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Resumo P1 - CEMAT Átomos e ligações químicas As propriedades dos materiais dependem do arranjo de seus átomos e das e das liga- ções entre os mesmos. Por que os átomos formam ligações? ‧ Eles formam ligações, pois ficam termodinamicamente mais está- veis e também porque existe a diminuição da energia potencial. Ligações primárias: iônica, metálica e co- valente. Ligações secundárias: forças eletrostáticas ou de Van der Walls (dipolo-dipolo; ponte de hidrogênio) Distância Interatômica Existem três tipos de ligações fortes. As forças nessas ligações atraem dois ou mais átomos. Distância de separação entre os átomos on- de o limite da força de atração é à força de repulsão. Resultado da interação entre forças de re- pulsão e atração. 𝐹𝐴 = − (𝑍1𝑒)(𝑍2𝑒) 4𝜋𝜖0𝑎2 𝐹𝑅 = − 𝑛𝑏 𝑎𝑛 + 1 𝐹𝑇 = 𝐹𝐴 + 𝐹𝑅 É o resultado da interação entre forças de repulsão e atração. A variação de FT om a distância leva a ener- gia de ligação entre átomos (força associada à tensão necessária para separar dois áto- mos). Energia de Ligação Está associada à ligação iônica, soma das energias envolvidas com a atração e repul- são dos íons. Materiais sólidos Possuem três arranjos atômicos: ‧ Estrutura Cristalina: sólidos metá- licos (Au, Pb, Cu), iônicos (NaCl, MgO) e covalentes (Diamante, Si). ‧ Estrutura Amorfa: materias cerâ- micos (vidro), polímeros (cadeias complexas) e metálicos solidificados rapidamente (ligas complexas). ‧ Estrutura Molecular: materiais po- liméricos (polietileno, borracha na- tural). Arranjo Em materiais, dependem de forças intera- tômicas e da direcionalidade das ligações. Ligações Pode ser forte ou fraca, direcional ou não. Consequência de variações de energia e da localização dos elétrons no espaço. Força de atração: Força de repulsão: Força Total: Empacotamento Atômico Direcionais: ‧ Covalentes e dipolo-dipolo ‧ Arranjo deve satisfazer os ângulos das ligações direcionais. Não-Direcionais: ‧ Metálica, iônica, van der Walls. ‧ Arranjo depende de aspectos geomé- tricos e da garantia de neutralidade elétrica. ‧ Metais: maior empacotamento pos- sível. ‧ Compostos iônicos: neutralidade elétrica e relação entre tamanhos. Estrutura Cristalina Diversas substâncias formadas por cris- tais: faces planas, ângulos definidos entre uma face e outra. Crescimento dos cristais: adição de cama- das externas de átomos ou moléculas (não crescimento interno) e reserva os ângulos. Forma geométrica externa: consequência do arranjo interno dos átomos ou molécu- las. Sistemas Cristalinos Formados por unidades básicas e repetiti- vas, as células unitárias (menor arranjo de átomos que pode representar um sólido cristalino). As dimensões das células cristalinas metáli- cas são pequenas. Existem sete sistemas cristalinos bási- cos: Cristais Compactos Fator de Empacotamento O Fator de Empacotamento (F.E.) é o ní- vel de ocupação de átomos de estrutura cristalina. Estrutura CS – Po Estrutura CCC – Fe, Nb, Cr Estrutura CFC –Al, Cu, Au, Ag Estrutura HS Estrutura HC - Ti, Mg, Zn F.E. das estruturas cubicas e hexagonais: Alotropia ou Polimorfismo Fenômeno onde uma substancia apresenta variações de arranjos cristalinos em dife- rentes condições. Polimorfismo do carbono (C): diaman- tes/grafite. Polimorfismo do titânio (Ti): ‧ Baixa densidade, boa resistência me- cânica, alta resistência à fadiga e à corrosão. ‧ Modificação do comportamento me- cânico é obtido com a adição de ele- mentos de liga ao titânio. ‧ Elementos de liga podem mudar a estabilidade das estruturas cristali- nas. Direções e planos e cristais Propriedades mecânicas e direções e planos: ‧ Módulos de elasticidade: dire- ções mais compactas -> maior módulo. ‧ Deformação plástica: desliza- mento de planos -> planos com- pactos. Estabelecimento de posições no cristal. Não são usadas unidades. Direções em cristais cúbicos A A partir dos vetores �⃗�, �⃗⃗� e 