acad
CIÊNCIA DOS MATERIAIS Alexandre Jesus
PETROBRÁS
Alexandre Jesus - Concurso PETROBRÁS
CAPÍTULO 1: ESTRUTURA CRISTALINA:
1.
MATERIAIS CRISTALINOS:
Materiais cristalinos sólidos podem ser classificados de acordo com a regularidade com que os átomos e os íons são arranjados.
O material cristalino é aquele que em que os átomos estão situados em arranjo regular e repetitivo.
Abaixo se encontra a estrutura cúbica de face centrado:
As ordens atômicas em sólidos cristalinos indicam que os grupos de átomos possuem um ordenamento repetitivo. Tais estruturas são chamadas de células cristalinas.
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CAPÍTULO 1: ESTRUTURA CRISTALINA:
1.
MATERIAIS CRISTALINOS:
Materiais cristalinos sólidos podem ser classificados de acordo com a regularidade com que os átomos e os íons são arranjados.
O material cristalino é aquele que em que os átomos estão situados em arranjo regular e repetitivo.
Abaixo se encontra a estrutura cúbica de face centrado:
As ordens atômicas em sólidos cristalinos indicam que os grupos de átomos possuem um ordenamento repetitivo. Tais estruturas são chamadas de células cristalinas.
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ESTRUTURA CRISTALINA NOS METAIS:
Existem 3 estruturas cristalinas comuns nos metais: o o o
Estrutura cúbica de face centrada Estrutura cúbica de corpo centrado Estrutura hexagonal compacta
a) Definição do fator de empacotamento
O fator de empacotamento é definido pela razão do volume dos átomos na célula unitária, pelo volume total da célula unitária.
b) Calculo do parâmetro de rede:
1) Estrutura Cúbica de face centrada:
Para tal estrutura, o parâmetro de rede (a) em função do raio atômico é dado por:
2√ 2√ 2
Todavia podemos escrever tal formula de outra maneira:
4√ 2 2) Estrutura cúbica de corpo centrado:
Para a estrutura cúbica de corpo centrado, o parâmetro de rede (a), em função do raio atômico será dado por:
4√ 3 2
Alexandre Jesus - Concurso PETROBRÁS EXEMPLO 3.1:
Calcule o volume de uma célula cúbica de face centrada com raio atómico R.
SOLUÇÃO:
Primeiramente temos que desenhar a célula unitária do cúbico de face centrada. Ele terá um átomo central que “gruda” nos átomos das pontas
Através de trigonometria obtemos que:
+ 4 →
2 √ 2
Sabemos que o volume da célula unitária é dado pelo volume ao cubo:
2 √ 2 → 16 √ 2
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Alexandre Jesus - Concurso PETROBRÁS EXEMPLO 3.2.
Mostre que o fator de empacotamento para estrutura cúbica de face centrada é 0,74.
SOLUÇÃO:
Primeiramente devemos rever a definição de fator de empacotamento:
Temos que para estrutura cúbica de face centrada tem 4 átomos de célula unitária portanto:
443 → 163
Já o volume da célula unitária será:
2 16 → 8 → 2√ 2 → 16 √ 2 16 2√ 283 → 3 √ 12→ 0,74
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DENSIDADE DA ESTRUTURA CRISTALINA:
Para a estrutura cristalina metálica temos que a densidade é dada por:
Onde: o o o o
n = número de átomos associado com cada unidade da célula A = peso atômico Vc = volume total da célula unitária NA = número de avrogrado (6,022 (10) 23 átomos/mols)
EXEMPLO 3.3
Densidade média cristalina do cobre:
o
O cobre possui raio atômico de 0,128 nm, uma estrutura cúbica de face centrada e um peso atômico de 63,5 g/mol. Compute a densidade teórica e comparece com a densidade real.
SOLUÇÃO:
Devemos apenas substituir as equações:
→ 16 √ 2 4 16 á√ 263, 5 → 8,89
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POLIMORFISMO E ALOTROPIA:
Quando um mesmo metal tem várias formas com diferentes estruturas cristalina, dizermos que estamos lidando com o polimorfismo.
Todavia, quando esse elemento está no estado sólido, temos a chamada alotropia.
5.
SISTEMAS CRISTALINAS:
Por causa das diferentes estruturas cristalinas, muitas vezes dividimos elas em grupos. As células geométricas, por sua vez, possuem 3 ângulos que as definem: α, β, γ
(a) Estrutura Cubica:
Na estrutura cúbica as 3 relações axial não iguais (a=b=c). Além disso os 3 ângulos interaxiais são iguais:
(b)
Na estrutura Hexagonal temos que dois parâmetros axiais são iguais e um terceiro é diferente (a = b ≠ c). Além disso temos que dois dos ângulos interaxiais são iguais e um terceiro é diferente ( α = β = 90 ; γ = 120)
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(c) Tetragonal:
Na estrutura Hexagonal temos que dois parâmetros axiais são iguais e um terceiro é diferente (a = b ≠ c ). Além disso temos que os três ângulos interaxiais são iguais (α = β = γ= 90).
(d) Estrutura Romboédrica:
Na estrutura Romboédrica temos que os três parâmetros axiais são iguais (a = b =c). Além disso temos que os três ângulos interaxiais são diferentes (α ≠ β ≠ γ ≠ 90).
(e) Estrutura Ortorrômbica:
Na estrutura ortorrômbica temos que os três parâmetros axiais são um diferente do outro (a ≠ b ≠ c). Além disso temos que os 3 ângulos interaxiais são aguais (α = β = γ= 90).
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(f) Estrutura Monoclínica:
A estrutura monoclínica possui os 3 parâmetros axiais um diferente do outro (a ≠ b ≠ c). Além disso temos que os 2 ângulos interaxiais são iguais a 90 e um deles é diferente (α =γ=90≠β ).
(g) Ângulo tr ic líni co :
A estrutura triclínica possui os 3 parâmetros axiais um diferente do outro (a ≠ b ≠ c). Além disso temos que os 3 ângulos triaxias são diferentes entre si e diferentes de 90.
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VERIFICANDO ENTENDIMENTO:
1) Responda as perguntas abaixo sobre os diferentes tipos de célula untaria cristalina:
a)
Quais as estruturas que possuem as 3 relações interaxiais iguais? As estruturas cubicas e romboédricas possuem as 3 relações interaxiais iguais (a=b=c)
b) Quais as estruturas que possuem os 3 ângulos int eraxiais iguais a 90? As estruturas cubicas, tetragonal e Ortorrômbica possuem os 3 ângulos interaxiais iguais a 90 (α = β = γ = 90)
c)
Como são os ângulos interaxiais da estrutura Hexagonal? A estrutura hexagonal possui os ângulos α = β =90. Já o ângulo γ é igual a 120 (γ=120)
d) Como são os ângulos interaxiais da estrutura Romboédrica? Os ângulos interaxiais da estrutura Romboédrica α, β e γ são diferentes de 90, mas são iguais entre si. (α = β = γ ≠ 90)
e) Quais são as estruturas que os 3 ângulos interaxiais (são diferentes entre si e diferentes de 90? (α ≠ β ≠ γ ≠ 90)?
Trata-se da estrutura triclínica.
f)
Quais são as estruturas que as 3 relações interaxiais diferentes entres si (a ≠ b ≠ c)?
As estruturas ortorrômbica, triclínica e monoclínica possuem (a ≠ b ≠ c).
g)
Quais as estruturas que possuem 2 relações interaxiais iguais (a = b) e uma terceira (c), diferente? As estruturas hexagonal e tetragonal possuem tal configuração.
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PONTOS, DIREÇÕES E PLANOS CRISTALOGRÁFICOS:
(a) Pontos cristalográficos:
Pontos cristalográficos são descritos como as coordenadas unitárias de qualquer ponto de uma estrutura cristalográfica. Para melhor entendimento veja os problemas abaixo:
EXEMPLO 3.4:
Para a célula unitária abaixo, mostre um desenho (após cálculos) do ponto que possui coordenadas ¼ 1 1/2 .
