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BELÉM 2019 Prof. Me. Eng. Giovanni de Souza Pinheiro MICROESTRUTURA E PROPRIEDADE DOS MATERIAIS TRATAMENTO TÉRMICO E TERMOQUÍMICO DE SUPERFÍCIE 1 2 MICROESTRUTURA E PROPRIEDADE DOS MATERIAIS MICROESTRUTURAS DOS METAIS: Os metais ao se solidificarem cristalizam; Cada cristal constituído por apenas um grupo de átomos compõe uma célula cristalina; Um conjunto de células formam um cristal, que por sua vez irá formar os grãos; 2 Metalurgia Física Metalurgia Física A grande maioria dos metais, contudo, existe em uma, ou mais, de três estruturas básicas: 5 MICROESTRUTURA E PROPRIEDADE DOS MATERIAIS O conhecimento da estrutura cristalina de um sólido metálico permite a determinação de dois parâmetros importantes: Fator de empacotamento: fração do volume que corresponde as esferas sólidas. Densidade do átomo: 5 6 MICROESTRUTURA E PROPRIEDADE DOS MATERIAIS Exercício 1 - Se o raio atômico do alumínio é de 0,143 nm e apresenta uma estrutura cristalina do tipo CFC, calcule o volume de sua célula unitária em m³. 2 - O ferro possui uma estrutura cristalina CCC, um raio atômico de 0,124 nm e um peso atômico de 55,85 g/mol. Calcule sua densidade. 3 - Calcule o raio atômico do irídio dado que o mesmo possui uma estrutura cristalina CFC, uma densidade de 22,4 g/cm³ e um peso atômico de 192,2 g/mol. 6 7 MICROESTRUTURA E PROPRIEDADE DOS MATERIAIS Exercício 4 – Um metal hipotético possui estrutura cristalina cúbica simples, mostrada na figura abaixo. Se o seu peso atômico é 70,4 g/mol e seu raio atômico é de 0,126nm calcule a sua densidade. 5 - A célula unitária para o estanho possui uma simetria tetragonal, os parâmetros da rede a e b, são de 0,583nm e 0,318nm, respectivamente. Se a sua densidade, peso atômico e raio atômico são 7,30g/cm³, 118,69g/mol e 0,151nm, respectivamente, calcule o fator de empacotamento atômico. 7 Metalurgia Física Estrutura cristalina: O tipo de estrutura cristalina confere diversas características particulares a um dado metal. Por exemplo, os metais que se cristalizam no sistema CFC tendem a apresentar elevadas ductilidade, tenacidade e condutividades térmica e elétrica. Alguns metais mudam de forma cristalina em função da temperatura e pressão. Esta característica é apresentada, por exemplo, pelo ferro; Metalurgia Física Estrutura cristalina: Quase totalidade das ligas e mesmos os metais considerados como "puros" contêm quantidades variáveis de elementos residuais, ou impurezas. A presença de elementos de liga e de impurezas pode causar alterações importantes nas propriedades do metal. Por exemplo, a presença de carbono no ferro (aço) ou de zinco no cobre (latão) tende a aumentar a resistência mecânica e a dureza e a reduzir a condutividade térmica. Metalurgia Física Estrutura cristalina: 11 SOLUÇÕES SÓLIDAS INTERSTICIAIS Os átomos de impurezas ou os elementos de liga ocupam os espaços dos interstícios Ocorre quando a impureza apresenta raio atômico bem menor que o hospedeiro Como os materiais metálicos tem geralmente fator de empacotamento alto as posições intersticiais são relativamente pequenas Geralmente, no máximo 10% de impurezas são incorporadas nos interstícios MICROESTRUTURA E PROPRIEDADE DOS MATERIAIS 11 12 INTERSTICIAIS NA CCC E CFC Nessas estruturas existem 2 tipos de intersticiais, um sítio menor e um maior A impureza geralmente ocupa o sítio maior MICROESTRUTURA E PROPRIEDADE DOS MATERIAIS 12 13 Existem 13 posições intersticiais (octaedros) 1 Centro do octaedro de coordenadas (½, ½, ½) 13 