BIOMATERIAIS E BIOMECÂNICATQ-064

Universidade Federal do ParanáSetor de Tecnologia

Depto de Engenharia Química Prof. Dr. Mário José Dallavalli

METAIS E SUAS LIGAS

Propriedades básicasPropriedades básicas– Fortes e podem ser moldadosFortes e podem ser moldados– Dúcteis (deformam antes de quebrar)Dúcteis (deformam antes de quebrar)– Superfície “metálica”Superfície “metálica”– Bons condutores de corrente elétricaBons condutores de corrente elétrica

Ligas MetálicasLigas Metálicas

AltaResistência,Baixa liga

Tratáveltermicamente

Baixocarbono

Médiocarbono

Altocarbono

AltaLiga

BaixaLiga

FerrosFundidos

Aços

FerroCinzento

FerroDúctil Ferro

Branco

FerroMaleável

Carbono CarbonoCarbono

FerramentaInox

FerrosasNão Ferrosas

AçosAços

Aços são ligas Fe-C que podem conter outros Aços são ligas Fe-C que podem conter outros elementos.elementos.– Propriedades mecânicas dependem da %C.Propriedades mecânicas dependem da %C.– %C < 0.25% => baixo carbono%C < 0.25% => baixo carbono– 0.25% < %C < 0.60% => médio carbono0.25% < %C < 0.60% => médio carbono– 0.60% < %C < 1.4% => alto carbono0.60% < %C < 1.4% => alto carbono

Aços carbonoAços carbono– Baixíssima concentração de outros elementos.Baixíssima concentração de outros elementos.

Aços ligaAços liga– Outros elementos em concentração apreciável.Outros elementos em concentração apreciável.

Aços Baixo CarbonoAços Baixo Carbono Aços CarbonoAços Carbono

– Microestrutura de ferrita e perlitaMicroestrutura de ferrita e perlita– Macios e pouco resistentes, muito dúcteis e tenazesMacios e pouco resistentes, muito dúcteis e tenazes– Insensíveis a tratamentos térmicosInsensíveis a tratamentos térmicos– Custo mais baixo de produçãoCusto mais baixo de produção– Usos em painéis de carros, tubos, pregos, arame...Usos em painéis de carros, tubos, pregos, arame...

Alta resistência, baixa liga (HSLA)Alta resistência, baixa liga (HSLA)– Contém outros elementos tais como Cu, Va, Ni e MoContém outros elementos tais como Cu, Va, Ni e Mo– Mais resistentes e mais resistentes à corrosãoMais resistentes e mais resistentes à corrosão– Aceitam tratamentos térmicos Aceitam tratamentos térmicos – Usos em estruturas para baixas temperaturas, Usos em estruturas para baixas temperaturas,

chassis de caminhões, vagões...chassis de caminhões, vagões...

Aços Médio CarbonoAços Médio Carbono

Aços CarbonoAços Carbono– Utilizados na forma de martensita (fase extremamente Utilizados na forma de martensita (fase extremamente

dura mas frágil) temperada (tratamento térmico para dura mas frágil) temperada (tratamento térmico para aumentar tenacidade da martensita).aumentar tenacidade da martensita).

– Usos em facas, martelos, talhadeiras, serras de metal...Usos em facas, martelos, talhadeiras, serras de metal... Tratáveis termicamenteTratáveis termicamente

– A presença de impurezas aumenta a resposta a A presença de impurezas aumenta a resposta a tratamentos térmicos.tratamentos térmicos.

– Se tornam mais resistentes mas menos dúcteis e Se tornam mais resistentes mas menos dúcteis e tenazes.tenazes.

– Usos em molas, pistões, engrenagens...Usos em molas, pistões, engrenagens...

Aços Alto CarbonoAços Alto Carbono

Aços Carbono e FerramentaAços Carbono e Ferramenta– Extremamente duros e fortes, pouco dúcteis.Extremamente duros e fortes, pouco dúcteis.– Resistentes ao desgaste e mantém o fio.Resistentes ao desgaste e mantém o fio.– Se combinam com Cr, V e W para formar Se combinam com Cr, V e W para formar

carbetos (Cr23C6,V4C3 e WC) que são carbetos (Cr23C6,V4C3 e WC) que são extremamente duros e resistentes.extremamente duros e resistentes.

– Usos em moldes, facas, lâminas de barbear, Usos em moldes, facas, lâminas de barbear, molas...molas...

