View
8
Download
0
Category
Preview:
DESCRIPTION
Fundamento de processamento de materiais
Citation preview
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINACurso de Graduao em Engenharia de Materiais
Fundamentos de Processamento de Materiais
EMC 5741
Objetivo geral:
Ao final do curso o aluno dever estar apto a conhecer e interrelacionarconceitos de processamento de materiais metlicos, cermicos e
polimricos.
Plano de Aula
Objetivos especficos:
Ao final de cada unidade do programa o aluno dever estar apto a entender conceitos sobre:
Estrutura e propriedades dos materiais;Solidificao de metais;Sinterizao de metais e cermicas;Estrutura, processamento, propriedades e aplicaes de materiais vtreos: vidros, vitrocermicos e vidrados;
Sntese de polmeros.
Plano de Aula
Plano de Aula
Metodologia:
A aula ser expositiva, com a utilizao de quadro/canetahidrogrfica, data-show e filmes. Amostras de materiaiscermicos sero apresentadas no decorrer da aula,relacionando-as com suas propriedades e aplicaes.Ser tambm distribuda, ao longo do curso, lista deexerccios.
Plano de Aula
Avaliao de aprendizagem
Sero aplicadas duas avaliaes e sero distribudas duas listas de exerccios a ttulo de orientao para estudo.Avaliao 1: Estrutura e propriedades dos materiais: introduo;Solidificao de metais;Sinterizao de metais e cermicas;Avaliao 2:Estrutura, processamento, propriedades e aplicaes de materiais vtreos: vidros, vitrocermicos
e vidrados; Sntese de polmeros: introduo.
Nota Final 1: (Avaliao 1 + Avaliao 2)/2 6 : Aprovado;Nota Final 1: (Avaliao 1 + Avaliao 2)/2 6 : Avaliao de Recuperao (sobre toda a matria);Nota Final 2: (Nota Final 2 +Avaliao de Recuperao)/2 6: Aprovado;
Nota Final 2: (Nota Final 2 + Avaliao de Recuperao)/2 6: Reprovado.
Plano de Aula
Observao:
O aluno que tenha, por qualquer motivo, faltado a qualquer das avaliaesaplicadas, dever, dentro de 72h, contados a partir da data de realizao daavaliao, dirigir-se ao Departamento de Engenharia Mecnica da UFSC paraapresentar justificativa fundamentada. A no apresentao de justificativa ou ano aceitao da mesma, por parte do Departamento de Engenharia Mecnica,acarretar em nota zero (0,0).
Bibliografia
CALLISTER JR, W. D. Materials Science and Engineering An Introduction. 4th ed. New York, Willey, 1996.
CHIAVERINI, V. Tecnologia Mecnica: Materiais de Construo Mecnica, Volume III, Segunda Edio, McGraw-Hill, So Paulo, 1986.
SMITH, W.F. Principles of materials science and engineering 3rd.,ed. New York, McGraw-Hill,1996.
FIGUEIRA, M.E. Introduo Cincia e Tecnologia do Vidro.Universidade Aberta, Lisboa (Portugal), 1999.
STRNAD, Z. Glass-Ceramic Materials - Glass Science and Technology 8. Elsevier, New York, 1996.
HEVIA, R.; CENTRITTO, N.; NOVAES de OLIVEIRA, A.P.; BERNARDINI, A.M.; DURN, A. Introduccin a los Esmaltes Cermicos. Editora: Faenza Editrice Ibrica, Castelln Espanha, 2002.
