Aula 2 estrutura cristalina

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Aula 2 estrutura cristalina

  1. 1. Produção Mecânica III 1 Profº Villardo Profº :Villardo E-Mail: prof.rvillardo@gmail.com
  2. 2. Produção Mecânica III 2 Profº Villardo ESTRUTURA DA MATÉRIA Toda matéria é constituída de moléculas e átomos, sendo que este é considerado como unidade fundamental do material metálico. Estrutura da Matéria
  3. 3. Produção Mecânica III 3 Profº Villardo LIGAÇÕES ATÔMICAS Nos fluidos os átomos localizam-se ao acaso, livremente. Nos sólidos eles são mantidos juntos por forças interatômicas e cada elemento é constituído somente de átomos do mesmo tamanho. Veja, a seguir, as principais ligações: Estrutura da Matéria
  4. 4. Produção Mecânica III 4 Profº Villardo Iônica ou Heteropolar: átomos dos elementos de valência facilmente liberam esses elétrons, tornando-se íons carregados positivamente; Estrutura da Matéria
  5. 5. Produção Mecânica III 5 Profº Villardo Covalente ou Homopolar: um átomo compartilha seus elétrons com outros átomos adjacentes; Estrutura da Matéria
  6. 6. Produção Mecânica III 6 Profº Villardo LIGAÇÕES ATÔMICAS (Cont.) Metálica: os elétrons são compartilhados por vários átomos. Assim admite-se que o átomo encontra-se constantemente no estado de perder, ganhar e dividir elétrons-valência com os átomos adjacentes. Nota: Nossos estudos serão centrados nesta ligação. Estrutura da Matéria
  7. 7. Produção Mecânica III 7 Profº Villardo Estrutura da Matéria Ligação Metálica: É a ligação química que ocorre nos METAIS e nas LIGAS METÁLICAS. Devido os metais apresentarem baixa energia de ionização e alta eletropositividade, possuem grande facilidade em perder elétrons da sua camada de valência, formando cátions. Na Ligação Metálica temos uma quantidade muito grande destes cátions envolvidos por uma quantidade enorme de elétrons livres. Dizemos que os cátions estão envolvidos por um "MAR DE ELÉTRONS".
  8. 8. Produção Mecânica III 8 Profº Villardo Estrutura da Matéria Água Resumo
  9. 9. Produção Mecânica III 9 Profº Villardo
  10. 10. Produção Mecânica III 10 Profº Villardo Como isso se aplica aos materiais que nós conhecemos???
  11. 11. Produção Mecânica III 11 Profº Villardo Muito simples... Tudo que vemos acontecer, começa onde não vemos
  12. 12. Produção Mecânica III 12 Profº Villardo NUCLEAÇÃO E CRESCIMENTO DE GRÃOS A estrutura cristalina dos metais presente no estado sólido deixa de existir no estado líquido. A solidificação dos metais se dá de duas maneiras, são elas:  Amórfica;  Cristalina.
  13. 13. Produção Mecânica III 13 Profº Villardo Líquido Tranzição (L + S) Sólido Resfriando Solidificação dos Metais
  14. 14. Produção Mecânica III 14 Profº Villardo NUCLEAÇÃO E CRESCIMENTO DE GRÃOS Quando um metal no estado líquido sofre resfriamento lento e contínuo, os átomos do mesmo, que neste estado não estão ordenados, começam, abaixo da temperatura de solidificação, a novamente se ordenarem a partir de núcleos. Com a diminuição da temperatura, os núcleos formados crescem surgindo também novos núcleos. As partículas sólidas originadas nos núcleos são denominadas grãos.
  15. 15. Produção Mecânica III 15 Profº Villardo NUCLEAÇÃO E CRESCIMENTO DE GRÃOS
  16. 16. Produção Mecânica III 16 Profº Villardo
  17. 17. Produção Mecânica III 17 Profº Villardo
  18. 18. Produção Mecânica III 18 Profº Villardo
  19. 19. Produção Mecânica III 19 Profº Villardo PRINCÍPIOS DE METALURGIA GERAL Os metais no estado sólido apresentam estrutura cristalina, formada a partir da reprodução de uma disposição típica de átomos (célula unitária). Na temperatura ambiente os átomos ocupam as suas posições determinadas pela célula unitária e se mantém vibrando em torno destas posições de equilíbrio. Com o aumento da temperatura as vibrações aumentam até que ocorre a quebra das ligações metálicas. São dois os arranjos atômicos de ordenação dos metais: Estrutura Cristalina
  20. 20. Produção Mecânica III 20 Profº Villardo Sistema cristalino cúbico de corpo centrado (CCC) O cubo tem oito átomos dispostos nos vértices e um no centro. Exemplos de Metais CCC: ferro à temperatura ambiente, o titânio a alta temperatura e o cromo em qualquer temperatura. Estrutura Cristalina
  21. 21. Produção Mecânica III 21 Profº Villardo Estrutura Cristalina CCC
  22. 22. Produção Mecânica III 22 Profº Villardo Sistema cristalino cúbico de face centrada (CFC) O cubo tem oito átomos dispostos nos vértices e seis átomos dispostos no centro das faces. Exemplo de metais CFC: níquel, alumínio e cobre. Estrutura Cristalina
  23. 23. Produção Mecânica III 23 Profº Villardo Porção da rede Cristalina Célula Unitária Representação Esquemática Estrutura Cristalina
  24. 24. Produção Mecânica III 24 Profº Villardo Estrutura Cristalina CFC
  25. 25. Produção Mecânica III 25 Profº Villardo
  26. 26. Produção Mecânica III 26 Profº Villardo ALOTROPIA É a propriedade que certos metais apresentam de possuírem reticulados cristalinos conforme a variação da temperatura. Alotropia do Ferro Puro É a mudança (rearranjo) na estrutura cristalina decorrente de aquecimento ou resfriamento.
