Apostila CM2_ I Estrutura Dos Materiais

MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO SECRETARIA DE EDUCAÇÃO PROFISSIONAL E TECNOLÓGICA INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA CAMPUS JOINVILLE

CURSO DE TÉCNICO EM MECÂNICA INTEGRADO AO ENSINO MÉDIO UNIDADE CURRICULAR:

Ciência dos Materiais – CM2 ESTRUTURA DE METAIS, CERÂMICAS E PLÁSTICOS

Professor:

Paulo Sérgio Bayer Joinville - SC 2013

NOME: ...................................................................................................................

Sumário Introdução à Ciência dos Materiais ...................................................................................2 Estrutura atômica e ligações químicas.....................................................................................4

1. Materiais metálicos (metais) .........................................................................................7 1.1 Estrutura cristalina ............................................................................................................7 1.2 Imperfeições da estrutura cristalina dos sólidos ............................................................. 9 1.3 Diagrama de fases............................................................................................................11 1.6.4 Diagrama de fases das ligas ferro-carbono ..................................................................17 Lista de exercícios ..................................................................................................................19 Micrografia ótica....................................................................................................................19 2.Materiais cerâmicos (cerâmicas) ..................................................................................27 2.1 Estrutura ......................................................................................................................... 28 2.2 Processamento ................................................................................................................30 Lista de questões ...................................................................................................................35 3. Materiais plásticos (polímeros) ...................................................................................37 3.1 Estrutura...........................................................................................................................38 Lista de questões ...................................................................................................................45 3.2 Processamento ................................................................................................................47 Lista de questões ...................................................................................................................63

IF-SC Campus Joinville

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INTRODUÇÃO À CIÊNCIA DOS MATERIAIS  tecnologia: a indústria trabalha com as variáveis de processamento de um material que influenciam sua estrutura e propriedades;  variáveis: composição, temperatura, tempo, carga, etc. Por exemplo, na indústria de fundição as variáveis importantes são a composição do material metálico e a velocidade de resfriamento do metal no molde;



estrutura de um material:



visível (a olho nú)

≥ 1 mm .......... macroestrutura



visível (lentes)

≥ 0,001 mm (1 µm) ...... microestrutura



visível (sonda)

≥ 0,001 µm (1 nm) ....... nanoestrutura

Escalas de tamanho

Suíça, 1981 – invenção do microscópio de varredura por tunelamento; 1 nanômetro ( um bilionésimo do metro) 1 átomo ≈ 0,3 nm 1 fio de cabelo ≈ 30.000 nm  propriedades: características de um material em relação ao tipo e intensidade de resposta a certos estímulos que lhe são aplicados. propriedades mecânica elétrica magnética térmica ótica

estímulo força campo elétrico campo magnético calor luz ou outra radiação

resposta deformação condutividade, cte. dielétrica magnetização de saturação condutividade térmica índice de refração

A relação é linear entre:

PROCESSO DE FABRICAÇÃO → ESTRUTURA → PROPRIEDADES → DESEMPENHO tecnologias de fabricação integridade ou falha em serviço


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Por exemplo, a alumina é uma cerâmica que apresenta diferentes propriedades óticas, dependendo de sua estrutura, conforme ilustra a Figura 1.

Figura 1) Propriedades óticas da alumina.

Por que estudar Ciência dos materiais? Para selecionar corretamente os materiais para a construção de máquina ou equipamento mecânico. Existem critérios para seleção de um entre vários materiais disponíveis para uma aplicação específica:  

as condições de serviço ditam as propriedades exigidas; o custo do material e do processo de fabricação. Classificação dos materiais

A classificação mais comum dos materiais sólidos baseia-se na estrutura atômica e composição química. Sob estes aspectos, as três classes de materiais resultantes são as seguintes: metais, cerâmicas e polímeros. Existem outros grupos que, além destes, são importantes do ponto de vista tecnológico: compósitos, semicondutores e biomateriais. O diagrama da Figura 2 apresenta a classificação do ponto de vista dos materiais metálicos e não metálicos, com as subsequentes classes de materiais usados na fabricação mecânica.

Figura 2. Classes de materiais usados na fabricação mecânica. A seguir são dadas as definições dos materiais de construção mecânica: IF-SC Campus Joinville

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





  

Materiais metálicos: são formados essencialmente por um metal ou pela combinação de elementos metálicos, mas que podem conter elementos não metálicos ou semi-metálicos em menor proporção; aproximadamente 2/3 dos elementos são metais. Características: são opacos, possuem brilho, conduzem bem o calor e a eletricidade, e podem ser deformados. Ex. aço (Fe-C), latão (Cu-Zn) etc. Materiais cerâmicos: são materiais inorgânicos formados por elementos metálicos e não metálicos. Características: não tem o brilho metálico, são isolantes de calor e eletricidade, possuem dureza elevada e são frágeis. Ex. alumina (óxido de alumínio), quartzo (óxido de silício), zircônia (óxido de zircônio), carbetos e nitretos. Materiais plásticos (polímeros): são materiais orgânicos formados pela união de grandes cadeias moleculares (polímeros), com estrutura constituída por carbono, hidrogênio e elementos não-metálicos. Ex. polietileno ...-C2H4-..., PVC ...- C2H3Cl-... Compósitos: são materiais formados pela combinação de mais de um tipo de material. Ex. fibra de vidro, metal duro, etc. Semicondutores: materiais que exibem propriedades intermediárias entre aquelas apresentadas pelos condutores elétricos e isolantes. Ex. Si, Ge, GaAs. Biomateriais: são materiais destinados à fabricação de dispositivos biomédicos. Ex. Ti6Al4V, Ti puro, porcelana dental, alumina, hidroxiapatita.

1.1 Estrutura atômica e ligações químicas. O tipo de ligação interatômica e o arranjo geométrico dos átomos em um sólido permite explicar suas propriedades. A seguir são abordados aspectos da estrutura de um átomo, que nos auxiliam na compreensão de como ocorrem as ligações químicas em materiais. Estrutura atômica elétrons

me = 9,11 x 10-31 kg

núcleo (prótons + nêutrons)

mp = m n = 1,67 x 10 -27 kg

Elemento químico: número de prótons = número atômico (Z) número atômico = número de elétrons massa do átomo (A): mA = mp +mn A = Z + N O número de prótons é o mesmo para um elemento, mas o seu número de nêutros pode não ser; tem-se assim os isótopos do elemento (massa diferentes para um mesmo elemento); massa atômica (peso atômico) = A = média das massas dos isótopos que ocorrem na natureza Em que unidade expressamos a massa de um átomo? em gramas ?


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massa do isótopo mais comum do elemento carbono (C12) = mc atômica (u.m.a.)



mc / 12 = 1 unidade de massa

1 g = 6,023 x 1023 u.m.a. (número de Avogadro) um mol da substância = 6,023 x 1023 átomos ou moléculas

1 uma/átomo (ou molécula) = 1 g/mol

ex.

mFe = 55,85 g/mol

massa atômica do ferro

mFe = 55,85 uma/átomo

ou

Os elétrons que giram ao redor do núcleo atômico situam-se em diferentes níveis de energia (camadas). Além disso, cada elemento apresenta uma configuração eletrônica particular. Os elétrons da camada mais externa (de valência) participam da ligação entre átomos, formando os agrupamentos atômicos ou moléculas. Na tabela periódica os átomos de elementos com configuração eletrônicas estáveis são Ne, Ar, Kr, He (gases inertes).

Ligações interatômicas

Cada material apresenta diferentes magnitudes de energia de ligação e forma da curva de energia, pois ambas dependem do tipo de ligação interatômica. A figura acima mostra que a energia de ligação é mínima na distância interatômica de equilíbrio. Ligações primárias 





Ligação iônica: é a ligação em que o átomo metálico cede seu(s) elétron(s) de valência para o átomo adjacente não metálico, para formar a configuração eletrônica estável. Ex. Sal (NaCl) uma grande parte das cerâmicas possui % de caráter iônico em sua estrutura; Ligação covalente: é a ligação formada pelo compartilhamento de elétrons entre átomos adjacentes, produzindo a configuração eletrônica estável. Ex. (C2H4)n. A ligação covalente é forte. Entretanto, nos polímeros as ligações entre as grandes moléculas são fracas. Ligação metálica: é a ligação formada pelos elétrons de valência do metal (carga negativa) com os núcleos iônicos do mesmo (núcleos e demais elétrons = carga positiva). A ligação pode ser forte ou fraca dependendo da energia de ligação.


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Ligações secundárias ou de Van der Waals. Algumas das propriedades dos plásticos são dependentes das ligações fracas de dipolo e de hidrogênio entre as moléculas. 1.2 Estrutura cristalina dos materiais Muitos materiais sólidos possuem uma ordenação de longa distância no arranjo de seus átomos constituintes, que é denominada rede cristalina. A menor porção da rede com característica geométrica definida é denominada célula unitária do sistema cristalino. Existem 07 sistemas cristalinos, e seus parâmetros de rede são dados por relações axiais (a, b, c) e ângulos axiais (, , ).

1.MATERIAIS METÁLICOS (Processamento, Estrutura, Aplicações)


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Algumas indústrias metalúrgicas e mecânicas têm como meta principal a fabricação de peças metálicas para setores tais como automobilístico, eletrodoméstico e aeronáutico. Os processos de fabricação empregados podem ser classificados em dois grupos: conformação (fundição, soldagem, metalurgia do pó, forjamento, laminação, extrusão, trefilação) e usinagem (torneamento, fresamento, furação, retífica, eletroerosão). Os parâmetros de processo influenciam a microestrutura do material de uma peça, determinando a sua qualidade final em termos de desempenho (propriedades). Durante a solidificação, os átomos do metal se agrupam de acordo com uma ordem de longo alcance, o que define a sua estrutura cristalina. A seguir são apresentadas as características das principais estruturas cristalinas dos metais. 1.1 Estrutura cristalina cúbica de faces centradas (CFC) (Al, Cu, Ni, Pb, Au, Ag ...) no de átomos / cél. unit. CFC = 8 x 1/8 + 6 x 1/2 = 4 átomos / célula

1.2 Estrutura cristalina cúbica de corpo centrado (CCC) (Fe  , Cr, Mo, W, ...) no de átomos / cél. unit. CCC = 8 x 1/8 + 1 = 2 átomos / célula

1.3 Estrutura cristalina hexagonal compacta (HC) (Ti  , Zn, Co, ...)


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no de átomos / cél. unit. CCC = 12 x 1/6 + 2 x 1/2 + 3 = 6 átomos / célula

As estruturas mais empacotadas são a CFC e a HC, ou seja, o volume ocupado por átomos na célula é maior em relação a estrutura CCC. Isto pode ser demonstrado através do cálculo do fator de empacotamento atômico (f.e.a.): f.e.a.(CCC) = volume dos átomos/volume da célula =(2 x (4/3  r3)) /a3  d C2 = a2 + (a2)2  ( 4 r )2 = 3a2 a = 4 r /3 f.e.a.(CCC) = (2 x (4/3  r3 )) / (4 r /3)3 = 0,68

(68% do volume da célula CCC é ocupada por átomos)

LISTA DE EXERCÍCIOS No 01 1) Calcular o f.e.a. dos metais CFC. 2) Calcular a densidade teórica (verdadeira) do elemento ferro e comparar com a densidade medida experimentalmente (Fe= 7,85 g/cm3). Dados: mFe = 55,85 uma rFe = raio atômico do ferro = 0,1241 nm

1.4 Polimorfismo e alotropia. Um metal ou não metal pode ter mais do que uma estrutura cristalina. Esta característica é denominada polimorfismo; o polimorfo é a “forma” ou hábito cristalino do material. A alotropia corresponde à mudança de estrutura cristalina do sólido elementar devido à mudança de temperatura ou pressão. Por exemplo, o ferro puro = Fe α (ferrita) CCC na temperatura ambiente transforma-se em Fe γ (austenita) CFC na temperatura de 912 ºC. Geralmente, os diferentes polimorfos de um mesmo elemento ou composto têm algumas propriedades físicas distintas, tais como densidade, expansão térmica etc.


