CM CAP 6 - Degradação dos Materiais

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Capítulo 6 -
Degradação dos 
Materiais
Prof. C.P.Bergmann - DEMAT - EE – UFRGS – 2014
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO
6-1 Introdução
6-2 Corrosão
6-3 Radiação
6-4 Desgaste
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
6.1 INTRODUÇÃO
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 Os materiais utilizados em Engenharia (materiais industriais) são selecionados pelo conjunto de suas
propriedades. Para tanto, deve-se considerar que a Termodinâmica muitas vezes (quase sempre!) atua para a
degradação dos materiais.
6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO
 Ação do meio sobre o material:
CORROSÃO
RADIAÇÃO
DESGASTE
(físico)
Nenhum material é 
totalmente inerte a qualquer 
ambiente. Consequência: 
degradação do material
 A degradação pode ser classificada em quatro mecanismos:
1. Químico
2. Eletroquímico
3. Radiação induzida
4. Desgaste
ESTRUTURA PROPRIEDADES
PROCESSO DE FABRICAÇÃO
CIÊNCIA DOS MATERIAIS
DESEMPENHO
6.2 CORROSÃO E OXIDAÇÃO
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 Oxidação : reação química direta entre metal e O2 da atmosfera (também N2, S, etc.): facilita a oxidação, limitando a vida útil
do material ou protege o metal. Óxidos metálicos têm maior estabilidade (maior energia de ligação, maior ponto de fusão) em
relação ao metal puro. Exemplo: PF do Al 660°C e do Al2O3 2054°C
6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO
6.2.1 Oxidação - Ataque químico da atmosfera
4 MECANISMOS possíveis na oxidação de metais:
b), c) e d ) Filme não poroso: os íons se difundem de forma a reagir com o oxigênio na face externa
(óxido-meio) (b) ou na interface óxido-metal (c) no interior da camada (d): crescimento da camada
diminui com o crescimento da espessura do filme óxido.
a) Formação de um óxido poroso, não protetor: filme de óxido poroso através do qual o O2 pode
passar continuamente e reagir na interface metal-óxido: crescimento do filme à taxa constate.
dy = C1 y = C1t + C2 
dt
CRESCIMENTO LINEAR DA TAXA!C2 = y para t = 0
dy = C3 1
dt y
y2 = C4t + C5 C5 = y
2 para t = 0 TAXA DE CRESCIMENTO PARABÓLICA, COM CAMADA 
DENSA E UNIFORME!
Comparação entre o 
crescimento linear, 
parabólico e o logarítmico
Interação entre os tipos de mecanismos: lei de crescimento cúbica. Exemplo:
oxidação da camada de zircônio: adição iônica e difusão.
y3 = C6t + C7 C7 = y
3 para t = 0
6.2 CORROSÃO E OXIDAÇÃO
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LEI DE PILLING-BEDWORTH
6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO
6.2.1 Oxidação - Ataque Direto da Atmosfera
RPB = Vóxido = Móxido . rmetal
Vmetal n . Mmetal . róxido
R < 1  camada de óxido muito fina, 
provavelmente trincada: não protetora (ex. Mg)
R > 2  camada de óxido desplaca: não 
protetora (ex. Fe)
1 > R < 2  pode ser criada uma camada 
protetora (ex. Al, Cr (aço inoxidável)
descreve a tendência de um metal formar ou não uma camada protetora
metal forma uma camada protetora de óxido? onde:
M = massa 
r = densidade 
n = n° de átomos do metal
No entanto, as exceções à razão PB são numerosas. Muitas das exceções podem
ser atribuídas ao mecanismo do crescimento do óxido: a regra PB pressupõe a
necessidade de oxigênio difundir através da camada de óxido à superfície do metal.
Como visto, muitas vezes é o íon de metal que se difunde para a superfície externa
do óxido.
