O documento discute a estrutura da matéria em metais, incluindo ligação atômica, estrutura cristalina, alotropia, difusão e constituintes de aços. Explica como os átomos se organizam em metais e ligas metálicas a nível atômico e como propriedades como temperatura afetam essa estrutura.

1. Produção Mecânica III
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2. Produção Mecânica III
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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

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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

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Iônica ou Heteropolar: átomos dos elementos de valência facilmente liberam esses elétrons, tornando-se íons carregados positivamente;
Estrutura da Matéria

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Covalente ou Homopolar: um átomo compartilha seus elétrons com outros átomos adjacentes;
Estrutura da Matéria

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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

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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".

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Estrutura da Matéria
Água
Resumo

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Como isso se aplica aos materiais que nós conhecemos???

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Muito simples... Tudo que vemos acontecer, começa onde não vemos

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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.

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Líquido
Tranzição (L + S)
Sólido
Resfriando
Solidificação dos Metais

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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.

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NUCLEAÇÃO E CRESCIMENTO DE GRÃOS

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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

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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

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Estrutura Cristalina
CCC

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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

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Porção da rede Cristalina
Célula Unitária
Representação Esquemática
Estrutura Cristalina

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Estrutura Cristalina
CFC

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26. Produção Mecânica III
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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.

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Alotropia
Arranjo Atômico dos Carbono

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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

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Difusão: é a caminhada dos átomos na rede cristalina. Pode ser por:
 Inserção (fig. a);
 Substituição (fig. b).
Difusão

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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. Produção Mecânica III
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Difusão

32. Produção Mecânica III
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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:

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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

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35. Produção Mecânica III
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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. Produção Mecânica III
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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

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Efeitos dos Elementos de Liga

38. Produção Mecânica III
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Átomo de Carbono
ocupando um
interstício
na estrutura ccc do
Ferro
Estrutura Cristalina

39. Produção Mecânica III
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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. Produção Mecânica III
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41. Produção Mecânica III
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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. Produção Mecânica III
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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. 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. Produção Mecânica III
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47. Produção Mecânica III
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48. Produção Mecânica III
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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. Produção Mecânica III
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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. Produção Mecânica III
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