apostila-completa

TECNOLOGIA DOS MATERIAIS TECNOLOGIA DOS MATERIAIS INDICIE

1. INTRODUO 2. ESTRUTURA CRISTALINA DOS MATERIAIS 3. DIAGRAMAS DE FASES 4. O SISTEMA FERRO-CARBONO 5. AOS E FERROS FUNDIDOS 6. PROPRIEDADES MECNICAS DOS METAIS 7. TRATAMENTOS TRMICOS E TERMOQUMICOS 8. CORROSO DE METAIS

2 13 23 37 48 63 76 96

AUTORES:: AUTORES KAIO H.. DUTRA // VALTER D.. DE PREITAS KAIO H DUTRA VALTER D DE PREITAS

1

TECNOLOGIA DOS MATERIAIS TECNOLOGIA DOS MATERIAIS1. INTRODUO1.1 Perspectiva Histrica

Os materiais esto provavelmente mais entranhados na nossa cultura do que a maioria de ns percebe. Nos transportes, habitao, vestirio, comunicao, recreao e produo de alimentos;virtualmente todos os seguimentos de nossa vida diria so influenciados em maior ou menor grau pelos materiais. Historicamente, o desenvolvimento e o avano das sociedades tm estado intimamente ligados s habilidades dos seus membros em produzir e manipular os materiais para satisfazer as suas necessidades. De fato, as civilizaes antigas foram designadas de acordo com o seu nvel de desenvolvimento em relao aos materiais (Idade da Pedra, Idade do Bronze). Os primeiros seres humanos tiveram acesso a apenas um nmero limitado de materiais, aqueles presentes na natureza: pedra, madeira, argila, peles, e assim por diante. Com o tempo, esses primeiros seres humanos descobriram tcnicas para a produo de materiais com propriedades superiores quelas dos materiais naturais; esses novos materiais incluram as cermicas e vrios metais. Alm disso, foi descoberto que as propriedades de um material podiam ser alteradas por meio de tratamentos trmicos e pela adio de outras substncias. Naquele ponto, a utilizao dos materiais era um processo totalmente seletivo, isto , consistia em decidir dentre um conjunto especfico e relativamente limitado de materiais aquele que mais se adequava a uma dada aplicao, em virtude de suas caractersticas. No foi seno em tempos relativamente recentes que os cientistas compreenderam as relaes entre os elementos estruturais dos materiais e suas propriedades. Esses conhecimentos deram-lhes condies para moldar em grande parte as caractersticas dos materiais. Assim, dezenas de milhares de materiais diferentes foram desenvolvidos, com caractersticas relativamente especficas e que atendem as necessidades da nossa moderna e complexa sociedade; esses materiais incluem metais, plsticos, vidros e fibras. O desenvolvimento de muitas tecnologias que tornam nossa existncia to confortvel est intimamente associado ao acesso a materiais adequados. Um avano na compreenso de um tipo de material com freqncia o precursor para o progresso escalado de uma tecnologia. Por exemplo, o automvel no teria sido possvel no fosse pela disponibilidade a baixo custo de ao ou de algum AUTORES:: AUTORES KAIO H.. DUTRA // VALTER D.. DE PREITAS KAIO H DUTRA VALTER D DE PREITAS

2

TECNOLOGIA DOS MATERIAIS TECNOLOGIA DOS MATERIAISoutro material substituto comparvel. Em nossos tempos, dispositivos eletrnicos sofisticados dependem de componentes que so feitos a partir dos chamados materiais semicondutores.

