Disciplina: EET 310 Princípio de Ciência dos Materiais (PCM) Cap Compósitos

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1 Disciplina: EET 310 Princípio de Ciência dos Materiais (PCM) Cap Compósitos Definição: Material multifásico que exibe uma proporção significativa das propriedades dos materiais que o constitui. Obs: -Na prática os constituintes devem ser quimicamente diferentes e separados por uma interface - Muitos compósitos são constituídos por apenas duas fases; matriz e fase dispersa liga metálica (perlita): compósitos naturais: -ferrita (Feα); dúctil e mole -cementita (Fe 3 C); frágil e dura -osso; colágeno (proteína forte mas mole) e apatita (mineral duro porém frágil) -madeira; fibras de celulose (resistentes e flexíveis) envolvidas pela lignina (rígida) Exemplos: concreto: -matriz; cimento -fase dispersa; areia (enchimento) e brita cermets (cerâmica-metal), ex.: carbetos cimentados aplicação: ferramentas de corte de aços endurecidos matriz; metal (Co, Ni) fase dispersa; (WC, TiC)

2 Fatores que influem nas propriedades dos compósitos: propriedades das fases, quantidades relativas e geometria da fase dispersa (forma, tamanho, distribuição e orientação) Obs: Fração volumétrica; parâmetro que influencia nas propriedades mecânicas dos compósitos Classificação dos compósitos: Reforçados com patículas: - grandes; as interações não são em nível atômico ou molecular, são rígidas e restringem o movim. da matriz e, suportam parte da carga aplicada - por dispersão; partículas entre 0,01 e 0,1 µm que dificultam o movim de discord., restringindo a deform. plast. e melhorando a e o LRT e a H. Reforçados com fibras; tecnologicamente são os mais importantes para alta resist. e/ou rigidez com baixo peso. Parâmetros considerados: -resistência específica (LRT / densidade relativa do material) -módulo específico (E / densidade relativa do material)

3 Obs: -As características mecânicas dos compósitos além das propr. das fibras também dependem da transferência de carga da matriz para as fibras. -É necessário um comprimento crítico da fibra (Lc) para aumentar a resistencia e rigidez do compósito. ex.: Lc = 1 mm e 20d < Lc < 150d para vários tipos de matriz com fibra de vidro ou C e L -fibras contínuas L > > Lc (L > 15Lc). -fibras descontínuas (L < Lc); a matriz se deforma ao redor das fibras, não há transferencia de carga -as orientações, concentração e distribuição das fibras também influem nas propriedades

4 Comportamento Elástico Carregamento Longitudinal: Fibras: ou Ec = Em.Vm + Ef.Vf (eq a ) Ec = Em.(1-Vf) + Ef.Vf (eq b ) Obs: materiais frágeis na forma de são mais resistentes que os mesmos na forma de volume (< probab. de defeito crítico superficial produzir trinca) Classificação das fibras: uísqueres; monocristais (com elevada perfeição cristalina) com razão comprimento /diâmetro muito alta. São os materiais mais resistentes existentes e isentos de defeito. fibras: policristalinas ou amorfas com diâmetro relativamente pequenos. São geralmente polímeros (aramidas) ou cerâmicas (vidro, C, B, alumina) arames: tem diâmetro relativamente grandes. Incluem o aço, Mo e W Matriz: Pode ser metal, polímero ou cerâmico. Para aplicações que requerem ductilidade opta-se por metais ou polímeros Funções da matriz em compósitos reforçados com fibras: Meio de transmissão de carga. Proteção das fibras individuais contra danos superficiais (abrasão mecânica ou reações químicas com o meio. Separação das fibras para evitar a propagação de trincas.

5 Compósitos com Matriz Polimérica(PMC) reforçadas com: fibras de vidro, vantagens: (3µm < diâm. < 20µm) -alta resistência e facilm. estiradas do estado fundido -proporciona alta resist. específica no interior da matriz de plastico -inerte quimicamente junto com plástico( pode ser usada em ambientes corrosivos) - aplicações, ex: indústria de transporte para < peso dos veículos e > eficiência dos combustíveis fibras de C, vantagens: -maiores resist. espec. e mód. espec. dentre todos os mat. fibrosos -mantêm estas propr. em temperaturas elevadas (mas; problema de oxidação) - não são afetadas por umidade, vários solventes, ácidos e bases -custo relativam baixo dos seus compósitos - aplicações, ex: equipam. esportivos (tacos de golfe), componentes estruturais de aeronaves