6.2 CORROSÃO E OXIDAÇÃO
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6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO
6.2.2 Corrosão aquosa - Ataque eletroquímico
Força motriz 
concentração de íons na 
solução
Reação anódica
Fe° Fe2+ + 2e-
Reação catódica
Fe2+ + 2e-  Fe°
Rotação de um disco de latão em uma solução aquosa
contendo íons de Cu+2, produzindo um gradiente na
concentração iônica próxima a superfície.
6.2 CORROSÃO E OXIDAÇÃO
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6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO
6.2.3 Corrosão galvânica de dois metais
Força motriz 
diferente tendência que estes 
metais têm de se ionizar
Quanto menor o potencial de 
redução mais ativo é o metal, e 
mais anódico
sujeito à corrosão
Pode ocorrer em meio aquoso diferenciado, por exemplo 
água do mar, e além disso, entre ligas metálicas diferentes.
Reação anódica
Fe° Fe2+ + 2e-
Reação catódica
Cu2+ + 2e-  Cu°
Em ambientes ácidos a corrosão ocorre mesmo na 
ausência de oxigênio
Parafuso de aço em uma placa de latão criando uma célula galvânica
Célula galvânica pode ser produzida em 
escala microscópica
6.2.4 Corrosão por redução gasosa
• Duas moléculas de água são consumidas por 4 e- no circuito 
externo para reduzir a molécula de oxigênio para 4 íons OH. 
• Fe do cátodo é fonte de elétrons
Reação anódica
O2 + 2H2O +4e
-  4 OH-
6.2 CORROSÃO E OXIDAÇÃO
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6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO
Exemplos práticos de corrosão devido a concentração de oxigênio na célula
6.2.5 Efeito da tensão mecânica sobre a corrosão
Regiões de alta tensão são anódicas em 
relação a regiões de baixa tensão
Logo, um estado de mais alta energia de um 
metal tensionado em relação ao de menor 
energia induz a uma barreira de ionização
6.2 CORROSÃO E OXIDAÇÃO
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6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO
Exemplo: prego dobrado, ou devido a 
própria fabricação de um prego, observa-se 
zonas tensionadas, sujeitas à corrosão
Em uma microestrutura os contornos de grão são regiões de mais alta energia, logo 
são mais susceptíveis para acelerar o ataque à corrosão e desenvolvê-la
6.2.6 Prevenção contra à corrosão
1. Selecionar os materiais de acordo com sua aplicação
p. ex.: para não formar um par galvânico
2. O projeto deve ser executado de forma que não ocorram regiões tensionadas, mais propícias à corrrosão;
3. Uso revestimentos protetores na superfície do material:
- metálicos: ex. cromagem, zincagem, aço estanhado
- cerâmicos: ex. esmaltação, aspersão térmica
- polímeros: ex. pintura com base polimérica
4. Pode-se ainda utilizar como método de prevenção à corrosão:
- ânodo de sacrifício
- corrente imposta
- aço inox com cromo
6.2 CORROSÃO E OXIDAÇÃO
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6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO
(a) aço galvanizado consiste de um revestimento de zinco sobre o substrato de aço; (b) 
contraste: um revestimento mais nobre como placas de estanho é protegida pelo aço.
Para não haver migração de elétrons no sentido 
normal da reação
Placas de Zn ou Mg oxidam e protegem o metal
Aço inox (camada protetora de óxido de Cr)
CERÂMICOS
- não tem e- livres  difícil par galvânico
- são mais estáveis no meio
- susceptível à corrosão devido a H2O na fadiga estática
- corrosão à quente em cerâmicos  termocorrosão (materiais refratários)
6.2.7 Degradação química de Cerâmicos e Polímeros
6.2 CORROSÃO E OXIDAÇÃO
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6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO
POLÍMEROS
Degradam em presença de O2 e com ultravioleta 
enfraquecimento e quebra das grandes cadeias (moléculas)
Exemplo: borracha não vulcanizada (corrosão por solventes 
orgânicos)
Danos em função da energia envolvida na onda eletromagnética
E = h . 
