A13 Materiais e calor Utilizando materias a temperaturas elevadas

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1 A13 Materiais e calor Utilizando materias a temperaturas elevadas

2 Introdução as propriedades térmicas quantificam a resposta dos materiais ao calor o calor são átomos ou moléculas em movimento (ou electrões): nos sólidos, vibando em torno das suas posições médias desta observação emerge a nossa compreensão das propriedades térmicas dos sólidos: capacidade calorífica, coeficiente de expansão térmica, condutividade térmica, até a fusão o calor afecta as propriedades mecânicas e físicas: à medida que a temperatura aumenta, os materiais expandem, o módulo elástico diminui, a resistência mecânica diminui, e o material começa a fluir, deformando-se lentamente com o tempo a uma velocidade que aumenta à medida que nos aproximamos do ponto de fusão o projecto (design) térmico permite ter em conta os efeitos do calor e, quando possível e útil, explorar estes efeitos

3 Propriedades térmicas a temperatura de fusão, T m, e a temperatura de transição vítrea, T g, estão relacionadas com a força das ligações no sólido sólidos cristalinos têm um ponto de fusão bem definido, T m para os sólidos não-cristalinos, T g caracteriza a transição de verdadeiro sólido para um líquido muito viscoso é útil definir duas outras temperaturas: a temperatura máxima e mínima de serviço, T max e T min T max diz-nos qual é a temperatura máxima à qual o material pode ser usado continuamente sem oxidação, alteração química ou excessiva distorsão T min é a temperatura abaixo da qual o material se torna frágil ou, por outra razão, inseguro para utilização

4 Propriedades térmicas - capacidade calorífica Há um custo energético para aquecer um material Uma quandidade conhecida de energia (neste caso, eléctrica), é fornecida à amostra (com massa conhecida), e a variação de temperatura é medida

5 Propriedades térmicas - expansão térmica A maioria dos materiais expande quando são aquecidos coeficiente de expansão térmica linear

6 Propriedades térmicas - condutividade térmica A taxa com que o calor é conduzido através de um sólido em estado estacionário (i.e., o perfil de temperaturas não varia com o tempo) é medido pela condutividade térmica, λ (W/m.K) mede-se o fluxo de calor q (W/m 2 ) que flui através do material da superfície a T 1 para a superfície a T 2 separadas de x difusividade térmica, a (m 2 /s) controla o fluxo de calor transiente

7 Expansão térmica, α, vs. condutividade térmica, λ Metais e cerâmicos técnicos têm elevadas condutividades térmicas e coeficientes de expansão modestos Polímeros e elastómeros têm ~100 vezes menor condutividade térmica e ~10 vezes maior expansão térmica que os metais Notar o Invar (uma liga de níquel) com um coeficiente de expansão muito baixo junto à temperatura ambiente

8 Condutividade térmica, λ, vs. difusividade térmica, a a capacidade calorífica por unidade de volume, ρc p 3x10 6 J/m 3.K é praticamente constante para todos os sólidos as espumas têm baixas condutividades, mas as difusividades não são necessáriamente baixas não transmitem muito calor, mas podem mudar a sua temperatura rapidamente

9 Condutividade térmica, λ, vs. resistência mecânica, σ y Metais, em particular ligas de cobre, alumínio e níquel, são simultaneamente fortes e bons condutores, uma combinação de propriedades útil para permutadores de calor

10 A física das propriedades térmicas: capacidade calorífica Os átomos nos sólidos vibram em torno das suas posições de equilíbrio, com uma amplitude que aumenta com a temperatura As vibrações dos átomos estão acopladas pelas ligações interatómicas, e são ondas elásticas estacionárias longitudinal transversal Algumas ondas têm comprimentos de onda curtos e energias elevadas, outros o oposto Num sólido com N átomos há N comprimentos de onda possíveis, e cada um tem um modo longitudina e dois transversais, 3N modos no total. Em média, a RT, cada modo tem kt de energia. Se o volume ocupado por um átomo fôr Ω Ω 2x10-29 m 3

11 A física das propriedades térmicas: expansão térmica se um sólido expande quando aquecido, terá de ser porque os átomos se estão a afastar uns dos outros a expansão térmica é um efeito nãolinear: se as ligações entre os átomos fossem molas lineares, não haveria expansão materiais com alto módulo têm baixos coeficientes de expansão, e vice-versa aproximadamente: α= 1.6x10-3 / E (E em GPa, α em K -1 ) É um facto empírico que todos os sólidos cristalinos expandem cerca de 2% desde o zero absoluto ao seu ponto de fusão α 0.02 / T m

12 A física das propriedades térmicas: condutividade térmica Calor é transmitido através dos sólidos pelas vibrações térmicas, pelo movimento de electrões livres nos metais, e, se os sólidos forem transparentes, pela radiação Quando o sólido é aquecido, o calor entra como pacotes de ondas elásticas, ou fonões, que se deslocam à velocidade do som no material (c 0 = E/ρ) até colidir com outros fonões, ou irregularidades na rede, após um livre precurso médio, l m (da ordem dos 0.01 μm) Nota: em metais, em que são os electrões que transportam o calor, a equação é a mesma aplicada aos electrões

