1-Materiais Metálicos_2

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04/04/2019
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Dia Assunto Temas de aula
21/03 Materiais Metálicos 1)Sistemas cristalinos, soluções e misturas (diagramas de fase)
28/03 2)Ligas metálicas e sua microestrutura:
transformações de fase em aços
4/4 3)Comportamento mecânico de materiais metálicos: 
mecanismos de endurecimento 
11/4 4) Comportamento mecânico de materiais metálicos: 
mecanismos de deformação plástica
18/04 5) Comportamento mecânico de materiais metálicos: efeitos da 
temperatura
25/4 Processos de 
Conformação
6) Entendendo a compressão simples Interação ferramenta/ 
material
2/5 7) Forjamento
9/5 8) Laminação
16/5 9) Extrusão
23/5 Processos de Corte e 
Desgaste
10)Ruptura por cisalhamento: o corte e interação ferramenta 
/material
30/5 11) Torneamento
6/6/ 12) Fresamento
13/6 13) Conceitos de desgaste/ Retificação
27/6 Prova
4/7 Seminários
Programação- Fundamentos de Metais e de Processos de Fabricação
Materiais Metálicos
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LIGAÇÃO METÁLICA
• envolve compartilhamento de elétrons
• não direcional
• metais possuem de um a três elétrons de
valência
• os elétrons de valência passam a ser
elétrons “livres”, que (i) apresentam a
mesma probabilidade de se associar a
um grande número de átomos vizinhos e
(ii) formam uma nuvem eletrônica
• formam sólidos cristalinos
Metais:
•Podem ser deformados mecanicamente
•São opacos, refletem a luz quando a sua superfície está polida.
•Oferecem boa condutividade ao calor e a eletricidade
•Formam estruturas cristalinas compactas (empilhamento de esferas).
A A A A
A A A A
A A A A
B B B
B B B
ABABAB
hexagonal
ABCABCABC
cúbico de face centrada
ABABAB
cúbico de corpo centrado
ou
74% do 
espaço útil 
68% do 
espaço útil 
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Descontinuidades da ordem cristalina (“defeitos”)
•Contornos de grão (tridimensionais)
•Discordâncias (bidimensionais)
1
2
3
4
Defeitos puntiformes presentes na 
estrutura cristalina: 
1- Lacuna,
2- átomo intersticial, 
3- átomo substitucional de maior raio, 
4- átomo substitucional de menor raio. 
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Materias Metálicos
π
τ
230
G
a
G
teórico =
material Módulo de 
Cisalhamento 
(MPa)
Tensão de 
cisalhamento 
teórica (MPa)
Tensão de 
cisalhamento 
real (MPa)
Aço 75.800 2.500 – 12.000 150 – 750
Ligas de alumínio 27.500 900-4.400 50 - 150
Ligas de cobre 41.400 1.400 – 6.600 100 – 250
Ligas de titânio 44.800 1.500 – 7.100 350 - 800
Discordâncias e limite de escoamento: antes que seja atingida a tensão 
teórica de escorregamento discordâncias são geradas e se multiplicam no 
material. São elas que tornam a deformação plástica possível a tensões muito 
menores do que a tensão de cisalhamento teórica para um determinado 
sólido cristalino.
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Von Misses: materiais dúcteis tendem ao escoamento ou à ruptura quando o 
estado de tensões se afasta do hidrostático
])()()[(5,0 232
2
31
2
21 σσσσσσσ −+−+−=v
σσσσt, limt, limt, limt, lim
σσσσt, limt, limt, limt, lim
σσσσc, limc, limc, limc, lim
σσσσc, limc, limc, limc, lim
Nunca ourviram falar de 
critério resistência de 
Huber-Mises- Henky?
Critérios de Escoamento
Metais
1ª hipótese de deformação plástica: o encruamento é linear e isotrópico
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Número atômico
M
ó
d
u
lo
 d
e 
el
as
ti
ci
d
ad
e 
E 
(1
06
M
P
a)
Propriedades
CLASSE PROPRIEDADE
� Independentes da estrutura Coeficiente de expansão térmica; condutividade
térmica; módulo elástico, calor específico;
densidade.
� Dependentes da estrutura Resistência mecânica; tenacidade; ductilidade;
resistência à corrosão; limite de resistência à
fadiga; dureza; resistividade elétrica; coeficiente
de perda (atenuação de vibrações) e fluência;
Influência da microestrutura na curva 
tensão-deformação do aço AISI 1040 
Requisitos de projeto mecânico e propriedade relevante em cada caso.
