aula 3 aços 1.classificação e seleção dos aços 2.aços comuns 3.aços-liga 4.aços...
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AULA 3AULA 3
Aços1. Classificação e seleção dos aços
2. Aços comuns
3. Aços-liga
4. Aços inoxidáveis
Materiais para Construção Mecânica
Materiais para Construção Mecânica
DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C
Ferros
Família dos aços
Família dos ferros fundidos
Soluções sólidas:Ferro Austenita Ferrita
Composto estequiométrico:
Cementita Fe3C
Reações: peritética
eutética
eutetóide
Diagrama Fe-C
Materiais para Construção Mecânica
DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C
fofosaçosFe
Diagrama Fe-C
DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C
Aços Ligas ferro-carbono com teor de carbono até 2,11% em peso
OBSERVAÇÕES
Produtos siderúrgicos comuns: aços e ferros fundidos
Aço comum ao carbono: carbono é o principal elemento de liga. Contém apenas impurezas em concentrações residuais e um pouco de manganês
Aço-liga: mais elementos liga são adicionados intencionalmente em concentrações específicas
As propriedades variam com o teor de carbono. A medida que aumenta:
Aumenta a resistência à tração até 1% de Carbono, decrescendo para teores mais elevados
A dureza aumenta continuamente
Diminui a ductilidade
Ferro Existe na natureza na forma de óxidos, nos minérios de ferro
É extraído por meio de aquecimento em presença de coque ou carvão de madeira, em fornos adequados nos quais o ferro é reduzido e ligado ao carbono
Materiais para Construção Mecânica Diagrama Fe-C
DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C
Ferro fundido Produtos obtidos por fusão com mais de 2,11% em peso de carbono
OBSERVAÇÕESProdutos siderúrgicos comuns: aços e ferros fundidos
A medida que se aumenta o teor de carbono, menores são as temperaturas necessárias para a fusão do material, até 4,3% de carbono
Como os FoFos fundem cerca de 300°C abaixo dos aços seu custo de produção é menor
Em geral, os ferros fundidos são
frágeis, que só resistem bem à compressão
Materiais para Construção Mecânica Diagrama Fe-C
DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C
Ferro puro Transformações de fases: antes da temperatura de fusão, o ferro muda duas vezes de estrutura cristalina
Fe - CCC
Fe - CCC
Fe - CFC
Fe - líquido
910°C
1400°C
1540°C
Eixo esquerdo do diagrama:
Ferrita ou ferro-: estável na temp. ambiente
estrutura CCC
Austenita ou ferro-: estável entre 910°C e 1400°C
estrutura CFC
Ferro-: estável entre 1400°C e 1540°C
estrutura CCC
Transformação polimórfica do ferro
Cementita ou Carbeto de Ferro
Composto intermetálico estequiométrico
Com 6,67% em peso de Carbono – Fe3C
Eixo direito do diagrama:
Materiais para Construção Mecânica Diagrama Fe-C
DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe CCarbono impureza intersticial
forma solução sólida com o ferro
Ferro - : solução sólida de C no Fe CCC
Ferro - (austenita): solução sólida de C no Fe CFC
Ferro - (ferrita): solução sólida de C no Fe CCC
Soluções sólidas
Materiais para Construção Mecânica Diagrama Fe-C
DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C
Ferro - : solução sólida de C no Fe CCC
É virtualmente a mesma ferrita-, apenas ocorrendo em uma faixa mais elevada de temperatura – não tem importância tecnológica
Ferro - (austenita): solução sólida de C no Fe CFC
Máxima solubilidade – em 1147°C – 2,14% em peso de C
Na faixa em que é estável, a austenita é mole e dúctil
Ferro - (ferrita): solução sólida de C no Fe CCC
Máxima solubilidade – em 727°C – 0,022% em peso de C
Material mole e dúctil
Na pureza em que é encontrada, seu limite de resistência é inferior a 32Kgf/mm2
Características das Soluções sólidas
Materiais para Construção Mecânica Diagrama Fe-C
DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C
6,67
Reação eutetóide: 0,77%C 0,02%C + Fe3C 6,67%C
a 727°C
Materiais para Construção Mecânica Diagrama Fe-C
DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C
Grão e estrutura da perlita (a) redistribuição do carbono no aço, (b) micrografia da perlita lamelar.
