Ciência e Tecnologia dos Materiais

UNIDADE 2

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UNIDADE 2

DICIPLINA: CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS

APRESENTAÇÃO

Seja bem-vindo(a) ao segundo guia de estudos da disciplina Ciência e Tecnologia dos Materiais da sua graduação a distância (EAD) na Uninassau. É importante lembrar novamente que o guia de estudos tem como objetivo orientá-lo(a) nos seus estudos e servir de ponto de referência para consulta do seu livro texto e dos diversos materiais adicionais, como a biblioteca virtual ou recursos externos (links) indicados ao longo desse guia. Todas as recomendações de links de leitura externa (textos e/ou vídeos) no guia de estudos são de leitura e/ou visualização obrigatórias, exceto nos casos em que não sejam indicadas como leitura complementar.

Os seguintes conteúdos serão abordados nessa segunda unidade – Ligas Metálicas:

• Diagramas de fases (página 51 do livro texto)• Materiais metálicos (página 61 do livro texto)

Ao final dessa segunda unidade você saberá identificar diagramas de fases isomorfos e eutéticos e, identificar, nesses diagramas, as diferentes regiões das fases, identificar as curvas liquidus, solidus e solvus; bem como, identificar em um diagrama de fases binários as fases que estão presentes, as composições das fases e a porcentagem das fases. Você também estará apto a calcular as propriedades mecânicas das principais ligas metálicas. É importante lembrar que os conceitos discutidos no conteúdo “diagramas de fases” (página 51 do livro texto) fornecem uma base necessária para a compreensão das transformações de fases que ocorrem nos aços, assim como as consequências dessas transformações (alterações nas propriedades) que serão abordados no tópico “materiais metálicos” (página 61 do livro texto). Mas, antes de continuar com a leitura desse guia, recomendo que leia toda a unidade II do seu livro texto (página 49 a 91)! Depois que essa leitura for concluída, retorne para esse guia de estudos e continue com os conteúdos. E, em seguida, assita a vídeo aula 2. Caso você queira aprofundar seus conhecimentos nos conteúdos descritos acima, sugiro a leitura complementar dos capítulos 9 e 11 do livro: Ciência e Engenharia de materiais: uma introdução. Editora LTC, 8ª edição. Autor William D. Callister JR.

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1) Diagramas de fases

1.1) Introdução

Após a leitura do livro texto você deve ter se perguntado: Afinal, qual a importância do conteúdo diagramas de fases? Quando você se depara com um problema relacionado a materiais, provavelmente você terá que escolher, entre muitos materiais disponíveis, um material que tenha as propriedades próximas do ideal para uma determinada aplicação em um dado projeto. O conhecimento dos diagramas de fases para materiais metálicos lhe será bastante útil no processo de escolha do material, pois irá dá informações sobre microestrutura e propriedades mecânicas em função da temperatura e composição, permitir a visualização da solidificação e fusão e predizer as transformações de fases. Lembre-se que quando modificamos o processamento (tratamento térmico) estamos modificando a microestrutura e, logo, modificando as propriedades (mecânicas) do material. Logo, saber interpretar os diagramas de fases pode lhe possibilitar desenvolver ou sintetizar novos materiais, bem como alterar as ligas metálicas existentes para uma determinada aplicação. Complemente seus conhecimentos a repeito dos tipos de diagramas de fases e suas características lendo o artigo: http://pt.wikipedia.org/wiki/Diagrama_de_fase. Leitura obrigatória.

1.2) Definições e conceitos básicos - terminologia

Antes de continuar com nosso estudo, é importante que você aprenda alguns conceitos e terminologia que serão constantemente utilizados durante toda essa unidade e nas próximas. Vamos começar com a definição de “liga metálica”? liga metálica é um material metálico composto por dois ou mais elementos químicos metálicos. O termo “componente” será também empregado com frequência; os componentes são metais puros e/ou compostos que compõem uma liga. Como, por exemplo, a liga cobre-zinco (latão) tem como componentes o cobre o zinco. O termo “sistema” refere-se a uma determinada liga (ex. posso chamar a liga composta de ferro-carbono de sistema ferro-carbono). Já o termo “solvente ou matriz” Refere-se ao componente maior quantidade da liga e “soluto ou impureza” refere-se ao componente de menor quantidade da liga (ex. a prata de lei é uma liga composta de 92,5% de Ag e 7,5% de Cu. Neste caso, a prata é o solvente ou matriz e o cobre é o soluto ou impureza). È importante também conceituar o “limite de solubilidade” que é a concentração máxima de átomos de soluto (impureza) que pode dissolver-se no solvente (matriz), a uma dada temperatura, para formar uma solução sólida. Lembre-se que quando o limite de solubilidade é ultrapassado forma-se uma segunda fase com composição distinta! O termo “fases” também será bastante utilizado e, se refere à porção homogênea de um sistema que tem características físicas e químicas definidas. Geralmente, as fases são representadas nos diagramas por letras gregas (αβδγελϕ).