SOLUÇÃO:
Primeiramente temos que ¼ 1 ½ representam, respectivamente, as frações do eixo x, y e z preenchidas pelo ponto. Em tal descrição 1, representa a totalidade do eixo, enquanto que 0, representa a origem. Portanto temos que a coordenada x será dada por:
14 0,48 → 12
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SOLUÇÃO:
Já a coordenada de y será dada por:
10,46 → 0,46
E a coordenada z será obtida da mesma maneira:
12 0,40 → 0,20
Portanto, teremos o seguinte sistema:
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Alexandre Jesus - Concurso PETROBRÁS EXEMPLO 3.5:
Especifique as coordenadas para todos os átomos da estrutura cúbica de corpo centrado:
SOLUÇÃO:
Primeiramente devemos desenhar o cubo:
Após isso obtemos a seguinte tabela
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DIREÇÕES CRSITALOGRÁFICAS:
A direção cristalográfica é definida como a linha entre dois pontos ou um vetor. Os passos a seguir são obtidos para determinar os 3 índices direcionais: 1) Um vetor de comprimento conveniente é posicionado na origem. 2) O vetor é projetado nos 3 eixos 3) O comprimento característico unitário é multiplicado pelo fator comum. O fator comum será a fração do comprimento maior que cada unidade representa.
1̅, 1 , 1̅
Devemos observar que cada direção negativa é representada com um traço acima como desta maneir a → * ]. Como exemplos de direções cristalográficas podemos ter a seguinte figura:
É muito importante lembrar que pontos cristalográficos são dados sem nenhum caractere de ênfase, Já as direções cristalográficas são dadas entre barras → *x y z+. Os planos cristalinos; por sua vez, são dados entre parênteses → (x y z).
8.
PLANOS CRISTALOGRÁFICOS:
As orientações dos planos cristalográficos são feitas de maneira similar. Primeiramente pegamos a origem como referência. Depois, encontramos os pontos onde os eixos são interceptados e colocamos entre parênteses da seguinte maneira (x y z).
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Devemos saber que os índices de müller são utilizados para indicar os planos e as direções cristalinas.
9.
DENSIDADE LINEAR E PLANAR:
A densidade linear (LD) é definida como o número de átomos por unidade de comprimento no qual o centro passa no vetor de direção cristalográfica específica:
Agora vamos ver um exemplo de estrutura cúbica de face centrada. Nesse caso teremos o seguinte desenho representando a direção cristalográfica [1 1 0]:
Neste caso; portanto, temos apenas dois átomos para direção linear [1 0 0 ] Além disso temos que a distância do vetor unitário será dada por 4R. Portanto teremos:
1 2 → 4 2 14
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De maneira análoga, a densidade planar (PD) é dada pelo número de átomos por unidade de área nos quais estão centralizados em um plano cristalográfico particular. Portanto, podemos ter:
Devemos observar que não existe unidade fixa para a densidade planar. Ela será recíproca a área. Por exemplo, se a área for em mm2 termos a densidade planar em mm-2. Além disso, se a área for em m2, a densidade planar será em m-2.
Caso do problema anterior temos que a área da estrutura é igual a A=L(a). Devemos lembrar que a igual ao parâmetro de rede. Portanto; teremos, A =4R(2R densidade planar será igual à:
√ 2
). Consequentemente a
1 28 → √ 2 4√ 2 10 . ESTRUTURAS CRISTALINAS DE CORPO CENTRADO:
Talvez você se lembre que ambas as estruturas metálicas cúbicas de face centrada e hexagonal compacta possuem fator de empacotamento de 0,74. Por esse alto fator de empacotamento temos que essas duas estruturas são de empacotamento fechado.
11 . ASINOTROPIA:
Um material anisotrópico é aquele que as propriedades variam com a direção. Já aos materiais isotrópicos possuem propriedades que não variam com a direção.
12 . DIFRAÇÃO DE RAIO – X:
A difração de raio-x é amplamente utilizada para determinar a estrutura cristalina de cristais. Abaixo veremos alguns tópicos importantes sobre o assunto.
(a) Fenômeno da difração:
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A difração ocorre quando uma onda encontra uma série de obstáculos regularmente espeçados que: 1) Possuem capacidade de quebrar a onda 2) Possuem espaçamento significante comparado com o comprimento de onda.
Imagem mostrando o fenômeno da quebra de onda que, junto do o espaçamento significativo, é um motivo para difração
(b) Difração de Raio-X e lei de Bragg:
O raio-x é uma forma de radiação eletromagnética que possui alto nível de energia e pequenos comprimentos de onda – os comprimentos de onda são da ordem de espaçamento atômico para sólidos.
Quando um raio de raio-x entra no material, uma porção desse raio é desviado para todas as direções pelos elétrons associados com cada íon que compõe o feixe dessa radiação.
Deixe-nos examinar as condições para difração de raio-x pela composição periódica de átomos. Considere dois planos paralelos A’ -A e B’-B como a figura abaixo:
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Para tal condição temos a Lei de Bragg, na qual é dada pela seguinte equação:
+→2 Onde: o o o
n = número de comprimentos de onda dhkl = distancia interplanar. θ = ângulo de incidência
Já a distância interplanar em função dos índices de Muller (h,k e l) e também do parâmetro de rede são dadas por:
√ + + Temos o difratômetro de raio x no qual é um aparelho para encontrar a estrutura cristalina em função das equações acima. Na figura abaixo T é a fonte de raio-x, S o corpo de prova e O o eixo onde o corpo de prova se rotacional.
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Alexandre Jesus - Concurso PETROBRÁS (c) Técnicas de difração:
Uma das técnicas mais comuns emprega um corpo de prova cristalino ou esfarelado que consiste em várias partículas pequenas esfareladas, orientadas de forma aleatória e expostas a radiação monocromática.
Cada partícula é considerada um cristal e com um grande número delas, conseguimos determinar a orientação cristalográfica das partículas através da difração.
O difratômetro é um aparato utilizado para determinar os diferentes ângulos de a difração ocorre para corpos de prova esfarelados. Para um corpo de prova S, com a forma de uma placa planos temos a representação da figura anterior.
EXEMPLO 3.6:
Para a estrutura cúbica de corpo centrado do ferro, compute: (a) O espaçamento interplanar (b) O ângulo de difração para o plano (220). Considere que o parâmetro de rede para o ferro é 0,2866 nm. Também assume que a radiação monocromática com comprimento de onda de 0,179 nm é usada e a ordem de reflexão é 1.
SOLUÇÃO:
(a)
Primeiramente temos que achar a distância interplanar:
√ + + 866 +0 → 0,1013 √ 20.2+2
(b)
O próximo passo é encontrar o ângulo de incidência:
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SOLUÇÃO:
2 → 62,12:
Como temos que o ângulo de difração é igual ao dobro do ângulo de incidência teremos o seguinte ângulo de difração:
2 124,26:
13 . ESTRUTURA NÃO CRISTALINA:
Uma estrutura cristalina é uma estrutura na qual os átomos não estão dispostos de forma regular. Abaixo se encontra o dióxido de silicone em estrutura cristalina (esquerda) e o dióxido de silicone em estrutura amorfa (direita).
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Alexandre Jesus - Concurso PETROBRÁS 14 . RESUMO DAS EQUAÇÕES:
A) Parâmetro de rede (a):
a)
Cúbica de face centrada:
Para célula unitária cúbica de face centrada temos que o parâmetro de rede em função do rio atômico é dado por:
4√ 2 b) Cúbica de corpo centrado:
Já para a estrutura cúbica de corpo centrado temos que o parâmetro de rede é menos significativo em função do raio. Ele é dado por:
4√ 3 B) Fator de empacotamento:
O fator de empacotamento é dado razão entre o volume da célula unitária (VS) e o volume total da célula:
C) Densidades: a)
Densidade teórica do metal:
A densidade (ρ) teórica do metal é dada pela seguinte equação:
Onde: n = número de átomo associado com cada célula unitária o A = peso atômico o VC = volume atômico da célula o
20
Alexandre Jesus - Concurso PETROBRÁS o
NA = número de avrogrado (6,022(10)23)
b) Densidade linear:
A densidade linear é dada pela razão entre a quantidade de átomos centrado na direção do vetor e o comprimento da direção do vetor:
c)
Densidade Planar:
A densidade planar é dada pela razão do número de átomos no plano centrado e a área do plano.