1.2 Cincia e Engenharia de Materiais

A disciplina cincia de materiais envolve a investigao das relaes entre as estruturas e as propriedades dos materiais. Em contraste, a engenharia de materiais consiste, com base nessas correlaes estrutura-propriedade, no projeto ou na engenharia da estrutura de material para produzir um conjunto de propriedades predeterminadas. Assim, devemos ter ateno para as relaes ente as propriedades dos materiais e os elementos de estrutura. Estrutura de um material se refere, em geral, ao arranjo dos seus componentes internos. A estrutura subatmica envolve os eltrons no interior dos tomos individuais e as interaes com os seus ncleos. Em nvel atmico, a estrutura engloba a organizao dos tomos ou das molculas umas em relao s outras. O prximo grande reino estrutural que contm grandes grupos de tomos normalmente conglomerados chamado de microscpico, significando aquele que est sujeito a uma observao direta atravs de algum tipo de microscpio. Finalmente, os elementos estruturais que podem ser vistos a olho nu so chamados de macroscpico. Propriedade. Consiste em uma peculiaridade de um dado material em termos do tipo e da intensidade da sua resposta a um estmulo especfico que lhe imposto. Virtualmente todas as propriedades dos materiais slidos podem ser agrupadas em seis categorias diferentes: 1 Mecnica; 2 Eltrica; 3 Trmica; 4 - Magntica; 5 ptica; 6 Deteriorativa. AUTORES:: AUTORES KAIO H.. DUTRA // VALTER D.. DE PREITAS KAIO H DUTRA VALTER D DE PREITAS

3

TECNOLOGIA DOS MATERIAIS TECNOLOGIA DOS MATERIAISPara cada uma existe um tipo caracterstico de estmulo capaz de causar diferentes respostas. As propriedades mecnicas relacionam a deformao aplicao de uma carga ou fora; so exemplos o mdulo de elasticidade e a resistncia. Para as propriedades eltricas, tais como a condutividade eltrica e a constante dieltrica, o estmulo um campo eltrico. O comportamento trmico dos slidos pode ser representado em termos da capacidade calorfica e da condutividade trmica. As propriedades magnticas demonstram resposta de um material a aplicao de um campo magntico. Para as propriedades pticas, o estmulo a radiao eletromagntica ou luminosa; o ndice de refrao e a refletividade representam bem as propriedades pticas. Finalmente, as caractersticas deteriorativas indicam a reatividade qumica dos materiais. Alm da estrutura e das propriedades, dois outros componentes importantes esto envolvidos na cincia e na engenharia de materiais, quais sejam, o processamento e o desempenho. Com respeito s relaes entre esses quatro componentes; estrutura, propriedades, processamento e desempenho, a estrutura de um material ir depender da maneira como ele ser processado. Alm disso, o desempenho de um material ser uma funo das suas propriedades. Assim a inter-relao entre processamento, estrutura, propriedades e desempenho linear, como mostrado na ilustrao da figura 1.1

1.3 Por que estudar a Cincia e Engenharia de Materiais?

Muitos cientistas e engenheiros de aplicaes sejam eles das reas de mecnica, civil, qumica ou eltrica, iro uma vez ou outra se deparar com um problema de projeto que envolve materiais. Os exemplos podem incluir uma engrenagem de transmisso, a superestrutura para um edifcio, um componente para uma refinaria de petrleo, ou um chip de circuito integrado. AUTORES:: AUTORES KAIO H.. DUTRA // VALTER D.. DE PREITAS KAIO H DUTRA VALTER D DE PREITAS

4

TECNOLOGIA DOS MATERIAIS TECNOLOGIA DOS MATERIAISObviamente, os cientistas e engenheiros de materiais so especialistas totalmente envolvidos na investigao e no projeto de materiais. Muitas vezes, um problema de materiais consiste na seleo do material correto dentre muitos milhares de materiais disponveis. Existem vrios critrios em relao aos qual a deciso final normalmente se baseia. Em primeiro lugar, as condies de servio devem ser caracterizadas, uma vez que essas iro ditar as propriedades que o material deve possuir. Em apenas raras ocasies um material possui a combinao mxima ou ideal de propriedades para uma dada aplicao. Dessa forma, pode ser necessrio abrir mo de uma caracterstica por outra. O exemplo clssico envolve a resistncia e a ductilidade; normalmente, um material que possui uma alta resistncia ter apenas uma ductilidade limitada. Em tais casos, pode ser necessria uma conciliao razovel entre duas ou mais propriedades. Uma segunda considerao de seleo qualquer deteriorao das propriedades dos materiais que possa ocorrer durante operao em servio. Por exemplo, redues significativas na resistncia mecnica podem resultar da exposio a temperaturas elevadas ou ambientes corrosivos. Finalmente, muito provavelmente a considerao final estar relacionada a fatores econmicos; Quanto ir custar o produto final acabado? Pode ser o caso de encontrar um material com o conjunto ideal de propriedades, mas seu preo ser proibitivo. Novamente, ser inevitvel alguma conciliao. O custo de uma pea acabada tambm inclui as despesas que incidiram durante o processo de fabricao para a obteno da forma desejada. Por isso, quanto mais familiarizado estiverem tcnicos, engenheiros e cientistas com as vrias caractersticas e relaes estrutura-propriedade, assim como as tcnicas de processamento dos materiais, mais capacitado e confiante ele estar para fazer escolhas ponderadas de materiais com base nesses critrios.

