Conteúdo 5 - Cristalografia, Polimorfismo e Metalografia - Copia

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MATERIAIS I
Cristalização;
Introdução a estrutura Cristalina;
Arranjo Atômico;
Estruturas Cristalinas;
Polimorfismo ou Alotropia;
Efeitos do teor de Carbono no Aço;
INTRODUÇÃO, ESTRUTURA CRISTALINA DO AÇO
POR QUE ESTUDAR CRISTALOGRAFIA???
Simples, pois:
As propriedades, que tanto estudamos, de alguns materiais estão diretamente associados a sua estrutura cristalina;
O seja, a forma com que os átomos se ligam;
ARRANJO ATÔMICO
Os materiais sólidos podem ser classificados como:
Cristalinos;
Não cristalinos;
Vamos entender um a um, como funciona;
ESTRUTURA CRISTALINA
É aquela estrutura, ao qual os átomos encontram-se ordenados, formando uma estrutura tridimensional, que se chama rede cristalina;
NOTA: 	Todos os metais, muitas cerâmicas e alguns polímeros formam estruturas cristalinas sob condições normais de solidificação;
MATERIAIS NÃO CRISTALINOS OU AMORFOS
Não existe uma organização de longo alcance dos átomos;
O vidro de uma janela comum é um sólido não cristalino desse tipo;
OBSERVAÇÕES:
As propriedades dos materiais sólidos cristalinos depende da estrutura cristalina, ou seja, da maneira na qual os átomos, moléculas ou íons estão espacialmente dispostos;
Existem diversos tipos de estruturas, vamos direcionar os nossos esforços ao Aço.
OS 7 SISTEMAS CRISTALINOS
A ESTRUTURA CRISTALINA DOS METAIS
Na fabricação;
No alto forno  produz-se o aço liquido, quando esse aço líquido começa a passar para o estado sólido, os átomos que compõe esse aço, vão se agrupando.
Os aços vão se agrupando como se fossem figuras geométricas tridimensionais;
Veja abaixo;
1. CÉLULA UNITÁRIA
Esses átomos juntos forma a chamada célula unitária;
Consiste num pequeno grupos de átomos que formam um modelo repetitivo ao longo da estrutura tridimensional (analogia com elos da corrente). 
Mas as coisas não param por ai não, essas células unitárias se aglomeram formando a rede cristalina
Como as células unitárias são tridimensionais, quando se juntam elas apresentam um contorno agregado de cristais irregulares conforme foto acima;
Esses cristais formados por milhares de células unitárias, são chamados de grãos;
Podemos ver esses grãos, basta termos:
Um corpo de prova bem polido;
Ataca-lo quimicamente;
E um bom microscópio;
Ela apresentará regiões mais claras e mais escuras;
VAMOS RELEMBRAR PELO MESMO GRÃO DE CARBONO.
Todos com contorno muito bem definidos;
Cada área clara e escura representam um grão;
Cada material terá sua forma de organização atômica;
As mais comuns são:
Cúbica de corpo centrado (CCC);
Cúbica de face centrada (CFC);
Hexagonal compacta (HC). 
SISTEMA CÚBICO
Os átomos podem ser agrupados dentro do sistema cúbico em 3 diferentes tipos de repetição:
Cúbico Simples – C.S;
Cúbico de Corpo Centrado - CCC;
Cúbico de Face Centrada – CFC; 
SISTEMA CÚBICO SIMPLES
A ESTRUTURA CÚBICA DE CORPO CENTRADO - CCC
Na est. CCC, cada átomo dos vértices do cubo é dividido com 8 células unitárias;
Repare que os átomos no espaço assumem uma forma de cubo;
8 átomos no vértice e um fica no centro;
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;
Fe, Cr, W cristalizam em CCC. 
