O documento resume as principais propriedades e classificações de bioligas metálicas e não metálicas, incluindo aços de baixo, médio e alto carbono, aços inoxidáveis, ferros fundidos, ligas de cobre, alumínio, magnésio, titânio e metais refratários. Explica como a composição química afeta as propriedades mecânicas e aplicações de cada liga.

1. BIOMATERIAIS E BIOMECÂNICA TQ-064 Universidade Federal do Paraná Setor de Tecnologia Depto de Engenharia Química Prof. Dr. Mário José Dallavalli

2. METAIS E SUAS LIGAS Propriedades básicas Fortes e podem ser moldados Dúcteis (deformam antes de quebrar) Superfície “metálica” Bons condutores de corrente elétrica

3. Ligas Metálicas Alta Resistência, Baixa liga Tratável termicamente Baixo carbono Médio carbono Alto carbono Alta Liga Baixa Liga Ferros Fundidos Aços Ferro Cinzento Ferro Dúctil Ferro Branco Ferro Maleável Carbono Carbono Carbono Ferramenta Inox Ferrosas Não Ferrosas

4. Aços Aços são ligas Fe-C que podem conter outros elementos. Propriedades mecânicas dependem da %C. %C < 0.25% => baixo carbono 0.25% < %C < 0.60% => médio carbono 0.60% < %C < 1.4% => alto carbono Aços carbono Baixíssima concentração de outros elementos. Aços liga Outros elementos em concentração apreciável.

5. Aços Baixo Carbono Aços Carbono Microestrutura de ferrita e perlita Macios e pouco resistentes, muito dúcteis e tenazes Insensíveis a tratamentos térmicos Custo mais baixo de produção Usos em painéis de carros, tubos, pregos, arame... Alta resistência, baixa liga (HSLA) Contém outros elementos tais como Cu, Va, Ni e Mo Mais resistentes e mais resistentes à corrosão Aceitam tratamentos térmicos Usos em estruturas para baixas temperaturas, chassis de caminhões, vagões...

6. Aços Médio Carbono Aços Carbono Utilizados na forma de martensita (fase extremamente dura mas frágil) temperada (tratamento térmico para aumentar tenacidade da martensita). Usos em facas, martelos, talhadeiras, serras de metal... Tratáveis termicamente A presença de impurezas aumenta a resposta a tratamentos térmicos. Se tornam mais resistentes mas menos dúcteis e tenazes. Usos em molas, pistões, engrenagens...

7. Aços Alto Carbono Aços Carbono e Ferramenta Extremamente duros e fortes, pouco dúcteis. Resistentes ao desgaste e mantém o fio. Se combinam com Cr, V e W para formar carbetos (Cr23C6,V4C3 e WC) que são extremamente duros e resistentes. Usos em moldes, facas, lâminas de barbear, molas...

8. Aços Inox Estrutura e Propriedades Impureza predominante - Cr > 11wt% Pode incluir Ni e Mo Tres classes em função da microestrutura martensítico => tratável termicamente, magnético ferrítico => não tratável termicamente, magnético austenítico => mais resistente à corrosão, não magnético Resistentes a corrosão a temperaturas de até 1000ºC.

9. Comparação de Propriedades Liga Tipo Lim.Resist. Ductilidade (#AISI) (MPa) (%EL) 1010 Baixo C, plano 180 28 A656 HSLA 552 21 1040 Médio C, plano 780 33 4063 Trat. Term. 2380 24 409 Inox  448 25 304 Inox  586 55 410 Inox mart. 483 30 440A Inox mart. 1790 5

