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IFSP – INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SÃO PAULO - CAMPUS CUBATÃOCURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIALDISCIPLINA: TECNOLOGIA DE MATERIAISPROFESSORA: ANA PAULA

CAROS ALUNOS

Esta apostila surgiu da necessidade de adaptação do curso de Ciências e

Tecnologia de Materiais para o Curso Superior de Tecnologia em Automação e

Controle de Processos Industriais Contínuos. Todo o material que está

resumido neste trabalho encontra-se num ou em mais de um dos livros

recomendados, como consta na bibliografia, presente na última página.

Espero que esta edição sirva para facilitar o entendimento deste tema tão

complexo que é a “ TECNOLOGIA DE MATERIAIS” !

Espero que tenhamos um Ótimo Semestre !

Sucesso!!

Professora Ana Paula


TECNOLOGIA DE MATERIAIS

O que são Materiais ?

Substâncias cujas propriedades as tornam utilizáveis em estruturas, máquinas,

dispositivos ou produtos consumíveis.

Numa formulação simplista, engenharia e ciências dos materiais é algo concernente

com a geração e aplicação do conhecimento que relaciona composição, estrutura e

processamento de materiais com suas propriedades e usos.

A ciência dos materiais visa o entendimento da natureza dos materiais, estabelecendo

teorias ou descrições que relacionem a estrutura com a composição, propriedades e

comportamento. A engenharia de materiais, por sua vez, sintetizará e empregará, tanto os

conhecimentos fundamentais quanto os empíricos, no sentido de desenvolver, preparar,

modificar e aplicar os materiais que atendam às exigências.

Muitas vezes, um problema de materiais consiste na seleção do material correto dentre

muitos milhares de materiais disponíveis. Existem vários critérios nos quais a decisão final está

baseada. Em primeiro lugar, as condições de serviço devem ser caracterizadas, uma vez que

irão ditar as propriedades exigidas do material. Uma segunda consideração de seleção é

qualquer deterioração das propriedades dos materiais que possa ocorrer durante a operação

em serviço. Por fim, a consideração dominante estará relacionada aos fatores econômicos.

CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS

A classificação básica divide os materiais sólidos em 3 grupos : metais, cerâmicos e

polímeros. Adicionalmente, existem outros três grupos de materiais importantes em engenharia

: compósitos, semicondutores e biomateriais.

ESTRUTURA ATÔMICA

O átomo é composto por um núcleo circundado por elétrons. O núcleo é composto por

prótons e nêutrons. A carga do elétron é convencionada como negativa e vale 1,6x10-19

coulombs. O próton possui uma carga numericamente igual à do elétron, só que de sinal


oposto. O nêutron é eletricamente neutro e pode ser considerado como uma combinação mais

íntima de um próton e um elétron.

1 – MASSA ATÔMICA

Um átomo pode ser considerado como sendo uma combinação de prótons e nêutrons

em um núcleo, circundado por elétrons. Como os átomos são extremamente pequenos, em

comparação com os conceitos de massa do nosso dia-a-dia, é conveniente usar a unidade de

massa atômica ( u. m. a ) como base para os cálculos atômicos. A u.m.a é definida como

sendo 1/12 da massa do Carbono 12 ( C-12 ) , o isótopo mais comum. A massa atômica é

expressa em gramas por átomo-grama. Um átomo-grama sempre contém 6,02x1023 átomos

( número de Avogadro, N ). Então,

Massa do átomo = massa atômica / 6,02x1023 ,

expresso em : g / átomo = ( g / átomo-grama)___

(átomo / átomo-grama)

Ex .: H = 1,0079 u.m.a ( ou 1,0079g / 6,02x1023 átomos) ;

C = 12,011 u.m.a ( ou 12,011 g / 6,02x1023 átomos).

2 – NÚMERO ATÔMICO

Surpreendentemente, com exceção da densidade e do calor específico, o fator massa

atômica exerce uma influência relativamente pequena sobre as propriedades dos materiais. O

número de elétrons que circundam o núcleo de um átomo neutro é mais significativo. Esse

número, denominado número atômico, é igual ao número de prótons no núcleo. Cada

elemento é único com respeito ao seu número atômico. São os elétrons mais afastados do

núcleo que afetam a maioria das propriedades de interesse em engenharia :

eles determinam as propriedades químicas ;

estabelecem a natureza das ligações interatômicas e, conseqüentemente, as

características mecânicas e de resistência ;

controlam o tamanho do átomo e afetam a condutividade elétrica dos materiais ; e

influenciam as características ópticas.

MODELO ATÔMICO DE BOHR

Dá uma idéia simplificada da estrutura do átomo. Diz que os elétrons estão

circundando o núcleo em órbitas definidas chamadas níveis de energia. Cada elétron tem

apenas um estado de energia específico que não é constantemente variável, mas muda

quando o elétron é excitado para pular para uma nova órbita, mais externa. Quando o elétron


salta de um nível de energia mais alto para um mais baixo, ele emite radiação; quando é o

inverso, ele absorve uma quantidade de radiação.

3 – NÚMEROS QUÂNTICOS E NOTAÇÃO ELETRÔNICA

Em função das características vibratórias do movimento dos elétrons na periferia do

seu núcleo há grandes faixas de energia intermediárias não ocupadas por eles. Isso ocorre

porque as freqüências correspondentes não permitem sua ascensão. Assim, foram definidas

posições prováveis de se encontrar o elétron, e essas posições são chamadas de números

quânticos :

Número quântico principal ( n ) – qualquer número inteiro positivo, excluindo o zero.

Níveis de energia : K, L, M, N, O, P, Q.

Número quântico azimutal ( l ) – l = 0, 1, 2, 3, ..., n-1 ; correspondendo às designações s,

p, d, f

Número quântico magnético ( m ou ml ) – para cada valor l terá 2 l + 1 ; os valores vão

de +l a –l ;

Número quântico spin ( ms ) : + ½ , - ½

Cada combinação de n, l e m corresponde a um único estado quântico chamado orbital.

De acordo com o princípio de exclusão de Pauli, em cada orbital só podem estar

presentes 2 elétrons, com spins contrários. Ou seja, para cada valor de n, l e m há dois valores

de ms.

LIGAÇÕES QUÍMICAS

As atrações interatômicas são conseqüência da estrutura eletrônica dos elétrons. Os

gases nobres (inertes ou quimicamente inativos ) apresentam apenas uma pequena atração

pelos outros átomos porque têm um arranjo muito estável de 8 elétrons ( 2 para o Hélio ) na

sua camada mais externa (valência). Ao mesmo tempo, são eletricamente neutros, pois

possuem igual número de prótons e de elétrons . A maior parte dos outros elementos, ao

contrário dos gases nobres, deve adquirir a configuração altamente estável de 8 elétrons na

camada de valência, através dos seguintes mecanismos:

recebendo elétrons ;

perdendo elétrons ;

compartilhando elétrons .

Os dois primeiros processos produzem íons negativos e positivos e, portanto, implicam na

existência de forças coulombianas de atração entre íons de cargas opostas. O terceiro


processo, obviamente, requer uma íntima associação entre os átomos a fim de que o

compartilhamento dos elétrons seja eficaz.

Quando aplicáveis, os 3 processos produzem ligações fortes, chamadas primárias.

LIGAÇÕES PRIMÁRIAS

1 – Ligação Iônica - Resulta da atração mútua entre íons positivos e negativos. Uma carga

negativa é atraída por todas as cargas positivas e uma carga positiva por todas as negativas,

sendo a atração igual em todas as direções.

O principal requisito que um material iônico sempre satisfaz é a neutralidade elétrica,

isto é, o número de cargas positivas é sempre igual ao número de cargas negativas.

2 – Ligação Covalente – compartilhamento de elétrons para adquirir estabilidade. Intensas

forças de atração entre átomos ( ex.: diamante – mais duro material encontrado na natureza,

com PF > 3300°C ). Existem moléculas ligadas por covalência com fortes atrações

intramoleculares, mas com fracas atrações intermoleculares, por exemplo : H2, Cl2, O2, N2, CH4,

CF4 , CCl4 , NH3, C2H6, C2H4, etc.

