Relatório

UNIVERSIDADE FEDERAL DO AMAZONAS FACULDADE DE TECNOLOGIA ENGENHARIA CIVIL MICROESTRUTURA DOS MATERIAIS Manaus – AM 08 de Maio de 2018 ANTONIO BRUNO GUERRA DE HOLANDA LIMA – 21550958 MICROESTRUTURA DOS MATERIAIS Trabalho solicitado pelo professor João Almeida para obtenção de nota parcial na disciplina Materiais de Construção I do Departamento de Engenharia Civil da Universidade Federal do Amazonas. Manaus – AM 08 de Maio de 2018 SUMÁRIO INTRODUÇÃO 4 MICROESTRUTURA DOS MATERIAIS 5 1. MATERIAIS METÁLICOS 5 1.1. Solidificação dos Metais 5 1.2. Ligas Metálicas Ferrosas 6 1.3. Os Aços 6 1.4. Diagrama de Fases do Fe – C 8 1.5. Tratamentos dos Aços 9 1.6. Ligas Metálicas Não-Ferrosas 10 2. MATERIAIS CERÂMICOS 10 2.1. Silicatos 11 2.2. Diagrama de Fases 11 2.3. Mecanismo de Escorregamento 12 2.4. Cerâmica Avançada 12 3. MATERIAIS POLIMÉRICOS 13 3.1. Classificações 13 3.2. Reações de Polimerização 13 CONSIDERAÇÕES FINAIS 15 REFERÊNCIAS 16 INTRODUÇÃO Os materiais fazem parte do cotidiano e da vida profissional de todas as pessoas. Durante o tempo, o homem desenvolveu técnicas para aprimorar esses materiais, estudando suas microestruturas, a fim de que possamos compreender as propriedades desses materiais vinculados com sua composição, forma e obtenção. Os sólidos podem ser divididos em três grandes grupos de materiais: os metais, os cerâmicos e os polímeros. Cada um com características distintas entre si que serão abordados ao longo deste trabalho. MICROESTRUTURA DOS MATERIAIS A microestrutura dos materiais se resume à forma como os componentes internos do mesmo se arranjam, havendo várias formas e níveis de estudo da sua estrutura, em função do que se quer analisar, sendo o objetivo principal entender e obter propriedades desejadas. MATERIAIS METÁLICOS A Metalurgia é o estudo dos metais e de suas ligas. Os metais são elementos químicos frequentemente utilizados na engenharia civil. Apresentam propriedades como alta condutividade térmica e elétrica, ductibilidade e maleabilidade elevada, além de apresentarem uma grande resistência a esforços mecânicos, o que permite que estes sejam usados em muitos elementos estruturais. Por ser um material cristalino, ou seja, possuir um arranjo atômico ordenado no espaço, formando o que denominamos cristais, estes se encontram na natureza, majoritariamente, no estado sólido. A maior parte dos cristais de metais é composta pela repetição de uma das seguintes estruturas de reticulados: estrutura Cúbica de Corpo Centrado (Ferrita ou Ferro α), Cúbica de Faces Centradas (Austenita ou Ferro δ) e Hexagonal (Cementita). O arranjo dos átomos na estrutura CCC pode ser visualizado tomando-se por base um cubo que contém um átomo central está em contato com outros oito átomos posicionados nos seus vértices. Nas estruturas H e CFC, doze átomos estão em contato com um átomo central, mas arranjados de modo que suas posições configuram um hexágono ou um cubo imaginário, respectivamente. Reticulados metálicos. Fonte: Nelson Carvalho Filho. Solidificação dos Metais A solidificação é um processo industrial importante, pois a maior parte dos materiais metálicos é fundida e vazada numa forma acabada ou semi-acabada. Ela pode ser dividida em duas etapas: a formação de núcleos estáveis no líquido (nucleação) e o crescimento dos núcleos, gerando cristais e formando a estrutura dos grãos (microestrutura). Os dois principais mecanismos pelos quais ocorre a nucleação de partículas num metal líquido são a nucleação homogênea (quando o próprio metal fornece os átomos para formar os núcleos, através do movimento lento de átomos que vão se ligando uns aos outros) e a nucleação heterogênea (quando a solidificação se inicia nas paredes do molde, na superfície de impurezas insolúveis ou na superfície de outro material presente, que baixe a energia livre crítica necessária para formar um núcleo estável). Se um metal relativamente puro (sem a presença de impurezas que possam atuar como agentes nucleantes) for solidificado em um molde, irão ser formados dois tipos de grãos: grãos equiaxiais e grãos colunares. Algumas vezes os grãos colunares ramificam-se e estes