ICPOM CADERNO P2

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Ciência dos materiais:
Metais - resistentes (aguentam tensões elevadas antes de romper), dúcteis (se deformam antes de romper), bons condutores de corrente e létrica e de calor, e 
podem ser polidas de forma a ter uma superfície "metálica"
○
Cerâmicas - alto ponto de fusão e estabilidade térmica (refratários), isolantes térmicos, frágeis rompem sem deformar) porem resistentes (alta dureza), 
propriedades elétricas interessantes e são catalisadores - podem ser usados no alto forno e vidros são misturas de materiais cerâmicos transparentes
○
Polímeros - altamente moldáveis, baixa densidade, menos resistentes que metais e cerâmicas○
Compósitos - combinação de materiais anteriores. Ex: concreto, fibra de vidro (cerâmica + polímero), e metal + cerâmica, criando proprieda des únicas○
Semicondutores - condutividade finamente controlada pela presença de impurezas - dopantes, podem ser combinados para gerar propriedades eletrônicas e óticas 
sob medida. Aplicações: automóveis e aviões e turbinas, com vantagens ambientais
○
O cientista dos materiais (!= engenheiro de materiais) usa teorias da física para explicar a relação entre as propriedades e a intima natureza(microestrutura) dos 
materiais (metais, polímeros, cerâmicos e compósitos), através de ensaios de materiais (experimento controlado).
•
Ligação química - dependendo do tipo de ligação, temos diferentes propriedades. Ex: ligação metálica e forte e gera uma boa condutividades○
Arranjo atômico - material cristalino (simetria, ordem de longo alcance - metais e ligas) e material amorfo (ordem de curto alcance - vidro)○
Estrutura cristalina - diferentes estruturas cristalinas deformam mais ou menos.○
Arranjo micro estrutural - maneira como os cristais estão orientados no espaço, distribuição e tamanho, diretamente ligado ao processo de fabricação○
Presença de fases - composição, monofásico (um tipo de grão, cristal) ou polifásico (dois ou mais tipo de grãos, cristais - são tecnologicamente mais 
interessantes) . Fases tem identidades químicas e físicas uniformes. Estado solido fase = conjunto de grãos idênticos )mesmo estado físico quimicamente 
distintas)
○
Aspectos da estrutura que definem as propriedades:•
Térmica - condutividade térmica○
Mecânico - modula de elasticidade○
Química - resistência a corrosão○
Ele/mag○
Propriedades - características mensuráveis de um metal:•
Obs.: Microestrutura - tipo, % e composição das fases (tipos de materiais) e arranjo micro estrutural onde cada fase tem propriedades físicas e químicas diferentes. Aço: 
carbetos (Fe3C - resistência) e ligas ferrosas(Fe, C, etc - ductilidade). Basicamente pensamos na forma, tamanho e distribuição dos cristais que compõe as fases.
Engenharia de materiais:
Material -----> Processameto -----> Material final (melhores propriedades)
Desenvolvimento de processos que visam a melhoria nas propriedades para aumentar o desempenho no que for aplicado•
Ajuste da composição- controle dos elementos, carbono e elementos de liga (II)•
Síntese e composição: Obtenção de metais por meios químicos e formação de liga com a composição desejada, material de composição controlada. (I)•
Processamento mecânico - dar uma forma ao material (conformar) com a aplicação de forcas, gerando um impacto na microestrutura○
Processamento químico - associado a um aumento superficial da dureza e introduzir camadas protetoras contra a corrosão. Ex: Carbonetacao - coloca-se uma 
fonte da carbono com uma peca de aço controlando a temperatura e isso gera um material com a superfície maior dureza. Na prod ução do aço galvanizado 
(superfície mais resistente a corrosão), mergulha-se a peca de aço em um banho de zinco
○
Processamento/Tratamento térmico - promover o aquecimento e resfriamento com taxas controladas (tg) para mudar a microestrutura do material. Durante o TT 
variamos microestrutura varia o tipo, % e fases (termodinâmica - previsto no diagrama de fases*) e também o arranjo cristalino (cinética - mecanismo) que 
depende da taxa de resfriamento e velocidades(mecanismos) das transformações de fases no interior do material, e depende das caracterizações micro 
estruturais. (colocar imagem de tratamento térmico e material). Variáveis importantes: temperatura, tempo e taxa de resfriame nto
○
Processamento - processos de ajuste da sua microestrutura, que tem relação com as propriedades (comportamento do material em condições contro ladas)•
Mapas que permitem prever o estado de equilíbrio de um material quando a temperatura e pressão de cada componente são fixados possibilitando encontrar as 
fases e a sua composição
○
Para substâncias puras, temperatura e pressão definem o equilíbrio
 
