CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA DE SANTA CATARINA
UNIDADE DE ENSINO DE FLORIANÓPOLIS
DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE METAL MECÂNICA - DAMM
Introdução a tecnologia
dos materiais
ProIn I
Prof. Henrique Cezar Pavanati, Dr. Eng
E-mail: [email protected]
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Introdução a tecnologia dos materiais
Objetivos da disciplina:
1) Proporcionar ao aluno uma idéia inicial da
importância dos materiais para o desenvolvimento
da Ciência e Tecnologia
2) Introduzir uma série de conceitos básicos
relacionados à estrutura, propriedades e aplicação
dos Materiais
3) Conhecer os principais Materiais, suas
propriedades e aplicações visando a especificação
de materiais
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Bases tecnológicas:
1)
2)
3)
4)
5)
6)
7)
8)
3
Introdução
Processos de obtenção de ligas metálicas ferrosas
Ligas metálicas ferrosas
Diagrams de equilíbrio
Curvas TTT
Tratamentos térmicos
Ensaios Mecânicos
Metalografia
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Importância dos materiais para o desenvolvimento da
humanidade
 Os materiais têm influenciado decisivamente o
desenvolvimento da humanidade deste o início de
sua existência.
 Há um elo muito forte entre a descoberta de
materiais e o desenvolvimento da cultura humana.
Grandes avanços tecnológicos estão sempre
associados a descoberta de materiais.
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Evolução dos materiais:
•
Da origem até 7 mil atrás  materiais
ossos, peles de animais, etc)
•
Há cerca de 7 mil anos  iniciou-se o domínio da fabricação de
utensílios domésticos com argilas (materiais cerâmicos primitivos)
•
Cerca de 6 a 7 mil anos  os primeiros utensílios a partir de metais
e ligas (arado, a carroça, as embarcações a vela, espadas, facas, etc.
•
No início da era cristã o homem conhecia apenas sete metais (cobre,
prata, chumbo, estanho, ferro, mercúrio, ouro) e algumas ligas como
bronze e ligas de chumbo + estanho. Hoje conhecemos e utilizamos
milhares de ligas metálicas distintas
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naturais (madeira, pedras,
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Elementos
químicos
presentes
na crosta
terrestre
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Tradicionalmente os materiais podem ser classificados
em 4 grupos básicos:
Cerâmicos
Compósitos
Metálicos
Poliméricos
Embalagem Tetra Pak
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Metálicos
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1- Materiais Metálicos
 São materiais inorgânicos formados por elementos
metálicos da tabela periódica.
 A ligação química que predomina nos metais é do
tipo metálica.
 Em decorrência do tipo de ligação química, os
metais possuem:
 elevada condutividade elétrica e térmica e,
 plasticidade a frio  capacidade de sofrer deformação
permanente (ou plástica) sem se romper.
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metal puro  apenas um elemento químico com ligação
química do tipo metálica entre os átomos.
Ex: Al, Cu, Fe, W, Ni, Co, Sn, Zn, Au, Ag, ...
liga metálica  formada por mais de um elemento químico.
Ex: bronze (Cu + Sn), latão (Cu + Zn), duralumínio
(Al + 4,5%Cu + 0,5Mg), aço ao carbono (Fe + C),
aço liga (Fe + C + outros elementos), etc.
Na liga metálica temos:
 matriz  o elemento químico presente em maior quantidade
 elemento de liga  o elemento presente em menor quantidade
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Cerâmicos
ALUMINA
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2- Materiais Cerâmicos
 São materiais inorgânicos nos quais predominam as
ligações químicas do tipo iônica ou covalente.
 Em decorrência do tipo de ligação química, os
materiais cerâmicos:
• não conduzem eletricidade e conduzem muito mal
o calor;
• são frágeis e não suportam deformação plástica
(não possuem plasticidade)
• são duros e resistentes à corrosão e ao calor .
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Tipos de materiais cerâmicos:
 compostos simples (óxidos, carbonetos, nitretos,
boretos, etc.)  ligação iônica
 Compostos mistos (óxidos mistos, carbonetos e
nitretos mistos, carbonitretos, etc. )  ligação iônica
 Diamante  ligação covalente
 Vidros cerâmicos  ligação iônica
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Exemplos de materiais cerâmicos
a) pisos, azulejos, louça, vasos sanitários, telhas,
tijolos:
 materiais cerâmicos utilizados na construção civil e como
utensílios;
 apresentam elevada dureza mas são frágeis.
 são fabricados a partir de pós como argilas e rochas
moídas.
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b) Cerâmica fina (fine ceramics) ou avançada (advanced
ceramics) ou ainda, cerâmica de engenharia (engineering
ceramics);
Exemplos: Alumina (Al2O3), Óxido de Zircônio (ZrO2),
Nitreto de Silício (Si3N4), Carbeto de Silício (SiC), Nitreto
de Alumínio (AlN) e outros
 possível utilizar na engenharia como componentes especiais
de máquinas e motores que necessitam de elevada
resistência ao desgaste e ao calor;
 apresentam maior dureza e resistem mais ao impacto do que
as cerâmicas de construção civil;
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c) Filmes ou camadas cerâmicas depositadas
sobre substratos metálicos
 nitretos e/ou carbetos são gerados, também, em
superfícies de algumas peças metálicas nos
tratamentos termoquímicos visando o endurecimento
superficial, para aumentar a resistência ao desgaste e
diminuir o coeficiente de atrito das peças.