D) Raio-X: a)
Lei de Bragg:
A lei de Bragg descreve o comprimento de onda em função do ângulo de incidência e espaçamento interplanar.
Onde: n = difração de raio x o dlhk = distanciamento interplanar o o
2
θ = ângulo de difração
b) Espaçamento interplanar:
O espaçamento interplanar é dado por:
√ + + Onde: a = parâmetro de rede o h,k, l = índices de müller o
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15. EXERCÍCIOS:
EXERCÍCIO 1:
Qual a diferença entre estrutura atômica e estrutura cristalina?
SOLUÇÃO:
A estrutura atômica está relacionada com o número de prótons e nêutrons no núcleo de um átomo, assim como as distribuições de probabilidade dos elétrons constituintes. Do outro lado, temos que a estrutura cristalina que se refere ao arranjo dos átomos dos materiais sólidos cristalinos.
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Alexandre Jesus - Concurso PETROBRÁS EXERCÍCIO 2:
Se o raio atômico do alumínio é de 0,143 nm, calcule o volume da sua célula unitária em metros cúbicos.
SOLUÇÃO:
Por indicação de tabela vimos que o alumínio é uma estrutura cúbica de face centrada. Portanto, utilizamos a seguinte equação para determinar o volume de sua célula unitária:
16 √ 2
Substituindo os valores obtém-se:
160,17510 √ 2→ 1,21310
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Alexandre Jesus - Concurso PETROBRÁS EXERCÍCIO 3:
Mostre que a estrutura cúbica de corpo centrado de raio R e parâmetro de rede a representa
√ 3
a seguinte equação → a = 4R/
SOLUÇÃO:
O primeiro passo para a resolução desse problema é desenhar a célula cúbica de corpo centrado:
Obtemos então que a diagonal do triângulo NOP ao quadrado é dada por:
+ 2
Devemos; então, saber que o triângulo NQ é formado por 4 vezes o raio de um átomo. Portanto, NQ = 4 R. Além disso temos a seguinte relação para o triângulo NPQ:
+
Portanto,
4 +2 → 4√ 3
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Alexandre Jesus - Concurso PETROBRÁS EXERCÍCIO 4:
Para uma estrutura hexagonal compacta, mostre que a relação entre c/a é igual a 1,6633
SOLUÇÃO:
O primeiro passo é desenhar a estrutura hexagonal compacta e definir “c” como a altura da célula e “a’ como a largura da célula:
Assim teremos que o tetraedro rotulado como JKLM reconstruído como:
Devemos saber que o átomo ponto M está no meio do caminho entre a ponta e a base da célula unitária. Portanto, MH = c/2. Outro ponto importante, é saber que os seguimentos JM e JK são iguais a 2 vezes o raio:
2
Além disso teremos a seguinte relação para o triângulo JHM:
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SOLUÇÃO:
+
Portanto,
+2 −
.1
O próximo passo é desenhar o triângulo JKL sabendo que ele é um triângulo equilátero. Desse modo teremos:
Sabendo que todos os ângulos de um triângulo equilátero são iguais a 60, temos que meio ângulo é igual a 30. Desta maneira:
co30: 2 √ 23 → √ 3
Após substituição de JH na equação 1 se obtém:
√ 3 + 3 + 4
Finalmente se resolvendo a expressão obtém-se:
83 → 1,633
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Alexandre Jesus - Concurso PETROBRÁS EXERCÍCIO 5:
Mostre que o empacotamento atômico da estrutura cúbica de corpo centrado é 0,68;
SOLUÇÃO:
Primeiramente temos que saber que o fator de empacotamento para estrutura cúbica de corpo centrado (ou qualquer outra estrutura) é dado por:
4 8 2 → 2 3 → 3
Já o volume da célula unitária será dado por V C =a3, onde a é o parâmetro de rede. Portanto,
Na equação acima temos que VS é o volume dos átomos associados com a célula unitária e VC é o volume da célula unitária. Para a célula unitária cúbica de corpo centrado temos 2 átomos associados com a célula unitária. Como consequência,
4 64 √ 3 → 3√ 3
O fator de empacotamento; portanto, será:
8 3 643√ 3 → 0,68
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Alexandre Jesus - Concurso PETROBRÁS EXERCÍCIO 6:
O ferro possui estrutura cristalina cúbica de corpo centrado com um raio atômico de 0,124 nm e um peso atômico de 55,85 g/mol. Compute sua densidade teórica de compare com o valor experimental.
SOLUÇÃO:
Tal exercício é mais aplicação de fórmulas. A formula da densidade é:
Para estrutura cúbica de corpo centrado temos que o número de átomos por célula unitária é n=2. O próximo passo, é então, calcular o volume da célula unitária.
→
4 √ 3
Substituindo os valores, o peso de um mol do elemento e o número de avrogrado temos:
4 √ 3 94 → 10,21 / 4 6,295,02310 3√
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Alexandre Jesus - Concurso PETROBRÁS EXERCÍCIO 7:
O belírio possui estrutura hexagonal compacta. (a) Qual o volume dessa célula unitária em metros cúbicos? (b) Se a razão c/a é 1,593, compute a densidade.
SOLUÇÃO:
(a)
Primeiramente temos que ver que o volume da célula hexagonal compacta é dado por:
6 √ 3
Sabemos que c= 1,568a e a = 2R. Portanto, teremos que:
3,14
Substituindo na equação anterior temos que:
63,14 √ 3
Substituindo o raio na equação obtemos que:
4,8710
(b)
Já o volume da célula unitária é dado por:
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SOLUÇÃO:
3
Portanto, substituindo valores temos que ρ= 1,84 g/cm .
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Alexandre Jesus - Concurso PETROBRÁS EXERCÍCIO 12:
Usando o peso atômico, estrutura cristalina e raio atômico das tabelas do livro, compute as densidades teóricas do Magnésio sabendo que a relação c/a é 1623.
SOLUÇÃO:
O primeiro passo é saber o volume da célula unitária hexagonal compacta. Ele será dado por:
6 1,6242 √ 3 → 1,62412√ 3
Depois teremos que a densidade do magnésio será dada por:
Sabemos que c=1,624a e que para estrutura hexagonal compacta a=2R. Portanto, teremos que:
6 √ 3
→ 1,62412√ 3
Todavia já temos em tabela que a densidade do magnésio é 1,74 g/cm 3. Portanto teremos:
1,62412√ 3 6 24,31 1,62412√ 31,74 6,02310 → 0,160
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Alexandre Jesus - Concurso PETROBRÁS EXERCÍCIO 13:
Desenhe a estrutura ortorrômbica corpo centrado para estrutura
SOLUÇÃO:
Antes de desenhar a estrutura ortorrômbica devemos saber que os 3 parâmetros axiais são diferentes um do outro e que os 3 ângulos são 90. Portanto poderemos ter a seguinte
estrutura:
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Alexandre Jesus - Concurso PETROBRÁS EXERCÍCIO 14:
Liste as coordenadas pontuais para todos os átomos associados com a estrutura cúbica de face fa ce ce nt ntra rada da (C (CFC FC))
SOLUÇÃO:
O problema pede para encontrarmos os pontos das coordenadas associados com a célula cúbica de face centrada.
Primeiramente temos o átomo situado na origem da célula que terá coordenadas pontuais 0 0 0.
As coordenadas da face superior são por terá, por sua vez, os pontos 0 0 1, 1 0 1, 1 1 1, 0 1 1 e ½ ½ 1. (Essas coordenadas são as mesmas da face inferior – todavia com o “0” substituído por “1”.