O aço em baixa temperatura, é o exemplo desse tipo de estrutura cristalina;
Aqui também, 8 átomos ocupam o vértice formando um cubo;
Na est. CFC cada átomo dos vértices do cubo é dividido com 8 células unitárias;
A ESTRUTURA CÚBICA DE FACE CENTRADA - CFC
A diferença é que possui 6 átomos ocupando cada face do cubo;
Há 4 átomos por célula unitária na estrutura CFC, veja a foto abaixo;
 
É o sistema mais comum encontrado nos metais (Al, Fe, Cu, Pb, Ag, Ni,...). 
O ferro em alta temperatura adquire essa estrutura;
SISTEMA HEXAGONAL
Pode ser divido em dois ainda:
Sistema Hexagonal Simples;
Sistema Hexagonal Compacto;
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;
SISTEMA HEXAGONAL SIMPLES
O Sistema Hexagonal Compacto 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;
SISTEMA HEXAGONAL COMPACTO
Essa possui 12 átomos posicionado no vértice de um prisma de base hexagonal;
Com dois átomos nos centros das bases e mais três no interior do prisma;
Já sabemos que os materiais são formados por átomos;
Existem cerca de 92 átomos naturais;
Existem cerca de 26 átomos artificiais;
Dependendo da forma com que esses átomos estão arranjados, eles podem formar todos os materiais conhecidos;
NOTA: A estrutura determina não só a aparência dos materiais, mas também suas propriedades.
ATENÇÃO
HUM... MAS POR QUE OS GRÃOS DO AÇO SE APRESENTAM DE FORMA DIFERENTE? O QUE OCORRE? COMO OCORRE?
POLIMOFIRSMO OU ALOTROPIA
EXERCÍCIOS DE FIXAÇÃO E ACOMPANHAMENTO
O que significa alotropia dos materiais?
Quando o grão está claro, quer dizer que ele tem mais ou menos teor de carbono?
Qual o efeito do teor de carbono no aço?
Como são chamados os grãos claros e os grãos escuros?
O que significa Perlita?
O que significa estrutura Hipoeutetóide?
O que significa estrutura Hipereutetóide?
O que significa estrutura Eutetóide?
Algumas substâncias podem existir em duas ou mais formas cristalinas, por exemplo: (carvão, grafite, diamante). Essas três, são modificações alotrópicas do carbono.
Alotropia ou Polimorfismo é caracterizada por uma alteração na estrutura atômica que ocorre a uma temperatura e pressão definida.
EFEITO ALOTROPIA
Geralmente as transformações polimórficas são acompanhadas de mudanças na densidade e mudanças de outras propriedades físicas. 
E isso, também acontece com o aço!
AGORA ENTENDA, VAMOS ESTUDAR A ALOTROPIA DO FERRO E AÇO.
LOGO, TEREMOS TRÊS ESTUDOS ALOTRÓPICOS:
	
Alotropia do Ferro Puro;
Alotropia do Aço;
Alotropia do Ferro Fundido;
Veja Abaixo:
Mas...quando sei que estou falando do ferro? Quando sei que estou falando do aço?
ALOTROPIA DO FERRO PURO
A ESTRUTURA CÚBICA DE CORPO CENTRADO - CCC
Na est. CCC, cada átomo dos vértices do cubo é dividido com 8 células unitárias;
Repare que os átomos no espaço assumem uma forma de cubo;
8 átomos no vértice e um fica no centro;
Aqui também, 8 átomos ocupam o vértice formando um cubo;
Na est. CFC cada átomo dos vértices do cubo é dividido com 8 células unitárias;
A ESTRUTURA CÚBICA DE FACE CENTRADA - CFC
NOTAS
VEJA MELHOR...