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1.5 Imperfeições em sólidos. No interior de um material cristalino não existe uma ordem atômica perfeita, pois todos os materiais possuem defeitos ou imperfeições. As imperfeições existentes no material influenciam suas propriedades. Por isso, é importante o conhecimento dos tipos de imperfeições e como elas afetam o comportamento dos materiais. Um metal puro, por exemplo, pode exibir melhores propriedades se lhe forem adicionados átomos de impurezas; é o caso do aumento da dureza e resistência mecânica da prata pura resultante de adições de 7,5% em peso cobre. Um semicondutor de circuito integrado (computadores, calculadoras etc.) é outro exemplo do benefício de concentrações controladas de átomos de impurezas no material, as quais regem suas propriedades elétricas. defeito cristalino : irregularidade na rede cristalina com uma ou mais de suas dimensões na ordem de um diâmetro atômico. Defeitos pontuais Lacuna: é uma posição atômica vaga na rede cristalina, ou seja, é a falta de um átomo na rede. Autointersticial: é um átomo do cristal que está comprimido em uma posição intersticial (espaço vazio na rede que normalmente não é ocupado). Impurezas em sólidos: não é possível existir um metal puro costituído de somente um tipo de átomo (elemento). Sempre estarão presentes outros elementos como impurezas (ou átomos estranhos) que poderão existir na forma de defeitos pontuais da rede cristalina. Refino de um metal  99,9999 % (possui átomos de impurezas da ordem de 1022 a 1023 átomos/m3). Os metais mais conhecidos são ligas devido ao aumento da resistência mecânica e resistência à corrosão. Ex. prata de lei, aço inoxidável.

ADIÇÃO DE ÁTOMOS

 SOLUÇÃO SÓLIDA E/OU COMPOSTO



DEPENDENDO DE IMPUREZAS - tipos de impurezas - concentrações - temperaturas

solvente: elemento ou composto em maior quantidade SOLUÇÃO SÓLIDA soluto: elemento ou composto em menor quantidade Na solução sólida os átomos de soluto são adicionados e a estrutura cristalina do elemento hospedeiro (solvente) é mantida. A composição é homogênea em todo o volume do material, ou seja, os átomos estão distribuídos uniformemente no interior do sólido). Assim ocorre também com uma solução líquida, por exemplo na solução água + álcool, que é formada por uma mistura de moléculas que têm composição homogênea em toda a sua extensão. Solução sólida substitucional : átomos de solutos substituem os átomos hospedeiros. Ex. Níquel em Cobre


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REGRAS DE SOLUBILIDADE SÓLIDA: Será maior o grau de solubilidade (ou o grau de dissolução do soluto no solvente) se: 1o ) a diferença dos raios atômicos do solvente e do soluto não ultrapassar  15%; 2o ) a estrutura cristalina for a mesma; 3o ) a eletronegatividade for próxima; 4o ) forem iguais os fatores acima, um solvente dissolverá maior quantidade do soluto que tiver maior valência. Solução sólida intersticial: átomos de impureza nos interstícios que existem entre átomos hospedeiros (concentração  10 %). O diâmetro atômico do soluto deve ser muito menor do que o do solvente. Ex. Carbono no ferro.

Defeitos lineares – discordâncias A discordância é o defeito gerado pelo deslocamento de uma linha de átomos de suas posições de equilíbrio na rede cristalina, em torno da qual existe uma distorção na rede. Discordância aresta: quando existe um plano extra de átomos na rede, ficando definida um linha de átomos na extremidade deste plano. Discordânica espiral: cisalhamento de planos cristalográficos que produz o deslocamento de uma distância atômica de plano de átomos superior em relação ao plano de átomos inferior. A distorção ocorre ao longo de uma linha de deslocamento atômico. Discordância mista: a maioria das discordâncias encontradas em materiais cristalinos não é puramente aresta ou espiral, mas uma combinação de ambas. Um vetor pode ilustrar a magnitude e a direção da distorção da rede (vetor de Burgers, b). Aresta: Espiral: Mista:

b  à linha de discordânica ( b é perpendicular à linha); b // à linha de discordânica ( b é paralelo à linha); b não é nem perpendicular nem paralelo à linha de discordânica.

Em materiais metálicos b aponta para a direção compacta (de maior densidade linear). As discordâncias em materiais pode ser visível atravé de microscopía eletrônica de transmissão. Defeitos planares (interfaciais) –superfícies externas, contornos de grãos, contornos de macla, contornos de fase, falha de empilhamento. Estes defeitos são bidimensionais e separam os constituintes dos materiais que têm diferentes orientações cristalográficas e/ou diferentes estruturas cristalinas. Superfícies externas: são contornos do material onde termina a estrutura do cristal. Os átomos de superfície possuem maior energia em relação aos átomos internos, por não estarem ligados a um máximo de átomos vizinhos.


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Contornos de grão: os materiais policristalinos são formados por infinidades de grãos ou cristais com diferentes orientações cristalográficas que são separados pelos contornos bidimensionais. Este contorno possui a dimensão de poucas distâncias interatômicas, possuindo desncontros atômicos na região da rede entre as diferentes orientações cristalográficas de grãos adjacentes. Os contornos de grão são arranjos de discordâncias e, portanto, é uma região de maior energia em relação ao interior do cristal. Existem contornos de grão de baixo e alto ângulo, dependendo da orientação cristalográfica dos grãos adjacentes. Contornos de macla: tipo especial de contorno de grão por meio do qual existe simetria em espelho da rede cristalina. As maclas podem ser produzidas por deformação (metais CCC e HC) ou por recozimento (metais CFC). Defeitos interfaciais diversos: ainda podem existir defeitos oriundos de falhas de empilhamento e contornos de fase; a fase pode ser um composto ou um grão de outro elemento ou com outra estrutura cristalina.

1.6 Diagramas de fases. Os diagramas de fases são gráficos que ilustram o comportamento térmico de ligas metálicas e materiais cerâmicos. Estes gráficos mostram constituintes de materiais em função da composição e temperatura, sendo, portanto, importantes fontes de consulta tanto para a fabricação de ligas como para o projeto e controle de tratamentos térmicos destas ligas. As microestruturas desenvolvidas estão relacionadas ao processo térmico utilizado. Uma liga é formada por componentes, que podem ser metais puros e/ou compostos; por exemplo, os metais Cu e Zn são os componentes do latão cobre-zinco. Um sistema consiste de uma série de ligas possíveis com os mesmos componentes, o que define uma composição diferente para cada liga do referido sistema. A solução sólida é formada por pelo menos dois tipos de átomos: soluto que ocupa posições substitucionais ou intersticiais da rede cristalina do solvente, sendo que o solvente mantém sua estrutura cristalina. Existe um limite de concentração de soluto no solvente denominado limite de solubilidade, que é a concentração máxima do soluto no solvente para formar a solução sólida numa dada temperatura. A adição de soluto em excesso, isto é, além deste limite, produz outro constituinte de composição diferente da solução sólida. Para ilustrar o comportamento da mistura de dois componentes (água e açúcar ), toma-se como exemplo 1 kg da solução (mistura). A figura 3 mostra o diagrama do sistema água e açúcar, onde está indicada a curva limite de solubilidade.

Figura 3 Diagrama de fases para um sistema formado pela dissolução do açúcar na água. Base 1 kg de solução


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T = 0 oC mágua = 400 g 40% em peso de água maçúcar = 600 g 60% em peso de açúcar T = 20 oC mágua = 350 g 35% em peso de água maçúcar = 650 g 65% em peso de açúcar T = 100 oC mágua = 200 g 20% em peso de água maçúcar = 800 g 80% em peso de açúcar FASE: parte homogênea de um sistema que tem características física e química uniformes. ex. metal puro, composto puro, solução sólida, líquida e gasosa. A solução de água e açúcar (xarope) da Figura 3 é uma fase, pois é uma solução homogênea. Exercícios: verificar as fases presentes nos seguintes sistemas: 1) xarope e açúcar (sólido=cristais): Resp.: duas fases com diferente composição química e diferente propriedade física (uma fase é líquida e a outra é sólida); 2) água e gelo: Resp.: duas fases com igual composição química e diferente propriedade física (uma fase é líquida e a outra é sólida); 3) liga de titânio Ti6Al4V (estão presentes nesta liga as duas formas polimórficas do metal titânio: Tiβ (CCC) e Tiα (HC)). Resp.: duas fases sólidas com diferente composição química e diferente propriedade física (uma fase é CCC e a outra é HC); Microestrutura: as aparências das fases presentes no material são reveladas através da técnica de metalografia, a qual consiste da preparação da amostra e observação ao microscópio. Equilíbrio de fases: as fases presentes de material coexistem em equilíbrio quando não são alteradas suas quantidades e composição química, após transcorrido qualquer intervalo de tempo. O tempo para atingir o equilíbrio de fases é muito longo em sistemas sólidos e, portanto, estes sistemas encontram-se num estado de não-equilíbrio ou metaestável. Os diagramas de fases em equilíbrio ilustram as relações entre temperaturas, composições e quantidades relativas de fases em condições de equilíbrio.

1.6.1 Sistema isomorfo binário. Diagrama de fases binário do sistema cobre-níquel.

Figura 4 Diagrama de fases cobre-níquel (Cu-Ni). IF-SC Campus Joinville

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Especificação da composição: concentração dos elementos (Ci).

 Porcentagem em peso: peso de um elemento em relação ao peso total dos elementos. (base 1 kg = 1000 g da liga) Cálculo da porcentagem em peso de cobre para uma massa de 1 kg da liga Cu-Ni40: mCu 600 CCu = __________ x 100 = _____________ x 100 = 60.000 = 60 % mCu + mNi 600 + 400 1.000 Cálculo da porcentagem em peso de níquel para uma massa de 1 kg da liga Cu-Ni40: mNi CNi = __________ x 100 = mNi + mCu

400 _____________ x 100 = 40.000 = 40 % 400 + 600 1.000

DETERMINAÇÃO DA QUANTIDADE RELATIVA DE FASES PRESENTES EM UMA LIGA (REGRA DA ALAVANCA):

Exemplo: A composição Co da liga cobre-níquel ilustrada na porção do diagrama de fases cobre-níquel acima é Cu-Ni35%. Calcular as quantidades relativas de fases presentes em equilíbrio na temperatura de 1250 ºC. Solução: A quantidade relativa de fase líquida e fase sólida α a 1250 oC para a liga Cu-Ni35 é % Líq. =

% α = AB = AC

BC = AC

Cα - Co x 100 = 42,5 - 35 x 100 = 0,68 x 100 = 68 % Cα - CLíq. 42,5 - 31,5 Co - CLíq. x 100 = 35 - 31,5 x 100 = 0,32 x 100 = 32 % Cα - CLíq. 42,5 - 31,5

Obs.: a aplicação da regra da alavanca (ou do traço inverso) também permite o cálculo de quantidades relativas em peso das duas fases sólidas de uma liga bifásica na temperatura ambiente. IF-SC Campus Joinville