INTERSTICIAIS (octaedros) NA CFC 12 localizado no centro das arestas (½, 0,0) MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA MICROESTRUTURA E PROPRIEDADE DOS MATERIAIS 13 14 INTERSTICIAIS NA CFC (tetraedros) Existem 8 posições intersticiais (tetraedros) 1 Centro do tetraedro de coordenadas (1/4, 1/4, 1/4) MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA MICROESTRUTURA E PROPRIEDADE DOS MATERIAIS 14 15 Raio da impureza que se ajusta perfeitamente no sítio intersticial maior (octaédrico) para a estrutura cfc. r= 0,41R MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA MICROESTRUTURA E PROPRIEDADE DOS MATERIAIS 15 16 INTERSTICIAIS NA CCC Existem 18 posições intersticiais (octaedros) e 24 posições intersticiais (tetraedros)= 42 O Sítio maior é o tetraédrico MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA MICROESTRUTURA E PROPRIEDADE DOS MATERIAIS 16 17 INTERSTICIAIS NA CCC (octaedro) Existem 18 posições intersticiais (octaedro) 6 Centro das faces posições (½, ½, 0) 12 Centro de arestas (½, 0,0) MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA MICROESTRUTURA E PROPRIEDADE DOS MATERIAIS 17 INTERSTICIAIS NA CCC (tetraedros) Existem 24 posições intersticiais (tetraedros) 4 tetraedros Para cada uma das seis faces (1/2, 1/4, 0) MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA MICROESTRUTURA E PROPRIEDADE DOS MATERIAIS 18 19 Raio da impureza que se ajusta perfeitamente no sítio maior (tetraédrico) para a estrutura ccc r= 0,29R MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA MICROESTRUTURA E PROPRIEDADE DOS MATERIAIS 19 20 INTERSTICIAIS NA HC Existem 6 posições intersticiais (octaedros) e 8 posições intersticiais (tetraedros)= 14 O Sítio maior é o octaédrico MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA MICROESTRUTURA E PROPRIEDADE DOS MATERIAIS 20 21 INTERSTICIAIS NA HC (octaedros) Existem 6 posições intersticiais (octaedros) MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA MICROESTRUTURA E PROPRIEDADE DOS MATERIAIS 21 22 INTERSTICIAIS NA HC (tetraedros) Existem 8 posições intersticiais (tetraedros) MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA MICROESTRUTURA E PROPRIEDADE DOS MATERIAIS 22 23 SOLUÇÕES SÓLIDAS SUBSTITUCIONAIS (TIPOS) SUBSTITUCIONAL ORDENADA SUBSTITUCIONAL DESORDENADA MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA MICROESTRUTURA E PROPRIEDADE DOS MATERIAIS 23 24 FATORES QUE DETERMINAM A FORMAÇÃO DE SOLUÇÕES SÓLIDAS SUBSTITUCIONAIS Raio atômico deve ter uma diferença de no máximo 15%, caso contrário pode promover distorções na rede e assim formação de nova fase Estrutura cristalina mesma Eletronegatividade próximas Valência mesma ou maior que a do hospedeiro MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA MICROESTRUTURA E PROPRIEDADE DOS MATERIAIS REGRA DE HOME-ROTHERY 24 25 EXEMPLO DE SOLUÇÃO SÓLIDA SUBSTICIONAL Cu + Ni são solúveis em todas as proporções Cu Ni Raio atômico 0,128nm=1,28 A 0,125 nm=1,25A Estrutura CFC CFC Eletronegatividade 1,9 1,8 Valência +1 (as vezes +2) +2 MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA MICROESTRUTURA E PROPRIEDADE DOS MATERIAIS 25 26 MICROESTRUTURA E PROPRIEDADE DOS MATERIAIS Exercício 1 – Um cristal de aço é composto, basicamente, por átomos de ferro e carbono, com base no que foi exposto, determine: O carbono apresenta função substitucional ou intersticial nas ligas de aço a temperatura ambiente. Explique o que ocorre com a estrutura cristalina de ferro com a introdução de carbono. 