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Os Materiais Metálicos OS MATERIAIS METÁLICOS Introdução Metal – Tipo de elemento químico dotado de alta condutividade térmica, elétrica e brilho característico. Ex: ouro, prata, cobre, mercúrio, ferro, estanho, chumbo, manganês, cromo, níquel, zinco e alumínio. Liga metálica – Mistura sólida de dois ou mais elementos, em que a totalidade, ou pelo menos a maioria, é de elementos metálicos. Ferro – Segundo evidências arqueológicas, os primeiros a dominar as técnicas de produção de ferro a partir de seus minérios foram os hititas, povo que habitou a Ásia Menor (atual Turquia) por volta de 1.500 a.C, com o desmantelamento de seu império, os segredos foram parar na Europa, quando se iniciou a chamada Idade do ferro 1.100 a.C. Pelotização – Tratamento prévio dado a alguns minérios (por exp. minério de ferro). Consiste na moagem do minério, seguida de aquecimento para eliminar a umidade presente. Por que o ferro é tão importante para nossa civilização? Trata-se de um metal que possui pouca utilidade prática quando puro. Mas, misturado com determinados elementos químicos como carbono, manganês cromo, níquel, obtêm-se ligas com propriedades extremamente úteis, que fazem do ferro o metal mais empregado pela nossa civilização. Entre as ligas que contêm ferro, a mais importante e conhecida é o aço, formado por ferro e carbono em proporções adequadas. Uma de suas mais conhecidas aplicações: a elaboração do concreto armado. Obtenção Industrial do Ferro O ferro não é encontrado na natureza como substância simples. Para obtê-lo industrialmente é necessário executar uma reação química envolvendo seus minérios. O ramo da metalurgia que faz isso é a siderurgia. O que acontece em uma industria siderúrgica? Peguemos o minério hematita (Fe2O3) como exemplo. Após o processo de pelotização, executa-se a reação química da hematita com o monóxido de carbono (CO). Isto é feito queimando-se carvão na presença de minério em um forno apropriado. A combustão do carvão tem dupla finalidade: fornecer o calor necessário e produzir o monóxido de carbono que provoca a redução do minério. Fe2O3 + 3CO Δ 2 Fe + 3 CO2 A hematita reage com monóxido de carbono, produzindo ferro metálico e gás carbónico. O Ferro apresenta três variedades de estrutura cristalina, conforme descrito a seguir: *1538 – 1398°C: ferro delta – CCC *1394 - 912°C: ferro gama - CFC *912 -_> : ferro alfa – CCC *770°C ( propriedades magnéticas (Este diagrama apresenta as seguintes fases sólidas: γ, Austenita : Esta fase é uma solução sólida do carbono em ferro gama. Tem estrutura cristalina CFC. α, Ferrita : Esta fase é uma solução sólida do carbono em ferro alfa. Tem estrutura cristalina CCC. Cementita : Carboneto de ferro (Fe3C). Possui uma composição de 6,7% C e 93,3 % Fe. Ponto F – Corresponde ao máximo teor de carbono que a austenita pode conter, 2,14%. É usado na distinção entre aço e ferro fundido. Ponto E – é a menor temperatura de equilíbrio entre a ferrita e a austenita, corresponde a cerca de 0,76% C. Ferro fundido – É uma liga de aço e carbono com teor deste último acima de 2,14. Entretanto, um teor considerável de silício está quase sempre presente. ‘Aço doce – São aços de baixa dureza e com teores de carbono menores de 0,25% Aços – São ligas ferro-carbono que podem conter concentrações apreciáveis de outros elementos de liga. As propriedades mecânicas são sensíveis ao teor de carbono. ( Aço com baixo teor de carbono: Esses aços contém geralmente menos que aproximadamente 0,25% pC. Características: (As microestruturas consistem nos microconstituintes ferrita e perlita. São ligas relativamente moles, porém possuem uma tenacidade e ductilidade excepcionais São soldáveis e os mais baratos de serem produzidos. Aplicações: Carcaça de automóveis Formas estruturais Chapas usadas em tubulões Edificações, Etc. ( Aço com médio teor de carbono: Possuem