Materiais de Construção Mecânica II - Conteúdos e Classificações

Universidade Cruzeiro do Sul Curso de Engenharia Mecânica Materiais de Construção Mecânica II 2º Semestre de 2022 Prof Ms Adriano Mendanha Conteúdos abordados anteriormente Materiais de Construção Mecânica I I Classificação Geral dos Materiais de Construção Mecânica 1 Metais 2 Polímeros 3 Cerâmicos 4 Compósitos MATERIAIS METÁLICOS FERROSOS NÃO FERROSOS Ligas FeC Ferros fundidos Aços Sem liga Baixa liga HSLA Ligados Outras Fe FeNi FeCr Ni Ferríticos Austeníticos Martensíticos Duplex PH FeCMn Ligas leves Ligas Al Ligas Mg Ligas Be Ligas Ti Ligas Cu Bronzes CuNi Latões Ligas Ni Ligas Tm Ligas Tm INOX HADFIELD MARAGING REFRATÁRIOS 3 Fonte Prof Arlindo Silva IST Portugal Materiais Poliméricos São substâncias constituídas por cadeias longas ou redes de moléculas orgânicas contendo carbono polietileno polipropileno teflon nylon polieteretercetona termoplástico usado como placa de circuito eletrônico etc Materiais Cerâmicos São materiais inorgânicos constituídas por elementos metálicos e nãometálicos ligados quimicamente entre si Podem ser cristalinos ou nãocristalinos ou misturas dos dois tipos nitreto de silício nitreto de titânio etc Materiais Compósitos São misturas de 02 ou mais materiais Consistindo na mistura de um material de reforço ou de enchimento com um material compatível que serve como matriz fibras de vidro numa matriz de poliéster ou resina epóxi fibras de carbono numa matriz epóxi etc II Fundamentos de Metalurgia Ligações Interatômicas Estruturas Cristalinas Direções Cristalográficas Imperfeições nos Sólidos Defeitos Cristalinos Difusão Materiais de Construção Mecânica II Diagramas de Fase Terminologia interpretação dos diagramas de fases diagramas de fases binários e desenvolvimento de microestruturas em equilíbrio POR QUE ESTUDAR DIAGRAMAS DE FASES Os diagramas de fases também chamados de diagrama de equilíbrio relacionam temperatura composição química e quantidade das fases em equilíbrio Um diagrama de fases é um mapa que mostra quais fases são as mais estáveis nas diferentes composições temperaturas e pressões A microestrutura dos materiais pode ser relacionada diretamente com o diagrama de fases Existe uma relação direta entre as propriedades dos materiais e as suas microestruturas Exemplo de Diagrama de Fases Sistema PbSn Algumas Definições Importantes Componentes São elementos químicos eou compostos que constituem uma fase Fase Uma parte estruturalmente homogênea do sistema que possui propriedades físicas e químicas características Exemplo fases α β e L da liga ao lado Sistema Definição 1 quantidade de matéria com massa e identidade fixas sobre a qual dirigimos a nossa atenção Todo o resto é chamado vizinhança Exemplo uma barra da liga com 40 de Sn Definição 2 série de fases possíveis formadas pelos mesmos componentes independendo da composição específica Exemplo o sistema PbSn Exemplo de Diagrama de Fases Sistema PbSn Componentes e fases LIMITE DE SOLUBILIDADE LIMITE DE SOLUBILIDADE é a concentração máxima de átomos de soluto que pode dissolverse no solvente a uma dada temperatura para formar uma solução sólida Uma solução sólida consiste em átomos de pelo menos dois tipos diferentes átomos de soluto ocupam posições que podem ser substitucionais ou intersticiais na rede do solvente e a estrutura da rede cristalina do solvente é mantida Quando o limite de solubilidade é ultrapassado formase uma segunda fase com composição distinta 10 Soluções sólidas LIMITE DE SOLUBILIDADE Para muitos sistemas e para uma determinada temperatura existe uma concentração máxima de átomos de soluto que pode ser dissolvida no solvente formando uma solução sólida Essa concentração máxima é chamada limite de solubilidade Na figura ao lado a solubilidade máxima do açúcar na água a 20C é de 65P 65 72 FASES Considerações Importantes Uma fase é identificada pela composição química e microestrutura A interação de 2 ou mais fases em um material permite a obtenção de propriedades diferentes É possível alterar as propriedades do material alterando a forma e distribuição das fases Se mais de uma fase estiver presente no sistema cada uma terá suas próprias propriedades e existirá um contorno separando as fases Não é necessário que duas fases presentes em um sistema tenham diferentes propriedades físicas ou químicas Ex geloágua estruturas CCCCFC Sistemas que possuem uma única fase são chamados de homogêneos Sistemas que possuem duas fases ou mais são chamados de misturas ou