Prof. Roberto Monteiro de Barros Filho. jan. 2014

(1)

METAIS

E LIGAS METÁLICAS

P f R b t M t i d B

Filh

(2)

Classificação

(3)

Aplicação

Os metais e as ligas metálicas são

solicitados,

para

determinadas

aplicações, pelas propriedades que

apresentam

(4)

Apresentação

p

Minério: corpo natural sólido e cristalino formado em

resultado da interação de processos físico químicos em

resultado da interação de processos físico-químicos em

ambientes geológicos. Pode ser descrito por uma

fórmula química

fórmula química.

A maioria dos metais apresentam-se na forma de

compostos (ex: minério de ferro

Fe O ) mas podem

compostos (ex: minério de ferro - Fe

₂

O

₃

), mas podem

estar no estado livre com o Au e Ag.

Associação de metais compostos metálicos e ganga

Associação de metais, compostos metálicos e ganga.

Gangas: impurezas presentes nas jazidas minerais que

g

p

j

q

geralmente estão associadas com os metais e seus

compostos.

p

(5)

Apresentação

p

Jazida: “massa de substâncias minerais ou fósseis,

existentes na superfície ou no interior da terra que

existentes na superfície ou no interior da terra, que

venham a ser ou sejam valiosas para mineração.”

Mina: “é a jazida na extensão concedida pelo governo.”

(Materiais de Construção F A Falcão Bauer 1994) (Materiais de Construção - F.A. Falcão Bauer, 1994)

Mineração: processo de obtenção de substâncias

ç

p

ç

(6)

Mineração

1 C lh it

1. Colheita

1.1. céu aberto

1 2 S b

â

1.2. Subterrânea

(7)

Mineração

2. Concentração

2 1 Processos mecânicos

2.1. Processos mecânicos

2.1.1. Trituração ou Fragmentação

2 1 2 Classificação (separação por concentração)

2.1.2. Classificação (separação por concentração)

2.1.3. Levigação (separação em água por densidade)

2.1.4. Flotação (separação em água, óleo e ar por densidade)

2.1.5. Separação Magnética

2.1.6. Lavagem simples

2 1 7 O t

2.1.7. Outros

2 2 Processos químicos

2.2. Processos químicos

2.2.1. Ustulação (aquecimento sob forte jato de ar quente)

2.2.2 Calcinação (sob fogo direto)

ç

(

g

)

(8)

Metalurgia

g

Processo de extração do metal puro a

partir do minério por vários processos:

1. Redução

(mais comum por carbono ou óxido de

b

)

carbono)

2. Precipitação química

p ç

q

(reação química)

(

ç

q

)

3. Eletrólise

(somente para metais possam ser

di

l id

á

)

(9)

A maioria destes materiais apresentam

p

elevados valores de:

Dureza

Condutividade elétrica

Condutividade térmica

Temperatura de fusão

Brilho

Resistência mecânica

(10)

Processos de Fabricação

(11)

Operações de conformação

Forjamento

Conjunto de processos realizados a quente para conformar os metais por esforços mecânicos por prensagem ou martelamento.

(12)

Operações de conformação

Laminação

Conjunto de processos realizados a frio ou a quente para conformar osq p metais forçando-os através de cilindros laminadores para obtenção de chapas

(13)

Operações de conformação

Extrusão

Conjunto de processos realizados a frio ou a quente para conformar os metais forçando-os quente para conformar os metais forçando-os por meio de prensas a passar através de orifícios (matrizes).

(14)

Operações de conformação

Estiramento o Trefilamento

Estiramento ou Trefilamento

Conjunto de processos

realizados a frio para conformar os metais por meio de forças de tração normalmente usados nao a e e usados a fabricação de fios.

(15)

Operações de conformação

Estampagem

Conjunto de processos realizados a frio para conformar os metais por meio de prensas com moldes (matrizes).( )

(16)

Operações de conformação

Estampagem Magnética

O trabalho da equipe do Dr. l h d i id d d

Glenn Daehn, da Universidade de Colúmbia (Estados Unidos) está utilizando magnetismo para conformar chapas de metal em seu aspecto final. Além de ser

mais barato e evitar a geração deg ç _{Dahen chama o processo de estamparia por} sucata.

