ci-ncia dos materiais

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  • UNIVERSIDADE DE CAXIAS DO SUL

    Curso de Engenharia de Produo Curso de Engenharia Mecnica Curso de Engenharia Qumica

    CCIINNCCIIAA DDOOSS MMAATTEERRIIAAIISS

    Microestrutura

    PPrrooff.. AAlleexxaannddrree VViieecceellllii

    Produto Produo Qualidade Processos

    Manuteno

    Propriedades Desempenho

    Custo

    Processamento

    Composio

    ,, DDrr.. EEnngg.. CC..

    Caxias do Sul 2006

  • Sumrio 1. Introduo Cincia dos Materiais ___________________________________________________________ 3

    1.1. Um breve histrico do desenvolvimento de materiais __________________________________________________________________ 3 1.2. Apresentao dos tipos de materiais para peas tcnicas _______________________________________________________________ 3 1.3. Panorama geral do uso de materiais - referncia: indstria automotiva ____________________________________________________ 5

    2. Propriedades______________________________________________________________________________ 6 2.1. Densidade: ___________________________________________________________________________________________________ 6 2.2. Propriedades Mecnicas: ________________________________________________________________________________________ 6 2.3. Propriedades Trmicas: ________________________________________________________________________________________ 11 2.4. Propriedades Eltricas e Magnticas: _____________________________________________________________________________ 11 2.5. Propriedades pticas: _________________________________________________________________________________________ 12 2.6. Propriedades Qumicas: ________________________________________________________________________________________ 12

    3. Ligas Metlicas __________________________________________________________________________ 15 3.1. Metais Monofsicos___________________________________________________________________________________________ 15 3.2. Propriedades das Ligas Monofsicas ______________________________________________________________________________ 17 3.3. Classificao das Ligas Metlicas ________________________________________________________________________________ 19 3.4. Critrios de Seleo de Ligas Metlicas ___________________________________________________________________________ 21

    4. Cristalinidade e Microestrutura _____________________________________________________________ 24 4.1. Reticulados Principais _________________________________________________________________________________________ 25 4.2. Ligao Metlica _____________________________________________________________________________________________ 27 4.3. Defeitos Cristalinos ___________________________________________________________________________________________ 27 4.4. Estrutura Granular dos Materiais: ________________________________________________________________________________ 28

    5. Deformao dos Materiais__________________________________________________________________ 31 5.1. Deformao Elstica __________________________________________________________________________________________ 31 5.2. Direes e Planos dos Cristais ___________________________________________________________________________________ 31 5.3. Deformao Plstica __________________________________________________________________________________________ 32 5.4. Discordncias________________________________________________________________________________________________ 34

    6. Efeito da Temperatura nos Metais ___________________________________________________________ 38 6.1. Deformao a Quente _________________________________________________________________________________________ 40 6.2. Introduo aos Tratamentos Trmicos Industriais ____________________________________________________________________ 40

    7. Metais Bifsicos e Diagramas de Equilbrio____________________________________________________ 42 7.1. Diagramas de Equilbrio Diversos ________________________________________________________________________________ 42 7.2. Diagrama de Equilbrio Fe-C____________________________________________________________________________________ 44 7.3. Ligas Ferrosas _______________________________________________________________________________________________ 47

    8. Efeito da Velocidade de Resfriamento nos Metais_______________________________________________ 50 8.1. Fases Metaestveis____________________________________________________________________________________________ 50 8.2. Os Tratamentos Trmicos nos Aos ______________________________________________________________________________ 50 8.3. Endurecimento por Precipitao _________________________________________________________________________________ 52

    9. Difuso _________________________________________________________________________________ 54 9.1. Tratamentos Termoqumicos ____________________________________________________________________________________ 54 9.2. Sinterizao _________________________________________________________________________________________________ 56

    10. Introduo aos Materiais Cermicos ________________________________________________________ 59 10.1 Processamento ______________________________________________________________________________________________ 61

    11. Materiais Polimricos ____________________________________________________________________ 63 11.1. Histrico __________________________________________________________________________________________________ 63 11.2. Definies bsicas ___________________________________________________________________________________________ 63 11.3. Tipos de Polmeros e Caractersticas Gerais _______________________________________________________________________ 68 11.4. Processamento de Material Termoplstico ________________________________________________________________________ 74

    Bibliografia _______________________________________________________________________________ 77 A presente apostila material exclusivo de uso acadmico, no podendo ser comercializada. O autor no se responsabiliza pelo uso inadequado da mesma.

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  • 1. Introduo Cincia dos Materiais 1.1. Um breve histrico do desenvolvimento de materiais Como sabemos, as necessidades concretas bsicas do ser humano so:

    Alimentos Energia Materiais

    A importncia histrica dos materiais pode ser avaliada pelas diferentes eras das civilizaes trogloditas e antigas:

    idade da pedra lascada: 10.000 aC idade da pedra polida: 4500 aC idade do cobre idade do bronze: 3000 a 1000 aC idade do ferro: 1000 aC a 1620 dC

    A partir de 1620, tecnologias diversas passaram a ser integradas na indstria: tecnologia do ferro fundido: 1620 em diante tecnologia dos aos: 1850 em diante tecnologia das ligas leves: 1940 em diante

    Os materiais podem ser classificados, atualmente, em quatro nveis, conforme o grau de conhecimento cientfico utilizado no seu desenvolvimento (Hornbogen, citado por Padilha(1)): 1. Materiais naturais: pedra, madeira, couro, borracha (ltex), couro, cobre, etc. 2. Materiais desenvolvidos por meio de sistemtica experimentao emprica: bronze, ao, lato, ferro fundido, vidro, concreto, etc. 3. Materiais desenvolvidos com auxlio de conhecimentos cientficos: Alumnio e suas ligas, titnio e suas ligas, magnsio e suas ligas, aos inoxidveis, termoplsticos, elastmeros, metal-duro. 4. Materiais projetados desenvolvidos quase que exclusivamente a partir de fundamentos cientficos: superligas, ligas de efeito memria, aos de alta resistncia, vidros metlicos, cermicas tcnicas (SiAlON, Al2O3, ZrO2, etc.), semicondutores, materiais para reatores nucleares, etc. 1.2. Apresentao dos tipos de materiais para peas tcnicas Durante as ltimas geraes, ns presenciamos e nos beneficiamos com o desenvolvimento de numerosos novos sistemas tecnolgicos. Uma grande frao da energia eltrica gerada vem de plantas geradoras de fora nuclear. Avies a jato de alta velocidade carregam centenas de passageiros e carregaro muito mais em alguns anos em velocidades extraordinrias. Naves espaciais tripuladas j visitaram a lua e se preparam para levar a vida humana a outros planetas. Perto de todos ns, computadores de alta velocidade afetam a vida de todos ns, com velocidades de processamento cada vez maiores. Avanos na indstria eletrnica tem permitido o desenvolvimento de satlites de comunicao, televiso de alta resoluo, laser em operaes mdicas sofisticadas e usuais. Cada uma destas tecnologias avanaram pelo desenvolvimento de novos materiais. Estes desenvolvimentos enfatizam a importncia dos materiais como blocos de construo primria para desenvolvimentos de engenharia. Por outro lado, as propriedades dos materiais ditaram cada projeto e aplicao til que o engenheiro pode desenvolver. Mas com a presente sofisticao da cincia dos materiais, no raro requerer novos materiais, com novas propriedades para serem incorporados em projetos.

    3

  • Materiais so substncias feitas ou compostas de alguma coisa (matria). Alguns dos materiais encontrados comumente na vida diria so madeira, concreto, tijolo, ao, plstico, vidro, borracha, alumnio, cobre e papel. H muitos tipos de materiais, bastando olhar ao nosso redor. A utilidade dos materiais para as necessidades atuais e futuras incentiva a pesquisa e o desenvolvimento de novos materiais. A Cincia dos Materiais primariamente concebida com o intuito de desenvolver conhecimentos sobre a estrutura interna, propriedades e processamento de materiais. A Engenharia dos Materiais tem o objetivo principal de aplicar os conhecimentos sobre os materiais para que os mesmos possam ser convertidos em produtos desejveis para a sociedade. Para mostrar como a Cincia dos Materiais interage com outros campos de estudo, conveniente elaborar uma rgua relativa ao campo observado, como abaixo:

    Filosofia Fsica Nuclear

    Cincia dos materiais

    Engenharia Estrutural

    10-16 10-12 10-8 10-4 104 cm 1

    A relao entre a Cincia dos Materiais e a Engenharia dos Materiais envolve vrios nveis de sofisticao cientfica e tcnica. necessrio discutir esta relao em dois domnios importantes para a engenharia industrial: 1) Uso inteligente de materiais: Significa saber as limitaes dos materiais, baseado no conhecimento dos fenmenos que podem ocorrer sob certas condies. Ex. a) Alterao das propriedades mecnicas de materiais dependentes da temperatura. b) Alterao das propriedades dos polmeros, quando expostos a radiaes nucleares. 2) Relaes entre Projeto e Desenvolvimento de Materiais: Em muitos sistemas de engenharia, a performance global do sistema diretamente limitada pelas capacidades dos materiais dos componentes. Nestes casos, o objetivo da engenharia balanar a vida til exigida do equipamento, com a capacidade dos componentes suportarem toda a ao sobre eles. O projeto e a aplicao de materiais no podem ser otimizados separadamente, quando se est trabalhando perto do limite de capacidade do material. Ex.: Utilizao de chapas de Fe-Si 3% para a fabricao de transformadores, levando em conta o aspecto de anisotropia da propriedade magntica (permeabilidade). 1.2.1. Tipos de Materiais: 1. Materiais Metlicos: So substncias inorgnicas, as quais so compostas de um ou mais elementos metlicos e podem tambm conter elementos no-metlicos. Exemplos de elementos metlicos so: ferro, cobre, alumnio, nquel e titnio. Elementos no-metlicos como o carbono, nitrognio e oxignio podem estar contidos nos materiais metlicos. Metais tem uma estrutura cristalina, na qual os tomos so arranjados de uma maneira ordenada. Metais so bons condutores eltricos e trmicos. Muitos metais so relativamente resistentes e dcteis na temperatura ambiente, e muitos mantm boa resistncia mesmo em altas temperaturas. Metais e suas ligas so divididos em duas classes comumente: metais ferrosos e metais no-ferrosos. 2. Materiais Polimricos: A maioria dos materiais polimricos consiste de longas cadeias moleculares orgnicas ou redes. Estruturalmente, a maioria dos materiais polimricos so no-cristalinos, mas alguns consistem de uma mistura de regies cristalinas e no-cristalinas. Devido 4