Quando a ligação envolve um dado par de átomos, é direcional. Adotamos, assim, o

termo “estereoespecífico“.

3 – Ligação Metálica – Utiliza o conceito de elétrons deslocáveis, que podem se mover em 3

direções.

Se um átomo apresenta uns poucos elétrons de valência, estes podem ser removidos

com relativa facilidade, enquanto que os demais elétrons são firmemente ligados ao núcleo.

Isto origina uma estrutura formada por íons positivos e elétrons “ livres “ ( gás ou nuvem

eletrônica ). Esta estrutura é responsável pela alta condutividade térmica e elétrica dos metais,

além dos elétrons livres absorverem energia luminosa, o que torna os materiais metálicos

opacos.

LIGAÇÕES SECUNDÁRIAS ou FORÇAS DE VAN DER WAALS

São mais fracas, suprindo a atração interatômica. Num gás nobre, as órbitas de

valência estão completas. Nestas situações estáveis, nenhuma das ligações primárias pode ser

efetiva, já que as mesmas requerem ajustes nos elétrons de valência. Como resultado, os

átomos desses gases nobres têm pequena atração um pelo outro, permanecendo

monoatômicos. Somente a baixas temperaturas eles condensam. Esta condensação torna

evidente que há atrações interatômicas fracas mantendo junto os átomos.

1 – Dipolos Induzidos – Xe, Rn, Kr, CH4 são simétricos ( os centros de cargas positivas e

negativas estão no centro de cada molécula ou átomo. Continuamente o movimento dos


elétrons e a vibração atômica distorcem esta simetria elétrica. Quando isto acontece, um

pequeno dipolo elétrico se estabelece, dando à molécula uma extremidade positiva e outra

negativa. Isto induz um dipolo nas moléculas adjacentes. Conseqüentemente, forças atrativas

são também estabelecidas, ainda que admissivelmente fracas.

2 – Moléculas Polares – moléculas assimétricas, tais como NH3 , CH3Cl e H2O, jamais

coincidem seus centros de carga positiva e negativa, são ditas moléculas polares.

3 – Pontes de Hidrogênio – é um caso especial de uma molécula polar. É a mais forte das

ligações secundárias e é encontrada com freqüência.

O próton exposto na extremidade de uma ligação C -H ; O-H ; ou N-H não está coberto por

elétron. Assim sendo, esta carga positiva pode ser atraída por elétrons de valência adjacentes.

Desenvolve-se, assim, uma ligação coulombiana denominada Ponte de Hidrogênio. A máxima

energia desta ligação é de aproximadamente 30 kJ / mol . Isto está em contraste com :

- um máximo de 5 kJ / mol (e usualmente <<< 1 kJ / mol ) para outros tipos de ligações de

Van der Waals ;

- e várias centenas de kJ / mol para as ligações primárias fortes.

ESTRUTURA CRISTALINA

As propriedades dos materiais dependem do arranjo de seus átomos. Estes arranjos

podem ser classificados em :

a) estruturas moleculares, isto é, agrupamento de átomos ;

b) estruturas cristalinas, isto é, um arranjo repetitivo de átomos ; e

c) estruturas amorfas, isto é, estruturas sem nenhuma regularidade.

1 – CRISTALINIDADE

Essencialmente todos os metais, uma relevante parte dos cerâmicos e certos

polímeros, cristalizam-se quando se solidificam. Com isto, queremos dizer que os átomos se

arranjam num modelo tridimensional, ordenado e repetido. Tais estruturas são denominadas

cristais.

1.1 – Número de Coordenação

A repetição tridimensional nos cristais é devida à coordenação atômica no interior do

material. O número de coordenação, NC, simplesmente representa o número de vizinhos mais

próximos que um dado átomo tem. Dois fatores governam o NC de um átomo :

- o primeiro é a covalência;

- o segundo é o fator de empacotamento atômico ( f.e.a ).


Em geral, os NC dos metais e sólidos iônicos são governados pelo f.e.a e os NC dos

sólidos covalentes, pelo limite de compartilhamento eletrônico.

Número de

Coordenação

r cátion /

R ânion

Estrutura

3 0,155 Triângulo

4 0,225 Tetraedro

6 0,414 Pirâmide

8 0,732 Cubo

12 1

1.2 – Células Unitárias

São pequenos volumes, cada um contendo todas as características encontradas no

cristal inteiro. A distância repetida, chamada de parâmetro cristalino, no modelo de longo

alcance de um cristal, dita o tamanho de uma célula unitária. Descrever uma célula unitária é

descrever o cristal todo.

1.3 – Sistemas Cristalinos

Qualquer empacotamento atômico deverá se encaixar em um dos 7 principais tipos de

cristais.

Os cristais cúbicos têm modelos idênticos ao longo de 3 direções perpendiculares a1 =

a2 = a3 . A maioria dos metais e um número significativo de cerâmicos são cúbicos.

Os cristais não cúbicos surgem quando um modelo repetido não é o mesmo nas 3

direções coordenadas, ou os ângulos entre os 3 eixos cristalinos não são de 90° .

Os 7 tipos de sistemas cristalinos são :

Sistema Eixos Ângulos axiais

Cúbico a1 = a2 =a3 Todos = 90°

Tetragonal a1 = a2 c Todos = 90°

Ortorrômbico a b c Todos = 90°

Monoclínico a b c 2 de 90° e 1 90°

Triclínico a b c Todos , nenhum de 90°

Hexagonal a1 = a2 = a3 c 90° e 120°


Romboédrico a1 = a2 =a3 Todos =, mas 90°

2 – CRISTAIS CÚBICOS

Os cristais cúbicos possuem um dos 3 seguintes tipos de reticulado : CS (cúbico

simples), CCC ( cúbico de corpo centrado ), ou CFC ( cúbico de face centrada ). O reticulado é

a repetição , nas 3 dimensões, do modelo desenvolvido no interior do cristal. A maioria

significativa dos nossos metais possui reticulado CCC ou CFC.

2.1 – Cúbico Simples – Contém 1 átomo por célula unitária e f. e. a = 52%

2.2 – Cúbico de Corpo Centrado – Contém 2 átomos por célula unitária e f.e.a = 68%

2.3 – Cúbico de Face Centrada – A estrutura contém 4 átomos por célula unitária e f.e.a =

74%

3 – CRISTAIS HEXAGONAIS

3.1 – Hexagonal Simples – Contém 3 átomos por célula unitária e f.e.a = 37%

3.2 – Hexagonal Compacta – Contém 6 átomos por célula e f.e.a = 74%

IMPERFEIÇÕES NOS CRISTAIS

Quando imperfeições, tais como lacunas, envolvem um ou poucos átomos, nós a

chamamos de defeitos puntuais. Há outras imperfeições que podem se desenvolver

linearmente através do cristal, são os defeitos em linha. Elas se tornam significativas quando

os cristais são deformados plasticamente por cisalhamento ( um pequeno número de defeitos

em linha podem tornar os cristais metálicos 1000 vezes mais dúcteis do que seriam sem os

defeitos ). Quando os defeitos em linha estão intensamente presentes, essas imperfeições

lineares passam a aumentar a resistência do metal.

Finalmente, há imperfeições bidimensionais que envolvem superfícies ou contornos

de grãos e imperfeições tridimensionais ou em volume.

1 – Defeitos Puntuais

Lacuna – falta de um átomo no reticulado

Defeito de Schottky – falta de um par iônico

Defeito de Frenkel – íon deslocado

Defeito intersticial – átomo extra numa estrutura cristalina, principalmente por baixo f.e.a .

Estruturas compactas têm muito menos defeito intersticial e íons deslocados do que

lacunas, porque se torna necessária uma energia adicional para forçar os átomos para

posições intersticiais.

