Materiais de Construção Metais José Carlos G. Mocito email:jmocito@ipcb.pt 1 Metais Os átomos se encontram coesos pela ligação metálica. 2 1
Propriedades Mecânicas Resistência à rotura Deformabilidade Tenacidade Dureza Soldabilidade Térmicas Elevada condutividade térmica Coeficiente de dilatação 3 Propriedades Eléctricas Elevada condutividade eléctrica Resistividade, que aumenta com a temperatura Ópticas Reflectividade Químicas Corrosão Oxidação 4 2
Divisão dos metais Metais ferrosos Aço Ferro Fundido Metais Não ferrosos Elevada densidade p> 5g.cm -3 (Cu, Ni, Zu, Pb) Baixa densidade p< 5g.cm -3 (Al, Ti) 5 Diagrama Tensão/Deformação Diagrama Tensão/Deformação caraterístico dos metais 6 3
Modo de obtenção Mineração - Colheita Céu Aberto Subterrânea A ferro A Fogo - Concentração > Processos mecânicos Trituração Classificação Levigação Flotação > Processos químicos 7 Estrutura Cristalina Os metais têm estrutura cristalina; a forma regular dos cristais permite uma maior energia de ligação entre os átomos. Estrutura Cúbica de Faces Centradas Alumínio Cobre Ouro Chumbo Ferro (a temperaturas elevadas) Estrutura Cúbica de Corpo Centrado Sódio Titânio Ferro 8 4
Estrutura Cristalina Estrutura Hexagonal Magnésio Zinco Zircónio 9 Estrutura Metais simples - têm átomos de apenas 1 elemento ex. Cobre, ferro, Alumínio. Metais impuros (ligas) - geralmente de elementos com raios atómicos idênticos e com tendência semelhante para ceder e receber electrões. ex. Latão 70% de Cu e 30% de Zn. 10 5
Estrutura A tecnologia moderna não usa metais em estado puro e sim metais novos que não existem na natureza. Acrescentando-se um pouco de sal de cozinha a um copo de água verifica-se a dissolução do sal com a água. Os metais fundidos podem se dissolver e se misturar depois de solidificados formando novos materiais de características diferentes. Isso é realizado porque em geral os metais puros não reúnem todas as qualidades necessárias. O latão, chamado de liga Muntz é muito resistente à tracção e acção corrosiva da água salgada, sendo por isso empregada na fabricação de partes de embarcações. 11 Estrutura Grão - núcleo de cristais com rede cristalina de orientação bem definida. Zona de fronteira - que separa os grãos e onde a densidade de átomos é menor dada as diferentes orientações. Têm por isso mais energia disponível participando facilmente nas reacções. O tamanho do grão é importante nas propriedades de um metal porque influencia a área de fronteira de acordo com a sua superfície específica. Ferrite (0.006% C) Ferrite + Perlite (0.25% C) 12 6
Diagramas de Equilíbrio Liga Chumbo-Antimónio (O Antimónio é responsável por endurecer o chumbo e expandi-lo após ser arrefecido. Esta propriedade torna-o muito útil pois na liga de chumbo o Antimónio permite dar um melhor acabamento aos objetos. A aplicação da liga é em finas peças moldadas, como por exemplo, em ligas para sinos. 13 Diagramas de Equilíbrio Liga Chumbo-Antimónio 14 7
Diagramas de Equilíbrio Diagrama de Equilíbrio característico de uma liga 15 Diagramas de Equilíbrio Liga Chumbo-Antimónio Cálculo das percentagens de elementos líquidos e sólidos (ponto A) % Pb líquido = b / a + b = 0.3 / 0.2 + 0.3 = 0.6 = 60% % Sb sólido = sa / a + b = 0.2 / 0.2 + 0.3 = 0.4 = 40% 16 8
Deformação Deformação elástica - O Módulo de Young dos metais é geralmente elevado, descendo com a temperatura. O ferro a 900 o C é uma excepção. Deformação plástica - Os metais têm deformação plástica ou seja a deformação no plano do cristal, introduzindo deformações pelo deslocamento dos átomos, criando zonas de tensão e compressão 17 Processamento A maioria dos metais é processada inicialmente por fundição, sendo químicamente refinados, enquanto fundidos, para remover as impurezas. Após a fundição o metal é vazado no interior de um molde onde solidificará. Posteriormente os metais podem ser processados através de deformação induzida por trabalho mecânico designada por formação (processamento mecânico). Neste caso a forma é permanentemente modificada. Inicialmente pode-se utilizar uma temperatura muito alta, já que neste caso, o material é mais macio e mais dúctil. A essas temperaturas é necessário menos energia para a deformação e a hipótese de fractura é menor. 18 9