1.4 Classificao dos materiais

Os materiais slidos foram agrupados convenientemente de acordo com trs classificaes bsicas: metais, cermicas e polmeros. Este esquema est baseado principalmente na composio qumica e na estrutura atmica, e a maioria dos materiais se enquadra dentro de um ou de outro AUTORES:: AUTORES KAIO H.. DUTRA // VALTER D.. DE PREITAS KAIO H DUTRA VALTER D DE PREITAS

5

TECNOLOGIA DOS MATERIAIS TECNOLOGIA DOS MATERIAISgrupo distinto, embora existam alguns materiais intermedirios. Alm disso, existem trs outros grupos de materiais de engenharia importantes, os compsitos, os semicondutores e os biomateriais. Vejamos uma explicao sucinta dos diferentes tipos de materiais e as caractersticas que os representam.

Metais

Os materiais metlicos consistem normalmente em combinaes de elementos metlicos. Eles possuem um grande nmero de eltrons no-localizados; isto , esses eltrons no esto ligados a qualquer tomo em particular. Muitas das propriedades dos metais so atribudas diretamente a esses eltrons. Os metais so condutores de eletricidade e calor extremamente bons, e no so transparentes a luz visvel; uma superfcie metlica polida possui uma aparncia brilhosa. Alm disso, os metais so muito resistentes, ao mesmo tempo em que so deformveis, o que responsvel pelo seu amplo uso em aplicaes estruturais.

Cermicas

As cermicas so compostos formados entre elementos metlicos e elementos nometlicos; na maioria das vezes elas so compostas por xidos, nitretos e carbetos. A grande variedade de materiais que se enquadra nessa classificao inclui as cermicas compostas por minerais argilosos, o cimento e o vidro. Tipicamente, esses materiais so isolantes a passagem de eletricidade e calor, e so mais resistentes a altas temperaturas e ambientes severos do que os metais e os polmeros. Em relao ao seu comportamento mecnico, as cermicas so duras, porm so muito frgeis e quebradias.


6

TECNOLOGIA DOS MATERIAIS TECNOLOGIA DOS MATERIAISPolmeros

Os polmeros incluem os materiais comuns de plstico e borracha que conhecemos. Muitos deles so compostos orgnicos que tm sua qumica baseada no carbono, no hidrognio e em outros elementos no-metlicos; alm disso, eles possuem estruturas moleculares muito grandes. Tipicamente, esses materiais possuem baixas densidades e podem ser extremamente flexveis.

Compsitos

Os materiais compsitos consistem em combinaes de dois ou mais materiais diferentes. Um grande tipo de materiais compsitos tem sido engenheirado. A fibra de vidro um exemplo familiar, onde fibras de vidro so incorporadas no interior de um material polimrico. Um compsito projetado para exibir uma combinao das melhores caractersticas de cada um dos materiais componentes. Assim, a fibra de vidro adquire a resistncia do vidro e a flexibilidade do polmero. Muitos dos desenvolvimentos recentes na rea de materiais tm envolvido materiais compsitos.

Semicondutores

Os semicondutores so utilizados em funo das suas caractersticas eltricas peculiares, possuem propriedades eltricas intermedirias entre aquelas exibidas pelos condutores eltricos e os isolantes. Alm disso, as caractersticas eltricas desses materiais so extremamente sensveis presena de minsculas concentraes de tomos de impurezas cujas concentraes podem ser controladas dentro de regies do espao muito pequenas. Os semicondutores tornaram possvel o advento dos circuitos integrados, que revolucionaram totalmente as indstrias de produtos eletrnicos e computadores (para no mencionar a nossa vida) ao longo das duas ltimas dcadas.