  • a sua natureza de sua estrutura interna, a maioria dos materiais polimricos so pobres condutores de eletricidade. Em geral, os materiais polimricos tm baixa densidade e amolecimento em baixas temperaturas. 3. Materiais Cermicos: So materiais inorgnicos, os quais consistem de elementos metlicos e no-metlicos quimicamente ligados. Podem ser cristalinos, no-cristalinos, ou mistura de ambos. A maioria dos cermicos tem alta dureza e resistncia a alta temperatura, mas tendem a ter fratura frgil. Muitas partes de modernos motores de combusto interna so fabricadas em materiais cermicos. As vantagens dos materiais cermicos so: baixo peso, alta resistncia e dureza, resistncia ao calor e ao desgaste, atrito reduzido e propriedades de isolao. 4. Materiais Compsitos: So misturas de dois ou mais materiais. Muitos materiais compsitos consistem de um material de reforo e uma resina ligante compatvel para obter caractersticas especficas e propriedades desejadas. Os compsitos predominantes so do tipo fibroso (fibras imersas em uma matriz) ou do tipo particulado (partculas imersas em uma matriz). Ex. Fibra de vidro em matriz polister ou epxi. 1.3. Panorama geral do uso de materiais - referncia: indstria automotiva A dissecao de um automvel novo revela um conjunto de componentes envoltos por trs grandes tipos de materiais: plstico, alumnio e ao. Enquanto os plsticos dominam o interior do veculo e o ao permanece como a escolha para os painis exteriores, o alumnio continua a espalhar seus tentculos sob o cap. De fato, o veculo multi-material no est limitado apenas nestes trs tipos de materiais; est entrando em cena, para aplicaes de interior e sob o cap, o magnsio. A quantidade mdia dos trs grandes tipos de materiais utilizados em um veculo modelo 1996 foi: 112 kg de alumnio (segundo a Aluminium Association); 120 kg de plsticos (segundo a American Plastics Council); 807 kg de ao (segundo a American Iron and Steel Institute) Dentro do guarda-chuva dos plsticos, os compsitos moldados em chapa ou SMC (Sheet Molding Composite) o preferido para painis exteriores. Embora 90% das novas aplicaes sejam em painis exteriores, componentes estruturais como tampas, grades, suportes de painis e barras transversais esto sendo feitos por SMC. O primeiro carro eltrico da General Motors, o EV1, usa SMC na maioria dos painis do veculo: cap, portas, teto, tampas, canais de drenagem. Os painis so de SMC de baixa densidade, o qual incorpora microesferas de vidro, tendo uma densidade especfica de 1,3. O SMC convencional tem densidade especfica de 1,9 e o ao tem 7,85.

    O alumnio cresceu em 80% nas aplicaes veiculares nos ltimos 5-10 anos e 58% do total consumido pela indstria automotiva alumnio reciclado. Os motores se constituem na aplicao mais usual para o alumnio, seguida pela transmisso. A expectativa, segundo a ALCOA, que no ano 2015, cada veculo utilize de 250 a 340kg de alumnio. H mais de 10 anos, o ao tem mantido seus 55% de peso do veculo (carros de passeio, veculos esportivos, caminhes leves e minivans) devido ao seu baixo custo (US$ 0,77 por kg nos USA). Para garantir o ao como a primeira escolha para o exterior do veculo, a indstria do ao est fazendo considerveis estudos como o ULSAB (UltraLight Steel Auto Body), de modo a obter reduo de peso da estrutura, baixo custo e melhor rigidez torcional, mantendo a facilidade de processamento.

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  • 2. Propriedades 2.1. Densidade:

    A definio clssica "peso por unidade de volume". O valor inverso chamado "volume especfico". A tabela 2.1 mostra a densidade, de alguns metais mais conhecidos. Nas ligas metlicas, a densidade muda devido incorporao de outros tomos com massa diferente, bem como s alteraes na microestrutura. Tabela 2.1 - Densidade e temperatura de fuso de alguns elementos.

    Elemento Smbolo Densidade (g/cm3) Ponto de fuso (C) Alumnio Al 2,699 660

    Berlio Be 1,848 1277 Carbono (grafita) C 2,25 3727

    Cromo Cr 7,19 1875 Cobre Cu 8,96 1083

    Chumbo Pb 11,36 327 Estanho Sn 7,30 232

    Ferro Fe 7,87 1539 Mangans Mn 7,43 1245 Magnsio Mg 1,74 650

    Molibdnio Mo 10,22 2610 Nibio Nb 8,57 2468 Nquel Ni 8,90 1453 Ouro Au 19,32 1063

    Titnio Ti 4,51 1668 Tungstnio W 19,3 3410

    Vandio V 6,10 1900 Zinco Zn 7,13 419

    2.2. Propriedades Mecnicas: A resistncia mecnica de um material caracterizada pelo parmetro chamado tenso, que a resistncia interna de um corpo a uma fora externa aplicada sobre ele, por unidade de rea. Considerando uma barra de rea transversal A0 submetida a um esforo de trao F, a tenso () medida por: = F / A0

    L

    L L0

    F

    A0 Figura 2.1- Barra submetida a esforo de trao Com a aplicao da tenso , a barra sofre uma deformao . A carga F produz um aumento da distncia L0, de um valor L. A deformao dada, ento por: 6

  • = L / L0 onde: L = L L0 Deve-se observar que a tenso tem a dimenso de fora por unidade de rea e a deformao uma grandeza adimensional.

    A tenso pode ser relacionada com a deformao atravs da equao correspondente a lei de Hooke:

    = E .

    onde E uma constante do material denominada mdulo de elasticidade. A tabela 2.2 mostra mdulos de elasticidade para vrios metais e ligas.

    Esta relao vlida para os materiais metlicos, dentro de uma regio de um grfico x , denominada regio elstica.

    X B

    OA Parte elstica AB Parte plstica X - ruptura

    A

    Deformao ()

    Tenso ()

    O

    Figura 2.2 - Grfico tenso x deformao da barra metlica da figura 1 A regio elstica a parte linear do diagrama mostrado na figura 2.2 (trecho OA). Se, em qualquer ponto deste trecho, a carga for aliviada, o descarregamento volta sobre a reta AO, sem apresentar qualquer deformao residual ou permanente. Terminada a zona elstica, atinge-se a zona plstica, onde a tenso e a deformao no so mais relacionados por uma simples constante de proporcionalidade, ocorrendo deformao permanente. 2.2.1. Resistncia trao: A resistncia trao uma das propriedades mais importantes dos materiais, pois por intermdio de sua determinao, podem ser obtidas caractersticas significativas do material, tanto a nvel de projeto, quanto de controle de qualidade. A resistncia trao, como tambm as outras propriedades mecnicas depende do tipo de material, do teor de elementos de liga, das condies de fabricao e tratamento, da estrutura, da temperatura, etc. Os valores obtidos nos ensaios de trao permitem ao projetista: 1. conhecer as condies de resistncia do material sem que sofra deformao permanente; 2. superada a fase elstica, conhecer at que carga o material pode suportar, em condies

    excepcionais. Alm disto, o exame da fratura do corpo de prova, depois de realizado o ensaio, permite verificar o comportamento dctil ou frgil do material e a presena de eventuais falhas originadas durante a sua fabricao (ex. porosidades de fundio). De um ensaio de trao convencional, so obtidos os seguintes dados do material: 1. Limite de resistncia trao: valor da mxima tenso suportada pelo material (MPa); 7

  • 2. Limite de escoamento: tenso que caracteriza o incio da fase plstica (MPa); 3. Alongamento aps a ruptura: valor do alongamento permanente, medido no corpo de prova,

    aps o rompimento; 4. Coeficiente de estrico: reduo percentual da rea, medido no corpo de prova aps o

    rompimento.

    X

    O

    e

    Deformao ()

    Tenso () t Figura 2.3 Grfico tenso x deformao para um material dctil Tabela 2.2 - Mdulo de Elasticidade na temperatura ambiente.

    Metal E (MPa) Liga Metlica E (MPa) Ferro 210.000 Ao carbono 210.000 Cobre 112.00 Lato 119.000

    Alumnio 70.000 Ligas de Alumnio 74.200 Magnsio 43.750 Ligas de Magnsio 45.500 Chumbo 17.500 Ligas de Titnio 115.500

    2.2.2. Resistncia toro e cisalhamento: As propriedades relacionadas com esforos de cisalhamento e toro so importantes em aplicaes do tipo: parafusos, rebites e vigas, que esto sujeitos ao "cisalhamento direto"; eixos que esto sujeitos ao chamado "cisalhamento torcional" ou simplesmente "toro". A figura 2.4 ilustra estes dois tipos de cisalhamento. Figura 2.4 - cargas passveis de produzir cisalhamento.

    Cisalhamento por torque Mt = F x a = Mt . r / J r = raio qualquer J= momento de inrcia de toro

    F a

    F

    Cisalhamento duplo em um rebite = F/(2A)

    Obs.: = tenso normal = tenso tangencial (cisalhante) 2.2.3. Dureza: 8

  • A dureza representa a resistncia de um material penetrao de um corpo, pela aplicao de uma carga. Os tipos de ensaios comumente usados para medio de dureza so: 1. Ensaio de dureza Brinell: Utiliza uma esfera de ao de dimetro D, forada por uma carga P sobre o material, resultando em uma impresso no formato de uma calota, de dimetro d. A dureza Brinell (HB) corresponde ao quociente da carga aplicada pela rea da impresso e expressa por:

    2 2

    2 PHB=.D(D- D -d ) (kgf/mm

    2)

    A impresso ser tanto maior quanto mais mole for o material.

    Superfcie da pea

    P

    d

    D

    Figura 2.5 - Mtodo Brinell de medio de dureza 2. Ensaio de dureza Rockwell: o processo mais utilizado, devido a sua rapidez e facilidade de execuo. O valor da dureza um nmero proporcional profundidade de penetrao, sendo que no processo industrial, h duas faixas principais de dureza Rockwell: Escala Rockwell B: para materiais de dureza mdia, na qual se usa como penetrador uma

    esfera de ao de 1/16" de dimetro e uma carga de 100 kgf; Escala Rockwell C: para materiais mais duros, como o ao temperado, na qual se emprega

    como penetrador uma ponta de diamante em forma de cone com ngulo de 120 e uma carga de 150 kgf.

    (a) (b) Figura 2.6 (a) Esquema de aplicao do penetrador para mtodo de medio de dureza HRc. (b) Penetrador e pea no processo de medio HV. 3. Ensaio de dureza Vickers: o processo empregado amplamente em trabalhos de pesquisa porque fornece uma escala contnua de dureza para uma determinada carga, podendo determinar a dureza desde materiais muito moles at extremamente duros.

    9

  • O penetrador consiste de uma ponta de diamante como forma de uma pirmide quadrada e ngulo de 136. As cargas variam de 5 a 120 kgf. A dureza Vickers (HV) expressa pela seguinte frmula:

    HV = 1,8544 PL2

    (kgf/mm2)

    onde P a carga sobre o penetrador e L a mdia do comprimento das diagonais da impresso. 2.2.4. Tenacidade: A tenacidade est relacionada com a resistncia ao choque ou impacto, isto a aplicao de uma carga brusca e repentina. O comportamento dos materiais sob a ao destas cargas dinmicas difere, em geral do comportamento quando sujeitos a cargas estticas. A tenacidade corresponde quantidade de energia necessria para provocar a ruptura e que depende fundamentalmente da resistncia e ductilidade do material. O princpio bsico do ensaio medir a quantidade de energia absorvida por uma amostra, quando submetida ao de um esforo de choque de valor conhecido. O mtodo mais comum para metais o do golpe mediante um peso em oscilao, na forma de um martelo pendular, chamado ensaio Charpy.