Nos sistemas com mais de um componente, definidos pela temperatura, pressão e composição - fração molar ou mássica. A + B --- Wa = ma/ma + mb e Wb = 
mb/ma + mb com Wa + Wb = 1. Nesse caso ha um limite de solubilidade, ou seja, uma concentração a partir da qual aquela soluçã o se torna instável, que 
depende da temperatura, quase sempre diretamente proporcional
○
Diagrama de fases1.
Soluções solidas:
Estrutura cristalina bem definida (solvente)○
Posições da rede (substitucional). Ex: Cr nu Fe
Vazios presentes da rede (intersticial). Ex: C no Fe
O soluto pode entrar, dependendo do tamanho do soluto (pode ser misto também)○
Limite de solubilidade - abaixo do limite, átomos das impurezas se diluem na rede cristalina da matriz (material monofásico). Quando o limite de solubilidade for 
ultrapassado, forma-se uma nova fase
•
Ligas isomorfas:
Ex: Cu-Ni•
Solubilidade plena (similaridade físico-química) - uma única fase no estado solido (alfa), ou seja, grãos de mesmo tipo mesmo que as propriedades mudem de acordo 
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domingo, 23 de junho de 2013
19:33
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Solubilidade plena (similaridade físico-química) - uma única fase no estado solido (alfa), ou seja, grãos de mesmo tipo mesmo que as propriedades mudem de acordo 
com composição. Inserir diagrama.
•
Pode-se descobrir as fases e quando tem duas, descobrir as composições de cada fase, traçando a a interseção da linha isotérmica com as curvas L e S. Também 
temos a fração de cada fase - regra da alavanca
•
 
 
•
Composição de cada fase•
 
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Determinação das frações de cada fase - regra da alavanca(conservação de massa)•
W(L) = C(a) - C(o) / C(a) - C(L) W(a) = C(o) - C(L) / C(a) - C(L)
Taxa de Resfriamento (nucleação e crescimento) - a taxa aumenta e grãos diminuem pois mais núcleos (mais resistentes) se formam, o diagrama de fases não informa 
esse tamanho de cristais.
•
Recozimento - tratamento térmico para aumentar o tamanho dos grãos. A taxa de crescimento dos graus depende da temperatura (inferior a temp eratura de fusão da 
liga, que depende da composição). Nesse caso, a taxa de resfriamento não influencia. Deve conhecer o diagrama de fases, para saber a temperatura de fusão e não ha 
transformação de fase.
•
OBS: Para alterar a granulometria:
 
 
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Termodinâmica dos materiais:
Diz como vai estar o material ao chegar no estado de equilíbrio, apos mudar a temperatura com pressão e composição constantes Ex: Precipitação 
de uma nova fase. Dependendo da velocidade
•
Resfriamento quase-estático (infinitamente lento) - há sempre tempo para chegar ao equilíbrio (configuração máxima de estabilidade)○
Velocidade das transformações (difusão) e velocidade de resfriamento - se resfriar muito rápido, o material vai estar fora do equilíbrio○
Desvios do equilíbrio previsto pelo diagrama - variações nas linhas (composições e percentuais de liquido e alfa). Difusão = movimento 
atômico.
○
Efeito da taxa de resfriamento - limita-se a difusão - desvios em relação as informações do diagrama (percentual de fases e teores,
especialmente para a linha de sólidos), pode-se bloquear uma transformação no estado solido (resfriando rapidamente) pois a difusão no solido 
é mais lento. Além disso, a natureza da precipitação no estado sólido pode mudar - Inter granular (mais rápida) e intragranular (mais lenta)
○
Difusão no solido e mais lenta, ou seja e mais sensível a taxa de resfriamento○
Aspectos cinéticos•
Ligas não isomorfas
Quando o limite de solubilidade for ultrapassado forma-se uma nova fase (inserir diagrama de fases)•
Terá dois tipos de grãos por isso são mais interessantes tecnologicamente falando (aparece mais de uma fase no solido)•
Ligas euteticas
Pb/Sn•
Solubilidade parcial - região de coexistência com dois tipos de grão (soluções sólidas alfa e beta)•
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•
 
