AULA 1 Materiais de Construção II

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1 Faculdade de Engenharia - Licenciatura em Engenharia Civil AULA 1 Materiais de Construção II Capítulo Aula 1 I Estudo dos Metais em Geral Introdução ao Estudo dos Metais: Definição; Obtenção; Propriedades; Teoria das ligas. Definição: Metais consideram-se substâncias químicas simples que se distinguem por um brilho vivo, condutibilidade térmica e eléctrica, dureza, forjabilidade, opacidade, fusibilidade, etc. Os metais aparecem na natureza em estado livre ou composto e, para serem explorados economicamente devem estar concentrados em jazigos (massa de substâncias minerais ou fósseis, existentes na superfície ou no interior da terra), que constituem uma mina quando definida a sua extensão (pelo governo). Dificilmente as substâncias se encontram puras, estando misturadas com impurezas denominadas gangas e, o conjunto, tal como é encontrado o metal, denomina-se minério. Obtenção: A obtenção de um metal passa por duas fases distintas: 1ª) Mineração é a extracção do minério que compreende a colheita e a concentração. A extracção pode ser feita a céu aberto ou subterrânea e a concentração tem por finalidade separar os minérios utilizáveis dos economicamente pobres e retirar a ganga que não faz parte da constituição do mesmo (areia, argila, organismos, etc.), sendo, uma purificação do minério que pode ser feita por processos mecânicos ou químicos. Materiais de Construção II Aula 1 (Introdução ao Estudo dos Metais) 1

2 Processos mecânicos: - Trituração o minério é quebrado em pedaços menores; - Classificação são separadas as pedras inúteis analiticamente; - Levigação o metal é mais pesado e afunda na água e a ganga é recolhida na superfície; - Flotação quando a ganga é mais pesada, o minério recebe uma espuma e se recolhe na superfície da água misturada com óleo; - Separação magnética o ímã, ao passar sobre os pedaços atrai os metais e deixa as impurezas; - Lavagem simples utilizando jactos de água com baixa pressão ou mergulhando em depósitos. Processos químicos: - Ustulação aquecimento do minério sobre forte jacto de ar; - Calcinação aquecimento por queima directa do minério. 2ª) Metalurgia é a fase de transformação do minério num metal puro em que a extracção é feita por processo de redução, precipitação química ou electrólise. Na redução usa-se o óxido de carbono a altas temperaturas resultando o metal puro em fusão; na precipitação química usa-se uma reacção simples e; na electrólise faz-se dissolução dos minérios em água. Tipos de Metais Existem dois tipos de metais: Fig. 1. Esquema resumo da obtenção dos metais - Metais ferrosos - são todos aqueles com propriedades ferro-magnéticas. Ex.: Ferro fundido e Aço. - Metais Não-Ferrosos - não possuem propriedades dos metais ferrosos mais sim outras propriedades como por exemplo, para o cobre e o alumínio, alta condutibilidade térmica (aplicados na indústria electrotécnica). São outros exemplos de metais não ferrosos, o chumbo, zinco, estanho, tântalo, etc. Materiais de Construção II Aula 1 (Introdução ao Estudo dos Metais) 2

3 Propriedades Gerais dos Metais a) Propriedades Físicas dos Metais 1) Cor (sua capacidade de reflectir raios de luz incidentes) 2) Densidade 3) Fusão 4) Condutibilidade Térmica 5) Dilatação Térmica 6) Calor Específico 7) Condutibilidade Eléctrica 8) Resistividade Eléctrica b) Propriedades Químicas dos Metais Baseadas na capacidade de resistência à oxidação e a destruição quando expostos aos efeitos do meio ambiente. 1) Corrosão Química - em meios não condutores de corrente eléctrica; 2) Corrosão Electroquímica - ataque químico por electrólitos. c) Propriedades Mecânicas dos Metais Baseadas na capacidade de resistência às forças externas (cargas): - Cargas Estáticas - permanentes ou muito pouco variáveis - Cargas Dinâmicas - de actuação instantânea (golpes) - Cargas Cíclicas - variam de intensidade e sentido; 1) Tenacidade (resistência mecânica) - capacidade dum metal resistir à rotura ou deformação residual depois de suprimida a causa da deformação; 2) Dureza - capacidade que os metais têm de resistir a deformação superficial causada pela acção de um sólido mais duro; 3) Elasticidade - capacidade que um metal tem de retomar a sua forma inicial depois de suprimida a força de deformação; 4) Resiliência - capacidade de um metal resistir às cargas de deformação dinâmica. d) Propriedades Tecnológicas dos Metais 1) Soldabilidade - propriedades que os metais têm de se unirem quando aquecidos até ao seu estado plástico ou líquido; O aço é mais soldável que o ferro fundido. Nota: a soldadura é tanto mais fácil quanto menor for o teor de carbono. Materiais de Construção II Aula 1 (Introdução ao Estudo dos Metais) 3

