações metálicas, uma massa de ferro praticamente pura.
A temperatura é uma variável importante neste processo. Os fornos primitivos, raramente, ultrapassavam a temperatura de 700oC. Ferro puro tem um alto ponto de fusão (1530oC), de forma que a massa de ferro reduzida fica na forma de uma pasta, que é então batida para eliminar as impurezas, produzindo-se assim o ferro pludado, que pode ser mais tarde reaquecido, para produzir uma serie de utensílios. Na temperatura de 700oC, o ferro não pode dissolver carbono. Mas o que aconteceria se a temperatura fosse elevada continuamente numa atmosfera rica em carbono. Espera-se que a temperatura suba até atingir os 1530oC, para haver então a fusão do ferro????? Este não é o caso. 
Na verdade, o que acontece é que o ferro funde numa temperatura bem menor (1150oC). Este é um grande truque da física, o ponto eutético. Quando a temperatura vai subindo, o ferro começa a dissolver mais carbono, até que com 4,3%C e a 1150oC, o ferro funde, formando então o ferro fundido.
Assim, o que se retira do forno depende da quantidade de calor introduzido. Com pouco calor, pouco carbono é dissolvido e a massa nunca funde, formando o ferro pludado. Com mais calor, ocorre a absorção de mais carbono e este funde, formando o ferro fundido.
Para fazer o aço, tudo depende do material utilizado como matéria-prima. Se for o ferro pludado, deve-se de alguma forma introduzir carbono no material. Se for ferro fundido, deve-se eliminar parte do carbono. Os dois métodos são de difícil controle. Na Europa ocidental, usava-se o ferro pludado para fazer pequenas quantidades de aço. Muitas vezes, finas laminas de aço eram soldadas a uma peça de ferro pludado para fazer uma arma ou ferramenta.
Já os Chineses usavam um outro processo, isto é, a descarbonetação do ferro fundido.
Contudo, com o uso da roda da’água e o aperfeiçoamento dos fornos, maiores temperaturas puderam ser alcançadas, fazendo com que os Europeus começassem a produzir ferro fundido também. Então no século 14, os Europeus começaram a produzir canhões e balas de canhões de ferro fundido, mas o mercado absorvia mesmo o ferro pludado e menores quantidades de aço produzidas a partir do ferro fundido. Foi somente no século 19 (1853), que Sir Bessemer desenvolveu uma forma de produzir aço em grandes quantidades que pudesse competir com o ferro pludado.
Materiais de Construção Mecânica I/Aula 2a_ProducaoDeFerroEAco1.docProdução de ferro e aço:
História da utilização:
Cometas – Grandes concentrações de minério de ferro.
Povos antigos – Babilônia, Egito, Pérsia, China, Índia e depois Gregos e Romanos fabricavam armas e inúmeros utensílios de ferro e aço.
1 Fornos Primitivos
· Tipo poço fechado
· Tipo de forja catalã ( Ambos usando carvão vegetal como combustível.
Figura 1 – Fornos primitivos usados na redução do minério de ferro, pelo emprego de carvão vegetal como combustível.
Estes dois tipos de fornos usavam o processo de redução direta (ferro não era obtido no estado líquido):
C + O2 ( CO2 CO2 + C ( CO
CO + FeXOY ( Fe + CO2
Obs.: O ferro era obtido no estado pastoso (líquido de alta viscosidade), misturado com as impurezas do minério.
O ferro assim obtido apresentava-se em geral relativamente dúctil, mole, maleável e podia ser trabalhado por martelamento a temperaturas relativamente elevadas. Após ser retirado do forno (uma bola de ferro), o ferro era martelado para a remoção das impurezas. O resultado final era uma barra ou “lupa”, posteriormente reaquecida e trabalhada por martelamento (ferro pudlado).
Fornos primitivos ( Possibilitavam a absorção de uma certa quantidade de carbono (até 1%), o que por rápido resfriamento poderia elevar drasticamente a dureza do material (têmpera).
2 Desenvolvimento dos altos-fornos
Começou-se a aumentar, paulatinamente, a altura dos fornos primitivos. (fornos de cuba ou fornos chaminé). 
Fornos chaminé: Carga ( introduzida pelo topo
 Ar ( soprado pela parte inferior
1500 ( Inglaterra ( Alto-forno mais próximo aos modernos
1619 ( Inglaterra ( Introdução do coque
1800 ( Inglaterra ( Aquecimento do ar
3 Matérias-primas da indústria siderúrgica
As matérias-primas básicas da indústria siderúrgica são as seguintes:
· Minério de ferro
· Carvão
· Calcário
3.1 Minério de ferro
É a principal matéria-prima do alto-forno, pois é dele que se extrai o ferro. Os minerais que contêm ferro em quantidade apreciável são os óxidos, carbonatos, sulfetos e silicatos. Os mais importantes para a indústria siderúrgica são os óxidos, sendo eles:
· Magnetita (óxido ferroso-férrico) ( Fe3O4 (72,4% Fe).
· Hematita (óxido férrico) ( Fe2O3 (69,9% Fe).
· Limonita (óxido hidratado de ferro) ( 2FeO3.3H2O (48,3% Fe).
Obs.: O Brasil possui grandes reservas de minério de ferro de alta qualidade (alto teor de ferro).
O minério de ferro é composto por três partes a saber:
· Útil ( parte que contém o ferro
· Ganga ( impurezas sem valor direto
· Estéril ( rocha onde o minério
O minério de ferro pode ser classificado como:
· Rico ( 60 a 70% de Fe
· Médio ( 50-60% de Fe
· Pobre ( <50%
3.1.1 Beneficiamento do minério de ferro
O termo genérico “beneficiamento” compreende uma série de operações que têm como objetivo tornar o minério mais adequado para a utilização nos altos-fornos. Estas operações são britamento, peneiramento, mistura, moagem, concentração, classificação e aglomeração (principal). A aglomeração visa melhorar a permeabilidade da carga do alto-forno, reduzir o consumo de carvão e acelerar o processo de redução. Os processos mais importantes de aglomeração são a sinterização e a pelotização.
Sinterização:
Consiste em aglomerar-se finos de minério de ferro numa mistura com aproximadamente 5% de um carvão finamente dividido ou coque. A carga é aquecida por intermédio
de queimadores e com o auxílio de fluxo de ar. A temperatura que se desenvolve durante o processo atinge 1.300 a 1500oC, suficiente para promover a ligação das partículas finas do minério, resultando num produto uniforme e poroso chamado sínter.
Pelotização:
Este é o mais novo processo de aglomeração e talvez o de maior êxito. Neste processo, produzem-se inicialmente “bolas” ou “pelotas” cruas de finos de minério de alto teor ou de minério concentrado. Adiciona-se cerca de 10% de água e, geralmente, um aglomerante de natureza inorgânica. Uma vez obtidas as pelotas cruas, estas são secas, pré-aquecidas e então queimadas.
3.2 Carvão
O combustível utilizado no alto-forno é o carvão, coque ou de madeira, cuja ação se faz sentir em três sentidos:
· fornecedor de calor para a combustão;
· fornecedor do carbono para a redução de óxido de ferro;
· indiretamente, fornecedor de carbono como principal elemento de liga do ferro gusa.
Carvão coque:
O coque é obtido pelo processo de “coqueificação”, que consiste, em princípio, no aquecimento a altas temperaturas, em câmaras hermeticamente (exceto para saída de gases) fechadas, do carvão mineral. No aquecimento às temperaturas de coqueificação e na ausência de ar, as moléculas orgânicas complexas que constituem o carvão mineral se dividem, produzindo gases e compostos orgânicos sólidos e líquidos de baixo peso molecular e um resíduo carbonáceo relativamente não volátil. Este resíduo resultante é o “coque”, que se apresenta como uma substância porosa, celular, heterogênea, sob os pontos de vista químico e físico. A qualidade do coque depende muito do carvão mineral do qual se origina, principalmente do seu teor de impurezas.
Carvão vegetal:
O carvão vegetal ou de “madeira” é fabricado mediante pirólise da madeira, isto é, quebra das moléculas complexas que constituem a madeira, em moléculas mais simples, mediante calor. O aquecimento para a carbonização da madeira é feito em fornos de certo modo rudimentares e pouco eficientes, sobretudo no Brasil, pois os subprodutos gasosos e líquidos são perdidos durante o processo. O calor é aplicado à madeira, com ausência de oxigênio, resultando em gases (CO2, CO, H2, etc...), líquidos (alcatrões, ácido acético, álcool metílico) e o resíduo sólido que é o carvão vegetal.
3.3 Fundente
A função do fundente é combinar-se com as impurezas (ganga) do minério e com as cinzas do carvão, formando as chamadas “escórias”. O principal fundente é o calcário, de fórmula CaCo3.
3.4 Outras matérias-primas da indústria siderúrgica
Entre elas, a mais importante é o minério de manganês. Outras matérias-primas incluem as “ferro-ligas” de silício, cromo, vanádio, molibdênio, níquel, tungstênio, titânio, etc...Finalmente, deve-se ainda mencionar como importante matéria-prima a sucata de aço, ou seja, subprodutos da fabricação de aço e itens ou componentes de aço desgastados, quebrados ou descartados.
4 Produção do ferro Gusa: Alto-forno
O alto-forno constitui ainda o principal aparelho utilizado na metalurgia do ferro. A metalurgia do ferro consiste, essencialmente, na redução dos óxidos dos minérios de ferro, mediante o emprego de um redutor, que é um material a base de carbono (carvão). A Figura 2 mostra a seção transversal de uma instalação de alto-forno, incluindo todo o equipamento acessório e auxiliar. Como se vê, trata-se de uma estrutura cilíndrica, de grande altura, que compreende essencialmente uma fundação e o forno propriamente dito. Este, por sua vez, é constituído de três partes essenciais, isto é, cadinho, rampa e cuba (ver Figura 3).
O equipamento acessório e auxiliar do tem como objetivo limpar os gases que saem do alto-forno, bem como pré-aquecer o ar que é introduzido no forno através das ventaneiras. 
Figura 2 – Seção transversal de uma instalação de alto-forno, incluindo o equipamento auxiliar principal.
Figura 3 – Seção transversal de um alto-forno moderno.
4.1 Operação do alto-forno
Num alto-forno, existem duas correntes de materiais responsáveis pelas reações que se verificam, isto é, uma corrente sólida, representada pela carga que desce paulatinamente e uma corrente gasosa que se origina pela reação do carbono do carvão com o oxigênio do ar soprado pelas ventaneiras, que sobe em contracorrente.
Reações químicas:
As temperaturas mais elevadas ocorrem nas proximidades das ventaneiras: da ordem de 1.800 a 2000oC. Nesta região, verifica-se a reação:
C + O2 ( CO2 Reação 1
Originando-se grande quantidade de calor.
Este CO2, ao entrar em contato com o coque incandescente, decompõe-se:
CO2 + C ( 2CO Reação 2
O CO originado é o agente redutor.
A carga introduzida pelo topo, ao entrar em contato com a corrente gasosa ascendente sofre uma secagem.
A decomposição dos carbonatos, contidos no calcário dá-se a aproximadamente 800oC, conforme as seguintes reações:
CaCO3 ( CaO + CO2 Reação 3
MgCO3 ( MgO + CO2 Reação 4
Além do CO como agente redutor, o próprio carbono do carvão atua nesse sentido.
Reações químicas de redução do minério de ferro:
3Fe2O3 + CO ( 2Fe3O4 + CO2 Reação 5
Fe3O4 + CO ( 3FeO + CO2 Reação 6
ou
Fe2O3 + 3C ( 2Fe + 3CO Reação 7
Na região que corresponde ao topo da rampa (região acima do cadinho onde o ferro líquido e a escória são depositados), inicia-se a formação da escória, pela combinação da cal (CaO) com a ganga (impurezas do minério de ferro) e uma certa quantidade de óxido de ferro e manganês. Essa escória formada, juntamente com o ferro, começa a gotejar através dos interstícios (espaços vazios) da carga ainda sólida, para depositar-se no cadinho.
Outras reações:
Mn3O4 + C ( 3MnO + CO Reação 8
MnO + C ( Mn + CO Reação 9
SiO2 + 2C ( Si + 2CO Reação 10
P2O5 + 5C ( 2P + 5CO Reação 11
FeS + CaO + C ( CaS + Fe + CO Reação 12
Finalmente, as últimas reações fundamentais são representadas pelas equações:
3Fe + C ( Fe3C Reação 13
3Fe + 2CO ( Fe3C + CO2 Reação 14
Todas estas reações produzem, então, o ferro gusa, que além de ferro e carbono também incorpora os elementos manganês (Mn), silício (Si), fósforo (P) e enxofre (S).
A formação da escória compreende reações bem mais complexas. Essa escória resulta da combinação do CaO e do MgO do calcário (fundente) com a ganga (impurezas) do minério e as cinzas do carvão. A escória caracteriza-se por sua grande fluidez e seu baixo peso específico. Assim, no cadinho (reservatório), a escória e o gusa líquido separam-se por gravidade, formando duas camadas, isto é, a inferior (metálica) e a superior (escória), facilitando o vazamento de ambos os produtos.