7

TECNOLOGIA DOS MATERIAIS TECNOLOGIA DOS MATERIAISBiomateriais

Os biomateriais so empregados nos componentes implantados no interior do corpo humano para substituio de partes do corpo doentes ou danificadas. Esses materiais no devem produzir substncias txicas e devem ser compatveis com os tecidos do corpo (no devem causar reaes biolgicas adversas). Todos os materiais citados: metais, cermicas, polmeros, compsitos e semicondutores, podem ser usados como biomateriais.

1.5 Materiais Avanados

Os materiais utilizados em aplicaes de alta tecnologia so algumas vezes chamados de materiais avanados. Por alta tecnologia subentendemos um dispositivo ou produto que opera ou que funciona utilizando princpios relativamente intricados e sofisticados; os exemplos incluem os equipamentos eletrnicos, computadores, sistema de fibra tica, espaonaves, aeronaves e foguetes militares. Esses materiais avanados consistem tipicamente em materiais tradicionais cujas propriedades foram aprimoradas ou em materiais de alto desempenho desenvolvidos recentemente. Alm disso, eles podem ser de todos os tipos de materiais, e so em geral relativamente caros.

1.6 Materiais do Futuro

Materiais Inteligentes

Os materiais inteligentes consistem em um grupo de materiais novos e de ltima gerao que esto atualmente sendo desenvolvidos e que tero influncia significativa sobre muitas das nossas tecnologias. O adjetivo inteligente implica que esses materiais so capazes de sentir


8

TECNOLOGIA DOS MATERIAIS TECNOLOGIA DOS MATERIAISmudanas nos seus ambientes e ento responder a essas mudanas de uma maneira predeterminada, como tambm ocorre com os organismos vivos. Os componentes de um material (ou sistema) inteligente incluem algum tipo de sensor (que detecta um sinal de entrada), e um atuador (que executa uma funo de resposta e adaptao). Os atuadores podem ser chamados para mudar a forma, a posio, a freqncia natural ou as caractersticas mecnicas em resposta as mudanas de temperatura, campos eltricos, e/ou campos magnticos.

Nanotecnologia

At tempos muito recentes, o procedimento geral utilizado pelos cientistas para compreender a qumica e a fsica dos materiais era partir do estudo de estruturas grandes e complexas e ento investigar os blocos construtivos fundamentais que compem essas estruturas, que so menores e mais simples. Essa abordagem algumas vezes chamada de cincia de cima para baixo. Contudo, com o advento dos microscpios de ponta de prova, que permitem a observao dos tomos e das molculas individuais, ficou possvel manipular e mover tomos e molculas e formar novas estruturas, dessa forma desenhando novos materiais fabricados a partir de constituintes que so simples ao nvel atmico (isto , construir materiais por projeto). Essa habilidade em se arranjar cuidadosamente os tomos proporciona oportunidades para o desenvolvimento de propriedades mecnicas, eltricas, magnticas e de outras naturezas que no seriam possveis de qualquer outra maneira. A isso chamamos de abordagem de baixo para cima; o estudo das propriedades desses materiais conhecido por nanotecnologia, onde o prefixo nano indica que as dimenses dessas entidades estruturais so da ordem do nanmetro (10-9m) como regra, inferiores a 100 nanmetros (o equivalente a aproximadamente 500 dimetros atmicos). Um exemplo de material desse tipo o nonotubo de carbono. Em futuro prximo, vamos sem dvida alguma descobrir que um nmero cada vez maior dos nossos avanos tecnolgicos far uso desses materiais nanoengenheirados.