6 fibras aramidas, vantagens: (nomes comerciais: Kevlar e nomex) -materiais com cuja realação resistência peso superam às dos metais -seu LRT é > aos demais materiais poliméricos fibrosos - tem alta tenacidade, resist. ao impacto, à fluência e à fadiga ( mas fracas sob compressão - resistentes à combustão (embora termoplásticas) - embora susceptíveis à degradação por ácidos e bases fortes, são inertes a outros solventes e produtos químicos -aplicações; normalmente usadas com matriz de epóxi ou poliésteres, ex: produtos balísticos ( coletes à prova de balas Compósitos com Matriz Metálica (MMC): -utilizadas em > temperaturas que seus metal-base -tipos de reforços; partículas, fibras contínuas (C, SiC, alumina e metais refratários. - funções do reforço, melhorar: sua resist. espec., rigidez espec., resist à abrasão, resist. à fluência, condut. térm. e estabilidade dimensional. Vantagens dos MMC em relação aos PMC: -tem > resist. à degradação por fluidos orgânicos - podem ser usados em > temperaturas - não são inflamáveis

7 Algumas aplicações de MMC: - recente: componentes de motores de automóveis com matriz Al reforçada com fibras de alumina ( compósitos leves, resist. ao desgaste e à distorções térmicas - estruturais; matriz de Al reforçada com fibras de B para ônibus espaciais -espaciais; matriz de Al com fibras de grafita para o telescópio Hubble. Compósitos com Matriz Cerâmica (CMC): Obs: -Os materiais cerâmicos são mais resistentes à oxidação e deterioração em temperaturas elevadas, não fosse a sua fragilidade seriam ideais para aplicações nestas temperaturas e severas condições de Tensão como em motores de turbina a gás. Tem tenacidade a fratura (KIC) muito inferior à dos metais. -A KIC dos cerâmicos tem melhorado com a geração de CMC com partículas, fibras ou uísqueres de outro Cerâmico (a trinca iniciada na matriz é barrada ou retardada pela fase dispersa) Algumas vantagens dos CMC : -boa resist. à fluência à temperaturas elevadas - tem > resist. à choques térmicos Algumas aplicações de CMC: alumina reforçada com uísqueres de SiC usadas como enxerto em ferramentas de corte para usinagem de ligas metálicas duras (vida útil > do que ferramentas com carbetos cimentados).

8 Compósitos estruturais: São compostos tanto por materiais homogêneos quanto por materiais cujas propriedades dependem da geometria dos seus constituintes (além das suas características individuais). -Tipos: Compósitos laminares : Folhas ou painéis bidimensionais empilhados e cimentados e, com uma direção preferencial de alta resistência.ex.: madeira, plásticos reforçados com fibras contínuas e alinhadas. Painéis em sanduíche : Duas folhas externas (faces) mais resistentes separadas por material menos denso e menos rígido (recheio). -materiais típicos para as faces: ligas de Al, plásticos reforçados com fibras, Ti, aço e madeira compensada. -recheio: polímero em espuma, borracha sintética Obs: Outro recheio popular: estrutura em colméia (finas folhas intertravadas em formato hexagonal com eixos perpendiculares às faces. Aplicações: pisos, telhados, paredes de prédios, aeronaves ( asas, fuselagem e revestimento do leme horizontal)

9 Métodos de Processamento de Compósitos (reforçados com fibras) : Pultrusão: para componentes com comprimento contínuo e secção reta constante (barras, tubos, vigas) -matriz; poliéster, éster vinílico, resina epóxi -reforço: fibras de vidro, fibras de C e fibras aramidas Prepeg: mais utilizada para aplicações estruturais. As fibras contínuas são pré-impregnadas com resina polimérica parcialmente curada.

10 Enrolamento de filamento: As fibras são posicionadas em um padrão pré-determinado para obtenção de uma forma oca (em geral cilíndrica). Obs: - Esta técnica permite um elevado controle sobre a uniformidade e orientação dos enrolamentos -Vários padrões de enrolamento são possíveis; circunferencial, helicoidal e polar -São obtidas peças com altas razões entre resistência e peso.