Requisito Propriedade correspondente
Resistência mecânica Tensão de escoamento (σy; tensão de cisalhamento (τ)
Rigidez Módulo de elasticidade [E]
Estabilidade 
dimensional
Coeficiente de expansão térmica (α); temperatura homóloga 
(T/Tf); condutividade térmica (λ)
Segurança Tenacidade à fratura (KIC); Limite de resistência à fadiga (LRF); 
resistência à corrosão;
Resistência 
ao desgaste
Dureza*; viabilidade de tratamentos superficiais (anodização, 
cementação, nitretação)
Facilidade
de fabricação
Usinabilidade; dureza; temperabilidade; conformabilidade; 
soldabilidade; fluidez do metal líquido;
Durabilidade Limite de resistência à fadiga; características gerais de 
resistência à corrosão, dureza, efeitos de temperatura; efeitos 
de radiação ultravioleta (polímeros e compósitos); 
possibilidade de tratamentos superficiais; adesão de tintas. 
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A Formação de Ligas Metálicas
• Em ligações iônicas e covalentes, as características das ligações obrigam os 
átomos a assumirem posições e proporções definidas.
•A ligação metálica é indiferente à posição relativa entre os átomos e, 
portanto favorece a formação de distribuições aleatórias.
• Liga é uma substância macroscopicamente homogênea que possui 
propriedades metálicas e é composta de duas ou mais espécies químicas. 
• Qualquer espécie química pode servir como elemento de liga, embora 
apenas os elementos metálicos sejam adicionados em maior quantidade. 
• O elemento de maior proporção é chamado de solvente e o de menor 
proporção de soluto. 
• Uma liga pode ser constituída por uma solução sólida, isto é, o segundo 
elemento se incorpora na rede cristalina do primeiro, ou de uma mistura de 
fases, quando o segundo elemento se separa do primeiro formando cristais 
de natureza diferente. 
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aleatória ordenada Mistura de 
fases
Solução sólida 
intersticial
Solução sólida substitucional
Possíveis combinações de átomos em uma estrutura metálica
Existem condições que determinam a extensão em que metais podem dissolver 
outros metais, formando soluções sólidas primárias substitucionais; Hume-Rothery 
(1930) postulou as seguintes regras gerais: 
•O tamanho relativo dos átomos: O aumento da diferença de diâmetros atômicos 
entre solvente e soluto substitucional diminui o campo de solução primária. Se a 
diferença entre soluto e solvente é maior que 15% a solubilidade é baixa. 
•O fator eletroquímico: Quanto mais eletropositivo for um dos componentes e mais 
eletronegativo o outro maior a tendência à formação de intermetálicos em 
detrimento de uma solução sólida, e esta, se existir, será pequena. (Ex: Au4Al )
•A valência relativa: Mantendo outros parâmetros iguais, um metal de valência 
baixa é mais receptivo à dissolução de um metal de valência mais alta do que vice-
versa. (Ex: dissolução de Zn+2, Al+3 , Ga+3, Si+4 e Ge+4 em Cu+1 guarda relação com as 
suas valências)
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9
Li
1,55
Be
0,89
B
0,80
Na
1,90
Mg
1,36
Al
1,25
K
2,35
Ca
1,74
Sc
1,44
Ti
1,32
V
1,22
Cr
1,17
Mn
1,17
Fe
1,16
Co
1,16
Ni
1,15
Cu
1,17
Zn
1,25
Ga
1,25
Rb
2,48
Sr
1,91
Y
-
Zr
1,45
Nb
1,34
Mo
1,29
Te
-
Ru
1,24
Rh
1,25
Pd
1,28
Ag
1,34
Cd
1,41
In
1,50
Cs
2,67
Ba
1,98
La
1,69
Hf
1,44
Ta
1,34
W
1,30
Re
1,28
Os
1,26
Ir
1,26
Pt
1,29
Au
1,34
Hg
1,44
Tl
1,55
Raios atômicos dos elementos metálicos em Angstrons (10-10m), obtidos em 
reticulados metálicos puros.
