FCM 208 Física (Arquitetura)

Estruturas e constituintes da Materia

Prof. Dr. José Pedro Donoso

Universidade de São Paulo

Instituto de Física de São Carlos - IFSC

Metais: ferro e aços

O ferro é um dos mais importantes e difundidos metais do mundo. Não existem

porém, jazidas de ferro nativo em estado de metal puro (como as de ouro e prata).

Ele é extraido de minérios, como a hematita, a magnetita, a limonita e a pirita.

Tampouco o que chamamos de ferro é um metal puro; trata-se de uma liga de metal

de ferro e pequenas quantidades de carbono. A adição de carbono melhora as

propriedades do ferro, tornando-o mais duro e resistente.

As ligas de Fe – C são conhecidas, genericamente, como aço e ferro gusa. Se a

quantidade de carbono presente na liga é inferior a 2%, esta chama-se aço. Acima

disso chama-se ferro gusa.

A fabricação de aço e gusa a partir do minério de ferro ocorre nas usinas

siderúrgicas. As materias primas – minerio de ferro, carvão (coque), fundentes (cal,

calcário) e ar - são introduzidas no alto-forno. O coque entra em combustão e

produz monóxido de carbono, o principal agente redutor do minério de ferro.

Pirometalúrgica dos óxidos de ferro

Os fornos são continuamente

alimentadosno topo, com uma mistura

de minério (Fe2O3, Fe3O4), coque(carbono obtido pelo aquecimento do

carvão em ausência de ar) e pedra

calcária (carbonato de calcio).

Cada kilo de ferro produzido requer

1.75 kg de minério, 0.75 kg de coque e 0.25 kg de pedra calcária. Esta última

ajuda na remoção das impurezas do

minério. O ferro fundido sai como ferro“sujo” (90-95% Fe + 3-5% C + 2% Si).

Atkins & Jones: Princípios de Química, Mauricio Prates de Campos: Introdução a metalurgica extrativa e siderurgia

Uma liga é um metal que contém pequenas

quantidades de outros elementos. Isso altera as

propriedades naturais do metal.

As chapas de aço são feitas de ligas de ferro

contendo baixa quantidade de carbono. Ele é

mais forte que o ferro-gusa, mas mais maleavel,

podendo ser facilmente convertido em barras,

lâminas ou outras formas.

Pequenas quantidades de cromo produz a liga

chamada aço inoxidável, resistente a corrosão.

Com um pouco de tungtênio se forma o aço

rápido, uma liga forte utilizada para ferramentas

de retífica.

Ligas metálicas

Estrutura da Matéria. Coleção Ciência & Natureza (Time Life e Abril livros, 1996)

Classificação das ligas ferrosas com base no teor de carbono:

Ferro : contém menos de 0.008%p de C. Composto exclusivamente pela ferrita

Aços : de 0.008 a 2.14%p de C. Sua microestrutura consiste de fase α e de Fe3C

Aços inoxidáveis: altamente resistentes a corroção. A adição de cromo, niquel oumolibdênio tem um grande efeito nas suas propriedades. Exemplos:

aço 409 (componentes automotivos): 0.8 de C + 11 Cr + 0.5 Ni + 0.75 Ti (em %p)

aço 304 (proc. de alimentos e vasos criogênicos): 0.08 de C + 19 Cr + 9 Ni + 2Mn

Ferros fundidos comerciais: contém de 2.14 a 4.5%p de Carbono

As ligas dentro dessa faixa de composiçào fundem a 1150 – 1300 oC, sendoderretidos com facilidade nas fundições.

Exemplos de ferros fundidos: SAE G2500: 3.2-3.5 de C+ 2.2 de Si+ 0.8 Mn. Matriz: ferrita + perlita (fab.de pistões)

ASTM A56: 3.5-3.8 de C+ 2-2.8 de Si+ 0.05 Mg. Matriz: perlita (valvulas e bombas)

3510: 2.3-2.7 de C+ 1.0-1.75 de Si+ 0.5 Mn. Matriz: ferrita (engenharia de altas T)

EnciclopediaConhecer 2000:

Tecnologia(Editora Nova Cultura, 1994)

A figura mostra as microestructuras

do ferro fundido obtidas pela

variação da composição e do

tratamento térmico. Os flocos

escuros indicam o grafite

circundado por uma matriz de

ferrita α ou perlita.