11 Cap. 18 Corrosão e Degradação dos Materiais Mecanismos de Deterioração: Metais : perda efetiva de material por dissolução (corrosão) ou formação de película de material não-metálico (oxidação) Cerâmicos : relativamente resistentes à deterioração em temperaturas elevadas mas também podem sofrer corrosão (dissolução química) Polímeros (degradação): Podem se dissolver em um solvente líquido, sofrer inchamento (absorvendo o solvente) ou sofrer alteração nas suas estruturas moleculares sob radiações eletromagnéticas (principalmente a ultravioleta). Ex.: polietileno exposto à temperaturas elevadas em atmosfera rica em O 2 torna-se frágil. Considerações eletroquímicas: -anodos: átomos metálicos tendem a ceder elétrons (reação de oxidação): Zn Z 2n+ + 2e - -catodos; átomos receptores de elétrons (reação de redução) : 2H + + 2e - H 2 -Obs: íon metálico em solução também pode ser Reduzido, diminuindo seu estado de valência.

12 Par galvânico: Dois metais conectados eletricamente entre si em um eletrólito. Um se torna o anodo (sofre a corrosão) e o outro o catodo, exs.: Fe-Cu e Fe-Zn Obs: Os metais não oxidam-se com o mesmo grau de facilidade. As medidas de voltagem de pilhas com diferentes pares galvânicos representam apenas as diferenças no potencial elétrico, logo é necessário estabelecer uma pilha de referência (potencial de eletrodo) - Semi-pilha de referência: eletrodo de Pt imerso numa solução 1M de íons H + saturada com gás H 2 a 25 o C e pressão de 1 atm (condições ideais).

13 Potencial de eletrodo: Informações sobre tendências de ocorrência dereações e as direções de sua espontaneidade. A Tab aplica-se para metais puros em condições ideais. Variação na temperatura, na concentração da solução ou eletrodos de ligas alteram o potencial da pilha e também podem reverter a direção da reação espontânea. Equação de Nerst: Classificação prática: A Tab é uma classificação mais prática. Mostra as reatividades de metais e ligas comerciais imersas em água do mar

14 Os metais são mais estáveis no estado iônico e a sua passagem para o estado oxidado reduz a energia livre logo, são encontrados na natureza como compostos químicos; óxidos, hidróxidos, carbonatos, silicatos, sulfatos. exceções; metais nobres, Au e Pt. A maioria dos ambientes não lhes favorece a oxidação. Os potenciais de eletrodo só representam a intensidade da força eletromotriz das pilhas além das direções das reações espontâneas. Nada informam sobre a taxa de corrosão ou perda de espessura do material (ou taxa de remoção). Taxa de corrosão ou taxa de penetração da corrosão (TPC): TPC KW At ( eq ) Estimativa da taxa de corrosão, ex.; pilha eletroquímica padrão Zn/H 2. as reações não ocorrem nas superfícies dos eletrodos (sistema fora do equilíbrio). Há uma polarização (deslocamento de cada potencial do seu valor de equilíbrio) cuja magnitude é a sobretensão ( ). Obs: As reações eletroquímicas são realizadas em sequência de etapas que ocorrem na interface eletrodo metálico-solução e na solução eletrolítica

15 Tipos de Polarização: Por ativação: A taxa é controlada pela etapa mais lenta de uma série de reações. Há uma barreira devido a ativação Ex: reação de redução de íons H + para formar bolhas do gás H 2 na superfície de um eletrodo de Zn (Fig. 18.6). Por concentração: A taxa é limitada pela difusão no interior da solução. Ex: reação de redução (anterior) com evolução do hidrogênio (Fig. 18.8). -Para taxa lenta de reação e/ou alta concentração de H + sempre há suprimento desses íons em solução na região próxima à interface -Para taxas altas de reação e baixa concentração de íons H + haverá escassez desses íons próximo à interface (necessários para a reação), portanto, a difusão desses íons é o fator limitante da taxa de reação.