Li
ccc
Be
hc
B
-
ccc- cúbico de corpo centrado
hc - hexagonal
cfc-cúbico de face centradaNa
ccc
Mg
hc
Al
cfc
K
ccc
Ca
ccc,cfc
Sc
cfc
Ti
hc,ccc
V
ccc
Cr
ccc
Mn
ccc
Fe
ccc,cfc
Co
hc
Ni
cfc
Cu
cfc
Zn
hc
Rb
ccc
Sr
cfc
Y
hc
Zr
hc
Nb
ccc
Mo
ccc
Te
hc
Ru
hc
Rh
cfc
Pd
cfc
Ag
cfc
Cd 
hc
Cs
ccc
Ba
ccc
La 
hc
Hf
hc
Ta
ccc
W
ccc
Re
hc
Os
hc
Ir
cfc
Pt
cfc
Au
cfc
Hg
-
•Os que se encontram próximos uns dos outros na Tabela Periódica na maioria das 
vezes se misturam facilmente formando ligas. Os mais distantes são na maioria das 
vezes incompatíveis.
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•Uma solução sólida pode existir dentro de um intervalo de composição.
• Na maioria das vezes, a miscibilidade é limitada, ou seja, existeum limite 
de solubilidade para o soluto. 
•Quando o intervalo de solubilidade de uma fase inclui a composição do 
metal puro a solução é descrita como primária baseada naquele 
componente. 
•Muitas soluções sólidas não incluem a composição do metal puro e são 
chamadas de secundárias. (normalmente com estrutura cristalina diferente 
das de seus componentes).
• Soluções sólidas secundárias e intermetálicos são parecidas sob o ponto 
de vista de não possuírem um intervalo de homogeneidade que se estenda 
até o componente puro. Assim, os dois tipos de solução são denominados 
de fases intermediárias.
O calor de solução e os diagramas de fase
•A temperatura de um material pode ser entendida como a energia de vibração 
presente em seu interior e que cada elemento metálico possui capacidades 
distintas de absorver calor (calor específico).
•A medida de temperatura pode ser feita por termopares: dois fios de ligas 
diferentes (Pt-Rh) são soldados em uma extremidade. Quando se aquece a 
extremidade soldada aparece na outra ponta dos fios uma tensão elétrica, o efeito 
termo-elétrico, que pode ser medida com um voltímetro. Quanto maior a 
temperatura, maior a tensão medida. 
•Como o calor específico e os calores latentes de transformação podem ser 
facilmente quantificados eles são utilizados para calcular e prever o sentido de 
reações químicas, assim como as mudanças de fase no estado sólido. 
•A formação de ligas normalmente passa por um processo de fusão, pois no 
estado líquido os átomos têm maior mobilidade e podem se misturar facilmente.
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Tempo, t Composição
Te
m
p
e
ra
tu
ra
, 
T
Te
m
p
e
ra
tu
ra
, 
T
•diagrama de equilíbrio ou diagrama de fases. 
onde M é a massa atômica do átomo A e N é a massa atômica do átomo B.
100
N%)at100(M%at
M%at
%peso ∗
∗−+∗
∗=
Solução sólida aleatória
Líquido
Solido + Líquido
Te
m
p
e
ra
tu
ra
(o
C
)
Diagrama de Equilíbrio Ag-Au
Diagrama de Equilíbrio Cu-Ni
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Campo Bifásico 
α α α α (Au) + αααα’ (Ni) 
Líquido 
Soluç ão Sólida 
α α α α (Au,Ni) 
L + sol . sol. 
L + sol. sol. 
T
em
pe
ra
tu
ra
 (
o
C
) 
Separação de fases no estado sólido
Diagrama Au-Ni apresenta um campo de solubilidade total logo abaixo da linha sólidus, em 
temperaturas mais baixas ocorre uma separação de fases. Au e Ni tem diferença de raio 
atômico de 15%. Em temperaturas mais altas a solução sólida é ordenada.
No campo bifásico a separação não ocorre por nucleação e crescimento – mas por 
separação pro difusão em regiões ricas em Ni e ricas em Cu.