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1.6.2 Sistema eutético binário. Diagramas de fases binário dos sistemas cobre-prata e chumboestanho. Os sistemas eutéticos binários são aqueles em que uma mistura adequada de dois elementos produz uma liga que possui menor ponto de fusão do que qualquer um dos elementos em separado. O termo eutético significa facilmente fundido. O diagrama que ilustra as fases presentes nas ligas é conhecido como diagrama de fases eutético binário. Nesse diagrama são mostradas duas fases sólidas (α e β) e uma líquida. Por exemplo, no sistema cobre-prata da Figura 5 a fase α é uma solução sólida rica em cobre (fase α CFC contendo a prata como soluto), e a fase β é a fase rica em prata contendo cobre como elemento soluto (fase β CFC). O limite de solubilidade do soluto nas soluções sólidas α e β é definido pelas linhas solvus BC e sólidus AB / solvus GH e sólidus FG respectivamente. A linha horizontal BEG pode também ser considerada uma linha sólidus. Ao se observar a linha AE, nota-se que na medida em que a prata é adicionada ao cobre puro, a temperatura na qual o cobre torna-se totalmente líquido diminui. Do mesmo modo, na medida em que o cobre é adicionado à prata pura, a temperatura na qual a prata está totalmente líquida diminui (linha FE). O ponto E é o ponto de encontro dessas linhas líquidus com a isoterma BEG. Este ponto E é denominado ponto eutético, e tem coordenadas (CE , TE ). Em uma liga de composição CE (liga eutética) durante o aquecimento/resfriamento ocorre a seguinte reação eutética:

Líquido CE

onde: CαE , CβE

↔

α (CαE)

+

β(CβE)

são as composições das fases α e β à temperatura TE (temperatura eutética)

ponto E = ponto eutético CE = composição do eutético

Para o sistema cobre-prata a reação eutética fica:

Líquido (71,9% Ag)


↔

α ( 8 % p Cu) + β( 91,2 % p Ag)

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Figura 5 Diagrama de fases eutético binário do sistema cobre-prata. No diagrama de fases para o sistema chumbo-estanho também existe um ponto eutético, localizado em 61,9 %p de Sn a 183 oC, conforme ilustra a Figura 7.4. Um exemplo de aplicação desta liga eutética é a solda estanho 60-40 para baixas temperaturas.

Figura 6 Diagrama de fases eutético binário do sistema chumbo-estanho. IF-SC Campus Joinville

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Exercício: Considere a liga chumbo-estanho de composição C1 indicada no diagrama de fases. Quais as fases que estão presentes nesta liga C1 = Sn (40%) – Pb (60% ) a 150 oC ? Forneça a composição aproximada de cada uma das fases. Quais as quantidades relativas em peso (%p) destas fases ? Dados: ρSn = 7,24 g/cm3 , ρPb = 11,23 g/cm3 a 150 oC. Solução:  

Fases presentes (ponto B) : α e β Composições aproximadas das fases α

e

β : Cα



Quantidades relativas em peso das fases

α

e β:

%p α = BC = AC %p β =

10% Sn 90% Pb

Cβ

98% Sn 2% Pb

Cβ - C1 x 100 = 98 - 40 x 100 = 0,66 x 100 = 66 % Cβ - Cα 98 - 10 AB = AC

C1 - Cα x 100 Cβ - Cα

= 40 - 10 x 100 = 0,34 x 100 = 34 % 98 - 10

LISTA DE QUESTÕES E EXERCÍCIOS No 02 1)Forneça as definições para os seguintes termos relacionados aos diagramas de fases de ligas metálicas binárias: soluto, solução sólida, fase, componente, sistema, limite de solubilidade, equilíbrio de fases, ponto eutético. 2) Como pode ser expressa a composição química de uma liga? 3) Qual(is) a(s) fase(s) presente(s) em uma liga Cu-Ni30 mantida em condições de equilíbrio na temperatura de 1200 oC ? 4) Uma liga de cobre contém 20% em peso de prata. Se esta for aquecida em condições de equilíbrio e for mantida a temperatura de 900 oC por algumas horas, pergunta-se: a) quantas fases estarão presentes nesta temperatura ? b) quais as composições aproximadas de cada uma das fases nesta temperatura, e c) quais as quantidades relativas em peso (%p) e em volume (%v) de cada fase ? Dados: ρCu = 8,56 g/cm3 , ρAg = 9,97 g/cm3 a 900 oC 5) Quantas fases se formam na solidificação completa de uma liga eutética ? e quantas se formam na fusão completa ? Exemplifique a reação eutética. 6) Calcule a composição em percentuais atômicos (%at.) da liga eutética chumbo-estanho. Quais as fases presentes desta liga resfriada em condições de equilíbrio estável a partir do estado líquido? Qual a composição química aproximada de cada uma destas fases? Quais as quantidades relativas em peso e a fração volumétrica de cada uma destas fases na temperatura ambiente ? Obs.: considere as densidades dos elementos na temperatura ambiente a mesma do que a 150 oC. 1.6.3 Diagramas que possuem fases intermediárias na forma de soluções sólidas ou de compostos intermediários. Nos diagramas eutéticos binários existem as chamadas soluções sólidas terminais ( e ), situadas em faixas de composição próximas das extremidades do diagrama. Existem outros sistemas de ligas binárias em que as soluções sólidas encontram-se em regiões de composições intermediárias, conforme ilustrado pela fase  da liga hipotética A-B da Figura 7.5. A fase intermediária pode também ser um composto, denominado composto intermetálico, que possui uma fórmula química específica, como mostra a Figura 7.6.


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Figura 7. Fase intermediária (solução sólida ) intermetálico no diagrama de fases hipotético A-B.

Figura 8 Fase intermediária (composto C2D) no diagrama de fases hipotético C-D.

Uma reação eutetóide ocorre quando em um sistema existe transformação de uma fase sólida em outras duas fases sólidas no resfriamento; é o que acontece no diagrama da Fig. 7.6 durante o resfriamento da liga no ponto a. A reação eutetóide deste exemplo fica







+

C2D

CLASSIFICAÇÃO DAS TRANSFORMAÇÕES DE FASES Transformações congruentes: não ocorre alteração na composição química das fases envolvidas. Exs. Transformações alotrópicas e fusão de metais puros. Transformações incongruentes: ao menos uma fase tem a sua composição alterada. Exs. Reações eutéticas e eutetóides, a fusão/solidificação de uma liga de um sistema isomorfo.

1.6.4 Diagrama de fases ferro-carbono. O diagrama ferro-carbono é um dos mais importantes do ponto de vista tecnológico, pois nos permite compreender a estrutura dos aços e ferros-fundidos (ligas ferro-carbono), bem como as transformações que estas ligas experimentam em tratamentos térmicos. Durante o aquecimento do ferro puro, antes de ser atingida a temperatura de fusão, a estrutura cristalina deste metal se altera duas vezes. Como visto anteriormente, este fenômeno diz respeito à alotropia do ferro, conforme ilustra a linha vertical à esquerda do diagrama da Figura 7.7. Na temperatura ambiente o ferro puro tem estrutura cristalina CCC (ferro ) e denomina-se ferrita. Esta ferrita sofre uma transformação para austenita (ferro ) de estrutura CFC na temperatura de 912 oC. A austenita se mantém estável até 1394 oC, quando ocorre nova transformação (reversão) para a estrutura CCC (ferro ). A fusão do ferro puro acontece a 1538 oC. A microestrutura da ferrita (ferro ) e da austenita (ferro ) está nas Figuras 7.8 (a) e (b) respectivamente.


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Figura 9 Diagrama de equilíbrio da ligas ferro-carbono. A parte rica em ferro do diagrama está ilustrada na figura acima; o teor de carbono não excede a 6,7%, que é a composição do composto carbeto de ferro ou cementita (Fe3C), localizado na extremidade direita do diagrama. Todos os aços e ferros fundidos comuns ao carbono situam-se nesta faixa de composições. Os aços podem conter até 2,14 %C, embora as ligas de aço comerciais tenham 1,0 %C no máximo. Os ferros fundidos contém de 2,14 %C até 6,7 %C, mas normalmente os ferros fundidos comerciais possuem menos de 4,5 %C em peso.

(a)

(b)

Figura 10 Microestruturas do ferro puro na forma de ferro : ferrita (a), e do ferro : austenita (b). A formação da cementita (Fe3C) ocorre quando o limite de solubilidade do C na ferrita é excedido em temperaturas menores do que 727 oC. Como a cementita é muito dura e frágil por ser uma fase cerâmica, o aumento da resistência de alguns aços se deve à presença deste composto. A cementita é uma fase metaestável que permanece indefinidamente como microconstituinte da liga ferrosa na temperatura ambiente, mas se a liga for aquecida até aproximadamente 650-700 ºC e mantida nesta temperatura por vários anos, ocorrerá a transformação da cementita em ferro + grafite (carbono), e estes serão os constituentes da liga após o resfriamento. Como a taxa de decomposição da cementita é muito lenta, e a solubilidade do carbono no ferro é muito pequena ( 0,008%C na ferrita), praticamente todo o carbono presente no aço estará na forma de Fe3C. Entretanto, em ferros fundidos a adição do elemento silício IF-SC Campus Joinville

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aumenta muito a taxa de decomposição da cementita. Por isso, o carbono está normalmente na forma livre na microestrutura do ferro fundido; este constituinte é conhecido por grafita (carbono livre). Para entendermos o desenvolvimento das microestruturas em aços e ferros fundidos se torna fundamental identificarmos dois pontos importantes de transformação de fases no diagrama: LISTA DE QUESTÕES E EXERCÍCIOS No 03 1) Forneça as definições para os seguintes termos relacionados aos diagramas de fases de ligas metálicas binárias: soluto, solução sólida, fase, componente, sistema, limite de solubilidade, equilíbrio de fases, ponto eutético. 2) Como pode ser expressa a composição química de uma liga? 3)Qual(is) a(s) fase(s) presente(s) em uma liga Cu-Ni30 mantida em condições de equilíbrio na temperatura de 1200 oC ? 4)Uma liga de cobre contém 20% em peso de prata. Se esta for aquecida em condições de equilíbrio e for mantida a temperatura de 900 oC por algumas horas, pergunta-se: a) quantas fases estarão presentes nesta temperatura ? b) quais as composições aproximadas de cada uma das fases nesta temperatura, e c) quais as quantidades relativas em peso (%p) e em volume (%v) de cada fase ? Dados: ρCu = 8,56 g/cm3 , ρAg = 9,97 g/cm3 a 900 oC 5)Quantas fases se formam na solidificação completa de uma liga eutética ? e quantas se formam na fusão completa ? Exemplifique a reação eutética. 6)Calcule a composição em percentuais atômicos (%at.) da liga eutética chumbo-estanho. Quais as fases presentes desta liga resfriada em condições de equilíbrio estável a partir do estado líquido? Qual a composição química aproximada de cada uma destas fases? Quais as quantidades relativas em peso e a fração volumétrica de cada uma destas fases na temperatura ambiente ? Obs.: considere as densidades dos elementos na temperatura ambiente a mesma do que a 150 oC.

1.6.3 Micrografia ótica. A micrografia permite a observação e o registro da microestrutura de diferentes materiais. Esta técnica consiste da preparação de amostra e observação da textura da superfície do material ao microscópio. As etapas a serem seguidas para execução da micrografia de ligas ferrosas são as seguintes: 1º) Escolher a secção da peça a ser examinada; 2º) Preparar superfície plana e polida da amostra (corte, lixamento, polimento); 3º) Observação das características da superfície da amostra com auxílio de microscópio ótico; amostra sem ataque químico; 4º) Observação da microestrutura do material com auxílio de microscópio ótico; após ataque químico da amostra com reagente adequado; 5º) Obtenção da fotomicrografia da microestrutura observada. Seção a ser examinada: esta escolha é fundamentada nas características que se pretende observar, geralmente relacionadas ao processo de fabricação da peça, ou à partes da peça sujeitas a solicitações mecânicas em serviço. Por exemplo, em peças fundidas de grande porte pode ser necessário retirar amostras de diferentes regiões, em razão de heterogeneidades presentes no material. Uma peça sujeita a deformação permanente na fabricação (p. ex. forjamento) apresenta diferentes aspectos na seção transversal e


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longitudinal, conforme ilustra a Figura 8.0 (Fonte: Colpaert, H. Metalografia dos produtos siderúrgicos comuns Ed. Edgard Blücher).