Reação eutetóide: 0,77%C 0,02%C + Fe3C 6,67%C
PERLITA
PERLITA: microestrutura bifásica resultantes da transformação da austenita com composição eutetóide. Consiste de camadas alternadas de ferrita e cementita relativamente finas
Materiais para Construção Mecânica Diagrama Fe-C
DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C
Materiais para Construção Mecânica Diagrama Fe-C
Aspecto micrográfico de um ferro comercialmente puro. Ataque: reativo de água régia. 200X
DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C
Materiais para Construção Mecânica Diagrama Fe-C
Aspecto micrográfico de um aço hipoeutetóide com aproximadamente 0,3% de carbono. Ataque: reativo de nital. 200X
DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C
Materiais para Construção Mecânica Diagrama Fe-C
Aspecto micrográfico de um aço hipereutetóide resfriado lentamente. Ataque: reativo de picral. 200X
A cementita está disposta em torno dos grãos de perlita, formando uma rede.
Materiais para Construção Mecânica Classificação dos aços
Classificação dos aços
Critérios:
a) Quanto à composição química
b) Quanto à aplicação
c) Quanto à microestrutura
d) Quanto ao processo de fabricação
e) Quanto as marcas registradas
f) Quanto as normas técnicas
Materiais para Construção Mecânica Classificação dos aços
Classificação quanto à composição química:
- aços comuns (ao carbono)
- aços especiais (ligas)
Aços ao Carbono – propriedades – %C
- não contem quantidade apreciável de elemento de liga
- apresentam teores de impurezas – normais:
P – 0,04% (max) S – 0,05% (max)
Si – 0,10% e 0,35% Mn – 0,25% e 0,90%
Materiais para Construção Mecânica Classificação dos aços
Classificação quanto à composição química:
Aços ao Carbono
- Quanto ao teor de Carbono:
- até 0,15% C – extra doce
- 0,15% a 0,30% C – doce
- 0,15% a 0,30% C – meio doce
- 0,15% a 0,30% C – meio duro
- 0,70% a 0,80% C – duro
- acima de 0,80% C – extra duro
baixo carbono
médio carbono
alto carbono
Materiais para Construção Mecânica Classificação dos aços
Classificação quanto à composição química:
Aços especiais (ligas) – contem um ou mais elementos de liga (além de Fe e C)
- quantidades de elementos de liga – modificam ou melhoram substancialmente uma ou mais propriedades (físicas, mecânicas ou químicas)
- Quanto ao teor de elementos de liga:
- aços baixa liga – somatório dos elementos de liga (teores) é inferior a 5%
- aços alta liga - somatório dos elementos de liga (teores) é superior a 5%
Materiais para Construção Mecânica Classificação dos aços
Classificação quanto à composição química:
Aços especiais (ligas)
Objetivos dos elementos de liga:
- aços baixa liga
1) Aumentar a dureza e a resistência mecânica
2) Conferir resistência uniforme em toda a seção da peça de grandes dimensões
3) Diminuir o peso (consequencia do aumento de resistência)
- aplicações típicas: aços de construção
- elementos de liga: Ni, Cr, V, Mo, Si e Mn
Materiais para Construção Mecânica Classificação dos aços
Classificação quanto à composição química:
Aços especiais (ligas) –
Objetivos dos elementos de liga:
- aços alta liga
1) Conferir resistência à corrosão
2) Aumentar a resistência ao desgaste
3) Aumentar a resistência ao calor
4) Melhorar propriedades elétricas e magnéticas
- aplicações típicas: ferramentas, matrizes, presença de corrosão e calor
Materiais para Construção Mecânica Classificação dos aços
Classificação quanto à composição química:
- aços alta liga
Compreendem:
- aços rápidos e similares (ex. aços para matrizes)
-requisito – dureza e manutenção desta em elevadas temperaturas
- W – 0,10% a 25%; Cr, Co e C alto
- aços resistentes à corrosão e ao calor
- requisito – resistir à formação da camada de óxido em temp. amb ou elevada
- Cr – 10 a 35%; Ni
Materiais para Construção Mecânica Classificação dos aços
Classificação quanto à aplicação:
- aços de construção
- componentes industriais
- laminados à quente ou forjados (s/TT) – estruturas metálicas e peças em geral
- c/TT em aços C – aços de elevada RM, aços para cementação e nitretação, aços para molas
- aços para ferramentas e matrizes
- compreendem: - aços ao C temperáveis em H2O
- aços resistentes ao choque
- aços para trabalho à frio e à quente
Materiais para Construção Mecânica Classificação dos aços