Composição eutetica - liga poli cristalina, quando diminui a temperatura, abaixo da isoterma eutetica terá camadas finas alternadas de fases alfa e beta, a superposição 
das lamelas oferece um caminho para a difusão com maior velocidade.
•
Transformação eutetica: L = alfa + beta (ainda há nucleação e crescimento)•
Composição hipereutetica•
 
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Composição abaixo da eutética•
 
Exemplo•
Obs: taxa de resfriamento(nucleação e crescimento) - similar as ligas isomorfas. Recozimento - para as ligas que não passam pela isoterma eutética (composição muito alta 
ou muito baixa), usada para sumir com os precipitados formados depois, aumentando a maleabilidade do material (dissolução dos precipitados com o aumento da 
temperatura e manter os grãos nessa temp pra o crescimento dos grãos (maior a temp, mais rápido esse crescimento) e resfriamento (com efeito da taxa de resfriamento, 
lento favorece o crescimento intragranular no meio e não nas bordas, poucos precipitados, mas maiores; rápido, precipitados nos contornos, em maior numero e menores -
importa pois ha transformação de fase acontecendo.
Resumo eutéticas e isomorfas
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Resumo eutéticas e isomorfas
Solubilidade: eutética é parcial e isomorfa é plena•
Microestrutura - isomorfa - único tipo de grão e tamanho de grão via controle da taxa de crescimento. eutecica - dois tipos de grão, maior diversidade de 
microestruturas, taxa de resfriamento (tamanho de grão e controle da precipitação no estado solido, ligas fora do eutetico)
•
Aço
Características:
Liga metálica a base de ferro (ferrosa)•
Pode conter outros elementos de liga•
Propriedades dependem da composição química e da microestrutura - mais carbono, mais resistência e menos dúctil e presença de Cr, mais dúctil (a mecânica fica 
sendo a mais importante).
•
Diagrama Ferro-Carbono•
Região de interesse (transformações no estado sólido) - menor composição•
L -> austenita + Fe3C carbeto cementita (alta dureza)
Ferrita = alfa e Austenita = gama
Estruturas cristalinas dependem da temperatura - alotropia•
Formação de Fe3C - cementita em ligas Fe-C (metaestável) e não Fe + C(grafite) (equilíbrio, fase estável, pois a transformação e muito lenta e demora séculos)○
velocidade das transformações(mecanismo) - aprisionamento em um estado(configuração) metaestável motivado por um resfriamento rápido (difusão limitada)○
Equilíbrio estável e metaestável•
Reação eutetóide (727 graus): ver slide 21 aula 24/05
Superposição de lamelas de alfa e cementita (caminho difusional interessante.•
Estado inicial: austenita •
Aco eutetoide - 0,77%C•
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Aco hipoeutetoide
Estado inicial: austenita•
Precipitação de alfa pro eutetoide ao longo do contorno de gama•
 
Aço hipereutetoide
Estado inicial: austenita•
Precipitação de cementita nos contorno de gama•
Após a isoterma eutetoide - formação de lamelas de alfa(ferrita) e cementita•
 
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Elementos de liga:
Modificam as posições das linhas do diagrama de fases - podem alterar totalmente a sequencia das transformações durante o resfriamento, ou seja, o comportamento 
esperado da liga esta sendo alterado.
•
Formação de carbetos além do Fe3C (fases resistentes)•
Propriedades mecânicas
Metais podem ser materiais estruturais - a quantificação de suas propriedades mecânicas e fundamental para a sua aplicação•
Um grande numero de propriedades pode ser derivado de um único teste, por exemplo o ensaio de tração.•
Nesse tipo de teste, fica avaliado a deformação do material ate a sua fratura. A sua deformação pode ser reversível.•
Ensaio de tração:
Região elástica (deformação reversível) e região plástica (deformação quase toda irreversível).•
Tenacidade - área do gráfico, densidade de energia mecânica introduzida até a fratura. O 
material mais frágil tem maior limite de escoamento e maior limite de resistência.
No entanto, tem menor tenacidade devido à falta de ductilidade (a área sob a curva correspondente é muito menor).
•
Limite de escoamento - importante no processo de conformação(sai do regime elástico (lei de hook - σ = E.ε), para o plástico, quando passa fica uma 
deformação residual (fica deformado, alongado)
•
Limite de resistência - ponto de máximo(depois forma a barriguinha)•
Ductilidade - onde há a estricção, quando mais inclinado, mais dúctil, ou seja, aguenta muita deformação antes de fraturar.
Alongamento percentual %EL=100 x(Lf- L0)/L0 e Redução de área percentual %AR=100x(A0 - Af)/A0
•
Modulo de elasticidade - quanto maior, mais forca para deformar. Tg da parte elástica•
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Existe também ensaios de dureza e impacto; e os não destrutivos, para avaliação do risco de ter fraturas, feitas por diferent es métodos (microscopia óptica, emissão 
acústica, ultrassom e líquido penetrante)
•
Aumentando-se o teor de carbono, eleva-se a dureza: espera-se mais cementita(Fe3C - carbeto de elevada dureza) - regra da alavanca na região alfa+cementita○
Os elementos de liga também influenciam na dureza - carbetos adicionais e % das fases aumentam também.○
% carbono, elementos de liga a ductilidades (ajuste da composição)•
 