    Corpo de prova

    Epi = m.g.hi Epf = m.g.hf Eabsorvida = m.g.(hi hf)

    hf

    hi

    Figura 2.7 Desenho esquemtico de um martelo para ensaio Charpy. 2.2.5 Fadiga e falhas por fadiga Em peas e conjuntos de mquinas que esto sujeitos a variaes das cargas aplicadas, ocorre comumente o aparecimento de flutuaes nas tenses originadas. Tais tenses podem adquirir um tal valor que ainda que inferior resistncia esttica do material pode levar sua ruptura, desde que a aplicao seja repetida inmeras vezes. A falha provocada desse modo denominada "falha por fadiga". Essas falhas se iniciam em determinados pontos que poderiam ser chamados origens de tenses", como falhas superficiais ou mudanas bruscas de configurao geomtrica. A "fadiga" , ento, um fenmeno que ocorre quando um membro sob tenso em uma mquina ou estrutura comea a falhar sob a ao de uma tenso muito menor que a equivalente sua resistncia esttica, cuja tenso sendo de natureza cclica. A olho nu, a superfcie da fratura, que geralmente normal direo da principal tenso de trao, apresenta uma regio lisa, devido propagao da trinca e uma regio spera, correspondente parte da pea que falhou de modo inesperado, quando a sua seco no apresentou mais suficiente resistncia para suportar a carga.

    10

  • Figura 2.8 - Aspecto de uma fratura por fadiga, iniciada num canto vivo de um rasgo de chaveta de um eixo.

    origem

    Zona de ruptura final

    2.3. Propriedades Trmicas:

    A elevao da temperatura dos metais aumenta a amplitude de vibrao dos tomos. Como conseqncia, ocorre uma expanso trmica do reticulado cristalino, isto , ocorrem alteraes dimensionais, expressas pelo "coeficiente linear de dilatao trmica", , medido em 1/C.

    L= L0..t L = L0 + L = L0 + L0..t = L0.(1 + .t)

    Esta expanso, com o aumento da temperatura, muito importante para muitas operaes metal-mecnicas, como fundio, forjamento, soldagem, tratamento trmico, etc. A elevao da temperatura leva fuso do metal, cuja "temperatura de fuso" representa um ponto de transio importante em relao organizao dos tomos em sistemas cristalinos. O poder calorfico, expresso em cal/(g C) a quantidade de calor necessria para elevar 1C a massa unitria de um material homogneo. O calor especfico (Cp) definido como a relao entre a capacidade de armazenar calor do material e da gua, ou seja a quantidade de calor necessria para elevar a massa unitria de um material de 1C de temperatura para a quantidade de calor necessria para elevar de 1C a mesma massa de gua. O calor especfico determina a quantidade de calor necessria nos processos metalrgicos, tais como fundio e tratamento trmico. A condutibilidade trmica (k), expressa em (W.mm)/(mm2 C) a capacidade condutora de calor de uma substncia e que depende no s da prpria substncia, como tambm do estado em que ela se encontra. 2.4. Propriedades Eltricas e Magnticas: A Condutibilidade eltrica a capacidade do metal de transmitir ou conduzir corrente eltrica. Sob este ponto de vista, os materiais podem ser classificados como condutores, isolantes ou semicondutores. A condutibilidade eltrica devida mobilidade dos eltrons e medida em 1/(ohm.m).

    O inverso da condutibilidade eltrica a resistividade eltrica e se relaciona com a resistncia eltrica por meio da seguinte frmula:

    R = . L / A onde: R = resistncia em ohm = resistividade eltrica em ohm.cm L = comprimento da amostra do material em cm A = rea da seco transversal da amostra em cm2

    c = 1/ = condutividade eltrica 11

  • Tabela 2.3 - condutibilidade e resistividade eltrica de alguns metais

    Metal Condutibilidade eltrica relativa %IACS

    Resistividade eltrica (micro-ohm.cm)

    Prata 108 1,468 Cobre 100 1,6

    Alumnio 61 2,6 Ferro 18 8,8

    O cobre o metal mais usado para aplicaes onde se exige boa condutibilidade eltrica, cujo item de controle conhecido por %IACS, que significa: International Annealed Copper Standard, ou seja, Padro Internacional de Cobre Recozido. O cobre isento de oxignio tem condutibilidade mnima de 101%IACS.

    A permeabilidade magntica definida como a habilidade de um metal ser magnetizado ou habilidade de conduzir linhas magnticas de fora em comparao ao ar e ao vcuo. Os materiais ferromagnticos (Fe, Co) possuem alta permeabilidade magntica. 2.5. Propriedades pticas:

    Quando se dirige um feixe de luz sobre a superfcie de uma substncia slida, nota-se que uma certa frao da intensidade de luz incidente refletida. Nos metais a frao refletida alta, enquanto que em vidros a frao refletida baixa. A opacidade e a elevada refletibilidade dos metais so atribudas ao da radiao incidente, a qual estimula os eltrons a ocupar zonas vazias de maior energia, sendo a seguir absorvidos e, ento reemitem luz da superfcie do metal. As cores que os metais apresentam ao da luz branca dependem da freqncia ou do comprimento de onda da luz incidente e da refletibilidade. Por exemplo, a prata apresenta cor branca devido alta refletibilidade ao longo de toda regio visvel; j o cobre e o ouro absorvem comprimentos de onda mais curtos, com uma refletibilidade mais baixa e apresentam colorao avermelhada e amarelada respectivamente. 2.6. Propriedades Qumicas: Relacionam-se com a resistncia que os metais oferecem ao ataque pelo meio ambiente (corroso) ou pelo efeito da temperatura (oxidao). A resistncia corroso e oxidao so, portanto, caractersticas de grande importncia, em vista da influncia que o meio circunvizinho (gasoso, lquido ou slido) e a temperatura exercem sobre o metal, provocando diversos tipos de ataques corrosivos e oxidantes. Normalmente, a corroso medida em massa que se perde anualmente. Os custos de corroso e dos processo de proteo corroso, isto , os custos decorrentes da perda de mquinas, equipamentos e estruturas pelos processos corrosivos e os custos de aplicao de processos de proteo contra corroso so significativos na economia mundial. A corroso pode ser definida como um processo de destruio do material pela ao do meio ambiente. A seleo de materiais metlicos atendem inicialmente a requisitos de resistncia mecnica e de fabricao; contudo, as consideraes de sua resistncia corroso e dos processos de proteo devem ser realizadas na fase de projeto do produto. Exerccios sobre Propriedades dos Materiais 2.1. Faa o clculo das reas das seguintes figuras geomtricas:

    h 12e b a d

    a a b a

  • 2.2. Qual a pea que est submetida maior tenso? (a) Uma barra de ao circular de ao com dimetro de 12,8 mm, sob a ao de uma carga de

    50.000 N. (b) Uma barra de alumnio de 24,6 mm x 30,7 mm de seo transversal, sob a ao de uma carga

    de 75.000 N. (c) Uma barra hexagonal de bronze, com e = 10 mm, sob a ao de uma carga de 20.000 N. 2.3. A tabela a seguir apresenta propriedades mecnicas de diversos materiais:

    Liga

    Dimetro do corpo de

    prova (mm)

    Mdulo de Elasticidade (E)

    (N/mm2)

    Limite de Escoamento

    (N/mm2)

    Limite de Resistncia

    Trao (N/mm2) Ti-6Al-4V (liga de Titnio) 12,5 110.000 320 652 Liga de Alumnio 3003-H14 15 70.000 145 150 Ao Carbono SAE 1040 10 207.000 600 750 Monel 400 (liga de Nquel) 11 179.000 283 579

    Considerando as definies: - Mdulo de Elasticidade a constante que caracteriza a inclinao na curva Tenso x

    Deformao, na zona elstica. - Limite de Escoamento a tenso necessria para iniciar a zona plstica, ocorrendo o mnimo

    de deformao plstica (0,2%) - Limite de resistncia trao a mxima tenso que pode ser suportada por um corpo de

    prova. (a) Qual o material que pode ser submetido a maior fora, de modo que ocorra um mnimo de

    deformao plstica (0,2%)? Qual o valor desta fora? (b) Admitindo-se que uma barra do material especificado em (a), com 6 metros de comprimento,

    com a mesma rea, esteja sendo solicitado por uma carga de 30000 N, qual o aumento total no comprimento do mesmo, em milmetros?

    (c) Qual o material cujo corpo de prova pode ser submetido a maior fora? Qual o valor desta fora?

    2.4. necessrio escolher uma chapa para separar a gua circulando a 90C e o ar (fluxo rpido) a 20C. Tem-se as seguintes opes: (a) Chapa de ao comum com k = 0,050 (W.mm)/(C.mm2) e 2,0 mm de espessura; (b) Chapa de ao inoxidvel com k = 0,015 (W.mm)/(C.mm2) e 1,0 mm de espessura (c) Chapa de alumnio com k = 0,22 (W.mm)/(C.mm2) e 8 mm de espessura Qual das situaes a de menor transferncia de calor?

    Obs.: Fluxo trmico: Q = k.T / x No caso (a): Q = 0,050. (90-20)/2,0 = 1,75 W/mm2 O que apresentar o menor fluxo trmico o caso de menor transferncia de calor entre a gua e o ar.

    2.5. necessrio escolher um fio para conduzir energia eltrica, com menor perda por aquecimento eltrico. Tem-se as seguintes opes: (a) Fio de cobre com = 17 x 10-6 ohm.mm e dimetro de 2,0 mm 13

  • (b) Fio de lato com = 62 x 10-6 ohm.mm e dimetro de 3,0 mm (c) Fio de alumnio com = 29 x 10-6 ohm.mm e dimetro de 2,5 mm

    Obs.: para este clculo, utilize um comprimento L padro de 1 m = 1000 mm 2.6. Qual a massa de uma barra hexagonal de 1 metro de comprimento e e = 15mm? Exerccios complementares 2.7 Uma barra cilndrica feita de cobre (E = 110.000MPa) com limite de escoamento de 240MPa deve ser submetida a uma carga de 6600 N. Se o comprimento da barra de 380 mm, qual deve ser o seu dimetro para permitir um alongamento de 0,5mm? 2.8 . Um fio de alumnio com 4 mm de dimetro deve oferecer uma resistncia que no seja superior a 2,5 . Usando os dados da tabela 2.3, calcule o comprimento mximo do fio. 2.9 Um fio de alumnio com 10m de comprimento resfriado desde 38 C at -1. Qual ser a variao de comprimento que este fio experimentar? ( = 23 x 10-6 / C) 2.10 Calcule a taxa de calor por milmetro quadrado atravs de uma parede de tijolos refratrios de um forno que opera a 1000C. A face externa da parede do forno est a 100C e a parede tem 10cm de espessura. k = 1,3(W.mm)/(C.mm2)

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  • 3. Ligas Metlicas 3.1. Metais Monofsicos

    Pense em uma soluo lquida!!!! Mas o que uma soluo?

    Uma soluo lquida uma substncia formada pela mistura de duas substncias (solvente + soluto), onde: - Solvente: em maior quantidade. Ex. gua - Soluto: em menor quantidade. Ex. sal

    gua 2 fases

    Azeite gua + sal

    1 fase

    A mistura dos dois formam gua salgada (soluo), o qual homognea (apenas 1 fase) ou monofsica. Aumentando-se a quantidade de soluto em uma determinada temperatura ocorrer a precipitao de uma nova fase (no caso o excesso de sal), tornando-se uma soluo bifsica (heterognea). Ao ponto (quantidade de soluto) em que ocorrer a precipitao chamamos de limite de solubilidade.