O processo utiliza o campo magnético para expandir certas

Dahen chama o processo de estamparia por batidas ("bump forming"), porque o campo magnético bate contra o metal em pulsos muito curtos tipicamente de 5 a 20 vezes magnético para expandir certas

porções do metal durante o processo de estamparia.

muito curtos - tipicamente de 5 a 20 vezes em menos do que um segundo - enquanto o metal move-se, conformando-se ao molde.

(17)

Operações de conformação

Fundição

Conjunto de processos para conformar os metais

Fundição

(18)

Alguns Metais

Alumínio

C b

Nióbio

T

ê i

Cobre

Chumbo

Tungstênio

Molibdênio

Titânio

i

Tântalo

Antimônio

(19)

Alumínio

• Alumínio (Al)

Alumínio

Alumínio (Al)

Um dos elementos mais abundantes na terra, porém na maioria das vezes não é economicamente viável como nas argilas (alumínio silicatos).

( )

O minério comumente extraído é a Bauxita na forma de óxido O₂Al₂(HO)₂ ou Al (HO)

Al₂(HO)₃.

O processo metalúrgico para obtenção do metal puro é a Eletrólise.

Muito dúctil, leve e maleável, porém constitui ligas de alta resistência mecânica. Ponto de fusão 660 3 o_C

(20)

• Cobre (Cu)

Cobre

• Cobre (Cu)

O cobre tem sido cada vez mais utilizado em

Cobre

coberturas e fachadas no mundo todo devido a sua beleza, durabilidade e sua imensa

gama de possibilidades arquitetônicas. O Catedral Metropolitana de Porto Alegre

g p q

Chile é o maior produtor de cobre no mundo, país onde a utilização deste material é mais desenvolvida

4t de cobre na cúpula

é mais desenvolvida.

Os minério comumente extraídos são a Calcita Cu₂S, Cuprita CuO₂, Calcopirita Cu₂S.Fe₂S₃, Malaquita e Azurita.

Ponto de fusão 1085 o_C

• Zinabre ou azinhavre:

camada verde de bicarbonato de cobre que f fí i d d b

(21)

Chumbo

• Chumbo (Pb)

O metal é tóxico pesado macio O metal é tóxico, pesado, macio, maleável e comparativamente a outros metais é mal condutor de eletricidade e muito resistente à

ã corrosão.

O minério extraído é a Galeria, PbS.

U d ti t d b

Usado no revestimento de cabos elétricos, fusíveis, baterias de ácido, proteção contra Raio-X e outros.

outros.

(22)

Titânio

• Titânio (Ti)

O titânio foi descoberto em 1791 por William Gregor quando investigava a areia magnética investigava a areia magnética (menachanite) existente em

Menachan na Cornualha.

Denominou-o "menachin".

Três anos mais tarde, M. H.

Klaproth descobriu o que supunha

ser uma nova terra no rutilo. Chamou lhe "titânio" (do latim

Museu Guggenheim em Bilbao. Revestido em chapas de titânio e pedra

Projeto Arq. Canadense Frank Gehry Chamou-lhe titânio (do latim

titans, os filhos da Terra). O metal

foi pela primeira vez isolado numa forma impura por J. J. Berzelius em 1825. Hunter preparou titânio puro em 1910 aquecendo tetracloreto de titânio e sódio numa bomba de aço. P t d f ã 1668 o_C

(23)

Antimônio

• Antimônio (Sb) Elemento químico metálico de símbolo Sb O antimônio é empregado principalmente em ligas metálicas e alguns de seus

d compostos para dar resistência contra o fogo, em pinturas, cerâmicas, esmaltes vulcanização da esmaltes, vulcanização da borracha e fogos de artifício. P t de f ã 630 8 o_C Ponto de fusão 630,8 o_C

(24)

Nióbio

• Nióbio (Nb)

Elemento químico metálico de símbolo Nb.

O nióbio é usado na produção de super-ligas metálicas ferrosas e não ferrosa usadas na fabricação

d f bi

motores de foguetes, turbinas e equipamentos que necessitam de alta resistência à combustão,

aços inoxidáveis de alto Turbinas de jatos e foguetes aços inoxidáveis de alto

desempenho.

