materiais de construção mecanica
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Introdução e ligações químicas
Marcelo F. Moreira
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ETM 201 Notas de aula
Marcelo F. Moreira
Materiais de Construção Mecânica
Introdução e ligações químicas
Marcelo F. Moreira
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Caros alunos,
O presente curso tem como objetivo apresentar os fundamentos básicos de
ciência dos materiais e de engenharia metalúrgica aos alunos de engenharia
mecânica e engenharia de produção mecânica. Os cursos de ciência dos materiais da
Escola de Engenharia Mauá são divididos em dois módulos:
1. materiais metálicos e
2. materiais poliméricos e cerâmicos
As presentes notas de aula abordam os temas relacionados aos materiais
metálicos comumente empregados na engenharia mecânica. É relevante destacar que
o objetivo destas notas de aula é o de orientar o aluno no acompanhamento do livro
texto e das referências complementares do curso.
A seqüência dos temas propostos pode variar de disciplina para disciplina,
assim, recomenda-se ao aluno acompanhar o plano de curso de sua disciplina
Cada tema está, na medida do possível, referenciado, indicando ao aluno um
livro texto ou um artigo no qual o assunto é abordado com maior profundidade.
Adicionalmente, foram propostas listas com exercícios sobre cada tópico.
Sempre buscando o contínuo aperfeiçoamento do curso e do material didático,
agradeço as sugestões e as correções que possam surgir durante nossas aulas.
Prof. Marcelo Ferreira Moreira
Escola de Engenharia Mauá
Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo – IPT
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS PARA O CURSO
LIVRO TEXTO:
Callister, W. D. MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING An Introduction John
Wiley & Sons INC. 2000
REFERÊNCIAS COMPLEMENTARES:
Shackelford, J. F. INTRODUCTION TO MATERIALS SCIENCE FOR ENGINEERS
Prentice Hall 1992
Padilha, A. F. MATERIAIS DE ENGENHARIA – Microestrutura e Propriedades Ed.
HEMUS 1997
Higgins, R. A. PROPRIEDADES E ESTRUTURAS DOS MATERIAIS EM
ENGENHARIA Difel 1977
Dieter, G. E. METALURGIA MECÂNICA 2a edição Editora Guanabara Dois 1976
Campos Filho, M. P. A ESTRUTURA DOS MATERIAIS 2a edição Editora da
UNICAMP 1991
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Souza, S.A. ENSAIOS MECÂNICOS DE MATERIAIS METÁLICOS Editora Edgard
Blücher Ltda 1982
Chiaverini,V. TECNOLOGIA MECÂNICA V.1 Processos de fabricação 1a edição
McGraw Hill 1977
Metals Handbook Volume 2 PROPERTIES AND SELECTION: NONFERROUS
ALLOYS AND SPECIAL PROPOSE ALLOYS 8th edition A.S.M. 1979
Theining, K. E. STEEL AND ITS HEAT TREATEMENT 2nd edition Butterworths
1975
Souza Santos, A B; Castello Branco, Carlos Haydt METALURGIA DOS FERROS
FUNDIDOS CINZENTOS E NODULARES IPT São Paulo 1989
Cetlin, P.R. ; Silva P. S. P. da ANÁLISE DE FRATURAS A B M 1985
Metals Handbook Volume 15 CASTING 9th edition A.S.M. 1988
Zepbour Panossian Manual: CORROSÃO E PROTEÇÃO CONTRA CORROSÃO EM
EQUIPAMENTOS E ESTRUTURAS METÁLICAS Volumes I e II - IPT 1993
Metals Handbook Volume 9 METALOGRAPHY AND MICROSTRUCTURES 9th
edition A.S.M. 1988
ASM Specialty Handbook – Aluminum and aluminum alloys ASM International
1993
INTRODUÇÃO
IMPORTÂNCIA E APLICAÇÕES DOS MATERIAIS NA ENGENHARIA:
Os materiais estão profundamente embutidos em nossa civilização.