 = c / 
E = energia
h = constante de Planck (0,6626 10-33 J/s)
 = freqüência
6.3 RADIAÇÃO
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6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO
Tipos de radiação
- eletromagnética
- ultravioleta
- raios X
- raios 
- por partículas  e 
- neutrons
Radiação por neutrons podem 
provocar vacâncias ou outros defeitos
Segundo os fenômenos de desgaste do material, pode-se classificá-lo como:
a) ADESIVO
b) ABRASIVO
c) EROSÃOd) CAVITAÇÃO
Desgaste não depende somente da partícula que
está desgastando mas também da superfície
desgastada e do meio
SISTEMA TRIBOLÓGICO
6.4 DESGASTE
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6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO
Sistema tribológico
1 Objecto de base
2 Corpo oponente
3 Influências adjacentes: temperatura, umidade relativa, pressão
4 Material intermediário: óleo, graxa, água, partículas, contaminantes
5 Carga
Um sistema tribológico consiste nas superfícies de dois componentes que se encontram em contato
móvel um com o outro e com a área adjacente. O tipo, evolução e extensão do desgaste são
determinados pelos materiais e acabamentos dos componentes, eventuais materiais intermédios,
influências da área adjacente e condições de operação.
ADESIVO Duas superfícies de contato deslizando uma sobre a outra, resultando no arrancamento de 
partículas.
V = k P x
3 H
V = volume de material desgastado
k = coeficiente de atrito entre superfícies
x = distância de deslocamento relativo
P = carga
H = dureza da superfície atacada
Superfícies submetidas a condições de desgaste adesivo.
6.4 DESGASTE
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6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO
6.4 DESGASTE
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6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO
ABRASIVO Superfície dura sobre uma mais mole, ocorrendo a perda de material desta segunda superfície.
Ex.: Usinagem
Desgaste abrasivo como 
um polimento
Desgaste abrasivo como 
um desbaste
Desgaste abrasivo entre 
dois materiais com 
diferentes graus de 
dureza. Material superior 
está desgastando o 
inferior.
Desgaste abrasivo entre 
dois materiais com 
diferentes graus de 
dureza. Material superior 
está desgastando o 
inferior, formando sulcos.
Comparativo de abrasão entre materiais de tubos de esgoto urbano.Superfícies submetidas a condições de desgaste abrasivo.
6.4 DESGASTE
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6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO
EROSÃO Jato de partículas sobre uma superfície. Ex.: jato de areia
Partículas retiradas por desgaste
Variação da erosão com o ângulo de impacto para deferentes materiais, demonstrando o comportamento característico de materiais dúcteis e frágeis.
Variação da taxa de
erosão do aço com o
tamanho de partículas a
90°, para diferentes
velocidades de impacto.
6.4 DESGASTE
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6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO
CAVITAÇÃO Colapso de bolhas causa desgaste e a superfície fica com aspecto polida, porém côncava.
O mecanismo de desgaste por cavitação: qualquer líquido contém bolhas, que servem como núcleos de cavitação. Quando a
pressão é reduzida a um determinado nível, as bolhas se tornam o repositório de vapor ou de gases dissolvidos. O resultado
imediato dessa condição é que as bolhas aumentam rapidamente de tamanho. Posteriormente, quando as bolhas entram em
uma zona de pressão reduzida, tomam um tamanho reduzido como resultado da condensação de vapores que elas contêm.
Este processo de condensação surge de modo rápido, acompanhado por choques hidráulicos, emissão do som, destruição dos
ligações nos materiais e outros fenômenos indesejáveis.
Modelo de propulsor gerando a cavitação em um túnel de água 
experimental. 
Danos de cavitação evidentes numa hélice de um barco de giro esquerdo 
6.5 EXERCÍCIOS
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6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO
Data de entrega: DATA DA 3a PROVA
1. Os seguintes dados foram coletados durante a oxidação de uma pequena barra de liga metálica. Tempo Ganho de massa (mg)1 
min 0,401 hora 24,01 dia 576. O ganho de massa é devido a formação de óxido. Devido às condições experimentais, não é possível 
inspecionar visualmente a camada de óxido. Diga se ela é (1) porosa e descontínua ou (2) densa e tenaz. Explique brevemente sua 
resposta. 
