Estudo De Metais E Ligas De Metais

1 INTRODUÇÃO

Cerca do ano de 6000 A.C, o homem conseguiu uma essencial vitória para toda história da humanidade: descobriu que era possível fazer objetos de metais. No qual, o primeiro metal trabalhado por ele foi o cobre. Em seguida, por meio de fusão, juntou o cobre com estanho e obteve um metal mais forte. A partir do controle destas técnicas de fundição, o humano teve possibilidades de criar ferramentas mais úteis para o cultivo agrícola e em atividades de caça. Também, o controle sobre os metais teve influência nas disputas entre as comunidades que competiam pelo domínio. Com isso, as primeiras guerras e o processo de poder de uma comunidade sobre outra contou com o desenvolvimento de armas de metal.

Atualmente, com o tempo tendo passado, descobertas sendo feitas e o conhecimento tenha tido evoluído, as tecnologias com os metais e suas ligas estão sendo aprimoradas monstruosamente. Onde, os mesmos são passados através de processos industriais, desenvolvidos em laboratórios e estudados, tendo isto tudo um só objetivo: desenvolver ligas resistentes, leves, baratas e eficientes para serem utilizadas e facilitarem a vida na sociedade.

1.1 Objetivo

Este projeto tem como objetivo abordar um pouco sobre os metais, suas ligas, processos de fabricação, os benefícios do desenvolvimento de seu estudo, seu tipos, características e suas aplicações na sociedade. Demonstrando o crescimento da tecnologia neste meio.

1.2 Justificativa

Para conhecermos um pouco mais sobre o estudo de metais e ligas, no qual tem suma importância para os avanços tecnológicos de hoje em dia, seja no meio aeronáutico, biomedicina, automobilístico ou industrial. O desenvolvimento e estudo cientifico deste meio nos coloca mais perto de novas possibilidades tecnológicas e de avanços na sociedade.

1.3 Metodologia

A metodologia aplicada constitui-se na realização de reuniões e pesquisas na internet sobre o assunto, onde, discutimos sobre as principais características dos metais e suas ligas, explicando seus processos de fabricação, seu tipos, suas aplicações e Benefícios de seu desenvolvimento.

2 DESENVOLVIMENTO

2.1 O que é metal?

Qualquer metal pode ser definido como um elemento químico que forma aglomerados de átomos com caráter metálico. Os mesmos apresentam grande diversidade de propriedades físicas e químicas, conforme a pressão, temperatura e outras variáveis. Diferentes tipos de mecanismos e estruturas de cristalização, o que também lhe altera as características. Geralmente, os metais apresentam ordenação cristalina simples, com alto nível de aglutinação atômica (o que implica alta densidade) e numerosos elementos de simetria. No que se refere às combinações, apresentam forte tendência a não formar compostos entre si, mas têm afinidade com elementos não metálicos como o oxigênio e o enxofre, com os quais formam, respectivamente, óxidos e sulfetos. O tamanho, forma e disposição das partículas metálicas, especificados pela metalografia, são fundamentais para o reconhecimento das propriedades físicas que determinam a plasticidade, resistência à tração, dureza e outras propriedades do material. Esses fatores podem ser alterados por tratamentos térmicos (ciclos de aquecimento resfriamento controlados) ou mecânicos (forjamento, trefilação, laminação, etc.).

2.2 O que é liga metálica?

Uma liga metálica consiste num sólido ou líquido metálico formado por mistura de dois ou mais elementos. Na formação de ligas também se podem utilizar pequenas quantidades de elementos não metálicos (por exemplo, silício, carbono). A mistura é normalmente realizada dissolvendo-se uns nos outros, no estado líquido, os elementos constituintes da liga. O metal base, ou solvente, cuja concentração é a mais elevada é fundido em primeiro lugar em uma porção e em seguida adicionam-se os outros elementos da liga sob a forma de fragmentos sólidos, previamente pesados, que se dissolvem por agitação. Devido ao efeito de liga ou à formação de estrutura polifásica, as características da liga metálica resultante são geralmente melhoradas em relação às características dos metais puros. As ligas mais úteis incluem bronze, latão, cuproníquel, duralumínio, prata alemã, peltre, solda, aço e aço inoxidável.