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Mas, o que é um diagrama de fases? é como um mapa para a determinação das fases presentes, para qualquer temperatura, composição e pressão, desde que a liga esteja em equilíbrio. Sugiro que assita a vídeo aula 2, onde todos esses conceitos são explicados mais detalhadamente. A visualização da vídeo aula é obrigatória. Os conceitos são também explicados no seu livro texto, página 52.

1.3) Classificação dos diagramas de fases

Os diagramas de fases são classificados em: diagramas de fases unários e diagramas de fases binários. O diagrama de fases unário é formado por um sistema com um único componente, no qual a composição é mantida constante (isto é, é o diagrama de fases para uma substância pura! Ex. água pura, cobre puro, ferro puro, etc). Isso significa que as variáveis são apenas PRESSÃO E TEMPERATURA, pois a composição não varia. Já os diagramas de fases binários são formados por dois componentes. Logo, São diagramas em que a temperatura e a composição (ligas com dois componentes) são as variáveis! Ou seja, a pressão é constante. Os diagramas de fases binários podem sem classificados em dois tipos: isomorfo e eutético. Nos diagramas isomorfos Os componentes são solúveis em todas as proporções. Ex: sistema cobre-níquel. Os diagramas eutéticos são de ligas que são “facilmente fundidas” ou que possuem o ponto de fusão mais baixo possível para uma determinada proporção de uma liga. Ou seja, durante resfriamento uma fase liquida se transforma em, pelo menos, duas fases solidas. Essa composição é conhecida como composição eutética e sua temperatura como temperatura eutética.

1.3.1) Diagramas de fases unários

O diagrama de fases unário é formado por um sistema com um único componente, no qual a composição é mantida constante (isto é, é o diagrama de fases para uma substância pura!). Logo as variáveis são apenas PRESSÃO E TEMPERATURA, pois a composição não varia. Esse diagrama de fases para um único componente é representado como um gráfico bidimensional da pressão (na ordenada, ou eixo y) em função da temperatura (na abscissa, ou eixo x). Geralmente, a pressão é usada em escala logarítmica. Na figura 1.1 podemos observar a existência de três fases: sólido, líquido e gás. Cada uma das fases existirá ao longo das faixas temperatura-pressão. As curvas a0, b0 e c0 são as fronteiras entre as fases – em qualquer ponto dessas curvas, as duas fases coexistem; Ao se cruzar uma fronteira (conforme a T e/ou P é alterada), uma fase se transforma em outra e vice-versa e, esses pontos de interseção com T e P são: fusão/solidificação; vaporização/condensação ou liquefação; sublimação/ressublimação. A interseção entre as três curvas (ponto 0) é chamado de ponto triplo ou ponto invariante (T= 273,16 K e p= 6,04 x 10-3 atm). Ponto no qual ocorre a coexistência das 3 fases!A interpretação dos diagramas de fases unários está descrita de forma sucinta e objetiva no seu livro texto, página 53. Leia com atenção! Mas vale ressaltar que os diagramas de fases binários são mais importantes que os diagramas unários, no ponto de vista prático. Complemente os seus conhecimentos a respeito dos diagramas unários lendo o artigo http://sereduc.com/C5vaMI. Leitura obrigatória.

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Figura 1.1: Diagrama de fases pressão-temperatura para a água pura. Fonte: Calistter Jr. (2012, p. 245)

1.3.21) Diagramas de fases binários

São diagramas em que a temperatura e a composição (ligas com 2 componentes) são as variáveis! Ou seja, a pressão é constante. Logo, os diagramas de fases binários são mapas que representam as relações entre a temperatura e as composições e quantidades das fases em equilíbrio, as quais influenciam a microestrutura de uma liga. Os diagramas binários são classificados em isomorfos e binários. Leia o artigo http://www.cienciadosmateriais.org/index.php?acao=exibir&cap=14&top=49 que apresenta as principais características dos diagramas binários. Leitura obrigatória.