Classificação quanto à aplicação:
- aços inoxidáveis e resistentes ao calor
aços inoxidáveis
aços refratários – resistência à fluência a quente
- aços com características especiais
- aços para imãs permanentes
- aços para núcleos de transformadores
- aços com coeficiente de dilatação definido
martensíticos
ferríticos
austeníticos
Materiais para Construção Mecânica Classificação dos aços
Classificação quanto à microestrutura:
- ferríticos: não endurecíveis
- perlíticos: baixa liga; podem ter ferrita ou cementita
- austeníticos: 20% a 30% elementos de liga (Cr, Ni ou Mn),
alta estabilidade da austenita
- martensíticos: elementos de liga deslocam a curva TTT para
a direita
- cementíticos: alto teor de C, resultando alto teor de
carbonetos
Materiais para Construção Mecânica Classificação dos aços
Classificação quanto ao processo de fabricação:
- Aços Bessemer
- aços LD
- aços elétricos
- etc
Aços alta liga e alta qualidade – obtidos em fornos elétricos
Aços de conversores – qualidade inferior
Materiais para Construção Mecânica Classificação dos aços
Classificação quanto a marca registrada:
são classificados com a identificação do fabricante e com
codificação peculir a cada fabricante em particular
Materiais para Construção Mecânica Classificação dos aços
Classificação quanto a Normas Técnicas:
ABNT – norma brasileira
SAE - AISI – normas americanas
DIN - norma alemã
Materiais para Construção Mecânica Classificação dos aços
Classificação quanto a Normas Técnicas:
ABNT – norma brasileira
- NBR 6006 – classifica as aços-carbono e aços de baixo teor
de liga – critérios adotados pela AISI e SAE
Aços-carbono: %Si e %Mn não ultrapassam 0,6%Si e 1,65%Mn
Também são considerados os teores:
Max 0,1% Al, mín 0,0005%B, max 0,3%Cu ou mx 0,35%Pb
Se adicionados elementos como Se, Te, Bi (melhoram
usinabilidade) e Nb ainda são aços-carbono.
Aços-liga: possuem outros elementos de liga
Materiais para Construção Mecânica Classificação dos aços
Classificação quanto a Normas Técnicas:
SAE – Society of Automotive Engineers
AISI – American Iron and Steel Institute
UNS – Unifield Numbering System
Letras XX ou XXX – cifras indicadoras dos teores de carbono
Ex.: classe 1023 – AISI-SAE – aço carbono com 0,23% C
G10230 – UNS – mesmo teor de carbono
Designações coincidem
Materiais para Construção Mecânica Classificação dos aços
Classificação quanto a Normas Técnicas:
dois primeiros algarismos: diferenciam os vários tipos
de aços entre si, pela presença ou somente de Carbono como
principal elemento de liga (além das impurezas) ou de outro
elemento de liga, como Ni e Cr, além do C.
10 – aço ao carbono
11 – aços de fácil usinagem com alto enxofre
40 – aços ao molibdênio, com 0,25% de Mo em média
Materiais para Construção Mecânica Classificação dos aços
Classificação quanto a Normas Técnicas:
dois primeiros algarismos: diferenciam os vários tipos
de aços entre si, pela presença ou somente de Carbono como
principal elemento de liga (além das impurezas) ou de outro
elemento de liga, como Ni e Cr, além do C.
10 – aço ao carbono
11 – aços de fácil usinagem com alto enxofre
40 – aços ao molibdênio, com 0,25% de Mo em média
Materiais para Construção Mecânica Classificação dos aços
Classificação quanto a Normas Técnicas:
SAE-AISI
Materiais para Construção Mecânica Classificação dos aços
Classificação quanto a Normas Técnicas:
Materiais para Construção Mecânica Classificação dos aços
Classificação quanto a Normas Técnicas:
DIN
Critérios diferenciados:
DIN 17100 – “aços para construção em geral” –
Ex.: em função do limite de resistência à tração:
St 42 – aço com limite de resist. à tração entre 42 e 50 kgf/mm2
St 60 – limite de resistência à tração entre 60 e 72 kgf/mm2
DIN 17200 – classificação de acordo com a composição química
C35 – aço-carbono com 0,35% C
Materiais para Construção Mecânica Elementos de liga
Distribuição dos elementos de liga em aços ligados
modo de distribuição: tendência de cada elemento em formar
compostos e carbonetos
Ni – dissolve-se na ferrita do aço – tem menor tendência em
formar carbonetos do que o ferro
Si – combina-se em pequena quantidade com o oxigênio
presente no aço – forma inclusões não metálicas
de modo geral, dissolve-se na ferrita
Mn – a maior parte dissolve-se na ferrita; alguma quantidade
