Propriedades basicas

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Propriedades basicas

  1. 1. PROPRIEDADES BÁSICAS DOS MATERIAIS Propriedades Mecânicas resistência à tração e compressão; resistência a flexão transversal; resistência ao impacto; resistência à fadiga, à fluência; dureza; plasticidade/ductilidade e tenacidade; Propriedades Químicas resistência à corrosão (há diversas formas); resistência à oxidação, etc.
  2. 2. Propriedades Físicas Propriedades Elétricas (condutividade elétrica, resistividade elétrica, etc) Propriedades Magnéticas (permeabilidade magnética; força coercitiva, indução magnética, etc.) Propriedades Térmicas (condutividade térmica; dilatação térmica, etc) Propriedades Óticas (transparência; índice de refração, etc.)
  3. 3. Propriedades Tribológicas resistência aos diversos tipos de desgaste (desgaste abrasivo, desgaste adesivo, desgaste erosivo, etc.); coeficiente de atrito do material. Par tribológico
  4. 4. par tribológico eixo-bucha
  5. 5. SELEÇÃO DOS MATERIAISA seleção depende das propriedades do material Aplicação particular pretendida Conjunto de propriedades requerido pela aplicação Seleção do material que atende ao conjunto de propriedades Seleção do processo de fabricação
  6. 6. ENSAIOS PARA DETERMINAÇÃO DAS PROPRIEDADESPara determinar as propriedades de um material são realizados ensaiosespecíficos para a cada propriedade. O procedimento de cada ensaio édescrito em normais técnicas nacionais e internacionais como: ISO – International Standard Organization; ABNT- Associação Brasileira de Normas Técnicas; DIN - Deutsche Industrie Normen; ASTM – American Society for Testing and Materials MPIF- Metal Powder Industry Federation, etc. A geometria das amostras a serem ensaiadas (chamados corpos de prova) e as condições técnicas de condução de cada ensaio são descritas nas normas técnicas.Exemplo: Resistência à tração → é obtida através do chamado Ensaio de Tração (Tensile Test, ASTM Standards E 8 e E 8M)
  7. 7. Esforço de tração Esforço de compressão
  8. 8. Esforço de cisalhamento Esforço de torção
  9. 9. Propriedades mecânicas1) ENSAIO DE TRAÇÃO σ = F/A (N/mm2) L0 A0 corpo de prova antes do ensaio estricção corpo de prova após ensaio Lf
  10. 10. Representaçãoesquemática demáquina deensaio de tração
  11. 11. Conceitos de Tensão e de deformaçãoDevemos diferenciar entre: tensão nominal ou tensão de engenharia (engineering stress) → σ = F/A0 [N/mm2] tensão real (true stress) → σ = F/A ! # " $% O conhecimento da tensão real é mais interessante em estudos científicos sobre comportamento mecânico e mecanismos de deformação envolvidos. Na engenharia, para projetar estruturas e componentes mecânicos, utilizamos a tensão de engenharia.
  12. 12. DeformaçãoA deformação nominal ou de engenharia (engineering strain)no sentido do comprimento do corpo de prova é dada por: L - L0 ∆L ε= L0 = L0A deformação real (true strain) é dado por: L dL L Ao εε = L = ln Lo = ln A Loonde L = comprimento instantâneo e A = área instantânea
  13. 13. Gráficos σ x ε σe = tensão de escoamento / limite elástico F N σt = resistência à tração σ= A0 mm2 σr = tensão de ruptura σt σr Comparar com Curva real σe Deformação ε mm mm
  14. 14. Curva tensão real versus deformação em tração σreal )* ( & ε
  15. 15. Módulo de ElasticidadeO módulo de elasticidade é a inclinação da curva tensãoversus deformação (σ x ε ) na região elástica. ∆σ E = ∆ε σ εÉ uma propriedade muito importante pois representa arigidez do material, isto é, a sua resistência à deformaçãoelástica.Valores do módulo de elasticidade: Metais: varia entre 45 GPa (Mg) e 407 GPa (W); Cerâmica: entre 70 e 500 GPa e Diamante = 1000GPa Polímeros: entre 0,007 e 4 GPa. (1GPa = 1000 MPa = 1000 N/mm2)
  16. 16. Módulo de Elasticidade F Nσ= A0 mm2 + , -σt ∆σ σ E = ∆ε σε εLe ∆σ σ !ε ∆ε Deformação ε mm mm
  17. 17. . / 1. 0/ 2 * 03 4 - 5,
  18. 18. 6& 6 γ) θ 7 6
  19. 19. σ de tração σ de compressão σ = F/A σ 7 6 6& 6 γ) θ
  20. 20. 8 3 8 * 1 9 $: 9 ;<0
  21. 21. 8 7 7 6 8 - = " - "≅ 9 >!