Aços InoxAços Inox

Estrutura e PropriedadesEstrutura e Propriedades– Impureza predominante - Cr > 11wt%Impureza predominante - Cr > 11wt%– Pode incluir Ni e MoPode incluir Ni e Mo– Tres classes em função da microestruturaTres classes em função da microestrutura

martensítico => tratável termicamente, magnéticomartensítico => tratável termicamente, magnético ferrítico => não tratável termicamente, magnéticoferrítico => não tratável termicamente, magnético austenítico => mais resistente à corrosão, não austenítico => mais resistente à corrosão, não

magnéticomagnético

– Resistentes a corrosão a temperaturas de até Resistentes a corrosão a temperaturas de até 1000ºC.1000ºC.

Comparação de PropriedadesComparação de Propriedades

Liga Tipo Lim.Resist. Ductilidade(#AISI) (MPa) (%EL)

1010 Baixo C, plano 180 28

A656 HSLA 552 21

1040 Médio C, plano 780 33

4063 Trat. Term. 2380 24

409 Inox α 448 25

304 Inox γ 586 55

410 Inox mart. 483 30

440A Inox mart. 1790 5

Classificação das ligas Classificação das ligas ferrosas ferrosas com base no teor de Ccom base no teor de C

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

AçosAços: de 0.008 a 2.14%p de C. Sua microestrutura consiste de fase a e de : de 0.008 a 2.14%p de C. Sua microestrutura consiste de fase a e de Fe3CFe3C

Aços inoxidáveis: altamente resistentes a corroção. A liga contém uma altaAços inoxidáveis: altamente resistentes a corroção. A liga contém uma alta concentração de cromo além de niquel e molibdênio. Exemplos:concentração de cromo além de niquel e molibdênio. Exemplos: aço 409 (componentes automotivos): 0.8 de C + 11 Cr + 0.5 Ni + 0.75 Ti (em aço 409 (componentes automotivos): 0.8 de C + 11 Cr + 0.5 Ni + 0.75 Ti (em

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

2Mn2Mn Ferros fundidos comerciaisFerros fundidos comerciais: contém de 2.14 a 4.5%p de Carbono: contém de 2.14 a 4.5%p de Carbono As ligas dentro dessa faixa de composiçào fundem a 1150 – 1300 oC, sendoAs ligas dentro dessa faixa de composiçào fundem a 1150 – 1300 oC, sendo derretidos com facilidade nas fundições.derretidos com facilidade nas fundições. Exemplos de ferros fundidosExemplos de ferros fundidos:: SAE G2500: 3.2-3.5 de C+ 2.2 de Si+ 0.8 Mn. Matriz: ferrita + perlita (fab.de SAE G2500: 3.2-3.5 de C+ 2.2 de Si+ 0.8 Mn. Matriz: ferrita + perlita (fab.de

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

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

TT))

Ligas não-ferrosasLigas não-ferrosas

Porque ?Porque ?– Apesar da diversidade de propriedades das ligas Apesar da diversidade de propriedades das ligas

ferrosas, facilidade de produção e baixo custo, elas ferrosas, facilidade de produção e baixo custo, elas ainda apresentam limitações:ainda apresentam limitações: Alta densidade, baixa condutividade elétrica, Alta densidade, baixa condutividade elétrica,

corrosão.corrosão. DiversidadeDiversidade

– Existem ligas de uma enorme variedade de metais.Existem ligas de uma enorme variedade de metais.– Nós vamos descrever algumas apenasNós vamos descrever algumas apenas

Cobre, Alumínio, Magnésio, Titânio, refratários, Cobre, Alumínio, Magnésio, Titânio, refratários, super-ligas, metais preciosos.super-ligas, metais preciosos.

Ligas não-ferrosasLigas não-ferrosas Ligas de cobreLigas de cobre

– Cobre puro é extremamente macio, dúctil e deformável Cobre puro é extremamente macio, dúctil e deformável a frio. Resistente à corrosão.a frio. Resistente à corrosão.

– Ligas não são tratáveis termicamente. A melhora das Ligas não são tratáveis termicamente. A melhora das propriedades mecânicas deve ser obtida por trabalho a propriedades mecânicas deve ser obtida por trabalho a frio ou solução sólida.frio ou solução sólida.