pode formar carbonetos e e entrar usualmente na cementita
formando (Fe, Mn)3C
Materiais para Construção Mecânica Elementos de liga
Distribuição dos elementos de liga em aços ligados
Cr – tem maior tendência em formar carbonetos do que o ferro;
distribui-se entre as fases ferrita e carbonetos
depende da quantidade de carbono e ausência de elementos
formadores de carbonetos como Ti e Nb
W e Mo – combinam-se com o carbono, formando carbonetos se
quantidade de carbono for suficiente e se não estiverem
presentes elementos como Ti e Nb
Materiais para Construção Mecânica Elementos de liga
Distribuição dos elementos de liga em aços ligados
Materiais para Construção Mecânica Elementos de liga
Efeito dos elementos de liga na temperatura eutetóide dos aços
Elementos de liga podem provocar aumento ou diminuição da temperatura eutetóide do diagrama Fe-C
Mn e Ni – biaxam a temperatura – elementos estabilizadores da austenita
W, Mo e Ti – aumentam a temperatura – reduzem o domínio austenítico
Materiais para Construção Mecânica Elementos de liga
Efeito dos elementos de liga na temperatura eutetóide dos aços
Efeito de 6% de manganês na porção eutetóide de um diagrama de fases Fe - Fe3C
Materiais para Construção Mecânica
Aços InoxidáveisCorrosão – ataque gradual e contínuo de um metal pelo meio circunvizinho que pode ser
atmosfera mais ou menos contaminada das cidades
atmosferas contaminadas de cloretos em regiões próximas ao mar
meio químico qualquer, líquido ou gasoso
É uma tendência à reversão a formas mais estáveis como se encontram na natureza (minérios)
Praticamente todos os ambientes são corrosivos, em maior ou menor grau:
- água - solo - gases - solos
Efeitos da corrosão
- má aparência
- altos custos de operação e manutenção
- colapso de peças ou instalações
- perdas de produtos de explosão
Materiais para Construção Mecânica
Aços Inoxidáveis
Materiais para Construção Mecânica Aços inoxidáveis
Aços Inoxidáveis
Velocidade de corrosão típicas em diversos aços em águas tropicais
Materiais para Construção Mecânica Aços inoxidáveis
Guia de prevenção de
corrosão de aços-carbono
em alguns ambientes
Materiais para Construção Mecânica Aços inoxidáveis
Aços Inoxidáveis
Passividade dos aços-cromo expostos durante 10 anos a uma atmosfera industrial
Materiais para Construção Mecânica Aços inoxidáveis
Aços Inoxidáveis
Efeito do cromo na resistência dos aços à oxidação a altas temperaturas – Curva: penetração da oxidação em cubos de ½” aquecidos durante 48h a 1000ºC ao ar.
Materiais para Construção Mecânica Aços inoxidáveis
Aços Inoxidáveis
Efeito do teor de carbono sobre a corrosão de aço inoxidável 18-8 tratado termicamente de modo a produzir a máxima precipitação de carbonetos
Materiais para Construção Mecânica
Aços Inoxidáveis
Corrosão nas ligas ferrosas – maior importância
Passividade – propriedade típica de certos metais e ligas em permanecerem
inalterados no meio circunvizinho
Admite-se que é resultado da formação de uma camada de óxido quando o metal é
exposto ao meio agressivo
Pode-se tornar um aço passivo com a adição de elementos, principalmente o Cr
- camada de óxido de cromo de espessura inferior a 0,02m confere res. à corrosão
- aços tornados passivos pela adição Cr – aços inoxidáveis
Materiais para Construção Mecânica
Aços Inoxidáveis
PASSIVIDADE depende:
1. Composição química
2. Condições de oxidação
3. Susceptibilidade à corrosão localizada (pitting)
4. Susceptibiliade à corrosão intergranular
Composição química:
Cr – elemento mais importante
10% para atingir a passividade
20% a 30% - passividade completa
Ni – melhora a resistência à corrosão em soluções neutras de cloretos ou ácidos pouco oxidantes
- melhora propriedades mecânicas
- teores mínimos: 6% a 7%
Materiais para Construção Mecânica
Aços Inoxidáveis
Composição química:
Cu, Mo, Si – conferem resistência à temperaturas elevadas
Ti, Nb – para evitar corrosão intergranular
Condições de oxidação
A velocidade de ataque depende da capacidade oxidante do meio
- meios oxidantes – tornam a liga passiva
- meios redutores – destroem a liga
Aços inoxidáveis: suportam bem o HNO3 são atacados pelo HCl e HF
Materiais para Construção Mecânica
Aços Inoxidáveis
Susceptibilidade à corrosão localizada (pitting):