16 Passividade: Metais ativos, sob certas condições ambientes tornam-se inertes, formando películas finas e aderentes sobre a sua superfície (barreira de proteção contra corrosão adicional), exs: Fe, Cr, Ni, Ti e suas ligas Fatores que influem na taxa de corrosão; temperatura, concentração do meio corrosivo (ex. ácidos), deformações plásticas a frio Formas de corrosão: Uniforme (mais comum): Ocorre na totalidade da superfície exposta gerando uma encrustação. Há reações de redução e oxidação em escala microscópica em toda superfície, ex.: ferrugem Galvânica: dois metais ou ligas metálicas dissimilares são acoplados eletricamente. O mais reativo é o corroído (anodo) e o mais inerte é protegido (catodo), ex.s: parafusos de aço em contato com latão no mar, tubulações de Cu e aço unidas em aquecedores de água Obs: A taxa de corrosão galvânica depende das áreas superficiais relativas (anodo e catodo em contato no eletrólito). Quanto < área do anodo, > a taxa de corrosão (conforme a eq )

17 Eq Taxa de corrosão (r)(r) em função da densidade de corrente (i) ou corrente / unidade de área da superfície corroída. Medidas preventivas contra a corrosão galvânica: -seleção de materiais próximos na série galvânica -evitar razões entre áreas desfavoráveis (catodo/anodo) -isolar eletricamente metais dissimilares -conectar eletricamente um terceiro metal com características mais anódicas (proteção catódica) r i n. F ( eq ) Em frestas: Ocorre por diferença de concentração nos íons ou gases dissolvidos no eletrólito e entre duas regiões da mesma peça metálica,como em fendas onde a solução fica estagnada e há exaustão de O 2. Medidas preventivas : -utilização de juntas soldadas ao invés de rebites e parafusos. -remoção frequente de depósitos acumulados.

18 Por pites (extremamente traiçoeira): Pequenos buracos que se formam na superfície e penetram no material praticamente na vertical. Há pouca perda de material até a ocorrência de uma falha Obs: - Pites podem ser gerados por defeitos na superfície (arranhões) ou pequenas variações de composição. - Amostras polidas são mais resistentes e, aços inox (susceptíveis) com adição de 2% de Mo também ficam mais resistentes Intergranular: Ocorre preferencialmente nos contornos de grão de alguns materiais que se desintegram nestas regiões, ex.: aços inox (500 o C <T< 800 o C) em longos tempos. Formam-se pequenas partículas de precipitados de Cr 23 C 6 nos contornos pela difusão de Cr e C, empobrecendo de Cr a zona adjacente. É um problema sério em soldas desses aços Medidas preventivas : -tratar termicamente o aço para dissolução das partículas de Cr 23 C 6 -redução do teor de C nestes aços (ideal < 0,03% em peso) para minimizar a formação deste carboneto -adição de outros elementos de liga (como Ti e Nb) que tenham > tendência de formar carbonetos favorecendo o Cr permanecer em solução sólida.

19 Lixívia seletiva: Quando um elemento da liga é removido preferencialmente. Ex.: Zn no latão; fica somente uma massa porosa de Cu na região de remoção, comprometendo as propriedades da liga que muda sua cor. Erosão-corrosão: Ação combinada de ataque químico e abrasão mecânica ou desgaste pelo movimento de um fluido. Prejudicial para ligas passivadas ( o revestimento deve ser reposto rápido e continuamente). Metais macios são susceptíveis; Cu e Pb -Quanto > a velocidade do fluido > a taxa de corrosão -A presença de bolhas e particulados em suspensão aumenta a severidade desta corrosão -Normalmente encontrada em tubulações (dobras, curvas, mudanças de direção, variaçoes bruscas de diâmetro, posições onde há mudança de direção do fluido tornando o escoamento turbulento) Medidas preventivas : -modificação do projeto para eliminar efeitos de colisão do fluido e turbulências -utilização de materiais mais resistentes -remoção de particulados e bolhas da solução Corrosão sob tensão: Ação combinada de tensão trativa num meio corrosivo. Pequenas trincas formam-se perpendicularmente à direção das tensões (relativamente baixas e inferiores ao LRT). As tensões podem ser originadas por cargas externas ou serem residuais (variações de temperatura). Exs.: aços inox em soluções com íons cloreto, latões em soluções de amônia Medidas preventivas : -Diminuição da tensão pela redução da carga aplicada ou aumento da área da secção reta na direção perpendicular à tensão -realizaçâo de tratamentos térmicos de recozimento para eliminar tensões residuais.

