Metais nanocristalinos

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INTRODUINTRODUÇÇÃO AOS METAIS NANOCRISTALINOSÃO AOS METAIS NANOCRISTALINOS
E AMORFOSE AMORFOS
20122012
Universidade Federal do Rio Grande do Norte - UFRN
Centro de Tecnologia - CT
Departamento de Engenharia de Materiais – DEMAT
Prof. Dr. Mauricio Mhirdaui Peres – DEMAT/UFRN
Objetivo:
* Entender melhor como são formadas as 
estruturas cristalinas nanométricas (metais 
nanoestruturados ) e os metais amorfos (estrutura 
cristalina desordenada);
* Como afetam as propriedades mecânicas do 
material
*possíveis aplicações
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Bomio
Highlight
Bomio
Highlight
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Observa-se que:
i) Produtos metálicos de estrutura nanocristalina
apresentam maior dureza e ductilidade.
ii) Produtos metálicos contendo partículas de material 
cerâmico (compósitos) apresentam maior resistência
mecânica. 
iii) Produtos de estrutura amorfa apresentam alta
resistência e alta capacidade de reemitir energia elástica.
VISAM A BUSCA DE PRODUTOS COM MELHOR DESEMPENHO !!!
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Se aproveitam as características:
• Bio-compatibilidade;
• Excelente resistência ao desgaste;
• Alta razão resistência/peso, duas vezes 
quando comparada com aços e ligas de 
Ti. 
• Alta resistência à corrosão permite 
produzir dispositivos de cirurgia. 
Aplicações em Medicina:
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Aplicações em estruturas de aparelhos eletrônicos:
Aplicações em equipamentos esportivos:
Ligas Metálicas Amorfas:
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Aplicações em defesa
Desenvolvimento do perfurador de energia 
cinética, KEP, para substituir ao Perfurador 
de urânio. 
Aplicações em projetos espaciais.
A nave espacial gênesis leva como parte de seu 
equipamento de coleção de amostras de pó solar um 
recipiente em forma de caneca 
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MAS, 
VOCÊ SABE COMO PRODUZIR ESSES 
PRODUTOS?
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Processos mais usados:
- Atomização (obtenção de pó)
- Moagem de alta Energia (obtenção de pó)
- Melt Spinning (obtenção de fita)
Desafio: O que fazer com isso?
Solução:
Desenvolver processos para produzir peças
grandes. 
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ESTUDO DE CASO
Análise de 3 situações:
Produtos com MELHOR DESEMPENHO
Análise 1 : metal nanocristalino
Análise 2 : compósito de metal com 5% de partículas 
cerâmicas
Análise 3: metal amorfo
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Armazenamento de energia na região elástica:
alta resistência mecânica + alta elasticidade - > alta Resiliência
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SOLIDIFICAÇÃO RÁPIDA
Taxa de resfriamento de 
103 K/s a 106k/s
Processos de ATOMIZAÇÃO para produção de pós metálicos
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SOLIDIFICAÇÃO RÁPIDA
Taxa de resfriamento de 
103 K/s a 106k/s
Processos de ATOMIZAÇÃO para produção de pós metálicos
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Processos de MELT SPINING para produção de FITAS AMORFAS
SOLIDIFICAÇÃO RÁPIDA
Taxa de resfriamento de até 109 K/s
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Processos de MOAGEM DE ALTA ENERGIA para produção de pós metálicos
PÓ METÁLICO
PPóós Mets Metáálicos nanoestruturados obtidos por licos nanoestruturados obtidos por 
Moagem de Alta Energia ou por AtomizaMoagem de Alta Energia ou por Atomizaççãoão::
� Produção de microestruturas metaestáveis;
� Refinamento microestrutural, pequeno Tamanho de Grão.