Os ferros fundidos formam uma

classe de ligas que possui teores

de carbono de 2.1 a 4.5 %.

Ferros fundidos

Callister

Ciência e Engenharia de Materiais

Enciclopedia Conhecer 2000: Tecnologia (Editora Nova Cultura, 1994)

Cerâmicas

O termo cerâmica vem do grego e significa terra cozida. Ele é aplicado a

materiais inorgânicos não moleculares e não metálicos.

Nas cerâmicas, os ingredientes são fundidos de modo que os átomos se

ligam, agrupando-se em arranjos tridimensionais (chamados cristais). Em

muitas cerâmicas os cristais se ligam em grandes grupos chamados grãos

policristalinos. A estrutura desses grãos determina a dureza, a porosidade e a

temperatura de fusão da cerâmica.

As novas cerâmicas avançadas combinam resistência mecânica e térmica,

além de dureza e estabilidade química. Entre as cerâmicas mais conhecidas

estão as do sistema da zircônio - calcita: ZrO2 – CaO, e os alumino - silicatos:

SiO2 – Al2O3,.

Classificação dos materiais cerâmicos com base na sua aplicação

A maioria dos materiais cerâmicos se enquadra em um esquema de aplicação –

classificação que inclui os seguintes grupos: vidros, argilas, refratários, abrasivos, cimentos e as recentemente desenvolvidas cerâmicas avançadas

Callister, Ciência e Engenharia de Materiais

Brown – LeMay – Burnsten, Chemistry (1997)

Propriedades de algumas cerâmicas

Na : ββββ - alumina (Al 2O3)

A β-alumina de sódio é um exemplo de um material

mecanicamente duro que é um bom condutor iônico.

Os planos de condução – onde se acomodam os íons

Na – ficam entre os blocos Al2O3 rígidos e densos.

Shriver & Atkins, Química Inorganica (Bookman, 2008)

Compostos de silício com oxigênio

A afinidade do silício pelo

oxigênio explica a existência

de uma grande variedade de

silicatos minerais e compostos

sintéticos. A figura mostra a

unidade SiO4 desenhada

como um tetraedro.

As argilas são aluminosilicatos,

compostos por alumina (Al2O3) e sílica

(SiO2), as quais contêm água

quimicamente ligada.

Elas possuem uma ampla faixa de

características físicas, composições e

estruturas.

Quando materiais à base de argila são aquecidos a temperaturas elevadas,

ocorrem a vitrificação, a formação gradual de um vidro que flui e preenche parte do

volume dos poros. A figura mostra uma micrografia eletrônica de uma porcelana

cozida onde podem ser vistos grãos de quartzo (grandes partículas escuras) com

bordas de solução vitrea; regiões de material fundente feldspato parcialmente

dissolvido, agulhas de mulita (3Al2O3 – 2SiO2) e poros (buracos escuros com borda

branca). Ref: Callister, Ciência e Engenharia de Materiais

Argilas

Shriver & Atkins, Química Inorganica (Bookman, 2008)Callister, Ciência e Engenharia de Materiais (LTC, 2002)

Os aluminosilicatos são os principais responsáveis pela rica variedade do

mundo mineral. Entre aqueles com estrutura de camadas – que também contêm

metais como lítio, magnésio e ferro, temos as argilas, o talco e as micas.

A unidade que se repete num alumino-silicato consiste de uma camada de silicato

com a estrutura mostrada na figura. Um exemplo é a caulinita, Al2(OH)4Si2O5 usado

para fazer porcelanas. Quando água é adicionada, as moléculas de água se

posicionam entre as lâminas em camadas e formam uma película fina ao redor das

partículas de argila, dando como resultado a plasticidade da mistura água – argila.