𝑐, pode represen- tar qualquer vetor no sistema cristalino. Vetor da origem até o ponto (x, y, z). Determinação de uma direção Uma direção é dada pelas componentes do vetor que a escreve no sistema ortogonal x,y,z, partindo da origem, até o ponto (x,y,z). As coordenadas são reduzidas ao menor conjunto de números inteiros. A unidade de medida de cada eixo é função d o parâmetro de rede de cada eixo e assim, não representa valores reais de distância. A notação empregada é [u v w] (entre col- chetes) e representa uma linha que vai da origem até um ponto de coordenadas (u,v,w). Os índices negativos são representados por uma barra sobre os mesmos: Quaisquer direções paralelas são equivalen- tes. Um vetor que passa na origem, em (1,1,1), em (2,2,2), e em (3,3,3) pode ser identifica- do pela direção [111]. Em cristais, uma família de direções está associada a um conjunto de direções com características equivalentes. A notação empregada para representar uma família de direções é <uvw>, que contém as direções: Planos em cristais cúbicos São identificados pelos Índices de Miller. Equação do Plano: Onde a, b e c são os pontos de interceptação do plano com os eixos x, y e z. Como a, b e c podem ser menores que 1 ou infinito no caso do plano ser par a l elo a um eixo, adota - se o inverso dos valores de a, b e c: Índices de Miller (h, k e l): hx + ky + lz = 1 (Equação do Plano). Determinação de uma direção Plano não pode passar pela origem (0,0,0). Planos paralelos são equivalentes. Obtenção dos pontos de interceptação do plano com os eixos x, y e z. Obtenção dos inversos das interceptações. Obtenção do menor conjunto de números inteiros. Índices obtidos devem ser apresentados entre parênteses: (h k l). Índices negativos são representados por uma barra sobre os mesmos: Em cristais, alguns planos podem ser equi- valentes, o que resulta em uma família de planos. A notação empregada para representar uma família de planos é {h k l}, que contém os planos: Direções em cristais hexagonais Direções são indicadas por quatro índices: ‧ Índices: u, v, t e w, apresentados en- tre colchetes. ‧ Sistema de quatro eixos: · Índices u, v e t estão associa- dos aos eixos a1, a2, e a3. · Índice w refere-se ao eixo c. · Condição: u + v = -t. Identificação de direções: Planos em cristais hexagonais Planos são indicados por quatro índices: ‧ Índices: h, k, i e l, apresentados en- tre parênteses. ‧ Sistema de quatro eixos: · Índices h, k e i estão associa- dos aos eixos a1, a2, e a3. · Índice l refere-se ao eixo c. · Condição: h + k = -i. Densidade de átomos Densidade Linear: Densidade Planar: Difusão Atômica O movimento de matéria através da matéria Em gases, líquidos e sólidos, os átomos es- tão em constante movimento: · Em gases, movimento é relativa- mente rápido. · Em líquidos, movimento é mais len- to que em gases. · Em sólidos, movimento é muito len- to. Difusão atômica resulta da vibração dos átomos em torno de posições da rede crista- lina. À medida que a temperatura é elevada, o movimento atômico torna-se mais intenso. Difusão atômica em processos industriais: cementação de aços (camada enriquecida). Mecanismos de difusão Mecanismos que possibilitam o movimento atômico no estado sólido dependem da re- lação entre raios atômicos do soluto e sol- vente. ‧ Raio do soluto ≈ Raio do solvente ‧ Raio do soluto << Raio do solvente • ‧ Raio do soluto ≈ Raio do solvente (posições intersticiais) Difusão através de vazios: Difusão de elementos intersticiais: Origens da difusão atômica Movimento atômico é resultado da energia cinética de cada átomo ou da distribuição de energia. ‧ Poucos átomos com energia muito pequena. ‧ Poucos átomos com energia muito elevada. ‧ Muitos átomos com energia próxima à média. Distribuição de energia de energia em duas temperaturas Teoria estatística → nº de átomos em difusão, n: Coeficiente de difusão A partir de