4.2 Produtos do alto-forno
O principal produto do alto-forno é o ferro gusa. O ferro gusa é uma liga ferro-carbono de alto teor de carbono e teores variáveis de silício, manganês, fósforo e enxofre. De um modo geral, a maioria dos ferro gusas possíveis de serem obtidos em alto-forno está compreendida na seguinte faixa de composições:
Carbono - 3 a 4,4%
Silício - 0,5 a 4,0%
Manganês - 0,5 a 2,5%
Fósforo - 0,05 a 2,0%
Enxofre - 0,20% máx.
Um outro produto do alto-forno é a escória, cuja composição varia igualmente dentro de largos limites, isto é:
SiO2 - 29 a 38%
Al2O3 - 10 a 22%
CaO + MgO - 44 a 48%
FeO + MnO - 1 a 3%
CaS - 3 a 4%
Este material depois de solidificado pode ser utilizado como lastro de ferrovias, material isolante etc... Sua mais importante aplicação dá-se na fabircação do chamado “cimento metalúrgico”.
Finalmente, o gás de alto-forno é um subproduto muito importante devido ao seu alto poder calorífico. Sua composição é a seguinte:
CO2 - 13%
CO - 27%
H2 - 3%
N2 - 57%
Este gás é utilizado na própria usina siderúrgica nos regeneradores, fornos diversos de aquecimento, caldeiras
etc...
5 Fabricação do aço
O ferro gusa é uma liga Fe-C com outro elementos resultantes do processo de fabricação. Estes outros elementos são o Si, Mn, P e S. Para a fabricação do aço, estes outros elementos, inclusive o carbono, devem ter seus teores reduzidos. Esta redução da concentração destes elementos químicos ocorre por oxidação.
Os “agentes oxidantes”, isto é, aqueles que iram oxidar o ferro gusa para baixar o teor dos elementos químicos, podem ser de natureza gasosa ( ar ou oxigênio) ou sólida (minério de ferro).
· Processos pneumáticos ( agente oxidante ( ar ou oxigênio
· Processo Siemens-Martin ou elétrico ( agente oxidante ( substâncias sólidas contendo óxidos (minério de ferro por exemplo).
5.1 Processos pneumáticos
Os vários tipos estão representados na Figura 4. Como se vê na figura, o princípio básico de qualquer dos processos é introduzir ar ou oxigênio, pelo fundo, lateralmente ou pelo topo, através de uma “lança”. Estes diferentes tipos de equipamentos são chamados de conversores pneumáticos. Sendo as reações de oxidação dos elementos contidos no ferro gusa líquido fortemente exotérmicas, principalmente a do silício, não há necessidade de aquecimento da carga metálica do conversor, eliminando-se, assim, a utilização de qualquer combustível.
Figura 4 – Processos pneumáticos para produção de aço, a partir de ferro gusa.
Reações químicas de oxidação do ferro gusa:
As primeiras reações de oxidação do gusa são as seguintes:
2Fe + O2 ( 2FeO Reação 15
2FeO + Si ( SiO2 + 2Fe Reação 16
FeO + Mn ( MnO + Fe Reação 17
O resultado da oxidação é a formação de sílica SiO2, que, juntamente com os óxidos de ferro e manganês que igualmente se formam durante o “sopro”, originam uma escória de baixo ponto de fusão, a base de silicatos de Fe e Mn.
A medida que o sopro continua, inicia-se a oxidação do carbono:
FeO + C ( Fe + CO Reação 18
Após este primeiro estágio de oxidação, o metal está pronto para ser vazado na panela onde são, então, adicionadas as “ligas” Fe-Mn ou alumínio para desoxidar e dessulfurar o metal, segundo as seguintes reações:
FeO + Mn ( MnO + Fe Reação 19
FeS + Mn ( MnS + Fe Reação 20
ou
3FeO + 2Al ( Al2O3 + 3Fe Reação 21
Existem alguns problemas operacionais no processo de oxidação do ferro gusa. Os mais importantes são de controle do final da oxidação, da temperatura e da composição química do banho metálico. Os conversores mais conhecidos são o Bressemer, Thomas, de sopro lateral e de sopro pelo topo (conversor L-D).
5.2 Processos elétricos
Nos fornos pneumáticos, o ferro gusa era transportado ainda líquido para dentro dos conversores e, o próprio calor gerado pela oxidação dos elementos químicos era suficiente para manter a temperatura do forno, sem precisar-se de nenhuma fonte auxiliar de energia. Os fornos pneumáticos era utilizados, basicamente, em usinas integradas (nestas usinas, a redução do minério de ferro, bem como a fabricação do aço são realizados no mesmo local), de forma que o ferro gusa pode ser transportado ainda líquido do alto-forno para os conversores.
Na maioria dos casos, contudo, as empresas compram o gusa sólido e, juntamente com sucata de aço, forma-se a carga para alimentar os fornos elétricos de produção de aço. Neste fornos, a fusão da mistura de sucata de aço e ferro gusa ocorre devido ao calor gerado por um arco voltaico que se forma entre três eletrodos de grafite e a carga metálica. Após a fusão da carga, oxigênio é injetado por uma lança diretamente no banho líquido. A redução dos teores dos elementos de liga ocorre, então, por oxidação, sendo que as reações são as mesma já descritas para os fornos pneumáticos. A fabricação do aço também conhecido como refino do aço incorpora duas etapas a saber, isto é, o refino primário e o refino secundário. No refino primário, são reduzidos os teores os teores de carbono, manganês, silício e fósforo. O calor liberado pela oxidação destes elementos químicos reduz o consumo de energia elétrica do forno. Durante o processo de oxidação, a composição química do banho líquido é monitorada por coleta de amostras e análise por espectrometria de emissão ótica. Quando o banho líquido atinge a composição química ideal, este é transportado para um outro forno, o a composição química final do aço é acertada (refino secundário). Neste segundo forno (forno panela), as “ferro-ligas” (Fe-Mn ou Fe-Si) são adicionadas. Estas ligas funcionam como dessulfurantes e desoxidantes, isto é, reduzem os teores de enxofre e oxigênio do aço. A dessulfurização é realizada de acordo com a seguinte reação:
Mn + S ( MnS Reação 22
O enxofre é então reduzido pela formação do sulfeto de manganês (MnS) que vai para a escória. Já quanto à desoxidação, é inevitável que parte do ferro, durante o refino primário, sofra oxidação, de acordo com a seguinte reação:
Fe + O ( FeO Reação 23
Então, na desoxidação, ocorre a seguinte reação e o óxido de manganês vai compor a escória.
FeO + Mn ( Fe + MnO Reação 24
Contudo, é interessante comentar que nem todo o sulfeto de manganês (MnS) e o MnO vão para a escória. Parte destes compostos, bem como o próprio FeO permanecerão no aço como impurezas, chamadas de inclusões não metálicas, as quais devem ser criteriosamente controladas pois afetam diretamente as propriedades dos aços produzidos.
6 Processos de redução direta
O princípio da “redução direta” consiste em tratar-se óxidos de ferro praticamente puros (Fe2O3 ou Fe3O4) a temperaturas usualmente entre 950 e 1050oC, na presença de uma substância redutora, resultando, freqüentemente uma massa escura e porosa, conhecida como “ferro esponja”.
A redução é realizada no estado sólido e os processos correspondentes têm por objetivo eliminar o alto-forno, produzindo-se o aço diretamente do minério ou produzindo-se um material intermediário, a ser empregado como “sucata sintética” nos fornos de aço.
Os processos de redução direta seriam aconselhados, pelo menos teoricamente, para países que não dispõem do melhor carvão de pedra coqueificável ou que não possuam minérios de alto teor em ferro.
Basicamente, todos os processos de redução direta podem ser agrupados em duas classes:
· processos que utilizam redutores sólidos
· processos que utilizam redutores gasosos
A Figura 5 representa, esquematicamente, o processo conhecido pelo nome de SL/RN. A carga consiste de concentrados de minério de ferro, na forma moída ou na forma de “pelotas”, coque e calcário moídos.
Figura 5 – Representação esquemática do processo SL/RN de redução direta.
A carga é levada a um forno rotativo, onde a temperatura é mantida na faixa de 1000 a 1076oC. O produto sólido resultante é resfriado e o ferro é separado mediante separador magnético. O coque não utilizado é removido e reutilizado. O processo permite produzir material contendo enxofre entre 0,02 e 0,05% apenas, o que o torna adequado para a utilização em fornos de aço.
Materiais de Construção Mecânica I/Aula 3- ligacoes quimicas.ppt
ASSUNTO
3. Ligação química nos sólidos
- Energias e forças de ligações
- Ligações interatômicas primárias
- Ligação de Van der Waals 
LIGAÇÕES QUÍMICAS EM MATERIAIS SÓLIDOS
(Breve Revisão)
Por quê estudar?
O tipo de ligação interatômica geralmente explica a propriedade do material.
Exemplo: o carbono pode existir na forma de grafite que é mole, escuro e “gorduroso” e na forma de diamante que é extremamente duro e brilhante. Essa diferença nas propriedades é diretamente atribuída ao tipo de ligação química que é encontrada no grafite e não no diamante.
Veja mais informações no site www.cimm.com.br (material didático)
LIGAÇÕES QUÍMICAS EM MATERIAIS SÓLIDOS
	Os elementos se ligam para formar os sólidos para atingir uma configuração mais estável: oito elétrons na camada mais externa
	A ligação química é formada pela interação dos elétrons de valência através de um dos seguintes mecanismos:
- Ganho de elétrons
- Perda de elétrons
- Compartilhamento de elétrons
TIPOS DE LIGAÇÕES
	Metálica
Covalente
	Iônica
	Van der Waals
A eletronegatividade dos átomos é o que determina o tipo de ligação 
FORÇAS E ENERGIAS DE LIGAÇÃO
FORÇA E DISTÂNCIA DE LIGAÇÕES
	A distância entre 2 átomos é determinada pelo balanço das forças atrativas e repulsivas
	Quanto mais próximos os átomos maior a força atrativa entre eles, mas maior ainda são as forças repulsivas devido a sobreposição das camadas mais internas 
	Quando a soma das forças atrativas e repulsivas é zero, os átomos estão na chamada distância de equilíbrio.
FORÇA DE LIGAÇÕES E RIGIDEZ
	A inclinação da curva no ponto de equilíbrio dá a força necessária para separar os átomos sem promover a quebra da ligação. 
	Os materiais que apresentam uma inclinação grande são considerados materiais rígidos,. Ao contrário, materiais que apresentam uma inclinação mais tênue são bastante flexíveis. 
	A rigidez e a flexibilidade também estão associadas com módulo de elasticidade (E) que é determinado da inclinação da curva tensãoxdeformação obtida no ensaio mecânico de resistência à tração.
Deformação medida ()
Inclinação fornece
Módulo E
Tensão ()
ENERGIA DE LIGAÇÃO
	Algumas vezes é mais conveniente trabalhar com energia (potencial) do que forças de ligações.
	Matematicamente, energia (E) e força de ligações (F) estão relacionadas por : E= F.dr
	A menor energia é o ponto de equilíbrio
Quanto mais profundo o poço de potencial maior a temperatura de fusão do material
Devido as forcas de repulsão aumentarem muito mais com a aproximação dos átomos a curva não é simétrica. Por isso, a maioria dos materiais tendem a se expandir quando aquecidos
Filme
ENERGIA DE LIGAÇÃO
	Quando energia é fornecida a um material, a vibração térmica faz com que os átomos oscilem próximos ao estado de equilíbrio.
	Devido a assimetria da curva de energia de ligaçãoxdistância interatômica, a distância média entre os átomos aumenta com o aumento da temperatura.
	Então, quanto mais estreito e mais profundo o mínimo de potencial menor é o coeficiente de expansão térmica do material
TIPOS DE LIGAÇÕES
	Metálica
	Covalente
	Iônica
	Van der Waals
	Forma-se com átomos de baixa eletronegatividade (apresentam no máximo 3 elétrons de valência)
	Então, os elétrons de valência são divididos com todos os átomos (não estão ligados a nenhum átomo em particular) e assim eles estão livres para conduzir
	A ligação metálica não é direcional porque os elétrons livres protegem o átomo carregado positivamente das forças repulsivas eletrostáticas
	A ligação metálica é geralmente forte (um pouco menos que a iônica e covalente)= 20-200 Kcal/mol
	Ex: Hg e W
Elétrons de valência
Átomo+elétrons das camadas mais internas
TIPOS DE LIGAÇÕES
	Covalente
	Metálica
	Iônica
	Van der Waals
	Os elétrons de valência são compartilhados
	Forma-se com átomos de alta eletronegatividade 
	A ligação covalente é direcional e forma ângulos bem definidos (apresenta um certo grau de ligação iônica)
	A ligação covalente é forte = 125-300 Kcal/mol
	Esse tipo de ligação é comum em compostos orgânicos, por exemplo em materiais poliméricos e diamante.
Ex: metano (CH4)
Figura copiada do material do Prof. Sidnei Paciornik do
 Departamento de Ciência dos Materiais e Metalurgia da PUC-Rio
 