  22. 22. 5
  23. 23. EstricçãoChama-se de estricção o percentual de deformaçãoem área no local onde se forma a estricção(pescoço), isto é, Af – A0 φ= A0 estricção corpo de prova após ensaio Lf
  24. 24. Alongamento Chama-se de alongamento à deformação plástica total ocorrida no corpo de prova até a sua ruptura no ensaio de tração. Lf – Lo (após ruptura) A= Lo Alongamento é a deformação plástica máxima na direção da aplicação da força È uma propriedade do material que se relaciona com a sua capacidade de deformar-se plasticamente (sua plasticidade). Quanto mais dúctil o material maior o seu alongamento.
  25. 25. # % ( !% )!$ * + !$ & ! #? - * 0 @ 0 , - , @0 σ + + & ε
  26. 26. 3 4 ( A * 0 1 ;< 8 5 B 99 > 8 ( ( <9 8 ;09998
  27. 27. LIMITE ELÁSTICO (LE)Quando submetido a uma força de tração o material sofre,inicialmente, apenas deformação elástica até ser alcançadoo limite elástico; a partir deste ponto do ensaio começa aocorrer, além da elástica, a deformação plástica oupermanente. ε = εel + εplTENSÃO DE ESCOAMENTO CONVENCIONADA σ , -Quando não apresenta patamar de escoamento claramentedefinido define-se, por norma, como tensão de escoamentoaquela tensão para a qual o material já apresenta 0,2% dedeformação permanente e determina-se graficamente (verfigura).
  28. 28. ε = εel + εplTensão σ εel εpl Deformação ε
  29. 29. σ) .# 9σ 0,2 9 $C & ε
  30. 30. Ensaio de tração de PolímerosAs propriedades mecânicas de materiais poliméricos podem serdescritas usando-se, em parte, os mesmos conceitos ou termosutilizados para materiais metálicos e cerâmicos.A figura a seguir mostra a curva tensão X deformação típica denylon (material polimérico).
  31. 31. EF E +E" ( 4 ,- 4 0 4 7 ( D - 4 * 0" 4* ,@ σ @ε 4 * 0 ε D ) σ dε 9 - * 4 7 5 * G D ) Hσ ε ε ) σ#!, - σ σ D )Hσ ) $! !
  32. 32. ( σ σ * ( σr Limiteelástico ( * I Deformação ε & ε
  33. 33. # 4 * * @ =6, , 4 0 , - 4 08 σ * - @ * Limite elástico *,@ σ @ε Deformação ε
  34. 34. Material cerâmico Material (comportamento Metálico tenaz frágil )σ σ σ Material Metálico dúctil ε ε ε
  35. 35. Aspecto da fratura de materiais Fratura de material frágil Fratura de material dúctil Fratura de material tenaz
  36. 36. Tabela 1. Propriedades mecânicas de alguns materiais MATERIAL σesc. Resistência Módulo de Alonga- Coeficiente [N/mm2] [N/mm2] Elasticidade mento de [N/mm2] (%) PoissonMagnésio 41 165 T 45.000 14 0,29Prata 55 125 T 76.000 48 0,37Alumínio (>99,5) 17 55 T 69.000 25 0,33Ferro puro 130 260 T 207.000 45 0,27Níquel ( > 99 ) 138 483 T 207.000 40 0,31Cobre (99,95) 69 220 T 110.000 45 0,35Latão (70Cu+30Zn) 75 303 T 110.000 68 0,35Bronze (92Cu+8Sn) 152 380 T 110.000 70 0,35Titânio 240 330 T 107.000 30 0,34Molibdênio 1600 324.000 35Tungstênio 2100 390.000
  37. 37. Continuação Tabela 1 MATERIAL σesc. Resistência Módulo de Alonga Coeficiente [N/mm2] [N/mm2] Elasticidade mento de [N/mm2] (%) PoissonAço 1040 350 520 T 207.000 30 0,30Aço inox 310 – 205 515 T 193.000 60 0,30aust.Aço inox 410- 275 483 T 200.000 30 0,30Mart.Metal duro 2200-2600 FWC+10 % CoAl2O3 sinterizado 210 a 340 F 370.000 0,26(5%poros)Carbeto de 170 F 470.000 0,19SilícioDiamante 5000 Com. 1.000.000 0Grafita 3T, 8 F; 22.000 200CVidro de 69 F 69.000 0,20Borosilicato
  38. 38. Continuação Tabela 1 MATERIAL σesc. Resistência Módulo de Alonga Coeficiente [N/mm2] [N/mm2] Elasticidade mento de [N/mm2] (%) PoissonCarbeto de Boro 340 F 290.000Sinterizado (HP)Polietilieno de 28 830 15-100alta densidadePoliester 158 8960 2,7PVC (cloreto de 41 2800 2-30polivinila)nylon 66 82,7 2830 60ABS 28-48 2100 20-80Poliestireno 1,4 - 3,0 1,6 440-vulcanizado 600Polisopreno 17-25 1,3 750-vulcanizado 850
  39. 39. ENSAIO DE COMPRESSÃO Força F1 Força F2 > F1 Força F3 > F2H1 A1 H2 A2 H3 A3
  40. 40. ENSAIO DE COMPRESSÃO σreal σe ( & ε
  41. 41. Deformação em altura: ∈altura = ∆H /H0 Deformação em área: εA = ∆A / A0 Coeficiente de Poisson: ν = εx / εz = ε ε. O coeficiente de Poisson é a relação entre adeformação elástica no sentido da aplicação da força e adeformação elástica perpendicular a esta direção. Os valores do coeficiente de Poisson da maioria dosmateriais metálicos e cerâmicos encontram-se entre 0,26e 0,35.
