Microestrutura e propriedade dos materiais

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BELÉM
2019
Prof. Me. Eng. Giovanni de Souza Pinheiro
MICROESTRUTURA E PROPRIEDADE DOS MATERIAIS
TRATAMENTO TÉRMICO E TERMOQUÍMICO DE SUPERFÍCIE
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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;
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Metalurgia Física
Metalurgia Física
A grande maioria dos metais, contudo, existe em uma, ou mais, de três estruturas básicas:
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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: 
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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.
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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.
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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:
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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
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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
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Existem 13 posições intersticiais (octaedros)
1 Centro do octaedro 
de coordenadas (½, ½, ½)
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INTERSTICIAIS (octaedros) NA CFC
12 localizado no centro
 das arestas (½, 0,0)
MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA
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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
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Raio da impureza que se ajusta perfeitamente no sítio intersticial maior (octaédrico) para a estrutura cfc.
r= 0,41R
MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA
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INTERSTICIAIS NA CCC
Existem 18 posições intersticiais (octaedros) e 24 posições intersticiais (tetraedros)= 42
O Sítio maior é o tetraédrico
MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA
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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
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INTERSTICIAIS NA CCC (tetraedros) 
Existem 24 posições intersticiais (tetraedros)
4 tetraedros 
Para cada uma das seis faces
 (1/2, 1/4, 0)
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Raio da impureza que se ajusta perfeitamente no sítio maior (tetraédrico) para a estrutura ccc
r= 0,29R
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INTERSTICIAIS NA HC
Existem 6 posições intersticiais (octaedros) e 8 posições intersticiais (tetraedros)= 14
O Sítio maior é o octaédrico
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INTERSTICIAIS NA HC (octaedros)
Existem 6 posições intersticiais (octaedros)
MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA
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INTERSTICIAIS NA HC (tetraedros)
Existem 8 posições intersticiais (tetraedros)
MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA
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SOLUÇÕES SÓLIDAS SUBSTITUCIONAIS 
(TIPOS) 
SUBSTITUCIONAL 
ORDENADA
SUBSTITUCIONAL 
DESORDENADA
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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
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REGRA DE HOME-ROTHERY
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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
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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.
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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.
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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.
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CLASSIFICAÇÃO SEGUNDO A NORMA ABNT (ou AISI)
Aços-ao-carbono e aços de baixa-liga:
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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. 
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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
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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.
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MICROESTRUTURA E PROPRIEDADE DOS MATERIAIS
CLASSIFICAÇÃO SEGUNDO A NORMA ABNT (ou AISI)
Aços de alta-liga:
Aços resistentes a corrosão e a altas temperaturas
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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.
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MICROESTRUTURA E PROPRIEDADE DOS MATERIAIS
CLASSIFICAÇÃO SEGUNDO A NORMA ABNT (ou AISI)
Aços de alta-liga:
Aços ferramentas:
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MICROESTRUTURA E PROPRIEDADE DOS MATERIAIS
Exercício
1 – Determine a composição das ligas abaixo:
Aço C1020
Aço 4020
Aço 5050
Aça ABNT 304L
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