TIPOS DE LIGAÇÕES
	Iônica
	Metálica
	Covalente
	Van der Waals
	Os elétrons de valência são transferidos entre átomos produzindo íons
	Forma-se com átomos de diferentes eletronegatividades (um alta e outro baixa) 
	A ligação iônica não é direcional, a atração é mútua
	A ligação é forte= 150-300 Kcal/mol (por isso o PF dos materiais com esse tipo de ligação é geralmente alto)
	A ligação predominante nos materiais cerâmicos é iônica
LIGAÇÃO IÔNICA
	As forças atrativas eletrostáticas entre os átomos é não-direcional 		os átomos num material iônico arranjam-se de forma que todos os íons positivos têm como vizinho mais próximo íons negativos, sendo as forças atrativas igual em todas as direções. 
	A magnitude da força obedece a Lei de Coulomb
Figura copiada do material do Prof. Sidnei Paciornik do
 Departamento de Ciência dos Materiais e Metalurgia da PUC-Rio
 
FORÇAS DE ATRAÇÃO E REPUSÃO ENVOLVIDAS EM SÓLIDOS IÔNICOS
	FA= -A/r2
	FR= B/rn
	A, B e n são valores que dependem do sistema iônico em questão
LEI DE COULOMB
	Forças atrativas
	r é a distância interatômica
	z1 e z2 são as valências dos 2 tipos de íons
	e é a carga do elétron (1,602x10-19 C)
0 é a permissividade do vácuo (8,85x10-12 F/m)
FA
CONSIDERAÇÕES SOBRE LIGAÇÃO IÔNICA E COVALENTE
	Muito poucos compostos exibem ligação iônica e covalente puras
	A maioria das ligações iônicas tem um certo grau de ligação covalente	 e vice –versa	 transferem e compartilham elétrons
	O grau do tipo de ligação depende da eletronegadividade dos átomos constituintes.
	Quanto maior a diferença nas eletronegatividades mais iônica é a ligação
	Quanto menor a diferença nas eletronegatividades mais covalente é a ligação
CONSIDERAÇÕES SOBRE LIGAÇÃO IÔNICA E COVALENTE
	Fração de 
ligação covalente=
onde E é a diferença nas eletronegatividades dos átomos
 