heterogêneos Através do Diagrama de Equilíbrio é possível a determinação das fases presentes para qualquer temperatura e composição desde que a liga esteja em equilíbrio 13 EQUILÍBRIO DE FASES Em termos macroscópicos Um sistema está em equilíbrio quando suas características não mudam com o tempo e tende a permanecer nas condições em que se encontra indefinidamente a não ser que seja perturbado externamente sistema estável Em termos termodinâmicos Um sistema está em equilíbrio quando sua energia livre é mínima consideradas as condições de temperatura pressão e composição em que ele se encontra Variações dessas condições resultam numa alteração da energia livre e o sistema pode espontaneamente se alterar para um outro estado de equilíbrio no qual a energia livre seja mínima para as novas condições de temperatura pressão e composição Em termodinâmica o termo energia livre termodinâmica referese à parcela da energia total de um sistema passível de ser transformada em energia mecânica via execução de trabalho por parte do sistema EQUILÍBRIO DE FASES E FASES METAESTÁVEIS Equilíbrio de Fases suas propriedades ou características não mudam com o tempo Geralmente são representadas nos diagramas por letras gregas Fases metaestáveis não equilíbrio suas propriedades ou características mudam lentamente com o tempo ou seja o estado de equilíbrio não é nunca alcançado No entanto não há mudanças muito perceptíveis com o tempo na microestrutura das fases metaestáveis 15 A 20 C 65p de C12H22O11 35pH2O Em equilíbrio essas quantidades e composições mantêmse constantes ao longo do tempo Com um aumento repentino da temperatura para 100C ocorre a perturbação temporária desse equilíbrio 80p de C12H22O11 20pH2O parte do açúcar sólido entrará em solução no xarope até o reestabelecimento do equilíbrio para a nova temperatura 65 SISTEMAS COM UM ÚNICO COMPONENTE O equilíbrio entre duas fases num sistema monocomponente chamase equilíbrio univariante Diagrama de fases do ferro Diagrama de fases da água Diagrama UnárioDiagrama pressão temperatura ou PT 18 Representa um critério para o número de fases que irá coexistir em um sistema em equilíbrio Onde Fnº de fases presentes VVariáveis do sistema C nº de componentes do sistema 1 e 2 nº de variáveis que não estão relacionadas com a composição V0 nenhum grau de liberdade Nenhuma variável temperatura ou pressão pode ser mudada mantendose a existência das três fases e assim o ponto triplo é chamado de ponto invariante Curvas DA BA e CA são fronteiras entre as fases O equilíbrio entre as fase sólida e vapor ocorre ao longo da curva DA para sólida e líquida sobre a curva BA e para líquida e vapor sobre a curva CA Ponto A ponto invariante Ponto de equilíbrio entre as três fases FVC2 V0 C1 Para o Ponto A F012 F3 E Para o Ponto E FVC2 F2 C1 2V12 V1 Configurações em sistemas unários Diagramas unários Configurações em sistemas binários Região A F1 C2 FVC1 Pressão Const 1V21 V2 Região B F2 C2 FVC1 Pressão Const 2V21 V1 DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO PARA SISTEMAS ISOMORFOS BINÁRIOS Isomorfo quando a solubilidade é completa Exemplo Sistema CuNi Num sistema binário isomorfo os dois componentes são completamente solúveis um no outro 25 L solução líquida homogênea α solução sólida substitucional e estrutura CFC 26 DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO PARA SISTEMAS ISOMORFOS BINÁRIOS 27 INTERPRETAÇÃO DO DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO ISOMORFO Informações Importantes Fases Presentes Definese através do par composição temperatura desejado Esse par define um ponto no diagrama Se o ponto desejado estiver num campo onde somente existe uma fase monofásico a composição é a mesma da liga e a fase é a indicada no campo do diagrama Se o ponto estiver numa região onde existem duas fases em equilíbrio a determinação da composição das fases presentes é possível traçandose um segmento de reta horizontal linha de amarração ou isoterma que passa pelo ponto e atinge as duas linhas que delimitam o campo de duas fases linhas liquidus e solidus As composições das fases líquida e sólida são dadas pelas intersecções deste segmento de reta e as respectivas linhas de contorno SISTEMA CuNi DETERMINAÇÃO DAS FASES PRESENTES E DA COMPOSIÇÃO QUÍMICA DAS FASES 28 Comp Liq 32 de Ni e 68 de Cu Comp Sol 45 de Ni e 55 de Cu B EXERCÍCIOS 1 Abaixo são dadas as temperaturas solidus e liquidus para o sistema germânio silício Construa o diagrama de fases para esse sistema e identifique cada