Veja que no diagrama de fases abaixo, a faixa que compreende o ferro puro é tão pequena que quase não aparece no diagrama;
Fica logo acima do “0” percentual de carbono;
DIAGRAMA FERRO E CARBONO
FASE FERRITA DO FERRO PURO - CCC
A sua estrutura se apresenta como CCC;
É classificado como 		 - ferrita;
Ele existe dessa forma até 912ºC;
Fase Magnética é de 770ºC (temperatura de Curie);
Solubilidade máx. do Carbono= 0,0218% a 727 °C e 0,008% a Temperatura ambiente. (OU SEJA, QUASE NÃO TEM CARBONO)
NOTA: A temperatura de Curie, é o ponto crítico onde o momento magnético do material muda de posição;
FASE AUSTENITA PARA O FERRO PURO
Quando o ferro puro, em fim se torna AUSTENITA;
Essa estrutura passa a ser classificada como FERRO GAMA, 			 - Austenita:
Ela existe como austeníta entre 912ºC e 1394ºC;
Se apresenta como CFC – Cúbica de Face Centrada;
É como a estrutura do ferro se comporta a elevadas temperaturas;
Representativamente, fica como a foto abaixo:
NOTA: Veja na foto abaixo, como a estrutura cristalina do ferro muda quando se transforma em austeníta;
 E a Austenita,também denominada como Gama, possui uma estrutura Cúbica de Face Centrada – CFC.
Ocorrência do Ferro δ;
Estrutura volta a ser CCC
Temperatura “existência”= acima de 1394°C
Fase volta a ser magnética
É a mesma que a ferrita α
Como é estável somente a altas temperaturas não apresenta interesse comercial;
Solubilidade máx. do Carbono= 0,09% a 1495 °C 
FERRITA δ CCC
É POSSÍVEL, VISUALIZAR A EXISTÊNCIA DESSA FASE, DENTRO DO DIAGRAMA DE FASES, VEJA ABAIXO:
DIAGRAMA FERRO E CARBONO
ALOTROPIA DO AÇO
“LEMBRE-SE O MATERIAL É CONSIDERADO AÇO QUANDO O TEOR DE CARBONO VARIA DE 0,02% ATÉ 2,11%”
Logo, iremos estudar a alotropia do aço;
A ALOTROPIA DO AÇO, OCORRE NESSA FAIXA DO DIAGRAMA.
ANTES DE CONTINUARMOS A ESTUDAR A ALOTROPIA DO AÇO, VAMOS ENTENDER COMO O CARBONO FOI PARAR DENTRO DA ESTRUTURA CCC ou CFC DO FERRO?
CARBONO INTERSTICIAL NO FERRO
O carbono é mais solúvel no Ferro CCC ou CFC, considerando a temperatura próxima da transformação alotrópica? 
O CARBONO INTERSTICIAL NO FERRO FERRITA
O CARBONO INTERSTICIAL NO FERRO AUSTENITA
É exatamente por isso, que na maioria dos tratamentos termoquímicos, eles são realizados em temperaturas onde o aço já atingiu a zona CFC;
Imagine duas amostras de aço, conforme abaixo:
O que as diferenciam é a quantidade de carbono presente em cada amostra.
Para você ter uma ideia:
Nesta amostra, temos muito mais grãos claros;
Grãos claros = grãos sem carbono;
Grãos Escuros = Acusam a presença de carbono. 
OBS: Concluímos que essa amostra, têm baixo teor de carbono. 
Nesta outra amostra, repare que temos muito mais grãos escuros, ricos em teor de carbono.
OBS: Concluímos que essa amostra, têm alto de carbono. 
NOTA: QUANTO MAIS CARBONO, MAIOR É A DUREZA DO AÇO.
AGORA, Você sabe qual é o nome dos grãos claros e dos grãos escuros?
GRÃOS CLAROS  ferrita;
Baixo teor de carbono;
Mais maleável;
GRÃOS ESCUROS  Perlita;
Alto teor de carbono quando comparado a ferrita;
Material mais duro
	
BELEZA, AGORA OBSERVE O DIAGRAMA DE FASE ABAIXO, QUE TRATA DA PARTE DO AÇO
A ALOTROPIA DO AÇO, OCORRE NESSA FAIXA DO DIAGRAMA.