4 2) Maleabilidade - capacidade que os metais têm de serem trabalhados pela forja ou laminagem, isto é, de tomarem uma forma desejada com martelagem ou compressão quer aquecidos quer quando arrefecidos. Noções Gerais da Teoria das Ligas O emprego de metais puros na indústria é muito limitado visto que nem sempre são económicos e nem sempre são portadores de todas propriedades desejadas. Contrariamente, as ligas podem reunir entre si todas as propriedades pretendidas. Ligas - são substâncias cristalinas obtidas através da combinação dos metais com outros metais ou não-metais. Ex.: Combinação de metal (ferro) e não-metal (carbono) resulta o aço ou ferro-fundido; Combinação de zinco e cobre resulta o Latão; Combinação de estanho e cobre resulta o Bronze. As ligas comparadas com os metais puros, têm uma estrutura interna mais complexa. As ligas não cristalizam a uma determinada temperatura como ocorre nos metais puros, mas possuem duas temperaturas de cristalização: temperatura do começo e da cristalização. Dentro dessas duas temperaturas há duas fases (fases homogéneas do sistema): fase líquida e fase dos cristais formados. Estruturas cristalinas dos metais e suas ligas Todas as substâncias são formadas de átomos que giram em redor de um núcleo, com velocidades maiores ou menores conforme maior ou menor a temperatura dessas substâncias, resultando na coesão manifestada no estado gasoso, líquido, pastoso ou sólido. O agrupamento dos átomos forma a molécula com dois tipos possíveis de estruturas: Estruturas Amorfas - substâncias cujos átomos se dispõem de forma irregular no espaço. Ex.: vidro, resina, cola. Nenhum metal possui esta estrutura. Estruturas Cristalinas - são sólidos em que a disposição dos átomos (iões, moléculas) no espaço obedece determinada ordem formando rede ou malha cristalina atómica. Tipos de redes cristalinas: rede cúbica de face centrada, rede cúbica de corpo centrado e rede hexagonal. Fig. 2. Tipos de redes cristalinas: a) rede cúbica de face centrada, b) rede cúbica de corpo centrado e, c) rede hexagonal. Materiais de Construção II Aula 1 (Introdução ao Estudo dos Metais) 4

5 Alotropia - facilidade de um metal possuir diversos tipos de rede cristalina. Ex.: ferro, estanho, cobalto, titânio, etc. Os corpos amorfos são isotrópicos, pois, suas propriedades físicas e mecânicas não dependem da direcção, ao passo que, os cristais são anisotrópicos, portanto, o contrário. Técnicas utilizadas no estudo da estrutura dos metais B) Macroanálise - estuda das estruturas a olho nu ou usando lupa; C) Microanálise - estudo das estruturas internas dos metais observando superfícies polidas de amostras por meio de um microscópio; D) Análise Radiocópica - estudo das estruturas dos metais e avaliação dos defeitos a uma certa profundidade com recurso a raios x ; E) Análise Espectral - estudo das estruturas cristalinas usando espectrofotómetro para a determinação da composição química dos metais e ligas avaliando os espectros deles obtidos quando aquecidos ao rubro, emitindo neste estado incandescente, raios visíveis; F) Detecção Magnética - permite analisar defeitos nos metais ferro-magnéticos. As zonas defeituosas têm baixa permeabilidade magnética; G) Detecção por Ultra-som - faz-se a emissão de uma onda de ultra-som no sentido da superfície da peça; H) Análise por Isótopos Radioactivos - permite localizar a escória penetrada no seio dos metais e avaliar a velocidade de difusão de carbono. Materiais de Construção II Aula 1 (Introdução ao Estudo dos Metais) 5