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ProduçãoMecânicaIII
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Profº Villardo
Profº :Villardo
E-Mail: prof.rvillardo@gmail.com
ProduçãoMecânicaIII
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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
ProduçãoMecânicaIII
3
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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
ProduçãoMecânicaIII
4
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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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5
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Covalente ou Homopolar: um átomo
compartilha seus elétrons com outros
átomos adjacentes;
Estrutura da Matéria
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6
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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
ProduçãoMecânicaIII
7
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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".
ProduçãoMecânicaIII
8
Profº Villardo
Estrutura da Matéria
Água
Resumo
ProduçãoMecânicaIII
9
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ProduçãoMecânicaIII
10
Profº Villardo
Como isso se aplica aos
materiais que nós
conhecemos???
ProduçãoMecânicaIII
11
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Muito simples...
Tudo que vemos
acontecer, começa
onde não vemos
ProduçãoMecânicaIII
12
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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.
ProduçãoMecânicaIII
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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 GRÃOSNUCLEAÇÃO 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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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
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Difusão
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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
4602155 – 2540CCC2600Molibdênio
240808 – 884CCC1530Ferro-
293900 – 1200CFC1452Níquel
196700 – 990CFC1083Cobre
165400 – 610CFC660Alumínio
91,6240 – 418HC419Zinco
Energia de
Ativação
(kJ/mol)‫‏‬
T estudadas
(oC)‫‏‬
Estrutura
cristalina
T
de fusão
(oC)‫‏‬
Metal
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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
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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
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Átomo de Carbono
ocupando um
interstício
na estrutura ccc do
Ferro
Estrutura Cristalina
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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
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ProduçãoMecânicaIII
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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
ProduçãoMecânicaIII
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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
ProduçãoMecânicaIII 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
HipereutetóideHipoeutetóide
Eutetóide
Perlita
P + Fe3C
F(α) + P
Austenita (γ)
Ferrita
HipereutéticoHipoeutético
ProduçãoMecânicaIII
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ProduçãoMecânicaIII
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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
ProduçãoMecânicaIII
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
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