10. Classificação das ligas ferrosas com base no teor de C Ferro : contém menos de 0.008%p de C. Composto exclusivamente pela ferrita Aços : de 0.008 a 2.14%p de C. Sua microestrutura consiste de fase a e de Fe3C Aços inoxidáveis: altamente resistentes a corroção. A liga contém uma alta concentração de cromo além de niquel e molibdênio. Exemplos: aço 409 (componentes automotivos): 0.8 de C + 11 Cr + 0.5 Ni + 0.75 Ti (em %p) aço 304 (proc. de alimentos e vasos criogênicos): 0.08 de C + 19 Cr + 9 Ni + 2Mn Ferros fundidos comerciais : contém de 2.14 a 4.5%p de Carbono As ligas dentro dessa faixa de composiçào fundem a 1150 – 1300 oC, sendo derretidos com facilidade nas fundições. Exemplos de ferros fundidos : SAE G2500: 3.2-3.5 de C+ 2.2 de Si+ 0.8 Mn. Matriz: ferrita + perlita (fab.de pistões) ASTM A56: 3.5-3.8 de C+ 2-2.8 de Si+ 0.05 Mg. Matriz: perlita (valvulas e bombas) 3510: 2.3-2.7 de C+ 1.0-1.75 de Si+ 0.5 Mn. Matriz: ferrita (engenharia de altas T )

11. Ligas não-ferrosas Porque ? Apesar da diversidade de propriedades das ligas ferrosas, facilidade de produção e baixo custo, elas ainda apresentam limitações: Alta densidade, baixa condutividade elétrica, corrosão. Diversidade Existem ligas de uma enorme variedade de metais. Nós vamos descrever algumas apenas Cobre, Alumínio, Magnésio, Titânio, refratários, super-ligas, metais preciosos.

12. Ligas não-ferrosas Ligas de cobre Cobre puro é extremamente macio, dúctil e deformável a frio. Resistente à corrosão. Ligas não são tratáveis termicamente. A melhora das propriedades mecânicas deve ser obtida por trabalho a frio ou solução sólida. As ligas mais comuns são os latões, com Zn, com propriedades que dependem da concentração de Zn, em função das fases formadas e suas estruturas cristalinas (vide Callister sec.12.7) Os bronzes incluem Sn, Al, Si e Ni. Mas fortes do que os latões. Novas ligas com Be possuem um conjunto de propriedades excepcionais (vide Callister sec.12.7).

13. Ligas não-ferrosas Ligas de Alumínio Alumínio é pouco denso (2.7g/cm 3 , 1/3 da densidade de aço), ótimo condutor de temperatura e eletricidade, resistente à corrosão. Possue alta ductilidade em função de sua estrutura cfc. A maior limitação é a baixa temperatura de fusão (660°C). A resistência mecânica pode ser aumentada através de ligas com Cu, Mg, Si, Mn e Zn. Novas ligas com Mg e Ti tem aplicação na indústria automobilística, reduzindo o consumo a partir de redução do peso. De 1976 a 1986 o peso médio dos automóveis caiu cerca de 16% devido à redução de 29% do uso de aços, ao aumento de 63% no uso de ligas de Al e de 33% no uso de polímeros e compósitos.

14. Ligas não-ferrosas Ligas de magnésio O Mg é o menos denso de todos os metais estruturais (1.7 g/cm 3 ). Muito utilizado em aviação. Estrutura hc, com baixo módulo de Young (45 x 10 3 MPa), baixo ponto de fusão (651°C). Ligas de titânio O Ti é pouco denso (4.5 g/cm 3 ), tem alto módulo de Young (107 x 10 3 MPa) e alto ponto de fusão (1668°C). Ligas de titânio são muito resistentes com limites de resistência de até 1400 MPa. Muito reativo, dificultando e encarecendo a produção.

15. Ligas não-ferrosas Metais refratários Nb, Mo, W, Ta. Altíssimo ponto de fusão (de 2468°C a 3410°C). Ligações atômicas extremamente fortes, alto módulo de Young, resistência e dureza. Usados em filamentos de lâmpadas, cadinhos, eletrodos de soldagem, etc... Super-ligas Ligas de Co, Ni ou Fe com Nb, Mo, W, Ta, Cr e Ti. Usados em turbinas de avião. Resistem a atmosferas oxidantes a altas temperaturas.

16. Fim Ate a próxima aula