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Camada de nitreto
Liga Fe +
3%Ni,
sinterizada e
nitretada por
plasma
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Agullhas de
nitreto
precipitada na
ferrita
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Poliméricos
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3 - Polímeros (ou plásticos).
A palavra polímero origina-se do grego poli (muitos) e
mero (unidade de repetição).
Assim, um polímero é uma macromolécula composta
por muitas unidades de repetição (dezenas de milhares)
denominadas meros, ligados por ligação covalente.
Polímero =
26
muitos meros ligados em
cadeia por ligação covalente
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Exemplos
1) Polietileno (PE)  obtido pela polimerização do etileno
mero
n
H
H
H
H
H
H
C
C
C
C
C
C
C
H
H
H
H
H
H
H
H
H
C
H
etileno
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polietileno
n
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2) PVC (PolyVinil Chloride)  Formado pela
polimerização do cloreto de vinila (vinilclorida)
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H
H
H
H
H
H
H
H
C
C
C
C
C
C
C
C
H
Cl
H
Cl
H
Cl
H
Cl
n
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Os polímeros são formados predominantemente por átomos
de C e H. No entanto, podem, além do C e H, conter outros
elementos químicos como: N, O, Si, F, S, Cl.
O → polímeros acrílicos
N → nylons
S → borrachas vulcanizadas
Si → silicones
F → polímeros fluorados (ex.: PTFE- Teflon)
Cl → polímeros clorados (ex.:PVC, PVDC)
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Em função de serem produtos moleculares, os polímeros:
 são isolantes elétricos e maus condutores térmicos;
 possuem elevada resistência à corrosão e baixa
densidade;
 sua resistência mecânica é menor que a dos metais e das
cerâmicas;
 possuem baixa temperatura de processamento
(tipicamente entre 200 a 400 0C) ;
 possuem ampla possibilidade de formulação (misturar
pigmentos e cargas de partículas e fibras, formando
compósitos, etc.)
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Os polímeros podem ser naturais ou sintéticos

Exemplos de materiais poliméricos naturais:
madeira, cabelo, peles, cifres de animais, etc.

Exemplos de materiais poliméricos sintéticos:
polietileno, polipropileno, nylon, acrílico, teflon,
polyester, PVC, etc.
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Compósitos
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4 - Materiais compósitos:
Os materiais compósitos ou conjugados são obtidos pela
junção ou reunião de materiais quimicamente distintos e
não solúveis entre si.
Assim, podem ser formados por:
 misturas de componentes de grupos básicos
distintos; ou
 misturas de componentes do mesmo grupo básico
mas insolúveis entre si.
A mistura é feita para obter uma combinação particular de
propriedades, não encontrada em apenas um grupo
básico de materiais, visando uma aplicação específica.
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Matriz +
10 m
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Partículas
{
partículas dispersas ou
fibras dispersas
10 m
Fibras descontínuas
10 m
Fibras contínuas
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Exemplos de compósitos e aplicações
1) Metal duro (hard metals, cemented carbides).
Carbeto (WC, TiC, TaC, NbC) + metal (Co, Ni)
2) Pastilhas de freios e de embreagens sinterizadas: mistura de
uma fase metálica (Bronze ou aço) + uma fase lubrificante
(Grafite ou sulfetos) + uma fase dura que confere o coeficiente
de atrito (SiO2, Al2O3, etc.);
3) Contactores elétricos sinterizados(W + Cu, CdO + Ag, etc.);
4) Polímeros reforçados com fibras (pranchas de surfing,
carrocerias de buggy, aros de bicicletas de competição, etc).
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MATERIAIS COMPÓSITOS
Fibra de carbono
Fibra de carbono
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Matriz
polimérica
Metal Duro – “widia”
Carboneto de
Tungstênio
Cobalto
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Competição entre materiais
Ref.: Prof. Arlindo Silva do Instituto Superior Técnico da Universidade de Portugal
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Estrutura interna dos materiais
Modelo atômico de Bohr
Núcleo  prótons + nêutrons
Eletrosfera  formada pelos elétrons
Átomo neutro  tem o número de prótons igual ao
número de elétrons.
Íon  Quando o número de prótons e elétrons não
coincide. Logo, o íon tem carga resultante.
íon positivo  cátion
íon negativo  ânion
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Modelo atômico de Bohr
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Modelo aceito atualmente
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FÊMEA
MACHO
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O que são as Ligações Químicas?
São forças (de natureza elétrica) que mantêm os átomos ou os
íons unidos no material.
Existem ligações primárias e ligações secundárias.
Ligações primárias  são ligações fortes (elevada energia de
ligação): iônica, metálica, covalente.
Ligações secundárias  são ligações fracas que ocorrem entre
moléculas, chamadas normalmente de forças de Van der Waals.