  42. 42. Ensaio de Ruptura por Flexão Em materiais muito duros, o ensaio de tração é muito difícil de serrealizado na prática e, então, prefere-se utilizar o ensaio de flexãopara determinar a resistência do material, neste caso, chamada de materialresistência à ruptura por flexão. O ensaio de flexão é utilizado em todas as classes de materiais Ensaio de flexão em três pontos → ver figura. Q Flexão em 3 pontos b h L L’ ;J+ σ ) $, $ 6
  43. 43. CORPO DE PROVA DO ENSAIO DE TRAÇÃO L0 estricção Lf
  44. 44. Cálculo da resistência à flexão: ;J+ Secção retangular: σ ) $, $ 6 σrup é a resistência à ruptura por flexão (medida em N/mm2 quando a força é dada em N); Q a carga aplicada; L = distância entre apoio, b = largura e h = altura do corpo de prova retangular J+ Seção circular: σ ) 2,546 ; & D é o diâmetro
  45. 45. EXERCÍCIOS1) Baseado no resultado do ensaio de tração apresentado na figura a seguir, determinar: a) Módulo de elasticidade do material; b) Resistência do material ao escoamento; c) Resistência à tração; d) Alongamento.
  46. 46. σ [N/mm2]700600500400300200100 ε (%) 0,2 0,4 0,6 1,0 2,0
  47. 47. σ [N/mm2]700600500400300200 ∆σ100 ∆ε ε (%) 0,2 0,4 0,6 1,0 2,0a) Módulo de elasticidade do material ∆σσ 300 N/mm2 E= = = = 150.000 N/mm2 ∆ε ε 0,002mm/mm
  48. 48. σ [N/mm2] 700 600 σ0,2 500 400 300 200 100 ε (%) 0,2 0,4 0,6 1,0 2,0b) Resistência do material ao escoamento No caso, como não tem patamar de escoamento definido, utiliza-se o conceito de tensão de escoamento convencionada, ou seja, σ0,2 σ0,2 = 475 N/mm2
  49. 49. σ [N/mm2] 700σr 600 500 400 300 200 100 ε (%) 0,2 0,4 0,6 1,0 2,0 c) Resistência do material a tração σr = 625 N/mm2
  50. 50. σ [N/mm2] 700 600 500 400 300 200 100 0,2 0,4 0,6 1,0 2,0 ε (%)d) Alongamento obtido no ensaio de tração A = 1,8%
  51. 51. 2) Baseado no resultado do ensaio de tração apresentado na figura a seguir, determinar: a) Módulo de elasticidade do material; b) Resistência do material ao escoamento; c) Resistência à tração; d) Alongamento.
