Processos Metalúrgicos

PROF.: KAIO DUTRA

AULA 5 – ESTRUTURA E PROPRIEDADE DOS MATERIAIS

Estrutura e Propriedade dos MateriaisConstituição da Matéria

◦A matéria do universo é constituída de átomos.

◦A maioria dos elementos existe na forma demoléculas consistindo em dois ou mais átomosiguais ou diferentes exemplos O2, N2 ou CO2.

◦As rochas, areias e argilas da crosta terrestre sãoprincipalmente agregados sólidos ou compostosenvolvendo os elementos oxigênio, silício,alumínio, sódio, hidrogênio, ferro, cálcio,magnésio, potássio e titánio mais comumente.

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Estrutura e Propriedade dos MateriaisConstituição da Matéria

◦A parte da matéria estruturalmente homogeneadenominada "fase".

◦Os gases puros ou uma mistura de gases saoconsiderados um sistema de fase simples, como oestado gasoso.

◦Os líquidos se parecem, de certo modo, com gasescomprimidos. Contudo, as forças interatomicas ouintermoleculares, responsáveis pela suaestabilidade entre as temperaturas de fusão e deebulição promovem uma ordenação local noestado líquido.

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Estrutura e Propriedade dos MateriaisConstituição da Matéria

◦Ao contrário dos gases, os líquidospodem existir com fases distintas que nãose misturam.

◦Alguns sólidos como o quartzo cristalino(SiO2), a galena (PbS), o gelo (H20) e umsólido não cristalino como o vidro, sãosubstáncias de fase simples. Outros comoo granito, a madeira e o aço sãosubstáncias de fases múltiplas, ou seja,são agregados de duas ou mais fases quese diferenciam pela composição químicae pela estrutura.

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Estrutura e Propriedade dos MateriaisMudanças de Fase

◦ Praticamente todos os elementos puros sãoencontrados no estado sólido (cristalino),liquido ou gasoso, dependendo das con-dições externas de temperatura e pressão.

◦ A Figura mostra uma curva típica deaquecimento; linhas A, C e E representam amodificação de temperatura com a adição decalor para os estados sólido, líquido e gasoso eas linhas B e D correspondem às chamadas"paradas térmicas", associadas com a fusão ea vaporização.

◦ Contudo, nem todos os materiais secomportam desse modo.

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Estrutura e Propriedade dos MateriaisEnergia Livre de Gibbs

◦Chama-se entalpia à quantidade de energia de uma substânciasob aquecimento e sujeita a pressão constante. A entalpia éexpressa por:

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Estrutura e Propriedade dos MateriaisEnergia Livre de Gibbs

◦Entropia é a medida da distribuição ou dograu de desordem dos arranjos internosdos atomos ou moléculas num sistema demateriais de fase simples.◦Para quantificar a entropia S, admite-seque a entropia de um cristal perfeito puroseja nula a 0°K, correspondente a umestado de perfeita ordem.◦Assim como a entalpia, a entropia ou"desordem" de um sistema aumenta coma temperatura.

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Estrutura e Propriedade dos MateriaisEnergia Livre de Gibbs

◦O produto da entropia pela temperaturaabsoluta TS é chamado "fator de entropia"e tem as unidades de energia.

◦A diferença entre a entalpia H de umsistema e seu fator de entropia é chamadade energia livre Gibbs:

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Estrutura e Propriedade dos MateriaisEnergia Livre de Gibbs

◦ A figura mostra a variação da energia livrecom a temperatura para as fases líquida esólida da água.

◦ Nota-se que abaixo de 0°C e a pressãoatmosférica, a energia livre do gelo é menorque a da água, logo o gelo é fase estável.

◦ Acima de 0°C, a água é a fase estável. Aqualquer temperatura, a diferença de energialivre é representada pela separação verticalentre as duas curvas.

◦ No ponto de equilíbrio de fusão 0°C asenergias livres são iguais e tanto a água comoo gelo sao estáveis.

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Estrutura e Propriedade dos MateriaisAssociação de Átomos

◦Os átomos estão associados porligações químicas, que podem ser dequatro formas:◦ Ligação iônica;

◦ Ligação covalente;

◦ Ligação de Van der Waals;

◦ Ligação metálica.

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Estrutura e Propriedade dos MateriaisAssociação de Átomos – Ligação Iônica

◦É o tipo mais simples de ligação.◦Átomos de elementos com um ou dois

elétrons de valência (da órbita maisexterna) facilmente libertam esseselétrons, tornando-se íons carregadospositivamente.