9

TECNOLOGIA DOS MATERIAIS TECNOLOGIA DOS MATERIAIS1.7 Necessidades dos Materiais Modernos

Apesar do tremendo progresso que tem sido obtido ao longo dos ltimos anos na disciplina de Cincias e Engenharia de Materiais, ainda existem desafios tecnolgicos, incluindo o desenvolvimento de materiais cada vez mais sofisticados e especializados, assim como a considerao do impacto ambiental causado pela produo dos materiais. Assim sendo, torna-se apropriado abordar estas questes, a fim de tornar mais clara essa perspectiva. A energia nuclear guarda alguma promessa, mas as solues para os muitos problemas que ainda permanecem iro envolver necessariamente os materiais, desde combustveis at estruturas de conteno, at as instalaes para o descarte dos rejeitos radioativos. Quantidades significativas de energia esto envolvidas na rea de transportes. A reduo no peso dos veculos de transportes (automveis, aeronaves, trens, etc.), assim como o aumento das temperaturas da operao dos motores, ir melhorar a eficincia dos combustveis. Novos materiais estruturais de alta resistncia e baixa densidade ainda precisam ser desenvolvidos, assim como materiais com recursos para trabalhar em temperaturas mais elevadas, a serem usados nos componentes dos motores. Alm disso, existe uma necessidade reconhecida de se encontrar fontes de energia novas e econmicas, alm de se usar as fontes de energia atuais de uma maneira mais eficientes. Os materiais iro, sem dvida alguma, desempenhar um papel importante nesses desenvolvimentos. Por exemplo, a converso direta de energia solar em energia eltrica foi demonstrada. As clulas solares empregam alguns materiais que so de certa forma complexas e caros. Para assegurar uma tecnologia vivel, devem ser desenvolvidos materiais altamente eficientes nesses processos de conveno, porm que sejam mais baratos que os atuais. Ademais, a qualidade do meio ambiente depende da nossa habilidade em controlar a poluio do ar e da gua. As tcnicas de controle de poluio empregam vrios materiais. Alm disso, o processamento de materiais e os mtodos de refino precisam ser aprimorados, de modo que eles produzam degradao menor do meio ambiente, isto , menos poluio e menor destruio da paisagem pela minerao das matrias primas. Ainda, em alguns processos de fabricao de materiais, so produzidas substncias txicas, e o impacto ecolgico causado pela eliminao dessas substancias deve ser considerado. AUTORES:: AUTORES KAIO H.. DUTRA // VALTER D.. DE PREITAS KAIO H DUTRA VALTER D DE PREITAS10

TECNOLOGIA DOS MATERIAIS TECNOLOGIA DOS MATERIAISMuitos materiais que usamos so derivados de recursos no renovveis, isto , recursos que no so possveis de ser regenerados. Dentre estes materiais esto includos os polmeros, para os quais a matria prima principal o petrleo, e alguns metais. Esses recursos no renovveis esto se tornando gradualmente escassos, o que exige: 1) A descoberta de reservas adicionais; 2) O desenvolvimento de novos materiais que possuam propriedades comparveis, mas que apresentem um impacto ambiental menos adverso; 3) Maiores esforos de reciclagem e o desenvolvimento de novas tecnologias de reciclagem. Como uma conseqncia dos aspectos econmicos no somente da produo, mas tambm do impacto ambiental e de fatores ecolgicos, est tornando cada vez mais importante considerar o ciclo de vida desde o bero at o tmulo dos materiais em relao ao seu processo global de fabricao.

EXERCICIOS

1) Como podem ser alteradas as propriedades dos materiais? 2) A que se refere a estrutura dos materiais? 3) Como podem ser agrupadas as propriedades dos materiais slidos? 4) Para cada uma das propriedades dos materiais metlicos, relacione um estmulo e sua resposta. 5) De acordo com suas classificaes bsicas, como foram classificados os materiais slidos? 6) Quais os trs grupos de materiais slidos de engenharia? 7) Relacione trs caracterstica de cada material metlico. AUTORES:: AUTORES KAIO H.. DUTRA // VALTER D.. DE PREITAS KAIO H DUTRA VALTER D DE PREITAS

11

TECNOLOGIA DOS MATERIAIS TECNOLOGIA DOS MATERIAIS8) Em que consiste os materiais inteligentes?