São sujeitos a corrosão em pontos que, uma vez iniciada, progride em profundidade, chegando a causar orifícios que podem perfurar o metal
- causada pelo íon Cl-
- aço inoxidável – atacado por HCl, cloretos (Fe, Cu, metais alcalinos, metais alcalinos terrosos) ou até atmosfera salina
Proteção:
- adição de Mo
- bom acabamento superficial
- passivação em HNO3 – 20% à quente
- tratamenro térmico correto
Materiais para Construção Mecânica
Aços Inoxidáveis
Susceptibilidade à corrosão intergranular:
- aços inoxidáveis austeníticos – aquecidos entre 400ºC a 900ºC, (mesmo por segundos):
podem apresentar precipitação de carbonetos de Cr nas regiões do contorno de grão
- regiões adjacentes – empobrecidas em Cr – sensitizado
- material sensitizado – sujeito à corrosão intergranular
Proteção:
- Reaquecimento a 950-1150ºC c/ resfriamento rápido – redissolução dos carbonetos
- Teor de C inferior a 0,03% (torna-se ineficaz na formação dos carbonetos)
- Aços estabilizados com Ti ou Nb – maior afinidade com o C
Provoca a desintegração total da peça após exposição em
solução corrosiva
Materiais para Construção Mecânica
Aços Inoxidáveis
Outros fatores
- Condição da superfície
- fissuras
- fenômeno de natureza galvânica
- corrosão sob tensão
Materiais para Construção Mecânica
Aços Inoxidáveis
Classificação dos aços inoxidáveis
– Microestrutura à temperatura ambiente
i) Martensíticos – endurecíveis – Fe, C e Cr
ii) Ferríticos – não endurecíveis – Fe, C e Cr
iii) Austeníticos – não endurecíveis – Fe, C, Cr e Ni
Materiais para Construção Mecânica
Aços Inoxidáveis
MARTENSÍTICOS
Cr – 11,5% a 18%
Tornam-se martensíticos e endurecem por têmpera
Características:
- Ferromagnéticos
- Trabalháveis à frio e a quente
- Não sofrem corrosão intergranular
- Resistência moderada à corrosão (aumenta o %C, deve-se aumentar %Cr)
- Alta dureza e resistência à quente
- Têmpera melhora a resistência à corrosão – evita precipitação por carbonetos
Materiais para Construção Mecânica Aços inoxidáveis
Aços InoxidáveisAços inoxidáveis martensíticos
Tipos de aços:
1) Tipo turbina: até 0,2%C
boas prop. Mecânicas e resis. à corrosão relativamente elevada
SAE ou AISI – 403, 410, 416, 431
Materiais para Construção Mecânica Aços inoxidáveis
Aços InoxidáveisAços inoxidáveis martensíticos
Tipos de aços:
2) Tipo cutelaria: 0,2% a 0,6%C
dureza satisfatória e razoável ductilidade
SAE ou AISI – 420, 420F
3) Tipo resistente ao desgaste: %C > 0,6%
alta dureza e ductilidade reduzida
SAE ou AISI – 440A, 440B, 440C
Exemplos de Aplicações:
- Lâminas de turbina e compressor - Eixos de bombas
- Parafusos, buchas, válvulas, porcas - peças p/aviões e indústria
laticínios
- instrumentos cirúrgicos e dentários - mancais de esfera
Materiais para Construção Mecânica
Aços InoxidáveisFERRÍTICOS
Cr – 11% a 27%
%C < 0,35%
- Estrutura inteiramente ferrítica para qualquer velocidade de resfriamento
- Não ocorrem mudanças de fases – formação grãos grosseiros – refino grão deformação à quente (raramente possível)
- Adição de Ti – diminui essa tendência
- Melhor resistência à corrosão entre os aços-Cr
Características:
- Ferromagnéticos
- Trabalháveis à frio e a quente
- Resistência à corrosão sob tensão e atmosférica
- Boa soldabilidade
- Baixa dureza
- Baixa resistência ao choque
Materiais para Construção Mecânica Aços inoxidáveis
Aços InoxidáveisAços inoxidáveis ferríticos
Tipos de aços:
SAE ou AISI – 406, 409, 430, 442, 443, 446
Aplicações:
- Tubos de radiadores - caldeiras - sistemas de exaustão de automóveis
- equipamentos p/indústria química e cozinha - partes de fornos e
queimadores
Materiais para Construção Mecânica
Aços Inoxidáveis
AUSTENÍTICOS
Cr – 16% a 26% Ni – 6% a 22%
Características:
- Não magnéticos
- Não endurecíveis (austeníticos)
- Dureza – aumentada por encruamento (instabilidade austenita e tensões de encruamento
- Reaquecimento do aço em temperaturas moderadas restaura a austenita
- Susceptíveis corrosão intergranular (Ti e Nb – evitar a corrosão)
- Resistência à corrosão superior
- AUSTENITIZAÇÃO – aquec. ~1000º - 1200ºC – resfriamento rápido à temp. amb.
Materiais para Construção Mecânica Aços inoxidáveis
Aços InoxidáveisAços inoxidáveis austeníticos
Materiais para Construção Mecânica Aços inoxidáveis
Aços InoxidáveisAços inoxidáveis austeníticos (cont.)