2 – Defeitos em Linha ( Imperfeições unidimensionais )

Os defeitos puntuais são imperfeições estruturais resultantes de agitação térmica.

Defeitos lineares estão associados com deformação mecânica ; são conhecidos como


deslocações ou discordâncias. Estas são designadas por I , representando a extremidade da

metade de um plano extra de átomos.

Tipos de discordâncias :

Cunha ou Aresta – descrita como a aresta de um plano extra de átomos na estrutura

cristalina.

Hélice ou Espiral – formada pela tensão de cisalhamento que é aplicada.

3 – Defeitos em Superfície ( bidimensionais )

A mais óbvia é a superfície externa (a coordenação atômica é diferente na superfície

e no interior).

- átomos da superfície têm maior energia e menor número de ligações que os átomos

internos ;

- formação de superfície ( quebra de um giz – energia térmica , sonora e luminosa )

Contornos de grãos – regiões com baixa cristalinidade que separam dois cristais com

diferentes orientações.

4 – Defeitos em Volume ( tridimensional )

Poros, trincas, inclusões e outra fases indesejáveis – oriundos do processamento.

IMPERFEIÇÕES OU DESORDEM ATÔMICA NOS SÓLIDOS

Em certos casos, devido a custos, disponibilidade ou propriedades, é desejável a presença de

impurezas:

Ex.: - Prata Sterling ( 92,5% Ag + 7,5% Cu ) – melhorias em relação à Prata 99% : - maior

resistência ; maior dureza ; maior durabilidade e menor preço.

- Latão ( Zn + Cu ) – melhorias em relação ao cobre puro : - menor preço ; maior dureza ;

maior resistência mecânica ; maior ductilidade , menor condutividade elétrica; menor preço.

Ligas – são combinações de dois ou mais metais em um material. Estas combinações podem

ser misturas de dois tipos de estruturas cristalinas ( FeCCC e Fe3C ) ou podem envolver soluções

sólidas.

Soluções Sólidas

Ocorrem quando um átomo de soluto é adicionado à rede da matriz, a estrutura cristalina é

mantida e, nenhuma estrutura é formada.

1 – Solução Sólida Substitucional

Átomos de soluto substituem átomos da rede . Para isto são necessárias algumas

condições :


Tamanho Atômico – a diferença entre os raios atômicos não deve ultrapassar 15%. Se o

soluto tiver raio atômico elevado pode causar distorções na rede e formar uma nova fase.

Estrutura Cristalina – deve ser igual .

Valência – aproximadamente a mesma.

Fator Eletroquímico – se dois átomos, um muito eletropositivo e outro muito

eletronegativo se aproximarem, a tendência é de formar um composto intermetálico.

Ex.: Cu / Ni – completamente solúveis um no outro, em qualquer proporção :

- raios iônicos – Cu = 0,128 nm ; Ni = 0,125 nm;

- estruturas cristalinas – ambos CFC

- valência – Cu+2 e Ni+2

- eletronegatividade – Cu = 1,9 e Ni= 1,8

2 – Solução Sólida Ordenada

Não é surpreendente que ocorra uma ordenação entre os 2 tipos de átomos num

arranjo específico. Tal ordenação é menos comum a altas temperaturas, visto que as agitações

térmicas tendem a destruir o arranjo ordenado.

3 – Solução Sólida Intersticial

Ocorre o preenchimento de vazios ou interstícios por átomos de soluto, ou da própria

matriz. Condições necessárias :

- raio iônico da impureza muito menor que os da rede ;

- concentrações deste tipo de defeito < 10% ;

- C ( r = 0,071 nm ) x Fe ( r = 0,124 nm ) – solução sólida intersticial até 2,0% ( aço ).

4 – Soluções Sólidas em Compostos

Nas fases iônicas podem ocorrer soluções sólidas substitucionais, igualmente como

nos metais. Nelas, como no caso dos metais, os tamanhos atômicos e iônicos são importantes.

Um requisito adicional que é mais rigoroso para soluções sólidas de compostos cerâmicos do

que de metais, é que as cargas de valência sobre o íon substituído e sobre o novo íon devem

ser idênticas.

Implantação de íons :

Íons carregados são acelerados em um campo elétrico a altas energias ( 200 eV ),

chocando-se com um alvo sólido. Estes íons são implantados em posições da rede

algumas camadas atômicas abaixo da superfície.

Modifica a estrutura e composição da superfície, melhora a resistência à corrosão ;

Solução para materiais de baixa difusividade ;


B+4; N+3; Mo+2; Ti+4 – quando implantados reduzem o desgaste de ferramentas de corte e

erosão dos bicos injetores de óleo em caldeiras.

DIFUSÃO

É o fenômeno de transporte de massa por movimento atômico.

Muitas reações e processos importantes no tratamento de materiais acontecem por difusão.

A difusão ocorre mais facilmente :

a altas temperaturas ;

quando o átomo que se move é pequeno ;

quando o F.E.A das estruturas do solvente é baixo ;

quando as ligações no solvente são fracas ( baixo P.F.) ;

quando há defeitos no material.

Interdifusão – átomos de um metal difundem em outro. Há um fluxo em rede da região de alta

concentração para a de baixa. Ex.: cementação, nitretação, etc.

Autodifusão – difusão em metais puros (difícil observação )

MECANISMOS DE DIFUSÃO

Difusão é a migração de átomos de uma posição na estrutura para outra. Para um átomo se

movimentar, duas condições são necessárias :

deve haver uma posição adjacente vazia ;

o átomo deve ter energia suficiente para quebrar ligações com seus átomos vizinhos, e

então, causar uma distorção estrutural durante o deslocamento.

Dois modelos dominam a difusão metálica :

1 – Difusão por Vacância

Neste caso, os átomos trocam de posição com as vacâncias e a difusão dos átomos

ocorre numa direção, correspondendo com a movimentação das vacâncias em direção oposta.

A extensão desta difusão depende da quantidade de vacâncias presentes. Tanto a autodifusão

como a interdifusão ocorrem através deste mecanismo.

2 – Difusão Intersticial


Átomos que migram para uma posição intersticial na vizinhança. Este mecanismo é

encontrado para interdifusão de impurezas como H, C, N, O, que tem pequeno tamanho para

se colocarem em posições intersticiais. Átomos do metal ou de impurezas substitucionais

raramente difundem por esse mecanismo.

Na maioria das ligas metálicas a difusão intersticial ocorre mais rapidamente que a difusão por

vacância, desde que os átomos intersticiais sejam pequenos e com mais mobilidade. Além do

que, existem bem mais posições intersticiais vazias do que vacâncias.

DIAGRAMAS DE FASES

São úteis para :

predizer que fases se encontram em equilíbrio para uma dada composição de liga a

uma certa temperatura ;

determinar a composição química de cada fase ; e

calcular a quantidade relativa de cada fase presente.

DIAGRAMA Fe-C

O sistema Fe-C apresenta alguns microconstituintes importantes, que dão as características

dos aços conhecidos. São eles :

a) Ferrita (Fe ) – baixa dureza e baixa resistência à tração, mas excelente resistência ao

choque.

b) Austenita (Fe ) – boa resistência mecânica e apreciável tenacidade; não é magnética.

c) Cementita (Fe3C) – muito dura, quebradiça e baixa ductilidade.

d) Perlita – microestrutura composta por Fe + Fe3C ( 88% de ferrita e 12% de cementita, no

ponto eutetóide ). Apresenta-se na forma de lamelas (grossas ou finas), possuindo

propriedades intermediárias entre ferrita e cementita

EFEITO DOS ELEMENTOS DE LIGA SOBRE O DIAGRAMA Fe – C

As fases e são estáveis em diferentes faixas de temperatura. Elas se caracterizam

por manter em solução sólida ( dentro de uma faixa ampla de teores ) vários elementos de liga

que podem participar da composição dos aços.

As diferentes solubilidades dos vários elementos de liga nas fases e levam a

modificações nas faixas de temperatura em que ocorrem as transformações estruturais do aço.