ramos se ramificam de novo (ramificações secundárias), podendo surgir até mesmo ramificações terciárias a partir das secundárias. Esses grãos resultantes são então chamados dendritas, termo derivado da palavra grega dendron, que significa "árvore”, pois o cristal ramificado resultante tem a aparência de um pinheiro. Ligas Metálicas Ferrosas Ligas metálicas são geralmente agrupadas em duas classes: ferrosas e não-ferrosas. Ligas ferrosas são aquelas nas quais o ferro é o principal constituinte e incluem aços e ferros fundidos, sendo produzidas em maiores quantidades do que as de qualquer outro material por sua especial importância como materiais de construções na engenharia. Alguns dos principais elementos empregados são: Silício (de 0,17% a 0,37%) – aumento da elasticidade sem perda da resistência; Oxigênio – fragiliza o aço; Manganês (de 0,25% a 1%) – aumento da resistência aos esforços e desgastes; Níquel (abaixo de 7%) – aumento da elasticidade e resistência ao choque e a flexão; Cromo (de 2% a 3%) – aumento da resistência a ruptura, dureza e a oxidação; Fósforo – baixa o ponto de fusão, aumenta a dureza, diminui muito a resistência ao choque e a plasticidade. Os Aços São ligas de ferro-carbono que podem conter apreciáveis concentrações de outros elementos de ligas. As propriedades mecânicas dos aços são sensíveis ao teor de carbono, que é normalmente menor do que 1,0 % em peso. Alguns dos aços mais comuns são classificados de acordo com a concentração de carbono em: Aços com baixo teor de carbono: contém menos de 0,25% de carbono. aumento da resistência com o tratamento a frio. microconstituintes são a ferrita e a perlita. apresentam elevada ductilidade e tenacidade. facilmente soldáveis e usináveis. limite de escoamento de 275 mpa e resistência a tração entre 415 a 550 mpa. aplicações: perfis estruturais em “i” e “h”, chapas, pontes, tubulações, carrocerias de automóveis; Aços com baixo teor de carbono, de alta resistência e baixa liga: também chamados de aços microligados. contém elementos como níquel, cobre, cromo, nióbio, vanádio, etc. em concentrações até 10%, mas em geral não ultrapassam 3%. limite de resistência a tração pode atingir 480 mpa. apresentam boa ductilidade, fácil soldabilidade e muito conformáveis. Aços com médio teor de carbono: possuem teor de carbono entre 0,25% e 0,60%. podem ser tratadas termicamente para melhoria das propriedades mecânicas quando em seções muito delgadas e com rápida taxa de resfriamento. elementos como cromo, níquel e molibdênio melhoram a capacidade de serem tratadas termicamente. aplicáveis em rodas e trilhos de trem, engrenagens e variados componentes estruturais de alta resistência Aços com alto teor de carbono: possuem teores de carbono entre 0,6% a 1,4%. muito duros, resistentes e pouco dúcteis, especialmente resistentes ao desgaste e a abrasão. os elementos comumente adicionados são o cromo, vanádio, tungstênio e molibdênio. são utilizados em ferramentas de corte, molas, arames de alta resistência componentes agrícolas resistente ao desgaste. Aços inoxidáveis: possui no mínimo 10,5% de cromo em sua composição, conferindo a criação de uma camada passiva de óxido complexo de carbono quando exposto ao oxigênio do ar, fazendo com que a liga permaneça brilhante por anos. esta camada é impermeável a água e ao ar. quando riscada, a película rapidamente regenera. aço inox série 300 (austenítico) – contém máximo de 0,15% de c e mínimo de 16% de cromo e níquel e/ou manganês. são mais resistentes a corrosão e não são magnéticos. aço inox martensíticos – contém de 0,1 a 1% de c, zero a 2% de níquel, 0,2 a 1% de molibdênio, 12 a 14% de cromo. possui alta resistencia mecânica mas são bastante frágeis. aço inox ferrítico – contém entre 10,5 e 27% de cromo e pouco níquel. a maior parte das composiçòes possui molibdênio, alumínio ou titânio. são endurecidos e têm sua resistência aumentada com a deformação plástica a frio. Ferro fundido: liga de fero-carbono-silício, com teores de carbono acima de 2,14%. a maioria dos ferros fundidos contém entre 3 e 4,5% de c. podem ser branco, cinzento, nodular e maleável. Os aços também