Sua estrutura cristalina poderá se apresentar na forma de:
Perlita;
Cementita;
Ferrita;
Austenita;
Ledeburita
Acompanhe agora, no diagrama de ferro-carbono abaixo, a parte que compreende o aço.
FASE FERRITA NO AÇO
Lembre-se:
Ela se mantem na estrutura do aço desde o ferro puro;
Ela, juntamente com a cementita, formam a perlita;
veja o mesmo diagrama no slide anterior:
A estrutura da Cementita é constituída de 12 átomos de ferro e quatro de carbono.
FASE CEMENTITA
É a presença desses carbonos que garantem a dureza da Cementita;
Possui elevado teor de carbono;
É duro e quebradiço;
Quando ele ocorre a Cementita, ocorre a redução da tenacidade e ductilidade;
Se olhado no microscópio, a estrutura apresenta essa organização
A ESTRUTURA PERLITA
Nessa condição, o ferro se apresenta em estrutura laminada alternando camadas de ferrita (CLARAS) e Cementita (ESCURAS);
Logo, se pudéssemos maximizar um grão da Perlita, perceberíamos que ele é formado por uma sequência de linhas ou lâminas claras e escuras.
Claras = Ferrita;
Escuras = Cementitas
Ou seja, a Perlita = Ferrita + Cementita
Ela combina a dureza e resistência da Cementita, com a maleabilidade da ferrita;
Essa é a chave para a ampla gama de propriedades do aço;
Veja uma foto representativa a seguir:
LEDEBURITA
É uma mistura exatamente eutética com teores de carbono 95,7% de ferro e 4,3% de carbono;
Abaixo da linha de austenitização é composta de perlita e cementita;
Acima da linha de austenitização é formata por austenita e cementita;
É chamada dessa forma em homenagem ao Adolf Ledebur;
É nesta forma que trabalham os alto fornos de siderúrgicas, o seu ponto de fusão é de 1148ºC;
FASE AUSTENITA DO AÇO
Ocorre quando a perlita, aquecida se transforma em austenita;
Essa estrutura passa a ser classificada como FERRO GAMA, 		 - Austenita:
Ela existe como austeníta entre 912ºC e 1394ºC porém, varia de acordo com o teor de carbono que o aço apresenta;
Observe que, no diagrama abaixo, se o aço for eutético, ou seja, 0,8% de carbono, ele de perlita, vira direto austenita, se aquecido;
A estrutura CFC tem mais posição intersticiais;
Essa fase não é magnética;
Solubilidade máx. do Carbono= 2,11% a 1148ºC
A velocidade de decomposição desse ferro é muito lenta;
Forma-se quando o limite de solubilidade do Carbono é ultrapassado (6,7%deC);
 E a Austenita, também denominada como Gama, possui uma estrutura Cúbica de Face Centrada – CFC.
O PRINCÍPIO DE UM TRATAMENTO TÉRMICO, SE ESFRIARMOS MUITO RÁPIDO UM AÇO SUPER AQUECIDO, NA FASE AUSTENITA, O MESMO SE TORNA A MARTENSITA.
MARTENSÍTA
Sua estrutura tem forma de agulhas;
Consiste em Resfriar o aço que está em seu estado Austeníticos bruscamente;
Processo denominado como tratamento térmico.
VAMOS, MEIO QUE ESBOÇAR NA PRÁTICA, COMO SE COMPORTA O AÇO QUANDO FRENTE A VARIAÇÕES DE TEMPERATURA???
E se elevássemos a temperatura, como a estrutura cristalina se comportaria?
Suponha um aço com 0,4% de carbono.
Imagine que aquecemos a 300ºC. 
Observe que por enquanto não muda nada.
DIAGRAMA FERRO E CARBONO
Agora Imagina se continuássemos aquecendo, até 760º;
A ferrita continuaria estável;
Mas a zona da Perlita se tornaria Austenita.
DIAGRAMA FERRO E CARBONO
Por fim, se continuássemos a aquecer o material até 950ºC, toda a estrutura do material se tornaria uma Austenita.
