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Introdução a tecnologia dos materiais Prof. Henrique Cezar Pavanati, Dr. Eng CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA DE SANTA CATARINA UNIDADE DE ENSINO.

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1 Introdução a tecnologia dos materiais Prof. Henrique Cezar Pavanati, Dr. Eng CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA DE SANTA CATARINA UNIDADE DE ENSINO DE FLORIANÓPOLIS DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE METAL MECÂNICA - DAMM ProIn I

2 Prof. Henrique Cezar Pavanati 2 Introdução a tecnologia dos materiais 1)Proporcionar ao aluno uma idéia inicial da importância dos materiais para o desenvolvimento da Ciência e Tecnologia Objetivos da disciplina: 3)Conhecer os principais Materiais, suas propriedades e aplicações visando a especificação de materiais 2)Introduzir uma série de conceitos básicos relacionados à estrutura, propriedades e aplicação dos Materiais

3 Prof. Henrique Cezar Pavanati 3 Introdução a tecnologia dos materiais 1)Introdução 2)Processos de obtenção de ligas metálicas ferrosas 3)Ligas metálicas ferrosas 4)Diagrams de equilíbrio 5)Curvas TTT 6)Tratamentos térmicos 7)Ensaios Mecânicos 8)Metalografia Bases tecnológicas:

4 Prof. Henrique Cezar Pavanati 4 Os materiais têm influenciado decisivamente o desenvolvimento da humanidade deste o início de sua existência. Há um elo muito forte entre a descoberta de materiais e o desenvolvimento da cultura humana. Grandes avanços tecnológicos estão sempre associados a descoberta de materiais. Introdução a tecnologia dos materiais Importância dos materiais para o desenvolvimento da humanidade

5 Prof. Henrique Cezar Pavanati 5 Evolução dos materiais: Da origem até 7 mil atrás materiais naturais (madeira, pedras, ossos, peles de animais, etc)Da origem até 7 mil atrás materiais naturais (madeira, pedras, ossos, peles de animais, etc) Há cerca de 7 mil anos iniciou-se o domínio da fabricação de utensílios domésticos com argilas (materiais cerâmicos primitivos)Há cerca de 7 mil anos iniciou-se o domínio da fabricação de utensílios domésticos com argilas (materiais cerâmicos primitivos) Cerca de 6 a 7 mil anos os primeiros utensílios a partir de metais e ligas (arado, a carroça, as embarcações a vela, espadas, facas, etc.Cerca de 6 a 7 mil anos os primeiros utensílios a partir de metais e ligas (arado, a carroça, as embarcações a vela, espadas, facas, etc. No início da era cristã o homem conhecia apenas sete metais (cobre, prata, chumbo, estanho, ferro, mercúrio, ouro) e algumas ligas como bronze e ligas de chumbo + estanho. Hoje conhecemos e utilizamos milhares de ligas metálicas distintasNo início da era cristã o homem conhecia apenas sete metais (cobre, prata, chumbo, estanho, ferro, mercúrio, ouro) e algumas ligas como bronze e ligas de chumbo + estanho. Hoje conhecemos e utilizamos milhares de ligas metálicas distintas Introdução a tecnologia dos materiais

6 Prof. Henrique Cezar Pavanati 6 Facas, pontas de lanças e pontas de flechas fabricadas na idade da pedra (encontradas na Florida- USA, fabricados entre 10 a 8 mil anos antes de Cristo) Introdução a tecnologia dos materiais

7 Prof. Henrique Cezar Pavanati 7 Introdução a tecnologia dos materiais Vaso Egípcio 5000 AC Vaso Mesopotamia AC Vaso Turquemenistão 5000 AC

8 Prof. Henrique Cezar Pavanati 8 Introdução a tecnologia dos materiais

9 Prof. Henrique Cezar Pavanati 9 Introdução a tecnologia dos materiais Bandeja de vidro (Séc. I A.C.) Relevo esmaltado em parede de tijolo (600 – 500 A.C.) Jarra esmaltada (Grécia, A.C.)