Ex: SiO2
Eletronegatividade do Si= 1,8
Eletronegatividade do O= 3,5
Fração de ligação covalente= 0,486= 48,6%
TIPOS DE LIGAÇÕES
	Van der Waals
	Metálica
	Covalente
	Iônica
	São ligações secundárias ou físicas
	A polarização (formação de dipólos) devido a estrutura da ligação produz forças atrativas e repulsivas entre átomos e moléculas 
	A ligação de van der Waals não é direcional
	A ligação é fraca< 10 Kcal/mol
	Exemplo desse tipo de ligação acontece entre átomos de H e em estrut. moleculares e moléc. polares
A ligação é gerada por pequenas assimetria
 na distribuição de cargas
LIGAÇÃO DE VAN DER WAALS EXEMPLO: MOLÉCULA DE ÁGUA
	A molécula de água apresenta polarização de carga (formação de dipólos): positiva proxima aos átomos de H e negativa onde os elétrons de valência do oxigênio estão localizados
	Isto produz forças de van der Waals entre as moléculas, fazendo com que as mesmas tendam a alinhar-se os pólos negativos com positivos. Como o angulo de ligação 109,5o, as moléculas formam uma estrutura quase hexagonal (veja figura)
	O gelo tem estrutura hexagonal devido a este tipo de ligação. Ë menos denso por isso flutua sobre a água.
água
H H
o
Os átomos de carbono na grafita também são unidos fortemente através de ligações covalentes, mas só dentro de um plano, diferentemente da rede 3D das ligações do diamante. Estes planos de átomos de carbono simplesmente empilham-se uns sobre os outros, sendo as forças de união entre os planos, muito fracas. Os planos de átomos de carbono podem então deslizar facilmente uns sobre os outros, e por isto a grafita é importante lubrificante! 
GRAFITA
DIAMANTE
Ligação fraca
Ligação forte 
NANOTUBOS DE CARBONO
	Foi descoberto em 1991 por um japonês
	São 100 mil vezes mais finos que um fio de cabelo 
	A espessura é de apenas um átomo
	O diâmetro é de cerca de um nanômetro — a bilionésima parte do metro 
	Possuem a maior resistência mecânica dentre todos os materiais conhecidos — não quebram nem deformam quando dobrados ou submetidos à alta pressão. 
	Destacam-se também como dos melhores condutores de calor que existem e, para completar, podem ser capazes de transportar eletricidade 
Fonte: B.Piropo 
Materiais de Construção Mecânica I/Aula 4- estrutura_cristalina.ppt
ASSUNTO
. Materiais cristalinos 
-Estrutura cristalina: conceitos fundamentais, 
célula unitária, 
- Sistemas cristalinos, 
- Polimorfismo e alotropia 
- Direções e planos cristalográficos, anisotropia, 
- Determinação das estruturas cristalinas por difração de raios-x.
ESTRUTURA CRISTALINA
ARRANJAMENTO ATÔMICO
Por quê estudar?
	As propriedades de alguns materiais estão diretamente associadas à sua estrutura cristalina (ex: magnésio e berílio que têm a mesma estrutura se deformam muito menos que ouro e prata que têm outra estrutura cristalina)
	Explica a diferença significativa
nas propriedades de materiais cristalinos e não cristalinos de mesma composição (materiais cerâmicos e poliméricos não-cristalinos tendem a ser opticamente transparentes enquanto cristalinos não)
ARRANJAMENTO ATÔMICO
	Os materiais sólidos podem ser classificados em cristalinos ou não-cristalinos de acordo com a regularidade na qual os átomos ou íons se dispõem em relação à seus vizinhos.
	Material cristalino é aquele no qual os átomos encontram-se ordenados sobre longas distâncias atômicas formando uma estrutura tridimensional que se chama de rede cristalina
	Todos os metais, muitas cerâmicas e alguns polímeros formam estruturas cristalinas sob condições normais de solidificação 
ARRANJAMENTO ATÔMICO
	Nos materiais não-cristalinos ou amorfos não existe ordem de longo alcance na disposição dos átomos
	As propriedades dos materiais sólidos cristalinos depende da estrutura cristalina, ou seja, da maneira na qual os átomos, moléculas ou íons estão espacialmente dispostos.
	Há um número grande de diferentes estruturas cristalinas, desde estruturas simples exibidas pelos metais até estruturas mais complexas exibidas pelos cerâmicos e polímeros
CÉLULA UNITÁRIA
(unidade básica repetitiva da estrutura tridimensional)
	Consiste num pequeno grupos de átomos que formam um modelo repetitivo ao longo da estrutura tridimensional (analogia com elos da corrente)
	A célula unitária é escolhida para representar a simetria da estrutura cristalina
CÉLULA UNITÁRIA
(unidade básica repetitiva da estrutura tridimensional)
Célula Unitária
Os átomos são representados como esferas rígidas
ESTRUTURA CRISTALINA DOS METAIS
	Como a ligação metálica é não-direcional não há restrições quanto ao número e posições dos vizinhos mais próximos.
	Então, a estrutura cristalina dos metais têm geralmente um número grande de vizinhos e alto empacotamento atômico.
	Três são as estruturas cristalinas mais comuns em metais: Cúbica de corpo centrado, cúbica de face centrada e hexagonal compacta.
SISTEMA CÚBICO
Os átomos podem ser agrupados dentro do sistema cúbico em 3 diferentes tipos de repetição
Cúbico simples
Cúbico de corpo centrado
Cúbico de face centrada
SISTEMA CÚBICO SIMPLES
	Apenas 1/8 de cada átomo cai dentro da célula unitária, ou seja, a célula unitária contém apenas 1 átomo.
	Essa é a razão que os metais não cristalizam na estrutura cúbica simples (devido ao baixo empacotamento atômico)
Parâmetro de rede
a
NÚMERO DE COORDENAÇÃO PARA CCC
	Número de coordenação 	corresponde ao número de átomos vizinhos mais próximos
	Para a estrutura cúbica simples o número de coordenação é 6.
RELAÇÃO ENTRE O RAIO ATÔMICO (R) E O PARÂMETRO DE REDE (a) PARA O SITEMA CÚBICO SIMPLES
	No sistema cúbico simples os átomos se tocam na face
	a= 2 R
FATOR DE EMPACOTAMENTO ATÔMICO PARA CÚBICO SIMPLES
	Fator de empacotamento= Número de átomos x Volume dos átomos
					Volume da célula unitária
Vol. dos átomos=número de átomos x Vol. Esfera (4R3/3)
Vol. Da célula=Vol. Cubo = a3
	Fator de empacotamento = 	4R3/3
					 (2R) 3
O FATOR DE EMPACOTAMENTO PARA A EST. CÚBICA SIMPLES É O,52
EST. CÚBICA DE CORPO CENTRADO
	O PARÂMETRO DE REDE E O RAIO ATÔMICO ESTÃO RELACIONADOS NESTE SISTEMA POR:	
accc= 4R /(3)1/2
	Na est. ccc cada átomo dos vertices do cubo é dividido com 8 células unitárias
	Já o átomo do centro pertence somente a sua célula unitária.
	Cada átomo de uma estrutura ccc é cercado por 8 átomos adjacentes
	Há 2 átomos por célula unitária na estrutura ccc
	O Fe, Cr, W cristalizam em ccc
Filme
RELAÇÃO ENTRE O RAIO ATÔMICO (R) E O PARÂMETRO DE REDE (a) PARA O SITEMA CCC
	No sistema CCC os átomos se tocam ao longo da diagonal do cubo: (3) 1/2.a=4R
accc= 4R/ (3)1/2
NÚMERO DE COORDENAÇÃO PARA CCC
	Número de coordenação 	corresponde ao número de átomos vizinhos mais próximos
	Para a estrutura ccc o número de coordenação é 8.
NÚMERO DE COORDENAÇÃO
Para a estrutura ccc o número de coordenação é 8
1/8 de átomo
1 átomo inteiro
FATOR DE EMPACOTAMENTO ATÔMICO PARA CCC
	Fator de empacotamento= Número de átomos x Volume dos átomos
					Volume da célula unitária
O FATOR DE EMPACOTAMENTO PARA A EST. CC É O,68
(demonstre)
EST. CÚBICA DE FACE CENTRADA
	O PARÂMETRO DE REDE E O RAIO ATÔMICO ESTÃO RELACIONADOS PARA ESTE SISTEMA POR:	
acfc = 4R/(2)1/2 =2R . (2)1/2
	Na est. cfc cada átomo dos vertices do cubo é dividido com 8 células unitátias
	Já os átomos das faces pertencem somente a duas células unitárias
	Há 4 átomos por célula unitária na estrutura cfc
	É o sistema mais comum encontrado nos metais (Al, Fe, Cu, Pb, Ag, Ni,...)
Filme 25
NÚMERO DE COORDENAÇÃO PARA CFC
	Número de coordenação corresponde ao número de átomos vizinhos mais próximo
	Para a estrutura cfc o número de coordenação é 12.
NÚMERO DE COORDENAÇÃO PARA CFC
Para a estrutura cfc o número de coordenação é 12.
Demonstre que acfc = 2R (2)1/2 
	a2 + a2 = (4R)2 
2 a2 = 16 R2
a2 = 16/2 R2
a2 = 8 R2
a= 2R (2)1/2
FATOR DE EMPACOTAMENTO ATÔMICO PARA CFC
	Fator de empacotamento= Número de átomos X Volume dos átomos
					Volume da célula unitária
O FATOR DE EMPACOTAMENTO PARA A EST. CFC É O,74
DEMONSTRE QUE O FATOR DE EMPACOTAMENTO PARA A EST. CFC É O,74
	Fator de empacotamento= Número de átomos X Volume dos átomos
					Volume da célula unitária
Vol. dos átomos=Vol. Esfera= 4R3/3
Vol. Da célula=Vol. Cubo = a3
Fator de empacotamento = 4 X 4R3/3
				 (2R (2)1/2)3 
Fator de empacotamento = 16/3R3
			 16 R3(2)1/2
Fator de empacotamento = 0,74
	
CÁLCULO DA DENSIDADE
	O conhecimento da estrutura cristalina permite o cálculo da densidade ():
 = nA
					 VcNA
n= número de átomos da célula unitária
A= peso atômico
Vc= Volume da célula unitária
NA= Número de Avogadro (6,02 x 1023 átomos/mol)
EXEMPLO:
	Cobre têm raio atômico de 0,128nm (1,28 Å), uma estrutura cfc, um peso atômico de 63,5 g/mol. Calcule a densidade do cobre.
	Resposta: 8,89 g/cm3
	Valor da densidade medida= 8,94 g/cm3
TABELA RESUMO PARA O SISTEMA CÚBICO
		
		Átomos 	 Número de 	 Parâmetro 	Fator de 
	 por célula	 coordenação 	 de rede		empacotamento
 CS 1		6	 2R 0,52
CCC	 2 8	 4R/(3)1/2	 0,68
CFC	 4 12	 4R/(2)1/2	 0,74
SISTEMA HEXAGONAL SIMPLES
	Os metais não cristalizam no sistema hexagonal simples porque o fator de empacotamento é muito baixo
	Entretanto, cristais com mais de um tipo de átomo cristalizam neste sistema
EST. HEXAGONAL COMPACTA
	Os metais em geral não cristalizam no sistema hexagonal simples pq o fator de empacotamento é muito baixo, exceto cristais com mais de um tipo de átomo 
	O sistema Hexagonal Compacta é mais comum nos metais (ex: Mg, Zn) 
	Na HC cada átomo de uma dada camada está diretamente abaixo ou acima dos interstícios formados entre as camadas adjacentes
EST. HEXAGONAL COMPACTA
	Cada átomo tangencia 3 átomos da camada de cima, 6 átomos no seu próprio plano e 3 na camada de baixo do seu plano
	O número de coordenação para a estrutura HC é 12 e, portanto, o fator de empacotamento é o mesmo da cfc, ou seja, 0,74.
Relação entre R e a:
	a= 2R 
EST. HEXAGONAL COMPACTA
Há 2 parâmetros de rede representando os parâmetros 
Basais (a) e de altura (c)
RAIO ATÔMICO E ESTRUTURA CRISTALINA DE ALGUNS METAIS
SISTEMAS CRISTALINOS
 