De todas as ligas, a mais antiga é a de bronze, cuja utilização alargada marcou a Idade do Bronze. Outras ligas mais complexas são comuns atualmente, por exemplo, nas obturações dentárias, em que se utiliza uma liga de crómio, cobalto, molibdénio e titânio como alternativa menos dispendiosa ao ouro. Entre as ligas mais recentes, encontram-se as que permitem ser estiradas para o dobro do seu comprimento, a temperaturas específicas, permitindo assim, por exemplo, a sua fácil injeção em moldes, como acontece com os plásticos.

2.3 Características dos estudos de Metais e ligas

Dureza - Para o conceito de dureza são atribuídos diferentes significados de estudo, tais como medida de resistência do material a ações de origem mecânica sobre sua superfície, resistência à penetração, à deformação plástica e ao risco.

Condutividade elétrica- estudo para analisar a capacidade dos materiais de conduzirem ou transmitirem corrente elétrica.

Condutividade térmica – estudo que mede a capacidade do material de conduzir o calor.

Temperatura de fusão – estudo que designa a temperatura a qual uma substância passa do estado sólido ao estado líquido.

Brilho – estudo que descreve o modo como à luz é refletida pela superfície de um mineral, ou qualquer outra superfície polida.

Resistência Mecânica – estudo que no campo da mecânica dos sólidos, é a força resultante da aplicação de uma força sobre um material.

Maleabilidade – estudo que analisa a conformação de uma liga metálica por deformação.

Elasticidade - estudo da propriedade que certos materiais apresentam de serem capazes de recuperar a sua forma e seu estado inicial, depois de terem experimentado uma deformação provocada por uma força exterior.

2.4 Ligas metálicas: Tipos e propriedades

Um metal puro é constituído por átomos de uma única espécie, que se encontram regularmente distribuídos num determinado reticulado cristalino. A introdução de átomos de elementos estranhos neste sistema altera a rede cristalina inicial, dando origem ao aparecimento de uma nova fase, diferente daquela que existia quando o metal era puro. Uma liga é assim formada, consistindo na associação dos diferentes elementos em proporções variáveis. Quando os teores dos constituintes são alterados de forma continua, as propriedades físicas e químicas da liga variam também. Ligas metálicas se distinguem de compostos químicos, nos quais os elementos ocorrem em proporções bem definidas.

A extensão em que as proporções de cada constituinte podem ser variadas é limitada e depende principalmente da miscibilidade dos elementos em questão no estado sólido. Em certos casos a afinidade dos dois elementos é completa, levando á formação de uma única fase para todo o intervalo de composição, como ocorre com ligas Ag-Au e Cu-Ni. Estas ligas são chamadas “Monofásicas”, e suas propriedades podem ser ligeiramente alteradas pela variação das proporções dos elementos constituintes.

Em outros sistemas a maioria dos que apresentam aplicação prática a miscibilidade dos elementos não é total, um deles admitindo apenas uma quantidade limitada do outro. Nestes casos, uma vez ultrapassado o teor máximo possível do elemento adicionado (limite de solubilidade sólida), uma fase adicional será formada, rica no elemento excedente. Ligas deste tipo serão então formadas por duas ou mais fases (liga polifásica), cada uma delas apresentando características cristalinas particulares. Além disso, como a solubilidade sólida varia com a temperatura, é possível utilizar sequencias adequadas de aquecimento/resfriamento com velocidades diferentes (tratamento térmico) a fim de ampliar consideravelmente as propriedades que podem ser obtidas com ligas polifásicas. Assim pode ser explicada a ampla gama de características e multiplicidade de aplicações de ligas deste tipo, como Ag-Cu, Pb-Sn e, principalmente Fe-C (aços e ferros fundidos).