DIAGRAMA FERRO E CARBONO
OBSERVAÇÕES:
Essas estruturas são dispostas de forma regular em padrões de repetição;
Em um líquido, por exemplo, não há um padrão reticulado, todos os átomos estão em movimentação irregular e constante;
Quando um líquido é resfriado a uma temperatura de congelamento os cristais começam a se formar;
No caso do Ferro Puro, a 1538ºC ocorre a fusão;
ALOTROPIA QUANDO A ESTRUTURA DO AÇO APRESENTA 0,77% DE CARBONO, EM ALGUMAS BIBLIOGRAFIAS, 0,8% DE CARBONO
ESTRUTURA EUTETÓIDE
A Micro estrutura com 0,77% de carbono é classificada como Estrutura Eutetóide;
Ela é classificada dessa forma até que haja até 0,8% de carbono no peso total;
Quando o aço é classificado como Eutetoide, isso representa um aumento da dureza e diminuição da ductilidade e maleabilidade do material;
Observe que para a alotropia do aço 0,8% de carbono, temos as mudanças alotrópicas abaixo:
ALOTROPIA DO AÇO COM MENOS DE 0,77% DE CARBONO
Observe como o aço é classificado quando está com menos de 0,8% de carbono;
ESTRUTURA HIPOEUTETÓIDE
É quando a composição de carbono está abaixo de 0,8% do peso total;
Nesta condição, a estrutura cristalina é constituída por grãos de Perlita + Grãos de Ferrita.
LOCAIS ONDE A PERLITA OCORRE EM 100%
ALOTROPIA DO AÇO COM 0,77% DE CARBONO ATÉ 2,11% DE CARBONO
ESTRUTURA HIPEREUTEÓIDE
É classificada dessa forma, quando o teor de carbono está acima de 0, 8% de carbono;
A partir que aumentamos a quantidade de carbono para níveis superiores a 0,8%, a Perlita não pode ser formada;
Chega um momento, quando o teor de Carbono for de 4,3% até 6,7%, a estrutura cristalina comporta-se apenas como cementita;
Isso aumenta muito a dureza, mas reduz a ductilidade, maleabilidade e força do material;
A estrutura final fica como Grão Perlita, mas com excesso de Cementita no final.
DIAGRAMA DE FASES
E... QUANDO O TEOR DE CARBONO PASSA DE 2,11%?!?
ALOTROPIA DE AÇOS COM MICROESTRUTURA ENTRE 2,11% E 4,3% DE TEOR DE CARBONO
AÇO HIPOEUTÉTICO
ALOTROPIA DE AÇOS COM MICROESTRUTURA COM 4,3% DE TEOR DE CARBONO
AÇO EUTÉTICO
ALOTROPIA DE AÇOS COM MICROESTRUTURA COM 4,3% E 6,67% DE TEOR DE CARBONO
AÇO HIPEREUTÉTICO
A estrutura da Cementitaé constituída de 12 átomos de ferro e quatro de carbono.
FASE CEMENTITA
É a presença desses carbonos que garantem a dureza da Cementita;
Possui elevado teor de carbono;
É duro e quebradiço;
Quando ele ocorre a Cementita, ocorre a redução da tenacidade e ductilidade;
A velocidade de decomposição desse ferro é muito lenta;
Forma-se quando o limite de solubilidade do Carbono é ultrapassado (6,7%deC);
DIAGRAMA FERRO E CARBONO
SABEMOS QUE O DIAGRAMA DE FASES, É UM DIAGRAMA COM VÁRIOS DIAGRAMAS DENTRO.
VEJA ABAIXO, UM MAIS COMPLETO, DE INFORMAÇÕES.
RESUMÃO!!!