Se no Fe puro a mudança ocorre a 912°C, a presença de

qualquer elemento adicional cria uma faixa de temperatura na qual ambas as fases podem

coexistir em equilíbrio.

Estabilizadores da Austenita – Tipo A ( gamágenos )

Tipo AI – Os elementos de liga alargam a faixa de temperatura para a austenita estável,

abaixando a transformação e aumentando a x.: Mn, Ni,

Co.

Tipo AII – Composições ricas em Fe tornam-se estáveis, avançando sobre as fases ou

. Ex.: C, Cu, Zn, N.

Estabilizadores da Ferrita – Tipo B (alfágenos)

Tipo BI – Estreitam a faixa da austenita estável até torná-la inexistente. A zona austenítica

é totalmente circundada por um campo de duas fases ( + ) ou ( + ), o qual não é

interrompido por compostos intermetálicos ou soluções sólidas nos elementos de liga. Ex.:

Si, Cr, Mo, P, V, Ti, Al.

Tipo BII – Igual a BI, porém , com o aparecimento de compostos intermetálicos

interrompendo a “lupa” com sua zona envolvente de duas fases. Ex.: Ta, Zr, B, S, Nb.

A ação dos elementos de liga sobre as linhas de transformação pode ser observada sob 3 aspectos :

efeito sobre a composição do eutetóide ;

efeito sobre a temperatura do eutetóide ;

efeito sobre o campo austenítico.

Efeito sobre o campo austenítico ( Mn, Cr, Mo, Si ) :

O Mn em teores crescentes, abaixa a temperatura do eutetóide, além de diminuir o teor de

C. Pode produzir uma estrutura inteiramente perlítica.

O Cr, Mo e Si comportam-se de modo contrário ao Mn no que se refere à temperatura do

eutetóide. Quanto à influência sobre o teor de C no eutetóide, a tendência é idêntica.

A propriedade destes elementos produzirem uma estrutura eutetóide com teores de C

mais baixos é muito importante :a liga eutetóide apresenta grande resistência mecânica. Como

a dureza e a fragilidade aumentam com o teor de C ( Fe3C ), é claro que a obtenção de uma

estrutura resistente e inteiramente perlítica, será muito vantajoso. Isto pode ser obtido mediante

à introdução de elemento de liga num aço com menor teor de C, tornando a estrutura mais

tenaz que a do aço carbono comum.

EFEITO DOS ELEMENTOS DE LIGA


A introdução dos E. L. nos aços carbono é feita objetivando um dos seguintes efeitos :

aumentar a dureza e a resistência mecânica ;

conferir resistência uniforme através de toda a seção em peças de grandes dimensões ;

diminuir o peso ( com o aumento da resistência, reduz-se a carga morta ) ;

conferir resistência à corrosão ;

aumenta a resistência ao calor ;

aumenta a resistência ao desgaste ;

aumenta a capacidade de corte ;

melhora as propriedades elétricas e magnéticas.

DIAGRAMAS TTT

Os diagramas de equilíbrio de fases mostram como deveria ser a microestrutura com a

temperatura mudando lentamente. Adicionando-se um eixo tempo ao diagrama de fases tem-

se um diagrama TTT ( tempo x temperatura x transformação ).

Fatores que afetam a posição das curvas TTT :

a) Teor de carbono ;

b) Tamanho de grãos da austenita ;

c) Homogeneidade da austenita .

Todos os elementos de liga adicionados aos aços , exceto o Co, deslocam as curvas de

início e fim de transformações para a direita – retardam a transformação ;

Na zona crítica , alguns ficam dissolvidos em ( Al, Si, Ni )e outros formam

carbetos ( Ti, Nb, V, W e Mo ) ;

Devido a estas reações serem lentas, retardam a transformação p e facilita a

obtenção de martensita com tempos de resfriamento não tão rápidos ;

A perlita tem início nos contornos de grãos austeníticos e portanto, aços com tamanho de

grãos austeníticos grande, tendem a apresentar estrutura martensítica mais facilmente que

os com tamanho de grão austenítico menor :

Tamanho de grãos pequenos – difusão é maior, portanto p ;

Tamanho de grãos grandes – difusão é menor , portanto M.

TEMPERABILIDADE ( Endurecibilidade)

Facilidade, maior ou menor, com que a dureza pode ser alcançada.

Dureza é a medida de resistência à deformação plástica.

Um aço que se transforme rapidamente de austenita em ferrita + cementita, tem baixa

temperabilidade porque esses produtos de transformação a altas temperaturas são formados

com consumo de martensita. Ao contrário, um aço que se transforme lentamente de austenita

em ferrita + cementita tem maior temperabilidade. Durezas mais próximas do máximo podem


ser obtidas com resfriamentos rápidos menos severos em aços com alta temperabilidade, além

de durezas mais elevadas nos centros das peças, mesmo que aí a taxa de resfriamento seja

menor. Para produzir a dureza máxima, deve-se evitar a reação → + carbeto durante o

resfriamento rápido.

CURVAS DE TEMPERABILIDADE

Há uma relação direta e consistente entre dureza e taxa de resfriamento ( esta relação é

altamente não – linear ).

Ensaio Jominy - Teste padronizado para predizer a dureza pata muitas aplicações, além da comparação entre durezas de 2 aços. Neste ensaio, uma barra circular de um aço especificado é aquecida até a zona de total austenitização e, então, resfriada rapidamente em uma extremidade. Os valores da dureza ao longo dos gradientes de taxa de resfriamento são determinados com um durômetro Rockwell, permitindo traçar a curva de temperabilidade.

USO DAS CURVAS DE TEMPERABILIDADE

São de grande valor prático, porque :

se a taxa de resfriamento de um aço em alguma têmpera é conhecida, a dureza pode ser

lida diretamente de sua curva de temperabilidade, e

se a dureza em algum ponto puder ser medida, a taxa de resfriamento nesse ponto pode

ser obtida da curva de temperabilidade para esse aço.

TRATAMENTO TÉRMICO

Conjunto de operações de aquecimento e resfriamento a que são submetidos os aços ,

sob condições controladas de temperatura, tempo, atmosfera e velocidade de resfriamento ,

com o objetivo de alterar as suas propriedades ou conferir-lhes característicos determinados.

As propriedades dos aços dependem da sua estrutura. Os tratamentos térmicos

modificam, em maior ou menor escala, a estrutura dos aços, resultando na alteração mais ou

menos pronunciada de suas propriedades.

Objetivos : remoção de tensões ;

aumento ou diminuição de dureza ;

aumento da resistência mecânica ;

melhora da ductilidade ;

melhora da usinabilidade ;

melhora da resistência ao desgaste ;

melhora das propriedades de corte ;

melhora da resistência à corrosão ;

melhora da resistência ao calor ;


modificação das propriedades elétricas e magnéticas .

A melhora de uma ou mais propriedades pode ser conseguida com prejuízos de outras

( Ex. : o aumento da ductilidade acarreta uma diminuição nos valores de dureza e resistência à

tração ).

Parâmetros Importantes :

Aquecimento – T > Tc – garantir completa austenitização do aço.

Velocidade de aquecimento – material com tensões residuais deve sofrer aquecimento

lento , evitando fissuras ou empenamento. Material muito encruado e com tendência ao

crescimento de grãos, deve sofrer aquecimento rápido.

Temperatura de Aquecimento - quanto maior, melhor a garantia de dissolução das fases

no Fe , porém, maior será o tamanho de grão.

Tempo de Permanência – quanto maior, maior a dissolução de Fe3C em , porém, maior

será o tamanho de grão e pode ocorrer descarbonetação elevada. Preferível temperatura

maior com tempo menor.

Resfriamento – fator mais importante. A escolha da taxa de resfriamento determina a

estrutura final e a profundidade. Ideal é obter estrutura à profundidade prevista, evitando

empenamento, distorção e ruptura.

Atmosfera – visa prevenir reações químicas indesejadas entre o material e o ambiente de

processamento ( oxidação , descarbonetação ).