concentrações de carbono entre aproximadamente 0,25 e 0,60%pC. Características: ( Tem as microestruturas da martensita revenida (é obtida pelo reaquecimento da martensita, fase alfa mais cementita). Possuem baixas endurecibilidades. Adições de cromo, níquel e molibidênio melhoram a capacidade dessas ligas de serem termicamente tratadas. Aplicações: Rodas e trilhos de trens; engrenagens, virabrequins, etc. Aços com alto teor de carbono: Possuem teores de carbono entre 0,60 e 1,4%pC. Características: São os mais duros Mais resistentes Os menos dúcteis dentre todos os aços carbono. São resistentes ao desgaste. Os aços para ferramentas são ligas com alto teor de carbono, contendo geralmente cromo, vanádio, tungsténio e molibdênio. Aplicações: Ferramentas de corte Matrizes para modelação e a conformação de materiais Molas Arames de alta resistência Aços inoxidáveis: Seu elemento de liga predominante é o cromo; é necessário uma concentração de cromo de pelo menos 11%p. Características: Suas características físicas diferem das do aço doce, como por exemplo seu ponto de fusão mais baixo, sua condutividade térmica, que é cerca de três vezes menor. Aplicações: ( Reatores nucleares, turbinas, aeronaves, artigos domésticos, etc. Ferros Fundidos: Genericamente os ferros fundidos formam uma classe de ligas ferrosas que possui teores de carbono acima de 2,14 %. Na prática, a maioria dos ferros fundidos contém entre 3,0 a 4,5 % de C, além disso, outros elementos de liga. - cinzentos Classificação: - dúctil - branco - maleável Ferro cinzento: Neste caso o teor de carbono varia entre 2,5 a 4,0 %C e o teor de Si varia entre 1,0 a 3,0 %. Para a maioria dos ferros fundidos, a grafita existe na forma de flocos, que são normalmente circundados por uma matriz de ferrita α ou de perlita (ferrita mais cementita). Uso: Estruturas de base para máquinas e equipamentos pesados que estão expostos a vibrações Ferros Dúctil (nodular): Liga resultante da adição de uma pequena quantidade de magnésio e/ou cério ao ferro cinzento antes da fundição. A grafita ainda se forma, porém como nódulos. A fase matriz que circunda essas partículas consiste em perlita ou em ferrita. Ferros Branco Para os ferros fundidos com baixo teor de silício < 1,0 % e taxas de resfriamento rápidas, a maioria do carbono existe em forma de cementita em lugar de ferrita. Seu uso está limitado a aplicações que necessitam de uma superfície muito dura e muito resistente à abrasão. Ferros Maleável O aquecimento do ferro branco a uma temperatura entre 800 e 900°C por um período de tempo prolongado causa uma decomposição da cementita, resultando no ferro maleável. Seu uso está relacionado com engrenagens de transmissão e cárteres do diferencial para a indústria automotiva, flanges, conexões de tubulações., etc. Estudo das Ligas Metálicas: NÃO FERROSAS ( Ligas de Cobre O cobre é um metal vermelho que se encontra na natureza na forma de mineral. Ligas mais comuns: latão e bronze Latão: é uma liga de cobre e zinco que pode ter diferentes proporções de cada um desses metais. Usos mais comuns: bijuterias; cápsulas para cartuchos; radiadores; instrumentos musicais, etc. Bronze: É uma liga de cobre com vários outros elementos, incluindo o estanho, o alumínio, o silício e o níquel. Usos mais comuns: mancais, buchas do trem de pouso de aeronaves a jato, molas, instrumentos cirúrgicos e dentários ( Ligas de Níquel O níquel é um metal que se obtém de diversos minerais, por exemplo da plentandita, pirrotita, garnierita, etc. Liga mais comum: metal monel e alpaca ( Metal monel:São ligas compostas de 67 a 70% de Ni e o restante de Cu, com baixo teor de outros elementos. Usos: É usado na indústria química graças à sua elevada resistência à corrosão e ao calor, se obtém em forma de barras, chapas, canos, fios. ( Alpaca:Contém de 60 a 65 % de Cu, 18 a 23% de Zn e o resto de níquel.
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