    Sal precipitado

    gua + sal 1 fase

    No caso da cincia dos materiais, vamos tratar apenas das solues slidas ou ligas. Por exemplo:

    Lato = cobre + zinco (monofsica at aproximadamente 40% Zn) Bronze = cobre + estanho (monofsica at aproximadamente 10%Sn) Ao = ferro + carbono (polifsica na temperatura ambiente) Monel = cobre + nquel (monofsica)

    Qual a diferena para o usurio entre o metal puro e a liga? Suas propriedades, principalmente. Como o soluto interage com o solvente? 1) No metal puro, os tomos esto organizados formando o chamado arranjo cristalino,

    conforme o modelo de esferas abaixo, de uma forma simplificada:

    Interstcio tomo

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  • 2) Na liga, pode-se ter duas situaes: - o tomo do soluto pode substituir um tomo do solvente, formando uma soluo

    substitucional. Por exemplo: lato, bronze, Cu-Ni, etc. - um tomo pequeno pode se localizar no interstcio (espao vazio entre os tomos), formando

    uma soluo intersticial. Por exemplo: Fe-C na forma (temperatura acima de 723C para liga com 0,8%C)

    A figura abaixo ilustra trs situaes puntuais no arranjo cristalina de materiais metlicos. O primeiro deles (a) um caso de vacncia (vazio), ou seja a falta de um tomo no arranjo. Nos demais casos tem-se a presena de tomos estranhos no arranjo cristalina, formando solues slidas (ligas). (b) uma soluo slida substitucional e (c) uma soluo slida intersticial.

    Observe a deformao do arranjo, prximo s situaes puntuais indicadas.

    Questionrio: 3.1. D exemplos de aplicaes de materiais puros. 3.2. Conforme j vimos, elementos estranhos so adicionados intencionalmente a um especificado material, a fim de melhorar as suas propriedades. Citamos o lato (Cu+Zn) e o bronze (Cu+Sn), que formam solues slidas. O arranjo cristalino deste tipo de soluo slida alterado comparativamente ao metal puro (solvente)? 3.3. Cobre e nquel podem ser misturados em qualquer proporo e formam uma estrutura monofsica. Entretanto, no bronze, o estanho pode ser misturado ao cobre at uma determinada proporo. Neste caso, o estanho em excesso, alm da quantidade correspondente solubilidade slida forma uma outra fase. Como se chama este limite? 3.4. Explique como a relao entre raios atmicos influencia na solubilidade slida mxima em uma liga.

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  • 3.2. Propriedades das Ligas Monofsicas Como na vida profissional, normalmente utilizamos ligas (monofsicas ou polifsicas) e precisamos conhecer suas propriedades e aspectos de seleo. A figura 3.1. mostra a mudana de propriedades com o aumento do percentual do elemento de liga.

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  • Figura 3.1. - Propriedades fsicas das ligas cobre-nquel recozidas. (Van Vlack, Ed. Campus) 3.5. Vamos interpretar os grficos da figura 3.1:

    1. O que acontece com as propriedades mecnicas, a medida que aumenta o teor do elemento de liga? observe a diferena da tendncia entre a resistncia mecnica e o alongamento!

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  • 2. O que acontece com a condutividade eltrica do metal, a medida que aumenta o teor de

    elemento de liga? 3.3. Classificao das Ligas Metlicas Os metais puros possuem inmeras propriedades que os tornam importantes sob o aspecto de aplicao industrial. Os processos metalrgicos geralmente produzem os metais com uma quantidade de substncias estranhas que varia, em geral, de menos de 0,01% at cerca de 2% em peso. Essas substncias estranhas ou impurezas, freqentemente so difceis de serem removidas durante a fabricao, afetam mais ou menos as propriedades dos metais. Se essa influncia , entretanto, mnima ou nula, diz-se que o metal comercialmente puro. Na prtica, pois, um metal puro no necessita ser 100% deste elemento, mas sua pureza pode ir de 99,00 a 99,999%. Na maioria dos casos, elementos so adicionados intencionalmente a um metal, com o fim de melhorar suas propriedades especficas. Se nesta adio, o elemento se tornar parte integral da fase slida, esta se chama "soluo slida". Os metais so geralmente empregados na forma de ligas, ou seja, substncias que consistem em misturas ntimas de dois ou mais elementos qumicos, dos quais pelo menos um metal, e possuindo propriedades metlicas. Exemplos de ligas: 1. Ligas de Alumnio: O alumnio com uma densidade relativa de 2,7 cerca de trs vezes mais leve, para o mesmo volume, do que os aos; contudo, a sua resistncia mecnica menor, exigindo para a mesma solicitao uma dimenso maior para o componente mecnico. As propriedades de densidade, resistncia mecnica, tenacidade fratura, resistncia corroso, condutibilidade eltrica e trmica e aparncia agradvel (importante para o design), associadas ao custo de aquisio e de fabricao devem ser consideradas para a seleo deste material. O alumnio e suas ligas so classificados em duas categorias: trabalhados e fundidos e cada uma delas tem um sistema de designao diferente, conforme o principal elemento de liga presente. 2. Ligas de Cobre: O cobre e suas ligas constituem um grupo de materiais metlicos das mais antigas e diversificadas utilizaes. Esses materiais renem um conjunto de caractersticas que justificam o amplo espectro de uso, como elevada condutibilidade eltrica e trmica, elevada resistncia corroso, moderada resistncia mecnica e facilidade de serem submetidos a diversos processos de fabricao. O sistema de classificao do cobre pela composio se encontra na tabela 3.2.

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  • Tabela 3.1 - Principais ligas de alumnio Classificao das

    ligas Tipo composio qumica

    LIGAS 1100 99,00%(min)Al; 0,12%Cu 2024 93,5%Al; 4,4%Cu; 0,6%Mn; 1,5%Mg TRABALHADAS 3003 98,6%Al; 0,12%Cu; 1,2%Mn; 4032 85%Al; 12,2%Si; 0,9%Cu; 1%Mg; 0,9%Ni 6061 97,9%Al; 0,6%Si; 0,28%Cu; 1%Mg; 0,2%Cr 7075 90%Al; 1,6%Cu; 2,5%Mg; 0,23%Cr; 5,6%Zn LIGAS PARA 206.0 0,1%Si; 4,6%Cu; 0,35%Mn; 0,25%Mg; 0,15%Fe(mx),

    0,22%Ti, Al (restante) FUNDIO 360.0 9,5%Si; 0,5%Mg; 2%Fe(mx), Al (restante) 413.0 12%Si; 2%Fe(mx), Al (restante) A535.0 0,18%Mn; 7%Mg; Al (restante) 712.0 0,6%Mg; 0,5%Cr; 5,8%Zn; 0,2%Ti, Al (restante) 850.0 1%Cu; 1%Ni; 6,2%Sn; Al (restante) Tabela 3.2 - cobre e ligas de cobre trabalhadas

    Sistemas Subsistemas Metais e Ligas tpicas (UNS) cobre eletroltico tenaz C11000 COBRE cobre desoxidado com fsforo C10300, C10800 Cobre isento de oxignio C10100, C10200 Liga Cu-Ag C11300, C11400 COBRE Liga Cu-Cr C18200, C18400 LIGADO Liga Cu-Te C14500 Liga Cu-Cd C14300, C14310, C16200 Liga Cu-Zr C15000 Ligas Cu-Zn (lates) C21000, C26000 Ligas Cu-Sn (bronzes) C52100, C52400 LIGAS DE Ligas Cu-Ni (cupro-nqueis) C70600, C7100, C71500 COBRE Ligas Cu-Ni-Zn (alpacas) C74500, C75200 Ligas Cu-Al (Ampco) C60600, C61000 Ligas Cu-Si C65100, C65500 Ligas Cu-Be C17000, C17200, C17500

    3. Ligas de magnsio: O magnsio um metal de baixa densidade com propriedades mecnicas relativamente elevadas - particularmente em temperaturas altas - quando ligado com elementos endurecedores. Tem boa usinabilidade, soldabilidade e resistncia corroso. As ligas do sistema magnsio-alumnio-zinco possuem boas caractersticas de fundibilidade e ductilidade, associadas elevada resistncia mecnica em temperatura ambiente ou at 120C. As ligas tpicas deste sistema so AZ91C para fundio em areias ou moldes permanentes e a AZ91A para fundio sob presso. 4. Ao: liga de Fe + C, cujo carbono varia de quase 0%, at em torno de 2%. Muitos outros elementos de liga so adicionados para obter as mais diversas caractersticas, para muitas aplicaes. A tabela 3.3. mostra a especificao de aos de baixa e mdia liga segundo a norma AISI ou SAE, enquanto que as tabelas 3.4. e 3.5. mostram alguns dos principais aos para aplicaes especficas, utilizados na regio.

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  • Tabela 3.3- nomenclatura de aos de baixa e mdia liga (mais utilizados) Nmero

    AISI ou SAE Composio Exemplos

    10xx ao carbono simples 1020, 1045, 1060 11xx ao carbono resulfurado 1112 41xx cromo (0,4 a 1,2%), molibdnio (0,08 a 0,25%) 4140 43xx nquel (1,65 a 2%), cromo (0,4 a 0,9%), molibdnio (0,2 a 0,3%) 4340 61xx cromo (0,7 a 1%), vandio (0,1%) 6150 86xx nquel (0,3 a 0,7%), cromo (0,4 a 0,85%), molibdnio (0,08 a 0,25%) 8620, 8640 92xx silcio (1,8 a 2,2%) 9215

    Tabela 3.4. - nomenclatura de aos para matrizes e ferramentas (mais utilizados).

    Nmero AISI

    Composio qumica (%) C Cr Ni Mo W V

    Marcas comerciais

    Aplicaes

    M2 0,90 4,25 ....... 5,0 6,2 1,9 VWM-2 ferramentas de torno, brocas e alargadores, fresas, machos, brochas, estampos de corte, ferramentas para extruso a frio, calibradores, mandris de trefilao, etc.

    D2 1,5 12,0 ........ 0,8 ......... 0,6 VD2 matrizes para estampar, para cunhar, para repuxamento, punes, calibres.

    D3 2,2 12,0 0,5 ...... ........ 0,6 VC130 estampos de corte, punes, facas para corte de chapas, ferramentas para laminao de roscas, para trabalhar com madeira, etc.

    O1 0,95 0,5 ........ ....... 0,5 0,2 VND machos, cossinetes, brochas, punes, facas para corte de papel, estampos e matrizes em geral, etc.

    W1 0,7/1,5 0,15mx ......... ........ ........ ...... VET-3 matrizes de cunhagem, de corte a frio, ferramentas para repuxar chapas, talhadeiras, ponteiros, etc.

    P20 0,35 1,7 ........ 0,4 ....... ........ VP20-A moldes de injeo de plstico H13 0,35 5,0 ...... 1,5 ....... 1,0 VH-13 matrizes e punes de forjamento, moldes para

    plstico, matrizes de recalcamento a quente, moldes para fundio sob presso.

    Tabela 3.5. - nomenclatura de aos resistentes corroso (inoxidveis) mais usados.

    Nmero AISI ou SAE

    Composio qumica (elementos principais)

    Tipo Aplicaes

    304 0,08%C - 18%Cr - 8%Ni austentico Equipamentos para processamento qumico e de alimentos. Artigos domsticos. Boa capacidade de soldagem e conformao.

    316 0,08%C - 18%Cr - 8%Ni - 2%Mo austentico produtos que exigem melhor resistncia corroso que o ao 304.

    430 0,12%C mx - 16/18%Cr ferrtico decorao de interiores, equipamentos de cozinhas, peas de fornos, etc.