podem ser classificados em eutetóides, hipoeutetóides e hipereutetóides. O aço eutetóide apresenta um teor de carbono de 0,76% e tem como resultado as fases ferrita e cementita em contorno de grão perlita. A reação eutetóide é considerado um processo lento. O aço hipoeutetóide contem teor de carbono inferior a 0,76%. Quando o resfriamento atinge certo ponto começa a separação da austenita em austenita e ferrita. Já o aço hipereutetóide possui teor de carbono superior a 0,76%. Diagrama de Fases do Fe – C Para estudar as alterações físicas e estruturais que as ligas metálicas sofrem em função da temperatura e composição de cada componente tem-se os chamados diagramas de fase ou diagramas de equilíbrio. Um dos mais utilizados é o Diagrama de Fases do Ferro-Carbono. Ele permite entender o motivo das variações do teor de carbono nos aços resultarem em diferentes propriedades, e dessa maneira, possibilita a fabricação de aços de acordo com propriedades desejadas. Fases da liga Fe-C em função da temperatura e da composição. Fonte: Callister. Tratamentos dos Aços Os tratamentos térmicos são um conjunto de processos de aquecimento e resfriamento em diferentes condições de temperatura, pressão e velocidade, que têm a finalidade de alterar as propriedades físicas e mecânicas dos aços. Eles permitem aumentar ou diminuir a dureza; aumentar a resistência mecânica; melhorar resistência ao desgaste, calor, corrosão; modificar propriedades magnéticas e elétricas; remover tensões internas; melhorar a ductilidade, trabalhabilidade e propriedades de corte. Existem certos parâmetros importantes que influenciam nos tratamentos, tais como: aquecimento (deve superar a temperatura crítica do aço (723ºC) para completa austerização), tempo de permanência na temperatura de aquecimento (o suficiente para se obter uma temperatura uniforme em toda a seção) e velocidade de resfriamento (determina a estrutura e propriedades finais). Abaixo seguem os principais tratamentos: Recozimento: tem como objetivo diminuir a dureza para melhorar a usinabilidade, melhorar as propriedades elétricas e magnéticas, ajustar o tamanho dos grãos e alterar propriedades como resistência e ductibilidade. O resfriamento é feito de maneira lenta, dentro do forno que foi aquecido ou na temperatura ambiente ou em caixas. Normalização: tem como objetivo diminuir a granulação do aço e melhorar a uniformidade da microestrutura. É bem semelhante ao recozinhamento, tendo como principal diferença a velocidade de resfriamento. O processo de Normalização é feito em duas partes, o aquecimento que o tempo depende da espessura da peça em atmosfera controlada e resfriamento ao ar livre. Têmpera: tem como objetivo aumentar a dureza e a resistência a tração dos aços. Ela é realizada em duas etapas: aquecimento e esfriamento rápido. O aquecimento é superior à temperatura crítica, que é de 727ºC. A segunda etapa da têmpera é o resfriamento, o qual deve ser rápido e brusco, em óleo ou água. A rapidez do resfriamento é importante para impedir que o aço mude para fase diferente daquela que se obteve na temperatura de austenização. Esse processo, no entanto, reduz a ductibilidade e a tenacidade. Revenimento: realizado geralmente após a têmpera, é aplicado nos aços para corrigir a tenacidade e a dureza excessiva, aumentando a ductibilidade e a resistência ao choque. Há um reaquecimento das peças temperadas, a temperaturas abaixo da linha inferior de transformação do aço. Isotérmico (Pateting): é feito em arames, após passarem pela laminação e trefilações, resultando em um arame com alta resistência à tração e excelente tenacidade. Consiste em aquecer o aço acima da temperatura crítica e rapidamente resfriá-lo, mantendo nessa temperatura inferior até que toda a peça passe pela transformação. A Frio (Encruamento): é um tipo de tratamento térmico reversível que tem como objetivo aumento da resistência de escoamento, dureza, em consequência, aumenta também a fragilidade. Também ocorro uma diminuição do alongamento e da resistência a corrosão. A Quente: é utilizado normalmente em processos de laminação, forjamento e estiramento do aço. Ele