24/10/2015
Materiais de Construção
Metais
José Carlos G. Mocito
email:[email protected]
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Materias de Construção
Metais
Os átomos se encontram coesos pela ligação metálica.
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Propriedades
Mecânicas
Resistência à rotura
Deformabilidade
Tenacidade
Dureza
Soldabilidade
Térmicas
Elevada condutividade térmica
Coeficiente de dilatação
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Propriedades
Eléctricas
Elevada condutividade eléctrica
Resistividade, que aumenta com a temperatura
Ópticas
Reflectividade
Químicas
Corrosão
Oxidação
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Divisão dos metais
Metais ferrosos
Aço
Ferro Fundido
Metais Não ferrosos
Elevada densidade p> 5g.cm-3 (Cu, Ni, Zu, Pb)
Baixa densidade p< 5g.cm-3 (Al, Ti)
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Diagrama Tensão/Deformação
Diagrama Tensão/Deformação caraterístico dos metais
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Modo de obtenção
Mineração
- Colheita
Céu Aberto
Subterrânea
A ferro
A Fogo
- Concentração
> Processos mecânicos
Trituração
Classificação
Levigação
Flotação
> Processos químicos
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Estrutura Cristalina
Materias de Construção
Os metais têm estrutura cristalina; a forma regular dos
cristais permite uma maior energia de ligação entre os
átomos.
Estrutura Cúbica de Faces Centradas
Alumínio
Cobre
Ouro
Chumbo
Ferro (a temperaturas elevadas)
Estrutura Cúbica de Corpo Centrado
Sódio
Titânio
Ferro
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Estrutura Cristalina
Estrutura Hexagonal
Magnésio
Zinco
Zircónio
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Estrutura
Metais simples - têm átomos de apenas 1 elemento
ex. Cobre, ferro, Alumínio.
Metais impuros (ligas) - geralmente de elementos com
raios atómicos idênticos e com tendência semelhante
para ceder e receber electrões. ex. Latão 70% de Cu e
30% de Zn.
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Estrutura
A tecnologia moderna não usa metais em estado puro e
sim metais novos que não existem na natureza.
Acrescentando-se um pouco de sal de cozinha a um copo
de água verifica-se a dissolução do sal com a água. Os
metais fundidos podem se dissolver e se misturar depois
de solidificados formando novos materiais de
características diferentes. Isso é realizado porque em
geral os metais puros não reúnem todas as qualidades
necessárias .
O latão, chamado de liga Muntz é muito resistente à
tracção e acção corrosiva da água salgada, sendo por
isso empregada na fabricação de partes de embarcações.
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Materias de Construção
Estrutura
Grão - núcleo de cristais com rede cristalina de
orientação bem definida.
Zona de fronteira - que separa os grãos e onde a
densidade de átomos é menor dada as diferentes
orientações. Têm por isso mais energia disponível
participando facilmente nas reacções. O tamanho do grão
é importante nas propriedades de um metal porque
influencia a área de fronteira de acordo com a sua
superfície específica.
Ferrite (0.006% C)
Ferrite + Perlite (0.25% C)
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Diagramas de Equilíbrio
Liga Chumbo-Antimónio (O Antimónio é responsável
por endurecer o chumbo e expandi-lo após ser arrefecido. Esta
propriedade torna-o muito útil pois na liga de chumbo o
Antimónio permite dar um melhor acabamento aos objetos. A
aplicação da liga é em finas peças moldadas, como por exemplo,
em ligas para sinos.
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Diagramas de Equilíbrio
Materias de Construção
Liga Chumbo-Antimónio
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Diagramas de Equilíbrio
Diagrama de Equilíbrio característico de uma liga
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Diagramas de Equilíbrio
Liga Chumbo-Antimónio
Cálculo das percentagens de elementos líquidos e sólidos (ponto A)
% Pb líquido = b / a + b = 0.3 / 0.2 + 0.3 = 0.6 = 60%
% Sb sólido = sa / a + b = 0.2 / 0.2 + 0.3 = 0.4 = 40%
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Deformação
Deformação elástica - O Módulo de Young dos metais é
geralmente elevado, descendo com a temperatura. O
ferro a 900 oC é uma excepção.