Finalmente existem casos de imiscibilidade completa, onde não há formação de novas fases, mas simples justaposição dos dois elementos. Um exemplo é o sistema Cu-Pb, no qual o chumbo fica concentrado em glóbulos dispersos na matriz de cobre, originando um material adequado para usinagem e peças que trabalham sob atrito.

A extensão das alterações provocadas pela presença de elementos de liga depende basicamente da afinidade entre os constituintes (sistema cristalino, raio atômico, etc), elemento adicionado não é possível prever se uma ou mais fases serão formadas: enquanto que para latões teores de 20% Zn ainda formam ligas monofásicas, quantidades muito inferiores de carbono no ferro (0,03%) ou cobre no chumbo (0,05%) já formam uma segunda fase e, assim, uma liga bifásica!

2.5 Tipos de Metais

Metais Ferrosos: Os Metais ferrosos são todos aqueles que contêm Ferro (Fe) na sua constituição. Os mesmos podem conter pequenas quantidades de outros elementos, como Carbono ou Níquel, em uma proporção específica, que são adicionados para alcançar as propriedades desejadas. Todos os Metais Ferrosos são geralmente magnéticos e têm alta resistência à tração. Exemplos:

Aços: São Metais de Ferro-carbono. Podem apresentar concentrações apreciáveis de outros elementos de liga como Níquel, Molibdênio, Cromo e outros.

Apresentam teor de Carbono abaixo 1% e de acordo com a concentração de Carbono podem ser classificados como de alto, médio e baixo-Carbono.

Aço Corten, Aço Patinável ou Aço Aclimável: é um Metal de Ferro-Carbono com pequenas concentrações de Cobre. A oxidação deste Metal cria uma pátina (fina película) na sua superfície que o protege de corrosão.

Ferro Fundido: É um Metal de Ferro-Carbono com teor de carbono acima de 2,14%.

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

Metais não Ferrosos: Denominam-se Metais Não ferrosos, os Metais em que não haja ferro ou em que o ferro está presente em pequenas quantidades, como é no caso de algumas ligas. Os Metais não ferrosos são mais caros e apresentam uma maior resistência à corrosão, uma menor resistência mecânica, pior resistência a temperaturas elevadas e melhor resistência em baixas temperaturas que a maioria. Exemplos:

Cobre- O elemento de transição cobre é um metal de coloração vermelha discretamente amarelada, com um brilho levemente opaco de aspecto agradável, está localizado no grupo I-B da tabela periódica, é um metal macio, maleável e dúctil.

Alumínio- O alumínio possui símbolo Al, sendo um metal leve e macio, mas resistente, utilizado em diversos produtos do dia a dia. Sua cor é um cinza fosco devido aos elementos presentes em sua composição.

Platina – É um metal de transição de alto potencial redutivo (metal nobre), ou seja, é muito difícil de oxidar. É sólido, apresenta coloração branca acinzentada e opaca nas condições ambiente, e pela denominação espanhola de platina (diminutivo depreciativo da Prata, por causa das características semelhantes) possui símbolo químico Pt.

2.6 Os Benefícios da evolução de novas ligas metálicas

As alterações estruturais ocasionadas pela formação de ligas conduzem a importantes modificações das propriedades originais do material, que encontram uma gama variada de aplicações, algumas das quais passarão a ser descritas a seguir.

Desde o processo de elaboração a introdução de elementos de liga traz vantagens econômicas importantes, pois em geral o metal nobre é parcialmente substituído por outro de menor valor, fato que também reduz o custo energético da produção pelo abaixamento do ponto de fusão do material.

Os avanços das ligas na biomedicina vêm mostrando um ótimo avanço neste processo de fabricação, no qual engloba várias etapas importantes: desde a seleção do material, onde existe uma vasta gama de opção, tendo em conta que podem ser utilizados metais ou ligas metálicas de natureza variada; análise de quantidades (onde a medição e cotagem é fundamental); possíveis reações no organismo (onde se requer uma cuidada análise química, fisiológica e mecânica da relação biomaterial-organismo); etapas estas onde o papel das ciências referidas anteriormente tem uma importância crucial.