Tipos de aços:
SAE ou AISI – 301, 302, 304, 321, 347, 316, 317, 309, 310
Aplicações:
- ornamentação - utensílios domésticos - equip. p/indústria química
- equip. p/indústria de alimentos - implantes cirúrgicos
- eletrodos de solda - peças de forno e estufa
Materiais para Construção Mecânica Aços inoxidáveis
Aços Inoxidáveis
Aspecto micrográfico de aço inoxidável austenítico tipo 18-8, mostrnado zona superficial de
corrosão intergranular. Sem ataque. 100x.
Núcleo não corroído do mesmo aço. Verifica-se estrutura normal de aço
inoxidável austenítico. Ataque: percloreto de ferro. 100X.
Materiais para Construção Mecânica Aços inoxidáveis
Aços Inoxidáveis
Seleção de ligas inoxidáveis de alta tecnologia
Engenharia de MateriaisEngenharia de Materiais
Degradação dos Materiais em Degradação dos Materiais em
UsoUso
Caio Marques – abril de 2010Caio Marques – abril de 2010
6-1 Introdução6-1 Introdução
6-2 Corrosão e Oxidação 6-2 Corrosão e Oxidação
6-3 Desgaste6-3 Desgaste
6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO
6.1 INTRODUÇÃO6.1 INTRODUÇÃO
Categorias dos materiais metal, cerâmico e polímero
aplicação
devido ao tipo de propriedades definidas na estrutura
Uso degradação ou colapso dos materiais
selecionar o melhor material para determinada aplicação,que suporte maiores esforços mecânicos e interação com o meio
6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO
6.1 INTRODUÇÃO6.1 INTRODUÇÃO
Ação do meio sobre o material:CORROSÃO – ATAQUE ELETROQUÍMICOOXIDAÇÃO – ATAQUE QUÍMICODESGASTE – ATAQUE FÍSICO
6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO
Isto ocorre porque nenhum material é totalmente inerte a qualquer ambiente. Conseqüência: degradação do material
6.2 CORROSÃO E OXIDAÇÃO
Oxidação reação química direta entre metal e oxigênio da atmosfera (também N, S, etc.): pode limitar a aplicação do material
Óxido sobre o metal: 1. protege
2. facilita a oxidação contínua
Estabilidade: óxidos metálicos têm maior estabilidade (maior energia de ligação ponto de fusão mais elevado) em relação ao metal puro
Exemplo: PF do Al 660°C PF do Al2O3 2054°C
6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO
6.2.1 Oxidação - Ataque químico da atmosfera
6.2 CORROSÃO E OXIDAÇÃO
Existem 4 mecanismos possíveis na oxidação de metais:
A. Formação de um óxido poroso, não protetor;
B. Filme não poroso: o cátion difunde-se pelo filme e reage com o oxigênio na interface óxido-meio;
C. Filme não poroso: íons O-2 reage na interface metal-óxido;
D. Filme não poroso onde cátions e ânions se difundem simultaneamente, quase a mesma taxa, e reagindo dentro da camada
6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO
6.2.1 Oxidação - Ataque Direto da Atmosfera
6.2 CORROSÃO E OXIDAÇÃO
TAXA DE OXIDAÇÃO
A. Filme não protetor: filme de óxido poroso através do qual o O2 pode passar continuamente e reagir na interface metal-óxido: crescimento do filme à taxa constate
6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO
6.2.1 Oxidação - Ataque Direto da Atmosfera
dy = C1
dty = C1t + C2
onde:
C2 = y para t = 0
CRESCIMENTO LINEAR DA TAXA
6.2 CORROSÃO E OXIDAÇÃO
B-C-D. Um filme não poroso através do qual os íons se difundem de forma a reagir com o oxigênio na face externa (óxido-meio) ou no interior ou na interface óxido-metal: razão de crescimento da camada diminui com o crescimento da espessura do filme óxido
LEI DE FICK
6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO
6.2.1 Oxidação - Ataque Direto da Atmosfera
dy = C3 1dt y
y2 = C4t + C5
onde:
C5 = y2 para t = 0
TAXA DE CRESCIMENTO PARABÓLICA, COM CAMADA DENSA E UNIFORME
Depende da difusão
6.2 CORROSÃO E OXIDAÇÃO
Comparação entre o crescimento linear e o parabólico
6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO
6.2.1 Oxidação - Ataque Direto da Atmosfera
NÃO PROTETOR
PODE SER PROTETOR
6.2 CORROSÃO E OXIDAÇÃO
Como saber se um metal forma uma camada protetora de óxido?