Deformação plástica - Os metais têm deformação
plástica ou seja a deformação no plano do cristal,
introduzindo deformações pelo deslocamento dos
átomos, criando zonas de tensão e compressão
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Processamento
A maioria dos metais é processada inicialmente por
fundição, sendo químicamente refinados, enquanto
fundidos, para remover as impurezas. Após a fundição o
metal é vazado no interior de um molde onde solidificará.
Posteriormente os metais podem ser processados
através de deformação induzida por trabalho mecânico
designada por formação (processamento mecânico).
Neste caso a forma é permanentemente modificada.
Inicialmente pode-se utilizar uma temperatura muito alta,
já que neste caso, o material é mais macio e mais dúctil.
A essas temperaturas é necessário menos energia para a
deformação e a hipótese de fractura é menor.
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Processamento
Materias de Construção
Os processos mais comuns de formação mecânica a quente,
também designados de técnicas primárias, são:
Laminagem
Forjamento: molde ou matelamento
Extrusão
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Materias de Construção
Processamento
Após as etapas de deformação primária, é
frequentemente desejável continuar o processo à
temperatura ambiente. Nesta altura do processamento as
dimensões já são menores e por isso, as forças e energia
necessárias são mais reduzidas. Evitam-se assim os custos
de instalação e operação de fornos e de consumo de
combustível. Também porque a maioria dos metais oxida-se
rapidamente a altas temperaturas, sendo mais vantajoso
operar a baixas temperaturas. O controle dimensional
também é mais exacto.
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Processamento
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Os processos mais comuns de deformação a frio (também
designados de técnicas secundárias) são:
Trefilagem
Rotação
Embutimento ou Estampagem
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Processamento
O acto do processamento mecânico por rotação
designa-se geralmente por maquinação e é o método mais
usado de remoção de metal. É um processo que combina o
corte com a deformação mecânica. A lamina que executa a
maquinação recebe o nome de freza.
A maquinação pode ser executado através de:
• Torno
• Perfuradora
• Frezadora
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Materias de Construção
Processamento Térmico
Por vezes os metais necessitam de um processamento
térmico posterior às técnicas primárias, que pode ter os
seguintes objectivos:
- Libertação de tensões introduzidas por
. processamento mecânico por desvio do plano dos
átomos
. processamento térmico dado que no arrefecimento
podem coexistir partes líquidas e partes sólidas.
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Processamento Térmico
- Homogeneização, nomeadamente da sua estrutura
cristalina; pode haver diferenças significativas na
distribuição dos cristais criando-se zonas mais densas que
outras. Também uniformizar e diminuir o tamanho dos
grãos.
- Modificação da dureza.
Os processos mais comuns são o recozimento e a
recristalização
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Processamento Térmico
Recozimento - Processo pelo qual o material sofre um
aquecimento prolongado e é lentamente arrefecido (ao
contrário da têmpera). As vantagens obtidas variam de
material para material. O vidro, quando recozido e
arrefecido lentamente, não modifica a dureza e reduz a
possibilidade de quebra posterior pela remoção das
tensões residuais, evitando a fractura térmica. O bronze,
depois de trabalhado a frio, se for recozido ficará mais
macio. No ferro fundido, após recozimento, aumenta-se a
ductilidade.
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Materias de Construção
Processamento Térmico
Recristalização - É um processo de recozimento, mas a
uma temperatura determinada, que varia consoante o
material, pretendendo-se uma elevação da temperatura que
permita nova nucleação e/ou crescimento de novos cristais.
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Materias de Construção
Processamento Térmico
Homogeneização (Saturação)
Um produto uniforme é desejável na maioria dos casos.
Uma maior uniformidade da composição do produto é
conseguida através de tratamentos térmicos apropriados. A
homogeneização obtém-se submetendo os metais fundidos
a temperatura tão alta quanto possível (considerávelmente
superior à da recristalização), mas menor que a da fusão e
daquela que possa provocar excessivo
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Materias de Construção
Endurecimento
Endurecimento
A necessidade de tornar os metais mais fortes, a fim de
poderem resistir aos esforços que lhe são exigidos, levou à
criação de técnicas que permitissem o seu endurecimento.
Já vimos que o endurecimento pode ser obtido através
de processos térmicos. Vamos ver agora 2 outros
processos.
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Materias de Construção
Endurecimento
Encruamento - a deformação plástica conduz ao
aparecimento de deslocações em cunha na estrutura dos
metais. Se estas forem muito numerosas, interaccionam
entre si, requerendo uma maior tensão para que se
desloquem. Aumentam, portanto, a resistência de um metal.