    420 0,36/0,45%C - 12,5/14,5%Cr - 1%Ni mx. martenstico cutelaria, instrumentos cirrgicos, eixos de bombas, vlvulas, parafusos, mancais de esfera, etc.

    3.4. Critrios de Seleo de Ligas Metlicas O projeto de peas deve levar em conta diversos fatores que so inter-relacionados de forma nem sempre simples. Os requisitos de desempenho, quer na fase de sua fabricao, quer na fase de sua utilizao como componente de um sistema, so estabelecidos de maneira a compatibilizar a funo exigida da pea com as possibilidades de sua fabricao a partir de materiais metlicos, cermicos ou plsticos. Como so muitas as possibilidades de processos de

    21

  • fabricao e de tipos de materiais, fundamental atender o requisito de menor custo de fabricao para uma qualidade industrial especificada. A anlise dos fatores que influenciam o projeto do produto (concepo da pea) e do processo de fabricao (a maneira de obteno da pea) fundamental para a seleo mais conveniente dos materiais constituintes das peas. As funes requeridas de um produto determinam as especificaes necessrias para o projeto, como as de desempenho, que consistem num conjunto de caractersticas que permitem a utilizao do produto de forma eficiente; enquanto que as especificaes do projeto se compem de uma gama de indicaes tcnicas referentes forma, s dimenses, s tolerncias, ao acabamento e aos materiais constituintes do produto que permitem atender s especificaes de desempenho.

    a) Especificaes de desempenho. Deve-se avaliar: a) Requisitos de desempenho b) Coeficiente de segurana

    b) Especificaes de projeto. Deve-se avaliar: a) Dimensionamento das peas componentes e conjuntos com base nos tipos de

    solicitao mecnica (esttica e dinmica) e na resistncia dos materiais disponveis.

    b) Indicao dos materiais constituintes das peas e dos processos de fabricao. A seleo do material deve ser efetuada considerando tambm a seleo do processo de fabricao da pea. Enquanto a seleo do material para atender os requisitos de projeto do produto baseia-se nos aspectos de resistncia, durabilidade e segurana de desempenho associados ao baixo custo de aquisio, no projeto do processo fundamental a seleo do material, a fim de minimizar os custos de fabricao. A matria-prima adquirida para a fabricao dos componentes deve apresentar caractersticas compatveis com as exigncias do projeto do produto e do processo, como: 1. Composio qumica 2. Histrico: processos anteriores (ex.: tratamentos trmicos e mecnicos) 3. Forma: geometria 4. Tamanho 5. Acabamento superficial Deve-se levar em conta, tambm, na seleo de matrias-primas:

    quantidades a serem adquiridas; qualidade, considerando a aplicao; custos de aquisio; energia consumida; fatores ambientais: disposio ps-uso.

    A capacidade dos materiais selecionados em se adaptarem aos processos de fabricao um fator fundamental na seleo de material e processo. Portanto, para cada processo, define-se o comportamento do material no processamento. Assim, as principais propriedades de fabricao so: 1. fundibilidade: capacidade do material penetrar completamente no molde de fundio e

    produzir pea sem defeito e com as caractersticas mecnicas especificadas; 2. conformabilidade plstica: capacidade dos materiais de serem deformados, tomando a forma

    de uma matriz.

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  • 3. usinabilidade: capacidade de retirada de cavaco, sem apresentar desgaste excessivo na ferramenta de usinagem.

    4. soldabilidade: capacidade de unio de peas atravs do processo de soldagem, garantindo-se uma junta com qualidade compatvel ao material de base.

    5. endurecibilidade: capacidade de obter peas com maior resistncia, aps tratamento trmico ou termo-mecnico.

    6. capacidade de receber tratamentos superficiais.

    Tamanho dos lotes Equipamento disponvel Energia consumida Facilidades operacionais

    Composio Condio Acabamento Defeitos provveis Disponibilidade

    Fundibilidade Soldabilidade Estampabilidade Forjabilidade Capacidade de revestimento Endurecibilidade

    CUSTO

    Caractersticas de produo

    Caractersticas da matria-prima

    Propriedades de fabricao

    Projeto de Processo

    Propriedades a serem atendidas

    Dimenso Forma Tolerncia Acabamento

    Projeto do Produto

    Seleo de Materiais Metlicos

    Figura 3.2 Fatores que influenciam na seleo de ligas metlicas.

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  • 4. Cristalinidade e Microestrutura

    As propriedades so manifestaes da estrutura do material em diversos nveis. Torna-se importante, portanto, estudar a estrutura dos materiais nestes diversos nveis, desde a organizao dos tomos at as formaes macroestruturais (presena de bolhas, segregaes, alinhamentos, etc.). A maioria dos materiais de interesse para o engenheiro tem arranjos atmicos, que so repeties nas trs dimenses de uma unidade bsica. O arranjo atmico faz com que os tomos fiquem prximos entre si, existindo um determinado nmero de tomos vizinhos (os mais prximos), caracterizando o chamado empacotamento atmico.

    CRISTALINIDADE: Uma molcula tem uma regularidade estrutural, porque as ligaes

    covalentes determinam um nmero especfico de vizinhos para cada tomo e a orientao no espao dos mesmos. Materiais cristalinos so os que exibem ordem de longo alcance na posio e na seqncia de tomos ou molculas. Materiais amorfos no possuem ordem de longo alcance, sendo que os tomos ou molculas no so periodicamente localizados ao longo de longas distncias. Porm, usualmente possuem ordem de curto alcance.

    RAIO ATMICO: A distncia de equilbrio entre os centro de dois tomos pode ser considerada como a soma de seus raios. No ferro metlico, a distncia mdia entre os centros dos tomos 0,2482 nm. O fator que mais influencia na distncia interatmica a temperatura, sendo que qualquer aumento desta, aumenta o espaamento mdio entre os tomos, acarretando a expanso trmica dos materiais.

    Os metais ao se solidificarem, cristalizam, ou seja passam de um estado de distribuio aleatria (lquido) para um estado com posies definidas e ordenadas, que se repetem em trs dimenses, formando uma figura geomtrica regular, denominado sistema cristalino. Deste sistema cristalino possvel extrair apenas uma clula ou reticulado unitrio.

    Tabela 4.1. Os sete sistemas cristalinos:

    Sistema Eixos ngulos Axiais Cbico a1 = a2 = a3 Todos os ngulos = 90

    Tetragonal a1 = a2 c Todos os ngulos = 90 Ortorrmbico a b c Todos os ngulos = 90 Monoclnico a b c dois ngulos = 90 e um 120

    Triclnico a b c Todos os ngulos diferentes e todos 90 Hexagonal a1 = a2 = a3 c ngulo = 90 e 120

    Rombodrico a1 = a2 = a3 Todos os ngulos iguais, mas no 90

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  • Figura 4.1- sistemas cristalinos

    4.1. Reticulados Principais Os tomos dos materiais metlicos podem ser agrupados, dentro do sistema cbico em dois diferentes tipos de repetio: cbico de corpo centrado (CCC) e cbico de faces centradas (CFC), enquanto que no sistema hexagonal, os tomos se agrupam no sistema Hexagonal Compacto (HC).

    4.1.1. Cbico simples: uma estrutura hipottica, mas favorece a compreenso. Para este tipo de clula unitria, tem-se um tomo em cada vrtice, representando um oitavo de cada um dos tomos dentro da clula.

    4.1.2. Cbico de Corpo Centrado: O ferro, na temperatura ambiente, tem estrutura CCC, e cada tomo de ferro est cercado por oito tomos de ferro adjacentes. H dois tomos por clula unitria em uma estrutura ccc, sendo que um est no centro e oito oitavos esto nos oito vrtices.

    4.1.3. Cbico de Faces Centradas: O cobre tem estrutura CFC, onde um tomo est em cada vrtice e em cada face do cubo. O alumnio, o cobre, o nquel, a prata e o chumbo possuem este tipo de reticulado. Cada clula unitria de uma estrutura cfc possui quatro tomos.

    a) Clula unitria CCC b) Clula unitria CFC

    a4r

    a

    4r

    Figura 4.2. Principais cristais cbicos.

    25

  • 4.1.4. Hexagonal Compacto: A figura 4.3. mostra o reticulado HC, encontrado no magnsio, titnio e o zinco. Tabela 4.2. - Materiais e seus reticulados

    Exemplos CCC Cr, Fe(), Mo, W CFC Al, Fe(), Ni, Cu, Ag, Pb HC Mg, Zn, Ti

    Figura 4.3. - Clula unitria Hexagonal Compacta Exerccios E4.1. Calcule o parmetro da clula CCC e o da clula CFC. No caso do sistema cbico, o parmetro da clula o lado do cubo formado.

    Respostas:

    a r3CCC

    = 4. a r2CFC

    = 4.

    E4.2. A prata CFC e seu raio atmico 0,1444 nm. Qual o comprimento do lado de sua clula unitria? E4.3. O ouro tem estrutura cristalina CFC. O parmetro de seu reticulado 0,4078 nm e sua massa atmica 197 g/mol. Calcule a sua densidade.

    Obs: 6,02 x 1023 tomos Massa atmica do elemento (g) 1 tomo m (g)

    E4.4. Calcule o raio do maior vazio intersticial no retculo do ferro gama (CFC). O raio atmico do tomo de ferro R=0,129 nm no retculo CFC e o maior vazio intersticial ocorre no (, 0, 0), (0, , 0), (0,0, ), ... O raio do tomo de carbono rC=0,075 nm

    26

  • 4.2. Ligao Metlica

    Mas afinal, o que une os tomos metlicos entre si? Se um tomo apresenta apenas uns poucos eltrons de valncia, estes podem ser

    removidos com relativa facilidade, enquanto que os demais eltrons so firmemente ligados ao ncleo. Isto origina uma estrutura formada por ons positivos (ncleo e eltrons que no pertencem a camada de valncia) e eltrons livres. Como os eltrons de valncia podem se mover livremente dentro da estrutura metlica, formam a nuvem eletrnica.

    + + + +

    ++ +Nuvem

    +

    +

    +

    +++

    on positivo

    Figura 4.4. Ligao metlica

    por causa da natureza da ligao metlica, que os tomos de um metal podem ser visualizados como esferas rgidas.

    Como as propriedades condutividade eltrica e condutividade trmica dos metais podem ser explicadas?

    Os eltrons livres do ao metal sua condutividade eltrica elevada, pois podem se mover livremente sob a ao de um campo eltrico. Da mesma forma, a alta condutividade trmica dos metais est associada mobilidade dos eltrons livres, que podem transferir energia trmica de um nvel de alta temperatura para outro de baixa.

    4.3. Defeitos Cristalinos Defeito uma imperfeio ou um "erro" no arranjo peridico regular dos tomos em um cristal. Podem envolver uma irregularidade: na posio dos tomos no tipo de tomos O tipo e o nmero de defeitos dependem do material, do meio ambiente, e das circunstncias sob as quais o cristal processado. Veremos alguns defeitos no decorrer do texto, como vazios, discordncias, contorno de gro, etc. Por que os defeitos so importantes? Os defeitos, mesmo em concentraes muito pequenas, podem causar uma mudana significativa nas propriedades de um material. Sem a presena de defeitos: os dispositivos eletrnicos do estado slido no existiriam; os metais seriam muito mais resistentes; 27 os cermicos seriam muito mais tenazes;

  • os cristais no teriam nenhuma cor; 4.4. Estrutura Granular dos Materiais: Estrutura interna definida como o arranjo de eltrons e tomos dentro do metal. Deve-se observar que um dado material com determinada composio qumica, a estrutura interna no constante, podendo variar grandemente, dependendo de: (1) como o material foi fabricado (condies de processamento); (2) sob que condies o material se encontra em servio (temperatura, presso, agentes corrosivos, etc.). A anlise da estrutura feita, em geral, a nvel da resoluo de microscpios pticos (10-1200x) ou de microscpios eletrnicos (2000-100.000x). Esta estrutura observada chamada de microestrutura.

