Metalurgia Física e Mecânia Aplicada

7/21/2019 Metalurgia Fsica e Mecnia Aplicada

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CursoCurso Metalurgia FMetalurgia Fsica e Mecnica Aplicadasica e Mecnica Aplicada (curso(curso MahleMahle -- ItajubItajub))

2 a 6 de agosto de 20042 a 6 de agosto de 2004MAHLEMAHLE -- ItajubItajub

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PARTE IPARTE IREVISO DA METALURGIAREVISO DA METALURGIAFFSICA E MECNICASICA E MECNICA

Metalurgia FMetalurgia Fsica esica eMecnica AplicadaMecnica Aplicada

(curso(curso MahleMahle -- ItajubItajub))


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CapCaptulo Umtulo UmA estrutura dos metais:A estrutura dos metais:

LigaLigaes no metes no metlicaslicasLigaLigao meto metlicalica

Estrutura cristalina dos metaisEstrutura cristalina dos metais

Metalurgia FMetalurgia Fsica e Mecnicasica e MecnicaAplicadaAplicada

(curso(curso MahleMahle -- ItajubItajub))


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A estrutura dos materiaisA estrutura dos materiais Todos os materiais so constituTodos os materiais so constitudos dedos de tomos.tomos. Durante o final do sDurante o final do sculo XIX e inculo XIX e incio do scio do sculo XX surgiram vculo XX surgiram vriasrias

teorias para explicar a natureza e a estrutura dosteorias para explicar a natureza e a estrutura dos tomos.tomos. SabeSabe--se, hoje em dia, que osse, hoje em dia, que os tomos so compostos de parttomos so compostos de partculasculas

em condiem condies energes energticas determinadas.ticas determinadas. Destas partDestas partculas, os elculas, os eltrons so as responstrons so as responsveis pela maior parteveis pela maior parte

das propriedades no nucleares, por exemplo asdas propriedades no nucleares, por exemplo as propprop. qu. qumicas.micas. Por sua vez, os elPor sua vez, os eltrons, so descritos por quatro parmetrostrons, so descritos por quatro parmetros

energenergticos ou nticos ou nmeros qunticos:meros qunticos:

nn ,, LL ,, mm ee ss

Estes parmetros descrevem e individualizam os elEstes parmetros descrevem e individualizam os eltrons de umtrons de um

tomo.tomo.


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A estrutura dos materiaisA estrutura dos materiais


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A estrutura dos materiaisA estrutura dos materiaisEm termos da mecnicaEm termos da mecnica

quntica, umquntica, um tomotomo composto de um ncomposto de um ncleocleo

com elcom el

trons na suatrons na sua

vizinhanvizinhana ocupando osa ocupando osseguintes nseguintes nveis eveis e

subnsubnveisveis eletrnicoseletrnicos

posspossveis:veis:


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A estrutura dos materiaisA estrutura dos materiais


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A estrutura dos materiaisA estrutura dos materiaisLigaLigaes ques qumicasmicas

No estado combinado umNo estado combinado um tomo pode ser simplificado:tomo pode ser simplificado: um num ncleo;cleo; uma eletrosfera interna e;uma eletrosfera interna e; uma eletrosfera externa (que possuiuma eletrosfera externa (que possui falhasfalhas).).


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As reaAs reaes ques qumicas ocorrem como uma forma demicas ocorrem como uma forma deestabilizaestabilizao da eletrosfera doso da eletrosfera dos tomostomos

tomos com a mesma configuratomos com a mesma configurao de elo de eltrons devemtrons devem

apresentar comportamentos quapresentar comportamentos qumicosmicos similaressimilares

AlumAlumnio Cobre Ouronio Cobre Ouro


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NoNo igualigual


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No existe um sNo existe um slido composto inteiramente porlido composto inteiramente porsomente uma ligasomente uma ligao quo qumica.mica.

Sempre haverSempre haver algum caralgum carter de mistura nas ligater de mistura nas ligaesesdosdos tomos formadores de um stomos formadores de um slido.lido.

Existem classes de materiais que apresentam umaExistem classes de materiais que apresentam umatendncia forte para um tipo de ligatendncia forte para um tipo de ligao.o.


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A estrutura dos materiaisA estrutura dos materiais1.1.1 Liga1.1.1 Ligaes inicases inicas

As ligaAs ligaes inicas ocorrem pela transferncia doses inicas ocorrem pela transferncia doseleltrons mais energtrons mais energticos de umticos de um tomo para outro:tomo para outro:

-- ++


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Nesta situaNesta situao surge uma poderosa foro surge uma poderosa fora eletrosta eletrostticaticaque une os doisque une os dois tomostomos em uma ligaem uma ligao no direcionalo no direcional..

Os elementos podem se unir em qualquer direOs elementos podem se unir em qualquer direo e emo e em

qualquer quantidade, desde que se mantenha oqualquer quantidade, desde que se mantenha oequilequilbrio eletrostbrio eletrosttico.tico. Esta caracterEsta caracterstica facilita a criastica facilita a criao de ino de inmeros smeros slidoslidos

cristalinos basicamente inicos ecristalinos basicamente inicos e rrgidosgidos.. SSlidos inicos (lidos inicos (xidos):xidos):

AlAl22OO33,, MgOMgO, ZrO, ZrO22,, CaOCaO, SiO, SiO22, etc., etc. SSlidos inicos (nolidos inicos (no xidos):xidos):

SiC, SiSiC, Si33NN44,, TiCTiC,, NbCNbC, VC, BN,, VC, BN, AlNAlN,, TiNTiN, etc., etc.