Já a face inferior os pontos 1 0 0, 1 1 0, 0 1 0, e ½ ½ 0.
Todavia termos os seguintes átomos intermediários na frente e nas costas da célula 1 ½ ½ e 0 ½ ½.
Já os átomos intermediários da esquerda e direita serão ½ 0 ½ e ½ 1 1/2.
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Alexandre Jesus - Concurso PETROBRÁS EXERCÍCIO 15:
Desenhe uma estrutura tetragonal unitária com as coordenadas pontua pontua is ½ 1 ½ e ¼ ½ ¾ .
SOLUÇÃO:
A estrutura tetragonal com os pontos mencionados está abaixo:
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CAPÍTULO 2: IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOS:
1.
DEFEITOS PONTUAIS:
(a)) Vacâncias e defeitos intersticiais: (a
O modo mais simples de defeito pontual é a vacância que ocupa o espaço de um átomo que está faltando conforme mostrado em figura abaixo:
Todos os sólidos cristalinos possuem vacância e de fato, é impossível criar materiais sem esse defeito. Por causa das leis da termodinâmica e presença de entropia esse tipo de defeito é característico de qualquer cristal.
O número de vacâncias em equilíbrio N v para uma quantidade dada de material depende da temperatura e cresce com ela. Ele é dado pela seguinte equação:
− Onde: o o o o
N = número de sítios atômicos Q v =energia requerida para a formação da vacância T = temperatura absoluta (K) k = 1,38(10-23) J/(atm(k)) ou k = 8,62 (10-5) eV/atm(k).
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Alexandre Jesus - Concurso PETROBRÁS (b)) Defeito intersticial: (b
Um defeito intersticial é um átomo de um cristal que está no meio de outros átomos em um espaço pequeno e que em circunstâncias normais não estaria ali. Esse defeito também é mostrado na figura da página 35.
EXEMPLO 1:
Calcu le o número de vacâncias de equilíbrio por metro cúbico de cobre a 1000. A energia para pa ra fo form rmaç aç ão de va vacâ câ nc ia é 0, 9 eV /a /atm tm e o pe so at ôm ômic ic o e de ns nsid id ad adee sã são o re sp ec ti va vame ment nt e 3 63,5 g/mol e 8,4 g/cm respectivamente.
SOLUÇÃO:
O primeiro passo é calcular o número de átomos por metro cúbico. ele será dado por:
Onde: o o o
NA = número de avrogrado (6,022(10)23 atm/mol) 3 ρ = densidade (g/m ) A = peso atômico (g/mol)
Substituindo valores temos que N =8(10 28) átomos/m3. Consequentemente, o número de vacâncias a 1000C ou 1273 K é igual a:
− 8810 − 8,622100,9 1273
2,210 /
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IMPUREZAS EM SÓLIDOS:
(a) Ligas:
Ligas são materiais onde impurezas são adicionadas intencionalmente para melhorar propriedades de um material. Um exemplo de liga são as ligas com cobre, onde o cobre é adicionado para melhorar a resistência a corrosão.
(b) Solução sólida
Quando adicionamos elementos de liga a um metal, as vezes temos uma segunda fase. As ligas com mais de uma fase são chamadas de soluções sólidas.
(c) Solvente e soluto:
Solvente e soluto são nomes amplamente utilizados quando se trata de soluções sólidas. Solvente é o elemento que se concentra em maior quantidade. Já soluto é o elemento que se encontra em menor quantidade.
3.
SOLUÇÕES SÓLIDAS:
(a) Solução sólida substitucional:
Na solução sólida substitucional, a impureza se encontra no lugar de outro átomo.
(b) Solução sólida intersticial:
Na solução sólida intersticial o átomo se encontra no espaço entre átomos já existente. A seguir se encontra um desenho que representa os dois tipos de soluções sólidas. Note que a solução sólida intersticial se encontra em amarelo e a solução sólida substitucional em verda.
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(c) Fatores que determinam se um átomo se dissolve no outro:
(a) Fator de tamanho de átomo: o
Para que um átomo se dissolva no outro a diferença entre os dois átomos devem ser de até mais ou menos 15%.
(b) Estrutura Cristalina: o
Para metais se solubilizarem um no outro eles devem ter estrutura semelhante.
(c) Eletronegatividade: o
Quando existir uma diferença de eletronegatividade entre dois elementos, mais fácil eles se dissolveram um em outro de modo intersticial ao invés de substitucional
(d) Valencia: o
4.
Os metais tendem a produzir melhor solubilidade em solutos de maior valência.
ESPECIFICAÇÃO DA COMPOSIÇÃO:
(a) Percentagem de massa:
A composição em massa de um elemento 1 em relação ao total de um composto binário é dada pela seguinte equação:
+ 100 38
Alexandre Jesus - Concurso PETROBRÁS (b) Percentagem de átomos:
Quando se deseja calcular a percentagem de átomos de um elemento em relação a quantidade total de átomos devemos calcular o número de átomos de cada elemento primeiramente. Ele será dado por:
Onde: o o
mx = massa do elemento em gramas Ax = peso atômico
Portanto a percentagem de átomos de um elemento de uma substância será dada por:
+ 5.
IMPERFEIÇÕES LINEARES:
(a) Efeitos lineares nos deslocamentos
Quando estamos falando de deslocamento linear podemos estar falando de uma linha inteira deslocada ou seguimentos de linha deslocados. O vetor de Burgers indica como é feito esse deslocamento.
6.
DEFEITOS PLANARES:
Os defeitos planares ou interfaciais podem ser dos seguintes tipos:
39
Alexandre Jesus - Concurso PETROBRÁS o o o o
Superfícies externas De fronteira de grão De fronteira de fase Fronteiras Gêmeas
(a) De superfícies externas:
Os defeitos de superfícies externas ocorrem na interface de duas superfícies com granulação bem diferente em termos de ângulo de grão.
Esses defeitos não são possíveis em sólidos pois os mesmos são mecanicamente rígidos. Abaixo um desenho esquemático:
(b) Defeitos de grão:
os defeitos de grão geram descontinuidades lineares conforme mostrado na ilustração abaixo:
40
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(c) Fronteiras de fase:
As fronteiras de fase existem em matérias com mais de uma fase apenas.
(d) Fronteiras gêmeas:
Existem fronteiras como estrutura cristalina simétrica.
7.
DEFEITOS VOLUMÉTRICOS:
Tais defeitos não estão no ponto de vista microscópico e sim macroscópico. Eles incluem porosidades e fases metaestáveis. Todavia eles não serão amplamente discutidos.
8.
VIBRAÇÕES ATÔMICAS:
Podemos relacionar as imperfeições com a presença de vibrações atômicas pois elas são consequências desse fenômeno ondulatório. Também podemos dizer que são diversos os processos que ocasionam vibrações; e portanto, as imperfeições são resultadas de processos de fabricação e processamento.
41
Alexandre Jesus - Concurso PETROBRÁS
9. EXAME MICROSCÓPICO:
9.1.
CONECITOS BÁSICOS DE MICROSCOPIA:
(a) Microestrutura:
Microestrutura é determinada por 2 características microscópicas: forma e tamanho de grão.
(b) Microscopia:
9.2.
Algo que não pode ser visto sem ajuda de microscópio e processos próprios
TÉCNICAS DE MICROSCOPIA:
(a) Microscopia Óptica:
É a técnica de microscopia que usa apenas lentes. Ela é simples, todavia possui limitações quanto a amplitude de ampliação.
42
Alexandre Jesus - Concurso PETROBRÁS
(b) Microscopia com elétrons:
É uma técnica de microscopia que utiliza feixe de elétrons e possui maior amplitude de ampliação:
43
Alexandre Jesus - Concurso PETROBRÁS 10 . TAMANHO DO GRÃO:
A classificação do grão é determinada pela equação abaixo onde N é o número de grãos por polegada quadrada em uma magnitude de 100X e n representa o tamanho do grão.