2. As densidades para três óxidos de ferro são FeO (5,70 Mg/m3), Fe3O4 (5,18 Mg/m
3) e Fe2O3 (5,24 Mg/m3). Calcule a razão de 
Pilling-Bedworth para o ferro relativo a cada tipo de óxido e comente as implicações para a formação de uma camada protetora.
3. Dada a densidade do SiO2 (quartzo) = 2,65 Mg/cm
3, calcule a razão de Pilling-Bedworth para o silício e comente as implicações 
para a formação de uma camada protetora se o quartzo fosse o óxido formado.
4. Em contraste com o assumido no problema anterior, a oxidação do silício tende a produzir um filme de sílica vítrea com densidade 
= 2,20 Mg/cm3. A fabricação de semicondutores rotineiramente envolve estes filmes vítreos. Calcule a razão de Pilling-Bedworth para 
este caso e comente as implicações para a formação de um filme tenaz. 
5. Verifique a assertiva relativa às equações dy/dt = c3/y e y
2 = c4t + c5 em que c4 = 2c3 e c5=y
2 em t=0. 
6. Em uma célula de corrosão por concentração iônica envolvendo níquel (formando Ni+2), uma corrente elétrica de 5 mA foi medida. 
Quantos átomos de Ni por segundo são oxidados no ânodo? 
7. Para a célula descrita no problema anterior, quantos átomos de Ni por segundo são reduzidos no cátodo? 
8.(a) Em uma célula galvânica simples consistindo de eletrodos de Co e Cr imersos em soluções iônicas 1 molar, calcule o potencial
da célula. (b) Qual metal sofrerá corrosão nesta célula? 
6.5 EXERCÍCIOS
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6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO
9. Identifique o ânodo nas seguintes células galvânicas, incluindo uma breve discussão para cada resposta. (a) eletrodos de cobre e 
níquel em soluções padrão de seus próprios íons, (b) uma microestrutura bifásica de uma liga Pb-Sn 50:50, (c) uma solda chumbo-
estanho em uma liga de alumínio 2024 na água do mar, e (d) um parafuso de latão em uma placa de Hastelloy C, também em água 
do mar.
10. Uma liga cobre-níquel (35% peso – 65% peso) é corroída em uma célula de concentração de oxigênio gasoso usando água em 
ebulição. Que volume de oxigênio gasoso (a 1 atm) será consumido no cátodo para corroer 10g da liga? (Assuma que somente íons
bivalentes são produzidos). 
11. Assuma que ferro é corroído em um banho ácido, com a reação do cátodo sendo dada pela equação 2H+ + 2e- = H2 reação de 
redução do hidrogênio. Calcule o volume de gás H2 produzido nas CNTP para corroer 100g de ferro. 
12. Um ânodo de sacrifício de zinco protege da corrosão com uma corrente média de 2A no período de 1 ano. Que massa de zinco é 
necessária para esta proteção? 
13. Um tipo de dano causado por radiação encontrado em uma variedade de sólidos está associado com a produção do par elétron-
pósitron, que ocorre em um patamar de energia de 1,02 MeV. (a) Qual é o comprimento de onda deste fóton? (b) Que tipo de 
radiação eletromagnética é esta? 
14. Calcule o diâmetro de uma partícula de abrasão para um disco de cobre sobre um aço 1040. Suponha uma carga de 40kg para 
uma distância de 10mm. (Dureza Brinell do aço 1040 = 235; k(x103) do cobre sobre o aço carbono = 1,5).
15. Calcule o diâmetro de uma partícula de abrasão produzida pelo desgaste adesivo de duas superfícies de aço inoxidável 410 sob
às mesmas condições do problema anterior. (Dureza Brinell do aço inox 410 = 250; k(x103) do aço inox sobre o aço inox = 21).