26 27 MICROESTRUTURA E PROPRIEDADE DOS MATERIAIS CLASSIFICAÇÃO SEGUNDO A NORMA ABNT (ou AISI) Esta norma classifica os aços em dois grandes grupos de forma distinta: Aços-ao-carbono e os aços de baixa-liga; e Aços de alta-liga. 27 28 MICROESTRUTURA E PROPRIEDADE DOS MATERIAIS CLASSIFICAÇÃO SEGUNDO A NORMA ABNT (ou AISI) Aços-ao-carbono e os aços de baixa-liga: Estes aços são classificados por meio de 4 números precedidos por uma letra maiúscula que especifica o processo de fusão. Eventualmente a especificação pode apresentar ainda, de forma complementar, letras após o quarto número. A norma estabelece as seguintes considerações: O primeiro número representa o(s) elemento(s) de liga(s) presentes no aço; O segundo número representa o teor desses elementos de liga; Os terceiro e quarto números representam o teor de carbono multiplicado por 100. 28 29 MICROESTRUTURA E PROPRIEDADE DOS MATERIAIS CLASSIFICAÇÃO SEGUNDO A NORMA ABNT (ou AISI) Aços-ao-carbono e aços de baixa-liga: 29 30 MICROESTRUTURAE PROPRIEDADE DOS MATERIAIS CLASSIFICAÇÃO SEGUNDO A NORMA ABNT (ou AISI) Aços-ao-carbono e os aços de baixa-liga: Como exemplos de letras que antecedem os números, destacam-se, dentre outros, E = aço produzido pelo processo elétrico básico (cujos teores de P e S são inferiores a 0,025%); B = processo Bessemer básico; C = processo Siemens-Martin básico; D = processo Siemens-Martin ácido. Como exemplos de letras após o quarto número, pode-se citar: H = aço fornecido como temperado; L = aço com teor de C inferior ao indicado; F = aços de fácil usinagem. 30 31 MICROESTRUTURA E PROPRIEDADE DOS MATERIAIS CLASSIFICAÇÃO SEGUNDO A NORMA ABNT (ou AISI) Aços de alta-liga: A norma ABNT classifica os aços de alta-liga em duas classes distintas: Aços resistentes a corrosão e a altas temperaturas; e Aços ferramentas 31 32 MICROESTRUTURA E PROPRIEDADE DOS MATERIAIS CLASSIFICAÇÃO SEGUNDO A NORMA ABNT (ou AISI) Aços de alta-liga: Os aços resistentes a corrosão e a altas temperaturas são classificados com três números. Como exemplo, pode-se citar: Aço ABNT 430 (aço inoxidável ferrítico); Aço ABNT 403 (aço inoxidável martensítico); Aço ABNT 304 (aço inoxidável austenítico); Aço ABNT 304L (aço inoxidável austenítico com teor de C abaixo do especificado); É interessante destacar que os aços inoxidáveis da classe 300 são todos austeníticos, assim como os aços da classe 400 podem ser ferríticos ou martensíticos. 32 33 MICROESTRUTURA E PROPRIEDADE DOS MATERIAIS CLASSIFICAÇÃO SEGUNDO A NORMA ABNT (ou AISI) Aços de alta-liga: Aços resistentes a corrosão e a altas temperaturas 33 34 MICROESTRUTURA E PROPRIEDADE DOS MATERIAIS CLASSIFICAÇÃO SEGUNDO A NORMA ABNT (ou AISI) Aços de alta-liga: Aços ferramentas: são classificados segundo uma letra que retrata de alguma forma o material, seguida de um ou dois números. Destacam-se as seguintes categorias de aços de acordo com as respectivas letras: W: aços temperáveis em água; O: aços temperáveis em óleo; A: aços temperáveis ao ar; S: aços resistentes ao impacto; T: aço rápido ao W; M: aço rápido ao Mo; H: aço indeformável para trabalho a quente; D: aço indeformável para trabalho a frio; L: aço para uso especial em baixa-liga; F: aço para uso especial contendo C e W. 34 35 MICROESTRUTURA E PROPRIEDADE DOS MATERIAIS CLASSIFICAÇÃO SEGUNDO A NORMA ABNT (ou AISI) Aços de alta-liga: Aços ferramentas: 35 36 MICROESTRUTURA E PROPRIEDADE DOS MATERIAIS Exercício 1 – Determine a composição das ligas abaixo: Aço C1020 Aço 4020 Aço 5050 Aça ABNT 304L 36
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