20 Fragilização por hidrogênio: Várias ligas sofrem considerável redução na sua ductilidade e no LRT ao serem penetradas por hidrogênio atômico. Exs.: aços de alta resistência (martensíticos) e ligas CFC (aços austeníticos, ligas de Cu, Al e Ni) endurecidas por precipitação -A fragilização (trincamento pelo H) é um tipo de falha decorrente de tensões trativas ou tensões residuais trativas que resulta em fratura frágil de forma catastrófica (as trincas crescem e propagam-se rapidamente). -O H (atômico mesmo em ppm) se difunde intersticialmente na rede cristalina causando as trincas (normalmente transgranulares) -Para a sua ocorrência é necessária alguma fonte de H e possibilidade de formação do seu componente atômico. Ex.: H 2 S encontrados em fluidos derivados e petróleo, gás natural e salmouras de poços de petróleo. -O H 2 S é considerado um veneno por retardar a formação de hidrogenio molecualr e aumentar o tempo de residência do hidrogênio atômico Medidas preventivas : -remoção da fonte de H -tratamento térmico a temperaturas elevadas para eliminar qualquer H dissolvido -substituição por ligas mais resistentes Formas gerais de prevenção contra corrosão: Seleção criteriosa dos materiais para ambientes corrosivos caracterizados: Alteração de parâmetros do meio corrosivo; redução de temperatura, velocidade do fluido Aumento ou diminuição da concentração de algum componente Adição de inibidores (baixas concentrações) em sistemas fechados. Eles podem reagir com o componente ativo do meio corrosivo (como o O 2 ) eliminando-o. Também podem fixar-se na superfície do metal interferindo nas reações de redução ou oxidação Aplicação de barreiras físicas na forma de camadas de revestimento (inertes e com grande adesão)

21 Proteção catódica: -Anodo de sacrifício; conexão elétrica a outro metal mais reativo (de caráter mais anódico),geralmente usa-se Zn ou Mg. Ex.: hélice de navio (bronze ao Mn) é extremamente catódica em relação aço do casco do navio. Na presença da água do mar (eletrólito forte) o casco rapidamente se corroeria. -Fornecimento de corrente contínua de fonte externa tornando o metal a ser protegido catódico -Galvanização: Aplicação de camada de Zn sobre a superfície de um aço por imersão à quente. Na atmosfera e na maioria dos ambiente o Zn é anódico em relação ao aço. Obs: Qualquer dano à superfície do material ainda acarretará numa taxa de corrosão muito lenta do Zn devido à altas razões catodo/anodo.

22 Oxidação: Além das reações eletroquímicas em soluções aquosas (corrosão a úmido) a corrosão também pode ocorrer em atmosferas gasosas, Normalmente no ar(corrosão a seco) gerando uma encrustaçãoou camada de óxido na superfície Metálica. Ex.: formação de carepa de óxido de ferro Tipos de encrustação: A taxa de oxidação,ou aumento da espessura da camada, e sua tendência de proteção contra oxidação adicional está relacionada com os volumes relativos entre óxido e o metal através da razão de Pilling-Bedwort (P-B). P B A A 0. M. M ( eq ) O Obs: - Valor ideal P-B = 1 -Se P-B <1, a película do óxido tende a ser porosa e não-protetora ( insuficiente para cobrir toda a superfície metálica. -Valores de P-B > 1 resultam em tensões de compressão na camada - Se P-B > 2 ou 3, o revestimento pode trincar e quebrar expondo continuamente a superfície metálica Outros fatores que além da P-B influenciam na resistência à oxidação proporcionada pela camada: -alto grau de aderência -coeficiente de expansão térmica similar -elevado ponto de fusão -alta plasticidade em temperaturas elevadas

23 Cinética: A taxa oxidação pode ser determinada medindo-se o ganho de peso da camada de óxido (W) por unidade de área em função do tempo. -Para óxido não-poroso e bem aderente a sua taxa de crescimento é controlada por difusão iônica. Neste caso a taxa é determinada por uma relação parabólica entre W por unidade de área e o tempo. W 2 = K 1 t + K 2 (eq ), exs.: Co e Cr -Nas oxidações com encrustações porosas e que se desfolham ( P-B <1 ou P-B >2) a expressão da taxa é linear, estando o O 2 sempre disponível para reagir com a superfície metálica não protegida (o óxido não é uma barreira efetiva). W = K 3 t (eq ), exs.: Na, K e Ta -Em camadas muito finas (espessura < 100nm) formadas em temperaturas relativamente baixas (próximas da ambiente) também pode ser observada a relação logarítmica. W = K 4 log (K 5 t + K 6 ) (eq ), exs.: Al, Fe e Cu