é realizado acima da zona crítica e tem como objetivo tornar o aço mais maleável. Ligas Metálicas Não-Ferrosas Algumas das principais ligas não ferrosas são o cobre eletrolítico tenaz, o bronze fosforado, o bronze alumínio, o latão amarelo com Pb, além de ligas de alumínio como a A93003 e a A95052. MATERIAIS CERÂMICOS Os materiais cerâmicos podem ser definidos como sendo materiais formados por compostos de elementos metálicos (Al, Na, K, Mg, Ca, Si, etc.) e um dos cinco seguintes elementos não-metálicos: O, S, N, C e P. Esses elementos são únicos por ligações iônicas (NaCl, MgO), covalentes (SiC, SI2N4) ou covalente-iônicas (Al2O3, SiO2). Na construção civil, os materiais cerâmicos abrangem uma grande variedade de substâncias naturais (argilominerais e rochas) e produtos industrializados (tijolos, cimento, cal, gesso, etc). Algumas de suas principais características são: dificuldade de cristalização, alta dureza, resistência mecânica, ruptura frágil, estabilidade química e térmica (alto ponto de fusão e baixa condutibilidade térmica e elétrica. Os arranjos dos materiais cerâmicos podem ser simples ou complexos. Neste último estão englobadas: perovsquita (transdutores elétricos), espinélio (características elétricas e magnéticas), coríndon (refratárias, isolante térmica e abrasiva) e grafita (material refratário e lubrificante). Silicatos São materiais compostos essencialmente por silício e oxigênio, sendo sua unidade fundamental formada por quatro íons de O nos vértices de um tetraedo regular, e por um íon de silício tetravalente, no centro. Um dos materiais comumente utilizados na construção civil, o cimento Portland é obtido através do clínquer constituído basicamente de silicatos hidratados de cálcio. As principais fases são a alita, belita, celita e ferrita. A alita é o componente mais importante, constitui cerca de 50% a 70%. A belita cerca de 15% a 30%. A celita, de 5% a 10% e por fim, a ferrita de 5% a 15%. O material silicato mais simples é a sílica que contem três formas polimórficas: o quartzo, a cristobalita e a tridimita. Sílica pode também existir como um sólido não cristalino ou vidro, tendo um alto grau de randomicidade atômica, que é característico do líquido. Um tal material é chamado sílica fundida ou sílica vítrea. Do mesmo modo que com a sílica cristalina, o tetraedro SiO4 é a unidade básica, além desta estrutura, existe considerável desordem. Diagrama de Fases Assim como os metais, as cerâmicas também possuem os chamados diagramas de fases que permite determinar quais fases encontram-se em equilíbrio para uma certa composição em determinada temperatura. Também se pode através deles, analisar a composição química de cada fase do material e calcular a quantidade de fases presentes. Os diagramas de fases podem ser classificados em binários, ternários ou quaternários dependendo da quantidade de componentes. É possível pelo diagrama de fases definir as temperaturas de fusão dos elementos puros, a mudança na temperatura de fusão quando dois compostos são misturados, a temperatura onde ocorre a mudança de estrutura cristalina para amorfa e determinar os parâmetros e variáveis para sintetização. Diagrama de fases, em função da temperatura e da composição.. Mecanismo de Escorregamento Nos materiais cerâmcos cristalinos o principal mecanismo de deformação plástica geralmente consiste no escorregamento de planos atômicos através da movimentação de discordâncias. As discordâncias não se movem com a mesma facilidade em todos os planos cristalinos e em todas as direções cristalinas, elas se se dão preferencialmente através de planos específicos e, dentro desses planos, em direções específicas, ambos com a maior densidade atômica de um dado reticulado cristalino. Essa combinação de um plano e uma direção é chamada de sistema de escorregamento (“slip system”). Cerâmica Avançada Os processos de fabricação desses materiais podem diferir muito daqueles das cerâmicas tradicionais. As matérias primas são artificiais e muito mais caras, porque tem qualidade muito melhor controlada (controle do nível de impurezas é crítico). As aplicações são baseadas em propriedades