Figura 11 Seção transversal e longitudinal de uma barra de aço. Preparação da superfície da amostra: a retirada da amostra é feita mediante corte, geralmente realizado por cortadeira de disco abrasivo, que possui um sistema de circulação de líquido para refrigerar o processo, conforme ilustra a Figura 8.1.

Figura 12 Cortadeira de disco abrasivo Figura 13 Lixadeira manual motorizada com recirculação de fluido refrigerante.

Figura 14 Politriz com disco de polimento.

Dependendo do tamanho ou da forma da amostra, torna-se necessário montá-la em resina plástica para viabilizar o lixamento e polimento posteriores. O embutimento da amostra metalográfica é feito geralmente numa prensa hidráulica, que funciona com sistema de aquecimento para a cura do termoplástico, conforme ilustra a Figura 8.4.

Figura 15 Prensa de embutimento e amostras embutidas observação em resina termoplástica. metálicos. IF-SC Campus Joinville

Figura 16 Microscópio ótico para da microestrutura de materiais Página 20

O lixamento da superfície pode ser feito em lixadeira manual de bancada, como a mostrada na Figura 8.2, ou pode ser feito em lixadeiras motorizadas (rotativas). No trabalho de lixamento são utilizadas papéis de lixa de número 100, 220, 320 e 600. Como o calor e esforços aplicados nas operações de corte e lixamento deformam/alteram regiões da superfície da amostra, torna-se necessário remover a zona afetada (encruada) por meio do polimento, para que a observação não seja comprometida. O polimento das amostras de aço e ferro fundido pode ser realizado em politrizes para polimento com solução de alumina ou com pasta de diamante. As soluções de alumina utilizadas possuem pós de granulometria de 1, 0,5 e 0,3 micron. As pastas de diamante possuem materiais com granulometrias em torno de 10, 5 e 1 micron. Uma das formas de se evitar a oxidação da superfície polida é conservar a amostra num dessecador (campânula) contendo cloreto de cálcio, caso a amostra não seja logo submetida ao ataque químico. Observação da superfície polida da amostra ao microscópio/ Características do microscópio ótico: o microscópio ótico possui dois sistemas de lentes convergentes: a objetiva e a ocular. A imagem que é vista através da ocular, geralmente provém da luz de uma lâmpada refletida na superfície da amostra e que é projetada pela objetiva (vide sistemas de iluminação de “campo claro” dos microscópios óticos na Figura 8.6). Nestes sistemas de iluminação as partes polidas e não atacadas por reagente químico apresentam imagem em claro, enquanto que as regiões não polidas (trincas, poros, inclusões) ou atacadas (contornos de grão, perlita etc) aparecem em escuro.

Figura 17 Sistemas de iluminação de “campo claro” de microscópios óticos. (Fonte: Colpaert, H. Metalografia dos produtos siderúrgicos comuns Ed. Edgard Blücher). Antes da exposição da amostra ao reagente químico, várias características do material podem ser observadas, tais como inclusões, trincas, porosidades e forma da grafita em ferros fundidos. Nas Figuras 8.7 a 8.10 são apresentados resultados de operações de polimento de ligas ferrosas (Fonte: Colpaert, H. Metalografia dos produtos siderúrgicos comuns Ed. Edgard Blücher).

Figura 18 Superfície bem polida e sem ataque químico riscos de um aço com numerosas inclusões. 200X


Figura 19 Superfície mal polida contendo de polimento. 100X

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Figura 20 Superfície bem polida e sem ataque químico de um aço com numerosas inclusões. 200X torno

Figura21 Superfície mal polida contendo A) Cometas; B) Manchas C) Halos em de pequenos orifícios. 200X

Alguns aspectos observáveis em superfícies polidas sem ataque estão ilustrados nas Figuras 8.11 e 8.12.

Figura 22 Inclusões quebradiças em aço sem ataque. 200X

Figura 23 Trincas em aço temperado sem ataque. 200X

Observação da microestrutura do material ao microscópio: O contraste das fases presentes no material é revelado por meio do ataque químico da superfície da amostra. As Figuras 8.7-8.9 apresentam microestruturas de aços comuns ao carbono.

Figura 24 Microestrutura de um aço carbono hipoeutetóde (Ferrita + Perlita)


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Figura 25 Microestrutura de um aço eutetóide (Perlita)

Figura 26 Microestrutura de um aço hipereutetóide (Perlita + Cementita)

Procedimento de preparação metalográfica Material necessário - amostra a observar, - serra, - lima, - prensa de montagem a quente, - resina para montagem a quente - funil, - colher de medida, - lixas - mesa de polimento, - politriz rotativa, - panos de polimento, - algodão, - papel, - detergente, - dispersão de alumina 1 um, - dispersão de alumina 0,25 um, - álcool, - nital a 3%, - pinças, - recipiente, - secador, - microscópio, A1 – Posicionar a barra na cortadeira de disco abrasivo, prendendo-a no suporte; proceder o corte de forma lenta, garantindo que não ocorra um aquecimento excessivo. A2 - Se necessário, melhore a planicidade da amostra com uma lima. Se necessário, efetuar a montagem da amostra numa resina. Durante o polimento haverá necessidade de observar várias vezes a amostra ao microscópio para controlar o estado de superfície da amostra. Para tal existe no laboratório um microscópio de operação simples. Escolhida a objetiva, coloque a amostra no prato porta-amostra, aproxime-a o mais possível da objetiva, embora sem tocar, ligue a fonte de alimentação e, com o auxílio dos botões recartilhados laterais, proceda à focagem. Ao terminar a observação, desligue a fonte de alimentação. Atenção: tanto a amostra como as mãos deverão estar perfeitamente secas sempre IF-SC Campus Joinville

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que utilizar o microscópio. B1 - O processo inicia-se na bancada de lixamento. B2 - Mantenha-se à frente da lixadeira (lixadeira manual de bancada). Segure a amostra com os polegares, indicadores e dedos médios de ambas as mãos. Memorize bem a orientação da amostra ao iniciar o lixamento. O conjunto formado pela amostra, pelas mãos e pelos pulsos deverá manter-se rígido, mas descontraído, para que a pressão exercida não seja exagerada e os movimentos sejam executados com suavidade. O lixamento será conseguido através de movimentos regulares de vai-vem ao longo de toda a extensão da lixa. Para assegurar esses movimentos, os antebraços, os pulsos e as mãos manter-se-ão quietos. Deverá portanto mover apenas os cotovelos. Evite exercer sobre a amostra uma pressão assimétrica para evitar que ela adquira uma forma em bisel, e não execute o vai-vem através de movimentos bruscos, para não abaular a superfície a observar. B2 - Mantenha-se à frente da lixadeira rotativa. Segure a amostra com três dedos de uma das mãos. Lembrese de que deverá manter a rigidez do conjunto amostra-mão-pulso- antebraço-cotovelo. Os movimentos verticais para colocar a amostra no prato e para ajustar a pressão deverão ser feitos com o ombro. Oriente a amostra de forma que os riscos deixados pela rotação da lixa sejam perpendiculares aos deixados pela última lixa. B3 - O desbaste deve ser realizado sob água corrente abundante, para evitar o aquecimento da amostra e para a remoção das partículas arrancadas à amostra e ao abrasivo, as quais iriam alterar a microestrutura a observar. B4 - A seqüência de polimento consiste, numa primeira fase, em utilizar as lixas de bancada de lixamento, desde a mais grossa até a mais fina. A transição entre lixas far-se-á quando, por observação ao microscópio, não forem observáveis riscos em mais do que uma direção, correspondente à direção em que por último se trabalhou. B5 - Ao passar de uma lixa para a seguinte deverá girar a amostra em 90º, de modo que os riscos deixados pelo abrasivo da nova lixa façam um ângulo reto com os deixados pela lixa anterior. Tal cuidado tem por finalidade detectar o momento em que desaparecem os riscos introduzidos pela lixa anterior. Após eliminar esses riscos dever-se-á ainda proceder a outro desbaste na mesma lixa, de modo a que os riscos cruzem a 90º com os anteriores, da mesma lixa, a fim de eliminar o material deformado pelo abrasivo da lixa anterior. B6 - Ao acabar o polimento numa lixa e antes de passar à seguinte, lave cuidadosamente a amostra e as mãos, para evitar contaminações de cada lixa com material da lixa anterior, de maior granulometria. B7 - A pressão a utilizar durante o desbaste será tanto maior quanto mais duro é o material a desbastar, não devendo ser excessiva para não o deformar e fraturar, mas deverá ser suficiente para que se dê a eliminação rápida dos riscos da lixa anterior. Um desbaste excessivamente prolongado provoca mais um "empastamento" do material do que o corte que se pretende. B8 - Terminada a utilização da última lixa e lavadas as mãos e a amostra, poderá passar à politriz rotativa. Antes, porém, deverá limar o rebordo da amostra ou da montagem da amostra para não ferir os panos de polimento. B9 - Com o aparelho desligado coloque o prato sobre o qual está montado o pano destinado à dispersão de alumina (granulometria de 1 um). Note que os pratos estão identificados com a indicação da granulometria a que se destinam e que em caso


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algum se deverão misturar aluminas de diferentes granulometrias no mesmo pano, sob pena de impossibilitar qualquer polimento posterior. Em caso de dúvida, consulte o professor responsável pelo acompanhamento da aula prática. B10 - Coloque o aro de proteção na politriz. B11 - Se constatar que a alumina contida no pano é insuficiente, coloque uma pequena porção no centro e espalhe ligeiramente. B12 - Para assegurar a lubrificação, coloque no pano um pouco de detergente. B13 - Mantenha-se à frente da politriz. Segure a amostra com três dedos de uma das mãos. Lembre-se de que deverá manter a rigidez do conjunto amostra-mão-pulso- antebraço-cotovelo. Os movimentos verticais para colocar a amostra no prato e para ajustar a pressão deverão ser feitos com o ombro. B14 - Oriente a amostra por forma a que os riscos deixados pela rotação do pano sejam perpendiculares aos deixados pela última lixa. B15 - Ligue a polidora e regule a velocidade de rotação para 300 rpm. B16 - Lentamente, e segurando a amostra com firmeza, leve-a a contatar com o pano, exercendo alguma pressão. B17 - A forma mais simples de proceder consiste em manter estática a amostra durante algum tempo, e retirá-la então a fim de observar os resultados. Uma técnica alternativa, mais delicada mas que garante melhores resultados, consiste em, mantendo constante a orientação da amostra, imprimir-lhe um movimento circular regular, em sentido contrário ao da rotação do prato. B18 - Antes de observar o estado de superfície da amostra, lave-a com algodão embebido em álcool, seguido de uma passagem por água corrente e novamente com algodão e álcool, após o que deverá empregar o secador para secar completamente a amostra. Se for trocar de pano, deverá proceder da mesma forma e, além disso, lavar as mãos. B19 - Se a amostra está em condições de passar à alumina de granulometria mais fina (1/4 um), troque o prato da politriz e repita os procedimentos B10 a B18. No final, não se esqueça de lavar e secar a amostra. Terminado o polimento, rest proceder ao ataque. C1 - Observe previamente a amostra no microscópio, a fim de comparar o aspecto da superfície antes e depois do ataque. C2 - No recipiente verta cuidadosamente uma pequena quantidade de nital a 3%. Atenção: sendo uma solução (em etanol) de ácido nítrico, este reagente é cáustico. Evite qualquer contacto com os olhos, a pele, ou a roupa. C3 - Abra a torneira da água e deixe-a correr abundantemente. C4 - Segure a amostra com uma pinça e mergulhe a superfície a observar no líquido, de preferência com uma ligeira agitação. Controle bem o tempo de contato, pois ele não deverá, em princípio, exceder 3 a 5 s. C5 - Coloque imediatamente a amostra em contacto com a água corrente, a fim de parar a reação, arrastando o nital que ainda sobrar. IF-SC Campus Joinville

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C6 - Lave a superfície da amostra com álcool e seque com o secador. C7 - Observe a amostra ao microscópio. Se o aspecto da superfície diferir pouco relativamente à observação anterior, o ataque foi insuficiente. Repita os procedimentos C4 a C6, limitando ainda mais o tempo da reação. Se, por outro lado, a superfície se apresenta muito enegrecida ou acastanhada, sinal de que o ataque foi exagerado, ou ainda se já efetuou dois ataques sem qualquer resultado apreciável, caso em que a estrutura da superfície já poderá estar bastante perturbada, refaça a última etapa do polimento e volte então a atacar a amostra.


