Metais Obtenção/processos de corrosão Prof. Marcelo J. D. M. Jannini 2012.

MetaisObtenção/processos de

corrosão

Prof. Marcelo J. D. M. Jannini

2012

INTRODUÇÃO

Ciência dos materiais faz parte do conhecimento básico para todas as engenharias

As propriedades dos materiais definem: o desempenho de um determinado

componente e o processo de fabricação do mesmo

Materiais

Propriedades dos Propriedades dos MateriaisMateriais

Composição e ProcessoComposição e Processode Fabricaçãode Fabricação

MicroestruturaMicroestrutura

EENNGGEENNHHAAR R I I AA

O número de materiais cresceu muito nas últimas décadas e a tendência é de se proliferarem mais num futuro próximo

Desenvolvimento e aperfeiçoamento dos métodos de extração de materiais da natureza

Modificação de materiais naturais Combinação de materiais conhecidos para a

formação de novos materiais

Entre 40000 e 80000 diferentes, contando as variantes

de tratamento térmico e composição

de cada material

QUANTOS MATERIAIS DIFERENTES EXISTEM ?

COMO ESCOLHER ??

Como definir qual o melhor material para um determinado fim?

Exemplo: Copo

VidroCerâmicaPlásticoMadeiraMetalPapel

Custo Tempo de vida ou

Durabilidade Aparência Finalidade: Natureza do

líquido (ex: copo de metal e papel não pode ser usado para café, suco de laranja não pode ser armazenado numa taça antiga de peltre porque remove o Pb da liga)

Depende

Quais os critérios que um engenheiro deve adotar

para selecionar um material entre tantos outros?

Em primeiro lugar, o engenheiro deve caracterizar quais as condições de operação que será submetido o referido material e levantar as propriedades requeridas para tal aplicação, saber como esses valores foram determinados e quais as limitações e restrições quanto ao uso dos mesmos.

A segunda consideração na escolha do material refere-se ao levantamento sobre o tipo de degradação que o material sofrerá em serviço.

Por exemplo, elevadas temperaturas e ambientes corrosivos diminuem consideravelmente a resistência mecânica de materiais em geral.



Finalmente, a consideração talvez mais convincente é provavelmente a econômica:

Qual o custo do produto acabado??? Um material pode reunir um conjunto ideal de propriedades, porém com custo elevadíssimo.



SELEÇÃO DOS MATERIAIS POR ÍNDICE DE MÉRITO

Ex. Resistência:

Material Aço-liga Ti Al PRFC

(alta resist.) (AA7074)

Resist. (MPa) 1000 800 50 700

à tração

PRFC= Polímero reforçado com fibra de carbono


Ex. Resistência/peso:


(AA7074)

133 170 185390


Ex. Custo Kg/US$:


(alta resist.) (AA7074)

0,75 15 3 20

INDÚSTRIA DE PONTA PRODUÇÃO EM MASSA

TIPOS DE INDÚSTRIA - INFLUÊNCIA DOS MATERIAIS

SELEÇÃO CUIDADOSA(FATOR CUSTO SECUNDÁRIO)

SELEÇÃO CUIDADOSA(FATOR CUSTO PRIMORDIAL)

• Grande exigência tecnológica

• Utilização dos mate-riais nos limites

• Produtos nãodiferenciados

• Utilização de materiais abaixo dos limites

Em raras ocasiões um material reúne uma combinação ideal de propriedades, ou seja, muitas vezes é necessário reduzir uma em benefício da outra.

Um exemplo clássico são resistência e ductilidade, geralmente um material de alta resistência apresenta ductilidade limitada. Este tipo de circunstância exige que se estabeleça um compromisso razoável entre duas ou mais propriedades.



CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS

A classificação tradicional dos materiais é geralmente baseada na estrutura atômica e química destes.