10 Prof. Henrique Cezar Pavanati 10 Introdução a tecnologia dos materiais Elementos químicos presentes na crosta terrestre

11 Prof. Henrique Cezar Pavanati 11 Introdução a tecnologia dos materiais Tradicionalmente os materiais podem ser classificados em 4 grupos básicos: Cerâmicos MetálicosPoliméricos Compósitos Embalagem Tetra Pak Fibra de vidro Brocas de Widia

12 Prof. Henrique Cezar Pavanati 12 Introdução a tecnologia dos materiais Metálicos

13 Prof. Henrique Cezar Pavanati 13 Introdução a tecnologia dos materiais 1- Materiais Metálicos São materiais inorgânicos formados por elementos metálicos da tabela periódica. São materiais inorgânicos formados por elementos metálicos da tabela periódica. A ligação química que predomina nos metais é do tipo metálica. A ligação química que predomina nos metais é do tipo metálica. Em decorrência do tipo de ligação química, os metais possuem: Em decorrência do tipo de ligação química, os metais possuem: elevada condutividade elétrica e térmica e, elevada condutividade elétrica e térmica e, plasticidade a frio capacidade de sofrer deformação permanente (ou plástica) sem se romper. plasticidade a frio capacidade de sofrer deformação permanente (ou plástica) sem se romper.

14 Prof. Henrique Cezar Pavanati 14 Introdução a tecnologia dos materiais Ligação Metálica

15 Prof. Henrique Cezar Pavanati 15 Introdução a tecnologia dos materiais V Corrente elétrica Condução de eletricidade

16 Prof. Henrique Cezar Pavanati 16 Introdução a tecnologia dos materiais Plasticidade Plasticidade capacidade de sofrer deformação permanente (deformação plástica) capacidade de sofrer deformação permanente (deformação plástica)

17 Prof. Henrique Cezar Pavanati 17 metal puro apenas um elemento químico com ligação química do tipo metálica entre os átomos. química do tipo metálica entre os átomos. Ex: Al, Cu, Fe, W, Ni, Co, Sn, Zn, Au, Ag,... Ex: Al, Cu, Fe, W, Ni, Co, Sn, Zn, Au, Ag,... liga metálica formada por mais de um elemento químico. Ex: bronze (Cu + Sn), latão (Cu + Zn), duralumínio Ex: bronze (Cu + Sn), latão (Cu + Zn), duralumínio (Al + 4,5%Cu + 0,5Mg), aço ao carbono (Fe + C), (Al + 4,5%Cu + 0,5Mg), aço ao carbono (Fe + C), aço liga (Fe + C + outros elementos), etc. aço liga (Fe + C + outros elementos), etc. Na liga metálica temos: matriz o elemento químico presente em maior quantidade matriz o elemento químico presente em maior quantidade elemento de liga o elemento presente em menor quantidade elemento de liga o elemento presente em menor quantidade Introdução a tecnologia dos materiais

18 Prof. Henrique Cezar Pavanati 18 Introdução a tecnologia dos materiais Cerâmicos

19 Prof. Henrique Cezar Pavanati Materiais Cerâmicos São materiais inorgânicos nos quais predominam as ligações químicas do tipo iônica ou covalente. São materiais inorgânicos nos quais predominam as ligações químicas do tipo iônica ou covalente. Em decorrência do tipo de ligação química, os materiais cerâmicos: Em decorrência do tipo de ligação química, os materiais cerâmicos: não conduzem eletricidade e conduzem muito mal o calor; não conduzem eletricidade e conduzem muito mal o calor; são frágeis e não suportam deformação plástica (não possuem plasticidade) são frágeis e não suportam deformação plástica (não possuem plasticidade) são duros e resistentes à corrosão e ao calor. são duros e resistentes à corrosão e ao calor. Introdução a tecnologia dos materiais