Alimentação, habitação, transportes, vestuário, comunicações, recreação, saúde e
segurança, ou seja, todos os segmentos de nossa vida cotidiana são dependentes
dos materiais.
O desenvolvimento e avanços da nossa civilização sempre foram avaliados pela
capacidade de seus membros de produzirem e manipularem os diversos materiais da
natureza. De fato, as civilizações antigas são designadas pelo tipo de material que
estas dominavam:
• Idade da pedra (~7000 AC)
• Idade do cobre
• Idade do bronze (~3500 AC)
• Idade do ferro (~1200 AC)
Os homens primitivos tinham acesso apenas aos materiais da natureza como
pedras, madeira, ossos e peles. Com o passar do tempo foram inventadas técnicas de
processamento de outros materiais, obtendo-se propriedades muito superiores à dos
materiais disponíveis na natureza.
Somente na idade do ferro, descobriu-se que as propriedades do aço poderiam
ser alteradas por meio de tratamentos térmicos e adição de outras substâncias. Neste
ponto, o emprego dos materiais já passava por um processo de seleção, no qual, não
mais se empregavam um pequeno grupo de materiais, mas sim, de materiais com
características mais adequadas para uma dada aplicação. Um exemplo disto são as
técnicas de fabricação de espadas.
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Somente com a 2ª Guerra Mundial, os cientistas passaram compreender as
relações entre a estrutura microscópica e as propriedades mecânicas para uma dada
composição química.
A partir daí, e ainda com o advento do microscópio eletrônico em 1960, foram
criados dezenas de milhares de materiais com características "projetadas" para
satisfazer a necessidade da sociedade. Surge neste período a Engenharia de
Materiais.
Composição química
Propriedadesfísicas e mecânicas
Macro e microestrutura
O exemplo clássico desta época foi o inserto de metal duro ou “WI-DIA”
(partículas de WC, extremamente duras, sob uma matriz de cobalto tenaz). Outros
exemplos incluem1:
cerâmicas avançadas (alumina translúcida para lâmpadas de vapor de Na);
materiais biocompatíveis (implantes ortopédicos e odontológicos);
superligas a base de Ni (palhetas de turbinas a gás);
polímeros de alta resistência (Kevlar);
materiais compósitos (compósitos á base de fibras de vidro e fibras de
carbono);
imãs de alto poder magnético (Nd-Fe-B);
ligas com memória de forma (nitinol) e
isolantes térmicos cerâmicos à base de fibras de SiO2 (Revestimento do
ônibus espacial americano).
Cada vez mais o desenvolvimento sustentável dos países em desenvolvimento
dependem do domínio de novos materiais e de novas técnicas de fabricação de
materiais. Alguns índices de desenvolvimento têm como base o consumo per capita
de materiais tradicionais ou de materiais avançados. Por exemplo, o consumo per
capita de alumínio no EUA é de aproximadamente 9 kg/ano enquanto que no Brasil é
de apenas 2 kg/ano.
A seguir, são apresentados alguns exemplos de materiais e componentes cujo
desenvolvimento ocorreu por meio da engenharia de materiais.
1 Scientific American 1986 v. 255 n° 4
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Exemplo 1
ALUMINA TRANSLÚCIDA PARA LÂMPADAS DE VAPOR DE Na
Lâmpada convencional (filamento de W): produz 15 lumen/W, apresenta
microestrutura com granulação grosseira e heterogênea e porosidade > 3%.
Lâmpada de vapor de Na: produz 100 lumen/W, apresenta microestrutura com
granulação refinada e homogênea e porosidade < 0,3%.
INSERTOS PARA USINAGEM
Outra aplicação da alumina, decorrente dos estudos de ciência dos materiais, é
o seu emprego na fabricação de insertos para usinagem de metais. A alumina (Al2O3)
apresenta dureza elevada (por volta de 2000 HK, 9 na escala de Mohs) e elevada
resistência ao calor (temperatura de fusão é de 2050ºC). Entretanto, peças maciças
de alumina são extremamente frágeis. Os insertos para usinagem apresentam uma
microestrutura composta por partículas de alumina aglomeradas com um ligante
capaz de compatibilizar a elevada dureza e resistência ao calor das partículas de
alumina com elevada resistência ao impacto.