  52. 52. Tensão σ 2 [ N /m m ]140012001000 800 600 400 200 0 ,4 0 ,8 1 ,6 2 ,4 3 ,2 4, 0 4 ,8 5 ,6 D e fo r m a ç ã o ε (% )
  53. 53. EXERCÍCIOS2) Baseado no resultado do ensaio de tração apresentado na figura a seguir, determinar: a) Módulo de elasticidade do material; b) Resistência do material ao escoamento; c) Resistência à tração; d) Alongamento.SOLUÇÃO 2 500 N/mm a) E = = 5 x 105N/mm2 0,001 mm/mm b) Resistência ao escoamento: esc = 0,2 = 900N/mm2 c) Resistência a tração: r= 1400N/mm2 d) Alongamento é aproximadamente 5,8%
  54. 54. 3) Uma base de medida de 50 mm é adotada num fio de cobre. O fio é tracionado até que as marcas da base de medida assumam a distância de 59 mm. Calcule a deformação. Solução: ε = ∆ L/Lo = (59 – 50)/50 = 9/50 = 0,18 mm/mm, ou seja, 18% 4) Se o módulo de elasticidade médio de um aço é de 205.000 MPa, de quanto será estendido um fio de aço com diâmetro de 2,5 mm e comprimento inicial de 3 metros ao suportar uma carga de 4900N ?Solução:A = R2 = (D/2)2 = D2/4 OU = F/A = F/ R2 ou 4F/ D2 = ∆L/Lo ou ∆L = Lo E= / ou = /E Então, temos que ∆L = ( /E )Lo = [F/ R2E]Lo∆+ = 4.900 / [3,14 x (1,25)2 x 205.000] x 3000 = 14700000/1005781,25 ∆ + ) B :< >B
  55. 55. 4) A resistência a ruptura por flexão de uma barra de secçãoquadrada de 10 x 10 mm é de 600 N/mm2. Qual a carga mínimanecessária para romper a barra por flexão sendo a distância entreos apoios de 100mm? Q ↓SOLUÇÃO 100 mm ;J+σ ) 2bh 2 $, $ 6 Q =( )σ rup 3L 2000mm3 Q= ( 300mm ) 600N/mm2 = 4000N
  56. 56. Ensaios de Dureza Para a engenharia de materiais e a metalurgia, dureza é a resistência do material à deformação plástica; QO ensaio de dureza:Aplica-se uma carga Q através de umpenetrador e mede-se o tamanho damarca de deformação deixada pelomesmo (impressão de dureza). dureza Material a ser ensaiado b) φ
  57. 57. A dureza do penetrador deve ser maior do que a daamostra a ser ensaiadaMateriais mais duros são mais resistentes adeformação plástica e deixam uma impressão menor Material B com dureza Material A maior do que o material A
  58. 58. Métodos de ensaios de dureza1) Por risco – Escala de dureza Mohs Escala de dureza Mohs é uma tabela de 10 mineraispadrões em que o anterior é riscado pelo posterior naseguinte ordem: talco, gipsita, calcita, fluorita, apatita,ortoclásio, quartzo, topázio, safira e diamante. Portanto, ela serve para classificação de minérios “in loco”, nocampo ou em laboratório. Este tipo de medida de dureza é de grande utilidade naárea de mineralogia e geologia, mas apresenta poucointeresse na área de materiais e metalurgia.
  59. 59. Q2) Dureza por penetração No ensaio de dureza por penetração, aplica-se uma carga Q sobre a superfície polida do material a ser Material a ser ensaiado ensaiado através de um penetrador e mede-se a marca deixada pelo penetrador após a remoção da carga. φ
  60. 60. As principais escalas de dureza (ensaio por penetração): a) Dureza Vickers Penetrador: pirâmide de diamante com base quadrada, com um ângulo de 136 graus entre as faces opostas. Através do penetrador (pirâmide de diamante) pode se aplicar cargas desde muito pequenas (microdurômetro Vickers, Q < 1N) até da ordem de 1500N (durômetro Vickers). O microdurômetro Vickers serve para medir a dureza de cada fase distinta do material, desde que a impressão de microdureza seja menor que o tamanho de partícula da fase.
  61. 61. HV = 1,8544Q/L2 [N/mm2]Q = carga aplicada noensaio, isto é, ao penetradorde diamanteL = medida da diagonalda impressão de dureza. LLei de Meyer:Para boa parte dos metais observa-se que HV~ 3σe,onde σe é a tensão de escoamento do materialA escala Vickers é muito utilizada na pesquisa porquepermite comparação dos materiais entre si, desde os dedureza mais baixa (metais) até os muito duros (cerâmica)
  62. 62. Microdureza em um material polifásico microdureza da fase A microdureza da fase B microdureza da matriz 5 µm
  63. 63. b) Dureza Brinell Penetrador: esfera de aço temperado; aplica-se carga Qatravés da esfera; mede-se a calota esférica. HB = Q/Sc =Q/πDp (em N/mm2) D = Diâmetro; Q = carga; Sc = Superfície da calota p = profundidade da impressão (deformação plástica). A dureza Brinell ou seja, a escala Brinell é muitoutilizada em metais de elevada a média ductilidade, isto é,metais não muito duros
  64. 64. c) Dureza Rockwell Penetrador: Vários; o principal é um cone dediamante. O ensaio é baseado na profundidade depenetração subtraída da recuperação elástica.Muito utilizado para medir a dureza de aços duros(aços temperados ou aços temperados +revenidos)
  65. 65. . / K 0;B ( & L M , L
  66. 66. ( E
  67. 67. Resistência ao impacto / Ensaio de impacto Martelo Charpy hi hf Representação esquemática do ensaio de impacto tipo charpy A diferença entre a altura hi e hf está correlacionada com a perda da energia do martelo gasta para romper o corpo de prova.