  27. 27. Produção Mecânica III 27 Profº Villardo Alotropia Arranjo Atômico dos Carbono
  28. 28. Produção Mecânica III 28 Profº Villardo Alotropia ºC t(seg) ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~~~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ 1535º 1390º 912º Ferro Fundido (Líquido) CCC δ CFC γ CCC α 770°C Pto de Curie O Fe deixa de ser Magnético Resfriamento Aquecimento
  29. 29. Produção Mecânica III 29 Profº Villardo Difusão: é a caminhada dos átomos na rede cristalina. Pode ser por:  Inserção (fig. a);  Substituição (fig. b). Difusão
  30. 30. Produção Mecânica III 30 Profº Villardo Aumentando-se a temperatura de um metal ou liga metálica, no estado sólido, ocorrerá uma maior vibração dos átomos em torno da sua posição de equilíbrio. Cada átomo, ao vibrar, pode se deslocar de sua posição inicial trocando inclusive a posição com outro átomo. A movimentação atômica no estado sólido é um fenômeno denominado difusão, sendo esta tanto maior quanto maior a temperatura. Difusão
  31. 31. Produção Mecânica III 31 Profº Villardo Difusão
  32. 32. Produção Mecânica III 32 Profº Villardo Difusão 1ª) Deve haver espaço livre adjacente; 2ª) O átomo deve possuir energia suficiente para quebrar as ligações químicas e causar uma distorção no reticulado cristalino. Mas observe: Para ocorrer a movimentação atômica são necessárias 2 condições:
  33. 33. Produção Mecânica III 33 Profº Villardo Difusão 460 2155 – 2540 CCC 2600 Molibdênio 240 808 – 884 CCC 1530 Ferro- 293 900 – 1200 CFC 1452 Níquel 196 700 – 990 CFC 1083 Cobre 165 400 – 610 CFC 660 Alumínio 91,6 240 – 418 HC 419 Zinco Energia de Ativação (kJ/mol) T estudadas (oC) Estrutura cristalina T de fusão (oC) Metal
  34. 34. Produção Mecânica III 34 Profº Villardo
  35. 35. Produção Mecânica III 35 Profº Villardo Influência do Carbono A solubilidade do Carbono na rede cristalina do ferro cresce com a temperatura e sofre um aumento repentino na transformação   , porque os espaços interatômicas aumentam com a recristalização. Se a capacidade de dissolução da rede do ferro for ultrapassada formam-se os carbonetos (Fe3C) chamados de CEMENTITA. Efeitos dos Elementos de Liga
  36. 36. Produção Mecânica III 36 Profº Villardo A estrutura cristalina, rede, de um metal puro é, teoricamente, uniforme em todas as direções. À medida que existam impurezas num metal puro, a estrutura cristalina passa a formar uma solução sólida, que poderá ser: Substitucional: formada por átomos de natureza diferente porém com dimensões semelhantes aos átomos do metal puro. Estes vão deslocar os átomos de metal puro de seus lugares originais substituindo- os Intersticial: Formada por átomos de natureza e dimensões diferentes do metal puro. Por exemplo: átomos de carbono, oxigênio e hidrogênio ocupam posições intersticiais aos átomos da rede de ferro. Efeitos dos Elementos de Liga
  37. 37. Produção Mecânica III 37 Profº Villardo Efeitos dos Elementos de Liga
  38. 38. Produção Mecânica III 38 Profº Villardo Átomo de Carbono ocupando um interstício na estrutura ccc do Ferro Estrutura Cristalina
  39. 39. Produção Mecânica III 39 Profº Villardo As distorções geradas pela introdução de átomos de natureza diferente dificulta o deslocamento dos átomos tornando o metal mais resistente. Este mecanismo, explica o aumento de resistência dos aços pela adição de elementos de liga. Efeitos dos Elementos de Liga
  40. 40. Produção Mecânica III 40 Profº Villardo
  41. 41. Produção Mecânica III 41 Profº Villardo Austenita  Solução sólida de carbono no ferro , estável acima de 723º; não magnético. Ferrita  Ferro no estado , contendo, em solução, traços de carbono; excelente resistência ao choque e elevado alongamento. Constituintes dos Aços