RECRISTALIZAÇÃO

Processo de crescimento de novos cristais a partir de cristais previamente deformados.

Cristais deformados plasticamente têm maior energia, pois são carregados de

discordâncias e defeitos puntuais.

Sendo possível, os átomos deslocar-se-ão buscando um arranjo mais perfeito

Recristalização – rearranjo atômico em grãos distorcidos. No estado recristalizado há um

número menor de discordâncias e ocorre a redução na dureza.

Temperatura de recristalização ( Tr ) – temperatura na qual a recristalização é espontânea,

ocorre a variação drástica da resistência e na microestrutura. Situa-se entre 0,3 e 0,6 da

temperatura de fusão.

Tempo – difusividade.

Material Encruado – possui energia acumulada e, portanto, a Tr é menor que a de um

material sem ou com pouco encruamento.

RECUPERAÇÃO

Reestabelecimento das características anteriores ao encruamento.


NORMALIZAÇÃO

Aquecimento do aço acima da temperatura crítica ( 50° – 100°C ) , para garantir total

austenitização, seguido de resfriamento ao ar.

Objetivos :

Visa refinar a granulação grosseira de peças de aço fundido .

Com o mesmo objetivo, é aplicado em peças depois de laminadas ou forjadas, produzindo

microestrutura mais uniforme.

Reduz a tendência ao empenamento.

Facilita a solução de elementos de liga e carbetos.

Microestrutura resultante :- hipo eutetóide : ferrita e perlita fina

- eutetóide : perlita fina

- hiper eutetóide : perlita fina e cementita

RECOZIMENTO

Objetivos :

remover tensões internas devidas a tratamentos mecânicos ( a frio ou a quente ) ;

diminuir a dureza para melhorar a usinabilidade ;

modificar as propriedades mecânicas, como resistência e ductilidade ;

modificar características elétricas ou magnéticas ;

remover gases ;

eliminar os efeitos de quaisquer tratamentos térmicos anteriores.

1 – Recozimento Total ou Pleno

Aquecimento até a região de austenitização (+/- 50°C acima de Tc), pelo tempo necessário

para solubilização do C e dos elementos de liga em . Segue-se resfriamento lento ( no

ambiente de forno ).

Microestrutura resultante :

- hipo eutetóide : ferrita e perlita grosseira

- eutetóide : perlita grosseira

- hiper eutetóide : perlita grosseira e cementita

Obs.: Perlita grosseira é uma estrutura ideal para melhorar a usinabilidade de aços com baixo e

médio teor de carbono. Para aços com alto teor de carbono a perlita grosseira não é vantajosa,

devendo-se obter a “esferoidita”. O recozimento pleno requer um tempo total longo, e pode ser

substituído pelo recozimento cíclico.


2 – Recozimento Isotérmico ou Cíclico

Aquecimento nas mesmas condições para recozimento total ou pleno, seguido de um

resfriamento rápido até uma temperatura situada dentro da porção superior do diagrama de

transformação isotérmica, onde é mantido até a transformação completa . A seguir, o

resfriamento até a temperatura ambiente pode ser rápido.


A microestrutura final é mais uniforme que no recozimento pleno.

- hipo eutetóide : ferrita e perlita grosseira

- eutetóide : perlita grosseira

- hiper eutetóide : perlita grosseira e cementita.

3 – Recozimento para Alívio de Tensões

Aquecimento abaixo da região de austenitização ( ~ 500°C ) ;

Manutenção da temperatura ;

Resfriamento qualquer.


Estrutura recristalizada ( grãos bastante finos )

4 – Recozimento em Caixa

Tratamento utilizado para proteção de grandes peças ou grande número de peças, impedindo

que a superfície acabada seja oxidada. Aquecimento lento até 600° ~ 700°C.

5 – Esferoidização

Aquecimento e resfriamento subseqüente para produzir formas globulares ou esferoidais de

Fe3C.

Processamento :

- Aquecimento a uma temperatura logo acima da temperatura de transformação , seguida de

resfriamento lento ;

- Aquecimento por tempo prolongado ( 12 a 15 horas ) a uma temperatura logo abaixo da

temperatura de transformação (também chamado de “recozimento subcrítico” ) ;

- Aquecimento e resfriamento alternados entre temperaturas que estão logo acima e logo

abaixo da linha de austenitização.


- aços de baixo e médio teor de carbomo : perlita grosseira de ótima usinabilidade ;

- aços de alto teor de carbono : “esferoidita”.


TÊMPERA

Consiste no resfriamento rápido do aço de uma temperatura superior à de austenitização ( ~

50° C acima) até a temperatura ambiente.

Objetivo :

Obtenção de estrutura martensítica, fazendo com que o resfriamento passe à esquerda do

cotovelo da curva TTT, evitando assim a transformação da austenita.

Sob o ponto de vista de propriedades mecânicas, o objetivo é o aumento do limite de

resistência à tração e da dureza, reduzindo a ductilidade e a tenacidade.

- O aparecimento de tensões internas pode ser atenuado ou eliminado pelo revenido.

- Em peças com grande secção, os elementos de liga retardam a transformação da

austenita.

- Quando as tensões internas ultrapassam o limite de escoamento do aço, ocorre

deformação plástica e as peças empenam.


- Martensita ;

- Bainita.

REVENIDO

Tratamento térmico que normalmente acompanha a têmpera .

- O revenido deve ser realizado logo após a têmpera para diminuir a perda de peças por

ruptura.

- Na operação de revenido importa não só a temperatura do tratamento como também o

tempo de permanência à temperatura considerada. ( A influência maior é verificada no

início, diminuindo com intervalos de tempo maiores ).

Objetivo :

Alivia ou remove as tensões internas, corrige a excessiva dureza e fragilidade do material,

aumentando a ductilidade e a resistência ao choque.

AUSTÊMPERA

Este tratamento tem substituído, em diversas aplicações, a têmpera e o revenido. É baseada

nas transformações da austenita que podem ocorrer à temperatura constante ( tratamento

isotérmico ).

Processamento :

Aquecimento dentro da faixa de austenitização ;


Resfriamento em banho mantido a uma temperatura constante, geralmente entre 260° -

400°C ;

Permanência no banho a essa temperatura para que a transformação da austenita em

bainita seja obtida isotermicamente;

Resfriamento até a temperatura ambiente, geralmente em ar.


Bainita – excelente ductilidade e resistência ao choque, dureza elevada , superiores à da

martensita revenida.

Vantagens :

formar bainita diretamente da austenita à temperatura bem mais alta que à da martensita,

gerando menores tensões internas, distorções, empenamentos ou fissuras.

Desvantagens :

Alguns aços demoram cerca de 24 horas ;

Aço 1080 – secção máxima das peças é de 5 mm.

Materiais aplicáveis :

Aços comuns, com 0,5 a 1,0 % de Carbono e mínimo de 0,6% de Mn ;

Teores elevados de carbono com pouco menos de 0,6% Mn ;

Pouco abaixo de 0,5% C, mas com Mn > 0,6% ;

Outras ligas ( séries 5100, 1300 a 4000 com C > 0,4 % ).

MARTÊMPERA

Tratamento usado, principalmente, para diminuir a distorção ou empenamento que se produz

com o resfriamento rápido de peças de aço.

Processamento :

Aquecimento a uma temperatura dentro da faixa de austenitização ;

Resfriamento em óleo quente ou sal fundido, mantido à temperatura ligeiramente acima da

faixa martensítica ;

Manutenção no meio de resfriamento, até que a temperatura através de toda secção se

torne uniforme ;

Resfriamento ( geralmente em ar ) à velocidade moderada, de modo a prevenir grande

diferença de temperatura entre as partes externa e interna da secção.



Martensita – formada de maneira bastante uniforme através de toda secção da peça, evitando

a formação excessiva de tensões residuais.

TÊMPERA SUPERFICIAL

Em grande número de aplicações de peças de máquinas, é mais conveniente o endurecimento

superficial que o endurecimento total da têmpera normal.