20 Prof. Henrique Cezar Pavanati 20 compostos simples (óxidos, carbonetos, nitretos, boretos, etc.) ligação iônica compostos simples (óxidos, carbonetos, nitretos, boretos, etc.) ligação iônica Compostos mistos (óxidos mistos, carbonetos e nitretos mistos, carbonitretos, etc. ) ligação iônica Compostos mistos (óxidos mistos, carbonetos e nitretos mistos, carbonitretos, etc. ) ligação iônica Diamante ligação covalente Diamante ligação covalente Vidros cerâmicos ligação iônica Vidros cerâmicos ligação iônica Introdução a tecnologia dos materiais Tipos de materiais cerâmicos:

21 Prof. Henrique Cezar Pavanati 21 Introdução a tecnologia dos materiais a) pisos, azulejos, louça, vasos sanitários, telhas, tijolos: materiais cerâmicos utilizados na construção civil e como utensílios; materiais cerâmicos utilizados na construção civil e como utensílios; apresentam elevada dureza mas são frágeis. apresentam elevada dureza mas são frágeis. são fabricados a partir de pós como argilas e rochas moídas. são fabricados a partir de pós como argilas e rochas moídas. Exemplos de materiais cerâmicos

22 Prof. Henrique Cezar Pavanati 22 Exemplos: Alumina (Al 2 O 3 ), Óxido de Zircônio (ZrO 2 ), Nitreto de Silício (Si 3 N 4 ), Carbeto de Silício (SiC), Nitreto de Alumínio (AlN) e outros Exemplos: Alumina (Al 2 O 3 ), Óxido de Zircônio (ZrO 2 ), Nitreto de Silício (Si 3 N 4 ), Carbeto de Silício (SiC), Nitreto de Alumínio (AlN) e outros possível utilizar na engenharia como componentes especiais de máquinas e motores que necessitam de elevada resistência ao desgaste e ao calor; possível utilizar na engenharia como componentes especiais de máquinas e motores que necessitam de elevada resistência ao desgaste e ao calor; apresentam maior dureza e resistem mais ao impacto do que as cerâmicas de construção civil; apresentam maior dureza e resistem mais ao impacto do que as cerâmicas de construção civil; b) Cerâmica fina (fine ceramics) ou avançada (advanced ceramics) ou ainda, cerâmica de engenharia (engineering ceramics); Introdução a tecnologia dos materiais

23 Prof. Henrique Cezar Pavanati 23 nitretos e/ou carbetos são gerados, também, em superfícies de algumas peças metálicas nos tratamentos termoquímicos visando o endurecimento superficial, para aumentar a resistência ao desgaste e diminuir o coeficiente de atrito das peças. nitretos e/ou carbetos são gerados, também, em superfícies de algumas peças metálicas nos tratamentos termoquímicos visando o endurecimento superficial, para aumentar a resistência ao desgaste e diminuir o coeficiente de atrito das peças. c) Filmes ou camadas cerâmicas depositadas sobre substratos metálicos Introdução a tecnologia dos materiais

24 Prof. Henrique Cezar Pavanati 24 Liga Fe + 3%Ni, sinterizada e nitretada por plasma Camada de nitreto Agullhas de nitreto precipitada na ferrita Introdução a tecnologia dos materiais

25 Prof. Henrique Cezar Pavanati 25 Introdução a tecnologia dos materiais Poliméricos

26 Prof. Henrique Cezar Pavanati 26 Introdução a tecnologia dos materiais A palavra polímero origina-se do grego poli (muitos) e mero (unidade de repetição). Assim, um polímero é uma macromolécula composta por muitas unidades de repetição (dezenas de milhares) denominadas meros, ligados por ligação covalente. 3 - Polímeros (ou plásticos). muitos meros ligados em cadeia por ligação covalente Polímero =

27 Prof. Henrique Cezar Pavanati 27 Introdução a tecnologia dos materiais C C C C C C H H H H H H HHHHH H n n C H H C H H mero etilenopolietileno Exemplos 1) Polietileno (PE) obtido pela polimerização do etileno