região Composição p Si Temperatura Solidus C Temperatura Liquidus C 0 938 938 10 1005 1147 20 1065 1226 30 1123 1278 40 1178 1315 50 1232 1346 60 1282 1367 70 1326 1385 80 1359 1397 90 1390 1408 100 1414 1414 REGRA DA ALAVANCA ou regra da alavanca inversa Usada para se determinar as proporções das fases em equilíbrio em um campo de duas fases Dedução Chegase à regra das fases simplesmente através de um balanço de massa Consideremos WL e Wa as frações mássicas respectivamente da fase líquida L e da fase sólida a Cada componente do sistema pode estar em cada uma das fases em concentração CL no líquido e Cα no sólido As duas equações abaixo podem ser escritas REGRA DA ALAVANCA Fração de líquido WL S R S WL Cα C0 Cα CL WL 425 35 425 315 068 REGRA DA ALAVANCA Fração de sólido Wα R R S C0 CL Cα CL 35 315 425 315 032 Diagrama de uma solução sólida binária Estabelecimento das fases presentes Determinação das composições das Fases Determinação das Quantidades das Fases Diagrama de equilíbrio binário hipotético A e B Uma liga cobreníquel com composição de 70p Ni30p Cu é aquecida lentamente a partir de uma temperatura de 1300C 2370F a A que temperatura se forma a primeira fase líquida b Qual é a composição dessa fase líquida c A que temperatura ocorre a fusão completa da liga d Qual é a composição do último sólido que permanece no meio antes da fusão completa Composição a Ni Temperatura C Líquido 1453C 1385 1355 Linha líquida 1300 1085C 1000 3 Para a mesma liga do exercício anterior determine a Número de fases presentes composição e fração mássica das fases a 1450C b Número de fases presentes composição e fração mássica das fases a 1360C CL65Ni Cα75Ni 1360C Lα 70Ni 1450C DESENVOLVIMENTO DA MICROESTRUTURA EM LIGAS ISOMORFAS A microestrutura só segue o diagrama de equilíbrio para velocidades de solidificação lentas Na prática não há tempo para a difusão completa e as microestruturas não são exatamente iguais às do equilíbrio O grau de afastamento do equilíbrio dependerá da taxa de resfriamento Como consequência da solidificação fora do equilíbrio temse a segregação a distribuição dos 2 elementos no grão não é uniforme 39 DESENVOLVIMENTO DA ESTRUTURAS EM SISTEMAS ISOMORFOS SOLIDIFICAÇÃO EM CONDIÇÕES DE EQUILÍBRIO Temperature C DESENVOLVIMENTO DA ESTRUTURAS EM SISTEMAS ISOMORFOS SOLIDIFICAÇÃO EM CONDIÇÕES FORA DO EQUILÍBRIO metaestáveis Resfriamento em condições de equilíbrio O centro de cada grão é rico no elemento com maior ponto de fusão Distribuição dos elementos no interior do grão não uniforme Resfriamento em velocidade alta Sistemas Binários Três fases em equilíbrio Diagrama de Equilíbrio Binário Hipotético Eutética L α β SISTEMAS BINÁRIOS EUTÉTICO Diagrama eutético Sistema CuAg 3 áreas monofásicas L α β Solubilidade terminal limitada α SS à base de Cu β SS à base de Ag TE Temperatura eutética CE Composição eutética Reação eutética L719 Ag α8 Ag β912 Ag 779 C Transformações nos sistemas eutéticos Co 2 Sn estrutura policristalina monofásica constituída por grãos de fase α Transformações nos sistemas eutéticos 2 Sn Co 183 Sn Inicialmente L depois L α depois apenas α finalmente duas fases matriz policristalina de α β nos limites de grau de α PREcipitação Ao ser ultrapassado o limite de solubilidade linha solvus de Sn no Pb ocorre a precipitação da fase β de reticulado cristalino distinto do da fase α e com distintas propriedades físicoquímicas Reação eutética Formação da estrutura lamelar nos eutéticos DESENVOLVIMENTO DE MICROESTRUTURAS EM SISTEMAS COM EUTÉTICOS Diagrama de Equilíbrio Binário PbSn Microestrutura Diagrama de equilíbrio binário chumbo Pbestanho Sn MICROESTRUTURA DE UMA LIGA DE SnPb HIPOEUTÉTICA Região preta é a fase primária a rica em Pb Lamelas são constituídas de fase a rica em Pb e fase rica em Sn 55 Transformações nos sistemas eutéticos 183 Sn Co 619 Sn cristais de α primário e eutético lamelar α β TE ΔT Cα 183 Sn CL 619 Sn α S R S 50 L 1 Wα 50 TE ΔT Cα 183 Sn Cβ 978 Sn α S R S 73 β 27 Ligas hipo e hiper eutéticas Hipoeutética Co 40 Sn Eutética Co 619 Sn Hipereutética Co 80 Sn Fase primária Fase primária 175 μm 160 μm Materiais de Construção Mecânica II BibliografiaCréditos CALLISTER JUNIOR W D et al Ciência e Engenharia de Materiais uma introdução 5 ed Rio de Janeiro LTC 2002 SHACKELFORD J F Ciência dos Materiais 6ª ed São Paulo Pearson 2008 VAN VLACK L H Princípios de Ciência dos Materiais 13ª ed São Paulo Blucher 2000 COLPAERT H Metalografia Dos Produtos Siderúrgicos Comuns 3 ed São Paulo Edgard Blucher 1997