O endurecimento superficial pode ser produzido por :

- Tratamento mecânico de superfície – encruamento ;

- Tratamento químico da superfície do material ( revestimento – cromeação dura, etc. ) ;

- Tratamento termoquímico ( cementação , nitretação, carbonitretação ) ;

- Têmpera superficial .

Preferência da Têmpera Superficial X Têmpera Total :

- Obtenção de superfícies duras e resistentes ao desgaste, o que seria impossível de

endurecer convenientemente através de toda a secção ;

- Obtenção de propriedades superficiais que não seriam indicadas para a secção inteira das

peças ;

- Obtenção de alta resistência ao desgaste e dureza na superfície com suficiente ductilidade

e tenacidade no núcleo das peças .

Vantagens :

Não exige fornos de aquecimento ;

É mais rápida que a têmpera comum ;

Não produz apreciável oxidação ou descarbonetação ;

Aquecimento por chama ou indução.

TRATAMENTOS TERMOQUÍMICOS

Visam o endurecimento dos aços pela modificação parcial de sua composição química nas

secções que se deseja endurecer. Pode ser seguido de tratamento térmico.

Objetivo :

Aumentar a dureza e a resistência ao desgaste superficial, ao mesmo tempo em que o

núcleo do material permanece dúctil e tenaz.


A aplicação de calor em um meio apropriado pode levar à alteração da composição química até

uma profundidade que depende da temperatura do tratamento e do tempo de permanência

nesta temperatura em contato com o meio em questão.

Tipos :

Cementação ;

Nitretação ;

Cianetação ;

Carbonitratação ;

Boretação.

POLÍMEROS

Compostos formados por uma cadeia de moléculas de alto peso molecular –

macromoléculas.

Substâncias de elevada massa molecular, obtidas pela repetição , em longas cadeias,

de uma mesma unidade molecular chamada monômero.

CLASSIFICAÇÃO DOS POLÍMEROS

- Quanto à composição :

homopolímeros - 1 mero :

....- A – A – A – A - ....

copolímeros - 2 meros :

....- A – B – A – B – A - ....

terpolímeros - 3 meros :

....- A – B – C – A – B –C - ....

- Quanto à estrutura química :

lineares ;

com ramificações ;

tridimensionais, com ligações transversais ou cruzadas.

- Quanto ao seu comportamento ao ser aquecido :

termoplásticos ;

termofixos ;

não moldáveis.

Os polímeros podem apresentar moléculas sem ramificações ( polímeros lineares ) ou

com ramificações. Essas ramificações podem simplesmente estar apensas a uma cadeia

linear básica, ou promover a interligação de diferentes cadeias lineares, formando reticulados

tridimensionais , ou com ligações cruzadas.


Essas configurações afetam certas propriedades, especialmente a fusibilidade e a

solubilidade. Ao dificultarem a aproximação das moléculas, aumentam a resistência mecânica,

dando um produto infusível e insolúvel.

VULCANIZAÇÃO DA BORRACHA

É o resultado de ligações cruzadas por enxofre. Sem enxofre, a borracha é mole,

escoando por deformação viscosa nas proximidades da temperatura ambiente. Já com a

ligação cruzada por enxofre, a borracha ganha em estabilidade mecânica, embora ainda

mantendo a flexibilidade obviamente necessária.

A borracha dura tem um largo percentual de enxofre e bem mais ligações cruzadas.

DEFORMAÇÃO DOS POLÍMEROS

Aceitam deformações plásticas e elásticas, tal qual um metal.

Como classe, tem menor módulo de elasticidade ( E ) que os metais, e podem ser

deformados plasticamente mais facilmente que a média dos metais.

ELASTÔMEROS

Polímeros com grande deformação elástica, em função da conformação retorcida

TERMOPLÁSTICOS

São materiais que requerem calor ( termo ) para se tornarem moldáveis ( plásticos ) e,

uma vez resfriados, retêm a forma geométrica na qual foram moldados. Se forem novamente

aquecidos, voltam a se tornar plásticos, podendo ser moldados em novas formas.

Pertencem a essa classe os polímeros lineares ou lineares pouco ramificados,

polímeros especiais com poucas ligações cruzadas. Quando o material é aquecido, essas

cadeias fluem ou deslizam umas sobre as outras e se aglutinam quando o material é

solidificado por resfriamento, sem rompimento significativo destas cadeias.

A mistura física de 2 ou mais termoplásticos, sem qualquer reação química, objetivando

um produto final de características adequadas, visando otimizar a relação custo / eficiência,

denomina-se Blenda Polimérica.

Os termoplásticos podem ser divididos em 3 classes :

Plásticos comuns ou de massa (commodities) – são produzidos e consumidos em grande

quantidade e têm custo baixo.

Ex.: PE, PS, PP, PVC


Plásticos de engenharia (engineering resins) – mais nobres; com propriedades físicas e

químicas diferenciadas e melhores .

Ex.: Poliacetais, poliamidas ( nylon) , policarbonatos e poliésteres

Plásticos de uso especial ( specialties) – pesquisados para fins específicos.

Ex.: Prevex , Ryton ( polisulfeto de fenileno)

Vantagens e Limitações no Uso de Termoplásticos

Vantagens :

- peso ;

- aparência superficial ;

- qualidades ópticas ;

- resistência química ;

- flexibilidade ;

- resistividade elétrica ;

- resistência ao choque ;

- condutividade térmica.

Limitações :

- elevadas solicitações mecânicas localizadas ;

- elevadas temperaturas de trabalho ;

- investimento.

TERMOFIXOS

São materiais que adquirem plasticidade por meio de calor ( termo ) , são moldados, e,

ao se resfriarem retêm permanentemente a forma na qual foram moldados ( fixos ). Se forem

aquecidos novamente, não mais amolecerão; e se a temperatura de aquecimento for

suficientemente alta, serão destruídos, sem, contudo, voltar a adquirir plasticidade. É um

processo não reversível.

Os termofixos são originalmente fusíveis. Por aquecimento e sob pressão, eles passam

com maior ou menor rapidez, pelos 3 estágios sucessivos: amolecem ( fundem ), fluem e

depois endurecem, tornando-se definitivamente infusíveis. Essas transformações terminam

quando se forma, pela cura térmica, um sólido insolúvel e infusível.

Propriedades dos Termofixos :

- resistência química ;

- resistência térmica ;

- estabilidade dimensional ;

- resistência à compressão – espumas rígidas;

- isolamento térmico – espumas rígidas ;

- insolúveis e infusíveis ;


- propriedades elétricas superiores.

Limitações :

- insolúveis e infusíveis ;

- custo – moldagem cara ;

- não se prestam a um alto nível de automatização.

ADITIVOS

Ingredientes adicionais, com finalidades variadas, misturados à resina, previamente à

moldagem.

São os principais aditivos utilizados :

- plastificantes ;

- cargas ;

- corantes e pigmentos ;

- estabilizadores ;

- lubrificantes ;

- catalisadores ;

- agentes de cura ;

- agentes de esponjamento ;

- retardantes de chama ;

- agentes anti-estáticos .

PROCESSAMENTO DOS POLÍMEROS

1 – EXTRUSÃO

Essencialmente é uma bomba que fornece fluxo contínuo de material para um molde

ou para algum processo subseqüente de moldagem.

A extrusão também é utilizada para misturar aditivos ( corantes, retardantes de chama,

cargas ) nas resinas.

Vantagens :

- processo contínuo ;

- alto volume de produção ;

- baixo custo .

Limitações :

- adequado somente para formatos simples de peças , e para objetos com secção

transversal uniforme.

2 – INJEÇÃO


Ao contrário da extrusão, a injeção não é um processo contínuo, apresentando peças

de geometria complexa e secção transversal variável. Pela variedade de formato das peças, a

injeção é o processo mais utilizado que qualquer outro.

Vantagens :

- flexibilidade do processo ( termoplásticos e termofixos ) ;

- alta reprodutibilidade ;

- pequena variação dimensional ;

- processo altamente automatizado.