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Em particular, no caso dos silicatosEm particular, no caso dos silicatos(estrutura b(estrutura bsica: SIOsica: SIO44-

-44) existem) existem

xidos que atuam na rede daxidos que atuam na rede da

seguinte forma...seguinte forma... Formadores de rede (Formadores de rede (cidoscidos):):

SiOSiO22, B, B22OO33,, PP22OO55

IntermediIntermedirios (rios (neutrosneutros):):AlAl22OO33, TiO, TiO22, ZrO, ZrO22

Modificadores (Modificadores (bbsicossicos):):

NaNa22O, KO, K22O,O, CaOCaO,, MgOMgO,, BaOBaO,, PbOPbO,, ZnOZnO


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Os sOs slidos inicos possuemlidos inicos possuemestruturas cristalinas bemestruturas cristalinas bemdefinidas exemplificadas pelasdefinidas exemplificadas pelasestruturas do:estruturas do: CsClCsCl NaClNaCl ((MgOMgO,, CaOCaO,, FeOFeO, NiO), NiO)

ZnSZnS ((ZnTeZnTe,, SiCSiC))

MXMX22 (CaF(CaF22, UO, UO22,, SiOSiO22))

MM22XX33 ((AlAl22OO33, Cr, Cr22OO33, Fe, Fe22OO33)) MMMMXX33 (CaTiO(CaTiO33, BaTiO, BaTiO33))

MMMM22XX44 (MgAl(MgAl22OO44, NiAl, NiAl22OO44,,ZnAlZnAl22OO44,, ZnFeZnFe22OO44))

MM(M(MMM)X)X44 (FeMgFeO(FeMgFeO44,,FeFeFeFe22OO44, FeNiFeO, FeNiFeO44))


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Estes sEstes slidos apresentam caracteristicamente:lidos apresentam caracteristicamente: uma resistncia mecnica elevadauma resistncia mecnica elevada um ponto de fuso superiorum ponto de fuso superior densidade relativamente pequenadensidade relativamente pequena baixa ductilidadebaixa ductilidade

Estas caracterEstas caractersticas limitam a aplicasticas limitam a aplicao pro prtica isoladatica isolada

destes materiaisdestes materiais PorPorm estas caracterm estas caractersticas podem se tornarsticas podem se tornar teisteis

quando estes materiais so introduzidos dentro daquando estes materiais so introduzidos dentro daestrutura de vestrutura de vrios tipos de ligas metrios tipos de ligas metlicas (em umalicas (em uma

geometria convenientegeometria convenientemecanismos demecanismos deendurecimento).endurecimento).


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A estrutura dos materiaisA estrutura dos materiais1.1.2 Liga1.1.2 Ligaes Covalenteses Covalentes

Quando a tendncia de ceder ou receber elQuando a tendncia de ceder ou receber eltronstrons muito semelhantemuito semelhante

Ocorre uma espOcorre uma espcie decie de acordoacordo entre osentre os tomos e estes passam atomos e estes passam acompartilhar os elcompartilhar os eltrons das camadas mais externas:trons das camadas mais externas:


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Em termos de fEm termos de fsica quntica ocorre uma superposisica quntica ocorre uma superposio dos no dos nveisveisenergenergticos queticos que miniminizominiminizo a energia do conjunto:a energia do conjunto:


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Este compartilhamento sEste compartilhamento s posspossvel em direvel em direesesespecespecficas.ficas.

Estas direEstas direes so definidas pelas respectivas funes so definidas pelas respectivas funesesde densidade de probabilidade de poside densidade de probabilidade de posio (o ():):


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Devido a esta limitaDevido a esta limitaoogeomgeomtrica, no existemtrica, no existemmuitos smuitos slidos covalenteslidos covalentes

O carbono gera orbitaisO carbono gera orbitaishhbridos, do tipo sp3, abridos, do tipo sp3, a109,5109,5 que permite vque permite vriasriaspossibilidadespossibilidades

geomgeomtricas de ligatricas de ligaoo Esta hibridaEsta hibridao viabilizao viabiliza

os compostos orgnicosos compostos orgnicose os pole os polmeros assimmeros assim

como o diamante:como o diamante:


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O tamanho das cadeiras polimO tamanho das cadeiras polimricas e o seu grau dericas e o seu grau de interconectividadeinterconectividadedeterminam as caracterdeterminam as caractersticas dos materiais polimsticas dos materiais polimricos.ricos.

As principais caracterAs principais caractersticas dos polsticas dos polmeros so definidas pelameros so definidas pelacomposicomposio quo qumica de seus monmeros, exemplos:mica de seus monmeros, exemplos:


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A estruturaA estrutura

dos materiaisdos materiais1.1.2 Liga1.1.2 LigaesesCovalentesCovalentes

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A estruturaA estrutura

dos materiaisdos materiais1.1.2 Liga1.1.2 LigaesesCovalentesCovalentes

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HH alguns tipos de polalguns tipos de polmeros lmeros lquidos, que podemquidos, que podemser obtidos a partir de polser obtidos a partir de polmeros com cadeiasmeros com cadeias

polimpolimricas suficientemente pequenas.ricas suficientemente pequenas. Estes polEstes polmeros lmeros lquidos tm grande potencial dequidos tm grande potencial de

emprego no processo de tmpera do aemprego no processo de tmpera do aoo

severidade de tmpera diferenciadaseveridade de tmpera diferenciada

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A estrutura dos materiaisA estrutura dos materiais1.1.3 Liga1.1.3 Ligaes Secundes Secundriasrias

LigaLigaes de menor importncia, especialmente no estudoes de menor importncia, especialmente no estudoda metalurgia fda metalurgia fsica e mecnica.sica e mecnica.

As ligaAs ligaes surgem de maneira semelhantees surgem de maneira semelhante ligaligaoo

inica: atravinica: atravs da atras da atrao entre cargas elo entre cargas eltricas contrtricas contrriasriasformada entre dipolos.formada entre dipolos.

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