processamento
propriedadesestrutura
Processamento, estrutura, propriedades
Aplicaes
ESTRUTURA E PROPRIEDADESCermica, metal, polmero
Material
Estrutura Propriedades
LigaoCristali-nidade
EstabilidadeConduti-bilidade
Mecnica
CermicoInica,
covalenteAmorfa, cristalina
Alta Mdia Mdia
Metlico Metlica Cristalina Mdia Alta Alta
PolimricoCovalente,
van der Waals
Amorfa,
semicristalinaBaixa Baixa Baixa
Ligaes atmicas
Ligaes primrias (~100 kcal/mol):
metlica: nuvens de eltrons
inica: doao/recepo de eltrons
covalente: compartilhamento de eltrons
Ligaes secundrias (
Materiais cristalinos e amorfos
Materiais cristalinos: slidos que apresentam ordem de longo alcance (periodicidade maior que comprimento de ligaes)
Monocristalinos
Policristalinos (contornos de gros)
Materiais amorfos, vtreos, no-cristalinos: slidos que no apresentam ordem de longo alcance
Estruturas cristalinas e amorfas
Cristalina Amorfa
Estabilidade trmica e qumica
Degrada com solventes, altas temperaturas
Polmero
Resistente a corroso, oxidao, altas temperaturas
Cermica
Suscetvel a corroso, oxidaoMetal
CaractersticaMaterial
Condutividade eltrica
108 a 1017Polmero
10-6 a 1018Cermica
10-8 a 10-7Metal
Resistividade eltrica (ohm-m)Material
Condutividade trmica
0,01 a 0,5Polmero
1 a 500Cermica
10 a 400Metal
Condutividade trmica (W/m-K)Material
Mdulo de elasticidade
0,002 a 5Polmero
60 a 430Cermica
30 a 400Metal
Mdulo de elasticidade (GPa)Material
Resistncia mecnica
1 a 70Polmero
100 a 1000Cermica
100 a 1700Metal
Resistncia mec. sob trao (MPa)Material
Deformao
1 a 1400Polmero
-Cermica
1 a 60Metal
Deformao na ruptura (%)Material
Tenacidade fratura
0,5 a 6Polmero
0,5 a 6Cermica
20 a 90Metal
Tenacidade fratura (MPa-m-1/2)Material
Processo de fabricao do ao
Ao - Definio: Liga ferro carbono (0,008-2% C)contendo baixos teores de elementos qumicos (Mn,Si, P, S ) residuais do processo de fabricao Aocarbono. Quando os teores de alguns elementosqumicos (inclusive os residuais) esto acima dosteores residuais os aos so classificados comoligados.
Fluxograma bsico do processode fabricao de ao
Carvo
Calcrio
Minrio de Ferro
Coqueria
Moagem e
Peneiramento
Beneficiamento
Alto Forno
Fundio deFerro fundido
Ferro Gusa
Conversor
Ao
Matrias-primas
Minrios de ferro: Magnetita (Fe3O4) : 72,4% Fe; Hematita ( Fe2O3) : 69,9% Fe; Limonita (2Fe2O3.3H2O) : 48,3% Fe.
Carvo: Como combustvel; Redutor do minrio de ferro; Fornecedor de carbono.
Composio qumica:Cinzas: 7,16%Carbono total: 79,41%Hidrognio: 5,14%Nitrognio: 1,46Oxignio: 5,81%Enxofre: 1,02% Fsforo: 0,005%
Matrias-primas
Calcrio (CaCO3):
Fundente bsico reage com impurezas do Ferro e Carvo (cidos) diminuindo seus pontos de fuso e formando escria.
Composio qumica:
CaO: 48%
MgO: 10%
SiO2: 5%
Al2O3: 1,5%
P: 0,05%
S: 0,05%
Fe: 3%
Gs de alto-forno(CO2, CO, H2, N2)
Poeira
Ar comprimido2000/2500 t
Ferro Gusa1000 t
Escria200/400 t
Minrio de Fe: 1560 t;Minrio de Mn: 23 t;
Coque: 800 t;Calcrio: 350 t;
Produo do Ferro Gusa: Alto-FornoSeo transversal de um alto-forno
Produo de Ferro Gusa: Alto Forno
Produtos do alto-forno:
Ferro Gusa 3-4,5% C; 0,5-4% Si; 0,5-2,5% Mn; 0,05-2,0% P; 0,20% S
Escria 29-38% SiO2; 10-22% Al2O3; 44-48% CaO + MgO;
1-3% FeO + MnO; 3-4% CaS
Gs 13% CO2; 27% CO; 3% H2; 57% N2
Obteno do Ao / Conversor LD
Seo transversal esquemtica de um conversor LD utilizando insuflao de oxignio pelo topo.