    Um conjunto de clulas unitrias forma o cristal com contornos geomtricos, o qual, ao adquirir os contornos irregulares pelo seu crescimento e devido aos pontos de contato de cada conjunto, passa a chamar-se gro. Esses gros so ligados entre si por um limite, denominado contorno de gro.

    Figura 4.5. - estrutura granular de uma material puro. As propriedades mecnicas dos metais dependem fortemente do tamanho do gro, por isto a American Society for Testing of Materials (ASTM) criou um ndice do tamanho de gro dos aos, atravs da seguinte equao: N = 2n-1 onde: N o nmero de gros observados por polegada quadrada, quando o metal examinado ao microscpio com um aumento de 100x n o nmero do tamanho de gro ASTM

    Considerando os gros, as microestruturas dos metais monofsicos podem ser diferenciadas de trs maneiras:

    Tamanho de gro Forma do gro Orientao preferencial

    Forma de gro

    diferente Tamanho de gro diferente

    Com e sem orientao preferencial

    28

  • Questionrio 4.1. Quando dois cristais podem ser chamados de polimorfos? Exemplifique, indicando a(s) temperatura(s) de transformao alotrpica. Resposta: Dois cristais so ditos polimorfos quando, embora tenham estruturas cristalinas diferentes, apresentam a mesma composio qumica. Ex.: Fe

    1540 1400 910 Temp. amb.

    Lquido Fe (CFC) Fe (CCC)

    T (C) Fe (CCC) Veja a descontinuidade do Ferro no grfico abaixo! Ocorre uma contrao do material em 910C, quando do aumento do volume especfico pelo efeito da dilatao trmica.

    Volume especfico (cm3/g)

    910

    T (C)

    4.2. O titnio tem uma estrutura HC (a=0,2956 nm; c=0,4683 nm) abaixo de 880C e uma estrutura CCC (a=0,332 nm) acima desta temperatura. MTi=47,9 g/mol

    a) o titnio se expande ou se contrai ao ser aquecido a esta temperatura? b) Calcular a variao de volume em cm3/g.

    4.3. Pode-se considerar qualquer obstculo que atrapalhe a continuidade da organizao dos tomos (arranjo atmico) como sendo uma imperfeio. Um exemplo mais bvio a superfcie externa do material. Qual a diferena entre os tomos da superfcie e do interior do material? 4.4. Qual o procedimento que torna possvel observar os gros e seus contornos no microscpio, como na figura 4.5.? 4.5. Por que os contornos so mais facilmente atacados quimicamente (processo de corroso), que o interior dos gros? 29

  • 4.6. Um ao tem tamanho de gro ASTM 8. Qual a rea mdia observada por gro em uma superfcie polida?

    N = 28-1 = _________ gros/pol2 a 100x de ampliao ou _________ .(100x100) = ___________ gros/pol2 a 1x de ampliao

    Logo, rea de um gro = 1/ _______________ = _________________ pol2/gro (neste tamanho no d para ver a olho nu!)

    4.7. Qual o significado do termo gro equiaxial? 4.8. Explique como se formam os gros no material metlico.

    . . . . . . .

    (1) (2) (3)

    30

  • 5. Deformao dos Materiais

    Os materiais, quando submetidos a um esforo de natureza mecnica, tendem a deformar-se. Conforme a sua natureza, o comportamento varia durante a deformao. Podem apresentar apenas deformao elstica at a ruptura, como no caso de elastmeros, ou sofrer aprecivel deformao plstica antes da ruptura, como nos metais e termoplsticos. 5.1. Deformao Elstica A deformao elstica resultado de uma pequena elongao ou contrao do retculo cristalino na direo da tenso (trao ou compresso) aplicada. tomo

    Sem tenso externa Sob tenso de compresso Sob tenso de trao Figura 5.1. Deformao elstica no nvel atmico.

    Lembre-se que a deformao proporcional a tenso na zona elstica, conforme a lei de Hooke. Quanto mais intensas as foras de atrao entre os tomos, maior o mdulo de elasticidade E. Qualquer elongao ou contrao de uma estrutura cristalina em uma direo, causada por uma tenso, produz uma modificao na dimenso perpendicular (lateral). A relao entre a deformao lateral x e a deformao longitudinal y chamada de coeficiente de Poisson:

    = - x / y A direo cristalina influencia no mdulo de elasticidade do material? Resposta: Os materiais no so isotrpicos em relao ao mdulo de elasticidade. Por exemplo, o ferro tem um mdulo de elasticidade variando de 290.000 MPa na direo [1 1 1] a 130.000 MPa na direo [1 0 0]. O conhecido valor de E=210.000 MPa , na verdade, um valor mdio, pois o material policristalino. ATENO: observe apenas que cada direo tem um nome. Ex. [100], [111]

    Isotrpico: a propriedade especificada igual em qualquer direo. Anisotrpico: a propriedade especificada varia conforme a direo.

    5.2. Direes e Planos dos Cristais Para cristais cbicos, os ndices de direo cristalogrfica so componentes de vetor da direo ao longo de cada eixo e reduzidos aos menores inteiros. Veja a figura 5.2(a).

    Muitas vezes necessrio se referir aos planos de tomos dentro da estrutura cristalina e, para isto, utiliza-se uma codificao chamada ndices de Miller (figura 5.2.b).

    31

  • (a) (b)

    (1 0 0)

    (1 1 0)

    z

    y

    x

    [2 0 1]

    [1 1 0]

    [0 1 0]

    [1 1 1]

    z

    y

    x

    Figura 5.2. Ilustrao de direes cristalinas (a) e de planos cristalinos (b). 5.3. Deformao Plstica

    Na prtica, qual a importncia da regio elstica do material? Bem, a maioria das peas, estruturas e equipamentos que fabricamos no devem sofrer modificaes na sua forma com o tempo. Por exemplo, no queremos montar um telhado sobre uma estrutura metlica, e o peso deste telhado deformar algumas tesouras, podendo ocasionar um efeito catastrfico. Por isto, projetamos esta estrutura para suportar apenas deformao elstica.

    Muito bem, ento, na Engenharia, apenas devemos nos preocupar com a regio elstica? No, pois muitas das peas fabricadas, para terem a forma desejada devem sofrer uma deformao plstica, atravs de processos especficos.

    A deformabilidade permanente muito importante na prtica, pois permite a realizao de conformao mecnica, ou seja de operaes mecnico-metalgicas muito empregadas na fabricao de peas metlicas. Veja a figura 5.3.

    Figura 5.3 - processos de conformao mecnica usuais: (a) laminao; (b) forjamento; (c) extruso; (d) trefilao.(VanVlack, Ed. Campus, pg.211)

    A capacidade dos metais de serem deformados de modo permanente chamada de plasticidade.

    O processo de conformao pode ser realizado em diferentes temperaturas, de modo que surge dois termos clssicos: trabalho mecnico a frio e trabalho mecnico a quente. A separao entre os dois se d pela temperatura de recristalizao, definida como "a menor 32

  • temperatura na qual uma estrutura deformada de um metal trabalhado a frio restaurada ou substituda por uma estrutura nova, livre de tenses, aps a permanncia nessa temperatura por um tempo determinado".

    A deformao de um material em um processo medida pela reduo na rea da seo transversal, isto :

    r = [ A0 Af ] / A0 Onde A0 e Af so, respectivamente, a rea inicial e a rea final.

    Figura 5.4 Efeito nos gros obtido com processos de conformao a frio: (a) laminao; (b) trefilao.

    A deformao plstica resultante do trabalho mecnico a frio (abaixo da temperatura de recristalizao) provoca o chamado fenmeno de encruamento, isto aumento da dureza atravs da deformao a frio. A tabela 5.1. mostra o efeito do encruamento sobre as caractersticas mecnicas de alguns metais e ligas metlicas. Observe no grfico a seguir a alterao do alongamento e do limite de resistncia com a % de deformao a frio.

    Limite de Resistncia trao

    alongamento

    Deformao a frio (%) Tabela 5.1. - Efeito do encruamento sobre caractersticas mecnicas

    Liga Estado Resistncia trao (MPa)

    Alongamento (%)

    Dureza Brinell

    Ao ABNT Normal 336 38 120 1010 Trabalhado a frio 910 2 265

    Ao AISI 301 Normal 770 60 165 Trabalhado a frio 1295 9 380

    Alumnio puro Normal 91 40 23 Trabalhado a frio 168 10 44

    Lato para Normal 336 55 70 cartuchos Trabalhado a frio 770 14 155

    33

  • Com a deformao mecnica, os gro so alongados na direo do esforo mecnico aplicado. Com o encruamento, podem haver perdas nas propriedades do material, como diminuio da condutibilidade eltrica, aumento das perdas magnticas e diminuio da resistncia corroso. Existem materiais que possuem um comportamento conforme o seguinte grfico tenso x deformao. Este material poderia ser conformado atravs de processos de deformao a frio, como dobramento? Por que?

    x = rupturax

    5.4. Discordncias

    Elas tm uma forte influncia sobre as propriedades mecnicas dos metais e de alguns cermicos. Caractersticas das discordncias: elas so criadas devido s condies de processamento (a forma usada na fabricao do

    material) e por foras mecnicas que atuam sobre o material. esto quase sempre presentes nos cristais reais. em um material tpico, aproximadamente 5 de cada 100 milhes de tomos (0.000005%)

    pertencem a um defeito tipo discordncia. Em uma poro de material de 10 cm3 (cerca do tamanho de um dado de seis lados), haver aproximadamente 1017 tomos que pertencem a defeitos tipo discordncia.

    Figura 5.5 Discordncias (linhas) mostradas atravs de um microscpio eletrnico de transmisso.

    O tipo mais simples de discordncia pode ser visto como um semiplano atmico extra, inserido na estrutura, o qual termina em qualquer lugar do cristal. A extremidade do meio plano a discordncia, conforme mostra a figura abaixo.

    Considerando o "plano extra" que est dentro do cristal, observa-se claramente que o cristal est distorcido junto ao plano de escorregamento.

    34

  • A figura 5.7. ilustra como uma discordncia se move atravs do cristal, sob a aplicao de uma tenso de cisalhamento. Pela aplicao da tenso, o tomo c pode mover-se para a posio c' indicada na figura. Se isso acontecer, a discordncia mover-se- de uma distncia atmica para a direita. A contnua aplicao da tenso levar movimentao da discordncia em etapas repetidas. O resultado final que o cristal cisalhado no plano de escorregamento de uma distncia atmica. Isto significa que as discordncias esto ligadas a deformao permanente (escorregamento dos planos atmicos).

    Figura 5.6 Discordncia em cunha mostrando distoro do cristal

    Figura 5.7 Movimento de discordncia

    Figura 5.8 Discordncia em hlice

    35

  • Cada etapa do movimento da discordncia, requer somente um pequeno rearranjo de tomos nas vizinhanas do plano extra. Resulta disso que uma fora muito pequena pode mover uma discordncia.