OBS: Para controlar as propriedades mecânicas das ligas pode controlar a tempertura e a composição.
Austenização - aquecer ate eu ter só em austenita com o tamanho de grão controlado•
Recozimento pleno - resfriamento no forno de tratamento (lento)•
Normalização - resfriamento do ar (rápido). Perlita fina•
Têmpera - resfriamento com água (muito rápido)•
Controle da dureza/ductilidade - especialmente interessante quando há transformação no estado solido, tipo de microestrutura presente na eca (tamanho de grão -
fina ou grosseira - e microestrutura bainitica - maior dureza que a perlita), os elementos de liga afetam a microestrutura final para um mesmo tratamento térmico
•
Tratamentos térmicos em aço:
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Fases metaestáveis•
As fases mostradas nos diagramas só são formadas se o resfriamento for lento, o rápido vai limitar a difusão○
Caso o resfriamento seja rápido, fases metaestáveis se formam - Martensita (fase formada pelo resfriamento abrupto da austenita (aço extremamente resistente) 
mas a dureza pode ser reduzida pelo revenido) e Austenita retida (não transformada)
○
Estabilidade influenciada por elementos de liga○
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O modulo de elasticidade permanece inalterados, as outras propriedades mudam.○
Ensaios de tração•
Aplicações dos aços:
Em virtude do que foi apresentado, entende-se que os aços constituem materiais versáteis no que diz respeito à dureza final alcançada, peças estruturais e 
ferramentas de corte.
•
Aços especiais par a indústria automobilística
Vantagens dos aços avançados
resistência mecânica otimizada (redução do peso)•
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resistência mecânica otimizada (redução do peso)•
ductilidade preservada - trabalho mecânico (conformação) facilitada
sem custos adicionais de manufatura•
Aços TRIP
Presençaça de austenita retida, bainita, perlita e martensita - Transformação da austenita retida em martensita mediante forças externas (induced plasticity)
Úteis para a proteção de impacto lateral (trabalho mecânico leva ao endurecimento prevenindo o colapso total das seções laterais) - absorção da energia mecânica
Processos de fabricação:
Visam dar forma a peças (carrocerias) e/ou dispositivos, influenciando na microestrutura final do material, ou seja, normalmente não é a mesma inicial, mas similar•
Conformação(laminação, forjamento e extrusão) - aplicações de forças, tensões externas•
Fundição - fusão e solidificação em moldes•
Metalurgia do pó - sinterização em moldes sob pressão•
Soldagem - união de peças por fusão localizada•
Processo de conformação:
Dar forma via forças externas•
Laminação(placas e perfis estruturais) controle, pode ser feito de forma continua e controlada, com uma preciso e acabando mu ito bons, grande importância•
Forjamento - pecas de grande porte com formato mais complexo, processo mais antigo•
Extrusão - trefilação (fios)•
Podem ser realizados a frio (apenas para materiais relativamente dúcteis) - gera encruamento (aumento de dureza pela deformação dos grãos existentes) e, 
dependendo do diagrama de fases, a dureza pode ser revertida por um tratamento térmico de recozimento da peça (precipitado da outra fase some, surgem novos 
núcleos não deformados e crescimento - recristalização, precipitado da outra fase volta a aparecer), chegando numa parte sólida de a plenas uma fase (linha da 
porcentagem). Caso isso exija passar pela isoterma eutética, não é possível ter a recristalização. Aços laminados a frio podem prejudicar o equipamento ou fraturar.
•
Tratamento a quente (materiais muito duros) - temperatura controlada para que uma microestrutura mais dúctil esteja presente (ex. aços - campo austenítico(gama)), 
há a recristalização da austenita durante o processo. Também pode ser feito um tratamento térmico depois da laminação na peça .
•
Obs: algumas ligas não podem ser recristlizadas, então é preciso buscar outro processo.
Peças com dimensøes variadas e formato complexo podem ser produzidos•
Deve-se liquefazer a liga e esperar a mistura resfriar em um molde refratário com o formato da peça•
Ligas com baixa temperatura de fusão (liga Pb-Sn), no entanto os aços são uma excessão com o aproveitamento da energia do processo.
Processo de fundição:
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Ligas com baixa temperatura de fusão (liga Pb-Sn), no entanto os aços são uma excessão com o aproveitamento da energia do processo.•
A taxa de resfriamento é dificilmente controlada - incluencia diretamente na microestrutura.Se houver formação de precipitados no contorno de grão, caso de um 
resfriamento muito rápido, o material fica quebradiço, então é necessário o tratamente térmico quando possível (depende do diagrama de fases).
•
 