Materiais

Mecânica: deformação a uma carga ou força aplicada (módulo elástico e resistência mecânica)

Elétrica: condutividade e constante dielétrica. Estímulo: campo elétrico

Térmica: capacidade calorífica e condutividade térmica

Magnética: resposta de um material à aplicação de um campo magnético

Óptica: índice de refração de reflectividade. Estímulo: eletromagnético ou radiação da luz

Deteriorativa: reatividade química de materiais

Estímulo capaz de provocar diferentes

respostas

Por que estudar materiais?

Engenheiros: mecânicos, civis, químicos, elétricos, de computação, de produção

INVESTIGAÇÃO E PROJETOS DE MATERIAIS

Classificação dos Materiais

Metais Polímeros Cerâmicas

Compósitos: combinações de dois ou mais materiais diferentes

Semicondutores: características elétricas Biomateriais: biocompatíveis

Constituição química e estrutura atômica

Metais

Materiais metálicos: são combinações de elementos metálicos

Tem um grande número de elétrons não localizados – não “amarrados” aos átomos

São bons condutores de calor e eletricidade Não são transparentes à luz visível

(superfície de aparência lustrosa) São fortes, podem ser deformáveis ou não:

diversas aplicações

Metais


Cerâmicas Materiais cerâmicos são

geralmente uma combinação de elementos metálicos e não-metálicos.

Geralmente são óxidos, nitretos e carbetos. Materiais argilosos, vidros e cimentos

São geralmente isolantes de calor e eletricidade

São mais resistêntes à altas temperaturas e à ambientes severos que metais e polímeros

Com relação às propriedades mecânicas as cerâmicas são duras, porém frágeis

Em geral são leves

ALUMINA

OS MATERIAS CERÂMICOS NA TABELA PERIÓDICA

Os cerâmicos são constituídos de metais e não-metais


Polímeros Materiais poliméricos são geralmente compostos orgânicos baseados em carbono, hidrogênio e outros elementos não-metálicos.

São constituídos de moléculas muito grandes (macro-moléculas)

Tipicamente, esses materiais apresentam baixa densidade e podem ser extremamente flexíveis

Materiais poliméricos incluem plásticos e borrachas


Compósitos Materiais compósitos são

constituídos de mais de um tipo de material insolúveis entre si.

Os compósitos são “desenhados” para apresentarem a combinação das melhores características de cada material constituinte

Muitos dos recentes desenvolvimentos em materiais envolvem materiais compósitos

Um exemplo classico é o compósito de matriz polimérica com fibra de vidro. O material compósito apresenta a resistência da fibra de vidro associado a flexibilidade do polímero


Semicondutores

Materiais semicondutores apresentam propriedades elétricas que são intermediárias entre metais e isolantes

Além disso, as características elétricas são extremamente sensíveis à presença de pequenas quantidades de impurezas, cuja concentração pode ser controlada em pequenas regiões do material

Os semicondutores tornaram possível o advento do circuito integrado que revolucionou as indústrias de eletrônica e computadores

Ex: Si, Ge, GaAs, InSb, GaN, CdTe..

InP


Biomateriais Biomateriais são empregados em componentes para implantes de partes em seres humanos

Esses materiais não devem produzir substâncias tóxicas e devem ser compatíveis com o tecido humano (isto é, não deve causar rejeição).

Metais, cerâmicos, compósitos e polímeros podem ser usados como biomateriais.

EVOLUÇÃO DA UTLIZAÇÃO DOS MATERIAIS

MATERIAIS AVANÇADOS

São materiais utilizados em aplicações de tecnologia de ponta, ou seja, são materias utilizados para a fabricação de dispositivos ou componentes que funcionam ou operam usando princípios sofiscados

Exemplos destas aplicações incluem: equipamentos eletrônicos (VCRs, CD players, DVDs), computadores, sistemas de fibra óptica, foguetes e mísseis militares, detectores, lasers, displays de cristal líquido, indústria aeroespacial, etc.

Estes materiais são geralmente materiais tradicionais cujas propriedades são otimizadas ou materiais novos de alto desempenho.