    O movimento de uma discordncia atravs de todo o cristal produz um degrau na superfcie do mesmo, cuja profundidade de uma distncia atmica. Como uma distncia atmica em cristais metlicos da ordem de alguns nanometros, esse degrau evidentemente no visvel a olho nu.

    Alm das discordncias em cunha, existem as discordncias em hlice ou helicoidais. A designao 'hlice' para esse defeito do reticulado deriva do fato de que os planos do reticulado do cristal formam uma espiral na linha da discordncia (figura 5.8).

    Questionrio 5.1) A regio da discordncia possui maior energia? Por que? 5.2) Ao calcular o limite de resistncia dos metais com base em um modelo de cristal perfeito, obtm-se o valor de E/20. Os metais no so to resistentes, portanto, o modelo no adequado e deve existir um outro mecanismo relacionado com o processo de deformao plstica. Qual este mecanismo? Resposta: A explicao para a discrepncia entre os limites de escoamento calculado e real reside no fato de que os cristais no so perfeitos, pois contm defeitos, sendo que as discordncias so o tipo de defeito responsvel por este fato.

    5.3) O tamanho de gro (TG) tem influncia marcante nas propriedades mecnicas das ligas metlicas (tambm dos materiais cermicos), conforme a figura abaixo:

    Os responsveis por esta alterao nas propriedades so os contornos de gro. Qual o

    efeito deles na mudana das propriedades? Resposta: Conforme aumenta o nmero de discordncias ao longo do plano, a fora de cisalhamento necessria tambm aumenta. Entretanto, isto no importante, a menos que haja a interferncia de algum fator estrutural (barreira), tal como o contorno de gro. Um empilhamento de discordncias, tal como na figura abaixo aumenta a resistncia do metal para o escorregamento posterior.

    Plano de escorregamento Contorno de gro

    36

  • 5.4) Como pode-se observar pela figura 3.1., o limite de resistncia aumenta, com o aumento da % de elemento de liga na soluo slida. O que acontece, em nvel de estrutura cristalina, para ocorrer tal fato?

    5.5) Considerando a tenso de cisalhamento efetiva na direo de escorregamento, = F/A cos() cos()

    Direo de escorregamento

    F F

    a) Quando mximo? Obs.: isto ocorre em materiais dcteis. No caso de materiais frgeis, estes rompem com = 0 b) Pegue uma barra de giz e execute um esforo de toro e verifique o ngulo de quebra por toro (observe que o mesmo frgil). No caso de materiais dcteis este mesmo ngulo igual a zero.

    37

  • 6. Efeito da Temperatura nos Metais

    Os cristais plasticamente deformados tem mais energia que os cristais no-deformados, devido a existncia de grande quantidade de discordncias. Como possvel reacomodar os tomos?

    Aquecendo o material acima da temperatura de recristalizao durante um certo tempo.

    Tabela 6.1. Temperaturas de recristalizao para alguns metais e ligas de uso comum. Material Temperatura de

    Recristalizao (C) Cobre eletroltico (99,999%) 121

    Cu 5%Zn 315 Cu 5%Al 288 Cu 2%Be 371

    Alumnio (99,0%) 288 Ligas de alumnio 315 Nquel (99,99%) 571

    Ligas de Magnsio 252 Ferro eletroltico 398

    Ao de baixo carbono 538 Zinco 10

    Chumbo -4 Estanho -44

    A manuteno do material a uma temperatura suficientemente elevada faz com que a

    vibrao trmica dos tomos permita maior mobilidade das discordncias. Mesmo em temperaturas inferiores a temperatura de recristalizao, as discordncias so bastante mveis para formar arranjos regulares e mesmo se aniquilarem (somente as discordncias de sinais opostos). Este processo chamado de RECUPERAO e, embora no mude a microestrutura, restaura parcialmente a maciez (menor resistncia e maior ductilidade).

    Figura 6.1. Mudana de propriedades e estrutura com a recuperao e a recristalizao.

    A maciez original inteiramente restaurada pelo aquecimento acima da temperatura de recristalizao, quando se formam novos gros com baixa densidade de discordncias. Os gros se desenvolvem at que a estrutura toda esteja RECRISTALIZADA. A microestrutura resultante equiaxial. Veja a figura 6.1. 38

  • Os principais fatores que afetam a recristalizao so:

    1. uma quantidade mnima de deformao prvia: se o trabalho a frio prvio zero, no h energia de ativao para a recristalizao e ficam mantidos os gro originais;

    2. quanto maior a deformao prvia, menor ser a temperatura de recristalizao; 3. quanto menor a temperatura, maior o tempo necessrio recristalizao; 4. quanto maior a deformao prvia, menor ser o tamanho de gro resultante (pois ser

    maior o nmero de ncleos a partir dos quais crescero os novos gros). OBS: Uma estrutura de gros grosseiros apresenta propriedades mecnicas pobres, ao passo que um tamanho de gro fino fornece ao material alta resistncia sem diminuir-lhe muito a ductilidade.

    5. adies de elementos de liga tendem a aumentar a temperatura de recristalizao (pois retardam a difuso).

    Figura 6.2. crescimento de gro durante recristalizao (Gulhav, pg. 103) 6.1. Como que o tamanho mdio dos gros de um metal monofsico pode aumentar com o tempo, da forma mostrada na figura 6.2?

    39

  • 6.2. O processo de crescimento de gro reversvel? Como fazer para diminuir (refinar) o tamanho de gro?

    6.1. Deformao a Quente Com o trabalho a quente, no ocorre o fenmeno de encruamento, pois a estrutura restaurada (amolecimento) devido ao recozimento simultneo. As principais razes para o uso do trabalho a quente so: 1. A energia necessria para deformar menor; 2. o metal adquire maior capacidade de deformar-se sem fissurao; 3. algumas heterogeneidades das peas, como porosidades, so praticamente eliminadas pelo

    trabalho a quente; 4. estruturas grosseiras podem ser eliminadas, transformando-se em gros menores. 6.2. Introduo aos Tratamentos Trmicos Industriais

    Para fabricar uma sanfona de termostato necessrio executar os seguintes processos: 1. Corte de um disco de bronze fosforoso de 25 mm de dimetro e 0,55 mm de espessura. 2. Embutimento na forma de um copo de 14,2 mm de dimetro e 11 mm de altura. 3. Estiramento (extruso) at dimetro de 13,6 mm, e 18 mm de altura (0,3 mm de parede) 4. Estiramento (extruso) at dimetro de 12,78 mm e 31 mm de altura (0,16mm de parede) 5. Estiramento (extruso) at dimetro de 12,52 mm e 40 mm de altura (0,10 mm de parede) 6. Corrugamento na forma de sanfona

    O copo no pode ser conformado continuamente at o final (sanfona), pois ocorrer rompimento. O que feito, ento, para aumentar a ductilidade, visto que houve o aumento da dureza no processo de conformao mecnica a frio?

    feito um processo chamado de recozimento, no qual a pea aquecida em um forno acima da temperatura de recristalizao durante um determinado tempo. Tal processo de recozimento envolve difuso, e portanto grandemente dependente da temperatura e do tempo. Temperatura de recozimento para ligas Cu-Sn: 580-600C

    Este exemplo ilustra a necessidade de um processo de tratamento trmico, parte do

    processo de fabricao de uma pea. O tratamento trmico o conjunto de operaes de aquecimento a que so submetidos os materiais metlicos, sob condies controladas de temperatura, tempo, atmosfera e velocidade de esfriamento, com o objetivo de alterar as suas propriedades. O termo recozimento se refere a um tratamento trmico no qual um material exposto a uma temperatura elevada por um perodo de tempo prolongado, sendo ele ento resfriado lentamente. Normalmente, o recozimento realizado com os objetivos de:

    1. aliviar as tenses 2. tornar o material mais mole, dctil e tenaz 3. produzir uma microestrutura especfica

    40

  • Como podem ser desenvolvidas tenses internas nas peas metlicas? (1) atravs de processos de deformao plstica, como usinagem, conformao, etc. (2) atravs de resfriamento no-uniforme de uma pea que foi fabricada ou processada em temperatura elevada, tal como em uma solda ou uma fundio. (3) uma transformao de fases que seja induzida mediante resfriamento onde as fases de origem e de produto tenham caractersticas diferentes. Distoro e empenamento podem ocorrer se essas tenses residuais no forem eliminadas, podendo ser removidas atravs de um processo de recozimento chamado de alvio de tenses. Os tratamento trmicos so realizados em fornos de diferentes tipos de construo, variando quanto ao tamanho e volume da carga, ao tipo de aquecimento (leo, gs, eletricidade), ao tipo de meio (atmosfera gasosa, sal fundido, material granular, vcuo), a capacidade de automao do processo, etc.

    41

  • 7. Metais Bifsicos e Diagramas de Equilbrio No captulo 3 estudamos que ao atingir o limite de solubilidade ocorre uma precipitao. Isto , ocorre a formao de um precipitado. Em uma mistura de gua e sal fcil entender! Mas como fica em uma soluo metlica slida?

    A ocorrncia de uma segunda fase deve-se ao grau de solubilidade entre os componentes da mistura. Estes so exemplos de precipitados chamados de partculas de segunda fase.

    Veja na figura 7.1., onde h a formao de incluses de xido de cobre no cobre (quase) puro! Incluses? So impurezas presentes no material, como o caso dos xidos, sulfetos e fosfetos, por exemplo. Elas so decorrentes do processo de fabricao do material ou da matria-prima utilizada.

    Figura 7.1. - Incluses de xido de cobre (Cu2O) em cobre de alta pureza (99,26%) laminado a frio e recozido a 800 C. 7.1. Diagramas de Equilbrio Diversos

    Um dos tipos de diagramas binrios mais simples est ilustrado abaixo. Neste caso,

    tratam-se de ligas Sn-Pb.

    Figura 7.2. - Diagrama de equilbrio para ligas Pb-Sn (Shackelford).

    Alguns dos diagramas que trabalharemos em sala de aula esto ilustrados a seguir:

    42

  • 43

  • Figura 7.3 - Diagrama de fases alumnio-silcio e microsestruturas de metais puros e de ligas com diferentes composies. Ligas com menos que 12%Si so ditas hipoeutticas e ligas com 12%Si so conhecidas como eutticas e com mais de 12%Si so ditas hipereutticas (HTG). 7.2. Diagrama de Equilbrio Fe-C O diagrama de equilbrio Fe-C de grande importncia para entender os tratamentos trmicos que so feitos nos mais diversos tipos de ao. O diagrama possui vrios campos, com nomes especficos para as microestruturas: 1. ferrita (ferro ): a estrutura de ferro puro na temperatura ambiente (abaixo de 723C).

    muito dctil e ferro-magntico abaixo de 766C. Tem estrutura CCC, cujos espaos interatmicos so pequenos e bem alongados, de forma que praticamente no h condies de abrigar o tomo de carbono.

    2. austenita (ferro ): tem estrutura CFC, cujos espaos interatmicos so maiores que a ferrita, de modo que a solubilidade mxima de carbono de cerca de 2%. No ferromagntica.

    3. ferro : tem estrutura CCC, sendo similar a ferrita. Ocorre acima de 1400C e portanto tem pouca importncia dentro do escopo desta disciplina.