Diagramas de fases binários isomorfos:

São diagramas em que a temperatura e a composição (ligas com 2 componentes) são as variáveis! E, os componentes são solúveis em qualquer proporção. O exemplo típico de diagrama isomorfo é o sistema cobre-níquel (figura 1.2). Observe que a temperatura é traçada ao longo da ordenada e a composição da liga é traçada na abscissa, em porcentagem em peso. Podemos interpretar também que:

• Fase Líquido (L): é uma solução líquida homogênea composta tanto por cobre quanto por níquel;

• Fase alfa (α): é uma solução sólida substitucional, contendo átomos de Cu e Ni, com estrutura cristalina CFC;

• Em T< 1080ºC: o Cu e Ni são totalmente solúveis entre sí no estado sólido para todas as composições;

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• A fronteira que separa os campos das fases L e α+L é chamada de linha Liquidus.

• A fronteira que separa os campos das fases α e α+L é chamada de linha Solidus.

• As linhas Solidus e Liquidus se interceptam nas duas extremidades de composição, que correspondem à temperatura de fusão dos componentes puros!!

Figura 1.2: Diagrama de fases cobre-níquel. Fonte: Calistter Jr. (2012, p. 246)

A interpretação geral de qualquer diagrama de fases devem trazer as seguintes informações:

1. as fases que estão presentes2. as composições dessas fases3. as porcentagens ou frações das fases

A seguir, será detalhado como obter as informações 1, 2 e 3:

1 – Determinação das fases presentes: Basta localizar o ponto Temperatura composição no diagrama e observar a(s) fase(s) correspondente(s) ao campo de fases identificado!

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Exemplo: considere uma liga com 60%p Ni-40%p Cu a 1100ºC (ponto A do gráfico da figura 1.2). Nessa composição e temperatura quais as fases presentes?Resposta: apenas a fase alfa está presente nessa composição.

2 – Determinação das composições das Fases:

Primeira etapa: localize o ponto temperatura-composição no diagrama de fases. Obs: se apenas uma fase estivar presente, o procedimento é trivial: a composição dessa fase é simplesmente a mesma que a composição global da liga. Exemplo: no ponto A do diagrama da liga Cu-Ni a composição é de 60%p Ni-40%p Cu, pois só existe a fase alfa (uma só fase).

Mas, para uma liga com composição e temperatura localizadas nas regiões bifásicas: usa-se a linha da amarração. Exemplo: Qual a composição da fase líquida e sólida do ponto B (figura 1.3)?

Resposta:

Comp. Liq= 31,5% de Ni e 68,5% de CuComp. Sol. = 42,5% de Ni e 57,5% de Cu

Figura 1.3: Parte ampliada do diagrama de fases cobre-níquel. Fonte: Calistter Jr. (2012, p. 246).

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3 – Determinação das quantidades das Fases:

Obs: se apenas uma fase estivar presente (região monofásica), a liga será composta integralmente por aquela fase: isto é, a fração de fase é de 1,0 ou 100%. Exemplo: no ponto A do diagrama da liga Cu-Ni temos 100% de fase alfa! Mas, para uma liga bifásica: usa-se a Linha de Amarração e depois substitua os valores na equação 1. Leia o artigo http://sereduc.com/fSLjbU que explica de forma objetiva o uso da linha de amarração e da regra da alavanca. Leitura obrigatória.

(equação 1.1)

Onde,

M_L é a Percentagem das fases Fase líquida (L)

Cα é a composição da fase alfa

C0 é a composição do fase inicial

CL é a composição da fase líquida.

Exemplo: Qual a quantidade de cada fase presente no ponto B?

Resposta:

Aplicando a equação 1.1,

Substituindo os valores,

Portanto, 68% é fase liquida 32% é fase sólida.

Depois de realizada a interpretação dos diagramas isomorfos, é importante que você entenda o desenvolvimento da microestrutura nas ligas isomorfas durante a solidificação. Vamos tratar da situação em que o resfriamento ocorre lentamente para o sistema cobre-niquel (figura 1.4), onde uma liga com composição de 35%p Ni-65%p Cu é resfriada a partir de 1300°C (ponto a da figura 1.4). podemos observar que:

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• A 1300 °C, no ponto a, a liga é totalmente liquida (com uma composição de 35%p Ni-65%p Cu) e tem uma microestrutura representada no detalhe da figura;

• Conforme o resfriamento começa, nenhuma alteração microestrutural ou de composição ocorrerá até que a linha liquidus (ponto b, 1260 °C) seja alcançada;

• Ponto b: o primeiro sólido alfa começa a se formar, com a composição especificada pela linha de amarração traçada nessa temperatura (46%pNi-54%pCu);

• Com o prosseguimento do resfriamento, tanto as composições quanto as quantidades relativas de cada uma das fases mudarão. A fração da fase alfa aumentará com o prosseguimento do resfriamento;

• A 1250°C (ponto c) as composições das fases liquida e alfa são 32%Ni-68%Cu e 43%p Ni- 57%p Cu;

• Observe que a composição global da liga (35%p Ni-65%p Cu) permanece inalterada durante o resfriamento.