Obteno do Ao/ConversorPrincipais Reaes
2Fe + O2 2FeO
2FeO + Si SiO2 + 2Fe
FeO + Mn MnO + Fe
FeO + C Fe + CO
FeS + Mn MnS + Fe
3FeO + 2Al Al2O3 + 3Fe
Fabricao de Metais e Ligas
Metais/Ligas Fundio Forma final
Forma semifinal Conformao* Forma final
*Forjamento, laminao, extruso, trefilao.
Fabricao de Metais e Ligas
Laminao Forjamento
Extruso
Trefilao
Cintica de Solidificao
Temperatura de fuso, Tf (materiais cristalinos)e de transio vtrea, Tg (materiais amorfos ou no
cristalinos).
Cintica de cristalizao
Nucleao e Crescimento de cristais:
Nucleao
Formao de ncleos estveis no fundido
Crescimento
Transformao de ncleos em cristais
Formao de uma estrutura de gros
Solidificao:
Cintica de cristalizao
Cintica de cristalizao
Cintica de cristalizao
Mecanismos de nucleao:
Nucleao homognea
Prprio material fornece tomos para formar ncleos
Subresfriamento usualmente de centenas de graus Celsius
Nucleao heterognea
Presenca de agentes nucleantes: superfcie do recipiente, impurezas insolveis, ou material estrutural
Prtica industrial: subresfriamento de 0,1 a 10C
Cintica de cristalizao
Mecanismos de Cristalizao:
Volumtrica: Nucleao homognea ou heterognea
Superficial: Nucleao heterognea
Cristal de LS Camada cristalina
Vidro
Cristalizao superficialCristalizao volumtrica
Cintica de cristalizao
Mecanismos de
Nucleao:
Cintica de cristalizao
Mecanismo de Nucleao Homognea:
el
2
v
3
hom r4Gr3
4WG
v
el*
G
2r
2
2
m
3
el
2
v
3
el*
homG
V16
G
16W
Cintica de cristalizao
Mecanismo de Nucleao Heterognea:
Cintica de cristalizao
Mecanismo de Nucleao Heterognea:
fW
4
cos2cos1W
4
cos2cos1
G3
16W
*hom
2*hom
2
2
3el*
het
Cos 90 = 0Cos 180 = -1Cos 0 = 1
Cintica de cristalizao
LS: Tn = 450C
LS: Tn = 470C
Cristal de LS
Fase vtrea
N ou I = 1/T
Taxa de Nucleao:
Com agente nucleante
Sem agente nucleante
Cintica de cristalizao
Taxa de Crescimento de Cristais:
Vidro de Slica, cristais de cristobalita
Estruturas de gro
SinterizaoQueima x sinterizao
Queima (firing, coccin, cottura, cozedura): tratamento trmicoem um forno, a que so submetidos produtos a verde, paradesenvolver microestrutura e propriedades desejadas. Divide-seem 3 estgios:
Reaes preliminares
Sinterizao
Resfriamento
Sinterizao: processo de consolidao do produto durante aqueima
Sinterizao
Consolidao implica que dentro do produto aspartculas se uniram em um agregado que possuiresistncia mecnica.
Sinterizao implica geralmente em retrao edensificao. No entanto, alguns produtossinterizados podem ser menos densos do que a verde(ex.: refratrios porosos).
Sinterizao ocorre a partir de a 2/3 datemperatura de fuso, o suficiente para causardifuso atmica ou fluxo viscoso.
Processos de pr-sinterizao
Secagem
Vaporizao de gua combinada
Decomposio de materiais orgnicos
Pirlise (termlise) de aditivos orgnicos
Mudanas no estado de oxidao de ons
Calcinao de carbonatos, sulfatos
Termlise de ligantes: anlise trmica
Extruso: 5,4% vol. aditivo Tape casting: 26,5% vol. aditivo
Decomposio de componentes inorgnicos: anlise trmica
TG
DTA
DTG
Temperatura ()
endot
rmic
oexo
trm
ico
100-200C: perda de gua no-constitucional
450-700C: perda de gua constitucional, formao de metacaulinita
850-1050C: formao de alumina e mulita
Sinterizao:definio e fora motriz
Sinterizao pode ser definida como a remoo dos poros entre as partculas iniciais, acompanhada por retrao da pea combinada com crescimento e formao de ligaes fortes entre partculas adjacentes.