	Estes sistemas incluem todas as possíveis geometrias de divisão do espaço por superfícies planas contínuas
OS 7 SISTEMAS CRISTALINOS
1.bin
AS 14 REDES DE BRAVAIS
Dos 7 sistemas cristalinos podemos identificar 14 tipos diferentes de células unitárias, conhecidas com redes de Bravais. Cada uma destas células unitárias tem certas características que ajudam a diferenciá-las das outras células unitárias. Além do mais, estas características também auxiliam na definição das propriedades de um material particular.
POLIMORFISMO OU ALOTROPIA
	Alguns metais e não-metais podem ter mais de uma estrutura cristalina
dependendo da temperatura e pressão. Esse fenômeno é conhecido como polimorfismo.
	Geralmente as transformações polimorficas são acompanhadas de mudanças na densidade e mudanças de outras propriedades físicas.
EXEMPLO DE MATERIAIS QUE EXIBEM POLIMORFISMO
	Ferro
	Titânio
	Carbono (grafite e diamente)
	SiC (chega ter 20 modificações cristalinas)
	Etc.
ALOTROPIA DO FERRO
	Na temperatura ambiente, o Ferro têm estrutura ccc, número de coordenação 8, fator de empacotamento de 0,68 e um raio atômico de 1,241Å.
	A 910°C, o Ferro passa para estrutura cfc, número de coordenação 12, fator de empacotamento de 0,74 e um raio atômico de 1,292Å.
	A 1394°C o ferro passa novamente para ccc.
ccc
cfc
ccc
Até 910°C
De 910-1394°C
De 1394°C-PF
 ALOTROPIA DO TITÂNIO
FASE 
	Existe até 883ºC
	Apresenta estrutura hexagonal compacta
	É mole
FASE 
	Existe a partir de 883ºC
	Apresenta estrutura ccc
	É dura
EXERCÍCIO	
	O ferro passa de ccc para cfc a 910 ºC. Nesta temperatura os raios atômicos são respectivamente , 1,258Å e 1,292Å. Qual a percentagem de variação de volume percentual provocada pela mudança de estrutura? 
	Vccc= 2a3			Vcfc= a3
	accc= 4R/ (3)1/2		 acfc = 2R (2)1/2 	
 Vccc= 49,1 Å3		Vcfc= 48,7 Å3
	V%= 48,7 - 49,1 /48,7 = - 0,8% de variação
Para o cálculo foi tomado como base 2 células unitárias ccc, por isso Vccc= 2a3 
uma vez que na passagem do sistema ccc para cfc há uma contração de volume
DIREÇÕES NOS CRISTAIS
a, b e c definem os eixos de um sistema de coordenadas em 3D. Qualquer linha (ou direção) do sistema de coordenadas pode ser especificada através de dois pontos: · um deles sempre é tomado como sendo a origem do sistema de coordenadas, geralmente (0,0,0) por convenção; 
O espaço lático é infinito... 
 A escolha de uma origem é completamente arbitrária, uma vez que cada ponto do reticulado cristalino idêntico. 
A designação de pontos, direções e planos específicos fixados no espaço absoluto serão alterados caso a origem seja mudada, MAS ... 
todas as designações serão auto-consistentes se partirem da origem como uma referência absoluta. 
Exemplo: Dada uma origem qualquer, haverá sempre uma direção [110] definida univocamente, e [110] sempre fará exatamente o mesmo ângulo com a direção [100].
Origem do sistema de coordenadas
DIREÇÕES NOS CRISTAIS
	São representadas
 entre colchetes=[uvw]
	Família de direções: <uvw>
DIREÇÕES?
(o,o,o)
Algumas direções da 
família de direções <100>
DIREÇÕES NOS CRISTAIS
	São representadas entre colchetes= [hkl]
	Se a subtração der negativa, coloca-se uma barra sobre o número
As duas direções 
pertencem a mesma
 família?
[101]
DIREÇÕES NOS CRISTAIS
	São representadas entre colchetes= [hkl]
	Quando passa pela origem
DIREÇÕES NOS CRISTAIS
	São representadas entre colchetes= [hkl]
Os números devem ser divididos
 ou multiplicados por um
fator comum para dar números 
inteiros
DIREÇÕES PARA O SISTEMA CÚBICO
	A simetria desta estrutura permite que as direções equivalentes sejam agrupadas para formar uma família de direções:
	<100> para as faces
	<110> para as diagonais das faces
	<111> para a diagonal do cubo
<110>
<100>
<111>
DIREÇÕES PARA O SISTEMA CCC
	No sistema ccc os átomos se tocam ao longo da diagonal do cubo, que corresponde a família de direções <111>
	Então, a direção <111> é a de maior empacotamento atômico para o sistema ccc
DIREÇÕES PARA O SISTEMA CFC
	No sistema cfc os átomos se tocam ao longo da diagonal da face, que corresponde a família de direções <110>
	Então, a direção <110> é a de maior empacotamento atômico para o sistema cfc
Filme 22
PLANOS CRISTALINOS
PLANOS CRISTALINOS
Planos (010)
	São paralelos aos eixos x e z (paralelo à face)
	Cortam um eixo (neste exemplo: y em 1 e os eixos x e z em )
	1/ , 1/1, 1/  = (010)
PLANOS CRISTALINOS
Planos (110)
	São paralelos a um eixo (z)
	Cortam dois eixos 
(x e y) 
	1/ 1, 1/1, 1/  = (110)
PLANOS CRISTALINOS
Planos (111)
	Cortam os 3 eixos cristalográficos
	1/ 1, 1/1, 1/ 1 = (111)
PLANOS CRISTALINOS
	Quando as intercessões não são óbvias desloca-se o plano até obter as intercessões corretas
Fonte: Prof. Sidnei Paciornik, Departamento de 
Ciência dos Materiais e Metalurgia da PUC-Rio
 
3.bin
FAMÍLIA DE PLANOS {110}
É paralelo à um eixo
FAMÍLIA DE PLANOS {111}
Intercepta os 3 eixos
PLANOS NO SISTEMA CÚBICO
	A simetria do sistema cúbico faz com que a família de planos tenham o mesmo arranjamento e densidade
	Deformação em metais envolve deslizamento de planos atômicos. O deslizamento ocorre mais facilmente nos planos e direções de maior densidade atômica
PLANOS DE MAIOR DENSIDADE ATÔMICA NO SISTEMA CCC
	A família de planos {110} no sistema ccc é o de maior densidade atômica
PLANOS DE MAIOR DENSIDADE ATÔMICA NO SISTEMA CFC
	A família de planos {111} no sistema cfc é o de maior densidade atômica
DENSIDADE ATÔMICA LINEAR E PLANAR
	Densidade linear= átomos/cm (igual ao fator de empacotamento em uma dimensão)
	Densidade planar= átomos/unidade de área (igual ao fator de empacotamento em duas dimensões)
DETERMINAÇÃO DA ESTRUTURA CRISTALINA POR DIFRAÇÃO DE RAIO X
Raíos-x tem comprimento de onda similar a distância interplanar
0,1nm
DETERMINAÇÃO DA ESTRUTURA CRISTALINA POR DIFRAÇÃO DE RAIO X
O FENÔMENO DA DIFRAÇÃO:
Quando um feixe de raios x é dirigido à um material cristalino, esses raios são difratados pelos planos dos átomos ou íons dentro do cristal
DETERMINAÇÃO DA ESTRUTURA CRISTALINA POR DIFRAÇÃO DE RAIO X
Fonte: Prof. Sidnei Paciornik, Departamento de Ciência dos Materiais e Metalurgia da PUC-Rio
DIFRAÇÃO DE RAIOS X
LEI DE BRAGG
n= 2 dhkl.sen
	 É comprimento de onda
N é um número inteiro de ondas
d é a distância interplanar 
 O ângulo de incidência
dhkl= a
	(h2+k2+l2)1/2
Válido para sistema cúbico
DISTÂNCIA INTERPLANAR (dhkl)
	É uma função dos índices de Miller e do parâmetro de rede
dhkl= a
				(h2+k2+l2)1/2
TÉCNICAS DE DIFRAÇÃO
	Técnica do pó:
É bastante comum, o material a ser analisado encontra-se na forma de pó (partículas finas orientadas ao acaso) que são expostas à radiação x monocromática. O grande número de partículas com orientação diferente assegura que a lei de Bragg seja satisfeita para alguns planos cristalográficos
O DIFRATOMÊTRO DE RAIOS X
	T= fonte de raio X
	S= amostra
	C= detector
	O= eixo no qual a amostra e o detector giram
Detector
 Fonte
Amostra
DIFRATOGRAMA
Fonte: Prof. Sidnei Paciornik, Departamento de 
Ciência dos Materiais e Metalurgia da PUC-Rio
Materiais de Construção Mecânica I/Aula 5- imperfeicoes_cristalinas.ppt
*
5- IMPERFEIÇÕES CRISTALINAS
ASSUNTO
- Defeitos pontuais
 - Defeitos de linha (discordâncias)
-   Defeitos de interface (grão e maclas)
-  Defeitos volumétricos (inclusões, precipitados)
*
O QUE É UM DEFEITO? 
É uma imperfeição ou um "erro" no arranjo periódico regular dos átomos em um cristal. 
Podem envolver uma irregularidade 
	 na posição dos átomos
	no tipo de átomos
 