análises estatísticas, define-se o coeficiente de difusão ou difusividade: Equação do fluxo atômico Fluxo de átomos (J) entre dois planos atô- micos é função: ‧ Distância entre planos. ‧ Concentração de átomos nos planos. ‧ Energia dos átomos nos planos. O Fluxo J é dado por: D é o coeficiente de difusão. Difusão em regime permanente Ocorre quando a concentração de átomos em difusão (c) varia com a distância (x) e é constante em cada ponto, ou seja, é cons- tante no tempo. Tanque de aço de paredes finas com h em alta pressão Difusão em regime transiente Ocorre quando a concentração de átomos em difusão atômica (C) varia com a distân- cia (x) e com o tempo. O Fluxo atômico em regime transiente é dado pela 2ª Lei de Fick: Soluções da equação de difusão Depende do tipo de processo em questão, exis- tem dois processos utilizados na indústria me- talúrgica onde a difusão atômica é observada: • Homogeneização de fundidos: durante a fundição de peças metálicas pode ocorrer segregação de soluto em torno de ramifica- ções dendríticas, o que resulta no compor- tamento senoidal da composição. Essa se- gregação é prejudicial ao desempenho do componente e pode ser eliminado através da difusão atômica. • Cementação de aços: algumas aplicações exigem que uma peça tenha dureza superfi- cial e alta tenacidade de seu núcleo, como é o caso de uma engrenagem. Isso pode ser obtido através do tratamento de cementa- ção de um aço com baixo carbono. Homogeneização do carbono Se existe uma variação senoidal se soluto, onde a concentração média é C, haverá mo- vimento de átomos de região ricas em solu- to para pobres em soluto. Cementação • Solução é obtida considerando que a difu- são atômica ocorre em um meio definido como semi-infinito. • Sistema é semi-infinito porque a concentra- ção em x→∞ é mantida constante ao longo do processo. • Concentração inicial (Co) é uniforme em toda e peça. • Concentração em x=0 é constante: C(0,t) = Cs. • Cs: concentração da superfície. Solução da equação de difusão é: 𝐶𝑥 − 𝐶𝑜 𝐶𝑠 − 𝐶𝑜 = 1 − erf ( 𝑥 2√𝐷𝑡 ) Função Erro Diagrama de fases Conceitos gerais: representação gráfica das fases presentes em um sistema material de acordo com as condições de pressão, tempera- tura e composição. • Fase: em termos de microestrutura, fase é uma região que difere de outra em relação à estrutura cristalina e/ou composição. • Maioria dos diagramas de fase é obtida em condições de equilíbrio: • Informações obtidas de diagramas de fases: Fases presentes em diferentes condições; Solubilidades sólidas de um componente no outro; Transformação de novas fases de um sis- tema. Ligas metálicas • Conceito de se associar pureza de um mate- rial ao ótimo desempenho do mesmo nem sempre é correto em engenharia. • Maioria dos produtos metálicos é combina- ção de dois ou mais elementos, com o obje- tivo de aprimorar propriedades. • Tipos de ligas em função da microestru- tura: Ligas monofásicas: existe solubilidade do soluto no solvente, não ocorre a forma- ção de precipitados. Ligas polifásicas: solubilidade do soluto no solvente foi ultrapassada, formando uma segunda fase que pode ser: solução sólida ou composto intermetálico. Substância pura • Fases: sólido, líquido, vapor. • No ponto triplo: as três fases em equilíbrio. • Na linha de solidificação: sólido e líquido em equilíbrio. • Na linha de vaporização: vapor e líquido em equilíbrio. Diagrama de Fases do Cobre Tipos de diagramas de fases • Variáveis de diagramas de fases metálicos: temperatura e composição. • Diagrama de fases com mais de um compo- nente podem ser de dois tipos, em função da precipitação ou não de segundas fases: Diagrama de fases ISOMORFOS: ape- nas uma fase no estado sólido. Diagrama de fases ANISOMORFOS: duas ou mais fases sólidas são observa- das. Sistemas isomorfos • Componentes têm a mesma estrutura cris- talina. • Raios atômicos têm valores próximos. • Compatibilidade