Três mudanças, ocorrem no ferro que dão origem as estruturas cristalinas;
Elas são conhecidas como:
NOTA: Logo podemos considerar o ferro com duas modificações alotrópicas, CCC – cúbica de corpo centrado e CFC – Cúbica de Face Centrada;
EFEITOS DO TEOR DE CARBONO NO AÇO
TAH... MAS COMO PODEMOS VER ISSO TUDO???
A OLHO NU ISSO É IMPOSSÍVEL!!!
CALMA...
PARA ISSO EXISTE OS ENSAIOS METALOGRÁFICOS
ENSAIOS METALOGRÁFICOS
EXERCÍCIOS DE FIXAÇÃO E ACOMPANHAMENTO
Qual o objetivo da analise metalográfica?
Por que do nome ensaio macrográfico?
O que é possível se verificar através de um ensaio macrográfico?
Quais são os procedimentos para se realizar um ensaio micrográfico?
No que consiste o embutimento?
Quais são os materiais, utilizados para realizar o embutimento?
Qual o aparelho utilizado para se analisar um CP, após ter sido preparado?
OBJETIVO:
Visa controlar a qualidade da estrutura do material;
Pode ser Macográfico ou Micográfico.
ENSAIOS MACOGRÁFICOS
Pode ser analisada a olho nu ou aumentada a 50x;
Consiste em polir uma superfície e atacar com um reagente adequado;
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Através desse método, podemos verificar:
Homogeneidade do material;
Distribuição e Natureza das falhas;
Impurezas ao processo de fabricação;
Qualidade da solda;
Profundidade do tratamento térmico...
ENSAIOS MICOGRÁFICO
Consiste em analisar os produtos metalúrgicos com auxílio de um microscópio;
Pode-se identificar:
Fases presentes;
Granulação do Material (tamanho do grão);
Teor de Carbono (natureza, forma, quantidade, distribuição...);
NOTA: A figura abaixo, mostra os aspectos Micográfico de uma estrutura de aço recozido com teor de carbono de 0,40%.
PROCEDIMENTOS PARA ENSAIO MICROGRÁFICO
O primeiro passo para se realizar um ensaio metalográfico é preparar a amostra, que consiste em seguir as seguintes etapas.
Corte e Embutimento;
Lixamento;
Polimento e Limpeza;
Ataque químico;
Análise Microscópica
SE O VÍDEO ACIMA NÃO ABRIR, CLICAR NO LINK VERDE!
https://drive.google.com/open?id=0B2xz5nGLTgWyNndKdHd2eFRPN1k 
CORTE
É realizado por serra de disco com material abrasivo compatível com a dureza da amostra.
Prender o CP em uma máquina policorte;
Efetuar o corte do CP conforme foto abaixo:
EMBUTIMENTO
O objetivo é facilitar o manuseio da amostra de pequenas dimensões;
Consiste em adequar o corpo de prova em medidas padrões para que seja realizada os ensaios;
Essas adequações podem ser feitas a frio ou a quente;
Materiais utilizados para o embutimento são os baquelites (pó) e as resinas (pulverizada);
Olha a amostra embutida;
LIXAMENTO
é feito manualmente ou por máquina com a utilização de lixas de diferentes granulometria que visam melhorar o acabamento superficial.
O lixamento deve ser feito refrigerado para evitar o aquecimento e mudança da estrutura cristalina do material.
POLIMENTO E LIMPEZA
Nesta etapa, é necessário o uso de abrasivos e agentes de limpeza por meio de processos mecânicos, eletrolíticos e químicos.
ATAQUE QUÍMICO
São aplicadas nas superfícies de amostras, reagentes que permitem melhorar a visualização dos contornos dos grãos (estrutura cristalina) dos materiais no microscópio.
É necessário usar luvas;
Pode-se utilizar Cal para esse ataque;
SECAGEM
É necessária realizar a secagem do CP para que seja analisada no microscópio. 
SECAGEM
Realizar análise através de um aparelho microscópio.
VAMOS AGORA, CONHECER O PROCESSO DE FABRICAÇÃO DOS AÇOS?!?!