A busca de materiais mais resistentes á corrosão também contribuiu para o desenvolvimento de tipos especiais de ligas, como os aços inoxidáveis. Neste caso, novas ligas mais fortes, leves e duráveis prontamente para criar estruturas mais seguras e produtos ao uso da sociedade.

2.7 Aplicações dos Metais e ligas mais conhecidas

As propriedades resultantes que serão úteis para cada aplicação específica serão determinadas pelos metais que serão usados, pela quantidade de cada metal na liga, pela estrutura do arranjo cristalino das ligas, pelo tamanho e arrumação dos cristais e pelos tratamentos adicionais que podem se realizar.

Veja o uso dos metais e ligas mais comuns respectivamente:

Cobre: metal com o símbolo na tabela de Cu é utlizado geralmente para condutores elétricos: cabos de alta e baixa tensão, conectores, contatos elétricos em geral, fabricação de motores.

Alumínio - Devido à sua grande reatividade química é usado, quando finamente pulverizado, como combustível sólido para foguetes e para a produção de explosivos. Ainda usado como ânodo de sacrifício e em processos de alumino termia para a obtenção de metais e para produção de equipamentos, seja latinhas de refrigerante ou esqueletos de bicicletas.

Platina - A platina quando, muito pura é usada, em termómetros resistivos e em termopares, juntamente com uma liga de platina-ródio. Esta liga é usada durante o processo de fabrico de seda artificial e fibras de vidro. A liga de platina-irídio usa-se em joalharia, utensílios de laboratório, eléctrodos e contatos eléctricos. Ligada ao paládio a platina encontra aplicação em próteses dentárias.

Aço: Formado pela mistura de aproximadamente 98,5% de ferro, 0,5 a 1,7% de carbono e traços de silício, enxofre e oxigênio. É usado em peças metálicas que sofrem elevada tração, pois é mais resistente à tração do que o ferro puro. O aço é uma liga usada para produzir outras ligas metálicas.

Aço Inox: Formado por 74% de aço, 18% de cromo e 8% de níquel. Por ser praticamente inoxidável, é usado em talheres, peças de carro, brocas, utensílios de cozinha e decoração.

Ouro 18 quilates: Liga formada por 75% de ouro, 13% de prata e 12% de cobre. Sua vantagem em relação ao ouro puro é que esse metal é macio e pode ser facilmente riscado. Além disso, a liga mantém as propriedades desejadas do ouro, como brilho, dureza adequada para a joia e durabilidade.

Bronze: Formado por 67% de cobre e 33% de estanho. Sua principal propriedade é resistência ao desgaste, sendo muito usado para produzir sinos, medalhas, moedas e estátuas.

Amálgama - Muito usada em obturações nos dentes, a amalgama é formada pela mistura de 70% de prata, 18% de estanho, 10% de cobre e 2% de mercúrio. Ela é bastante resistente à oxidação (corrosão) e é bem maleável, podendo ser moldada no dente do paciente.

Solda - Formada por 67% de chumbo e 33% de estanho, ela é usada em solda de contatos elétricos porque possui baixo ponto de fusão;

Magnálio - Mistura de 90% de alumínio e 10% de magnésio. Por ser bastante leve, é usado em peças de aviões e de automóveis.

2.8 Particularidades da deterioração de Ligas metálicas

Justamente devido ás modificações introduzidas para obtenção e propriedades tão ricas e especiais, as ligas metálicas apresentam estrutura bem mais heterogênea do que aquela dos elementos puros, o que pode levar a formas bastante particulares e insidiosas de deterioração.

As alterações podem ter sua origem em fatores internos, inerentes ao próprio material, como a presença de fases metaestáveis (obtidas por solidificação fora do equilíbrio ou severo trabalho a frio), que tendem a se transformar com o tempo para atingir um nível energético mais baixo, fenômeno conhecido como envelhecimento, que resulta em fragilização do material.