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Sequência do processo para extrusão à quente dos pós metálicos:
P
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PÓ METÁLICO
COMPACTAÇÃO 
UNIAXIAL (25oC)
(400MPa 
a 1000MPa)
MATERIAL 
VOLUMÉTRICO 
EXTRUDADO
PÓ 
COMPACTADO
(Φ 8,0 x 16 mm)
EXTRUSÃO
230oC até 425oC
CRESCIMENTO DE 
GRÃO 
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a
Equipamentos usados para as extrusões:
Materiais e Métodos
Dispositivo 
para extrusão
Coluna 
suporte e guia
Termopar de 
monitoramento
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Materiais e Métodos
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Ligas de alumínio nanoestruturadas em pó:
Materiais e Métodos
Moagem de Alta 
Energia
Moagem de Alta 
Energia
Atomização
Forma de produção dos 
pós
liga compósito 
* 6061-5%(Si3N4)
liga Al- 4,5%Cu (%peso)
liga Al- 3%Fe (%peso)
COMPOSIÇÃO DE CADA LIGA
* 6061 = AlMgSi
EXPERIMENTO 1 : Ligas de Al nanocristalino
Objetivo: aumentar resistência mecânica 
produzindo tamanho de grão pequeno.
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Figura – Tamanho de grão médio obtido pela metodologia de Hall-Williamson em 
função das temperaturas de extrusão.
DETERMINAÇÃO DO TAMANHO DE GRÃO MÉDIO
40-50 nm
360 nm
840 nm
70 nm
Resultados e Discussão
Al- 3%Fe
Al- 3%Fe
Al-4,5%Cu
6061-5%Si3N4
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Figura – Imagens de MET, em campo claro.
(a) pó e o respectivo SAEDP indicando a presença de Al-cfc, não apresentando precipitação 
óbvia.
(b) liga extrudada a 375oC/(30mm/min) e o respectivo SAEDP mostrando uma zona [011] do Al 
(quadrados brancos) sobreposta ao eixo de zona [011] do Al2Cu. Esta Figura indica ainda 
que a precipitação ocorreu preferencialmente fora dos contornos de grão.
(c) liga extrudada a 425oC /(30mm/min), não apresentando precipitação óbvia.
liga Al-4,5%Cu em pó
Al-4,5%Cu extrudada
375oC / (30mm/min)
Al-4,5%Cu extrudada 
425oC / (30mm/min)
Resultados e Discussão
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Imagens de MET em campo claro e SAEDP da liga Al-3%Fe. (a) Liga em pó contendo 
partículas de intermetálicos Al6Fe; e (b) liga extrudada a 425
oC e 30mm/min. 
Resultados e Discussão
liga Al-3%Fe em pó
liga Al-3%Fe extrudada
425oC / (30mm/min)
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Imagens de MET, em campo claro, da liga 6061-5%Si3N4:
(a) pó e o respectivo SAEDP indicando a presença de Al-cfc e do intermetálico Mg2Si;
(b) liga consolidada por extrusão a quente a 425oC/(30mm/min);
(c) Imagem em MEV-BSE mostrando as partículas de reforço de Si3N4 e o espectro de 
EDS correspondente.
liga 6061-5%Si3N4 em pó liga 6061-5%Si3N4 extrudada 425
oC / (30mm/min)
Resultados e Discussão
MET MET MET MET MEVMEV
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Resultados
360MPa840 nm
Liga
Al-4,5%Cu
455 MPa360 nmCompósito 
Al-5%Si3N4
390MPa70nm
Liga
Al-3%Fe
Resistência 
mecânica
Tamanho de 
grão
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(a) fitas amorfas; (b) pó amorfo
Extrusão a quente do metal amorfo Cu46Zr42Al7Y5
Temperatura de extrusão: (T= 688K ou 415oC) 
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Microscopia eletrônica de Varredura das amostras extrudadas da liga
amorfa Cu46Zr42Al7Y5
Material extrudado a partir do pó amorfo
Material extrudado a partir da fita amorfa
Text=671oC
Text=683oC
Text=688oC
Text=688oC
623 HV
508 HV
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CONCLUSÃO (extrusão de metal amorfo)
metal amorfo com dureza muito elevada:
623HV
Comparado à DUREZA de uma liga de AL 
CONVENCIONAL 
(ATÉ 250HV)
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Armazenamento de energia na região elástica:
alta resistência mecânica + alta elasticidade - > alta Resiliência
METAIS AMORFOS
VÍDEO
Comportamente Elástico : 
AÇO INOX x METAL AMORFO x TITÂNIO
• Apresentam alta 
capacidade de 
transferência de energia 
elástica absorvida:
• Aços: 60 %
• Ligas de Ti: 70 %
• Vidros metálicos: 99 %.
Ligas Metálicas Amorfas:
Transferência de Energia
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