◦O NaCl e o MgO são exemplos de sólidosem que predomina esse tipo de ligação.

◦Para formar-se o NaCl há transferéncia doselétrons de valência do átomo de Na aoátomo de Cl.

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Estrutura e Propriedade dos MateriaisAssociação de Átomos – Ligação Covalente

◦Neste caso, um átomo compartilha seuselétrons com um átomo adjacente.

◦O exemplo mais simples é encontrado namolécula de hidrogênio, em que sãonecessários dois átomos de hidrogênio parafomar sua molécula.

◦Atomos diferentes podem igualmentecombinar-se para formar moléculas comligação covalente.

◦Exemplos: fluoreto de hidrogênio HF, H20,amônia NH3 e metano CH4. Nesses casoscada átomo fornece um eletron para formaruma ligação de um par de elétrons.

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Estrutura e Propriedade dos MateriaisAssociação de Átomos – Ligação Van der Waals

◦É a ligação interatômica mais fraca. Nestasligações, a órbita mais externa (devalência) está completa e, emconsequência de deslocamentos danuvem eletrônica para um dos polos damolécula, os seus átomos possuematração mútua muito pequena.◦Nessa ligação, ocorre apenas influênciamútua das ondas eletrônicas estacionáriassem que os elétrons sejamcompartilhados.

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Estrutura e Propriedade dos MateriaisAssociação de Átomos – Ligação Metálica

◦Nesta ligação, os elétrons sãocompartilhados por inúmeros átomos.

◦Se num átomo existirem apenaspoucos elétrons de valência, elespodem ser removidos de modorelativamente fácil, ao passo que oselétrons restantes são mantidosfirmemente ligados ao núcleo.

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Estrutura e Propriedade dos MateriaisAssociação de Átomos – Ligação Metálica

◦Assim, admite-se que na ligaçãometálica, o átomo se achaconstantemente no estado de perder,adquirir ou compartilhar elétrons devalência com os átomos vizinhos.

◦A alta mobilidade dos elétrons devalência explica as relativamenteelevadas condutibilidades elétrica etérmica dos metais.

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Estrutura e Propriedade dos MateriaisMateriais Metálicos

◦ Os metais constituem o mais importantegrupo de materiais de construção, graças àsinúmeras aplicações nos vários campos daengenharia.

◦ O seu crescente emprego e importância deve-se principalmente ao contínuo conhecimentoque se tem adquirido de suas propriedades edo seu comportamento, sob a ação dasdiversas condições de serviço, assim como aoconstante aperfeiçoamento dos métodos defabricação e tratamento e ao progressivodesenvolvimento de novas ligas.

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Estrutura e Propriedade dos MateriaisCaracterísticas Gerais Dos Metais

◦ Sob o ponto de vista prático, as propriedades quetêm maior importancia na engenharia são asmecânicas, ou seja, aquelas relacionadas com aresistência que os metais oferecem quandosujeitos a esforços de natureza mecânica, comotração, compressão, torção, choque, cargascíclicas etc.

◦ Com base na sua determinação e conhecimento,são projetadas, calculadas e executadas asestruturas metálicas, fixas ou móveis e todos oscomponentes metálicos utilizados na indústria.

◦ De grande importáncia é, igualmente, o estudo decaracterísticas físicas e químicas dos materiais,cujo conhecimento pode ser de grande utilidadepara sua seleção e utilização.

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Estrutura e Propriedade dos MateriaisDensidade

◦A sua definição clássica é peso por unidade de volume.

◦Nas ligas metálicas, a densidade muda devido a alterações damassa média dos ítomos e do parámetro do reticulado.

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Estrutura e Propriedade dos MateriaisDensidade

◦A Tabela mostra a densidade, além datemperatura de fusão, de alguns dosmetais mais conhecidos.

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Estrutura e Propriedade dos MateriaisPropriedades Térmicas

◦A elevação da temperatura dos metaisaumenta a amplitude de vibraçao dosátomos. Como consequência, ocorreuma expansão térmica do reticuladocristalino, traduzida na prática, poruma mudança de dimensões. Essaalteração dimensional é expressa emtermos de "coeficiente linear dedilatação térmica".

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Estrutura e Propriedade dos MateriaisPropriedades Térmicas

◦A elevação da temperatura leva à fusão dometal, cuja temperatura de fusão, que pode serexpressa em graus Celsius, representa umponto de transição importante em relaçaoacomodamento dos átomos na estrutura domaterial.