Figura 1.4: Representação esquemática do desenvolvimento da microestrutura durante a solidificação em equilíbrio para uma liga 35%p Ni-65%p Cu. Fonte: Calistter Jr. (2012, p. 251).

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Diagramas de fases binários eutéticos:

Outro tipo de diagrama de fases encontrado para as ligas binárias está mostrado na figura 1.5, para o sistema cobre-prata; esse diagrama é classificado como diagrama de fases binário eutético. Diversas características desse diagrama de fases são importantes e dignas de observação:

• Existem 3 regiões monofásicas no diagrama: α, β e líquido;• A fase α (CFC) é rica em cobre; nessa fase a prata é o soluto;• A fase β também é CFC mas tem o Cu como soluto; • O cobre puro e a prata pura também são considerados como fases alfa e

beta, respectivamente;• O limite de solubilidade da fase α é a linha fronteiriça CBA; ele aumenta com

o aumento da T até um valor máximo (8%Ag, 779 °C, ponto B, e diminui novamente para zero na T de fusão do Cu puro (ponto A);

• Linha solvus: linha de limite de solubilidade que separa as fases α e α + β; linhas BC e HG;

• Linha solidus: é a fronteira AB entre (α e α + L); e fronteira GF; • Existem 3 regiões bifásicas: α + L; β + L; α + β ;• Conforme a Ag é adicionada ao Cu, a T na qual a liga se torna totalmente

liquida diminui ao longo da linha liquidus (curva AE). Ou seja, a T fusão do Cu diminui com adição da Ag.

Figura 1.5: Diagrama de fases cobre-prata. Fonte: Calistter Jr. (2012, p. 254).

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1.4) Diagramas de fases para o sistema ferro-carbono

De todas as ligas metálicas existentes, a liga ferro-carbono é a mais importante. Tanto os aços quanto os ferros fundidos, que são os principais materiais estruturais em toda cultura tecnologicamente avançada, são essencialmente ligas fero-carbono. O diagrama fero-carbeto de ferro está mostrado na figura 1.6, onde podemos observar:

O ferro puro apresenta duas mudanças de estrutura cristalina antes de fundir:

Tambiente - ferro α ou FERRITA (CCC)

912 °C – ferrita sofre polimorfismo para ferrro gamma (γ) ou AUSTENITA (CFC)

1394 °C – austenita se reverte para ferro delta (δ) ou FERRITA δ (CCC)

1538 °C – ocorre a fusão da liga.

É importante ressaltar que o carbono é uma impureza intersticial. Ou seja, quando o carbono fica no interstício das células unitárias de ferro. A cementita é formada quando o limite de solubilidade do carbono é ultrapassado (6,7% de C). A cementita é bastante dura e frágil e cristaliza no sistema ortorrômbico (com 12 átomos de Fe e 4 de C por célula unitária). Mais informações a respeito do diagrama ferro-carbono estão no o tópico “diagrama Fe-C” do seu livro texto na página 58. Leia com atenção. Lembro-lhe que a leitura do livro texto é obrigatória.

Figura 1.6: Diagrama de fases ferro-carbeto de ferro. Fonte: Calistter Jr. (2012, p. 272).

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2) Materiais metálicos – propriedades mecânicas

Antes de continuar com a leitura desse tópico é importante que você leia o conteúdo “materiais metálicos” do seu livro texto (página 61 a 105).

2.1) Introdução

É obrigação dos engenheiros compreender como as várias propriedades mecânicas são medidas e o que essas propriedades representam. As propriedades mecânicas dos materiais são verificadas através da realização de experimentos de laboratório, que reproduzem as condições de serviço. O Comportamento mecânico de um material reflete a relação: deformação a uma carga ou força aplicada. É importante definir alguns termos:

• TENSÃO é algo (força/carga) aplicada a um material por carregamento. • DEFORMAÇÃO é a sua resposta; depende da magnitude da tensão e do

modo como ela é aplicada. Pode ser plástica ou elástica • RIGIDEZ é a resistência elástica a mudança de forma, isto é, o material volta

à sua forma original quando a tensão cessa.• Resistência é a sua resistência à distorção permanente ou à falha total.