2 EXEMPLO 2:
Calculo de n (Tamanho de grão segundo ASTM) e número de grãos por unidade de área: (a) Determine o tamanho de grão ASTM para um corpo de prova de metal com 45 gramas por polegada quadrada medido com uma magnitude de 100X. (b) Para o mesmo corpo de prova, quantos grãos por polegada quadrada terão em uma magnitude de 85X?
SOLUÇÃO:
(a)
Primeiramente temos que aplicar a seguinte equação:
lloogg2 +1 → lloog45g2 +1 → 6.5
(b)
Agora temos que encontrar quantos grãos por polegada teremos para uma magnitude diferente da do primeiro exercício que era 100X. Para uma magnitude diferente usamos a seguinte equação:
100 2 100 2 → 62,6
85
44
Alexandre Jesus - Concurso PETROBRÁS 11 . EQUAÇÃO DE HALL PETCH:
Quando estamos valando de granulometria, outra equação importante, é a equação de hallpetch. Ela mostra a tensão de escoamento dentro de um grão e é dada por:
+√ Onde: o
σ0 e Ke = constantes
o
σ0 = tensão de atrito oposta ao movimento das discordâncias
o o
Ke = constante relacionada com o empilhamento das discordâncias d = tamanho do grão
45
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CAPÍTULO 3: DIAGRAMA DE FASES:
1.
CONCEITOS BÁSICOS:
(a) Fase:
Fase é definida como uma parte homogenia de um sistema.
(b) Microestrutura:
A microestrutura está associada com a forma e o tamanho de grão como visto anteriormente. Todavia ela também está relacionada com o comportamento mecânico e outras propriedades físicas.
2.
INTERPRETAÇÃO DOS DIAGRAMAS DE FASE:
(a) Percentagem de elementos em ligas binárias:
As diferentes fases são delimitadas por linhas. Já a percentagem de cada elemento em uma parte binária de uma liga será dada por:
Onde: o o
Boposto = Braço oposto Btotal = Braço total.
Abaixo se encontra o diagrama de ferro-carbono para exemplificação:
46
Alexandre Jesus - Concurso PETROBRÁS
O diagrama ferro carbono é composto pelas seguintes fases estáteis: o
Austenita
o
Ferrita α
o o o
Ferrita γ Líquido Cementita (Fe3C)
Todas as fases podem ser consideradas microestruturas. Todavia ainda temos mais uma microestrutura: a perlita, que é lamelas de Ferrita α e Cementita. A figura abaixo é a perlita
vista no microscópico. A parte escura rep resenta a cementita e a parte clara a Ferrita α.
Quando estamos lidando com o diagrama de fases estamos trabalhando APENAS com fases. Essa é uma ótima maneira de lembrar que a perlita não é fase e sim microestrutura. Devemos lembrar que a cementita é dura e frágil e deve ser evitada ao máximo.
47
Alexandre Jesus - Concurso PETROBRÁS
3. PONTOS DO DIAGRAMA FERRO-CARBONO:
Já vimos o diagrama de fases ferro carbono anteriormente. Agora temos que analisar alguns pontos desse diagrama. O primeiro ponto a ser analisado é o ponto eutetóide. Todavia os pontos estéticos e peritético também serão analisados.
Primeiramente temos que observar o diagrama ferro-carbono. Agora podemos analisar os pontos e relacionarmos com as mudanças de fase.
Outro ponto importante a ser analisado no digrama ferro carbono que não está relacionado com mudança de fase é o Ponto de Curie. Do ponto de vista da física ele é definido como o ponto onde a temperatura em que um material deixa de ter magnetismo permanecente e passo a ter apenas a possibilidade de magnetismo induzido. No diagrama ferro carbono temos que esse ponto é 770.
48
Alexandre Jesus - Concurso PETROBRÁS 3.1.
PONTO EUTETÓIDE:
É o ponto m que 1 fase sólidas se transformam em outras 2 fases sólidas. No caso do diagrama ferro carbono temos que o de um lado do ponto existe ferrita α e cementita. Já no outro lad o do mesmo ponto temos austenita. Abaixo uma representação ampliada de tal ponto.
Vamos supor; agora que estamos equacionando a equação eutetóide. Ela será dada por:
→ +
Acima S e subscrito representa sólidos. Em linguagem escrita teríamos que o sólido 1 e o sólido 2 transformam-se no sólido 3 e no sólido 4. Mas porque dizer sólido?
Porque devemos saber que tais pontos podem existir com essa formulação genérica em qualquer outra liga binária. Agora vamos supor que o na equação acima sobre a reação do ponto eutetóide está relacionada com o aquecimento. Como seria então a equação relacionada com o resfriamento.
A resposta é óbvia. É fazer o caminho oposto da relação eutetóide anterior. Portanto teremos que:
+ → Já falamos do que significa o ponto eutetóide, todavia ainda não falamos de suas coordenadas e de sua microestrutura. Quanto as suas coordenadas temos que ele corresponde ao aço com 0,77 wt% de carbono e também temos que ele corresponde a uma temperatura de 727C. Quanto a microestrutura, podemos dizer que o ponto eutético é o ponto com menor temperatura de equilíbrio entre a ferrita e a austenita.
(a) Também devemos nos lembrar da relação do ponto eutetóide com a classificação dos aços. Todavia antes disso temos que nos perguntar o que é aço.
49
Alexandre Jesus - Concurso PETROBRÁS
(b) Aço é um elemento com até 2,1% de carbono em PESO. Tal classificação parece óbvia, todavia algumas bancas cobram para responder se esse 2,1% se referem a partes ou peso. Portanto, é bom prestar atenção que se trata de peso.
(c) Voltando a pergunta anterior, existem três tipos de aço classificados de acordo o ponto eutético eles serão vistos a seguir:
(a) Aço hipo eute ói de:
o
o
o
o
o
Esse tipo de aço possui menos carbono que o teor do ponto eutetóide. Sua estrutura é a composta de perlita e ferrita.
Todavia, devemos lembrar que as suas fases são apenas cementita e ferrita (apenas as que aparecem no diagrama)
Outro conceito que temos que ver agora é que ver é o de fase proeuteóide. Falamos muito da estrutura do aço hipoeuteóide. Todavia ainda não exemplificamos a estrutura dos aços hipoeuteóide.
Abaixo a imagem de um aço hipoeuteóide. Note que são muito pequenas as partes com perlita (mais escuras).
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Alexandre Jesus - Concurso PETROBRÁS (B ) Aços eu te tó ides :
o
Os aços eutetóide são aqueles que possuem puramente perlita. Ou seja 0,77% em peso de carbono.
(c ) Aços hi pe reut et óide s:
o
o
o
o
o
É aquele aço que possui maior teor de carbono que o ponto eutetóide – ou seja – seu teor é maior que 0,77%.
Sua estrutura é perlita e cementita. Todavia devemos lembrar que as suas fases, assim como do aço hipereuteóide são ferrita e cementita. Lembrando de novo – fase é apenas aquilo que aparece no diagrama.
Fase proeutetetóide é aquela fase que aparece em sozinha e também dentro da perlita. Nesse caso do aço hipoeuteóide temos que a fase proeuteóide é a cementita.
Falamos muito da estrutura do aço hipoeuteóide. Todavia ainda não exemplificamos a estrutura dos aços hipereutetóides
Abaixo a imagem de um aço hipereutetóides Note que são muito numerosas as partes com perlita (mais escuras). Se fizemos, ainda uma comparação, chegamos à conclusão que o aço hipereuteóide possui uma estrutura muito mais escura que o hipoeuteóide.
51
Alexandre Jesus - Concurso PETROBRÁS 3.2.