O tipo e o número de defeitos dependem do material, do meio ambiente, e das circunstâncias sob as quais o cristal é processado. 
*
IMPERFEIÇÕES ESTRUTURAIS
	Apenas uma pequena fração dos sítios atômicos são imperfeitos
			Menos de 1 em 1 milhão
	Mesmo sendo poucos eles influenciam muito nas propriedades dos materiais e nem sempre de forma negativa
*
IMPERFEIÇÕES ESTRUTURAIS
- IMPORTÂNCIA-
DEFEITOS
INTRODUÇÃO
SELETIVA
CONTROLE 
DO NÚMERO
ARRANJO
Permite desenhar e criar novos materiais 
com a combinação desejada de propriedades
*
IMPERFEIÇÕES ESTRUTURAIS 
Exemplos de efeitos da presença de imperfeições
	O processo de dopagem em semicondutores visa criar imperfeições para mudar o tipo de condutividade em determinadas regiões do material
	A deformação mecânica dos materiais promove a formação de imperfeições que geram um aumento na resistência mecânica (processo conhecido como encruamento) 
	Wiskers de ferro (sem imperfeições
do tipo discordâncias) apresentam resistência maior que 70GPa, enquanto o ferro comum rompe-se a aproximadamente 270MPa.
*
IMPERFEIÇÕES ESTRUTURAIS
	São classificados de acordo com sua geometria ou dimensões
*
IMPERFEIÇÕES ESTRUTURAIS
	Defeitos Pontuais		associados c/ 1 ou 2 				posições atômicas
	
	Defeitos lineares		uma dimensão
	Defeitos planos ou interfaciais 	 (fronteiras) duas 							dimensões 
	Defeitos volumétricos 			três dimensões
*
1- DEFEITOS PONTUAIS
	Vacâncias ou vazios
	Átomos Intersticiais
	Schottky
	Frenkel
Ocorrem em sólidos iônicos
*
VACÂNCIAS OU VAZIOS
	Envolve a falta de um átomo
	São formados durante a solidificação do cristal ou como resultado das vibrações atômicas (os átomos deslocam-se de suas posições normais)
*
VACÂNCIAS OU VAZIOS
	O número de vacâncias aumenta exponencialmente com a temperatura
			Nv= N exp (-Qv/KT)
Nv= número de vacâncias
N= número total de sítios atômicos
Qv= energia requerida para formação de vacâncias
K= constante de Boltzman = 1,38x1023J/at.K ou 					8,62x10-5 eV/ at.K
*
INTERSTICIAIS
	Envolve um átomo extra no interstício (do próprio cristal)
	Produz uma distorção no reticulado, já que o átomo geralmente é maior que o espaço do interstício
	A formação de um defeito intersticial implica na criação de uma vacância, por isso este defeito é menos provável que uma vacância
*
INTERSTICIAIS
Átomo intersticial pequeno
Átomo intersticial grande
Gera maior distorção na rede
*
FRENKEL
	Ocorre em sólidos iônicos
	Ocorre quando um íon sai de sua posição normal e vai para um interstício
*
SCHOTTKY
	Presentes em compostos que tem que manter o balanço de cargas
	Envolve a falta de um ânion e/ou um cátion
*
CONSIDERAÇÕES GERAIS
	Vazios e Schottky favorecem a difusão
	Estruturas de empacotamento fechado tem um menor número intersticiais e Frenkel que de vazios e Schottky 
Porque é necessária energia adicional para forçar os átomos para novas posições
*
IMPUREZAS NOS SÓLIDOS
	Um metal considerado puro sempre tem impurezas (átomos estranhos) presentes
99,9999% = 1022-1023 impurezas por cm3
	A presença de impurezas promove a formação de defeitos pontuais
*
LIGAS METÁLICAS
	As impurezas (chamadas elementos de liga) são adicionadas intencionalmente com a finalidade:
aumentar a resistência mecânica
aumentar a resistência à corrosão
Aumentar a condutividade elétrica
Etc.
*
A ADIÇÃO DE IMPUREZAS PODE FORMAR
	Soluções sólidas		< limite de 							solubilidade
	Segunda fase			> limite de 							solubilidade
		A solubilidade depende :
	Temperatura
	Tipo de impureza
	Concentração da impureza
*
Termos usados
	Elemento de liga ou Impureza			soluto (< quantidade)
	Matriz ou				solvente Hospedeiro			(>quantidade)
*
SOLUÇÕES SÓLIDAS
	A estrutura cristalina do material que atua como matriz é mantida e não formam-se novas estruturas
	As soluções sólidas formam-se mais facilmente quando o elemento de liga (impureza) e matriz apresentam estrutura cristalina e dimensões eletrônicas semelhantes
*
SOLUÇÕES SÓLIDAS
	Nas soluções sólidas as impurezas podem ser:
			- Intersticial
			- Substitucional
Ordenada
Desordenada
*
SOLUÇÕES SÓLIDAS INTERSTICIAIS
	Os átomos de impurezas ou os elementos de liga ocupam os espaços dos interstícios
	Ocorre quando a impureza apresenta raio atômico bem menor que o hospedeiro
	Como os materiais metálicos tem geralmente fator de empacotamento alto as posições intersticiais são relativamente pequenas
	Geralmente, no máximo 10% de impurezas são incorporadas nos interstícios
INTERSTICIAL
*
EXEMPLO DE SOLUÇÃO SÓLIDA INTERSTICIAL
	Fe + C		solubilidade máxima do C no 			Fe é 2,1% a 910 C (Fe CFC)
O C tem raio atômico bastante pequeno se comparado com o Fe
			rC= 0,071 nm= 0,71 A
			rFe= 0,124 nm= 1,24 A
*
Solubilidade do Carbono no Ferro
	O carbono é mais solúvel no Ferro CCC ou CFC, considerando a temperatura próxima da transformação alotrópica?
ccc
cfc
*
TIPOS DE SOLUÇÕES SÓLIDAS
SUBSTITUCIONAIS
SUBSTITUCIONAL 
ORDENADA
SUBSTITUCIONAL 
DESORDENADA
*
FATORES QUE INFLUEM NA FORMAÇÃO DE SOLUÇÕES SÓLIDAS SUBSTITUCIONAIS
REGRA DE HOME-ROTHERY
	Raio atômico		deve ter uma diferença de no máximo 15%, caso contrário pode promover distorções na rede e assim formação de nova fase
	Estrutura cristalina	 mesma
	Eletronegatividade	 próximas
	Valência	mesma ou maior que a do 						hospedeiro
*
EXEMPLO DE SOLUÇÃO SÓLIDA SUBSTICIONAL
	Cu + Ni		são solúveis em todas as 				proporções
 
Cu
Ni
Raio atômico
0,128nm=1,28 A
0,125 nm=1,25A
Estrutura
CFC
CFC
Eletronegatividade
1,9
1,8
Valência
+1 (as vezes +2)
+2
*
2- DEFEITOS LINEARES: DISCORDÂNCIAS
	As discordâncias estão associadas com a cristalização e a deformação (origem: térmica, mecânica e supersaturação de defeitos pontuais)
	A presença deste defeito é a responsável pela deformação, falha e ruptura dos materiais
*
2- DEFEITOS LINEARES: DISCORDÂNCIAS
	Podem ser:
			- Cunha
			- Hélice
			- Mista
*
VETOR DE BURGER (b)
	Dá a magnitude e a direção de distorção da rede
	Corresponde à distância de deslocamento dos átomos ao redor da discordância
*
2.1- DISCORDÂNCIA EM CUNHA
	Envolve um SEMI-plano extra de átomos
	O vetor de Burger é perpendicular à direção da linha da discordância
	Envolve zonas de tração e compressão
*
DISCORDÂNCIAS EM CUNHA
Fonte: Prof. Sidnei, DCMM, PUCRJ
*
DISCORDÂNCIAS EM CUNHA
Fonte: Prof. Sidnei, DCMM, PUCRJ
*
2.2- DISCORDANCIA EM HÉLICE
	Produz distorção na rede
	O vetor de burger é paralelo à direção da linha de discordância
*
DISCORDANCIA EM HÉLICE
*
2.2- DISCORDANCIA EM HÉLICE
DISCORDÂNCIA EM HÉLICE NA SUPERFÍCIE DE 
UM MONOCRISTAL DE SiC. AS LINHAS ESCURAS 
 SÃO DEGRAUS DE ESCORREGAMENT SUPERFICIAIS. 
(Fig. 5.3-2 in Schaffer et al.).
*
OBSERVAÇÃO DAS DISCORDANCIAS
	Diretamente 			TEM ou HRTEM
	Indiretamente		SEM e 			microscopia óptica (após ataque 		químico seletivo)
*
DISCORDÂNCIAS NO TEM
*
DISCORDÂNCIAS NO HRTEM
*
DISCORDÂNCIAS NO HRTEM
*
FIGURA DE ATAQUE PRODUZIDA NA DISCORDÂNCIA VISTA NO SEM
Plano (111) do InSb
Plano (111) do GaSb
*
CONSIDERAÇÕES GERAIS
	A quantidade e o movimento das discordâncias podem ser controlados pelo grau de deformação (conformação mecânica) e/ou por tratamentos térmicos 
	Com o aumento da temperatura há um aumento na velocidade de deslocamento das discordâncias favorecendo o aniquilamento mútuo das mesmas e formação de discordâncias únicas
	Impurezas tendem a difundir-se e concentrar-se em torno das discordâncias formando uma atmosfera de impurezas
*
CONSIDERAÇÕES GERAIS
	O cisalhamento se dá mais facilmente nos planos de maior densidade atômica, por isso a densidade das mesmas depende da orientação cristalográfica 
	As discordâncias geram vacâncias
	As discordâncias influem nos processos de difusão
	As discordâncias contribuem para a deformação plástica
*
3- DEFEITOS PLANOS
OU INTERFACIAIS
	Envolvem fronteiras (defeitos em duas dimensões) e normalmente separam regiões dos materiais de diferentes estruturas cristalinas ou orientações cristalográficas
*
3- DEFEITOS PLANOS
OU INTERFACIAIS
	Superfície externa
	Contorno de grão
	Fronteiras entre fases
	Maclas ou Twins
	Defeitos de empilhamento
*
3.1- DEFEITOS NA SUPERFÍCIE EXTERNA 
É o mais óbvio
Na superfície os átomos não estão completamente ligados 
Então o estado energia dos átomos na superfície é maior que no interior do cristal
Os materiais tendem a minimizar está energia
A energia superficial é expressa em erg/cm2 ou J/m2)
*
3.2- CONTORNO DE GRÃO 
Corresponde à região que separa dois ou mais cristais de orientação diferente 
um cristal = um grão
No interior de cada grão todos os átomos estão arranjados segundo um único modelo e única orientação, caracterizada pela célula unitária
*
Monocristal e Policristal
Monocristal: Material com apenas uma orientação cristalina, ou seja, que contém apenas um grão
Policristal: Material com mais de uma orientação
cristalina, ou seja, que contém vários grãos
*
LINGOTE DE ALUMÍNIO POLICRISTALINO
*
GRÃO
	A forma do grão é controlada:
	- pela presença dos grãos circunvizinhos
	O tamanho de grão é controlado
		- Composição química
		- Taxa (velocidade) de cristalização ou solidificação
*
FORMAÇÃO DOS GRÃOS
A forma do grão é controlada:
- pela presença dos grãos 
circunvizinhos
O tamanho de grão é controlado
- Composição
- Taxa de cristalização ou solidificação
*
CONSIDERAÇÕES GERAIS SOBRE CONTORNO DE GRÃO
	Há um empacotamento ATÔMICO menos eficiente
	Há uma energia mais elevada
	Favorece a nucleação de novas fases (segregação)
	favorece a difusão
	O contorno de grão ancora o movimento das discordâncias
*
Discordância e Contorno de Grão
A passagem de uma discordância através do contorno de grão requer energia
DISCORDÂNCIA
O contorno de grão ancora o movimento das discordância pois constitui um obstáculo para a passagem da mesma, LOGO QUANTO MENOR O TAMANHO DE GRÃO
 .........A RESISTÊNCIA DO MATERIAL
*
CONTORNO DE PEQUENO ÂNGULO
	Ocorre quando a desorientação dos cristais é pequena
	É formado pelo alinhamento de discordâncias
*
OBSERVAÇÃO DOS GRÃOS E CONTORNOS DE GRÃO
	Por microscopia (ÓTICA OU ELETRÔNICA)
	utiliza ataque químico específico para cada material
O contorno geralmente é mais reativo
*
GRÃOS VISTOS NO MICROSCÓPIO ÓTICO
*
TAMANHO DE GRÃO
	O tamanho de grão influi nas propriedades dos materiais
	Para a determinação do tamanho de grão utiliza-se cartas padrões
ASTM
ou 
ABNT
 