  68. 68. Corpos de prova para ensaios de impacto: Existem dois tipos e são especificados pela norma ASTM E-23 - corpo de prova Charpy e, - corpo de prova Izod.Os corpos de prova para o ensaio Charpy são retangulares com asdimensões: h = b = 10 mm e L = 55mm.Um entalhe é feito no meio do corpo de prova para facilitar a fratura.Existem 3 tipos de entalhes praticados: Charpy tipo A (entalhe em V) Charpy tipo B (entalhe em forma de buraco de fechadura) Charpy tipo C (entalhe em U) 55 mm
  69. 69. Ensaio de impacto IZOD 15o 22 mm Corpo de prova Izod engastadoMartelo 28 mm 75mm
  70. 70. Energia absorvida no ensaio de impacto (Joules) - 30 - 20 -10 0 10 20 30 40 50 60 Temperatura do corpo de prova (0C)A resistência ao impacto dos materiais metálicos varia com a temperatura. Elespossuem uma transição de dúctil para frágil em determinada faixa detemperaturas, de acordo com a composição química e a microestrutura do aço.Aços especiais para que mantém elevada energia de impacto em temperaturasbaixas chamam-se aços criogênicos.
  71. 71. Observações: O ensaio de impacto é um ensaio dinâmico, isto é, a energia deimpacto é transferida de forma instantânea ao corpo de prova.Mede-se a energia necessária para ocasionar a fratura. O resultado do ensaio só serve para comparar entre simateriais ensaiados nas mesmas condições; Entretanto, nãofornece indicações seguras sobre o comportamento ao impacto depeças em geral. Indicações mais seguras sobre o comportamento ao impactode uma peça só são possíveis de serem obtidas se pudermosensaiar a peça inteira sob as condições que ocorrem na prática(situação real de uso da peça). Quanto maior a energia absorvida no ensaio de impacto (paramateriais ensaiados nas mesmas condições) mais tenaz é omaterial. O teste não faz sentido para materiais cerâmicos.
  72. 72. /0 #* 12 + 4 * , @ 3) 4 @ B N ) σ )
  73. 73. 4 5
  74. 74. Resistência do material ao calor variação da Dureza ou resistênciaresistência e da dureza com a temperatura A → material metálico A dureza e a resistência dos materiais diminuem à medida B → ligas metálicas Cque aumenta a temperatura na qual estas propriedades são resistentes ao calor C → material cerâmicomedidas. Chamamos de materiais resistentes ao calor aqueles que Bapresentam menor perda (diminuição) da sua dureza e da suaresistência em função do aumento de temperatura, ou seja, aspropriedades se deterioram apenas em temperaturas mais altas. A Os metais refratários e os materiais cerâmicos possuemmaior resistência ao calor. Quando dizemos "as propriedades se deterioram" queremosdizer que ficam abaixo do valor necessário para a aplicação na Temperaturatemperatura desejada (temperatura em serviço). Ver Figura!!
  75. 75. Supor que uma dada aplicação requer D ≥ D1; então:Dureza ou resistência - A → material metálico trabalho for maior se a temperatura de que→ 1ligas metálicas grupo A não serve! B T , o material do C resistentes ao calor - se a temperatura de trabalho for maior que C2→ material cerâmico T , só grupo C serve! B D1 A T1 T2 T3 Temperatura
  76. 76. FadigaO limite de resistência que determinamos no ensaio detração vale para apenas um ciclo de carregamento. Estenão vale mais quando o material está sujeito acarregamentos cíclicos (carregamentos repetidos).Quando são aplicados esforços dinâmicos repetidos ouflutuantes a um material metálico, o mesmo pode romper-se com uma tensão bem inferior ao limite de resistênciadeterminado no ensaio de tração (ou compressão),podendo variar de 1/4 a 1/2 da tensão de ruptura.Sob carregamento cíclico o material sofre fadiga !
  77. 77. ENSAIO DE FADIGAPara determinar a resistência à fadiga, ensaiamos corposde prova em tensões sucessivamente menores e medimoso número de ciclos de carregamento que estes suportamaté se romper. Os resultados são traçados em diagramastensão versus número de ciclos chamados de diagramasde Wöhler.
  78. 78. ENSAIO DE FADIGA Movimento alternado de tração e compressão Tração+σ 0 tempo-σCompressão N=1 N=2 N=3 N = número de ciclos
  79. 79. Fadiga em tração Tração +σσ=0 tempo N=1 N=2 N=3 N = número de ciclos
  80. 80. Fadiga em compressão tempoσ=0-σCompressão N=1 N=2 N=3 N = número de ciclos
  81. 81. Limite de Resistência à fadiga é o valor da tensão para a qual o material suporta umnúmero suficientemente elevado de ciclos decarregamento e descarregamento sem se romper (estenúmero depende da aplicação do material !) Especificamos um número definido de ciclos a suportar (de 106 a 108 ) e a tensão para a qual o material suporta este número de ciclos chamamos de resistência à fadiga.