PONTO EUTÉTICO
O ponto eutético é um ponto em que uma fase líquida se transforma em duas fases sólidas. No caso do diagrama ferro carbono temos que a fase liquida do ferro carbono se transforma em austenita e cementita. Abaixo teremos o ponto de modo ampliado no diagrama ferro-carbono:
Todavia poderemos ter esse ponto em uma transformação genérica qualquer. Teríamos então que equacionar esse ponto. De modo genérico teríamos que:
→ +
Todavia também poderíamos ter o caminho inverso no ponto eutético; ou seja, que dois sólidos se transformassem em líquido. Seria; então feito um aquecimento nesse caso. A formulação para o ponto eutético seria feita da seguinte maneira:
+ → Já falamos do que significa o ponto eutético todavia ainda não falamos de suas coordenadas e de sua microestrutura. Quanto as suas coordenadas temos que ele corresponde ao aço com 4,3 wt% de carbono e também temos que ele corresponde a uma temperatura de 1148C. Devemos também lembrar que o ponto eutético é utilizado
para a classificação dos feros fundidos.
O ferro fundido branco com mais de 4,3% de carbono é o ferro fundido hiper-eutético. Já o ferro fundido com menos de 4,3% de carbono é o hipoeutético.
52
Alexandre Jesus - Concurso PETROBRÁS 3.3.
PONTO PERITÉTICO:
Na reação peritética um solido mais um líquido se transformam em dois sólidos. No caso do diagrama fero carbono tem que a ferrita delta mais líquido se transforma em austenita. Abaixo podemos ver o resumo do ponto dentro do diagrama ferro carbono:
Poderíamos equacionar tal equação da seguinte maneira:
+→
Todavia também poderíamos ter o caminho inverso no ponto peritético; ou seja, que dois sólidos se transformassem em líquido. Seria; então feito um aquecimento nesse caso. A formulação para o ponto peritético seria feita da seguinte maneira:
→ + Já falamos do que significa o ponto eutético, todavia ainda não falamos de suas coordenadas e de sua microestrutura. Temos que ele corresponde a uma temperatura de 1493
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Alexandre Jesus - Concurso PETROBRÁS
VERIFICANDO ENTENDIMENTO:
1) Quais são os três pontos importantes do diagrama ferro carbono referentes a transformação de fases? Faça o equacionamento de suas funções:
(a) PONTO EUTETÓIDE: O primeiro ponto importante no diagrama ferro carbono é o ponto eutetóide. Nele, de modo geral temos que um sólido (no caso do Fe-C, austenita) se transforma em outros dois sólidos (no caso do Fe-C ( ferrita αe cementita). Equacionando de forma genérica temos que:
S →S +S (b) PONTO EUTÉTICO: O ponto eutético no diagrama Fe-C é quando o líquido se transforma em austenita mais cementita. Todavia poderemos ter esse ponto em uma transformação genérica qualquer. Teríamos então que equacionar esse ponto. De modo genérico teríamos que:
L→S +S (c) PONTO PERIÉTICO: O ponto Peritético no diagrama Fe-C é quando o líquido + ferrita delta e transformam em austenita Todavia poderemos ter esse ponto em uma transformação genérica qualquer. Teríamos então que equacionar esse ponto. De modo genérico teríamos que:
+
→
2) Qual ponto importante no diagrama ferro carbono que não está relacionado com as transformações de fase?
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Alexandre Jesus - Concurso PETROBRÁS
VERIFICANDO ENTENDIMENTO:
O ponto que está no diagrama ferro carbono, é importante e não está relacionado com a mudança de fase é o Ponto de Curie. Ele corresponde ao ponto em que o ferro deixa de ter magnetismo permanente e a temperatura de 770C.
3) Quanto a classificações, a que os pontos eutético e eutetóide estão relacionados? A qu e pe rcen ta gem de ca rbon o el es co rres pondem ?
O ponto eutético corresponde a 4,3% de carbono e está relacionado com a classificação dos ferros fundidos. Já o ponto eutetóide está relacionado com a classi ficação dos aços.
4.
RELAÇÃO EM VOLUME DE ELEMENTOS:
Já vimos a relação entre pesos dos elementos. Todavia ainda falta ver a relação entre volumes. Ela será feita através de uma média ponderada dos pesos pelos pesos específicos da seguinte maneira:
+
Esses é o tipo de questão que não devemos decorar fórmula e sim usar o bom censo.
55
Alexandre Jesus - Concurso PETROBRÁS EXEMPLO 1:
Determinação das quantidades relativas de Ferrita, Cementita e Perlita.
Para um material 99,65 wt% Fe -0,35 wt% C para uma temperatura levemente abaixo da eutetóide determine: (a) A fração de átomos totais de ferrita e cementita. (b) A fração de ferrita proeuteóide e perlita (c) A fração de perlita eutetóide
SOLUÇÃO:
(a)
Temos que a fração de átomos é dada em relação a cementita pura e a ferrita conforme o enunciado fala. Assim consideramos a linha da cementita como 6,70 %wt de carbono, Portanto teremos, a seguinte equação utilizando a regra do braço oposto sobre o braço total:
0−0,02235 → 6,6,77−0,
0,95
Já a percentagem de cementita será dada pela mesma relação:
0, 3 5−0, 0 22 6,70−0,022 → 0, 0 5
(b)
A fração de perlita pro-eutetóide será dada pela mesma regra.
0 22 0,0,375−0, 6−0,022 → 0,44
56
Alexandre Jesus - Concurso PETROBRÁS
SOLUÇÃO:
A fração de ferrita pro-euteóide será dada pela seguinte equação que também utiliza a mesma regra:
6−0,03225 → 0,0,776−0,
0,56
Devemos notar que a fração de ferrita α pro-eutetóide é diferente da fração de ferrita alfa. Isso se deve ao fato da ferrita α pró-eutetóide ser apenas aquela ferrita que esta fora da perlita.
(c)
A fração total de perlita será dada pela quantidade de cementita menos a quantidade de ferrita pro-eutetóide. Portanto teremos:
− 0,95−0,56→ 0,39
Para melhor entendimento gráfico veja página 74 do Anexo – exercícios Petrobrás.
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Alexandre Jesus - Concurso PETROBRÁS
CAPÍTULO 3: TRANSFORMAÇÕES DE FASE:
1.
CURVAS TTT:
As curvas TTT são curvas que consideram não só as transformações estáveis (Resfriamento lento) e também as transformações meta-estáveis (fora da zona de equilíbrio). Elas recebem esse nome devido ao fato de possuírem como principais variáveis tempo, temperatura e transformação.
De maneira a exemplificar tais curvas, é mostrada a curva TTT do diagrama ferro carbono.
(a) Leitura das curvas TTT.
A leitura das curvas TTT é simples. Temos apenas que ver quem quais linhas em quais percentagens passam no “joelho” da curva. Só para constar, o “joelho” é a região situada entre as curavas vermelhas e verdes da figura acima.
Notemos que na curva acima a transformação foi 100% perlita. Para melhor entendimento veja o esquema a seguir. Ele mostra, não só a curva TTT, mas também um diagrama do passo a passo da transformação.
58
Alexandre Jesus - Concurso PETROBRÁS
Todavia poderíamos ter diferentes tipos de componentes na mesma transformação. Veja o diagrama abaixo:
Figura 1 - Digrama de exemplo
59
Alexandre Jesus - Concurso PETROBRÁS
Agora podemos ver quais são as diferentes transformações de cada curva. A curva azul; por exemplo, ocasiona uma transformação com 100% de martensita. Podemos ver que ela passa todas as linhas vermelhas que representam a formação de martensita sem passa pelo joelho
Já a curva verde é formada por baianita e martensita. Devemos olhar que a linha de transformação da baianita é logo abaixo da perlita (apesar de não aparecer no primeiro diagrama). Veja o digrama abaixo que contém não só as linhas da perlita e baianita, mas também a linha da martensita. De uma transformação randômica.
Voltando para analise do outro diagrama (diagrama de exemplo) temos que a curva amarela representa perlita e ferrita. Já a curva roxa representa baianita e martensita.
2.
ANALISE DAS MICROESTRUTURAS:
Apesar de já termos falado sobre as microestruturas, ainda não falamos de suas características.
(a) Perlita:
A perlita possui boa resistência mecânica e dureza intermediária. Além disso possui boa resiliência.
