Processos Metalúrgicos

Transcrição

1 Processos Metalúrgicos AULA 5 ESTRUTURA E PROPRIEDADE DOS MATERIAIS PROF.: KAIO DUTRA

2 Constituição da Matéria A matéria do universo é constituída de átomos. A maioria dos elementos existe na forma de moléculas consistindo em dois ou mais átomos iguais ou diferentes exemplos O 2, N 2 ou CO 2. As rochas, areias e argilas da crosta terrestre são principalmente agregados sólidos ou compostos envolvendo os elementos oxigênio, silício, alumínio, sódio, hidrogênio, ferro, cálcio, magnésio, potássio e titánio mais comumente.

3 Constituição da Matéria A parte da matéria estruturalmente homogenea denominada "fase". Os gases puros ou uma mistura de gases sao considerados um sistema de fase simples, como o estado gasoso. Os líquidos se parecem, de certo modo, com gases comprimidos. Contudo, as forças interatomicas ou intermoleculares, responsáveis pela sua estabilidade entre as temperaturas de fusão e de ebulição promovem uma ordenação local no estado líquido.

4 Constituição da Matéria Ao contrário dos gases, os líquidos podem existir com fases distintas que não se misturam. Alguns sólidos como o quartzo cristalino (SiO 2 ), a galena (PbS), o gelo (H 2 0) e um sólido não cristalino como o vidro, são substáncias de fase simples. Outros como o granito, a madeira e o aço são substáncias de fases múltiplas, ou seja, são agregados de duas ou mais fases que se diferenciam pela composição química e pela estrutura.

5 Mudanças de Fase Praticamente todos os elementos puros são encontrados no estado sólido (cristalino), liquido ou gasoso, dependendo das condições externas de temperatura e pressão. A Figura mostra uma curva típica de aquecimento; linhas A, C e E representam a modificação de temperatura com a adição de calor para os estados sólido, líquido e gasoso e as linhas B e D correspondem às chamadas "paradas térmicas", associadas com a fusão e a vaporização. Contudo, nem todos os materiais se comportam desse modo.

6 Energia Livre de Gibbs Chama-se entalpia à quantidade de energia de uma substância sob aquecimento e sujeita a pressão constante. A entalpia é expressa por:

7 Energia Livre de Gibbs Entropia é a medida da distribuição ou do grau de desordem dos arranjos internos dos atomos ou moléculas num sistema de materiais de fase simples. Para quantificar a entropia S, admite-se que a entropia de um cristal perfeito puro seja nula a 0 K, correspondente a um estado de perfeita ordem. Assim como a entalpia, a entropia ou "desordem" de um sistema aumenta com a temperatura.

8 Energia Livre de Gibbs O produto da entropia pela temperatura absoluta TS é chamado "fator de entropia" e tem as unidades de energia. A diferença entre a entalpia H de um sistema e seu fator de entropia é chamada de energia livre Gibbs:

9 Energia Livre de Gibbs A figura mostra a variação da energia livre com a temperatura para as fases líquida e sólida da água. Nota-se que abaixo de 0 C e a pressão atmosférica, a energia livre do gelo é menor que a da água, logo o gelo é fase estável. Acima de 0 C, a água é a fase estável. A qualquer temperatura, a diferença de energia livre é representada pela separação vertical entre as duas curvas. No ponto de equilíbrio de fusão 0 C as energias livres são iguais e tanto a água como o gelo sao estáveis.

10 Associação de Átomos Os átomos estão associados por ligações químicas, que podem ser de quatro formas: Ligação iônica; Ligação covalente; Ligação de Van der Waals; Ligação metálica.

11 Associação de Átomos Ligação Iônica É o tipo mais simples de ligação. Átomos de elementos com um ou dois elétrons de valência (da órbita mais externa) facilmente libertam esses elétrons, tornando-se íons carregados positivamente. O NaCl e o MgO são exemplos de sólidos em que predomina esse tipo de ligação. Para formar-se o NaCl há transferéncia dos elétrons de valência do átomo de Na ao átomo de Cl.

12 Associação de Átomos Ligação Covalente Neste caso, um átomo compartilha seus elétrons com um átomo adjacente. O exemplo mais simples é encontrado na molécula de hidrogênio, em que são necessários dois átomos de hidrogênio para fomar sua molécula. Atomos diferentes podem igualmente combinar-se para formar moléculas com ligação covalente. Exemplos: fluoreto de hidrogênio HF, H 2 0, amônia NH 3 e metano CH 4. Nesses casos cada átomo fornece um eletron para formar uma ligação de um par de elétrons.

13 Associação de Átomos Ligação Van der Waals É a ligação interatômica mais fraca. Nestas ligações, a órbita mais externa (de valência) está completa e, em consequência de deslocamentos da nuvem eletrônica para um dos polos da molécula, os seus átomos possuem atração mútua muito pequena. Nessa ligação, ocorre apenas influência mútua das ondas eletrônicas estacionárias sem que os elétrons sejam compartilhados.

14 Associação de Átomos Ligação Metálica Nesta ligação, os elétrons são compartilhados por inúmeros átomos. Se num átomo existirem apenas poucos elétrons de valência, eles podem ser removidos de modo relativamente fácil, ao passo que os elétrons restantes são mantidos firmemente ligados ao núcleo.

15 Associação de Átomos Ligação Metálica Assim, admite-se que na ligação metálica, o átomo se acha constantemente no estado de perder, adquirir ou compartilhar elétrons de valência com os átomos vizinhos. A alta mobilidade dos elétrons de valência explica as relativamente elevadas condutibilidades elétrica e térmica dos metais.