ALGUMAS CONSIDERAÇÕES SOBRE A NECESSIDADE DE MATERIAIS MODERNOS

Materias que apresentem:- Alto desempenho- Baixo peso e alta resistência- Resistência à altas temperaturas- Desenvolvimento de materiais que sejam

menos danosos ao meio ambiente e mais fáceis de serem reciclados ou regenerados

MATERIAIS INTELIGENTES E NANOTECNOLOGIA

METAIS

Metais

São exemplos de alta resistência que podem ser encontrados livremente na natureza na forma de jazidas ou na apresentação de minério.

Sobre minérios: espécies de compostos químicos que em sua constituição apresentam íons metálicos estruturais.

Ex: Minério de ferro. (Fe3O4, Fe2O3)

Características

Tendência à doar elétrons – implica em serem encontrados na forma de minérios.

Metalurgia é a seqüência de processos que visa obter um metal a partir do minério correspondente.

M+n

Metal no Minério

REDUÇÃOMº

Metal na forma simples

Representação Esquemática

Extração da mina Purificação do Minério

ReduçãoPurificação do Metal

Metalurgia

Redução do Ferro

3 Fe2O3 + CO 2 Fe3O4 + CO2

Fe3O4 + CO 3 FeO + CO2

FeO + CO Fe + CO2

Processos podem ocorrer naturalmente, mas às vezes há uma grande quantidade de energia envolvida para obtenção do ferro metálico. (?????)

Oxidação/Redução – conceitos importantes

Na redução há uma tendência de que o elemento (íon) envolvido ganhe elétrons.

Na oxidação há uma tendência de que o elemento (íon) envolvido perca esse elétron.

Por esse motivo alguns metais tendem a se desgastar primeiro do que outros.

Metal de Sacrifício

São metais disposto ao longo da estrutura metálica majoritária, que não participam da constituição química da liga metálica principal, e que tendem a serem oxidados antes do metal principal.

Os metais de sacrifício podem ser reconhecidos por seus potenciais de redução ou oxidação.

Metais de sacrifício

Galvanização

Proteção do ferro (ou o aço), processo no qual a superfície do metal é coberta por uma camada de zinco metálico.

A peça a ser galvanizada é mergulhada num banho de zinco fundido. Isso é fácil porque o zinco funde a 420C.

A superfície coberta com zinco fica com aspecto cinza-claro Por que o zinco protege o ferro? Esse metal, como o alumínio, tem uma

película muito fina, transparente e impermeável de óxido de zinco que não deixa nem o ar nem a água passarem.

Outra vantagem: no caso de a superfície do zinco ser arranhada e o ferro exposto ao ar e à umidade, não há problema porque o zinco é oxidado preferencialmente, e o ferro permanece na forma de metal.

O zinco transforma-se em íons de zinco positivos. Os elétrons que saem dessa transformação passam para o ferro. Assim, o ferro fica protegido porque, carregado negativamente, dificulta a oxidação (perda de elétrons dos átomos). A galvanização é um processo mais caro que a pintura, mas mais eficiente.

Galvanização

Metais de Sacrifício

Processo semelhante é muito usado para proteger os cascos de navios e as estacas das plataformas de petróleo, feitas de aço.

O casco do navio e as estacas das plataformas não são galvanizadas. São colocados blocos de magnésio metálico, que fazem o mesmo papel do zinco. O magnésio em contato com a água do mar sofre oxidação e liberta elétrons que protegem o aço.

O magnésio é chamado metal de sacrifício porque precisa ser trocado de tempos em tempos

Processamento Térmico de Metais

Recozimento Material é exposto a uma temperatura

elevada durante um período de tempo e resfriado lentamente

Aliviar as tensões do material, tornar mais mole e tenaz, produzir microestrutura específica

Temperado Amolecer e aumentar a ductibilidade

Corrosão

Formas de Corrosão

Aço

Basicamente uma liga ferro-carbono com teor de carbono inferior a 1,8% em massa e susceptível de adquirir, por meio de tratamento mecânico e térmico, variadas propriedades, podendo conter em sua composição outros elementos como níquel, manganês, tungstênio, vanádio, cromo, silício, etc.