  42. 42. Produção Mecânica III 42 Profº Villardo Cementita  Carboneto de ferro; dureza elevada nos aços de alto % de carbono. Perlita  É a mistura mecânica de 12% ferrita e 88% Cementita, em forma de laminas finas. Constituintes dos Aços
  43. 43. Produção Mecânica III Diagrama de Equilíbrio Fe-C (Fe-Fe3C) Aço 0,77 2,11 4,3 1535 723° ºC %C 9120 Liquidus 6,7 Solidus Zona de Transição (ZT) Líq. + Sól. (ZT) Líq. + Sól. 1130° Ferro Fundido (Fofo) Eutético A1 1390° CCC Fase δ CFC Fase γ CCC Fase α Hipereutetóide Hipoeutetóide Eutetóide Perlita P + Fe3C F(α) + P Austenita (γ) Ferrita Hipereutético Hipoeutético
  44. 44. Produção Mecânica III 44 Profº Villardo
  45. 45. Produção Mecânica III 45 Profº Villardo
  46. 46. Produção Mecânica III 46 Profº Villardo
  47. 47. Produção Mecânica III 47 Profº Villardo
  48. 48. Produção Mecânica III 48 Profº Villardo Variações Rápidas da Temperatura Ao contrário do que ocorre nas variações lentas de temperatura, o carbono não tem tempo suficiente para a total difusão, é onde ocorre, para um aço eutetoide, a formação da martensita, em lugar da perlita. Altera completamente as linhas de transformações. Constituintes dos Aços
  49. 49. Produção Mecânica III 49 Profº Villardo 1. LANCASTER, J.F., Metallurgy of Welding, George Allen & Unwin, Londres, 1987, pp.12, 20-52. 2. CHRIESTENSEN, N. et al. "Distribution of temperature in arc welding", British WeldingJournal, 12, 1965, pp. 54-74. 3. STOUT R.D., DOTY, W.D’O. Weldability of Steels. Welding Research Council, NovaIorque, 1978, 399p. 4. UDIN, H. et al., Welding for Engineers, John Wiley & Sons, Nova York, 1954, pp. 112-135. 5. WELLS, A.A. "Heat flow in welding", Welding Jounal, Maio 1952, pp. 263s-267s. 6. ADAMS JR, C.M. "Cooling rates and peak temperatures in fusion welding", Welding Journal, Maio 1958, pp. 210s-215s. 7. GRONG, O. Metallurgical Modelling of Welding, The Institute of Materials, Londres,1997, cap. 1. 8. LONDOÑO, A.J.R. Precipitação de fases intermetálicas e de austenita secundária na ZACde soldagens multipasse de aços inoxidáveis duplex, Tese de Doutorado, Poli-USP, Outubro de 2001, 241p. 9. KOU, S., LEE, Y. "Three-dimensional heat flow and solidification during autogenous GTAwelding of aluminum plates, Metall. Trans. A, 16A, 1983, pp. 2245-2253. 10. BLODGETT, O.W. "Calculating cooling rates by computer programming", WeldingJournal, 63, 3, 1984, pp. 19-34. 11. SHARIR, Y. et al. "Computation of temperatures in thin thantalum sheet welding", Metall. Trans. B, 11B, 1980, pp. 258-265. Metalurgia da Soldagem -3.29 12. PERDIGÃO, S.C. "Ciclos térmicos de soldagem", Metalurgia ABM, 38, 295, 1982, pp. 349-353. 13. PHILLIPS, R.H. "In-situ determination of transformation in the weld heat affected zone",Welding Journal, 62, 1, 1983, pp. 12s-18s. 14. AMERICAN WELDING SOCIETY, Welding Handbook, vol. 1, 8ª Ed., AWS, Miami,1987, pp. 66- 87. 15. IRSID, Soudalité des Aciers an C-Mn et Microallies, Relatório final, jun. 1976, pp. 9-10. 16. OKUMURA, T., TANIGUCHI, C., Engenharia de Soldagem e Aplicações, LTC, Rio deJaneiro, 1982, pp. 67-70. 17. SAKIRO, Y., HORIKAWA, K., KAMURA, H. “Welding Heat Input Limit of RolledSteels for Building Structures based on Simulated HAZ Tests” Transactions of theJWRI 30(1), 2001, p. 127- 134. 18. BHADESHIA, H.K.D.H., “Reliability of weld microstructure and properties calculations”, Welding Journal, Setembro de 2004, p. 237s-243s. Referências Bibliográficas
  50. 50. Produção Mecânica III 50 Profº Villardo

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