– As ligas mais comuns são os latões, com Zn, com As ligas mais comuns são os latões, com Zn, com propriedades que dependem da concentração de Zn, propriedades que dependem da concentração de Zn, em função das fases formadas e suas estruturas em função das fases formadas e suas estruturas cristalinas (vide Callister sec.12.7)cristalinas (vide Callister sec.12.7)

– Os bronzes incluem Sn, Al, Si e Ni. Mas fortes do que Os bronzes incluem Sn, Al, Si e Ni. Mas fortes do que os latões.os latões.

– Novas ligas com Be possuem um conjunto de Novas ligas com Be possuem um conjunto de propriedades excepcionais (vide Callister sec.12.7).propriedades excepcionais (vide Callister sec.12.7).

Ligas não-ferrosasLigas não-ferrosas

Ligas de AlumínioLigas de Alumínio– Alumínio é pouco denso (2.7g/cmAlumínio é pouco denso (2.7g/cm33, 1/3 da densidade de , 1/3 da densidade de

aço), ótimo condutor de temperatura e eletricidade, aço), ótimo condutor de temperatura e eletricidade, resistente à corrosão. Possue alta ductilidade em função resistente à corrosão. Possue alta ductilidade em função de sua estrutura cfc. A maior limitação é a baixa de sua estrutura cfc. A maior limitação é a baixa temperatura de fusão (660°C).temperatura de fusão (660°C).

– A resistência mecânica pode ser aumentada através de A resistência mecânica pode ser aumentada através de ligas com Cu, Mg, Si, Mn e Zn.ligas com Cu, Mg, Si, Mn e Zn.

– Novas ligas com Mg e Ti tem aplicação na indústria Novas ligas com Mg e Ti tem aplicação na indústria automobilística, reduzindo o consumo a partir de redução automobilística, reduzindo o consumo a partir de redução do peso.do peso. De 1976 a 1986 o peso médio dos automóveis caiu De 1976 a 1986 o peso médio dos automóveis caiu

cerca de 16% devido à redução de 29% do uso de aços, cerca de 16% devido à redução de 29% do uso de aços, ao aumento de 63% no uso de ligas de Al e de 33% no ao aumento de 63% no uso de ligas de Al e de 33% no uso de polímeros e compósitos.uso de polímeros e compósitos.

Ligas não-ferrosasLigas não-ferrosas

Ligas de magnésioLigas de magnésio– O Mg é o menos denso de todos os metais estruturais O Mg é o menos denso de todos os metais estruturais

(1.7 g/cm(1.7 g/cm33).).– Muito utilizado em aviação.Muito utilizado em aviação.– Estrutura hc, com baixo módulo de Young (45 x 10Estrutura hc, com baixo módulo de Young (45 x 1033MPa), MPa),

baixo ponto de fusão (651°C).baixo ponto de fusão (651°C). Ligas de titânioLigas de titânio

– O Ti é pouco denso (4.5 g/cmO Ti é pouco denso (4.5 g/cm33), tem alto módulo de Young ), tem alto módulo de Young (107 x 10(107 x 1033MPa) e alto ponto de fusão (1668°C).MPa) e alto ponto de fusão (1668°C).

– Ligas de titânio são muito resistentes com limites de Ligas de titânio são muito resistentes com limites de resistência de até 1400 MPa.resistência de até 1400 MPa.

– Muito reativo, dificultando e encarecendo a produção.Muito reativo, dificultando e encarecendo a produção.

Ligas não-ferrosasLigas não-ferrosas

Metais refratáriosMetais refratários– Nb, Mo, W, Ta. Nb, Mo, W, Ta. – Altíssimo ponto de fusão (de 2468°C a 3410°C).Altíssimo ponto de fusão (de 2468°C a 3410°C).– Ligações atômicas extremamente fortes, alto módulo Ligações atômicas extremamente fortes, alto módulo

de Young, resistência e dureza.de Young, resistência e dureza.– Usados em filamentos de lâmpadas, cadinhos, Usados em filamentos de lâmpadas, cadinhos,

eletrodos de soldagem, etc...eletrodos de soldagem, etc... Super-ligasSuper-ligas

– Ligas de Co, Ni ou Fe com Nb, Mo, W, Ta, Cr e Ti.Ligas de Co, Ni ou Fe com Nb, Mo, W, Ta, Cr e Ti.– Usados em turbinas de avião. Resistem a atmosferas Usados em turbinas de avião. Resistem a atmosferas

oxidantes a altas temperaturas.oxidantes a altas temperaturas.

FimFim

Ate a próxima aulaAte a próxima aula