Estrutura da Matéria. Coleção Ciência & Natureza (Time Life e Abril Livros, 1996)

Cerâmicas avançadas

Estrutura da Matéria. Coleção Ciência & Natureza (Time Life e Abril Livros, 1996)

Algumas cerâmicas avançadas superam o ferro

fundido, o aluminio e o aço nos testes de rigidez

(resistência a dobra) e de dureza (resistência ao

corte). Essas propriedades tornam a cerâmica

A preferida para peças de máquinas.

Cerâmicas refratárias

As propriedades características destes materiais incluim a capacidade de resistir a

temperaturas elevadas sem fundir ou descompor, e a capacidade de permanecer

inerte frente a ambientes severos. Aplicações típicas: revestimento de fornos para

o refino de metais, a fabricaçào de vidros e tratamento térmico metalurgico.

Callister, Ciência e Engenharia de Materiais (LTC, 2002)

Cimentos e Concretos

Vários materiais cerâmicos são classificados como cimentos inorgánicos:

cimento, gesso e cal, os quais quando são misturados com água formam uma

pasta que pega e endurece. A tradição inglesa considera a saca de cimento

de 94 lb (42.6 kg).

Estrutura da Matéria. Coleção Ciência & Natureza (Time Life e Abril Livros, 1996)

Cimentos e Concretos

O cimento é um pó fino de vários

minerais. Principais constituintes:

3CaO ·Al2O3 [chamado 3C·A]

2CaO · SiO2 silicato dicálcico [2 C · S]

3CaO · SiO2 silicato tricálcico [3C · S]

4CaO ·Al2O3 ·Fe2O3 [4C ·A· F]

O cimento Portland é produzido pela

moagem e mistura de argila e minerais

que contêm cal nas proporções

adequadas, e depois pelo aquecimento

da mistura até 1400 oC em um forno

rotativo. O produto (clínquer) é então

moído na forma de um pó muito fino, ao

qual adiciona-se uma pequena

quantidade de gesso (CaSO4 • 2H2O).

Cimentos portland :

Tipo I : de aplicação geral. Usado em passeios, edifícios de concreto, pontes e açudes

Tipo II : cimento resistente ao ataque de sulfatos. Usado em plataformas de cais e em

grandes muros de sustentação.

Tipo III : cimento de endurecimento rápido.

Tipo IV : cimento de baixo calor de hidratação. Usado em estrutras de concreto muito

espessas, como barragens, nas quais o calor gerado durante a cura é um fator crítico

Tipo V : cimento resistente aos sulfatos. Usado em concretos em contato com solos e

águas subterrâneas que contém um alto teor de sulfatos

O concreto consiste de quatro ingredientes: o cimento, o agregado (mistura de

pedregulhos e cascalho), a areia e a água. Quando se adiciona água, ela reage

quimicamente com os minerais do cimento, formando um composto altamente adesivo

que envolve as partículas agregadas e adere a elas. Em poucas horas, essa pasta

endurece (cura). Boa parte da água fica ligada dentro dele, em uma nova composição.

O cimento não seca, ele endurece

Estrutura da MatériaColeção Ciência & Naturez.(Time Life e Abril Livros, 1996)

Exemplo : Preparação da massa de concreto

Determinar a quantidade de água, cimento, areia e agregados (pedregulhos)

necessários para formar 1 m3 de concreto numa razão (em massa) água : cimento =

0.4, e de cimento : areia : agregados = 1 : 2.5 : 4.

Solução: Com as densidades do cimento 3.04 g/cm3, da areia: 2.56 g/cm3, dos

agregados 2.72 g/cm3 e da água: 1 g/cm3, se calcula em primeiro lugar, o volume de

cimento, areia, agregados e água usados para preparar o concreto com uma saca

de cimento. A seguir se calcula quantas sacas de cimento se precissam para

preparar 1 metro cúbico de concreto. Finalmente se calcula a quantidade de material

necessário para preparar o concreto na proporção exigida.

Leituras recomendadas:

W.D. Callister: Ciência e Engenharia de Materiais (Editora LTC)

W.F. Smith: Princípios de Ciência e Engenharia dos Materiais (McGraw Hill)

D.A. Askeland, P. Phulí, The Science and Engineering of Materials (Thomson)