O Brasil é responsável por 98% d j id di i e d

das jazidas mundiais sendo as principais em São Gabriel da Cachoeira (AM), Raposa Serra

do Sol (RR) e Araxá (MG) Reator termonuclear Tubulações de alto

desempenho

(25)

Metais Refratários

São metais que possuem temperatura de fusão extremamente

elevadas

elevadas.

Nióbio: Tf 2468ºC;

Molibdênio: Tf 2623 ºC

Tântalo: Tf 3020 ºC;

T

tê i Tf 3410 ºC

Tungstênio: Tf 3410 ºC;

Como aplicações encontramos em: Matrizes de extrusão,

filamento de lâmpadas incandescentes componentes de

filamento de lâmpadas incandescentes,componentes de

aeronaves.

O t

M t i

Outros Metais

(26)

Ligas Metálicas

São materiais que possuem propriedades

metálicas, compostos por dois ou mais

,

p

elementos, sendo pelo menos o maior

constituinte deles um metal

constituinte deles, um metal.

Normalmente as ligas são criadas para

modificar

ou

acrescentar

propriedades

diferentes das propriedades dos metais que a

p p

q

formam.

(27)

Ligas Metálicas

g

Classificação:

1. Mecânicas – cristas dos componentes estão

simplesmente misturados (ex: estanho e chumbo

na solda de funileiro).

2. Soluções sólidas – há interação dos cristais na

solidificação (ex: aço)

solidificação (ex: aço).

3. Compostos químicos – formação de composto

3. Compostos químicos

formação de composto

(28)

Tipos de Ligas Metálicas

• Ligas não-ferrosas

: Não apresentam o

elemento ferro como constituinte.

Ex.: Latão, bronze, zamac, alpaca, ligas de

alumínio

• Ligas Ferrosas

: Apresentam o elemento ferro

como constituinte principal

como constituinte principal.

(29)

Ligas Não-ferrosas

g

• Latão: ligas Cobre-Zinco

M i ili d d d

Muito utilizadas desde a antiguidade.

Alta resistência à corrosão Alta resistência à corrosão em atmosfera ambiente e água do mar.

Produtos são, em geral, obtidos por forjamento ou fundição

(30)

Ligas Não-ferrosas

g

B

li

C b

E t h

• Bronze: liga Cobre-Estanho

Série de ligas metálicasg queq tem como base o cobre e liga principal o estanho e proporções variáveis de outros

l i

elementos como zinco,

alumínio, antimônio, níquel,

fósforo, chumbo entre outros bj ti d bt com o objetivo de obter características superiores a do cobre. O estanho tem a característica de aumentar a característica de aumentar a resistência mecânica e a dureza do cobre sem alterar a sua ductibilidade

O Pensador Auguste Rodin

(31)

Ligas Não-ferrosas

g

• Zamac:

liga de Zinco(Zn), Alumínio (Al),

M

é i (M ) C b (C )

Magnésio (Mg) e Cobre (Cu)

Possui boa resistência à corrosão, tração,ç choques e desgastes, e tem uma tonalidade cinza. Dentre todas as ligas de metais não ferrosos, o Zamac é uma das que possui maior utilização, devido às suas propriedades físicas mecânicas e devido às suas propriedades físicas, mecânicas e à fácil capacidade de revestimento por eletrodeposição (Banho de cromo, níquel, cobre, ouro).) O seu baixo pontop de fusão

(aproximadamente 400ºC) permite uma maior durabilidade do molde, permitindo uma maior produção de peças em série fundidas. Seu preço elevado nos últimos tempos tem feito com que o elevado nos últimos tempos tem feito com que o zamac fosse substituído em larga escala pelo alumínio, que, além de ter menor densidade

(peças mais leves, menor uso de material), tem atualmente preço bem inferior.