16 Materiais Metálicos Os metais constituem o mais importante grupo de materiais de construção, graças às inúmeras aplicações nos vários campos da engenharia. O seu crescente emprego e importância devese principalmente ao contínuo conhecimento que se tem adquirido de suas propriedades e do seu comportamento, sob a ação das diversas condições de serviço, assim como ao constante aperfeiçoamento dos métodos de fabricação e tratamento e ao progressivo desenvolvimento de novas ligas.

17 Características Gerais Dos Metais Sob o ponto de vista prático, as propriedades que têm maior importancia na engenharia são as mecânicas, ou seja, aquelas relacionadas com a resistência que os metais oferecem quando sujeitos a esforços de natureza mecânica, como tração, compressão, torção, choque, cargas cíclicas etc. Com base na sua determinação e conhecimento, são projetadas, calculadas e executadas as estruturas metálicas, fixas ou móveis e todos os componentes metálicos utilizados na indústria. De grande importáncia é, igualmente, o estudo de características físicas e químicas dos materiais, cujo conhecimento pode ser de grande utilidade para sua seleção e utilização.

18 Densidade A sua definição clássica é peso por unidade de volume. Nas ligas metálicas, a densidade muda devido a alterações da massa média dos ítomos e do parámetro do reticulado.

19 Densidade A Tabela mostra a densidade, além da temperatura de fusão, de alguns dos metais mais conhecidos.

20 Propriedades Térmicas A elevação da temperatura dos metais aumenta a amplitude de vibraçao dos átomos. Como consequência, ocorre uma expansão térmica do reticulado cristalino, traduzida na prática, por uma mudança de dimensões. Essa alteração dimensional é expressa em termos de "coeficiente linear de dilatação térmica".

21 Propriedades Térmicas A elevação da temperatura leva à fusão do metal, cuja temperatura de fusão, que pode ser expressa em graus Celsius, representa um ponto de transição importante em relaçao acomodamento dos átomos na estrutura do material.

22 Propriedades Térmicas Por outro lado, a mudança de volume de um metal, em função da temperatura, produz conseqüências importantes em várias operaçoes metalúrgicas como fundição, forjamento, soldagem, tratamento térmico, etc.

23 Propriedades Térmicas Outra propriedade imporate é o calor específico que é definido como a capacidade de armazenar calor do material, ou soja, a quantidade de calor necessária para elevar a massa unitária de um materlal de 1 C. O calor específico determina a quantidade de calor necessária nos processos metalúrgicos, tais como fundição e tratamento térmico.

24 Propriedades Térmicas Finalmente, outra propriedade térmica importante é a condutibilidade térmica, indicada por um coeficiente k, que define a capacidade condutora do calor de uma substância e que depende não só da própria substância como também do estado em que ela se encontra.

25 Propriedades Elétricas e Magnéticas As propriedades elétricas correspondem ao comportamento dos metais sob a ação de uma corrente elétrica e à sua capacidade de transmitir energia elétrica. As propriedades magnéticas correspondem ao comportamento dos metais sob a ação de um campo eletromagnético externo.

26 Propriedades Elétricas e Magnéticas Chama-se condutibilidade elétrica a capacidade do metal transmitir ou conduzir corrente elétrica. Sob esse ponto de vista, os materiais podem ser classificados em: Condutores; Isolantes; Semicondutores.

27 Propriedades Elétricas e Magnéticas O oposta da condutibilidade elétrica é a resistividade elétrica, propriedade que se relaciona com a resistência de um material a condição da energia elétrica.

28 Propriedades Elétricas e Magnéticas Define-se permeabilidade magnética como a habilidade de um matorial ser magnetizado ou a habilidade de conduzir linhas magnéticas de força em comparaçao com o ar e o vácuo. Em relação às propriedades magnéticas, os materiais podem ser classificado 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.

29 Propriedades Químicas Relacionam-se com a resistência que os metais oferecem ao ataque pelo meio ambiente (corrosão) ou pelo efeito da temperatura (oxidação). As "resistência à corrosão" e "resistência à oxidação" são, portanto, características de grande importância, em vista da influência que o meio circunvizinho (gasoso, líquido ou mesmo sólido) e que a temperatura exercem sobre o metal, provocando diversos tipos de ataque corrosivo e oxidante, muitos dos quais são de caráter irregular e de determinação relativamente difícil.

30 Propriedades Químicas De fato, a reação dos meios corrosivos sobre os materiais pode ser afetada por muitas variáveis, como por exemplo, a verdadeira natureza química e concentração do meio corosivo, o grau de exposição, tempo de exposição, temperatura, etc. Normalmente, a corrosão é medida em mm ou cm de superfície que se perde anualmente. Pode-se medir igualmente em gramas de peso perdido anualmente.

31 Propriedades Químicas O comportamento dos metais a elevadas temperaturas exige igualmente uma avaliação cuidadosa, em face das condições extremamente críticas, em relação à temperatura, a que muitos metais estão sujeitos, influindo na sua capacidade de resistir às cargas a que estão submetidos. A necessidade de utilizar-se metais em condições de ambiente agressivo e a temperaturas acima do ambiente levaram ao desenvolvimento de ligas especiais, resistentes à corrosão e ao calor, além do emprego de tratamentos superficiais que permitem aumentar sua resistência à corrosão e à oxidação.