*
DETERMINAÇÃO DO TAMANHO DE GRÃO (ASTM)
	Tamanho: 1-10
	Aumento: 100 X
N= 2 n-1
N= número médio de grãos por polegada quadrada
		n= tamanho de grão
 
Quanto maior o número menor o 
tamanho de grão da amostra
*
Existem vários softwares comerciais de simulação e determinação do tamanho de grão
*
CRESCIMENTO DO GRÃO com a temperatura
Em geral, por questões termodinâmicas (energia) os grãos maiores crescem em 
detrimento dos menores 
*
3.3- TWINS
MACLAS OU CRISTAIS GÊMEOS
	É um tipo especial de contorno de grão
	Os átomos de um lado do contorno são imagens especulares dos átomos do outro lado do contorno
	A macla ocorre num plano definido e numa direção específica, dependendo da estrutura cristalina
*
ORIGENS DOS TWINS
MACLAS OU CRISTAIS GÊMEOS
	O seu aparecimento está geralmente associado com A PRESENÇA DE:
	- tensões térmicas e mecânicas
	- impurezas
	- Etc.
*
4- IMPERFEIÇÕES VOLUMÉTRICAS
	São introduzidas no processamento do material e/ou na fabricação do componente
*
4- IMPERFEIÇÕES VOLUMÉTRICAS
- Inclusões		Impurezas estranhas
Precipitados		são aglomerados de partículas cuja composição difere da matriz
- Fases		forma-se devido à presença de impurezas ou elementos de liga (ocorre quando o limite de solubilidade é ultrapassado)
- Porosidade		origina-se devido a presença ou formação de gases
*
Inclusões
INCLUSÕES DE ÓXIDO DE COBRE (Cu2O) EM COBRE DE ALTA PUREZA (99,26%)
 LAMINADO A FRIO E RECOZIDO A 800o C. 
*
Inclusões
 SULFETOS DE MANGANÊS (MnS) EM AÇO RÁPIDO. 
*
Porosidade
As figuras abaixo apresentam a superfície de ferro puro durante o seu processamento por metalurgia do
 pó. Nota-se que, embora a sinterização tenha diminuído a quantidade de poros bem como melhorado
 sua forma (os poros estão mais arredondados), ainda permanece uma porosidade residual.
COMPACTADO DE PÓ DE FERRO,COMPACTAÇÃO 
UNIAXIAL EM MATRIZ DE 
DUPLO EFEITO, A 550 MPa 
 COMPACTADO DE PÓ DE FERRO APÓS SINTERIZAÇÃO 
A 1150oC, POR 120min EM ATMOSFERA DE HIDROGÊNIO 
*
EXEMPLO DE PARTÍCULAS DE SEGUNDA FASE 
A MICROESTRUTURA É COMPOSTA POR VEIOS DE GRAFITA SOBRE UMA MATRIZ PERLÍTICA.
 CADA GRÃO DE PERLITA, POR SUA VEZ, É CONSTITUÍDO POR LAMELAS ALTERNADAS DE
 DUAS FASES: FERRITA (OU FERRO-A) E CEMENTITA (OU CARBONETO DE FERRO). 
*
microestrutura da liga Al-Si-Cu + Mg mostrando diversas fases precipitadas
*
Micrografia da Liga 
Al-3,5%Cu no Estado Bruto de Fusão
Materiais de Construção Mecânica I/Aula 6 Diagrama Fe C.ppt
Aula – Diagrama Fe - C
 Metal Puro
Acima da temperatura de fusão o material se encontrará no condição de líquido e abaixo dessa temperatura na condição de sólido.
O ponto TF corresponde ao ponto de transformação.
TF
Líquido
(1 fase)
Sólido
(1 fase)
 Para um metal puro, a curva de resfriamento a partir do estado líquido é dada por:
125.unknown
 Diagrama de Equilíbrio: Ligas Binárias
 Liga binária: metal puro (componente A) ao qual será adicionada uma certa quantidade de um elemento de liga (componente B). A curva de resfriamento partindo de uma temperatura TV, será dada por: 
Diagrama de fases
TL
Líquido
(1 fase)
Sólido
(1 ou + fases)
TS
Sólido + 
Líquido
TL - Temperatura liquidus
TS - Temperatura solidus
126.unknown
 Diagrama de Equilíbrio: Construção
 Para diferentes teores de soluto B no solvente A, diferentes curvas de resfriamento serão obtidas: 
Curvas térmicas e levantamento das 
temperaturas de transformação de fase
Temperaturas de transformação versus teor de soluto
127.unknown
 Diagrama de Equilíbrio: Linhas
 Um diagrama de equilíbrio (ou diagrama de fases) completo, deve apresentar como informações as temperaturas de transformação de fase, os campos de fases e as solubilidades envolvidas: 
130.unknown
Definição e Conceitos Fundamentais:
 Sistema:
 Componente:
Define um metal puro, e/ou os componentes individuais que formam uma liga 
(Cu puro, Al puro, Au puro, etc) 
Define todo o espectro de possibilidades de mistura de componentes
(Al-Cu, Fe-C, Sn-Pb, Ti-Ni, etc)
 Fase:
Define uma porção homogênea de um sistema. (Fase , Fase , Fase , Fase eutética)
 Formação das Fases:
SOLIDIFICAÇÃO
Sólido - Condição 1
Estrutura cristalina organizada
apresentando duas fases
Sólido - Condição 2
Estrutura cristalina organizada
apresentando uma fase formada por diferentes componentes
Líquido
Estrutura desorganizada
apresentando uma única fase
 Solução Sólida:
Ao se adicionar pequenas quantidades de sal ou açúcar na água, estes se dissolvem a ponto de se manter diluídos na água. Nesse caso temos uma solução líquida.
O termo Solução Sólida, tem a mesma idéia, entretanto refere-se a materiais no estado sólido.
Um componente B pode formar uma solução sólida com um componente A, se o componente B se misturar a estrutura do componente A (de modo intersticial ou substitucional ) de tal forma a manter uma condição de fase única. 
Solução sólida
Intersticial
Solução sólida
Substitucional
FASE
ÚNICA
 Constituição de uma liga:
 As propriedades mecânicas de um material dependem do arranjo da microestrutura.
Outros fatores de importância nas propriedades serão: 
 As fases que se encontram presentes;
 A composição de cada fase;
 A proporção de cada fase;
A ESCALA da fase
A MORFOLOGIA da fase
Materiais policristalinos são formados por unidades cristalinas (grãos) com diferentes orientações cristalográficas.
A fronteira entre os grãos é uma região de defeitos:
Contornos de Grão > deformação associada > maior energia.
				