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2.MATERIAIS CERÂMICOS (Processamento, Estrutura, Aplicações) As cerâmicas são materiais inorgânicos e não metálicos, que consistem em sua maioria de compostos formados por metais e não metais. Nesses compostos as ligações atômicas possuem caráter iônico e/ou covalente CERÂMICA = do grego “keramikos” (matéria-prima queimada, ou seja, em que a consolidação da peça ocorre por sinterização, onde a união das partículas acontece em elevadas temperaturas). Cerâmicas tradicionais



m.p. argilas

 louça, porcelana, tijolos, telhas, revestimentos e minerais (piso e azulejo), vidros e refratários (Fig. 1)

Figura 1. Cerâmicas tradicionais

Cerâmicas termomecânicas  /eletroeletrônicas centrífugas,

m.p.óxidos, nitretos carbetos



componentes automotivos, elementos de bombas partes de instrumentos e equipamentos de medição, ferramentas de corte e abrasão, biomateriais (Figura 2)

Figura 2. Cerâmica termomecânica/eletroeletrônica


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2.1 Estruturas das cerâmicas. Quando a ligação iônica predomina no material cerâmico a sua estrutura cristalina é formada por íons metálicos positivos (cátions) e íons não-metálicos negativos (ânions). A estrutura cristalina da cerâmica depende: 1º) da magnitude das cargas elétricas dos íons componentes (neutralidade elétrica do composto); ex. Ca+2F-2 (fluoreto de cálcio); 2º) do tamanho dos íons (cátions e ânions / razão entre os raios iônicos) Uma estrutura cristalina estável se forma na cerâmica quando os ânions vizinhos estão todos em contato com o cátion conforme a seguinte ilustração:

estável

estável

instável

Assim, existem materiais cerâmicos que se cristalizam nos diferentes sistemas cristalinos, tais como sistema cúbico, hexagonal, tetragonal, monoclínico. O sistema cúbico possui três tipos de estruturas cristalinas (AX, AmXp, AmBnXp). Os silicatos são os compostos mais abundantes da crosta terrestre; são formados por unidades tetraédricas básicas de silicatos (carregadas negativamente), conforme ilustram as Figuras 3 e 4.

Figura 3. Tetraedro de silício-oxigênio SiO+4 4

Figura 4. Estruturas formadas por tetraedros SiO+44

Existem várias estruturas de silicatos dependendo do arranjo das unidades SiO+44 , ex. sílica cristalina, sílica vítrea. √ Sílica (SiO2): estrutura cristalina formada quando todos os átomos de oxigênio da unidade tetraédrica estão compartilhados (ligados entre si); os tetraedros estão arranjados regularmente e ordenadamente. Existem três formas polimórficas da sílica: quartzo, tridimita e cristobalita. √ Vidro de sílica (sílica vítrea): O vidro é um material cerâmico não cristalino formado por uma rede de óxidos interligados sem arranjo ordenado; o mais comum é o de silicato de sódio (soda-cal) utilizado em janelas (Figura 5). IF-SC Campus Joinville

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SiO2 GeO2 B2O3

ÓXIDOS FORMADORES DE REDE

Na2O CaO

ÓXIDOS MODIFICADORES DE REDE

TiO2 Al2O3

ÓXIDOS INTERMEDIÁRIOS

Figura 5. Representação da estrutura não cristalina de um vidro de silicato de sódio. O carbono existe tanto na forma cristalina como no estado amorfo. Os seguintes polimorfos do carbono apresentam características distintas: grafita, diamante e fullereno. A grafita possui uma estrutura cristalina composta por camadas de átomos de carbono em um arranjo hexagonal. Os carbonos das camadas estão ligados entre si por ligações covalentes; entre as camadas a ligação é do tipo van der Waals (fracas), o que explica as propriedades lubrificantes da grafita (Figura 6a). O diamante possui estrutura cristalina cúbica,

(a)

(b)

(c)

Figura 6. Estruturas cristalinas do carbono: (a) grafita, (b) diamante e (c) fullereno. como indicado na figura 6b. Cada átomo de carbono se liga covalentemente a quatro átomos de carbono; por isso é um material de extrema dureza. Ademais, o diamante possui boa condutividade elétrica, é transparente e tem elevado índice de refração. Um arranjo CFC de moléculas de fullereno forma um sólido cristalino que, quando puro, é eletricamente isolante; uma molécula do fullereno tende a apresentar forma esférica, tal como ilustra a Figura 6c. A adição de impurezas, entretanto, pode tornar o sólido altamente condutor ou semicondutor.


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A estrutura cristalina de cerâmicas normalmente apresenta imperfeições pontuais, lineares ou planares, tal como ocorre nos materiais metálicos. Os defeitos pontuais são as lacunas ou intersticiais que, tanto ocorrem nos cátions como nos ânions; a condição de neutralidade elétrica é mantida na região do defeito. As soluções sólidas são os átomos de impureza substitucional ou intersticial presentes na rede cristalina. Diagramas de fases:- Assim como ocorre na metalurgia, os diagramas de fases binários e ternários auxiliam técnicos e engenheiros no processamento de materiais cerâmicos. Exs. Al2O3 - SiO2, ZrO2 – CaO.

Processamento de materiais cerâmicos

 VIDROS:

Variação do volume específico com a temperatura (materiais cristalinos x não cristalinos)

Volume específico

Líquido

Líquido super-resfriado

Cristalização Vidro

Sólido Cristalino

Temperatura Viscosidade em função da temperatura para vários vidros de silicato


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Vidro Vidro com Sílica borosilicato 96% sílica fundida Ponto de deformação Ponto de recozimento

Ponto de amolecimento Faixa de operação Ponto de operação Ponto de fusão

Distribuição de tensões residuais na seção de uma lâmina de vidro (Tamb) Tensão (103 psi)

Tensão (MPa) Compressão


Tração

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Conformação de vidros por prensagem e insuflação (sopro) tarugo Operação de prensagem Molde de parison

Ar comprimido Parison suspenso

Molde de Acabamento

Conformação de vidros planos e perfis por estiramento

Rolo de conformação Lâmina de vidro

Queimadores


Rolo rotativo

Barreira resfriada a água

Vidro fundido

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Conformação de peças cerâmicas

Processo de sinterização de pós

Tensão (MPa)

Resistência à tração

Deformação Microestruturas de Cerâmicas

Porcelana

Diamante policristalino (carbono) IF-SC Campus Joinville

Abrasivo à base de alumina

Óxido de alumínio

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Conformação de produtos à base de argila por colagem de barbotina A barbotina (supensão) é vertida para o interior do molde por gravidade

A água é absorvida pelo molde de gesso

Peça sólida acabada

A barbotina (supensão) é vertida para o interior do molde por gravidade

A água é absorvida pelo molde de gesso Retirada da O molde é drenado parte superior

Recipiente

Conformação por prensagem uniaxial de pós cerâmicos Preenchimento da cavidade do molde com o pó

Compactação do pó

Extração da peça compactada


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Revestimentos cerâmicos em ferramentas de corte: TiN/PVD e Alumina/CVD em cermets e metal duro.

LISTA DE QUESTÕES – CERÂMICAS

1) Quais os tipos de materiais cerâmicos utilizados nas seguintes aplicações? a) Objetos de cozinha: fabricação de cerâmica de mesa, copos, garrafas, jarros, potes; ..................................................................................................................................... b) Construção civil: fabricação de blocos (tijolos), telhas; palanques, construção de paredes; ..................................................................................................................................... c) Componentes de máquinas e equipamentos: ferramentas de usinagem , bomba centrífuga, componentes de motores. .....................................................................................................................................

2) Cite os processos de fabricação de vidros e cerâmicas. ..................................................................................................................................... IF-SC Campus Joinville

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.................................................................................................................................... .................................................................................................................................... .................................................................................................................................... .................................................................................................................................... 3) O que é temperatura de transição vítrea? .................................................................................................................................... .................................................................................................................................... .................................................................................................................................... .................................................................................................................................... 4) Descreva o processo de têmpera do vidro plano. .................................................................................................................................... .................................................................................................................................... .................................................................................................................................... .................................................................................................................................... .................................................................................................................................... 5) Como se denomina o processo de consolidação do compactado cerâmico que se realiza por tratamento térmico? ...........................................................................................................................................


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3.MATERIAIS PLÁSTICOS (Polímeros) Existem duas classes de polímeros utilizados na fabricação de uma grande variedade de produtos: os polímeros naturais e os sintéticos. Os polímeros naturais são materiais derivados de plantas e animais (exs. madeira, borracha, algodão, lã, couro, e seda), enquanto polímeros sintéticos (plásticos) são em sua maioria fabricados a partir de pequenas moléculas orgânicas derivadas do carvão e do petróleo.

As propriedades satisfatórias e o menor custo dos plásticos têm possibilitado a substituição de metais e madeira em algumas aplicações. Como as estruturas moleculares e cristalinas dos polímeros têm influência tanto nas propriedades mecânicas das peças como nas condições de conformação, estes assuntos serão vistos a seguir em maior detalhe.

Figura 8 . A substituição dos metais e aplicações de plásticos mais resistentes vem crescendo na indústria automobilística. (Fonte: http://g1.globo.com/Noticias/Carros/0,,MUL581881-9658,00.html) IF-SC Campus Joinville

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3.1 Estruturas dos polímeros. Hidrocarbonetos:- são materiais orgânicos compostos por hidrogênio e carbono. Como a maioria dos polímeros tem origem orgânica, é comum se iniciar o estudo destes materiais por uma revisão sobre os hidrocarbonetos. Na molécula de um hidrocarboneto cada átomo de carbono pode compartilhar até quatro elétrons de valência, o que define ligações covalentes entre os átomos (ligações intramoleculares).

Moléculas saturadas possuem ligações simples Moléculas insaturadas possuem ligações duplas ou triplas

| –C– |

| –C=

=C=

–C

Moléculas isômeras possuem mesma composição mas diferentes arranjos atômicos Qualquer um dos seguintes grupos orgânicos pode fazer parte de uma estrutura polimérica:


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R e R’ = radicais orgânicos são grupos de átomos que se ligam para formar um hidrocarboneto; os radicais mantém sua estrutura durante as reações químicas. Ex. CH3 – metila, C2H5 – etila

Síntese de polímeros Definição de polímeros: consistem de uma grande quantidade de moléculas gigantes formadas por reações químicas entre pequenas moléculas de hidrocarbonetos (monômeros). Estas reações são conhecidas por polimerização.