60
Alexandre Jesus - Concurso PETROBRÁS (b) Baianita:
A baianita possui as características positivas da perlita de forma acentuada.
(c) Martensita
Possui microestrutura dura e frágil. Por isso necessita de tratamento térmico posterior.
61
Alexandre Jesus - Concurso PETROBRÁS
CAPÍTULO 4 TRATAMENTO TÉRMICO DOS METAIS
1.
INTRODUÇÃO:
Tratamentos térmicos são procedimentos que utilizam diferença de temperatura e tempo de exposição para proporcionar melhores qualidades em metais. Os principais tratamentos térmicos são: o o o o o
Recozimento Normalização Tempera e revenido Esferoidização ou coalescimento Solubilização ou envelhecimento
2. RECOZIMENTO:
2.1.
OBJETIVOS:
Remoção de tensões internas devido aos tratamentos mecânicos
Diminuir a dureza para melhorar a usabilidade.
Alterar as propriedades mecânicas como a resistência e a ductilidade
Ajustar o tamanho do grão
Melhorar as propriedades elétricas e magnéticas
Produzir uma microestrutura definida
2.2.
TIPOS DE RECOZIMENTO:
Como já vimos, o recozimento é um processo utilizado com as mais diversas finalidades. Temos; portanto, que dividi-lo em tipos:
62
Alexandre Jesus - Concurso PETROBRÁS (a) Recozimento para alívio de tensões:
Pode ser utilizado para qualquer liga metálica
(b) Recozimento para recristalização:
Pode ser utilizado para qualquer liga metálica
(c) Recozimento para homogeneização:
É o método utilizado em peças fundidas
(d) Recozimento total ou pleno:
Pode ser utilizado em aços.
(e) Recozimento isotérmico ou cíclico:
Pode ser utilizado em aços.
VERIFICANDO ENTENDIMENTO:
1. Responda as perguntas referentes aos tratamentos térmicos:
1.1. Quais os tratamentos térmicos que podem ser utilizados em qualquer ligas metálica? o
Recozimento para alívio de tensões
o
Recozimento para recristalização
1.2. Qual o tipo de recozimento utilizado em peças fundidas?
63
Alexandre Jesus - Concurso PETROBRÁS
VERIFICANDO ENTENDIMENTO:
o
Recozimento para homogeneização
1.3. Quais os tipos de recozimentos utilizados para aços?
2.3.
o
Recozimento total ou pleno
o
Recozimento isotérmico ou ciclico
CURVA DO RECOZIMENTO:
Quando o aço é hipoeutetóide o recozimento deve ser feito logo acima da curva A3. Caso for hipoeutetóide, o recozimento deve ser feito logo acima da linha A1. A figura abaixo mostra não apenas o processo de recozimento, mas também o de recozimento (annealing – em azul).
64
Alexandre Jesus - Concurso PETROBRÁS
3. ESFERODIZAÇÃO OU COALEZIMENTO:
3.1.
OBJETIVOS:
Produção de uma estrutura globular ou esferoidal de carbonetos de aço.
Melhora a usabilidade, especialmente nos aços de alto carbono.
Facilita a deformação a frio
3.2.
3.3.
MANEIRA CONVENCIONAL:
Acima temos uma figura que mostra dentre outros tratamentos térmicos a esferoidição. Como vemos, a esferoidização é feita para aços de alto carbono (hiper-eutetóides). Além disso, temos que ela feita com aquecimento logo abaixo da linha A1. Trata-se então, da maneira convencional de fazer a esferoidização ou coalescimento.
MANEIRA ALTERNATIVA:
Outra maneira de fazer o coalescimento é aquecimento e resfriamento logo abaixo e logo acima da linha de transformação a1.
65
Alexandre Jesus - Concurso PETROBRÁS
4. NORMALIZAÇÃO:
4.1.
4.2.
OBJETIVOS:
O objetivo da normalização é refinar a estrutura do aço.
CURVA DA NORMALIZAÇÃO:
Na seção anterior já vimos a curva da normalização. Todavia, nunca é demais relembrar.
Através da análise do diagrama acima, chega-se a conclusão que para aços hipo-eutetóide, a normalização é feita acima da linha A3 e para aços hiper-eutetóides, ela é feita acima da linha Acm.
66
Alexandre Jesus - Concurso PETROBRÁS
5. TEMPERA:
5.1.
5.2.
OBJETIVOS:
A tempera tem como objetivo obter a estrutura martensita que promove aumento da dureza, aumento da resistência a tração e redução da tenacidade.
CURVA DA TEMPERA:
A tempera gera a martensita que é uma estrutura metaestável. Portanto, diferentemente dos outros tratamentos que são apresentados na forma de diagrama de fases, a tempera é apresentada na forma de curva TTT.
A tempera apresenta um problema: a estrutura martensita é muito dura e; portanto, frágil. Portanto, é necessário um tratamento térmico posterior – o revenido.
A curva da tempera, por sua vez, sempre é apresentada junto com o revenido conforme figura abaixo:
5.3.
TEMPERABILIDADE:
A temperabilidade é a capacidade de um aço adquiri dureza por têmpera a uma certa profundidade. Ela é feita através dos ensaios de Jominy e Grosmann.
67
Alexandre Jesus - Concurso PETROBRÁS (a) Método de Grosmann:
Trata-se do método do diâmetro crítico. Neste método, barras cilíndricas de aço, de diâmetros crescentes são austenitizadas e resfriadas em condições controladas de transformação da austenita em martensita.
Secções transversais de barras são a seguir submetidas a determinação da dureza do centro da superfície.
Trata-se de um gráfico em que as abcissas são as distâncias dos centros e as ordenadas os valores de dureza (HRC).
Para um aço considerado, as barras mais finas são as que apresentam uma distribuição de dureza mais uniforme ao longo de toda a seção e a temperabilidade corresponde menor diâmetro.
Devido à dificuldade em se conseguir uma estrutura martensita total em toda a seção, costuma-se considerar um aço temperado quando seu centro apresentar 50% de martensita.
É considerado diâmetro crítico aquele que corresponde aos diâmetros da barra que mostrará 50% de martensita. Quanto maior o diâmetro crítico, maior a temperabilidade.
68
Alexandre Jesus - Concurso PETROBRÁS (b) Ensaio Jominy:
No ensaio Jominy um corpo de prova cilíndrico de 1” de diâmetro e 4” de comprimento é
austenitizado e levado ao dispositivo Jominy, onde é submetido ao efeito de um jato de água na sua extremidade.
Após o resfriamento, o corpo de prova é retificado e valores de dureza a uma distância 1/16”
são determinados.
A extremidade temperada é resfriada mais rapidamente e exibe maior dureza. Abaixo será mostrada uma curva do ensaio Jominy em relação ao comprimento.
VERIFICANDO ENTENDIMENTO:
1. Responda as perguntas em relação as curvas:
69
Alexandre Jesus - Concurso PETROBRÁS
VERIFICANDO ENTENDIMENTO:
1.1. Qual a relação da normalização com as linhas do diagrama ferro-carbono: Para a normalização temos a seguinte relação com as linhas do diagrama: o o
A normalização é feita logo acima da linha A 3 para aços hipo-eutetóide. Todavia para aços hiper-eutetóides, a normalização é feita logo acima da linha A cm.
1.2. Qual a relação do recozimento com as linhas do diagrama ferro-carbono: Para o recozimento temos a seguinte relação com as linhas do diagrama: o o
A recozimento é feito logo acima da linha A3 para aços hipo-eutetóide. Todavia para aços hiper-eutetóides, o recozimento é feito logo acima da linha A 1
1.3. Qual a relação da esferoidização com as linhas do diagrama ferro-carbono: Para a normalização temos a seguinte relação com as linhas do diagrama: o
A esferoidização é feita para aços hiper-eutetóides feita logo abaixo da linha A1.