  82. 82. Tensão em N/mm 2 550 500 450 400 Aço ao carbono tratado350 (0,47%C)300 Aço doce 250 Liga de alumínio200150 100 Ferro fundido cinzento 104 105 106 107 108 109 N = número de ciclos
  83. 83. Resistência à fluência Fluência pode ser definida como a deformação plásticaque ocorre em elevada temperatura sob carga constante aolongo do tempo. A fluência ocorre em tensões inferiores à tensão deescoamento medida no ensaio de tração. A fluência, isto é, a deformação plástica por fluência,depende da temperatura, do tempo e da tensão aplicada.Materiais resistentes à fluência são aqueles que melhorresistem a deformação plástica na temperatura de trabalho, ouseja, aqueles que sofrem pouca fluência (pouca deformação)na temperatura de trabalho durante a sua vida útil.
  84. 84. São resistentes a fluência: metais refratários (metais de alto ponto de fusão) como o Tungstênio e o Molibdênio e suas ligas, e ligas especiais à base de Níquel. as cerâmicas de engenharia (cerâmica avançada) via de regra possuem elevada resistência à fluência.ENSAIO DE FLUÊNCIAO teste de fluência é realizado em temperaturas daordem de 1/3 a 1/2 da temperatura (na escala kelvin)de fusão do material. O corpo de prova é aquecido porum forno acoplado à máquina de ensaios.
  85. 85. Propriedades térmicas Dilatação térmica O coeficiente de dilatação térmica linear é dada por: α = ∆L / ∆T Lo ∆L = α ∆T Lo O conhecimento da dilatação térmica de um material é muito importante para o design de materiais, de componentes e de estruturas em materiais de engenharia.Exemplo 1: Peças em contato que possuem movimento relativo entre si:Durante o serviço (em funcionamento!) ocorre aquecimento devido ao atrito, ocasionando variações dimensionais noscomponentes; um coeficiente de dilatação térmica distinto naspeças em contato acarreta desajuste dimensional.Resultado: engripamento, vibrações e ruído; desgaste aceleradoem pontos específicos.
  86. 86. Exemplo 2: Materiais revestidos com camadas ou filmes Revestimento (camada superficial) SubstratoQuando o coeficiente de dilatação térmica do substrato foracentuadamente diferente daquele do revestimento, podeocorrer o desplacamento da camada, ou o seu trincamento.Exs.: vidrado (esmalte cerâmico) sobre azulejos; FilmesDLC (são filmes de elevada dureza e baixo coeficiente deatrito a base de carbono); Cromagem, zincagem,nitretação, cementação, etc.
  87. 87. 3) Junção metal - cerâmica material cerâmico material de junção metalOs materiais metálicos possuem em geral, coeficiente dedilatação térmica muito maior que os materiais cerâmicos.Isto complica a junção de componentes metálicos comcomponentes cerâmicos, isto é, a brasagem de metal emcerâmica.
  88. 88. 4) Materiais compósitos Matriz metálica + fibras cerâmicas Matriz metálica + partículas cerâmicas(arranjo/ mistura tridimensional de fases com distintoscoeficientes de dilatação).
  89. 89. Condutividade térmicaÉ a capacidade que o material tem de conduzir o calor..@ 67 8 J 7 - * 4 O# $0 OJ ) 1P @P4 5 6 4 O# 0 0°P Q# 0°P
  90. 90. Alguns valores de condutividade térmica ( em W/m.°K = J/m.s. °K)Diamante tipo IIa 2,3 x 103 SiO 2 1,4 SiC 4,9 x 102 concreto 9,3 x 10-1 Prata 4,29 x 102 vidro 9,5 x 10-1 Cobre 4,01 x 102 polietileno 3,8 x 10-1 Aluminio 2,37 x 102 teflon 2,25 x 10-1 Ferro 8,02 x 101 madeira 1,6 x 10-1 Al2O 3 3,5 x 101 Fibra de vidro 5 x 10-3
  91. 91. Materiais de elevada condutividadetérmica servem para transportar o calorgerado por componentes em serviço parafora do local onde é gerado, impedindo osuperaquecimento localizado. Materiais de baixa condutividade térmicasão utilizados para blindagem térmica defornos (confinamento de calor).
  92. 92. Blindagem térmicaA blindagem térmica de fornos (isolamento térmico) é feita comblocos (tijolos refratários) de cerâmica com elevada porosidadeou com mantas feitas de fibras cerâmicas, sendo que as fibrasdevem ficam ordenadas perpendicularmente à direção depropagação do calor. a) Blindagem térmica b) Blindagem térmica com tijolo porosos de com mantas de cerâmica cerâmica
  93. 93. Propriedades magnéticasSempre que uma carga elétrica encontra-se emmovimento gera-se um campo magnético. Um dosconceitos mais fundamentais em magnetismo é a idéia docampo magnético.Quando é gerado um campo magnético em um dadovolume do espaço: há uma variação da energia neste espaço (gradiente deenergia) que gera força magnética a força magnética se manifesta sobre uma cargaelétrica que esteja dentro deste campo. Esta força aceleraa carga elétrica.