    4. cementita: como a ferrita praticamente no solubiliza o carbono, este deve formar uma segunda fase, a qual chamada de cementita ou carbeto de ferro, cuja frmula qumica Fe3C. muito dura e sua presena junto com a ferrita aumenta a resistncia mecnica do material. Tem o inconveniente de ser frgil.

    5. perlita: uma mistura de duas fases: ferrita + cementita, conforme a figura 7.4(b). A microestrutura resultante uma matriz de ferrita com lamelas de cementita. A liga Fe-C com 0,8%C 100% perltica.

    44

  • Figura 7.4 - Diagrama Fe-C

    Figura 7.5- Formao de perlita. Reao eutetide: no diagrama Fe-C, a reao eutetide Fe Fe + Fe3C e ocorre na temperatura de 723C. A composio eutetide corresponde a 0,8%C. A figura 7.4 mostra a transformao correspondente a esta reao fsica.

    Calcular o percentual de ferrita e cementita existente na perlita.

    45

  • Reao euttica: no diagrama Fe-C, a reao euttica L Fe + Fe3C e ocorre na temperatura de 1130C, com a composio de 4,3%C.

    (a) (b) (c) Figura 7.6 Estruturas do ao: (a) ferrita; (b) perlita; (c) austenita. Exerccios: 7.1. Considerando uma liga de ferro-carbono, com 0,45% C na temperatura ambiente, responda:

    Perlita (escura)

    Ferrita proeutetide (branca)

    a) Qual o percentual total de cementita? b) Qual o percentual total de ferrita? c) Qual o percentual de ferrita proeutetide (livre)? d) Qual o percentual de cementita proeutetide (livre)? e) Qual o percentual de perlita? f) Qual o percentual de austenita? 7.2. Idem para uma liga ferro-carbono, com 1,0% C na temperatura ambiente.

    46

  • Cementita proeutetide (contorno de gro)

    Perlita (cementita + ferrita) no interior do gro

    7.3. Ligas Ferrosas

    As ligas ferrosas so aquelas onde o ferro o constituinte principal. Seu amplo uso

    resultado de trs fatores: (1) compostos que contm ferro existentes em quantidades abundantes na crosta terrestre; (2) o ferro metlico e as ligas de ao podem ser obtidas por processos relativamente econmicos; (3) as ligas ferrosas so extremamente versteis, podendo ser adequadas para uma ampla variedade de propriedades fsicas.

    Destacam-se a s seguintes ligas ferrosas: 1. Aos para construo mecnica Os aos comuns, alm do carbono que o seu principal elemento de liga, apresentam mangans, silcio, fsforo e enxofre como elementos sempre presentes, em funo das matrias-primas que foram utilizadas na fabricao do ferro gusa e do ao. O carbono o elemento de liga mais importante pois responsvel pela dureza no estado recozido e pela sua temperabilidade. De acordo com a finalidade do ao, tem-se uma material com composio qumica, microestrutura e tratamentos trmicos ou mecnicos especficos. Assim, tem-se aos para fundio, estruturais, para chapas, para tubos, para arames, para molas, para usinagem fcil, para cementao e nitretao, etc. Em geral, estes aos apresentam baixo ou mdio teores de elementos de liga.

    2. Ferros fundidos As ligas ferro-carbono com teor de carbono superior a 2% so chamados de ferros fundidos. Entretanto, est presente o elemento silcio, de modo que estas ligas so consideradas ternrias (Fe-C-Si), podendo resultar uma outra fase chamada grafita ou carbono livre. Um dos efeitos do silcio modificar a composio do euttico, que no diagrama binrio corresponde a 4,3%C. Utiliza-se o conceito de "carbono equivalente" para estudar o efeito do silcio, o qual representado pela frmula: CE = %C + 1/3(%Si + %P) O silcio tem um efeito grafitizante, ou seja favorece a formao de grafita (decomposio da cementita). Assim, Fe3C 3Fe () + C (grafita)

    Um dos materiais metlicos mais utilizados na indstria o ferro fundido cinzento. uma liga Fe-C-Si de fcil fuso e moldagem, excelente usinabilidade, resistncia mecnica satisfatria e boa capacidade de amortecimento. Ele obtido pelo processo de fundio e resulta em uma matriz semelhante ao ao, podendo conter ferrita+perlita em diferentes propores. Entretanto, possui a grafita como fase extra, conforme a figura 7.7. 47

  • Figura 7.7 - aspecto metalogrfico de um ferro fundido cinzento perltico.

    Ferrita (branca)

    Ndulo de grafita (preto)

    Figura 7.8 - aspecto metalogrfico de um ferro fundido nodular ferrtico.

    Mecanicamente, o ferro fundido cinzento fraco e frgil comparado com o ao, quando submetido trao, pois as extremidades dos veios so afinadas. O seu teor de carbono varia entre 2,5 e 4% e o de silcio entre 1,2 e 3%. A norma ABNT classifica este material em classes, de FC10 a FC40, de modo que os dois ltimos dgitos representam o limite de resistncia a trao em kgf/mm2. O Ferro fundido nodular uma liga de excelente resistncia mecnica, tenacidade e ductilidade, pois a grafita tem formato esferoidal (figura 7.8).

    3. Aos Inoxidveis Os aos inoxidveis so altamente resistentes corroso em uma variedade de ambientes. Seu elemento de liga predominante o cromo, com teor mnimo de 11%, tendo a resistncia corroso melhorada com adies de nquel e de molibdnio. Os aos inoxidveis esto divididos em trs classes, conforme sua estrutura: martenstica, ferrtica e austentica. Os aos inoxidveis martensticos so capazes de serem endurecidos no processo de tmpera, formando a martensita como microestrutura principal. Os aos inoxidveis ferrticos so compostos pela fase ferrtica (), enquanto que os austenticos pela fase austentica (). Os ferrticos e austenticos somente aumentam a sua dureza mediante encruamento. Tanto os aos martensticos, quanto os ferrticos so magnticos, entretanto, os austenticos (na forma recozida) no so magnticos.

    4. Aos para Ferramentas e Matrizes Os principais requisitos desta famlia de aos so: 48

  • - alta dureza temperatura ambiente; - elevada resistncia ao desgaste; - alta tenacidade; - excelente resistncia mecnica; - boa dureza a quente; - boa usinabilidade; - elevada temperabilidade; - granulao fina.

    A composio qumica destes aos pode ser simplesmente com carbono ou, na maioria dos casos, com a presena de elevados teores de liga, como tungstnio, cromo, vandio, molibdnio, etc. Todos os aos para ferramentas e matrizes so utilizados no estado temperado e revenido, cujas etapas de tratamento trmico so mais sofisticadas que para aos comuns. Os aos para ferramentas e matrizes podem ser classificados da seguinte maneira:

    aos temperveis em gua aos para trabalho a frio aos para trabalho a quente aos resistentes ao choque aos rpidos

    Figura 7.9 - Molde de lentes automotivas feito de ao CSM21XL da Crucible ( 1.2892),

    produzido pela Prospect Mold, Akron, Ohio (Fonte: Crucible, 2002).

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  • 8. Efeito da Velocidade de Resfriamento nos Metais 8.1. Fases Metaestveis Muitos dos materiais de uso comum contm fases que so metaestveis, ou seja, fases que no se transformam na fase de equilbrio, embora tenham mais energia que esta. Ex.: A fase martensita da liga Fe-C: obtida atravs de um resfriamento rpido a partir da temperatura de austenitizao, a tendncia seria a formao de ferrita + cementita (fases de equilbrio). Entretanto, o processo de sada do carbono de dentro da clula CFC (figura 8.1.a) requer tempo (exige difuso), o qual no propiciado por um resfriamento rpido. Ento, ocorre a transformao para CCC e o carbono fica retido dentro da clula, muito embora no haja espao para acomod-lo. Assim, ocorre uma distoro da clula CCC, formando uma clula tetragonal de corpo centrado. A distoro causa tenses internas, que so percebidas atravs da alta resistncia mecnica e dureza da martensita, muito embora tenha grande fragilidade. A martensita obtida atravs de um processo industrial chamado tmpera. A elevada fragilidade pode ser diminuida atravs de um processo de aquecimento em temperatura relativamente baixa chamado de revenimento (revenido).

    (a) (b) (c) Figura 8.1 (a) Austenita (Fe - CFC) com tomo de carbono no interstcio. (b) Ferrita (Fe CCC), onde no h espao intersticial para acomodar um tomo de carbono. (c) Clula tetragonal de corpo centrado (martensita), resultante da distoro de uma clula CCC, causada pelo tomo de carbono no interstcio (Smith, W., pg. 483) 8.2. Os Tratamentos Trmicos nos Aos 8.2.1. Normalizao: um tratamento trmico utilizado para aos, utilizado para refinar gros e produzir uma distribuio de tamanhos mais uniforme e desejvel. Faz-se o aquecimento a uma temperatura de aproximadamente 55 a 85C acima da temperatura crtica superior (linha A3 e Acm), a qual dependente da composio qumica. Aps ser dado tempo suficiente para que a liga esteja completamente transformada em austenita (austenitizao), faz-se o resfriamento ao ar. 8.2.2. Recozimento Pleno: um tratamento trmico usado com freqncia em aos com baixos e mdios teores de carbono, que sero usinados ou deformados plasticamente. A liga austenitizada totalmente (abaixo de 0,8%C) ou parcialmente (acima de 0,8%C) e, aps, a liga resfriada no forno. O resultado uma perlita grosseira (mais fase proeutetide, se for o caso), relativamente dctil, porm uniforme.

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    8.2.3. Coalescimento: visa-se a produo da estrutura chamada "esferoidita" ou "perlita globular", que confere ao ao uma dureza muito baixa, que propicia condies que facilitam

  • certas operaes de deformao a frio e a usinagem. aplicado sobretudo em aos de alto teor de carbono e consiste em aquecer-se o material a uma temperatura logo abaixo da linha A1 por tempo relativamente longo, ou oscilando em torno de A1. 8.2.4. Tmpera + Revenimento: O objetivo fundamental da tmpera das ligas ferro-carbono obter uma estrutura martenstica, o que exige resfriamento rpido, de modo a evitar a transformao da austenita em ferrita e perlita ou em perlita e cementita. Aquece-se o ao acima de sua linha crtica (A1), durante o tempo necessrio, em funo da seo das peas, seguido de resfriamento rpido em um meio, geralmente leo e gua. A martensita possui uma dureza de 65 a 67HRc. O revenimento visa corrigir os excessos da tmpera ou seja, aliviar as tenses e corrigir a excessiva dureza e conseqente fragilidade do material, melhorando sua tenacidade. realizada imediatamente aps a tmpera, a temperaturas abaixo da linha crtica A1.

    Figura 8.2. Material coalescido, mostrando cementita globular sobre matriz ferrtica a 1000x (fonte: Callister, pg. 210).

    Figura 8.3. Microfotografia da estrutura martenstica.

    8.2.5. Tmpera Superficial: Tem por objetivo produzir um endurecimento superficial, pela obteno de martensita apenas na camada externa do ao. um tratamento rpido, comumente utilizando o processo de aquecimento por induo. Na tmpera por induo, o calor gerado na prpria pea por induo eletromagntica, utilizando-se de bobinas de induo, atravs das quais flui uma corrente eltrica. Pode-se controlar a profundidade de aquecimento pela forma da bobina, espao entre a bobina de induo e a pea, taxa de alimentao da fora eltrica, freqncia e o tempo de aquecimento.

    Figura 8.4 processo