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Ligação iônica
Exemplo1 : NaCl
Sódio (Na)  11 elétrons: 1s2, 2s2 2p6, 3s1. Como tem apenas 1 elétron
na última camada este é facilmente cedido a outro átomo.
Cloro (Cl)  17 elétrons: 1s2, 2s2 2p6, 3s2 3p5. Recebe facilmente um
elétron.
-
-
-
-
-
-
-
-
+ 11
-
-
+ 17
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-
-
-
-
-
-
-
-
-
Na
-
-
-
-
Cl
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Introdução a tecnologia dos materiais
Exemplos:
Sódio (Na)  11 elétrons: 1s2, 2s2 2p6, 3s1
Como tem
apenas 1 elétron na última camada este é facilmente cedido a
outro átomo  Se entregar, vira o íon Na+ )
Cloro (Cl)  17 elétrons: 1s2, 2s2 2p6, 3s2 3p5
Recebe
facilmente um elétron  se receber 1 elétron torna-se Cl-
Na + Cl quando são aproximados muito
reagem formando o NaCl (Cloreto de sódio)
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-
+
-
+
-
+
+
-
-
+
-
+
Composto NaCl
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-
+
-
Na+
Cl ¯
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Ligação Metálica.
-
-
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+
+
+
+
-
- + - +
- - - +
+
- - - + - +
-+
+
-
- +
- - + - - - + - - + -
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Introdução a tecnologia dos materiais
Ligação Covalente.
Os elétrons de valência são
compartilhados, isto é,
formam um par eletrônico
que pertence ao mesmo
tempo á dois átomos
vizinhos.
O par de elétrons
compartilhados mantém os
átomos fortemente ligados.
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C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
b) Representação tridimensional
de Ligação covalente
47
a) Representação bidimensional
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Energia de Ligação.
Quando se forma uma ligação entre átomos, é
liberada energia ao meio ambiente.
Quando se desfaz (rompe) a ligação, é absorvida
energia do meio ambiente.
A distância entre átomos ou íons ligados
(comprimento de ligação) depende do tipo de
ligação e da energia de ligação.
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Forças de Ligações Secundárias.
São ligações físicas fracas que ocorrem entre as moléculas.
Embora exista tipos cujos mecanismos envolvidos sejam
distintos, são todas agrupas pela denominação de "Forças de
Van der Waals".
Tipos de ligações secundárias:
Moléculas Polares.
Moléculas em que os centros das cargas
negativas e positivas não coincidem, tais
como NH3, CH3Cl e H2O. A energia é,
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normalmente, menor que 5 kJ/mol.
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Exemplo de ligação de van der Walls entre 2 dipolos
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Arranjos Atômicos
Estruturas Moleculares
Estruturas Cristalinas
Estruturas Amorfas
C
Metano (CH4)
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Água (H20)
Diamante (C)
Grafita (C)
Vidros (SiO2, C...)
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Estrutura cristalina do Ferro
Polimorfismo do Ferro
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Estrutura cristalina do Ferro
Ferro alfa/delta (Fe- e Fe-) – Cúbico de CORPO
centrado (CCC)
1 átomo inteiro
Célula unitária
1/8 de átomo
Numa célula unitária temos: 1 atomo + 8(1/8) = 2 átomos
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Estrutura cristalina do Ferro
Ferro gama (Fe-) – Cúbico de FACE centrada (CFC)
1/2 átomo
Célula unitária
1/8 de átomo
Numa célula unitária temos: 6(1/2) átomo + 8(1/8) = 4 átomos
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Introdução a tecnologia dos materiais
Estrutura cristalina do Ferro - Nomenclatura
Ferro alfa ou delta
Fe -  ou Fe - 
Ferro (CCC)
FERRITA
Ferro gama
Fe - 
Ferro (CFC)
AUSTENITA
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Introdução a tecnologia dos materiais
Defeitos da rede cristalina
Contornos
de grão
ASM Handbook Vol 9 (2004)
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Defeitos da rede cristalina
Vazios
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Defeitos da rede cristalina
Átomo
intersticial
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Estrutura real do ferro
Defeitos da rede cristalina
Discordâncias
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Introdução a tecnologia dos materiais
Há dois tipos de soluções sólidas:
solvente
soluto
a) Solução sólida substitucional
 os átomos dos elementos
químicos minoritários (do
elemento de liga) ocupam
posições regulares da rede
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cristalina do elemento
b) Solução sólida intersticial
 os elementos em solução
ocupam os interstícios da
rede cristalina do elemento
majoritário
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Distorções causadas por soluções sólidas:
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b) Distorção da rede cristalina
por átomos em solução sólida:
átomo maior (amarelo) e átomo
menor (vermelho)
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Propriedades mecânicas
1. Resistência Mecânica;
2. Elasticidade;
3. Ductilidade (Plasticidade);
4. Dureza;
5. Resiliência;
6. Tenacidade.
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Propriedades tecnológicas
1. Usinabilidade
2. Conformabilidade
3. Temperabilidade
4. Soldabilidade
5. Sinterabilidade
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