(32)

Ligas Não-ferrosas

g

• Alpaca: liga de Cobre (Cu),

Níquel (ni) e Zinco (Zn)

Seu nome significa metal branco e também é conhecida como prata

alemã, devido seu brilho e

coloração parecido com as da prata. As ligas que contêm mais de 60%g q de cobre são monofásicas e são caracterizadas pela sua

ductibilidade e pela facilidade com d t b lh d

que podem ser trabalhadas a temperatura ambiente. A adição de níquel confere-lhe uma boa resistência nos meios corrosivos

resistência nos meios corrosivos. Sua composição mais usual na indústria é de 65% de cobre, 18% de níquel e 17% de zinco

(33)

Ligas Não-ferrosas

g

Li

d Al

í i

• Ligas de Alumínio

Elementos de liga: Cu Si Mg Elementos de liga: Cu, Si, Mg, Mn, Zn, Li.

Apresentam baixa densidade; Elevada condutividade elétrica, e térmica;

Alta resistência à corrosão; Alta resistência à corrosão; Fácil conformação;

Baixa temperatura de fusão;p Abundância de matéria-prima.

(34)

Ligas Não-ferrosas

g

• Alucobond e Alubond

C ó i d í h

Compósito, sanduíche com duas lâminas de alumínio e um núcleo de polietileno.p

(35)

Ligas Ferrosas

Ferro Gusa

Ferro Fundido

Aço Carbono

Aço Corten

Aço SAC

ç

Aço-silício

Aço Inoxidável

ç

(36)

Ligas Ferrosas – Produção

Mi é i d F

Minério de Ferro

Principais formas de apresentação:

• CO

₃

Fe -

Siderita ou Siderose

– 30 a 42% de ferro

• Fe

₃

O

₄

- Magnetita ou Imã natural

• Fe

₃

O

₂

- Hematita (itabirita ou jacutinga), oligisto ou oca vermelha

d f – 50 a 60% de ferro

• 2Fe

₂

O

₃

. 3H

₂

O

- Limonita ou Hematita

20 60% d f

Ferro:

ponto de fusão = 1535o_C

• FeS

₂

- Pirita - ouro dos tolos

minério de enxofre com o ferro com subproduto – minério de enxofre com o ferro com subproduto

(37)

Ligas Ferrosas – Produção

Mi é i d F

Minério de Ferro

Geralmente a extração é a céu aberto devido às grandes concentrações desteg ç minério.

O minério é lavado para a retirada da il t

argila e terra.

Levado ao Alto forno na granulometriag de 12 a 25 mm, pedaços menores devem ser pelotizados ou sinterizados.

(38)

Ligas Ferrosas – Produção

Alto Forno Ferro Gusa

Alto Forno – Ferro Gusa

No Alto-Forno processa-se a redução do minério de ferro em ferro Marcha de Operação

minério de ferro em ferro. Marcha de Operação

• Dessecação - 300ºC e 350ºC

liberação do vapor de água contido na carga – liberação do vapor de água contido na carga.

• Redução - 350ºC e 750ºC

– óxido de ferro perde o oxigênio

– Fe₂O₃ + CO → 2FeO +CO₂

• Carburação - 750ºC e 1150ºC

f bi b f d

– ferro se combina com o carbono formando a gusa.

– FeO + CO → Fe +CO₂

• Fusão - 1150ºC e 1800ºCFusão 1150 C e 1800 C

– a gusa passa para o estado líquido

• Liquefação - 1600ºC

(39)

Ligas Ferrosas

g

• Ferro Gusa

O ferro saído diretamente do alto forno é o Gusa

do alto forno é o Gusa. Este ferro possui altos teores de carbono e de impureza de Fósforo-P e Enxofre-S.

(40)

Ligas ferrosas

g

F

f did

• Ferro fundido

É uma liga de ferro-carbono com teor de carbono entre com teor de carbono entre

1,7 e 6,7%.

Os produtos são obtidos, mais comumente, pelo processo de fundição em molde de areia ou matriz

(41)

Ligas Ferrosas

g

• Aço Carbono

São ligas de ferro-carbono, obtidos São ligas de ferro carbono, obtidos fundindo-se o gusa normalmente em Fornos de Indução. Podem apresentar

t õ iá i d t concentrações apreciáveis de outros elementos de liga como níquel, molibdênio, cromo e outros.,

Apresentam teor de carbono abaixo de

1% e de acordo com a concentração de b d l ifi d

carbono podem ser classificados como de Alto, Médio e Baixo-carbono.