LEI DE PILLING-BEDWORTHLEI DE PILLING-BEDWORTH
descreve a tendência de um metal formar ou não uma camada protetora
6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO
6.2.1 Oxidação - Ataque Direto da Atmosfera
R = M . d a . m . D
onde:M = massa do óxidoD = densidade do óxidom = massa do metald = densidade do metala = n° de átomos do metal
6.2 CORROSÃO E OXIDAÇÃO
LEI DE PILLING-BEDWORTHLEI DE PILLING-BEDWORTH
6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO
6.2.1 Oxidação - Ataque Direto da Atmosfera
R = M . d a . m . D
R < 1 o volume de óxido tende a ser insuficiente para cobrir o substrato metálico, tendendo a formar um substrato poroso e não protetor
R > 2 espalhamento do óxido deixando a superfície porosa, formando uma camada não protetora
1 < R < 2 pode ser criada uma camada protetora
6.2 CORROSÃO E OXIDAÇÃO
LEI DE PILLING-BEDWORTHLEI DE PILLING-BEDWORTH
6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO
6.2.1 Oxidação - Ataque Direto da Atmosfera
Óxidos protetores Óxidos não-protetores
Be - 1,59 Li 0,57Cu - 1,68 Na - 0,57Al - 1,28 K - 0,45Si - 2,27 Ag - 1,59Cr - 1,99 Cd - 1,21Mn - 1,79 Ti - 1,95Fe - 1,77 Mo - 3,40Co - 1,99 Hf - 2,61Ni - 1,52 Sb - 2,35Pd - 1,60 W - 3,40Pb - 1,40 Ta - 2,33Ce - 1,16 U - 3,05
Razão de Pilling-Bedworth para vários metais
6.2 CORROSÃO E OXIDAÇÃO
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6.2.2 Corrosão aquosa - Ataque eletroquímico
Força motriz
concentração de íons na solução
Reação anódica
Fe° Fe2+ + 2e-
Reação catódica
Fe2+ + 2e- Fe°
6.2 CORROSÃO E OXIDAÇÃO
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6.2.2 Corrosão aquosa - Ataque eletroquímico
Rotação de um disco de latão (liga CuZn) em uma solução aquosa contendo íons de Cu+2, produzindo um gradiente na concentração iônica
próxima a superfície.
6.2 CORROSÃO E OXIDAÇÃO
6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO
6.2.2 Corrosão aquosa - Ataque eletroquímico
6.2 CORROSÃO E OXIDAÇÃO
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6.2.3 Corrosão galvânica de dois metais Força motriz
diferente tendência que estes metais têm de se ionizar
Quanto menor o potencial de redução mais ativo é o metal, e
mais anódico
sujeito à corrosão
Menos ativomais nobremais catódico
Mais ativomenos nobremais anódico
6.2 CORROSÃO E OXIDAÇÃO
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6.2.3 Corrosão galvânica de dois metais
Equilíbrio Potencial de eletrodoMetal - metal vs eletrodo de H a 25°C (V)
Au - Au3+ +1.498 Pt - Pt2+ +1.2 Pd - Pd2+ +0.987 Ag - Ag+ +0.799 H2 - H+ 0.000 Al - Al3+ -1.662 Mg - Mg2+ -2.363 Na - Na+ -2.174 K - K+ -2.925
Menos ativomais nobremais catódico
Mais ativomenos nobremais anódico
6.2 CORROSÃO E OXIDAÇÃO
6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO
6.2.3 Corrosão galvânica de dois metais Pode ocorrer em meio aquoso diferenciado, por exemplo água do mar, e além disso, entre ligas metálicas diferentes.
Nobre oucatódico
Ativo ou anódico
Série galvânica da água do marPlatinaGrafitePrataInconel(passivo) (80 Ni, 13 Cr, 7 Fe)Níquel (passivo)EstanhoChumboSolda chumbo estanhoLigas de magnésio
6.2 CORROSÃO E OXIDAÇÃO
6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO
6.2.3 Corrosão galvânica de dois metais
Parafuso de aço em uma placa de latão criando uma célula galvânica
6.2 CORROSÃO E OXIDAÇÃO
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6.2.4 Corrosão por redução gasosaDuas moléculas de água são consumidas por 4 e- no circuito externo para reduzir a molécula de oxigênio para 4 íons OH.