A grande cadeia carbônica é composta por unidades estruturais que se repetem, conhecidas por meros

Forma molecular

Polimerização por adição (reação em cadeia): caracterizada pela fixação dos monômeros, um de cada vez, formando uma cadeia linear longa; a macromolécula resultante é composta de um múltiplo exato de monômero que iniciou a reação. Polimerização por condensação (reação em estágios): reações em que estão envolvidos mais de um tipo de monômero, ocorrendo entre moléculas etapa por etapa. Nesta reação normalmente forma-se um sub-produto de pequeno peso molecular (ex. água)


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As propriedades de um polímero dependem:  do peso molecular  da forma molecular  da estrutura molecular


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 da configuração molecular

 Peso molecular médio

M =  x i . Mi

xi = fração de moléculas da faixa de tamanho i Mi = peso molecular médio da faixa de tamanho i

 Estrutura molecular

 Configurações moleculares  = átomo ou grupo de átomos  do hidrogênio

mero IF-SC Campus Joinville

“cabeça-a-cauda”

“cabeça-a-cabeça” Página 41

Estereoisomerismo:

Isotático

sindiotático

atático

Isomerismo geométrico:

cis

trans

Copolímeros: são formados por mais de um tipo de mero. Pesquisam-se polímeros que geralmente apresentam melhores propriedades e custo reduzido de fabricação.

Estrutura cristalina dos polímeros Cristalinidade do polímero




arranjo ordenado de átomos das cadeias

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Células unitárias são em geral complexas

polímeros são freqüentemente semicristalinos (regiões cristalinas dispersas na fase amorfa)

Grau de cristalinidade  depende da  taxa de resfriamento na solidificação  configuração molecular

•

Menor taxa de resfriamento favorece a cristalização

•

Complexidade química do mero, ramificação, ligações cruzadas, irregularidade geométrica e de composição  não favorece a cristalização exs. homopolímero linear cristaliza fácil polímero em rede é quase todo amorfo

Micrografia eletrônica de um cristal de polietileno (cristalitos)

lamela (cristalito)

Formação de esferulitos (“grãos”)


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Figura 9. Fotomicrografia ilustrando a microestrutura de um polímero com os esferulitos (“grãos”)


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Lista de questões - Estrutura de polímeros 1) Cite 05 polímeros naturais e 05 polímeros sintéticos. ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------2) De onde provém a matéria-prima para fabricação dos plásticos? ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------3) O que são hidrocarbonetos? Qual o tipo de ligação química existente no interior da molécula de um polímero? Quantas ligações covalentes são possíveis por átomo de carbono? Por que? Quais os tipos de ligações covalentes intramoleculares? ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------O que são moléculas saturadas e insaturadas? ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------O que são moléculas isômeras? O que são radicais orgânicos? ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------4) Dê o significado dos seguintes termos: a) polímeros; b) mero; c) forma molecular; d) polimerização por adição e e) polimerização por condensação. -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------


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-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

5) Do que depende as propriedades de um material plástico? Explique como são essas características do polímero que influenciam suas propriedades. -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------6) Do que depende o grau de cristalinidade de um polímero? ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------7) O que são cristalitos? ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------8) O que são esferulitos? ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------IF-SC Campus Joinville

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3.2 Processamento e aplicações dos polímeros. Aditivos Os aditivos são substâncias introduzidas para modificar a estrutura de um polímero, visando melhorar suas propriedades mecânicas, químicas ou físicas. Dependendo da função que desempenham podem ser classificados nos seguintes tipos: enchimentos, plasticizantes, estabilizadores, corantes e retardadores de chama. Enchimentos: materiais de carga ou de enchimento melhoram o limite de resistência à tração ou de compressão, a resistência à abrasão, tenacidade, estabilidade dimensional e térmica (tipos de carga:serragem fina, farinha e areia de sílica, argila, talco, calcário e polímeros / faixa de tamanhos dos enchimentos: 10 nm a 1 mm). A utilização de enchimentos possibilita uma redução do custo final do produto, já que as cargas são mais baratas comparativamente à porção de volume do polímero que é substituída. Plasticizantes: tem por função aumentar a flexibilidade, a ductilidade e a tenacidade dos polímeros, além de provocar uma redução de sua dureza e rigidez. As pequenas moléculas dessas substâncias aumentam a distância entre cadeias, reduzindo as ligações intermoleculares secundárias. (exemplos de aplicação: utilizados em polímeros que são frágeis à temperatura ambiente, tais como PVC, copolímeros de acetato). Estabilizadores: aditivos que previnem a deterioração do polímero provocada por radiação ultravioleta e oxidação. A radiação ultravioleta proveniente da luz rompe ligações covalentes da cadeia. A oxidação é causada pela interação de átomos de oxigênio e as moléculas do polímero. Corantes: as diferentes cores dos plásticos são obtidas através da adição de corantes na forma de tinturas ou pigmentos. As moléculas das tinturas se dissolvem na estrutura do polímero, ao passo que as moléculas dos pigmentos não se dissolvem, permanecendo como fase separada na estrutura. Os corantes podem ser transparentes ou conferir opacidade ao polímero. Retardadores de chama: substâncias que aumentam a resistência à inflamabilidade do polímero. Os retardadores interferem na combustão através de uma fase gasosa ou reação química que inibe a queima.

Tipos de polímeros (quanto ao comportamento mecânico a temperaturas elevadas). Termoplásticos: polímeros que amolecem e fundem ao serem aquecidos durante o processamento, endurecendo ao resfriarem no molde. Os termoplásticos podem ser novamente moldados, ou seja, podem ser reaquecidos adquirindo a plasticidade/viscosidade requerida na conformação. Ex. a maoria dos polímeros; os termoplásticos são geralmente dúteis (possuem estruturas lineares e ramificadas). Termofixos: polímeros que endurecem permanentemente ao serem aquecidos na moldagem, não adquirem plasticidade e fluidez ao serem reaquecidos. Durante o aquecimento inicial são formadas ligações covalentes cruzadas entre as macromoléculas. Essas ligações impedem os movimentos das cadeias a elevadas temperaturas. Geralmente os polímeros termofixos possuem maior dureza, resistência e fragilidade do que os termoplásticos. Além disso, são dimensionalmente mais estáveis. Exemplos: epóxis, resinas fenólicas, resinas poliéster, borrachas vulcanizadas (todos com ligações cruzadas e em rede)

Tipos de polímeros (quanto às aplicações): plásticos, elastômeros (borrachas), fibras, revestimentos, adesivos, espumas e películas. Plásticos: são polímeros termoplásticos ou termofixos com diversas combinações de propriedades e aplicações. As principais características, processamento e aplicações dos plásticos são fornecidas a seguir.


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Os fatores que determinam a técnica de conformação dos polímeros plásticos são: 1) 2) 3) 4)

se o material é termoplástico ou termofixo; temperatura de transição vítrea do termoplástico; estabilidade do material frente às condições ambientes; forma e tamanho do produto.

↑ Tv se amorfos ↑ Tf se semicristalinos

Termoplásticos são conformados a temperaturas a pressão é mantida durante o resfriamento da peça no molde

1º estágio – polímero linear de baixo peso molecular (líquido) Termofixos são conformados em dois estágios 2º estágio – cura através de aquecimento e/ou pela adição de catalisadores (no molde freqüentemente sob pressão; as peças podem ser extraídas enquanto ainda estão quentes , uma vez que se encontram dimensionalmente estáveis) Os termofixos suportam maiores temperaturas de serviço e são mais inertes quimicamente do que os termoplásticos. Termoplá Termoplásticos utilizados atualmente:

Polietilenos

DESEMPENHO

PEEK PPA PPS

PPO POM PET

Plá Plásticos Especiais

PA PBT PC

PP PS AC ABS PVC PMMA PE SAN

Plá Plásticos de Engenharia

Plá Plásticos de Massa

CUSTO

Polietileno de Alta Densidade (PEAD)  Poletileno de Média Densidade (PEMD)  Polietileno de Baixa Densidade (PEBD)  Polietileno de Ultra Alto Peso Molecular (PEUAPM)  Etileno Acetato de Vinila (EVA)  Etileno Metacrilato de Metila (EMA) 

6

4

Polietileno de Alta Densidade (PEAD/HDPE) - Caracterí Características        

Polietileno de Alta Densidade (PEAD/HDPE) - Propriedades

Aparência: Branco, translúcido à opaco Classificação: Poliolefina, Vinílico, de Poliadição Cristalinidade: 75 - 95% Densidade: 0,94 - 0,98 g/cm3 Peso Molecular: 200.000 u.m.a Temperatura de Fusão: 130-135 o C Temperatura de Transição Vítrea - 120 o C Tipo de Cadeia : Linear



. Aceita Aditivos (conc. cor, modif. de impacto, cargas, etc..)



. Anti - Aderente . Atóxico . Baixa absorção de umidade . Baixa densidade . Baixo Custo . Boa Resistência Química, ao Impacto . Bom amortecedor de vibrações . Bom isolamento elétrico . Relativa Resistência à abrasão

        7

. Embalagens ligadas ao processo de moldagem por sopro. . Perfis . Caixas de leite . Engradados de cerveja . Brinquedos


8

. Tubos

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Polietileno de Baixa Densidade (PEBD/LDPE) - Propriedades

Polietileno de Baixa Densidade (PEBD/LDPE) - Caracterí Características        

Aparência: Branco, Translúcido Classificação: Poliolefina, Vinílico, de Poliadição Cristalinidade: 55 - 70% Densidade : 0,89 a 0,94 g/cm3 Peso Molecular: 50.000 u.m.a o Temperatura de Fusão: 109-120 C o Temperatura de Transição Vítrea: - 120 C Tipo de Cadeia : Ramificada



As mesmas do PEAD, exceto possuir rigidez bem menor.





. 55% do total está ligado ao uso em filmes: . Embalagens para alimentos e fármacos . Filmes para agricultura . Revestimento de fios e cabos . Produtos domésticos (sacolas.....) . Brinquedos



. Peças de uso geral

Aplicaç Aplicações    

13

12

Polietileno de Ultra Alto Peso Molecular (PEUAPM/UHMWPE) Propriedades

Polietileno de Ultra Alto Peso Molecular (PEUAPM/UHMWPE) Características        

Aparência:Branco, opaco Classificação: Poliolefina, Vinílico, de Poliadição Cristalinidade: 45% (máximo) Densidade : 0,93 a 0,94 g/cm3 Peso Molecular: 3.000.000 - 8.000.000 u.m.a. Temperatura de Fusão:135 o C o Temperatura de Transição Vítrea: -120 C Tipo de Cadeia: Linear



As mesmas, exceto ser extremamente rígido, extremamente resistente desgaste por atrito. Aplicaç Aplicações

 

Engrenagens Revestimento de correias (por onde deslizam os butijões de gás nas refinarias)

16

15

Polietilenos Limitações : Baixa Resistência ao Calor. Baixa Resistência à Tração, Compressão e Flexão . Sofre degradação por raios U.V (Sol) . Boa resistência a ácidos oxidantes (HCl, H2SO4, etc...) . Baixa resistência ao corte . Baixa estabilidade dimensional

Etileno Acetato de Vinila (EVA) Caracterí Características 

   

  

Etileno Acetato de Vinila (EVA) Aplicaç Aplicações

% de Acetato de Vinila aceita: 3 - 25% Quanto maior a incorporação de Acetato de Vinila, maior a flexibilidade do polímero. . Atóxico . Elasticidade similar a borrachas . Excelente Flexibilidade e Tenacidade . Excelente resistência às tensões em ambientes agressivos (Stress Ckracking) . Maior Transparência que PEBD . Propriedades mecânicas mantidas a baixas temperaturas . Resistência a perfuração e ao impacto maiores que aos PEs 19




. Filmes termoretráteis (Strech) para congelados.