1.4. Desenhe os três processos anteriores no diagrama:
70
Alexandre Jesus - Concurso PETROBRÁS
VERIFICANDO ENTENDIMENTO:
2. Quanto aos ensaios de temperabilidade responda: 2.1. Qual o ensaio utiliza diâmetro crítico? Ensaio Grosmann 2.2. Qual o ensaio utiliza comprimento de tempera? Ensaio Jominy
3. Qual o principal objetivo das esferoidização? O principal objetivo da esferoidização é melhorar a usabilidade de aços de alto carbono .
4. Qual o objetivo da normalização? O principal objetivo da normalização é refinar a microestrutura do aço.
71
Alexandre Jesus - Concurso PETROBRÁS
ANEXO: QUESTÕES DA PETROBRÁS:
ENG. DE EQUIPAMENTOS JUNIOR – INSPEÇÃO:
QUESTÃO 1 :
Questão 21 – Prova 2011
SOLUÇÃO:
Apenas o sistema triclínico os ângulos são diferentes de 90 e diferentes entre si. Além
disso as arestas são diferentes uma das outras. Portanto, a resposta é a letra (E).
72
Alexandre Jesus - Concurso PETROBRÁS QUESTÃO 2:
Questão 22 – Prova 2011
SOLUÇÃO:
A equação de Hall - Petch relaciona o escoamento do material com o tamanho médio de grão. Portanto a resposta correta é a letra (E)
73
Alexandre Jesus - Concurso PETROBRÁS QUESTÃO 3:
Questão 23 – Prova 2011
SOLUÇÃO:
A percentagem de líquido será dada por:
→
Na equação acima teremos que d lq será a distância das linhas líquidus e sólidus. Portanto termos que:
40−35 40−29
74
Alexandre Jesus - Concurso PETROBRÁS
SOLUÇÃO:
A formulação anterior; portanto, nos leva a crer que a resposta é a letra a).
75
Alexandre Jesus - Concurso PETROBRÁS
ENUNCIADO DAS QUESTÕES 4 E 5:
QUESTÃO 4:
Questão 25 – Prova 2011
SOLUÇÃO:
Sabemos que o aço é hipoeutetóide e que será transformado em ferrita e perlita Depois a austenita retida; portanto, se transforma em perlita. Por isso ela (a austenita retida) deve ter a composição da perlita (0,76%p). Portando a resposta correta é a letra (a).
76
Alexandre Jesus - Concurso PETROBRÁS QUESTÃO 5:
Questão 26 – Prova 2011
SOLUÇÃO:
Sabemos que o ponto eutético é o ponto onde um líquido se transforma em dois sólidos. Além disso, também sabemos que ele é um ponto utilizado na classificação dos ferros fundidos.
Todavia ainda temos que saber que assim como a perlita é referencia para classificação dos aços, a ledeburita é utilizada para classificação dos ferros fundidos.
Devemos então entender a classificação de tais ferros fundidos: o
Ferros fundidos brancos hipoeutéticos serão aqueles possuem menos de 4,3%. Eles são compostos de austenita e ledeburita quando estão baixo da linha de 1147C.
. o
Ferros fundidos brancos hipereutéticos serão aqueles possuem mais de 4,3%. Eles são compostos de cementita e ledeburita quando estão baixo da linha de 1147C.
Portanto a resposta é a letra (A)
77
Alexandre Jesus - Concurso PETROBRÁS QUESTÃO 6:
Questão 27 – Prova 2011
SOLUÇÃO:
A fase pró-eutetóide é a fase que existe sozinha (sem presença de perlita). Além disso, temos que a perlita é composta por lamelas de ferrita e cementita. Dessa forma teremos:
(a) Aço hipoeutetóide: o
É aquele aço que possui percentagem de carbono< 0,77% wt C. Ele será composto por ferrita mais perlita. Sua fase pró-eutetóide será a ferrita.
(b) Aço hipereuteóide: o
É aquele aço que possui percentagem de carbono >0,77 %wt C. Ele será composto por cementita mais perlita. A sua fase próeutetóide será a cementita.
A resposta correta; portanto, será a letra (E).
78
Alexandre Jesus - Concurso PETROBRÁS QUESTÃO 7:
Questão 28 – Prova 2011:
SOLUÇÃO:
Como a transformação atravessou as duas linhas de transformação no meio do cotovelo (altura da transformação da perlita fina) pode-se dizer que ouve uma transformação de perlita fina.
Portanto a resposta correta é a letra (B)
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Alexandre Jesus - Concurso PETROBRÁS QUESTÃO 8:
Questão 29 – Prova 2011:
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Alexandre Jesus - Concurso PETROBRÁS
SOLUÇÃO:
Para que não aconteça a transformação da martensita, deve- se não pegar o “cotovelo” na curva de transformação. Por isso a transformação deve ser rápida.
Para se formar perlita a curva deve atravessar o cotovelo na parte central/superior
Portanto, para se formar martensita, a curva deve ter taxa de resfriamento menor que curva I
Portanto, para se formar perlita, a curva deve ter taxa de resfriamento menor que II
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Alexandre Jesus - Concurso PETROBRÁS QUESTÃO 9:
Questão 30 – Prova 2011:
SOLUÇÃO:
A martensita é uma transformação polimórfica (fora do diagrama de fases) da austenita CFC em tetragonal de corpo centrado (TCC). Portanto a resposta é a letra (c).
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Alexandre Jesus - Concurso PETROBRÁS QUESTÃO 10:
Questão 30 – Prova 2011:
SOLUÇÃO:
O ensaio Jominy está associado a temperabilidade no sentido axial. Já o ensaio Grosmann está associado com a temperabilidade no sentido radial. Portanto, a resposta é a letra (c).
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Alexandre Jesus - Concurso PETROBRÁS QUESTÃO 11:
Questão 23 – Prova 2012:
SOLUÇÃO:
O ponto eutético é o ponto do diagrama onde ocorre a solidificação de um liquido em duas fases na menor temperatura. O exemplo disso tem o diagrama ferro-carbono. Portanto a resposta é a letra (b).
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Alexandre Jesus - Concurso PETROBRÁS QUESTÃO 12:
Questão 26 - Prova 2012:
SOLUÇÃO:
A questão fala de dois pontos: o eutético e o eutetóide. Além disso, a questão fala de resfriamento. E aquecimento. Portanto; devemos analisar o aquecimento e resfriamento dos pontos eutético e euteóide no diagrama.
a) Ponto eutético: o
Aquecimento → forma líquido
o
Resfriamento → forma le deburita = cementita + austenita.
b) Ponto eutetóide
o
Aquecimento → forma austenita
o
Resfriamento → forma perlita = ferrita + cementita.
Portanto a resposta correta é a letra ©
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Alexandre Jesus - Concurso PETROBRÁS QUESTÃO 13:
Questão 27 - Prova 2012:
SOLUÇÃO:
A fase que está fora da perlita em um aço sempre é próeutetóide. Portanto, como estamos lidando com um aço hipereuteóide teremos perlita hipereuteóide e cementita e a resposta correta é a letra (A)
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Alexandre Jesus - Concurso PETROBRÁS QUESTÃO 14:
Questão 29 - Prova 2012:
SOLUÇÃO:
Sabemos que nas curvas TTT as forças motrizes para uma transformação X são muito baixas. Além disso, a difusão de carbono é baixa, como no caso da transformação da martensita. Portanto, a resposta é a letra (b).
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Alexandre Jesus - Concurso PETROBRÁS QUESTÃO 15:
Questão 30 – Prova 2012:
SOLUÇÃO:
Temos que durante a transformação martensitica é anisotermica, ou seja, as temperaturas em diferentes partes de componentes são diferentes. Portanto a afirmativa I é correta.
Durante a transformação de martensita a percentagem de carbono não muda, mas a percentagem de ferrita diminui. Portanto a afirmativa II está incorreta.
Na transformação de martensita, a quantidade de carbono da austenita não muda. Portanto a afirmativa III está correta.
A transformação de martensita ocorre por não haver difusão de longo alcance. Portanto, a afirmativa IV está correta e a resposta é a letra (A).
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