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Exemplo 2
SUPERLIGAS Á BASE DE NÍQUEL (Palhetas de turbinas á gás)
• O termo superliga, do inglês "superalloy", decorre do emprego de uma liga
empregada em implantes ortopédicos (Vitallium) ter sido empregada para a
fabricação de palhetas dos primeiros motores a jato na década de 40 (Haynes 21).
Naquela época o prefixo "super" era muito difundido pelas aventuras do herói
fictício Superman. Assim, tal liga, empregada como material biocompatível e
também como material resistente ao calor, foi chamada como uma superliga.
Recentemente o termo superliga é empregado para materiais resistentes ao calor.
As superligas à base de Ni apresentam elevada resistência mecânica, resistência
ao calor e elevada resistência à corrosão. São empregadas na fabricação de
componentes de turbinas á gás que operam em temperaturas entre 700 e 1300°C.
Microestrutura típica de uma superliga à base de Ni monocristalina (CMSX 7)
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Exemplo 3
LIGAS BIOCOMPATÍVEIS
As ligas biocompatíveis são ligas à base de Ti, Fe, Ni ou Co empregadas em
implantes ortopédicos e odontológicos. Sua principal característica é a ausência de
reação com os fluidos corpóreos.
Prótese para fêmur: fabricada em liga de Ti com esfera em cerâmica (alumina) e
acetábulo em polietileno de alta densidade.
As ligas á base de Fe foram as primeiras a serem utilizadas em implantes
ortopédicos. Entre elas, destaca-se o emprego dos aços inoxidáveis austeníticos
refinados à vácuo. Este refino tem como objetivo a redução de inclusões não
metálicas presentes no processo de produção convencional.
As ligas á base de Co apresentam propriedades biocompatíveis superiores ás
ligas á base de Fe. Destaca-se o uso da liga ASTM F75, também conhecida como
Vitallium e sua variante mais famosa a liga Haynes 21 (Co-25%Cr-5%Mo).
Mais recentemente, grande parte das próteses ortopédicas é fabricada com
ligas à base de Ti. Isto decorre do fato destas ligas apresentarem elevada resistência
mecânica (em torno de 120 kgf/mm2) e menor densidade. As ligas mais utilizadas são
variantes da liga Ti-6%Al-4%V, refinadas sob vácuo.
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Exemplo 4
SUPERÍMÃS
Os superimãs de Nd-Fe-B são imãs permanentes capazes de desenvolver campos
magnéticos de alta intensidade. São largamente empregados em projetos de
miniaturização de motores elétricos.
Exemplo 5
LIGAS COM MEMÓRIA DE FORMA
As ligas com memória de forma são capazes de voltar a forma original, após terem
sofrido uma deformação, mediante um aquecimento de apenas 30ºC. A liga mais
conhecida por este efeito é a Nitinol (50% Ni e 50% Ti). Outra característica
importante desta liga é a sua capacidade de amortecer vibrações mecânicas. Na
década de 60, variantes da liga Nitinol foram empregadas no desenvolvimento de
hélices de submarinos chamadas de "silent propellers".
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Quando passamos a pensar nas características dos materiais de engenharia, a
primeira questão que vem a tona é:
As propriedades de um material seriam proporcionais à força das ligações entre seus átomos ?
A resposta para esta questão requer uma breve revisão sobre os conceitos de
átomos e de ligações atômicas.
MODELOS ATÔMICOS
Modelo do átomo segundo Bohr
Comparação entre os modelos de Bohr e modelo quântico
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CONCEPÇÃO MODERNA DO ÁTOMO E SUAS SUB-PARTÍCULAS