. Filmes multi-camadas (processo de co-extrusão). . Revestimento de embalagem de papel (Longa Vida). . Revestimento de fraldas. . Tubos para Transfusão de sangue. . Mangueiras simples. . Revestimentos de fios. . Vedações. . Brinquedos Flexíveis. . Flores Artificiais.

       

20

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Etileno Metacrilato de Metila (EMA) Caracterí Características / Aplicaç Aplicações        

Polipropilenos

Características . Similares ao EVA . Maior estabilidade Térmica . Produz filmes mais leves Aplicações . Embalagens Médicas . Luvas Descartáveis . Capas para Estofamento

 

Polipropileno Homopolímero (PPH) Polipropileno Copolímero (PPC)

24

22

Polipropileno Homopolí Homopolímero Propriedades

Polipropileno - Caracterí Características         

Aparência: Branco, translúcido Classificação: Poliolefina, Vinílico, de Poliadição Cristalinidade: 60 - 70% Densidade: 0,9 g/cm3 Peso Molecular: 80.000 a 500.000 u.m.a Temperatura de Fusão: 165- 175 o C Temperatura de Transição Vítrea: -8 o C Tipo de Cadeia: Helicoidal Adicionando-se de 1,5 a 7% de ETILENO na polimerização do Propileno tem-se o POLIPROPILENO COPOLÍMERO

         

. Aceita Aditivos (conc. de cor, modif. impacto, cargas, etc..) . Anti - Aderente . Atóxico . Baixa absorção de umidade . Baixa densidade / baixo custo . Boa Resistência Química (maior de todos os termoplásticos) . Boa Resistência ao Impacto e ao atrito . Bom isolamento elétrico . Excelente resistência à fadiga. . Propriedades óticas razoáveis. . Resistência térmica razoável (115o C). 26

25



   

Polipropileno Copolí Copolímero

Polipropileno Copolí Copolímero

Propriedades

Aplicaç Aplicações

. As propriedades do Polipropileno Copolímero são semelhantes ao do Polipropileno Homopolímero, adicionandose: . Maior Transparência . Maior Flexibilidade . Menor Temperatura de Amolecimento . Reciclável sem perda de transparência 27


        

. Filmes . Embalagens flexíveis de roupas, brinquedos, discos, cigarros, etc... . Processos de moldagem por injeção à sopro . Embalagens Transparentes para líquidos quentes (mais de 120o C.) . Processos de moldagem por injeção . Brinquedos . Caixas de fitas de vídeo . Embalagens semi-rígidas para alimentos . Forma para gelo

28

Página 50

Polipropileno Homopolí Homopolímero Poliestirenos

Aplicaç Aplicações . Dobradiças em geral  . Grande peças da linha automotiva (maçanetas, dutos de ar, ventoinhas, ...)  . Haste para óculos  . Parafuso de assento sanitário 

    

Poliestireno Cristal (PSC) Poliestireno Alto Impacto (PSAI) Poliestireno Expandido (EPS) Acrilonitrila - Butadieno - Estireno (ABS) Estireno - Acrilonitrila (SAN)

30

32

Poliestireno Cristal (PSC/GPS) - Caracterí Características

Poliestirenos - Caracterí Características 

     

Aparência: Transparente Classificação: Poliolefina, Vinílico, Poliadição Cristalinidade: quase 0% (Polímero Amorfo) Densidade: 1,05 g/cm3 Temperatura de Fusão: 85 - 95 o C Temperatura de Transição Vítrea: 85 - 110 o C

         

. Alta estabilidade dimensional . Alta rigidez . Atóxico . Baixa contração no molde . Baixa densidade . Baixo custo . Baixa resistência ao calor e ao Impacto . Baixa resistência à Química (Cetonas e aromáticos) . Baixa resistência aos raios U.V. (Sol) . Bom isolante térmico e elétrico . Facilidade de processamento . Permeabilidade a gases . Propriedades óticas boas 34

33

Poliestireno Cristal (PSC/GPS) - Aplicaç Aplicações           

Poliestireno Alto Impacto (PSAI/HIPS) - Caracterí Características

. Box para banheiros . Brinquedos . Cabos de escovas . Caixas para fitas cassetes e CD’s . Eletrodomésticos . Embalagens e recipientes . Embalagens Termoformadas . Instrumentos para análises clínicas . Material escolar . Porta - ovos, porta - carnes . Tampas de toca - discos

            

35


O PSAI é produzido pela mistura física, ou ainda adição de SBR (borracha) ao Estireno no reator (a borracha é enxertada ao estireno). . Alta rigidez . Atóxico . Baixa densidade . Baixo custo . Baixa resistência ao calor . Baixa resistência ao Impacto . Baixa resistência à Química (Cetonas e aromáticos) . Baixa resistência aos raios U.V. (Sol) . Bom isolante térmico e elétrico . Facilidade de processamento . Permeabilidade a gases . Propriedades óticas boas 37

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Poliestireno Alto Impacto (PSAI/HIPS) - Aplicaç Aplicações          

Poliestireno Expandido (EPS) Caracterí Características

. Barbeadores descartáveis . Brinquedos . Cabos de escovas de dente . Corpos descartáveis / . Talheres descartáveis em geral . Gabinete de refrigerador . Gabinete de TV e vídeo . Grade de ar condicionado . Interruptor de luz . Peças de eletrodomésticos . Peças eletroeletrônica e informática

  

. Nomes comerciais: Styropor, Isopor (BASF) . Obtido através do Poliestireno + Agente de Expansão . Material típico: Poliestireno Cristal + Penteno • Densidade = 0,01 a 0,16 g/cm3 • Fornecimento em esferas de 0,25 a 2,5mm de diâmetro

    

. Baixo custo . Baixa densidade . Flutuabilidade . Ótimo amortecimento de impactos . Ótimo isolamento térmico Obs.: As propriedades do Poliestireno Expandido dependem diretamente de sua densidade, ou seja, o volume de ar nas cé células expandidas.

39

41

Poliestireno Expandido (EPS) Aplicações : Caixas e embalagens térmicas . Embalagens . Isolamento acústico . Isolamento Térmico para a indústria da construção civil . Isolamento Térmico para tubos aquecidos

Copolímeros Estirênicos

Produtos Tí Típicos

. SAN - Estireno - Acrilonitrila  . ABS - Acrilonitrila - Butadieno Estireno 

  

Acrilonitrila: Acrilonitrila: Proporciona resistência té térmica, ao calor, à quí química e mecânica. Butadieno: Butadieno: Resistência ao impacto Estireno: Rigidez, facilidade de processamento





ABS • • •

Acrilonitrila = 15 a 30% Butadieno = 5 a 30% Estireno = o restante

• •

Acrilonitrila = 15 a 35% Estireno = 65 a 85%

SAN

44

45

Acrilonitrila - Butadieno - Estireno

Estireno - Acrilonitrila (SAN)

(ABS) - Aplicaç Aplicações 

. Brinquedos



. Carcaças de máquina de escrever . Carcaças de microcomputadores (monitor, teclado) . Carcaças de telefones . Console de automóveis . Eletrodomésticos . Instrumentos de painéis . Painéis de automóveis . Para - choque de automóveis . Peças cromadas

       

Aplicaç Aplicações Acessórios de banheiro  . Compartimentos de filtros de água  . Eletrodomésticos  . Gavetas de refrigerador  . Máquina de lavar louça  . Pratos de salada  . Produção de ABS  . Tampas de aparelhos de som 

46


.

48

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Poli(Cloreto de Vinila) - PVC

Poli(Cloreto de Vinila) Vinila) - PVC

Caracterí Características

Propriedades

Polímero produzido a partir do monômero de cloreto de vinila (MVC) Aparência: Branco, translúcido Classificação: Poliolefina, Vinílico, de Poliadição Cristalinidade: quase 0%, Amorfo Densidade: 1,39 g/cm3 Peso Molecular: 50.000 a 100.000 u.m.a Temperatura de Amolecimento: 81o C Principal curiosidade: Não determina-se Índice de Fluidez e sim o FATOR K



      

           

. Alta resistência à substâncias apolares: Óleos, Graxas . Alta rigidez / . Atóxico . Auto - Extinguível / . Baixa resistência à abrasão . Baixa resistência à solventes polares: Acetonas, Clorofórmio . Baixa resistência térmica (Temperatura de uso de 10 a 60o C) . Boa aceitação de aditivos / . Boa estabilidade dimensional . Boa resistência à intempéries (Raios U.V.) . Impermeabilidade a líquidos e a vapores . Isolante Elétrico / . Não absorve umidade . Pode ser dobrado, soldado, usinado, colado . Torna-se quebradiço com o tempo . Transparente (sem Dióxido de Titânio e sem carbonatos)

50

51

Poli(Cloreto de Vinila) Vinila) - PVC

Poli(Metacrilato Poli(Metacrilato de Metila) Metila) (PMMA) - Caracterí Características

Aplicaç Aplicações           

. Artigos escolares . Baldes . Brinquedos . Conduítes (eletrodutos) . Eletrodomésticos . Embalagens para remédios . Forrações de interiores de automóveis . Forros para rebaixamento de tetos (banheiros) . Imitação de couro . Mangueiras em geral . Móveis de jardim . Perfis . Revestimento de fios . Revestimento de parede . Solados de sapato e tênis . Tanques . Tomadas e interruptores . Tubos e conexões (40% do total)

       

Aparência: Transparente Classificação: Poliolefina, Vinílico, de Poliadição Cristalinidade: quase 0% , amorfo Densidade: 1,18 g/cm3 Peso Molecular: 1.000.000 u.m.a Temperatura de Fusão: 160o C Temperatura de Transição Vítrea: 105o C Popularmente chamado de ACRÍ ACRÍLICO

52

59

Poli(Metacrilato de Metila) (PMMA) - Aplicaç Aplicações

Poli(Metacrilato de Metila) (PMMA) - Propriedades          

. Alta impermeabilidade . Alta resistência à intempéries . Alta resistência ao descoramento . Alta resistência térmica . Alta rigidez . Alta transparência . Baixa resistência a abrasão . Boa resistência química (exceto Hidrocarbonetos clorados e aromáticos, ésteres e cetonas) . Resistência à tração elevada (maior entre os termoplásticos) . Resistência ao impacto baixa

            60


. Aparelhos eletroquímicos . Aparelhos médicos . Artigos escolares . Artigos sanitários . Emblemas . Incorporação em Adesivos . Incorporação em Tintas . Incorporação em Vernizes . Instalações industriais (farmacêutica, papeleira, têxtil, couro) . Janelas de avião . Lanternas de automóveis . Lentes . Letreiros luminosos . Painéis de automóveis 61

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Policarbonato (PC)

Policarbonato (PC)


Propriedades

Absorção de água: 0.15%  Contração: 0.5 - 0.7%  Cristalinidade: quase 0%, amorfo  Densidade:1.2 g/cm3  Peso Molecular: 10.000 - 30.000 u.m.a  Temperatura de Fusão: 225-2500C  Temperatura de Transição Vítrea: 1450C 

. Boa estabilidade dimensional  . Boas propriedades elétricas  . Elevada resistência ao impacto  . Semelhança ao vidro 

69

68

Poliacetal (POM)

Poliacetal (POM)


Aplicaç Aplicações

Absorção de água: 0.15%  Contração: 0.5 - 0.7%  Cristalinidade: quase 0%, amorfo  Densidade:1.2 g/cm3  Peso Molecular: 10.000 - 30.000 u.m.a  Temperatura de Fusão: 225-2500C  Temperatura de Transição Vítrea: 1450C 

75

72

Poliamida (PA)

Poliamida (PA)


Propriedades Alta resistência à abrasão  . Alta resistência ao impacto  . Alta resistência à tração  . Alta resistência à química (óleos e a hidrocarbonetos e ésteres)  . Baixa resistência a álcoois, glicóis e água. 