13 Todos os materiais têm: Sumário e conclusões - 1 uma capacidade calorífica, C p, que é a quantidade de energia necessária para aquecer a unidade de massa uma unidade de temperatura uma expansão térmica, α, que é a alteração das sua dimensões com a variação de temperatura uma condutividade térmica, λ, e uma difusividade térmica, a, a primeira caracterizando a velocidade de transmissão de calor através do sólido, e a segunda o tempo que demora para a temperatura, uma vez perturbada, voltar a atingir um estado estacionário temperaturas características de mudanças de fase ou de comportamento para um sólido cristalino, o seu ponto de fusão T m e, para sólidos não cristalinos, a temperatura de transição vítrea T g ; para todos os materiais, uma temperatura máxima de serviço, T max, acima da qual, por razões de fluência ou degradação, o uso continuado não é prático A resposta térmica pode ser um problema num projecto as tensões térmicas, por exemplo, pode causar a formação de cracks. Também pode ser útil as distorsões térmicas podem ser usadas em sensôres e actuadores É a capacidae térmica que faz com que um forno demore 15 minutos a aquecer, mas também armazena energia de modo que pode ser recuperado quando necessário Não queremos boa condução térmica no nosso copo de café, mas quando ajuda a arrefecer o motor do nosso carro ou as chips dos nossos computadores é uma grande ajuda

14 Utilizando materiais a temperaturas elevadas

15 Dependência com a temperatura das propriedades dos materiais Algumas propriedades têm uma dependência linear com a temperatura metais Estas variações não podem ser desprezadas, mas podem ser acomodadas utilizando no projecto o valor da propriedade à temperatura de utilização

16 Dependência com a temperatura das propriedades dos materiais Outras propriedades são menos simpáticas : a resistência mecânica diminui de um modo mais abrupto e a velocidade de fluência (creep) aumenta exponencialmente À temperatura ambiente, a maior parte dos metais e cerâmicos deformam-se de um modo que depende da tensão aplicada, mas não do tempo À medida que a temperatura é aumentada, cargas que são demasiado pequenas para causar deformação permanente a RT causa fluência nos materiais: estes sofrem uma deformação lenta e contínua com o tempo, acabando por sofrer fractura Curva de fluência T constante Precisamos de saber como é que a velocidade de fluência dε/dt depende de σ, T e t

17 Fluência (creep) Nota: as extensões elásticas (alongamento instantâneo) e de fluência primária ocorrem rapidamente e podem ser tomadas em conta de modo analogo à deflexão elástica Fluência secundária 4 constantes caracterizam a fluência em estado estacionário de um material

18 Fractura por creep À medida que a fluência continua, vazios e fissuras internas acumulam-se que podem lentamente expandir e coalescer, diminuindo a secção transversal e causando aumento da tensão a velocidade de fluência acelera e atinge-se o estágio terciário (fluência terciária) da curva de fluência aço-carbono Lei de Monkman-Grante, com C

19 Ponto de fusão Fluência inicia-se quando T 0.35 T m para os metais e T 0.45 T m para os cerâmicos Polímeros sofrem fluência lenta quando carregados à temperatura ambiente

20 Resistência mecânica e temperatura máxima de serviço Polímeros e metais com baixo ponto de fusão (ligas de zinco, magnésio e alumínio) oferecem resistência útil a RT, as a 300ºC deixam de ser úteis de facto, pouco polímeros têm resistências úteis acima de 135ºC Ligas de titânio e aços-carbono de baixa liga têm resistência mecânica útil até 600ºC acima desta temperatura são necessários aços inoxidáveis de alta liga e ligas mais complexas baseadas em níquel, ferro e cobalto Temperaturas ainda mais elevadas requerem metais refractários como o tungsténio ou cerâmicos técnicos como o SiC ou a alumina

21 Resistência à fluência a 950º C e densidade O mapa foi construído tendo em conta uma velocidade de deformação aceitável 10-6 /s para avaliar a resistência mecânica

22 Difusão e fluência fluxo difusional A tensão favorece movimentos que mudem a forma na direcção do do stress As fronteiras de grão funcionam como fontes e drenos de lacunas Temos um tipo de fluxo viscoso, linear com a tensão aplicada quanto menor o tamanho do grão, mais rápido é o processo

23 Difusão e fluência - climb de deslocações e power-law creep O climp desprende as deslocações dos obstáculos que as tinha fixado, e requer difusão Após um pequeno escorregamento, as deslocações libertadas encontram o próximo obstáculo, e o ciclo repete-se Daí o carácter progressivo, contínuo, da fluência Materiais que resistem a fluência secundária: alto ponto de fusão (difusão escala com T/T m ) e uma microestrutura que maximize a obstrução ao movimento das deslocações (através de formação de ligas para formar uma solução sólida, e partículas de precipitados).

24 Difusão e fluência diagramas de mecanismos de deformação Nota: contornos a verde são as velocidades de extensão/deformação

25 Materiais para cada regime de temperatura

26 Próximas aulas Propriedades dos materiais [relação estruturapropriedades] Propriedades eléctricas e magnéticas dos materiais (A14, dia 2 de Maio) Próxima aula prática P8 (29 e 30 de Abril): - discussão do TPC 8 - estudo de casos: propriedades térmicas TPC 7 devido sexta-feira, dia 2 de Maio Mini-projecto de selecção de materiais: escolha de tópicos e marcação de datas até à aula de 2 de Maio