Os mais usado com 0 2% de carbono Os mais usado com 0,2% de carbono. Abaixo de 0,1% é chamado Aço Doce.

(42)

Ligas ferrosas

g

A

C t

A

P ti á l

• Aço Corten, Aço Patinável ou

Aço Aclimável

É uma liga de ferro-carbono

Museu Djalma Guimarães -BH u a ga de e o ca bo o pequenas concentrações de cobre.

A oxidação desta liga cria uma A oxidação desta liga cria uma pátina (fina película) na sua superfície que o protege da

ã corrosão.

Teatro de Granollers, Espanha

(43)

Ligas ferrosas

g

A

SAC St l A ti C

i

• Aço SAC - Steel Anti-Corrosion

É uma liga de ferro-carbono com concentrações de outros metaisç como, níquel, silício e molibdênio, cromo titânio e nióbio.

A oxidação desta liga cria uma A oxidação desta liga cria uma pátina (fina película) na sua superfície, mais resistente que os

d i ti á i

demais aços patináveis, dispensando a proteção da superfície.

(44)

Ligas ferrosas

g

A

ilí i

• Aço-silício

O silício na liga, orna o aço macio, com grande elasticidade e, g quase sem perda de resistência.

U d f b i ã d l Usado na fabricação de molas.

(45)

Tipos e Aplicações

p

Chapas lisa preta

Chapas corrugadas

p

g

Perfis

Trilhos

Barras redondas para concreto armado

Cordoalhas de protensão

Arames e telas

Pregos parafusos e rebites

Pregos, parafusos e rebites

(46)

Processos de Tratamento

É

É comum se processar tratamentos para alterar as

propriedades de ligas. Os tratamentos mais comuns

são:

Endurecimento por deformação

Endurecimento por precipitação

Endurecimento por tratamento térmico

(47)

Tratamento por Deformação

p

ç

• Encruamento

D f ã d i t i f â i

– Deformação dos cristais por esforços mecânicos. – Aumento da dureza e resistência à tração.

Diminuição da resistência à corrosão dutilidade e o – Diminuição da resistência à corrosão, dutilidade e o

alongamento.

(48)

Tratamento Térmico

• Normalização

A i t d f i t l t li

– Aquecimento do aço e resfriamento lento ao ar livre.

– Elimina as tensões internas surgidas na conformação do aço.

• Recozimento

– aquecimento do aço e manutenção desta temperatura por alguns f i l

tempo e resfriamento lento.

– Elimina as tensões internas surgidas na fundição do aço e elevação dos índices tecnológicos

(49)

Tratamento Térmico

• Têmpera

i t d t ã d t t t l

– aquecimento do aço e manutenção desta temperatura por alguns tempo e resfriamento brusco.

– Aumento da dureza limite de elasticidade resistência à tração eAumento da dureza, limite de elasticidade, resistência à tração, e diminui o alongamento e a tenacidade.

• Revenido

– Processo parecido com o recozimento feito em aços temperados. – Elimina defeitos aparecidos durante a têmpera do açoElimina defeitos aparecidos durante a têmpera do aço.

(50)

Falhas

Os materiais metálicos, quando submetidos à

esforços excessivos, podem apresentar falhas

ç

, p

p

dos seguintes tipos:

Fratura

Fadiga

Fluência

(51)

Falhas

• Fratura Dúctil

Modalidade de fratura que

é acompanhada de uma

extensa

deformação

lá i

plástica.

(52)

Falhas

• Fratura Frágil

Fratura que ocorre pela

rápida propagação de uma

trinca e sem deformação

ó i

iá l

(53)

Importante !

• O tipo de frat ra (dúctil o frágil) não é ma propriedade

• O tipo de fratura (dúctil ou frágil) não é uma propriedade

do material, mas sim, um comportamento devido às

condições impostas como: carregamento temperatura e

condições impostas como: carregamento, temperatura e

taxa de deformação.

(54)

Falhas

• Fadiga

Falha

em

níveis

relativamente

baixos

de tensão, de estruturas

j i

õ

sujeitas

a

tensões

flutuantes e cíclicas.

(55)

Falhas

Fl ê i

• Fluência

Deformação

permanente

dependente do tempo que

dependente do tempo, que

ocorre sob condições de

tensão. Para a maioria dos

materiais só é considerável

em temperaturas elevadas.