. Absorção de água: 1.3 - 1.6 %  . Contração: 1.5 %  . Densidade: 1.13 - 1.14  . Peso Molecular: 10.000 - 40.000 u.m.a  . Temperatura de Fusão: 225 - 265 C 

76


77

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Poliamida (PA)

Poli(Tereftalato Poli(Tereftalato de Etileno) (PET) - Caracterí Características

Aplicaç Aplicações      

. Engrenagens, buchas, assentos (mecanismos) . Tubulações para líquidos, água quente, petróleo . Recobrimentos de fios e cabos elétricos . Linha de pescaria . Envólucros para medicamentos e alimentos . Base para adesivos e óleos (Poliamida 6.10)

        

Absorção de água: 0.2 % Aparência: Transparente à branco Contração: 0.3 % Cristalinidade: 40 % (máximo) Densidade : 1.4 g/cm3 Formas de processamento: Injeção, Sopro Peso Molecular : 15.000 - 42.000 u.m.a Temperatura de Fusão: 250 - 2700 C Temperatura de Transição Vítrea : 70 - 740C

80

78

Poli(Tereftalato Poli(Tereftalato de Etileno) (PET) - Aplicaç Aplicações

Poli(Tereftalato de Etileno) (PET) - Propriedades 

  



. Alta resistência química, mecânica, térmica e elétrica . Atóxico . Boa aceitação de aditivos . Boa resistência química (óleos, graxas e desinfetantes)

. Caixas e motores, bobinas  . Dispensa Usinagem  . Embalagens de refrigerantes, fármacos  . Fios Tecelagem  . Fitas Substituição as fitas metálicas  . Fitas magnéticas  . Filmes para fotografia 

. Excelente transparência e brilho

82

81

Poli(Tereftalato de Butileno) (PBT) - Caracterí Características        

Poli(Tereftalato Poli(Tereftalato de Butileno) Butileno) (PBT) - Propriedades

Absorção de água : < 0.1% Contração: 1.8 - 2% Cristalinidade: 30 - 60% Densidade : 1.3 g/cm3 Formas de Processamento: Injeção, Extrusão, Sopro Peso Molecular: 25.000 - 40.000 u.m.a Temperatura de Fusão: 220oC Temperatura de Transição Vítrea : 50oC

       

. Alta resistência química e elétrica . Atóxico . Alta resistência a temperaturas altas . Boa aceitação de aditivos . Boa estabilidade dimensional . Boa resistência ao impacto mesmo a baixas temperaturas . Boa resistência química (óleos, graxas e desinfetantes) . Pode ser reforçado com Fibra de Vidro

84

Poli(Tereftalato de Butileno) (PBT) – Aplicações : Peças para circuitos eletrônicos . Linha automotiva e industrial Cartuchos de extintor de incêndio . Bombas industriais


85

.

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TEFLON Tetrafluoretileno

NÁILON Poliamida O náilon apresenta:

O teflon apresenta:

É utilizado:



baixo coeficiente de atrito;



resistência química a solventes;



em revestimento de panelas e frigideiras;



na fabricação de peças de canalização, válvulas e registros;



resistência a temperaturas extremas: -80 ºC até 240 ºC;



ótimo isolante elétrico plástico;



não tóxico.

alta resistência à ração e abrasão;



alta resistência à gorduras;

 

na produção de peças eletroeletrônicas para esse fim.



É utilizado:





Autolubrificavel; Termoplástico semicristalino;



Linhas de pescar;



Fibras têxteis



Escovas;



Engrenagens;



Laminados.

Faixa de trabalho: -60º a 110ºC.

89

Temperatura de Fusão (Tm (Tm)) (o C)

91

Temp. Temp. Transiç Transição Ví Vítrea (Tg (Tg)) (o C) 150

300 270 250

265

250

250 225

225

100

175 165

PP

-50

50

-100

-8

PEBD

PEAD

0 PEAD

PSAI

PSC

PA 6

PA 6.6

PC

74 70

PBT

PET

PSAI

PSC

PA 6

PA 6.6

PC

PBT

PET

POM -50 -85

-120 PEBD

85 50

0

130

100

PP

85

50

181

130

110

220

200 150

145 110

-120

-150

POM

96

95

Resistência à Traç Tração (ASTM 638) (Kgf/cm2)

Dureza (Rockwell (Rockwell M)

800 714

700 600

560

500

500

400

9,00 8,00 7,00

700 680

510

565

338

350

100

2,00 1,00 0,00

157

140 40

0 PP

PEBD

PEAD

PSAI

PSC

PA 6

PA 6.6

PC

PBT

PET

POM

98


5,67 4,43

4,20 3,60

4,00 3,00

280

200

6,53

6,00 5,00

510

390

300

8,65 7,50

3,19 2,81 2,32 1,70 1,65

1,42

ABS

EVA

EPS

1,16 1,18

PA 6 PA 6.6

PBT

PC

PEAD PEBD

PET PMMA POM

1,04 0,90 PPC

PPH

PSAI

PSC

1,32

PVC

102

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Lista de questões 3 – Aplicações dos polímeros 1) Cite algumas vantagens e desvantagens dos materiais poliméricos. ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------2) Como podem ser classificados os termoplásticos em função dos critérios de custo e desempenho? Cite 03 exemplos de termoplásticos de cada classe. ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

3) Preencha a tabela com os valores de algumas características e propriedades dos termoplásticos de uso geral e de engenharia. A seguir descreva as aplicações de cada polímero listado na tabela. Polímero

Cristalinidade (%)

Densidade (g/cm3)

Peso Molecular (uma)

Tv

Tf

Aplicações:


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Processamento de polímeros As técnicas de moldagem por compressão, transferência, sopro, injeção e extrusão, são utilizadas na conformação de polímeros plásticos.

Moldagem por compressão A moldagem por compressão e moldagem por transferência está ilustrada na figura 1 e consistem das seguintes etapas: 1º) mistura de polímero e aditivos; 2º) colocação da mistura na cavidade do molde; 3º) aquecimento das partes do molde (macho e fêmea); 4º) fechamento do molde, aplicação de calor e pressão para que o material se torne viscoso e adquira a forma do molde. Obs.: 1) também é comum a conformação a frio de uma pré-forma (disco), que logo após é conformada nas dimensões do produto final; isso reduz o tempo e a pressão de moldagem, aumenta a vida útil da matriz, produzindo peças com acabamento mais uniforme. 2) na moldagem por transferência ocorre inicialmente a fusão da mistura numa câmara aquecida, o polímero é então injetado para o interior da cavidade do molde, o que permite maior uniformidade na distribuição de pressão. Ex. conformação de peças com formas complexas e polímeros termofixos.

Figura 10. Ilustração do processo de conformação por compressão (Fonte: Callister Jr., W. Ciência e Engenharia de Materiais, LTC)

Moldagem por injeção 1º) alimentação do polímero peletizado em quantidade apropriada para o cilindro de injeção; 2º) a movimentação do pistão transfere o material para a câmara de aquecimento, onde ocorre a fusão do termoplástico; 3º) o polímero líquido é injetado para o interior da cavidade do molde através da atuação do pistão; Obs.: a vantagem da injeção de termoplásticos é a velocidade de produção, com reduzido tempo do ciclo fusão-solidificação (10-30s); na injeção de termofixos a cura ocorre enquanto o polímero ainda está sob pressão no molde, ocorrendo em ciclos mais longos.


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Figura 11. Esquema ilustrativo da técnica de moldagem por injeção (Fonte: Callister Jr., W. Ciência e Engenharia de Materiais, LTC)

Extrusão A extrusão é uma técnica de moldagem por injeção de termoplástico em matriz aberta. Após proceder a alimentação no cilindro, a mistura peletizada é transportada por meio de um parafuso sem fim; o plástico é compactado e fundido na região aquecida. A extrusão compreende a passagem do polímero viscoso pelo orifício de uma matriz e a subseqüente solidificação do material. Exemplos de aplicação: produtos de comprimento contínuo com seção reta constante (bastões, tubos, mangueiras, folhas, filamentos).

Sopro 1º) extrusão ou prensagem de um tubo plástico (parison); 2º) colocação do tubo ainda semi-sólido num molde bipartido, o qual tem a forma do recipiente que se deseja obter; 3º) insuflação de ar e moldagem da peça oca (recipiente); Obs.: parâmetros de controle: temperatura e viscosidade do parison.

Figura 13. Técnica de sopro para conformação de recipientes de plástico (Fonte: Callister Jr., W. Ciência e Engenharia de Materiais, LTC). IF-SC Campus Joinville

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Fundição O plástico fundido é vertido por gravidade para o interior de um molde como na fundição de metais e vidros. Termoplásticos:- solidificação a partir do estado líquido; Termofixos:- endurecimento através de cura que ocorre geralmente em teperaturas elevadas.

Elastômeros As ligações cruzadas da estrutura molecular dos elastômeros são produzidos por um processo denominado vulcanização. Uma reação típica de vulcanização é mostrada a seguir

A reação química é irreversível, sendo geralmente necessária temperatura elevada; as ligações cruzadas são formadas por átomos de enxofre. A vulcanização melhora o módulo de elasticidade, a resistência à tração e a resistência à degradação por oxidação da borracha (a borracha não vulcanizada é mole tem pouca resistência à abrasão). Nas borrachas de silicone as cadeias principais são constituídas por átomos de silício e de oxigênio alternados, apresentando ligações cruzadas tal como ocorre nos elastômeros. Características: elevada flexibilidade a baixas temperaturas ( < -90 ºC) , mantém sua estabilidade em temperaturas de até 250 ºC, boa resistência à intempéries e a óleos lubrificantes, vulcanizam a temperatura ambiente.

Figura 12. Esquema de classificação de processos de fabricação de plásticos quanto ao tipo de produto acabado.


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PROCESSO DE INJEÇÃO Vantagens

Desvantagens

 Grande fluxo de produção podendo ser  Pequena margem de lucro; automatizado;  Alto custo do molde e da máquina  Pequena etapa de acabamento; injetora;  Diversidade de superfícies, cores e  Controle do processo; espessuras em um mesmo produto com maior facilidade;  Falta de pesquisas mais profundas na área;  Complexidade geométrica;  Falta de conhecimento das  Fabricação de pequenas peças; propriedades ao longo do tempo.  Tolerâncias dimensionais pequenas;  Pode-se introduzir no molde peças metálicas ou insertos não metálicos. Ahrens,1994 e Irvin, 1972

Processo de Injeção de Termoplásticos

Dosagem e aquecimento

Preenchimento da cavidade

Desmoldagem

http://www.ndsm.ufrgs.br/


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Lista de questões – Processamento dos polímeros 1) O que são aditivos? Quais os tipos de aditivos e suas funções? ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------2) Que fatores são determinantes na escolha da técnica de conformação de polímeros? --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Quais as principais características da conformação dos polímeros termoplásticos e termofixos? --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------3) O que é vulcanização? Como é constituída a borracha de silicone? --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------4) Descreva cada uma das técnicas de moldagem de polímeros plásticos.

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Apostila CM2_ I Estrutura Dos Materiais

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