mais específicas, como: elétricas, sensores de temperatura (NTC, PTC), ferro-elétricos (capacitores, piezoelétricos), varistores (resistores não-lineares), dielétricos (isolantes), térmicas, químicas, sensores de gases e vapores, magnéticas, ópticas e biológicas. MATERIAIS POLIMÉRICOS Os polímeros são tipos de materiais que possuem unidades de estrutura molecular, chamada monômetro, relativamente simples que se repetem. Elas são ligadas entre si por ligações covalentes que garantem estabilidade físico química, o que resulta em grandes cadeias. Na construção civil, os polímeros são amplamente empregados, principalmente, em tubulações, cabos elétricos, reservatórios, pisos, entre outros. Devido a suas propriedades de durabilidade, resistência, versatilidade na produção e o baixo custo. Classificações O polímeros possuem diversas classificações para facilitar seu estudo de acordo com os seguintes critérios: Estrutura das Macromoléculas: homopolímero (apenas um tipo de monômero) ou copolímero (dois ou mais monômeros diferentes). Os copolímeros podem ser: Estatísticos: monômeros dispostos sem ordenação; Alternados: monômeros com perfeita regularidade de constituição; Em Bloco: alternam-se sequências de unidades químicas iguais; Grafitado/Enxertado: quando os blocos existirem como remificações; Ocorrência: naturais (já existem na natureza) ou sintéticos (fabricados pelo homem); Natureza: orgânico (carbono em sua cadeia principal) ou inorgânico (sem carbono); Cadeia: homogênea (o esqueleto da cadeia é formado apenas por carbono) ou heterogênea (existem átomos diferentes do carbono no esqueleto); Disposição Espacial: tático (os monômeros dispõem-se de maneira organizada) ou atático (de maneira desorganizada); Estrutura Final: linear (encadeamento linear de átomos), ramificado (a cadeia possui ramificações), tridimensional ou em rede (se desenvolvem em todas as direções); Fusibilidade: termoplásticos (podem ser fundidos por aquecimento e solidificado por resfriamento) ou termofixos (infundíveis); Comportamento Mecânico: borrachas, plásticos ou fibras; Quanto ao Fogo: inflamáveis, retardantes de chama ou auto-extinguíveis. Reações de Polimerização As características dos polímeros são definidas através das reações de polimerização. A polimerização por adição é formada pela ligação de monômeros todos idênticos entre si, contendo dupla ligação carbono-carbono (monômeros vinílicos) e um grupo substituinte. Por exemplo, quando o substituinte é o cloro, forma-se o policoreto de vinila (pvc) e quando for um flúor, forma-se o politetrafluoretilino ou o teflon. Já a polimerização por condensação se notabiliza pela eliminação de uma pequena molécula (geralmente água, álcool...) durante seu processo. Um exemplo típico é a esterificação, onde um grupo hidroxila e um grupo ácido carboxílico são responsáveis pela reação. Através desse tipo de polimerização são obtidas as poliamidas, resinas alquídicas, fenol-formaldeídos, poliésteres etc. CONSIDERAÇÕES FINAIS Os materiais metálicos, cerâmicos e poliméricos fazem parta da vida profissional dos engenheiros e desempenham papeis importantes nessa área. Estão presentes tanto em elementos estruturais, como em elementos de utensílios domésticos. É imprescindível, portanto, o estudo das microestruturas de cada grupo para que se possa conhecer suas propriedades e assim escolher de maneira adequada a opção mais viável. Também é importante para a fabricação de novos materiais. A mudança na microestrutura através de variações de temperatura e pressão são aspectos que devem ser compreendidos para ampliar a variedade e maximizando seus resultados. REFERÊNCIAS USP. Elementos da Microestrutura de Metais e Ligas. Disponível em: <http://www.lmc.ep.usp.br/people/gguello/siae/aulas/AULA1B.HTM> UNIFACS. Microestrutura dos Materiais. Disponível em: <https://www.passeidireto.com/arquivo/22169279/microestrutura-dos-materiais> HECK, N. C. Introdução à Engenharia Metalúrgica. UFRGS. Disponível em: <http://www.ct.ufrgs.br/ntcm/graduacao/ENG06638/IEM-Texto-8.pdf> LMDM. Capítulo 16: Mudança de Estrutura. 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