  94. 94. +
  95. 95. Quando um condutor (p. ex. um fio metálico) encontra-se dentro do espaço onde existe o campo magnético, esteinduz uma corrente elétrica no condutor.De forma resumida:Cargas elétricas em movimento geram um campomagnético e, por outro lado, um campo magnético induzcorrente elétrica em condutores, ou seja, acelera cargaselétricas.
  96. 96. Magnetização Os átomos possuem momentos magnéticos (dipolosmagnéticos) devido ao movimento de rotação dos elétrons(momento orbital) e ao spin (grandeza magnética intrínseca aoelétron). Assim, os materiais interagem com campos magnéticos. Quando um material é submetido a um campo magnéticoexterno, pode sofrer uma magnetização, isto é, pode ocorrer oalinhamento dos dipolos magnéticos atômicos na mesma direçãodo campo magnético aplicado, verificando-se a seguinte relação: M = χ.Honde M é a magnetização, H o campo magnético externo aplicadoe χ é a susceptibilidade magnética.A magnetização é uma propriedade macroscópica que representaa soma dos momentos magnéticos dos átomos no material.
  97. 97. A susceptibilidade magnética χ é um parâmetro característico decada material e representa a resposta deste ao campo magnéticoaplicado.De acordo com o valor obtido para a susceptibilidade, pode-seclassificar os materiais em: - diamagnéticos, - paramagnéticos, - ferromagnéticos, - antiferromagnéticos e - ferrimagnéticos.
  98. 98. Os materiais diamagnéticos (χ < 0)Apresentam uma baixa magnetização quando submetidos aum campo magnético e em sentido contrário ao campoaplicado (antiparalelo).Essas substâncias não possuem dipolos magnéticosintrínsecos, ou seja, são constituídos de átomos ou íons quepossuem as camadas eletrônicas completas. Exemplos sãoos gases nobres, He, Ne, Ar, Kr, Xe e os sólidos que formamligação iônica, como NaCl, KBr, LiF e CaF2, cujos átomostrocam elétrons para completar suas camadas. Essesmateriais não apresentam dependência da magnetização coma temperatura ou com o campo aplicado.
  99. 99. Os materiais paramagnéticos (χ > 0)Possuem magnetização nula na ausência de camposmagnéticos externos, isto é, os momentos magnéticos dosátomos estão distribuídos aleatoriamente. No entanto, empresença de campo externo, produzem uma pequenamagnetização na mesma direção e sentido (paralela) do campoaplicado. Os principais materiais paramagnéticos são osmetais não magnéticos e os materiais que contêm átomos ouíons de elementos do grupo de transição do ferro, terras rarase dos actinídeos. Existe uma fraca dependência damagnetização em relação à temperatura nestes materiais.
  100. 100. Os materiais ferromagnéticos, antiferromagnéticos e ferro antiferro ferrimagnéticos têm característica semelhantes. Enquanto ferri nos ferromagnéticos os dipolos magnéticos (momentos magnéticos) tendem a se alinhar aos seus vizinhos, nos antiferromagnéticos e ferrimagnéticos os dipolos tendem a se alinhar no sentido contrário, conforme figura.a) ferromagnético b) antiferromagnético c) ferrimagnético
  101. 101. A magnetização diminui à medida que a temperatura aumenta até umOs materiais ferromagnéticos demonstram uma grandevalor de temperatura chamada temperatura crítica ou temperatura dedependência da magnetização com a temperatura. Na figura aCurie (Tc). A partir desta temperatura a magnetização é nula, o que Tcseguir é apresentada uma curva (genérica) da magnetizaçãodecorre do fato que a elevação da temperatura provoca umaem função da temperatura.distribuição aleatória dos dipolos magnéticos. Para temperaturasacima de Tc o material passa a ter um comportamento paramagnético. Magnetização M Tc Temperatura T
  102. 102. ! ! " # ! $! % ! & ( ! # !) # ! ** ! !
  103. 103. A variação da magnetização de um material em função docampo magnético externo aplicado (ver figura) denomina-securva de histerese magnética. M Mr H = - Hc H Hc
  104. 104. Em uma curva de histerese típica contata-se que com o aumentoda intensidade de campo magnético, a magnetização crescecontinuadamente até atingir um valor de saturação.A partir da curva de histerese pode-se determinar, por exemplo, amagnetização remanente Mr (magnetização que resta no materialquando o campo externo volta a ser nulo) e o campo coercivo Hc(campo necessário para remover a magnetização remanente domaterial).Pela análise da curva de histerese pode-se classificar os materiaisem materiais magnéticos moles (soft magnetic materials) emateriais magnéticos duros (ímãs permanentes ou hard magneticmaterials), dependendo do valor do campo coercivo a eleassociado.