eletroquímica. • Ex. clássico (sistema Ni-Cu): • Em diagramas de fases, as fases sólidas são designadas por letras gregas: α, β, δ, ε, ϕ, γ. Regra da alavanca Sistema anisomorfos • Caracterizam-se por formar mais de uma fase no estado sólido. • Principais sistemas anisomorfos: Sistema eutético: LÍQUIDO = FASE α + FASE β Sistemas semelhantes ao eutético · Monotético: LÍQUIDO = LÍ- QUIDO + FASE α · Eutetóide: FASE β = FASE α + FASE γ Sistema peritético: LÍQUIDO + FA- SE β = FASE α Sistema semelhantes ao peritético · Peritetóide: FASE α + FASE γ = FASE β Obtenção de diagramas • Envolve técnicas sofisticadas como a difra- ção de raio-x, dilatometria e análise térmica. • Análise se curvas de resfriamento permite obter diagramas pouco complexos. Regras das fases • J. W. Gibbs estabeleceu as regras das fases: P + F = C + N P: n° de fases que coexistem no sistema. C: n° de componentes no sistema. F: grau de liberdade do sistema ou n° de variá- veis (P, T, C) que podem ser alteradas indepen- dentemente sem alterar a estabilidade do sis- tema. N: n° de variáveis que não estão ligadas. • Em metais a pressão é constante então, N = 1. Variáveis: temperatura e composição. Ligas de alumínio • Endurecimento através de solubilização, precipitação e envelhecimento. • Ex: aviões. Análise da estrutura cristalina • Estrutura cristalina: tipo de célula unitá- ria. • Método de análise: difração de raios-x. • Rede cristalina pode difratar os raios-x (provocar interferência construtiva de rai- os-x). Geração de raios-x • Aplicação de voltagem de 35kV entre cato- do e anodo em vácuo. • Filamento e tungstênio são aquecidos e li- bera elétrons por emissão termo-iônicos. • Elétrons são acelerados e atingem o alvo. • Elétrons K são retirados do átomo pelo bombardeio de elétrons. • Elétrons das camadas L e M são deslocados para a camada K. • Transição de L para K gera energia com λ=Kα. Espalhamento de raios-x • Quando um feixe de raios-x atinge átomos, elétrons vibram e emitem ondas com a mesma frequência e em todas as direções. • Superposição de ondas por diversos átomos na difração: Difração de raios-x • Para haver interferência construtiva feixes 1 e 2 devem estar em fase • Difração não ocorre se a Lei de Bragg não é satisfeita. • Difração não necessariamente ocorre se a Lei de Brgg é satisfeita. • Intensidade de difração depende da posição de cada átomo de fator de espalhamento de cada átomo (F). • F: Medida da eficiência de cooperação dos elétrons de um átomo no espalhamento da radiação incidente. • Nem todos os planos provocam difração: CS: Todos os planos difratam. CCC: Planos correspondentes A -> (h+k+l) = par. CFC: Planos onde h, k, l são todos pa- res ou todos ímpares. Determinação das estruturas • Estruturas cúbicas podem ser determinadas a partir das linhas de difração: Cálculo dos valores de sen2ϴ. Valores de sen2ϴ em ordem crescen- te. Valores de (h2+k2+l2) em ordem crescente. Quando sen2ϴ1/ sen2ϴ2 = 0,5 = Es- trutura CCC. Quando sen2ϴ1/ sen2ϴ2 = 0,75 = Es- trutura CFC. Comportamento dos materiais sob tensão Tensão x Deformação O efeito de tensões na estrutura de metais pode ser observado na forma de deforma- ções: ‧ Em estruturas de engenharia, onde a deformação elástica está presente. ‧ Em peças conformadas plasticamen- te. Definições Aplicação de forças em um objeto gera ten- sões: ‧ 𝑇𝑒𝑛𝑠ã𝑜 = 𝑓𝑜𝑟ç𝑎 á𝑟𝑒𝑎 ⁄ ou 𝜎 = 𝐹 𝐴⁄ . ‧ Unidades: psi = lb/in2 ou n/m2 = Pa. Aplicações de tensões geram deformações: ‧ 𝐷𝑒𝑓 = 𝑣𝑎𝑟𝑖𝑎çã𝑜 (𝑐𝑜𝑚𝑝) 𝑐𝑜𝑚𝑝 𝑖𝑛⁄ ‧ Ou 𝜀 = ∆𝐿 𝐿𝑜⁄ ‧ Unidades: in/in ou m/m. ‧ Deformações: · Elástica (avião). · Plástica (forja). Propriedades mecânicas Ensaio de tração. Permite determinar: · Módulo de elasticidade. · Resistência à tração. · Limite de escoamento. · Plasticidade/fragilidade. Ensaio de tração Limite de escoamento (gráfico): limite máximo de deformação elástica, após é plástica (não volta ao estado original). ‧ 0,2% para