α1 e α2 tem mesma estrutura cristalina (cfc) mas com parâmetros de rede, densidade e cor 
diferentes estas fases se separam ou de forma descontinua, ou de forma espinoidal em 
temperaturas mais baixas (ambiente)
Ni3Au, NiAu e NiAu3,
779oC
88 920275
940oC
1084.87oC
0
200
400
600
800
1000
1200
0 200 400 600 800 1000
T
em
pe
ra
tu
ra
 (
o
C
)
1000 Ag
Cu Cu
800 600 400 200 0 Ag 
Ag 925 Ag 800 
Líquido
Mistura de fases 
α+βα+βα+βα+β
αααα
ββββL+αααα
L+ββββ
Ligas de Prata – Diagrama Ag-Cu
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Ag500
Ag920 Ag785
Ag715
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 5 10 15 20 25 30
% volumétrica de fase β
H
B
 / 
A
lo
ng
am
en
to
%
 / 
LR
x1
0M
P
a
Dureza HB
Alongamento (%)
LR x 10 MPa
Liga Composição
(‰)
fase ββββ
(%)
Intervalo de 
solidificação 
(oC)
ρρρρ
(g/cm 3)
Dureza 
Brinell
LR
(MPa)
Alonga-
mento
(%)Prata Cobre
Ag970 970 30 2,0 900...950 10,45 50...60 200...250 45
Ag950 950 50 4,0 880…940 10,42 55…65 230…280 30
Ag925 925 75 6,5 800…900 10,38 64…76 270…300 28
Ag800 800 200 19,2 779...820 10,18 80…92 310…340 23
Ag720 720 280 27,3 779...820 10,06 85…95 340…370 23
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14
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
8008258508759009259509751000
Teor de Prata
D
ur
ez
a 
H
B
Ag950. tem cor da prata pura e é muito resistente à oxidação. Com seu ponto de fusão 
igual a 880oC, é adequada para trabalhos de esmaltação e pode ser brasada com ligas de 
ponto de fusão mais altos. É duas vezes mais dura do que a prata pura, mas ainda é 
passível de trabalho mecânico, podendo ser deformada 75% antes do recozimento. 
Endurece durante o resfriamento lento devido à precipitação de finíssimas partículas de 
fase β quando o teor de cobre ultrapassa o campo de solubilidade da fase α (cerca de 
600oC) e entra no campo bifásico α+β. A dureza neste caso pode chegar a 120 HB
Ligas Eutéticas Al-Si
Material : A356
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A – austenita, CI, CII, CIII – cementita primária, secundária e terciária, 
F – ferrita, Fδ – ferrita δ, L – líquido, Ld- ledeburita, Ldt – ledeburita transformada, P –
perlita
aços
Ferros fundidos
0,6 -1,5 % Mn 
Microligados
% elementos de liga <8%
Mn, Si, Al, Cr, Ni, Mo, V, B, Nb
Aços 
Ferramenta
1-2 % Mn, 
0- 2%Si
0,5 – 12 %Cr, 
0,5 – 20 %W
0,2 – 5% V
0 – 12 % Co
C<0,03%
18%Ni
8-12% Co
3-5% Mo
0,1 %Al
C<0,1% 
70%Fe
12 – 25% Cr
0 – 20%Ni
1-2% Mn
Mn - utilizado para controle da % de enxofre, estabiliza a austenita.
Si e Al – são desoxidadntes, ajudam a refinar o tamanho de grão.
Estabilizadores da Austenita: C, N, Mn, Ni, Cu, Zn
Estabilizadores da Ferrita: Zr,Ti, Sn, P , V, Nb, W. Mo, Al, Be, Si, Cr
Formadores de Carbonetos, Nitretos: Cr, Mo, W, Ti, Nb, Zr, 
Aços classificados por composição química
11- 14% Mn0,6 -1,5 % Mn 0,6 -1,5 % Mn 
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FERROS FUNDIDOS
FERROS FUNDIDOS
Utilização do Ferro Fundido Cinzento
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Utilização do Ferro Fundido Maleável 
Indústrias mecânica, elétrica, de veículos, de 
materiais construção, de tratores, em peças tais 
como: conexões para tubulações hidráulicas, 
conexões em linhas de transmissão elétrica, 
correntes, suportes de molas, caixas de direção e 
de diferencial, cubos de rodas, sapatas de freios, 
pedais de freios e de embreagem, colares de 
tratores, caixas de engrenagens etc. Várias dessas 
peças são galvanizadas.
Utilização do Ferro Fundido Nodular 
As aplicações gerais compreendem peças sujeitas a 
pressão, como compressores, lingoteiras, bielas e 
outros tipos de peças que exijam maior resistência 
ao choque, como virabrequins, matrizes, mancais, 
polias, rodas dentadas, engates, sapatas, tambores 
de freio etc.