2.2) Tensão

Através do ensaio de tração é btida a tensão suportada pelo material. No ensaio, conforme a figura 1.7 a carga pode ser aplicada por tração (a), compressão (b), cisalhamento ou torção (c) ou torção (d, e). A amostra (corpo de prova) é presa em um par de garras. A garra superior esta presas a uma barra fixa e a uma célula de carga. A carga inferior está presa a uma barra móvel, que puxa lentamente o material para baixo (tração). A célula de carga registra a força e um extensômetro registra o alongamento da amostra. A figura 1.8 (a) mostra a foto da máquina universal de ensaios de tração e compressão e (b) um desenho esquemático do funcionamento.

Figura 1.7: sistema de carregamento. Fonte própria.

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Os dados de força e alongamento podem ser usados para calcular a TENSÃO σ:

Onde,

F é a carga instantânea aplicada em uma direção perpendicular a seção transversal do corpo de provas (newton,N);

A0 é a área da seção transversal original do corpo de provas antes da aplicação de qualquer carga (m2 ).

E para calcular a DEFORMAÇÃO (ε):

Onde ló é o comprimento inicial da amostra e l é o comprimento alongado da amostra. O teste é realizado até que a amostra (corpo de prova) frature.

Obs - Forças são medidas em Newton (N), portanto a tensão tem dimensões N/m2. Porém, a tensão de 1N/m2 é minúscula – a pressão atmosférica é 105 N/m2, portanto a unidade usual 106 N/m2, denominada MEGAPASCAL, símbolo MPa.

(a) (b)Figura 1.8: (a) máquina universal de ensaios de tração e compressão. (b) esquema de funcionamento do ensaio de tração na máquina universal. Fonte: Calistter Jr. (2012, p. 131).

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Os dados do ensaio são repostados na forma do gráfico tensão versus deformação para um metal típico, como mostrado na figura 1.9. Esse gráfico dá informações sobre muitas propriedades mecânicas do material. Durante os primeiros estágios do ensaio de tração, chamada de região de alongamento elástico (a parte linear da curva), o material retorna ao seu comprimento inicial quando a tensão é liberada; nenhum dano permanente na amostra. Porém, assim que ocorrer a primeira variação da qual o material não possa mais se recuperar complemente, começa a deformação plástica. Para a maioria dos materiais, a cursa tensão-deformação é linear na região de alongamento elástico, mas a inclinação varia notavelmente quando tem inicio a deformação plástica. A tensão no ponto entre o alongamento elástico e a deformação plástica é chamada de limite de escoamento (σy). Não esqueça que uma vez que a tensão em um material tenha ultrapassado o limite de escoamento, ele não mais retornará completamente a sua forma original. Portanto, na engenharia, quando se seleciona um material para uma dada aplicação, utiliza-se o dado limite de escoamento para saber a tensão suportada pelo material sem que haja deformação permanente. A transição do comportamento elástico para o plástico é gradual para a maioria dos metais: ocorre uma curvatura no início da deformação plástica, que aumenta rapidamente com o aumento da tensão. Assista ao vídeo no link https://www.youtube.com/watch?v=wgoU-UJpj90 onde é exibido o ensaio de tração de um corpo cilíndrico de aço SAE 1045. O vídeo tem duração aproximada de três minutos. Obrigatória a visualização.

Mesmo após o início da deformação plástica, muitos materiais são capazes de suportar tensões adicionais. A tensão na maior força aplicada (ponto F) é denominada limite de resistência (σr) do material. A tensão na qual o material finalmente rompe é chamada de tensão de ruptura (σrup), ponto F do gráfico.

Figura 1.9: Gráfico tensão versus deformação para um ensaio de tração de um metal qualquer. Fonte: Calistter Jr. (2012, p. 141).

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Da inclinação da curva tensão-deformação na região elástica extrai-se a constante módulo de elasticidade (E), também conhecida de módulo de tração ou módulo de Young:

Onde, σ é a tensão, E é o módulo de elasticidade e ε é a deformação sofrida pelo material.

Além das propriedades mecânicas (página 91 no seu livro texto) você precisa entender como os materiais metálicos são produzidos (página 63, livro texto) e as propriedades elétricas (página 96, livro texto), magnéticas (página 100, livro texto) dos metais.

Chegamos ao fim da nossa segunda unidade! É importante que você realize todas as atividades relacionadas a essa unidade no ambiente virtual antes de partir para a unidade 3. Na próxima unidade, focaremos nosso estudo nos materiais cerâmicos e poliméricos, onde serão discutidos diversos conceitos, bem como a interpretação dos diagramas de fases, defeitos e propriedades desses materiais.