frente da curva (paralela). Tipos de materiais Deformação elástica Tipo de deformação não permanente que desaparece com a retirada do esforço me- cânico. Lei de Hook: relação entre tensão aplicada e deformação resultante. E = 𝜎 𝜀⁄ . Unidades: psi = lb/in2 ou n/m2 = Pa. “E” é conhecido como Módulo de Young. Eaço=2,0x105 MPa. Eligas Al = 0,7x105MPa. Módulo de elasticidade “E” varia com a direção cristalográfica. Ex.: ferro. Deformação por cisalhamento Deformação plástica Existem dois mecanismos: deslizamento de planos e maclação. Deslizamento é provocado por tensões de cisalhamento. Discordâncias e a deformação Movimento de discordâncias: o movimen- to de uma discordância pode ser compara- do ao movimento de uma dobra em um ta- pete. Discordâncias mistas: componentes em aresta como em espiral. Discordância aresta: direção movimento = direção tensão. Discordância espiral: direção movimento perpendicular à direção da tensão. Deformação de monocristais Dureza Medida de resistência de um material a pe- netração. Durezas são medidas relativas e a compara- ção entre as diferentes escalas deve ser fei- ta de maneira cuidadosa. Ensaios de dureza são bastante usados: Simples e baratos. Ensaio não destrutivo. Algumas propriedades podem ser estimadas a partir da dureza. Ensaio de dureza Dureza Brinell: Teste antigo e mais utilizado. Bola de aço ou carbeto de w é usada para impressionar superfície. Cargas: 500 ou 3.000 kg por 30 s. Medidas: diâmetro da impressão. Fadiga Fenômenos observados em ferrovias em 1880. Falha em estruturas sujeitas a tensões di- nâmicas e flutuantes. Falha pode acontecer com tensões menores que a de limite de escoamento para carre- gamento estático. Três divisões: iniciação, propagação da trinca e falha catastrófica. Superfície de fadiga: Baixa ampliação: marcas de praia indi- cam que aconteceu fadiga. Setas indicam a direção de crescimento na fratura. Alta ampliação: estrias de fadiga for- madas durante o fenômeno de fadiga. Ensaio de fadiga: durante o ensaio regis- tra-se carga (P) em função de número em função de número de ciclos (Nf). Curva S-N Curva tensão x Nº de ciclos até a falha O Teste de Fadiga indica a vida de um componente submetido a determinado ní- veis de solicitação. O Limite de Fadiga representa o valor má- ximo de tensão abaixo do qual o material pode suportar um nº infinitos de ciclos. A Resistência de Fadiga é a máxima tensão na qual a falha não ocorre dentro de um de- terminado nº de ciclos. Fluência Componentes submetidos a altas tempera- turas e a tensões estáticas podem apresen- tar deformações de fluência. É a deformação permanente. Observada em todos os tipos de materiais. Em metais, torna-se importante em tempe- raturas superiores a 0,4 TF (temperatura absoluta de fusão). Plásticos e polímeros também são sensíveis. Mecanismos de Fluência: Salto de discordâncias: · Aumento da temperatura permite que átomos movi- mentam-se por difusão. · Átomos podem deixar a linha de discordância ou migrar para junto para junto à linha de discordância. · Movimento da discordância perpendicular ao plano de deslizamento causa a defor- mação por fluência. Curva de fluência: Para temperatura e tensão é cons- tante. Inclinação da curva, ∆ℰ ∆𝑡⁄ , é a taxa de fluência. Fluência Primária: taxa de fluência decrescente. Fluência Secundária: taxa de fluên- cia constante. Fluência Terciária: taxa de fluência aumenta e ocorre a ruptura. Efeito da temperatura e tensão: Afetam as características da fluência. Para temperaturas inferiores a 0,4 TF, deformação independente do tempo. Aumenta da tensão ou da tempera- tura resulta em aumento da taxa de fluência do regime terciário e vida até a ruptura diminui. Lanon-Miller: Usado para avaliar tensão- temperatura-ruptura de componen- tes. 𝐿. 𝑀. = ( 𝑇 100 )(𝐴 + 𝐵 𝑙𝑛𝑡) A e B: constantes. T: kelvin (K). t: horas.
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