(56)

Oxidação X Corrosão

Corrosão metálica é a

Oxidação é a perda

de elétrons de um

elemento pela sua

transformação não intencional de um metal ou liga, pela sua

interação química ou

l í i

elemento pela sua combinação com o oxigênio.

X

eletroquímica, num

determinado meio de exposição. O processo resulta f ã d d t d

na formação de produtos de corrosão e na liberação de energia.

E t t f ã lt

Esta transformação resulta em perda de massa do material.

(57)

Corrosão

Algumas substâncias são oxidantes

g

presentes no meio ambiente:

O, H, H

,

₂₂

O, H

,

₂₂

S

TIPOS DE CORROSÃO

Corrosão química

:

elétrons

perdidos

na

corrosão se combinam no mesmo lugar onde

foram perdidos.

Corrosão eletroquímica

: os elétrons liberados

Corrosão eletroquímica

: os elétrons liberados

são recuperados em outro lugar formando-se

uma corrente galvânica

(58)

Processos de Proteção

Pesquisas demonstram que a corrosão é responsável pelo maior índice de destruição do ferro e do aço, consumindo cerca de 20% daç ç , produção mundial

Estes processos têm a função de proporcionar aos materiais maior durabilidade, devido à proteção contra a ação de agentes corrosivos presentes nos ambientes em que tais materiais estejam sendo aplicados.

aplicados.

Tipos mais comuns:

Ligas Metálicas

Pintura

Anodização

Flandres

(59)

P

d P t ã

Processos de Proteção

• Ligas Metálicas

Uso de ligas metálicas determinadas para determinadas para resistência à corrosão em meios específicos. Aço Corten A I idá l Bronze Latão _{Aço Inoxidável} Bronze Latão

(60)

P

d P t ã

Processos de Proteção

• Pintura Superficial

O processo de cobrimento de superfíciesp metálicas porp polímeros.

Uso de tintas apropriadas aos materiais e meios específicos materiais e meios específicos. Este é uns dos processos mais baratos porém requer manutenções periódicas.

(61)

Processos de Proteção

• Cromagem / Niquelagem

Processo de cobrimento de Processo de cobrimento de superfícies metálicas por eletrodeposição de cromo

í l ou níquel.

(62)

Processos de Proteção

G l l

• Galvalume

P d b i t Processo de cobrimento a quente de superfícies de aço

nu por imersão a quente emp q Calhas e Telhas

zinco, alumínio e silício. Propriedades

Chapa galvanizada galvanizada

Propriedades

• alta resistência à corrosão atmosférica • beleza estética

• elevada refletividade ao calor o que gera • elevada refletividade ao calor, o que gera

maior conforto térmico

• resistência à oxidação em temperaturas elevadas

(63)

Processos de Proteção

G l

i

ã

• Galvanização

P d b i t Processo de cobrimento a quente de superfícies de aço nu por imersão em zinco

Chapa galvanizada

p

fundido ou por deposição eletrolítica.

(64)

Processos de Proteção

Fl d

• Flandres

Processo de cobrimento de Processo de cobrimento de superfícies metálicas por imersão em estanho ou processo eletrolítico.

Nos aços é vulgarmente h d d l t

Folhas de flandres

(65)

Processos de Proteção

• Anodização

É um processo eletroquímico de oxidação forçada e controlada aplicada somente aoç p alumínio e suas ligas específicas. A “película” anódica formada apresenta dureza de 7 a 8 Mohs. É porosa, anidra e transparente, chama-se

Perfis Anodizados

Oxido de Alumínio ou Alumina (Al2O3). Foi descoberta em laboratório, por H. Buff e C. Pollack em 1857, a tendência do Alumínio em

b i d lí l ( id ) b d

Perfis Anodizados

recobrir-se de uma película (oxido) baseada na transformação superficial do próprio alumínio. Baseado nesta descoberta, inúmeras pesquisas foram feitas somente em 1911 o francês foram feitas, somente em 1911 o francês Francais Saint Martin desenvolveu os princípios básicos para oxidação eletrolítica em meio

sulfúrico Peças Anodizadas