Processo de metalurgia do pó:
Ligas com alta temperatura de fusão ou seja, grandes investimentos energéticos - aços, Ag-Cu, Ta, Nb•
Sinterização de pós metálicos (granulometria controlada, quanto menor, melhor) sob pressão e temperaturas da ordem de 800 graus - pós de ligas ou metais 
puros(depende da liga)
•
Variáveis operacionais importantes (ajustadas para cada tipo de liga) - temperatura de sinterização e tempo de sinterização (Junção dos grãos e formação da 
microestrutura de interesse (processo difusionais)( e taxas de aquecimento (crescimento de grão) e resfriamento (microestrutu ra final). Todas essas variáveis podem 
ser controladas de forma muito precisa, aumentando a qualidade dessas peças.
•
Temperatura favorece a difusão, pressão aumenta o contato entre as superfícies junto com o tamanho/granulometria do pó•
Estudos de caso:
Ta-Nb1.
obter o pó de metal com granulometria fina - juntar os grãos grosseiros dos metais separadamente com nitrogênio (nitretação), produzindo nitretos de METAL, que é 
um matéria cerâmico, que vai pra moagem e chegar numa granulometria fina. Depois esses grãos finos serão aquecidos para separar o nitrogênio
•
temperatura de sinterização 2000 graus - os grãos de Nb e Ta no coisa com parede refratária e começa a ocorrer a sinterização, tirando os poros, depois acontece a 
difusão com o final no equilíbrio com a estrutura da liga que interessa, com uma fase alfa e não importa a taxa de resfriamento.
•
2. Cu-Ag
80% de prata - nesse caso a temperatura de sinterização deve estar obrigatoriamente abaixo da isoterma eutétuca. Moagem = 80% de pó de prata + 20% de pó de 
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80% de prata - nesse caso a temperatura de sinterização deve estar obrigatoriamente abaixo da isoterma eutétuca. Moagem = 80% de pó de prata + 20% de pó de 
cobre e colocar ambos no leito de sinterização em uma temp de 650 graus. Também há o desaparecimentos dos poros mas no equilí brio temos duas fases onde alfa 
tem 0.5% de prata e 99.5% de cobre e a fase beta tem 90% de prata e 10% de cobre. Vale fazer o resfriamento rápido para não mudar os percentuais.
•
Aumentando o percentual de prata para uma temperatura de sinterização mais alta, temos só a presença da fase beta, com interf erência na maneira como a fase alfa 
vai se precipitar pois há uma transformação de fase no meio do caminho(rápido, contorno de grão, devagar, dentro da fase beta )
•
3. Aços
Vantagem - maior controle da microestrutura, pois as variáveis (taxa de aquecimento, resfriamento, temperatura e tempo) são controladas, trabalha-se com peças 
menores. Então há homogeneidade no aquecimento, maior controle sobre a porosidade, microestrutura final otimizada pelo contro le da taxa de resfriamento. 
Viabilizam nanoestruturas com taxas elevadas de aquecimento e reduzido tempo de sinterização.
•
Temos o Fe-C que é fundido e posto num recipiente com poros e um gás inerte (resfriamento), formando nuvens de gotículas de aço, que vão resfriar e virar aço em 
pó com uma granulometria muito fina.
•
A sinterização deve ser feita numa temperatura onde só tem austenita, tira os poros e durante o resfriamento precipita a cementita no contorno de grão e a ferrita, 
saindo com a microestrutura que interessa
•
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