Além disso, tensões residuais combinadas a fatores externos desfavoráveis, como longos períodos de exposição a ambientes agressivos, conduzem a um tipo especial de deterioração conhecido como corrosão sob tensão. Como o nome bem define, os dois fatores estão associados para acelerar o processo de deterioração, e mesmo que uma camada superficial relativamente protetora tenha sido formada inicialmente, ela será rompida pelas solicitações mecânicas provenientes das tensões internas, expondo sucessivamente material desprotegido a um novo ataque da corrosão.

Uma forma de deterioração quase que exclusiva de ligas metálicas é a corrosão seletiva, frequentemente observada em materiais apresentando mais de uma fase, como objetos de latão e de prata. Neste caso a estrutura é composta por duas fases, cujas características diferenciadas serão acentuadas pela exposição a um ambiente agressivo: uma diferença de potencial se estabelece então entre ambas, dando origem á corrosão preferencial da fase rica em elemento menos nobre.

2.9 Processos de fabricação de Metais e ligas

2.9.1 Fundição

Processos de fundição usualmente adotados para a fabricação de peças de ligas fundidas: fundição em areia (verde e estufada), em moldes permanentes ou semipermanentes e em máquinas sob pressão (“die casting”). Além desses processos, em menor escala também são utilizados os processos de fundição centrífuga, fundição de precisão (“investiment” ou cera perdida), moldagem em gesso (“plaster”) e a moldagem em casca (“shell molding”). A escolha do processo a ser utilizado depende de vários fatores, sendo que muitos aspectos do projeto serão influenciados pelo método de fundição. Os fatores técnicos são o tamanho e a forma da peça, as características da liga tais como as propriedades físicas e mecânicas, as espessuras máxima e mínima de cada seção, a complexidade do desenho da peça, as tolerâncias dimensionais e o tipo de acabamento. Os fatores econômicos são o número de peças idênticas a serem produzidas, a possibilidade de repetição de encomendas e os custos relativos de usinagem e acabamento das peças produzidas pelos diferentes processos.

2.9.2 Usinagem

A usinagem é a operação que se segue à fundição, com o objetivo de eliminar rebarbas e excessos de metal na peça fundida e também ajustar as dimensões da peça às especificações do produto final.

2.9.3 Reciclagem

Atualmente uma parte significativa das cargas de fundição (material a ser fundido para fabricar as ligas) é constituída por “sucata” (material reaproveitado). No caso das latas utilizadas como embalagem de bebidas carbonatadas o índice de reaproveitamento chega próximo a 90 % em países como Brasil, Japão e outros. A reciclagem permite reduzir significativamente os custos de fabricação, principalmente no que se refere aos custos de energia, que são drasticamente reduzidos, assim como tem impactos muito positivos do ponto de vista ecológico, com redução significativa da contaminação do meio ambiente por lixo. E nos últimos anos os índices de reciclagem de ligas de alumínio têm crescido muito, razão pela qual abordaremos nesta seção alguns aspetos técnicos e mesmo econômicos da reciclagem das ligas de alumínio.

2.9.4 Extrusão

O processo de extrusão consiste na transformação de um tarugo cilíndrico em um perfil estrutural, através da compressão do tarugo de alumínio contra uma matriz que contém um orifício através do qual escoa o metal, que tem assim seu diâmetro reduzido, transformando-se em um perfil, que pode ter diferentes tipos de aplicação em diversos tipos de produtos.

2.9.5 Laminação

Juntamente com a extrusão, a laminação é um dos mais importantes processos mecânicos de fabricação de ligas, podendo levar à produção de semielaborados sob a forma de chapas e tiras, que podem ser utilizadas industrialmente, ou serem usadas como matéria-prima para os chamados processos de conformação de chapas, como o embutimento, a estampagem e o estiramento. Inicialmente serão apresentadas definições básicas de laminação, laminação a quente e laminação a frio, e em seguida serão abordados os aspectos principais da laminação a quente e da laminação a frio das ligas.