Fe do cátodo é fonte de elétrons
Reação anódica
O2 + 2H2O +4e- 4 OH-
6.2 CORROSÃO E OXIDAÇÃO
6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO
6.2.4 Corrosão por redução gasosa
Vários exemplos práticos de corrosão devido a concentração de oxigênio na célula
6.2 CORROSÃO E OXIDAÇÃO
6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO
6.2.5 Efeito da tensão mecânica sobre a corrosão
Regiões de alta tensão são anódicas em relação a regiões de baixa tensão
Logo, um estado de mais alta energia de um metal
tensionado em relação ao de menor energia induz a uma
barreira de ionização
6.2 CORROSÃO E OXIDAÇÃO
6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO
6.2.5 Efeito da tensão mecânica sobre a corrosão Exemplo: prego dobrado, ou devido a
própria fabricação de um prego, observa-se zonas tensionadas, sujeitas à corrosão
Em uma microestrutura os contornos de grão são regiões de mais alta energia, logo são mais susceptíveis para acelerar o ataque à corrosão e
desenvolvê-la
6.2 CORROSÃO E OXIDAÇÃO
6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO
6.2.6 Prevenção contra à corrosão1. Selecionar os materiais de acordo com sua aplicação
p. ex.: para não formar um par galvânico
2. O projeto deve ser executado de forma que não ocorram regiões tensionadas, mais propícias à corrrosão
3. Utilizar revestimentos protetores, modificando a superfície do material. Os revestimentos podem ser:
- metálicos: ex. cromagem, zincagem - cerâmicos: ex. esmaltação, aspersão térmica - polímeros: ex. pintura com base polimérica
4. Pode-se ainda utilizar como método de prevenção à corrosão:- ânodo de sacrifício- corrente imposta (impressa)- aço inox com cromo
6.2 CORROSÃO E OXIDAÇÃO
6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO
6.2.6 Prevenção contra à corrosão3. Exemplos de utilização de revestimentos protetores
(a) aço galvanizado consiste de um revestimento de zinco sobre o substrato de aço
(b) contraste: um revestimento mais nobre como placas de estanho é protegida pelo aço.
6.2 CORROSÃO E OXIDAÇÃO
6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO
6.2.6 Prevenção contra à corrosãoÂNODO DE SACRIFÍCIO
Exemplo: em navios, onde placas de Zn ou Mg oxidam e protegem o metal
6.2 CORROSÃO E OXIDAÇÃO
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6.2.6 Prevenção contra à corrosãoCORRENTE IMPOSTAPara não haver migração de elétrons no sentido normal da reação
Corrosão externa de fundos de tanques de armazenamento de óleo cru e derivados: aplicação da proteção catódica ao fundo externo apresenta certas limitações. Uma forma de viabilizar a proteção catódica externa de tanques sobre concreto armado é a utilização de fundo duplo que consiste na colocação de um novo fundo metálico a uma distância pré-determinada do fundo original no qual são dispostos os anodos. proteção catódica por corrente impressa, sendo o fundo original isolado eletricamente do fundo novo e do costado, e o espaçamento entre os dois fundos preenchido com areia lavada.
CERÂMICOS
- não tem e- livres difícil par galvânico
- são mais estáveis no meio
- susceptível à corrosão devido a H2O na fadiga estática
- corrosão à quente em cerâmicos termocorrosão (materiais refratários)
6.2 CORROSÃO E OXIDAÇÃO
6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO
6.2.7 Degradação química de Cerâmicos e Polímeros
POLÍMEROS
Degradam em presença de O2 e com ultravioleta
enfraquecimento e quebra das grandes cadeias (moléculas)
Exemplo: borracha não vulcanizada (corrosão por solventes orgânicos)
6.2 CORROSÃO E OXIDAÇÃO
6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO
6.2.7 Degradação química de Cerâmicos e Polímeros
Segundo os fenômenos de desgaste do material, pode-se classificá-lo como:
ABRASIVO
ADESIVO
EROSÃO
CAVITAÇÃO
6.4 DESGASTE
6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO
Desgaste não depende somente da partícula que está desgastando mas também da superfície desgastada e do meio:
SISTEMA TRIBOLÓGICO
ABRASIVO
Superfície dura sobre uma mais mole, ocorrendo a perda de material desta segunda superfície.
Ex.: Usinagem
6.4 DESGASTE
6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO
ADESIVO
Duas superfícies de contato deslizando uma sobre a outra, resultando no arrancamento de partículas
V = k P x 3 H
V = volume de material desgastadok = coeficiente de atrito entre superfíciesx = distância de deslocamento relativoP = cargaH = dureza da superfície atacada
6.4 DESGASTE6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO
Deslizamento de um disco de cobre contra um pino de aço 1020
produzindo partículas desgastadas irregulares
EROSÃO
Jato de partículas sobre uma superfície
Ex.: jato de areia Depende de inúmeras variáveis:
ângulo de ataque
velocidade das partículas
dureza
6.4 DESGASTE
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Variação da erosão com o ângulo de impacto para o alumínio e a alumina erodidos por partículas de carbeto de silício, demonstrando o comportamento característico de materiais dúcteis e frágeis.
CAVITAÇÃO
Colapso de bolhas causa desgaste e a superfície fica com aspecto polida, porém côncava.
Ex.: desgaste interno de dutos
6.4 DESGASTE
6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO