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Efeitos extrínsecos sobre o comportamento mecânico dos materiais - PMT2200 Ciência dos Materiais
Prof. Cláudio G. Schön Prof. André P. Tschiptschin
Conteúdo ü Interação dos materiais com o ambiente ü Interação química – Corrosão sob tensão – Fragilização por hidrogênio
ü Degradação de polímeros ü Desgaste – Atrito – Mecanismos de desgaste – Materiais resistentes ao desgaste na indústria de mineração
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Interação dos materiais com o meio ambiente Ocorre principalmente na superfície do corpo ü Fenômenos químicos : corrosão, oxidação, absorção, adsorção ü Fenômenos físicos : atrito, interação com a radiação ambiente, sublimação mecânica (sputtering)
Interação química ü Corrosão generalizada, corrosão por pite, corrosão intergranular etc... podem comprometer por si só a integridade mecânica de uma estrutura, provocando sua falha ou descarte → custos de manutenção ü Existem, entretanto, alguns fenômenos associados a processos químicos que tem um efeito sinergético com tensões aplicadas (isto é, os efeitos se amplificam mutuamente devido à interação) → corrosão sob tensão, fragilização por hidrogênio etc...
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Corrosão sob tensão (CST) • A corrosão sob tensão (em inglês: stress corrosion cracking, SCC) designa um processo de interação entre o material e um eletrólito corrosivo específico sob a ação de esforços mecânicos, mesmo quando estes não ultrapassam o limite de escoamento do material ← considerações de projeto • A CST somente ocorre sob tensões de tração e é mais importante em materiais passivados (ou seja, resistentes à corrosão) • A resistência à CST é caracterizada por uma tenacidade à fratura própria, denominada KIscc < KIc • A CST ocorre por um processo de crescimento lento de trinca (slow crack growth) e é caracterizada por trincas de difícil detecção, leva portanto à fratura em estruturas já em operação ← perigo de acidentes • Até o momento não se conhece nenhum material absolutamente imune à CST • Em cerâmicas a CST também é conhecida como fadiga estática
Mecanismos de crescimento de trinca de CST Mecanismo de nucleação de trinca de CST: Um sistema de escorregamento rompe a camada superficial de óxido (A), formando um degrau e expondo metal não oxidado (B), a corrosão por fresta se estabelece (C)
Mecanismo de crescimento da trinca de CST: Corrosão intergranular se estabelece (A), um sistema de escorregamento é ativado (B), CST se estabelece e inicia a corrosão intergranular em outro contorno (C), o processo se retroalimenta (D)
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Exemplos de combinações de ligas e meios corrosivos que levam à CST Liga
Meio
Aço carbono
Soluções contendo (NO3) -, (OH) -, (CO3) -2, (HC0 3) - a quente
Aço ligado (alta resistência)
Eletrólitos aquosos, principalmente contendo (H2S)
Aços inox austeníticos
Soluções concentradas contendo (Cl) -, vapor contendo (Cl) -
Ligas de níquel
Vapor de alta pureza
Latão α
Soluções contendo (NH4) +
Ligas de titânio
Soluções aquosas contendo (Cl) -, (Br) - e (I) -, líquidos orgânicos, N2O4
Ligas de alumínio
Soluções aquosas contendo (Cl) -, (Br) - e (I) -
Fonte: Metals Handbook, vol. 13 (Corrosion), 9 a. Ed., ASM, p. 146, 1987
Fragilização por hidrogênio • Grande parte das ligas metálicas e principalmente os aços sofre uma forte redução da tenacidade e do limite de resistência quando submetidos a atmosferas contendo H2 ou meios contendo (H)+ ← eletrólise • Os fenômenos associados podem receber diversos nomes: – Fragilização por hidrogênio (hydrogen embrittlement) ← redução do limite de resistência – Fratura retardada (delayed fracture) ← crescimento lento de trinca – Fadiga assistida por hidrog ênio (hydrogen assisted fatigue) ← diminuição da resistência à fadiga do material
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Efeito da resistência mecânica sobre a suscetibilidade à fragilização por hidrogênio A figura ao lado mostra a velocidade de crescimento de uma trinca produzida por fragilização por hidrogênio em função da temperatura para dois aços ligados (AISI 4340) tratados termicamente para resultar em níveis diversos de limite de escoamento e de resistência. Note que a velocidade de crescimento da trinca é maior no aço mais resistente.
Degradação de polímeros • O termo “degradação” designa a perda irreversível de resistência mecânica e/ou rigidez em um polímero devido a fatores externos • Os fatores que podem resultar em degradação podem ter diferentes origens: mecânicas, térmicas, químicas, radiativas (ex. radiação UV, β) etc... • A degradação ocorre fundamentalmente pela quebra das cadeias poliméricas e conseqüente redução da massa molecular do polímero ↔ propriedades mecânicas • Freqüentemente a degradação é acompanhada de um incremento de tenacidade/ductilidade do polímero
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Exemplo de processo de degradação radiativa em polímeros Polímeros industriais apresentam “defeitos” na construção das cadeias. Um defeito típico é a presença de grupos carbonila ao longo da cadeia polimérica. Estes grupos são sensíveis à radiação ultravioleta e se decompõem, quebrando a cadeia original em duas partes.
O esquema acima ilustra o processo de degradação radiativa de grupos carbonila em um polímero. Note as cadeias após a ruptura terminando em dois centros ativos, que por sua vez podem quebrar moléculas vizinhas
Atrito e Desgaste ò Há um ditado que diz que Deus criou os materiais materiais.. ò E o Diabo criou as superfícies superfícies.. ò Quando duas superfícies se tocam e deslizam uma sobre a ò ò ò ò
outra há atrito atrito.. Onde há atrito há desgaste desgaste.. TRIBOLOGIA é a ciência que estuda o atrito, a lubrificação e o desgaste. Para vencer o atrito são despendidas quantidades enormes de energia. Grande parte da deterioração dos materiais de engenharia ocorre por desgaste.
ò Os custos referentes ao desgaste de componentes de
máquinas, equipamentos e veículos chegam a 3% do PIB. PIB .
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Atrito Coeficiente de atrito
F µ = = tan θ N
Atrito
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Superfícies em contato
Diferença entre área de contato aparente e real e entre área real rea l de contato em repouso e em deslizamento
Atrito A força de atrito depende da área de contato real. real. O aumento da carga promove aumento da área de contato. O atrito é gerado por mecanismos de interferência mecânica, interações químicas e tribotribo -químicas e em decorrência o coeficiente de atrito pode ser > 1. ò Exemplos:
Pneus automotivos: a força de atrito é dada pela soma das contribuições de interação entre as asperezas do asfalto e a borracha do pneu que se amolda às asperezas. Um bloco de ouro colocado em contato com uma parede de ouro vertical não cai.
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Tribossistema Um tribossistema consiste de: •Corpo •Contra-corpo •Meio •Elemento interfacial
← Exemplo de tribossistema na engenharia
Modos de desgaste
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Mecanismos de desgaste
De acordo com a norma DIN 50320 há quatro mecanismos de desgaste básicos: Adesão Abrasão ò Reação tribotribo -química ò Fadiga superficial ò ò
Desgaste adesivo
O desgaste adesivo ocorre quando duas superfícies escorregam uma em relação à outra. Pressões locais muito altas são exercidas pelas asperezas em contato, com deformação plástica, adesão e formação de junções. junções.
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Mecanismos de adesão
Interferência mecânica (interpenetração de irregularidades superficiais) Difusão (átomos e moléculas se difundem através da interface) Transferência eletrônica entre corpos em contato com diferentes bandas eletrônicas. Adsorsão química com formação de ligações fortes e/ou ligações de Van der Waals Waals..
Abrasão Desgaste abrasivo é o deslocamento de material provocado por partículas de alta dureza existentes entre as duas superfícies em movimento ou embebidas em uma ou nas duas superfícies em movimento. ò As partículas de alta dureza podem ter como origem o produto do processamento de minérios (sílica, alumina, etc.), fragmentos metálicos altamente encruados removidos da superfícies em contato, asperezas de usinagem de uma das superfícies em contato. ò
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Mecanismos de abrasão ò
Quatro micromecanismos são responsáveis pelo desgaste abrasivo: a) microssulcamento b) microcorte c) microfadiga d) microtrincamento
Abrasão a dois corpos e abrasão a três corpos →
Abrasão Sistemas hidráulicos sujos, extrusoras de plástico contendo carga, moinhos e britadores, matrizes utilizadas em metalurgia do pó e a própria operação de usinagem.. usinagem ò Observa Observa--se uma transição entre regime de desgaste brando para desgaste severo quando a relação entre as durezas da partícula abrasiva e do material se tornam maiores que 1. ò
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Desgaste por Fadiga Desgaste por fadiga ocorre pela formação de trincas superficiais ou subsub-superficiais devido a aplicação de cargas alternadas repetidas e lascamento do material ò A fadiga ocorre na seqüência: deformação elástica, seguida de deformação plástica, encruamento, nucleação de trinca e propagação da trinca. ò
Mecanismos de desgaste por fadiga
As trincas podem ser nucleadas na superfície ou sub--superficialmente apesar sub de as tensões máximas serem subsub- superficiais. ò Pode ocorre nucleação d trincas em irregularidades superficiais e por interação mecânica e química entre as superfícies. ò
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Desgaste por reação tribotribo-química O desgaste por reação tribo-- química pode ser tribo caracterizado como sendo decorrente do contato de duas superfícies que se esfregam e que reagem com o ambiente ò O desgaste se processa pela contínua remoção e nova formação de camadas de produtos de reação sobre a superficies em contato. ò
Mecanismo de desgaste por reação tribo--química tribo ò
O desgaste se processa pela contínua remoção e nova formação de camadas de produtos de reação sobre a superfícies em contato. a) Adesão de asperezas e remoção de material com formação de fragmentos metálicos que se oxidam. b) reação do metal com o ambiente leva à formação de camadas protetoras que reduzem o contato metálico c) trincamento e fragmentação da camada protetora. d) fragmentos metálicos e não metálicos atuam com partículas abrasivas.
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Lubrificação
O coeficiente de atrito varia com o regime de lubrificação Regime 1 - Lubrificação limite (asperezas estão em contato) Regime 2 - Lubrificação com filme fino (asperezas parcialmente em contato) Regime 3 - Lubrificação com filme grosso (não há contato entre asperezas - Lubrificação Hidrodinâmica Hidrodinâmica))
Materiais resistentes ao desgaste abrasivo para indústria de mineração. Os ferros fundidos de alta liga são materiais que possuem uma combinação de fases de alta dureza e alta resistência ao desgaste: carbonetos de ferros, carbonetos de elementos de liga, martensita e austenita retida. Ni-Hard - rede contínua de Fe3 C Ni- fase frágil é contínua.
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Materiais resistentes ao desgaste abrasivo para indústria de mineração. Os ferros fundidos de alta liga são materiais que possuem uma combinação de fases de alta dureza e alta resistência ao desgaste: carbonetos de ferros, carbonetos de elementos de liga, martensita e austenita retida. Os ferros fundidos brancos de alto cromo possuem rede de carbonetos M7C3 não contínua. contínua. Apesar de serem carbonetos muito duros e frágeis não comprometem a tenacidade do material.
Implantes cirúrgicos
Inicialmente utilizavautilizava-se PTFE - Politetrafluoretileno Politetrafluoretileno,, de baixo atrito porém não muito resistente ao desgaste. Posteriormente passoupassou - se a utilizar UHMWPE (polietileno de ultraultra- alto peso molecular) com alto grau de cristalinidade e alta resistência resistência ao desgaste e esse material é o atualemnte consagrado para a aplicação.
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