28 Prof. Henrique Cezar Pavanati 28 Introdução a tecnologia dos materiais HH H CC Cl HH H CC HH H C C HH H CC n 2) PVC (PolyVinil Chloride) Formado pela polimerização do cloreto de vinila (vinilclorida)

29 Prof. Henrique Cezar Pavanati 29 O polímeros acrílicos N nylons S borrachas vulcanizadas Si silicones F polímeros fluorados (ex.: PTFE- Teflon) Cl polímeros clorados (ex.:PVC, PVDC) Os polímeros são formados predominantemente por átomos de C e H. No entanto, podem, além do C e H, conter outros elementos químicos como: N, O, Si, F, S, Cl. Introdução a tecnologia dos materiais

30 Prof. Henrique Cezar Pavanati 30 Em função de serem produtos moleculares, os polímeros: são isolantes elétricos e maus condutores térmicos; são isolantes elétricos e maus condutores térmicos; possuem elevada resistência à corrosão e baixa densidade; possuem elevada resistência à corrosão e baixa densidade; sua resistência mecânica é menor que a dos metais e das cerâmicas; sua resistência mecânica é menor que a dos metais e das cerâmicas; possuem baixa temperatura de processamento (tipicamente entre 200 a C) ; possuem baixa temperatura de processamento (tipicamente entre 200 a C) ; possuem ampla possibilidade de formulação (misturar pigmentos e cargas de partículas e fibras, formando compósitos, etc.) possuem ampla possibilidade de formulação (misturar pigmentos e cargas de partículas e fibras, formando compósitos, etc.) Introdução a tecnologia dos materiais

31 Prof. Henrique Cezar Pavanati 31 Introdução a tecnologia dos materiais Os polímeros podem ser naturais ou sintéticos Exemplos de materiais poliméricos naturais: madeira, cabelo, peles, cifres de animais, etc. Exemplos de materiais poliméricos sintéticos: polietileno, polipropileno, nylon, acrílico, teflon, polyester, PVC, etc.

32 Prof. Henrique Cezar Pavanati 32 Introdução a tecnologia dos materiais Compósitos

33 Prof. Henrique Cezar Pavanati 33 Introdução a tecnologia dos materiais 4 - Materiais compósitos: Os materiais compósitos ou conjugados são obtidos pela junção ou reunião de materiais quimicamente distintos e não solúveis entre si. Assim, podem ser formados por: misturas de componentes de grupos básicos distintos; ou misturas de componentes de grupos básicos distintos; ou misturas de componentes do mesmo grupo básico mas insolúveis entre si. misturas de componentes do mesmo grupo básico mas insolúveis entre si. A mistura é feita para obter uma combinação particular de propriedades, não encontrada em apenas um grupo básico de materiais, visando uma aplicação específica.

34 Prof. Henrique Cezar Pavanati 34 Introdução a tecnologia dos materiais Partículas Fibras descontínuas Fibras contínuas 10 m Matriz + partículas dispersas ou partículas dispersas ou fibras dispersas {

35 Prof. Henrique Cezar Pavanati 35 Introdução a tecnologia dos materiais 1)Metal duro (hard metals, cemented carbides). Carbeto (WC, TiC, TaC, NbC) + metal (Co, Ni) Carbeto (WC, TiC, TaC, NbC) + metal (Co, Ni) Exemplos de compósitos e aplicações 2)Pastilhas de freios e de embreagens sinterizadas: mistura de uma fase metálica (Bronze ou aço) + uma fase lubrificante (Grafite ou sulfetos) + uma fase dura que confere o coeficiente de atrito (SiO 2, Al 2 O 3, etc.); 3)Contactores elétricos sinterizados(W + Cu, CdO + Ag, etc.); 4)Polímeros reforçados com fibras (pranchas de surfing, carrocerias de buggy, aros de bicicletas de competição, etc).

36 Prof. Henrique Cezar Pavanati 36 Introdução a tecnologia dos materiais Fibra de carbono Metal Duro – widia Fibra de carbono Matriz polimérica Carboneto de Tungstênio Cobalto MATERIAIS COMPÓSITOS

37 Prof. Henrique Cezar Pavanati 37 Introdução a tecnologia dos materiais Ref.: Prof. Arlindo Silva do Instituto Superior Técnico da Universidade de Portugal Competição entre materiais

38 Prof. Henrique Cezar Pavanati 38 Modelo atômico de Bohr Núcleo Núcleo prótons + nêutrons Eletrosfera Eletrosfera formada pelos elétrons Introdução a tecnologia dos materiais Estrutura interna dos materiais

39 Prof. Henrique Cezar Pavanati 39 Introdução a tecnologia dos materiais Modelo atômico de Bohr Modelo aceito atualmente

40 Prof. Henrique Cezar Pavanati 40 Introdução a tecnologia dos materiais MACHO FÊMEA

41 Prof. Henrique Cezar Pavanati 41 Introdução a tecnologia dos materiais O que são as Ligações Químicas? São forças (de natureza elétrica) que mantêm os átomos ou os íons unidos no material. Existem ligações primárias e ligações secundárias. Ligações primárias Ligações primárias são ligações fortes (elevada energia de ligação): iônica, metálica, covalente. Ligações secundárias Ligações secundárias são ligações fracas que ocorrem entre moléculas, chamadas normalmente de forças de Van der Waals.

42 Prof. Henrique Cezar Pavanati 42 Introdução a tecnologia dos materiais Ligação iônica NaCl Exemplo1 : NaCl Sódio (Na) 11 elétrons: 1s 2, 2s 2 2p 6, 3s 1. Como tem apenas 1 elétron na última camada este é facilmente cedido a outro átomo. Cloro (Cl) 17 elétrons: 1s 2, 2s 2 2p 6, 3s 2 3p 5. Recebe facilmente um elétron. - NaCl -

43 Prof. Henrique Cezar Pavanati 43 Sódio (Na) Se entregar, vira o íon Na + ) Sódio (Na) 11 elétrons: 1s 2, 2s 2 2p 6, 3s 1 Como tem apenas 1 elétron na última camada este é facilmente cedido a outro átomo Se entregar, vira o íon Na + ) Cloro (Cl) se receber 1 elétron torna-se Cl - Cloro (Cl) 17 elétrons: 1s 2, 2s 2 2p 6, 3s 2 3p 5 Recebe facilmente um elétron se receber 1 elétron torna-se Cl - Na + Cl quando são aproximados muito reagem formando o NaCl (Cloreto de sódio) Exemplos: Introdução a tecnologia dos materiais

44 Prof. Henrique Cezar Pavanati Composto NaCl Introdução a tecnologia dos materiais

45 Prof. Henrique Cezar Pavanati 45 Ligação Metálica. Introdução a tecnologia dos materiais

46 Prof. Henrique Cezar Pavanati 46 Ligação Covalente. Os elétrons de valência são compartilhados, isto é, formam um par eletrônico que pertence ao mesmo tempo á dois átomos vizinhos. O par de elétrons compartilhados mantém os átomos fortemente ligados. Introdução a tecnologia dos materiais

47 Prof. Henrique Cezar Pavanati 47 Introdução a tecnologia dos materiais b) Representação tridimensional de Ligação covalente a) Representação bidimensional

48 Prof. Henrique Cezar Pavanati 48 Introdução a tecnologia dos materiais Quando se forma uma ligação entre átomos, é liberada energia ao meio ambiente. Quando se desfaz (rompe) a ligação, é absorvida energia do meio ambiente. A distância entre átomos ou íons ligados (comprimento de ligação) depende do tipo de ligação e da energia de ligação. Energia de Ligação.

49 Prof. Henrique Cezar Pavanati 49 Forças de Ligações Secundárias. São ligações físicas fracas que ocorrem entre as moléculas. Embora exista tipos cujos mecanismos envolvidos sejam distintos, são todas agrupas pela denominação de "Forças de Van der Waals". Tipos de ligações secundárias: Moléculas Polares. Moléculas em que os centros das cargas negativas e positivas não coincidem, tais como NH 3, CH 3 Cl e H 2 O. A energia é, normalmente, menor que 5 kJ/mol. Introdução a tecnologia dos materiais

50 Prof. Henrique Cezar Pavanati 50 Introdução a tecnologia dos materiais Exemplo de ligação de van der Walls entre 2 dipolos

51 Prof. Henrique Cezar Pavanati 51 Introdução a tecnologia dos materiais Arranjos Atômicos Estruturas Moleculares Estruturas Cristalinas Estruturas Amorfas Metano (CH 4 ) Água (H 2 0) Diamante (C) C Grafita (C) Vidros (SiO 2, C...)

52 Prof. Henrique Cezar Pavanati 52 Introdução a tecnologia dos materiais Estrutura cristalina do Ferro Polimorfismo do Ferro

53 Prof. Henrique Cezar Pavanati 53 Introdução a tecnologia dos materiais Estrutura cristalina do Ferro Ferro alfa/delta (Fe- e Fe- ) – Cúbico de CORPO centrado (CCC) 1/8 de átomo 1 átomo inteiro Célula unitária Numa célula unitária temos: 1 atomo + 8(1/8) = 2 átomos

54 Prof. Henrique Cezar Pavanati 54 Introdução a tecnologia dos materiais Estrutura cristalina do Ferro Ferro gama (Fe- ) – Cúbico de FACE centrada (CFC) 1/8 de átomo 1/2 átomo Célula unitária Numa célula unitária temos: 6(1/2) átomo + 8(1/8) = 4 átomos

55 Prof. Henrique Cezar Pavanati 55 Introdução a tecnologia dos materiais Estrutura cristalina do Ferro - Nomenclatura Ferro alfa ou delta Fe - ou Fe - Fe - ou Fe - Ferro (CCC) FERRITA Ferro gama Fe - Fe - Ferro (CFC) AUSTENITA

56 Prof. Henrique Cezar Pavanati 56 Introdução a tecnologia dos materiais Defeitos da rede cristalina Contornos de grão ASM Handbook Vol 9 (2004)

57 Prof. Henrique Cezar Pavanati 57 Vazios Introdução a tecnologia dos materiais Defeitos da rede cristalina

58 Prof. Henrique Cezar Pavanati 58 Átomo intersticial Introdução a tecnologia dos materiais Defeitos da rede cristalina

59 Prof. Henrique Cezar Pavanati 59 Introdução a tecnologia dos materiais Estrutura real do ferro Defeitos da rede cristalina Discordâncias

60 Prof. Henrique Cezar Pavanati 60 solventesoluto a) Solução sólida substitucional os átomos dos elementos químicos minoritários (do químicos minoritários (do elemento de liga) ocupam elemento de liga) ocupam posições regulares da rede posições regulares da rede cristalina do elemento cristalina do elemento b) Solução sólida intersticial os elementos em solução os elementos em solução ocupam os interstícios da ocupam os interstícios da rede cristalina do elemento rede cristalina do elemento majoritário majoritário Há dois tipos de soluções sólidas: Introdução a tecnologia dos materiais

61 Prof. Henrique Cezar Pavanati 61 b) Distorção da rede cristalina por átomos em solução sólida: átomo maior (amarelo) e átomo menor (vermelho) Introdução a tecnologia dos materiais Distorções causadas por soluções sólidas:

62 Prof. Henrique Cezar Pavanati 62 Introdução a tecnologia dos materiais Propriedades mecânicas 1.Resistência Mecânica; 2.Elasticidade; 3.Ductilidade (Plasticidade); 4.Dureza; 5.Resiliência; 6.Tenacidade.

63 Prof. Henrique Cezar Pavanati 63 Propriedades tecnológicas 1.Usinabilidade 2.Conformabilidade 3.Temperabilidade 4.Soldabilidade 5.Sinterabilidade Introdução a tecnologia dos materiais


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