 No interior do grão todos os átomos estão arranjados segundo a célula unitária típica.
Contorno de Grãos
 Controle do Tamanho de Grão:
 
138.bin
Ligas Ferro-Carbono: Aço e Ferro Fundido
Diagrama de Equilíbrio Fe-C
Transformações apresentadas pelo ferro durante o aquecimento:
Ligas Ferro-Carbono: Aço e Ferro Fundido
DECOMPOSIÇÃO DA AUSTENITA
RESFRIAMENTO DE UM AÇO EUTETÓIDE
g + a
912 C
o
727 C
o
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
g
g
g
g
g
g
g
g
a
a
+ Fe C
3
+ Fe C
3
g
0,77%C
zoom
DIFUSÃO
DO C
Enriquecido com 
6,67% de C
Empobrecido para 
0,0218% de C
Empobrecido para 
0,0218% de C
6,67% de C = Fe C
3
0,0218% de C = 
a
Cementita
Ferrita
Perlita
a
g
%C na 
primeira Ferrita
ANÁLISE DO RESFRIAMENTO DE UM AÇO HIPOEUTETÓIDE
g
g
g
g
g
g
g
Pto 1
Ponto 1
%C na Austenita
(Ex. 1040 = 0,4%C)
Formação de
Ferrita no contorno
 de grão
Pto 2 - Temperatura T
Ponto 2
%C na Ferrita
na temperatura T
%C na Austenita
na temperatura T
Ponto 3
0,77%C
0,77%C
0,77%C
Pto 4 - T = 726 C
o
Ponto 4
Perlita
Ferrita
C é expulso do
contorno para o centro
C continua a 
migrar para o centro
Núcleo do grão
enriquecido com
0,77% de C
912 C
o
727 C
o
0,77%C
Pto 3 - T = 728 C
o
ANÁLISE DO RESFRIAMENTO DE UM AÇO HIPEREUTETÓIDE
a
g
g
g
g
g
g
g
g
Ponto 1
Formação de
Cementita no contorno
 de grão (6,67%C)
Ponto 2
%C na Austenita
na temperatura T
Ponto 3
0,77%C
0,77%C
0,77%C
Pto 4 - T = 726 C
o
C é expulso do
centro para o contorno
C continua a 
migrar para o contorno
Núcleo do grão
empobrecido com
0,77% de C
Pto 1
Pto 2 - Temperatura T
Pto 3 - T = 728 C
o
Ponto 4
Perlita
Cementita
912 C
o
727 C
o
0,77%C
2,11 %C
1148 C
o
%C na Austenita
(Ex. 1,3%C)
Microestruturas de Aços Carbono com diferentes teores de C
Aço 1005
Aço 1020
Aço 1045
AÇO SAE 1035 - TREFILADO
O resfriamento rápido de ligas Fe-C, a partir da região austenítica, pode conduzir à formação de microestruturas refinadas de equilíbrio e até estruturas fora do equilíbrio dependendo da velocidade de resfriamento imposta. 
Diagramas TTT
Tratamentos Térmicos
Têmpera: É um processo para a obtenção de estrutura metaestável de elevada dureza. Consiste em aquecer a peça acima da zona crítica, manter por tempo suficiente para que toda estrutura se transforme em austenita e resfriar rapidamente, em água ou óleo, obtendo-se a martensita (metaestável)
	Revenido: Uma operação geralmente realizada após a têmpera para melhorar a relação entre a dureza e a ductilidade da peça. Consiste em aquecer a peça a uma temperatura abaixo do limite inferior da zona crítica e mantê-la por um certo tempo.
	Normalização: consiste em aquecer a peça a uma temperatura acima da zona crítica , manter o tempo suficiente para que toda estrutura se transforme em austenita e resfriar no ar. A estrutura final é composta por perlita fina e ferrita primária. 
	Recozimento: Consiste em elevar a temperatura da peça acima da zona crítica, mantê-la por um tempo suficiente e resfriá-la lentamente.
Martensita grosseira - aumento 75x
A adição de Silício à composição química dos ferros fundidos, favorece a decomposição da cementita que é um composto metaestável:
 
Fe3C  3Fe + C
O carbono na forma de grafita assume a a morfologia de veios, formando o que se denomina de ferro fundido cinzento. 
A adição de magnésio ou cério, ao invés do silício, favorece a formação de nódulos de grafita dando origem ao ferro-fundido nodular. 
O resfriamento rápido do ferro-fundido inibe a decomposição da cementita, dando origem ao ferro fundido branco, conhecido assim pelo aspecto esbranquiçado de sua fratura.
RESFRIAMENTO DE UM FERRO FUNDIDO BRANCO EUTÉTICO
No diagrama ignorou-se o peritético por questões didáticas
Líquido
LIQUIDO
LEDEBURITA
912 C
o
727 C
o
2,11 %C
1148 C
o
0,77%C
a
g
4,3%C
+ Fe C
3
g
+ Fe C
3
a
+ Fe C
3
L
L +
g
Ponto 1 - 1147 C
o
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
Ponto 1
DIFUSÃO
DO C
Enriquecido com 
6,67% de C
Empobrecido para 
2,11% de C
Empobrecido para 
2,11% de C
AUSTENITA
CEMENTITA
Ponto 2 - T
% C na Austenita 
na temperatura T
Ponto 3 - 726 C
o
Ponto 3
Perlita
RESFRIAMENTO DE UM FERRO FUNDIDO BRANCO HIPOEUTÉTICO
No diagrama ignorou-se o peritético por questões didáticas
LIQUIDO
912 C
o
727 C
o
2,11 %C
1148 C
o
0,77%C
a
g
+ Fe C
3
g
+ Fe C
3
a
+ Fe C
3
L
L +
g
Líquido
4,3%C
Ponto 1 - Formação dos 
primeiros cristais sólidos de Austenita
P.ex.: Fe - 3,5 %C
Ponto 4 - 728 C
o
%C na Austenita
em solidificação
%C no líquido 
remanescente
Ponto 3 - 1147 C
o
%C na Austenita no resfriamento
Pto 2 - Temperatura T
Ponto 2
Dendritas 
de Austenita
Ponto 3
g
Ledeburita
(Fe C + g)
3
RESFRIAMENTO DE UM FERRO FUNDIDO BRANCO HIPEREUTÉTICO
No diagrama ignorou-se o peritético por questões didáticas
LIQUIDO
912 C
o
727 C
o
2,11 %C
1148 C
o
0,77%C
a
g
+ Fe C
3
g
+ Fe C
3
a
+ Fe C
3
L
L +
g
Líquido
4,3%C
%C na Austenita no resfriamento
Agulhas de 
Cementita
%C no líquido
remanescente
Ponto 1 - Formação dos 
primeiros cristais sólidos de Cementita
Pto 2 - Temperatura T
Ponto 2
Líquido
remanescente
Pto 3 - 1147 C
o
Ponto 3
Fe C
3
Ledeburita
(Fe C + g)
3
Hipoeutético
Perlita + Ledeburita
RESUMO DO DIAGRAMA Fe-Fe C
No diagrama ignorou-se o peritético por questões didáticas
3
912 C
o
727 C
o
1148 C
o
a
g
g
+ Fe C
3
a
+ Fe C
3
+ Fe C
3
L
L +
g
Fe C
3
4,3%C
0,77%C
2,11 %C
Líquido
Fe
AÇOS
FERRO FUNDIDO BRANCO
+ Fe C
a
3
Eutetóide
100% Perlita
( )
+ Fe C
a
3
Hipoeutetóide
 a + Perlita
( )
+ Fe C
a
3
Hipereutetóide
Fe C + Perlita
( )
3
+ Fe C
a
3
Fe C + Perlita
( )
3
Eutético
100% Ledeburita
Fe C + Ledeburita
3
Hipereutético
Linha que define o aparecimento da CEMENTITA
Material Muito Duro
300 < HB < 450
Material Hiper Duro
450 < HB < 550
Dados de dureza para condições normais de solidificação
HB  550
HB  80
RESUMO DO DIAGRAMA Fe-Fe C
No diagrama ignorou-se o peritético por questões didáticas
3
912 C
o
727 C
o
1148 C
o
a
g
g
+ Fe C
3
a
+ Fe C
3
+ Fe C
3
L
L +
g
Fe C
3
4,3%C
0,77%C
2,11 %C
Líquido
Fe
AÇOS
FERROS FUNDIDOS BRANCO
+ Fe C
a
3
Eutetóide
100% Perlita
( )
+ Fe C
a
3
Fe C + Perlita
( )
3
Eutético
100% Ledeburita
Material Ductíl
100 < HB < 240
Material Duro
240 < HB < 300
Linha que define o aparecimento da CEMENTITA
	
Ferro Fundido Nodular com matriz de ferrita + perlita	
Ferro Fundido Cinzento com matriz ferrítica
	
Ferro Fundido branco	
Ferro Fundido Nodular com matriz ferrítica
Porosidade
Segunda Fase
Exemplo: compactado de pó de ferro, compactação uniaxial em matriz de duplo efeito, a 550 MPa 
Exemplo: compactado de pó de ferro após sinterização a 1150 oC, por 120min
Micro-estrutura composta por veios de grafita sobre uma matriz perlítica.
Grão de perlita: é constituído por lamelas alternadas de duas fases: ferrita (ou ferro-) e cementita (ou carboneto de ferro). 
Microestruturas de Ferro Fundido com conteúdos crescentes de Mg
 
Tempo 
T
e
m
p
e
r
a
t
u
r
a
Tv
Tf
Transformação de fase
(Liberação de calor latente)
Resfriamento do líquido
Resfriamento
 do sólido
Tf é chamada de
Temperatura de fusão
Tempo 
T
e
m
p
e
r
a
t
u
r
a
Tv
Tl
Transformação de fase
(sólido + líquido)
Resfriamento do líquido
Resfriamento
 do sólido
Ts
Liga binária:
Metal base (solvente) - A
Metal de liga (soluto) - B
Tempo 
T
e
m
p
e
r
a
t
u
r
a
100% A
A+10%B
A+30%B
A+50%B
A+70%B
A+90%B
100% B
Limite das
Temperaturas solidus
Limite das
Temperaturas liquidus
%B
T
e
m
p
e
r
a
t
u
r
a
100% A
10%
100% B
Limite das
Temperaturas liquidus
Limite das
Temperaturas solidus
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
Liquido
Sólido
Líquido
+
Sólido
Tf
A
Tf
B
%B
T
e
m
p
e
r
a
t
u
r
a
100% A
10%
100% B
Linha Solvus
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
Liquido (1 fase)
Tf
A
Tf
B
Sólido (2 fases)
a + b
a
b
a
+ L
+ L
b
Linhas Liquidus
Linha
Solidus
Ca
Ce
Cb
Componente A
Componente B
Componente solvente
Componente soluto
Componente solvente
Componente soluto
Fase A (Matriz)
Fase B (Precipitado)
Fase A (Matriz)
Fase B (Precipitado)
Materiais de Construção Mecânica I/aula 7a- propriedades_mecanicas.ppt
*
7-PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS
*
PROPRIEDADES MECÂNICAS
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	A determinação