  105. 105. M M Mr Mr - H = Hc- H = Hc H Ha) material magnético b) material magnético mole duro
  106. 106. As unidades físicas utilizadas em magnetismo:Para campo magnético: Tesla (T) e Gauss (G), sendo1T(Tesla)=10000 G (Gauss)Para campo coercivo usa se predominantemente o Oersted(Oe), sendo que 1 Tesla equivale a 6000 Oersted.Principais materiais magnéticos soft: Ferro puro, Fe + 3 a 4% de Si, Fe + 0,4 a 0,6%P Ferrites de Niquel e Manganês (ferrites soft) Ligas Fe-Ni-Co, etc.Principais materiais magnéticos Hard (ímãs): Alnico (liga a base de Alumínio Níquel e cobalto); Ferrites de Estrôncio e de Bário; Ligas SmCo5; Nd-Fe-B e Sm-Fe-N
  107. 107. RESISTÊNCIA À CORROSÃO Corrosão é o resultado destrutivo de reações químicas entre ometal ou ligas metálicas e o meio ambiente. Com exceção de poucos como o ouro, os metais são sempreencontrados na natureza na forma de compostos: óxidos,sulfetos, etc. Isto significa que tais compostos são as formas maisestáveis para os mesmos. A corrosão pode ser vista como nada mais do que a tendênciapara o retorno a um composto estável. Assim, por exemplo,quando uma peça de aço enferruja, o ferro, principal componente,está retornando à forma de óxido que é o composto original dominério.
  108. 108. PRINCIPAIS FORMAS DE CORROSÃO Corrosão ao ar ou oxidação Corrosão por ação direta Corrosão biológica Corrosão galvânica Corrosão Eletrolítica
  109. 109. 1) Corrosão ao ar ou oxidação Materiais que são utilizados em condições de trabalho onde ocorrem temperaturas elevadas necessitam resistência especial à oxidação. Na oxidação são desfeitas as ligações metálicas e formam-se ligações iônicas entre o átomo metálico e o oxigênio, ou seja, forma-se o óxido do metal, que é um composto (Ex.: Mn → MnO). A cinética do processo de oxidação cresce com a temperatura, isto é, quanto mais alta a temperatura, mais rapidamente o metal se oxida ao longo da sua seção.
  110. 110. Cinética da oxidação em temperatura elevada X = espessura da camada de óxidoX [µm] 30 material A 20 material B 10 material C 1 10 100 Tempo (horas) O material C forma uma camada estável e impermeável ao oxigênio, evitando a progressão da oxidação
  111. 111. 2) Corrosão por ação direta Podemos incluir neste item os casos em que ometal está diretamente em contato com substâncias queo atacam. É comum em processos industriais. Podemoscitar como exemplos: soluções químicas, sais ou outrosmetais fundidos, atmosferas agressivas em fornos, etc.A prevenção e controle são específicos para cada caso.3) Corrosão biológica Microorganismos também podem provocarcorrosão em metais. Isto é particularmente importanteem indústrias alimentícias e similares.
  112. 112. 4) Corrosão galvânica Quando - e dois materiais metálicos com diferentes potenciais estão em contato, imersos em um as reações Nestas condições, eletrólito, ocorre uma diferença de potencial entre estes causando serão: Cobre (catodo) Ferro ( anodo) uma transferência de carga elétrica de um+para o outro, - No catodo: O 4e- + 2H O 4OH 2 2 ocorrendo a corrosão galvânica. No anodo: 2Fe 2Fe++ + 4e- Assim, no anodo ocorre uma reação de oxidação (corrosão do material) eSolução aquosa com íons como no catodo, uma reação de redução. Na+, Cl- e oxigênio dissolvidos Célula galvânica
  113. 113. A corrosão galvânica, provavelmente, é o tipo maiscomum. Isto porque a corrosão devido à presençade água quase sempre se deve ao processogalvânico. Seja um metal exposto ao tempo e,portanto, sujeito à ação da umidade e da chuva ousubmerso ou, ainda, sob o solo. É o caso típico dereservatórios, tubulações, estruturas, etc.
  114. 114. 5. Corrosão Eletrolítica A corrosão eletrolítica acontece quando acorrente elétrica causadora da corrosão origina-se emfontes que não pertencem à estrutura que está secorroendo.Tubulações enterradas, como oleodutos, gasodutos,adutoras, minerodutos e cabos telefônicos, estãofreqüentemente sujeitos a esses casos devido àscorrentes elétricas de interferência que abandonam oseu circuito normal para fluir pelo solo ou pela água.
  115. 115. FIM DO CAPITULO
  116. 116. Camada de nitretos = 10µmTipo de fase: fase ε
  117. 117. X = espessura da camada de óxidoX [µm] 30 material A 20 material B 10 material C 1 10 100 Tempo (horas) Cinética da oxidação em temperatura elevada
  118. 118. M MrH = - Hc H Hc

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