Aço- História

Um dos primitivos métodos de obtenção do aço foi o a forja catalã, onde o minério de ferro era reduzido pelo carvão em uma instalação de pedra onde incidia um sopro de ar – obtenção de uma mistura pastosa com metal e impurezas.

A partir do século XV surgiram os primeiros altos-fornos, onde através do aumento da quantidade de ar soprado foi possível o aumento da temperatura e a conseqüente obtenção da mistura em estado líquido.

Forja Catalã

Conceitos importantes sobre o aço

Minério de ferro: presente em aproximadamente 5% da crosta terrestre. O ferro não é encontrado em estado puro na natureza mas em combinações químicas de metais contidos nas rochas. Essas combinações químicas ocorrem misturadas com as “gangas”, compostas de silício, alumínio, cal e magnésio.

Principais Constituintes: magnetita (Fe3O4) com cerca de 60% de ferro; hematita vermelha (Fe2O3) com cerca de 65% de ferro; ferro oolítico; siderita ou ferro espático (FeCO3) com alto teor de manganês; FeS2.

Coque: desempenha uma dupla função na elaboração da gusa: a de combustível e a de redutor.

Origem: provém da destilação do carvão, que deve ser o mais puro possível para evitar resíduos como enxofre e fósforo. Como redutor absorve o oxigênio combinado com outros elementos.

Carvão livre de S minimiza as emissões de gases que na atmosfera podem se combinar formando a chuva ácida.

Ganga: Impurezas que ocorrem junto com o minério de ferro em estado bruto, compostas principalmente de silício, alumínio, cal e magnésio.

Fundente: pedra de cal ou magnésio adicionada a massa incandescente para separar o ferro da ganga. O fundente combinado com a ganga dá a escória

Gusa: é a parte útil para a produção do aço, composta basicamente de ferro fundido com carbono entre 2,5% a 6,67%.

Aço de alto teor de carbono: pouco utilizado por causa da sua grande fragilidade. Ferro + 1,8% a 2,5% de carbono.

Ferro puro ou ferro da Suécia: Ferro + pequenos traços de carbono.

FerroFerro PrimárioPrimário

Fontes de FerroFontes de Ferro

5mm<Pelotas<18mm5mm<Pelotas<18mm 5mm<Sinter<50mm 5mm<Sinter<50mm 6mm< Minério <40mmgranulado

6mm< Minério <40mmgranulado

Em detalhe Em detalhe

Detalhes do processoDetalhes do processo

Típica Bateria de coqueificação Típica Bateria de coqueificação

Coque incandescente

pronto para ser descarregado

Coque incandescente

pronto para ser descarregado

CoqueriaCoqueria

Efeito dos Elementos de Liga nos Aços

Alterar as propriedades mecânicas Aumentar a usinabilidade Aumentar a temperabilidade Conferir dureza a quente Aumentar a capacidade de corte Conferir resistência à corrosão Conferir resistência ao desgaste Conferir resistência a oxidação Modificar as características elétricas e magnéticas.

Dopantes do Aço

Níquel: de 0,5% a 5% melhora a temperabilidade e aumenta a resistência mecânica. Com 50% aumenta a resistência à corrosão.

Cromo: de 1% a 6% aumenta a temperabilidade e resistência mecânica. De 10% a 20% torna-o inoxidável. Com 25% torna o aço refratário.

Silício: até 2% aumenta a elasticidade e diminui as

perdas magnéticas. Manganês: a 13% aumenta a resistência ao impacto

e ao desgaste. Tungstênio: até 18% favorece a resistência.

Ligas Não Ferrosas

Ligas: misturas sólidas de metais – suprir necessidades específicas

Propriedades das ligas: afetadas pela composição e pela estrutura

Algumas ligas: composições homogêneas de uma única fase: latão (Cu-Zn), bronze (Cu-Sn, Al, Si, Ni), alumínio (Mg, Ti- transportes), (Li-aeronáutica, aeroespacial)

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