2.9.6 Anodização

Anodização é o processo de criar um filme de óxido sobre certos metais por meio da imersão em um banho eletrolítico no qual o metal a anodizar é ligado ao polo positivo de uma fonte de eletricidade, transformando-se no anodo eletrolítico metais como: alumínio, nióbio, tântalo, titânio, tungstênio, zircônio – têm resultados característicos de formação de camada de óxido. Outros metais podem ser usados como anodo em banhos eletrolíticos para se obter tratamentos superficiais específicos.

2.9.7 Soldagem

A Soldagem é o processo de união de materiais (particularmente os metais) mais importante do ponto de vista industrial sendo extensivamente utilizada na fabricação e recuperação de peças, equipamentos e estruturas. A sua aplicação atinge desde pequenos componentes eletrônicos até grandes estruturas e equipamentos (pontes, navios, vasos de pressão, etc.). Existe um grande número de processos de soldagem diferentes, sendo necessária a seleção do processo (ou processos) adequado para uma dada aplicação. A tabela abaixo lista algumas das principais vantagens e desvantagens dos processos de soldagem.

3 CONCLUSÃO

Com esta pesquisa podemos observar as diversas características dos metais e suas ligas, no qual também observamos algumas de suas aplicações, processos industriais e propriedades de deterioração. Contudo, conseguimos nos aprofundar um pouco mais em um assunto que se era pouco abordado, que era os avanços nos estudos das ligas metálicas e os benefícios que as mesmas são capazes de trazer hoje em dia através de seus aperfeiçoamentos, onde são utilizadas em edifícios, automóveis, aviões e entre outros. Tudo isto visando o próximo passo da humanidade ao futuro.

4 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

http://www.mundoeducacao.com/quimica/ligas-metalicas.htm

Acessado em: 25/03/2014

http://www.infomet.com.br/metais-e-ligas-conteudos.php?cod_secao=11&cod_assunto=60

Acessado em: 25/03/2014

http://nautilus.fis.uc.pt/personal/jcpaiva/pp2/files/curriculum/didqui1/pagina/6/1/1F/metais_e_ligas-metalicas.pdf

Acessado em: 25/03/2014

http://faculdadeinap.edu.br/materiais_didaticos_disciplinas/materiais%20e%20tecnologia/metais_e_ligas_metlicas.pdf

Acessado em: 29/03/2014

http://ler.letras.up.pt/uploads/ficheiros/10071.pdf

Acessado em: 29/03/2014

http://www.infopedia.pt/$liga-metalica

Acessado em: 29/03/2014

http://www.trabalhosfeitos.com/ensaios/Materiais-Ferrosos-N%C3%A3o-Ferrosos/471244.html

Acessado em: 29/03/2014

http://www.ehow.com.br/desvantagens-estruturas-metalicas-lista_16091/

Acessado em: 29/03/2014

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO 5

1.1 OBJETIVO 5

1.2 JUSTIFICATIVA 6

1.3 METODOLOGIA 6

2 DESENVOLVIMENTO 7

2.1 O QUE É METAL? 7

2.2 O QUE É LIGA METÁLICA? 7

2.3 CARACTERÍSTICAS DOS ESTUDOS DE METAIS E LIGAS 8

2.4 LIGAS METÁLICAS: TIPOS E PROPRIEDADES 9

2.5 TIPOS DE METAIS 10

2.6 OS BENEFÍCIOS DA EVOLUÇÃO DAS LIGAS METÁLICAS 12

2.7 APLICAÇÕES DOS METAIS E LIGAS MAIS CONHECIDAS 13

2.8 PARTICULARIDADES DA DETERIORAÇÃO DE LIGAS METÁLICAS 17

2.9 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO 18

2.9.1 FUNDIÇÃO 18

2.9.2 USINAGEM 18

2.9.3 RECICLAGEM 19

2.9.4 EXTRUSÃO 19

2.9.5 LAMINAÇÃO 19

2.9.6 ANODIZAÇÃO 20

2.9.7 SOLDAGEM 20

3 CONCLUSÃO 21

4 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 22