Limitações :

- alto custo das máquinas e moldes ;

- alta quantidade de aparas ;

- alto nível de competição.

3 – MOLDAGEM POR SOPRO

Processo adequado para manufatura de garrafas e embalagens ocas.

Vantagens sobre outros processos :

- menor custo dos moldes ;

- peças com abertura estreita e corpos largos;

- tempo de moldagem reduzido ;

- produção de embalagens com volume variando de poucos milímetros a 450 litros.

MATERIAIS CERÂMICOS

São divididos em 3 classes :

Cerâmica Tradicional – pisos e revestimentos, sanitários, refratários, tijolos, louça de

mesa, telhas e tubos ; etc

Cerâmica Avançada ou Fina – próteses, filtros cerâmicos, rotores e palhetas para

turbinas, combustível nuclear, catalisadores, sensores, ferramentas de corte, substratos

para circuitos eletrônicos ; etc

Vidros – cristais, lâmpadas, proteção RX, embalagens, fibras ópticas, próteses, indústria

automobilística, cristais para laser ; etc

- Tradicional – matéria-prima natural com pouco ou nenhum beneficiamento.

- Avançada ou Fina – matéria-prima sintética ou com elevado grau de beneficiamento

(pureza).

Cerâmica Tradicional – Processamento

Cominuição

Homogeneização do pó


- argila + água ( plasticidade ) + matéria-prima não plástica ( diminuir a plasticidade – reduzir

a retração durante a secagem ) + fundentes

Mistura seca ou úmida

Granulação

Conformação :

- prensagem seca ou semi-seca ;

- extrusão ;

- colagem ;

- moldagem

Sinterização ( queima ) :

- mono-queima ;

- bi-queima

Cerâmicas Avançadas – Processamento

Pureza máxima – matéria-prima com 99,9999% de pureza ( óxidos, sais, carbetos, nitretos,

etc.)

Sem plasticidade – auxílio de aditivos como ligantes, lubrificantes e plastificantes.

Alta resistência mecânica, térmica, elétrica, inércia química, dureza, elevados pontos de

fusão e várias propriedades químicas.

Síntese do pó :

- química ;

- carbotérmica ;

- mecânica ( moinho de bolas – contaminação !);

- freeze-drying ;

- spray-drying .

Obs.: O tamanho da partícula está relacionado diretamente com a reatividade, afetando as

propriedades mecânicas, ópticas, químicas.

Conformação :

- prensagem ;

- prensagem a quente ;

- prensagem isostática a quente ;

- injeção ( rotores de compressores – geometria complexa );

- colagem ;

- moldagem por colagem ;

- moldagem por vibração;

- tape casting.

Sinterização ( 80 a 90% da temperatura de fusão )

Acabamento – visa :


- aumentar a precisão dimensional ;

- polir a superfície.

COMPÓSITOS

Definição : Material multifásico que exibe uma significante proporção de propriedades de cada

fase constituinte, tal que a melhor combinação de propriedades é alcançada.

Combinação de propriedades entre cerâmicas, metais e polímeros.

As propriedades dos compósitos são função das propriedades dos constituintes das

fases ( matriz e fase dispersa ), suas quantidades relativas e a geometria da fase dispersa ( ou

seja, forma e tamanho das partículas, distribuição e orientação ).

Classificação

Os compósitos podem ser classificados em :

reforçados por partículas ;

reforçados por fibras ;

estruturais.

1 – Compósitos Reforçados por Partículas

Compósitos com partículas grandes ;

Compósitos com dispersão resistente.

A distinção está baseada nos mecanismos de reforço ou resistência.

2 – Compósitos Reforçados por Fibras

São os mais importantes sob o aspecto tecnológico. Visam obtenção de alta resistência

e/ou dureza.

Fatores que influenciam :

comprimento da fibra ;

orientação da fibra ;

concentração das fibras .

CMP ► Compósitos com matriz polimérica. A matriz é uma resina polimérica, com fibras para

reforço médio.

CMM ► Compósitos com matriz metálica. A matriz é um metal dúctil. O reforço aumentará a

dureza específica, resistência à abrasão e à fluência, condutibilidade térmica e estabilidade

dimensional.

Vantagens em relação ao CMP :

altas temperaturas de serviço ;

não são inflamáveis ;

alta resistência à degradação por fluidos orgânicos.

Desvantagens :


são mais caros.

CMC ► Compósitos com matriz cerâmica.

Vantagens :

Resistentes à oxidação e deterioração a elevadas temperaturas.

Desvantagens :

disposição à fratura frágil.

3 – Compósitos Estruturais

Não dependem só das propriedades dos constituintes, mas também da geometria dos

vários elementos estruturais.

Laminados ;

Sanduíches .

►Exemplos clássicos de compósitos :

CMC – WC - Co ; TiC – Co ( ferramentas de corte )

CPC – “carbon black” + elastômeros ( pneu – 15 a 30% em volume de “carbon black “)

CCC – asfalto, concreto

ELETROQUÍMICA E CORROSÃO

Pode-se definir corrosão como a deterioração de um material, geralmente metálico, por

ação química ou eletroquímica do meio ambiente aliada ou não a esforços mecânicos. A

deterioração representa alterações prejudiciais indesejáveis, sofridas pelo material, tais como

desgaste, variações químicas ou modificações estruturais.

OXIDAÇÃO – REDUÇÃO

Conceitos explicativos de oxi-redução

antigo :

- oxidação é o ganho de oxigênio por uma substância ;

- redução é a retirada de oxigênio de uma substância .

em termos de elétrons :

- oxidação é a perda de elétrons por uma espécie química ;

- redução é o ganho de elétrons.

em termos de NOX ( número de oxidação ) :

- oxidação é o aumento algébrico do número de oxidação ;

- redução é a diminuição do NOX.


Oxidação

NOX -5 -4 -3 -2 -1 0 +1 +2 +3 +4 +5

Redução

Comparando os conceitos, verifica-se que :

conceito antigo é restrito às reações em que há participação do oxigênio ;

aquele que define em termos de elétrons , é mais amplo, não se fixando em oxigênio, é de

grande utilidade em corrosão ;

o conceito em termos de NOX, não se fixa nem na presença de oxigênio, nem em elétrons,

sendo o mais geral.

Exemplo : H20 (g) + Cl20 (g) 2 H+1Cl-1(g) , analisando a equação:

H O.P.A – Oxidou, é agente redutor .( Oxidou, Perdeu elétron, Aumentou NOX).

Cl R.G.D – Reduziu, é agente oxidante . ( Reduziu, Ganhou elétron, Diminuiu NOX ).

Os metais, geralmente, perdem elétron, sendo oxidados e agindo como agentes

redutores:

M0 M+n + n e-1

PILHAS ELETROQUÍMICAS

Quando se ligam 2 eletrodos através de um circuito metálico externo, obtém-se uma

pilha eletroquímica. As pilhas eletroquímicas são dispositivos que permitem a transformação :

de energia química , liberada pelas reações redox que ocorrem nos eletrodos , em

energia elétrica;

de energia elétrica, fornecida por fonte de corrente elétrica, em energia química,

provocando reações de redox nos eletrodos.

No primeiro caso tem-se um processo espontâneo e no segundo houve necessidade

de fonte externa de energia. Este último tipo é chamado de pilha eletroquímica.

Componentes de uma pilha eletroquímica :

ânodo – eletrodo em que há oxidação ( corrosão ) , e onde a corrente elétrica, na forma de

íons metálicos positivos, entra no eletrólito ;

eletrólito – condutor ( usualmente um líquido ) contendo íons que transportam a corrente

elétrica do ânodo para o cátodo ;

cátodo – eletrodo onde a corrente elétrica sai do eletrólito ou o eletrodo no qual as cargas

negativas (elétrons) “entram” na solução, provocando reações de redução ;


circuito metálico – ligação metálica entre o ânodo e o cátodo por onde escoam os

elétrons no sentido ânodo-cátodo.