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Estrutura e Propriedade dos MateriaisPropriedades Térmicas

◦Por outro lado, a mudança de volumede um metal, em função datemperatura, produz conseqüênciasimportantes em várias operaçoesmetalúrgicas como fundição,forjamento, soldagem, tratamentotérmico, etc.

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Estrutura e Propriedade dos MateriaisPropriedades Térmicas

◦Outra propriedade imporate é o calorespecífico que é definido como a capacidadede armazenar calor do material, ou soja, aquantidade de calor necessária para elevar amassa unitária de um materlal de 1°C.

◦O calor específico determina a quantidadede calor necessária nos processosmetalúrgicos, tais como fundição etratamento térmico.

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Estrutura e Propriedade dos MateriaisPropriedades Térmicas

◦Finalmente, outra propriedade térmica importante é acondutibilidade térmica, indicada por um coeficiente k, quedefine a capacidade condutora do calor de uma substância e quedepende não só da própria substância como também do estadoem que ela se encontra.

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Estrutura e Propriedade dos MateriaisPropriedades Elétricas e Magnéticas

◦As propriedades elétricas correspondem aocomportamento dos metais sob a ação deuma corrente elétrica e à sua capacidade detransmitir energia elétrica.

◦As propriedades magnéticas correspondemao comportamento dos metais sob a açãode um campo eletromagnético externo.

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Estrutura e Propriedade dos MateriaisPropriedades Elétricas e Magnéticas

◦Chama-se condutibilidade elétrica acapacidade do metal transmitir ouconduzir corrente elétrica.

◦Sob esse ponto de vista, os materiaispodem ser classificados em:◦ Condutores;

◦ Isolantes;

◦ Semicondutores.

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Estrutura e Propriedade dos MateriaisPropriedades Elétricas e Magnéticas

◦O oposta da condutibilidade elétrica éa resistividade elétrica, propriedadeque se relaciona com a resistência deum material a condição da energiaelétrica.

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Estrutura e Propriedade dos MateriaisPropriedades Elétricas e Magnéticas

◦Define-se permeabilidade magnética como a habilidade de um matorialser magnetizado ou a habilidade de conduzir linhas magnéticas de forçaem comparaçao com o ar e o vácuo.

◦ Em relação às propriedades magnéticas, os materiais podem serclassificado em:◦ Ferromagnéticos, que possuem alta permeabilidade, como o ferro e o cobalto;

◦ Paramagnéticos, que possuem permeabilidade ligeiramente superior a 1;

◦ Diamagnéticos, cuja permeabilidade é inferior a 1.

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Estrutura e Propriedade dos MateriaisPropriedades Químicas

◦ Relacionam-se com a resistência que os metaisoferecem ao ataque pelo meio ambiente(corrosão) ou pelo efeito da temperatura(oxidação).

◦ As "resistência à corrosão" e "resistência àoxidação" são, portanto, características degrande importância, em vista da influência queo meio circunvizinho (gasoso, líquido ou mesmosólido) e que a temperatura exercem sobre ometal, provocando diversos tipos de ataquecorrosivo e oxidante, muitos dos quais são decaráter irregular e de determinaçãorelativamente difícil.

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Estrutura e Propriedade dos MateriaisPropriedades Químicas

◦De fato, a reação dos meios corrosivos sobre osmateriais pode ser afetada por muitas variáveis,como por exemplo, a verdadeira natureza química econcentração do meio corosivo, o grau de exposição,tempo de exposição, temperatura, etc.

◦Normalmente, a corrosão é medida em mm ou cmde superfície que se perde anualmente. Pode-semedir igualmente em gramas de peso perdidoanualmente.

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Estrutura e Propriedade dos MateriaisPropriedades Químicas

◦ O comportamento dos metais a elevadastemperaturas exige igualmente uma avaliaçãocuidadosa, em face das condiçõesextremamente críticas, em relação àtemperatura, a que muitos metais estãosujeitos, influindo na sua capacidade de resistiràs cargas a que estão submetidos.

◦ A necessidade de utilizar-se metais emcondições de ambiente agressivo e atemperaturas acima do ambiente levaram aodesenvolvimento de ligas especiais, resistentesà corrosão e ao calor, além do emprego detratamentos superficiais que permitemaumentar sua resistência à corrosão e àoxidação.

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