A fora motriz para a sinterizao a reduo da rea superficial (e da energia superficial) obtida pela substituio de um p solto tendo superfcies com alta energia (slido-vapor) por um slido ligado tendo contornos de gro com energia mais baixa.
Sinterizao:processos e controle
Os processos que ocorrem nos compactadoscermicos durante o tratamento trmico aaltas temperaturas so controlados por:
Propriedades do compactado a verde(composio, densidade, porosidade, tamanho eforma de partcula, homogeneidade)
Parmetros de sinterizao (atmosfera, presso etemperatura, incluindo taxas de aquecimento eresfriamento)
Sinterizao: tipos
Sinterizao no estado slido (SSS): somente partculas slidas e poros. Ex.: Al2O3 + 0,5 m% MgO; ZrO2 + 3 m% Y2O3; SiC + 2 m% B4C.
Sinterizao com fase lquida (LPS): trs componentes, mas concentra-se na parte slida (20% lquido). Ex.: cermica branca (porcelana).
Sinterizao: Al2O3 + MgO
Temperatura de queima (C)
Tempo
Sinterizao no estado slido: estgios e caractersticas
Sinterizao inicial: rearranjo das partculas de p eformao de uma ligao forte ou pescoo nos pontos decontato entre partculas; densidade relativa aumenta ~10%.
Sinterizao intermediria: tamanho dos contatos aumenta,porosidade diminui substancialmente e partculas seaproximam levando retrao da pea; contornos de gro(e gros) so formados e crescem lentamente; densidaderelativa pode chegar a ~90%; estgio termina quando osporos esto isolados.
Sinterizao final: poros se fecham e so eliminadoslentamente com pouca densificao; tamanho de groaumenta.
Sinterizao no estado slido: estgios e microestrutura
(a) Partculas soltas de p
(b) Estgio inicial
(c) Estgio intermedirio
(d) Estgio final
Sinterizao no estado slido: transporte de massa
Contorno de gro
(1) Difuso superficial
(2) Difuso volumtrica
(3) Evaporao-condensao
(4) Difuso volumtrica
(5) Difuso volumtrica
(6) Difuso no contorno de gro
a = raio da partcula
x = raio do pescoo
Crescimento de gro: definio e fora motriz
Crescimento de gro o processo pelo qual otamanho mdio de gro de um material (livre detenso ou quase) aumenta continuamente durante otratamento trmico sem uma mudana dadistribuio de tamanho de gro.
Os gros crescem pelo movimento dos contornos. Afora motriz a diferena na energia livre do materialnos dois lados de um contorno de gro, que faz comque o contorno se mova na direo de seu centro decurvatura.
Setas indicam direo de deslocamento de contornos
Crescimento de gro:tipos e direo
Sinterizao com fase lquida: requisitos
Lquido suficiente deve estar presente na temperatura de sinterizao. Para partculas de cerca de 1 m, menos de 1 V% lquido suficiente para cobri-las uniformemente. Usualmente, para partculas maiores, 5-15% usado.
O lquido deve molhar o slido.
O slido deve ser parcialmente solvel no liquido.
Outras variveis importantes :
Tamanho de partcula do p
Grau de mistura
Viscosidade do lquido formado
Sinterizao com fase lquida: estgios e caractersticas
Rearranjo de partculas: formao e fluxo viscoso de um lquido que molha o slido, se espalha e junta as partculas por presso capilar, causando alguma densificao.
Soluo-precipitao: dissoluo de
partculas slidas pequenas no lquido e precipitao nas superfcies slidas de partculas grandes;
contatos partcula-partcula e precipitao em gros no comprimidos;
cantos agudos e precipitao em superfcies cncavas.
Coalescncia: crescimento de gro ocorre de modo a formar um esqueleto slido de partculas.
Sinterizao: diagramas de fase
Sinterizao com fase lquida permanente e transiente
Recommended