Processamento Os processos mais comuns de formação mecânica a quente, também designados de técnicas primárias, são: Laminagem Forjamento: molde ou matelamento Extrusão 19 Processamento Após as etapas de deformação primária, é frequentemente desejável continuar o processo à temperatura ambiente. Nesta altura do processamento as dimensões já são menores e por isso, as forças e energia necessárias são mais reduzidas. Evitam-se assim os custos de instalação e operação de fornos e de consumo de combustível. Também porque a maioria dos metais oxida-se rapidamente a altas temperaturas, sendo mais vantajoso operar a baixas temperaturas. O controle dimensional também é mais exacto. 20 10
Processamento Os processos mais comuns de deformação a frio (também designados de técnicas secundárias) são: Trefilagem Rotação Embutimento ou Estampagem 21 Processamento O acto do processamento mecânico por rotação designa-se geralmente por maquinação e é o método mais usado de remoção de metal. É um processo que combina o corte com a deformação mecânica. A lamina que executa a maquinação recebe o nome de freza. A maquinação pode ser executado através de: Torno Perfuradora Frezadora 22 11
Processamento Térmico Por vezes os metais necessitam de um processamento térmico posterior às técnicas primárias, que pode ter os seguintes objectivos: - Libertação de tensões introduzidas por. processamento mecânico por desvio do plano dos átomos. processamento térmico dado que no arrefecimento podem coexistir partes líquidas e partes sólidas. 23 Processamento Térmico - Homogeneização, nomeadamente da sua estrutura cristalina; pode haver diferenças significativas na distribuição dos cristais criando-se zonas mais densas que outras. Também uniformizar e diminuir o tamanho dos grãos. - Modificação da dureza. Os processos mais comuns são o recozimento e a recristalização 24 12
Processamento Térmico Recozimento - Processo pelo qual o material sofre um aquecimento prolongado e é lentamente arrefecido (ao contrário da têmpera). As vantagens obtidas variam de material para material. O vidro, quando recozido e arrefecido lentamente, não modifica a dureza e reduz a possibilidade de quebra posterior pela remoção das tensões residuais, evitando a fractura térmica. O bronze, depois de trabalhado a frio, se for recozido ficará mais macio. No ferro fundido, após recozimento, aumenta-se a ductilidade. 25 Processamento Térmico Recristalização - É um processo de recozimento, mas a uma temperatura determinada, que varia consoante o material, pretendendo-se uma elevação da temperatura que permita nova nucleação e/ou crescimento de novos cristais. 26 13
Processamento Térmico Homogeneização (Saturação) Um produto uniforme é desejável na maioria dos casos. Uma maior uniformidade da composição do produto é conseguida através de tratamentos térmicos apropriados. A homogeneização obtém-se submetendo os metais fundidos a temperatura tão alta quanto possível (considerávelmente superior à da recristalização), mas menor que a da fusão e daquela que possa provocar excessivo 27 Endurecimento Endurecimento A necessidade de tornar os metais mais fortes, a fim de poderem resistir aos esforços que lhe são exigidos, levou à criação de técnicas que permitissem o seu endurecimento. Já vimos que o endurecimento pode ser obtido através de processos térmicos. Vamos ver agora 2 outros processos. 28 14
Endurecimento Encruamento - a deformação plástica conduz ao aparecimento de deslocações em cunha na estrutura dos metais. Se estas forem muito numerosas, interaccionam entre si, requerendo uma maior tensão para que se desloquem. Aumentam, portanto, a resistência de um metal. Os metais são deformados plásticamente a frio, introduzindo-se tensões, aumentando-se a dureza e a resistência, reduzindo-se a ductibilidade. 29 Endurecimento O segundo modo de endurecer os metais é através de solução sólida (liga), que é também mais forte que um metal puro. Esse é um dos motivos porque se utiliza o latão, solução sólida de zinco e cobre, em trabalhos que requerem ligas fortes. O endurecimento deve-se ao facto de um átomo estranho de maior ou menor raio, implicar uma maior densidade e maior área, requerendo maior energia. 30 15
Corrosão Os metais encontram-se na Natureza na forma de óxidos, carbonatos e sulfatos. Têm tendência para passarem à forma em que se encontravam. Estados de reacção à Corrosão: Passivação: estado em que os potenciais se equilibram diminuindo a intensidade da corrente; Corrosão: estado em que o metal se corrói. Imunidade: metais potencialmente muito negativos ou muito positivos. 31 Formas de Corrosão Oxidação: Combinando-se com moléculas de oxigénio. Corrosão electroquímica: Originando-se uma galvanização (ex. Zinco -1V e Cobre +0.1V). Cloratos: aumentam o potencial eléctrico dos metais Ácidos: Dióxido de enxofre na presença da água transforma-se em ácido sulfúrico. Alcalinos: Carbonatação, ácido carbónico. 32 16
Formas de Corrosão OXIDAÇÃO É uma reacção catódica (consome electrões). A ferrugem é uma forma hidratada não solúvel na água, em que o ferro é o Ânodo. É necessária presença abundante de oxigénio. CORROSÃO ELECTROQUÍMICA Ocorre quando existem células galvânicas na presença de um electrólito. De composição: ex. aço galvanizado, ligas bifásicas (martensite >ferrite+perlite)(latão aço). De tensão: ex. grãos, zonas deformadas, impurezas. De concentração: Em eléctrólitos pouco concentrados, Arejamento diferencial (pouco oxigénio). 33 Fatores que podem aumentar a Corrosão Defeitos de superfície Soldaduras Humidade Humidade salina Formas das peças: cantos, ângulos, reentrâncias. Esforços residuais, fadiga, vibração Têmpera 34 17
Proteção de metais Os metais necessitam, na sua generalidade, de protecção adequada nas suas superfícies, como forma de os proteger das várias acções a que podem estar sujeitos. As técnicas mais utilizadas relacionam-se com a aplicação de um revestimento.: Imersão - com a aderência de um metal fundido; Deposição electrolítica - também designada de galvanização, é executada através da constituição de uma pilha, em que a superfície a proteger é carregada negativamente eoelectrólitocontémumsaldometal protector. 35 Proteção de metais Projecção - feita com pistolas que projectam um metal no estado líquido ou em pó. Pintura - aplicando-se tintas ou vernizes Calorização - por aplicação de um metal com baixo ponto de fusão. Laminagem com adesão de uma lâmina de um outro metal por via mecânica. 36 18
Proteção de metais Evitando pares galvânicos: Um só metal, película superficial passiva (Aço inox) Introduzindo protecção galvânica: Metal menos nobre, Tensão aplicada ao metal (electrões extras são fornecidos criando-se um cátodo). 37 Proteção de metais Série Catódica (Extremidade nobre) Ouro Aço Inox Níquel Bronze Cobre Latão Estanho Chumbo Aço Ferro fundido Cádmio Zinco Alumínio Magnésio Série Anódica (Extremidade activa) 38 19
Preparação das superfícies As superfícies necessitam previamente de ser preparadas, por forma a remover as impurezas indesejáveis, nomeadamente os óxidos que se possam ter formado. As formas mais comuns são: Via mecânica - por projecção de areia ou de partículas metálicas (grenalha), desbaste (em profundidade) ou polimento (na superfície). Via química - decapagem por imersão, projecção ou aplicação de pasta. 39 20