Os metais são deformados plásticamente a frio,
introduzindo-se tensões, aumentando-se a dureza e a
resistência, reduzindo-se a ductibilidade.
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Materias de Construção
Endurecimento
O segundo modo de endurecer os metais é através de
solução sólida (liga), que é também mais forte que um
metal puro. Esse é um dos motivos porque se utiliza o
latão, solução sólida de zinco e cobre, em trabalhos que
requerem ligas fortes.
O endurecimento deve-se ao facto de um átomo
estranho de maior ou menor raio, implicar uma maior
densidade e maior área, requerendo maior energia.
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Corrosão
Os metais encontram-se na Natureza na forma de
óxidos, carbonatos e sulfatos. Têm tendência para
passarem à forma em que se encontravam.
Estados de reacção à Corrosão:
• Passivação: estado em que os potenciais se
equilibram diminuindo a intensidade da corrente;
• Corrosão: estado em que o metal se corrói.
• Imunidade: metais potencialmente muito negativos ou
muito positivos.
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Formas de Corrosão
Materias de Construção
• Oxidação: Combinando-se com moléculas de oxigénio.
• Corrosão electroquímica: Originando-se uma
galvanização (ex. Zinco -1V e Cobre +0.1V).
• Cloratos: aumentam o potencial eléctrico dos metais
• Ácidos: Dióxido de enxofre na presença da água
transforma-se em ácido sulfúrico.
• Alcalinos: Carbonatação, ácido carbónico.
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Formas de Corrosão
OXIDAÇÃO
É uma reacção catódica (consome electrões). A ferrugem é uma forma hidratada não solúvel na água, em que o ferro é o Ânodo. É necessária presença abundante de oxigénio.
CORROSÃO ELECTROQUÍMICA
Ocorre quando existem células galvânicas na presença de um electrólito.
• De composição: ex. aço galvanizado, ligas bifásicas (martensite‐>ferrite+perlite)(Latão‐aço).
• De tensão: ex. grãos, zonas deformadas, impurezas.
• De concentração: Em eléctrólitos pouco concentrados, Arejamento diferencial (pouco oxigénio).
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Fatores que podem aumentar a Corrosão
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•
•
•
Defeitos de superfície
Soldaduras
Humidade
Humidade salina
Formas das peças: cantos, ângulos, reentrâncias.
Esforços residuais, fadiga, vibração
Têmpera
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Proteção de metais
Os metais necessitam, na sua generalidade, de
protecção adequada nas suas superfícies, como forma de
os proteger das várias acções a que podem estar sujeitos.
As técnicas mais utilizadas relacionam-se com a
aplicação de um revestimento.:
• Imersão - com a aderência de um metal fundido;
• Deposição electrolítica - também designada de
galvanização, é executada através da constituição de
uma pilha, em que a superfície a proteger é carregada
negativamente e o electrólito contém um sal do metal
protector.
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Proteção de metais
Materias de Construção
• Projecção - feita com pistolas que projectam um metal
no estado líquido ou em pó.
• Pintura - aplicando-se tintas ou vernizes
• Calorização - por aplicação de um metal com baixo
ponto de fusão.
• Laminagem – com adesão de uma lâmina de um outro
metal por via mecânica.
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Proteção de metais
Materias de Construção
• Evitando pares galvânicos: Um só metal, película
superficial passiva (Aço inox)
• Introduzindo protecção galvânica: Metal menos nobre,
Tensão aplicada ao metal (electrões extras são
fornecidos criando-se um cátodo).
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Proteção de metais
Série Catódica (Extremidade nobre)
Ouro
Aço Inox
Níquel
Bronze
Cobre
Latão
Estanho
Chumbo
Aço
Ferro fundido
Cádmio
Zinco
Alumínio
Magnésio
Série Anódica (Extremidade activa)
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Preparação das superfícies
As superfícies necessitam previamente de ser
preparadas, por forma a remover as impurezas
indesejáveis, nomeadamente os óxidos que se possam ter
formado.
As formas mais comuns são:
• Via mecânica - por projecção de areia ou de partículas
metálicas (grenalha), desbaste (em profundidade) ou
polimento (na superfície).
• Via química - decapagem por imersão, projecção ou
aplicação de pasta.
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