Retirando –se um desses componentes destrói-se a pilha e, conseqüentemente, cessa

a corrosão.

Tipos de Pilhas :

Pilhas de eletrodos metálicos diferentes ;

Pilhas de concentração :

- concentração iônica ;

- aeração diferencial.

Pilhas de temperaturas diferentes .

FORMAS DE CORROSÃO

Os processos de corrosão são considerados reações químicas heterogêneas ou

reações eletroquímicas que se passam geralmente na superfície de separação entre o metal e

o meio corrosivo.

A corrosão é um modo de destruição do metal, progredindo através de sua superfície.

A corrosão pode ser :

uniforme ;

por placas ;

alveolar ;

puntiforme (*) ;

intergranular ou intercristalina (*) ;

intragranular ou transcristalina (*) ;

filiforme ;

por esfoliação.

(*) As formas de corrosão localizadas são mais prejudiciais aos equipamentos.

Fatores que estão envolvidos nos casos de ataque localizado :

relação área anódica / área catódica ;

aeração diferencial ;

variação de pH ;

produtos de corrosão presentes.

Entre as heterogeneidades que podem originar ataque localizado, podem ser citadas aquelas

relacionadas com :

Material metálico – composição, presença de impurezas, tratamentos térmicos ou

mecânicos, condições de superfície (películas ou descontinuidades), depósitos, frestas e

diferentes metais em contato.


Meio corrosivo – composição química, diferenças em concentração, aeração,

temperatura, velocidade e pH, teor de oxigênio, sólidos em suspensão, condições de

imersão e movimento relativo entre o material metálico e o meio.

PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS MATERIAIS

1 – Deformação

►Deformação elástica – não é permanente. Uma vez cessados os esforços, o material volta à

sua forma original. A magnitude da deformação elástica é muito pequena. Para muitos

materiais metálicos ela não excede o valor 0,005 . Em termos atomísticos, a deformação

elástica pode ser visualizada como decorrência do “estiramento” das ligações químicas,

provocando pequenas alterações nos espaçamentos interatômicos.

► Deformação plástica – é permanente. Uma vez cessados os esforços, o material recupera

a deformação elástica, mas fica uma deformação residual plástica, não voltando mais à sua

forma original. Do ponto de vista atômico, a deformação plástica corresponde à quebra das

ligações químicas formadas entre átomos vizinhos imediatos e o restabelecimento dessas

ligações com novos vizinhos, à medida que inúmeros átomos ( ou moléculas ) se deslocam uns

em relação aos outros. Para os sólidos cristalinos, a deformação plástica ocorre através de um

processo denominado escorregamento, que envolve o movimento de discordâncias.

2 – Módulo de Elasticidade ( ou de Young )

É a razão entre a tensão ) e a deformação reversível ( e ) :

E = e [ kgf / mm² ]

O módulo elástico é uma medida das forças de ligação interatômicas, o que está

relacionado à rigidez do material.

3 – Ductilidade

Identifica a quantidade de deformação relativa permanente anterior à fratura. Pode ser

expressa em relação ao alongamento percentual que ocorre em relação à base de medida ou

em relação à estricção que ocorre na seção de fratura. Materiais altamente dúcteis apresentam

grande estricção.

Estricção = ( Ai – Af ) / Ai

4 – Resistência

É uma medida do nível de tensão requerido para fazer com que um material seja

rompido.


A capacidade de um material resistir ao estabelecimento de sua deformação plástica é

chamada de resistência ao escoamento ( y ). O limite de resistência (t ) é dado pela relação

entre a força máxima suportada pela área inicial da secção transversal do espécime.

A tensão verdadeira é dada pela força atuante dividida pela área real da seçção

fraturada. Como há estricção, a tensão verdadeira de fratura (v ) será sempre maior que a

tensão de ruptura (t ) , que se refere à área inicial.

5 – Dureza

É definida como a resistência de um material à penetração em sua superfície. Como

era de se esperar, a dureza e a resistência de um material estão intimamente relacionadas.

Dureza Brinell ( HB ) – penetrador esférico ;

Dureza Rockwell ( HR ) – penetrador cônico ;

Dureza Vickers ( HV ) – penetrador piramidal de diamante.

6 – Tenacidade

É a medida da energia requerida para a ruptura de um material.

A resistência é a medida da tensão requerida para a ruptura de um material.

A tenacidade está intimamente relacionada com a área sob a curva tensão x

deformação.

Um material dúctil com a mesma resistência de um não dúctil requererá maior energia

para romper, sendo mais tenaz.

FALHA E DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS

As falhas nos materiais de engenharia são indesejáveis em função :

segurança ;

economia ;

interferência na qualidade dos produtos e serviços.

As causas mais usuais para a falha são :

a escolha imprópria do material e/ou do processo ;

desenho inadequado dos componentes.

1 - FRATURA

A fratura simples é a separação do corpo em 2 ou mais pedaços, em resposta à

aplicação de uma carga estática ( tração, compressão, torção ou cisalhamento ) e a

temperaturas menores que o ponto de fusão do material.


Dois tipos de fratura são possíveis :

frágil ;

dúctil.

A classificação é baseada na habilidade do material de sofrer deformação plástica.

2 - TESTE DE IMPACTO

Verifica-se a característica de fratura do material. O teste de Charpy e Izod para

material entalhado é utilizado para verificar a tenacidade do material.

Uma das funções primárias deste teste é determinar se um material pode sofrer

transição frágil-dúctil com a diminuição de temperatura; e, se isso ocorrer, qual a faixa de

temperatura em que isso ocorre.

3 - FADIGA

É uma falha que ocorre em estruturas sujeitas a carregamento dinâmico e cíclico

(pontes, aeronaves, componentes de máquinas) . Nessas circunstâncias (carregamento cíclico)

é possível que a fratura ocorra num nível de tensão consideravelmente menor que a resistência

ao escoamento ou resistência mecânica para um carregamento estático.

O termo fadiga é usado porque o tipo de fratura ocorre após um período de prolongado

carregamento cíclico.

Fadiga é importante porque é a maior causa das falhas nos metais, estimada em 90%.

Além do que, é uma incidência catastrófica, ocorrendo muito repentinamente, sem nenhum

aviso.

► Fatores que afetam a vida útil do material :

Tensão média – quanto maior a tensão média aplicada no processo cíclico, menor a vida

útil do material.

Efeitos superficiais - - desing ( entalhes, descontinuidades, etc. )

- tratamento superficial .

Efeitos ambientais - - fadiga térmica ;

- fadiga por corrosão .

4 - FLUÊNCIA

Pode ser definida como uma deformação contínua com a passagem do tempo, em

materiais sujeitos a uma tensão constante. Esta deformação ‘r plástica e ocorre mesmo que a

tensão atuante esteja abaixo do limite de escoamento do material.


A fluência é vista como um fenômeno de altas temperaturas, pois a taxa de fluência

aumenta com a temperatura para T > 0,4 P.F. .

Quando um material metálico é tensionado de forma adequada, origina-se de imediato uma

deformação elástica, que é seguida por uma deformação plástica, que ocorre em 3 estágios :

fluência primária ou transiente – iniciando-se com uma velocidade rápida que diminui

com o tempo, à medida que o encruamento prossegue ;

fluência secundária ou permanente – a velocidade de deformação é completamente

uniforme e passa por seu menor valor ;

fluência terciária – a velocidade de deformação aumenta rapidamente até que ocorra a

fratura. Este estágio coincide com o empescoçamento da peça.

A taxa de fluência está relacionada com a tensão ou temperatura que o material está

submetido. A baixas tensões e/ou temperaturas, pode ocorrer alguma fluência primária, mas

essa cai a um valor desprezível no estágio secundário e presume-se que é devido ao

encruamento do material. Com um aumento das tensões e/ou temperaturas a taxa de fluência

secundária também aumenta, levando à fluência terciária e, inevitavelmente, à fratura.

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