12

TECNOLOGIA DOS MATERIAIS TECNOLOGIA DOS MATERIAIS

2. ESTRUTURA CRISTALINA DOS MATERIAIS2.1 Introduo

Neste captulo ser discutida a estrutura dos materiais, especificamente a de alguns dos arranjos que podem ser assumidos pelos tomos no estado slido. Dentro desse contexto, so introduzidos os conceitos de cristalinidade e nocristalinidade. Para os slidos cristalinos, a noo de estrutura cristalina apresentada, especificada em termos de clula unitria. As estruturas cristalinas encontradas tanto nos metais como nas cermicas so ento detalhadas, juntamente com o esquema atravs do qual os pontos, as direes e os planos cristalogrficos so expressos. So considerados os materiais monocristais, policristalinos e nocristalinos.

ESTRUTURAS CRISTALINA

2.2 Conceitos Fundamentais

Os materiais slidos podem ser classificados de acordo com a regularidade segundo a qual seus tomos ou ons esto arranjados uns em relao aos outros. Um material cristalino aquele em que os tomos esto situados de acordo com uma matriz que se repete, ou que peridica, ao longo de grandes distncias atmicas; isto , existe ordem de longo alcance, tal que, quando ocorre um processo de solidificao, os tomos se posicionam de acordo com um padro tridimensional repetitivo, onde cada tomo est ligado aos seus tomos vizinhos mais prximos. Todos os metais, muitos materiais cermicos e certos polmeros formam estruturas cristalinas sob condies normais de solidificao. AUTORES:: AUTORES KAIO H.. DUTRA // VALTER D.. DE PREITAS KAIO H DUTRA VALTER D DE PREITAS13

TECNOLOGIA DOS MATERIAIS TECNOLOGIA DOS MATERIAISAqueles materiais que no se cristalizam, essa ordem atmica de longo alcance est ausente; esses materiais so chamados de no-cristalinos ou amorfos. Algumas das propriedades dos slidos cristalinos dependem da estrutura cristalina do material, ou seja, da maneira segundo a qual os tomos, ons ou molculas esto arranjados no espao. Existe um nmero extremamente grande de estruturas cristalinas diferentes, todas elas possuindo uma ordenao atmica de longo alcance; essas variam desde estruturas relativamente simples, como ocorre para os metais, at estruturas excessivamente complexas, como as que so exibidas por alguns materiais cermicos e polimricos. Este captulo trata de algumas estruturas cristalinas usuais encontradas em metais e cermicas. Ao descrever as estruturas cristalinas, os tomos (ou ons) so considerados como se fossem esferas slidas com dimetros bem definidos. Isso conhecido por modelo da esfera rgida atmica, no qual as esferas que representam os tomos vizinhos mais prximos tocam umas nas outras. Um exemplo do modelo de esferas rgidas para o arranjo atmico encontrado em alguns metais elementares comuns est mostrado na figura 2.1c. Nesse caso em particular, todos os tomos so idnticos. Algumas vezes o termo rede cristalina utilizado no contexto de estruturas

cristalinas; nesse sentido, rede cristalina significa uma matriz tridimensional de pontos que coincidem com posies dos tomos (ou centros de esferas).


14


2.3 Clulas Unitrias

A ordenao dos tomos nos slidos cristalinos indica que pequenos grupos de tomos formam um padro repetitivo. Dessa forma, ao descrever as estruturas cristalinas, freqentemente se torna conveniente subdividir a estrutura em pequenas entidades repetitivas, chamadas de clulas unitrias. Para a maioria das estruturas cristalinas, as clulas unitrias consistem em

paraleleppedos ou prismas com trs conjuntos de faces paralelas; uma dessas clulas unitrias est desenhada no agregado de esferas (Fig. 2.1c), e nesse caso ela tem o formato de um cubo. Uma clula unitria escolhida para representar a simetria da estrutura cristalina, onde todas as posies de tomos no cristal podem ser geradas atravs de translaes das distncias integrais da clula unitria ao longo de cada uma das suas arestas. Assim sendo a clula unitria consiste na unidade estrutural bsica ou bloco construtivo bsico da estrutura cristalina e define a estrutura cristalina em virtude da sua geometria e das posies dos tomos no seu interior. Em geral a convenincia dita que os vrtices do paraleleppedo devem coincidir com os centros dos tomos representados como esferas rgidas. Alm disso, mais do que uma nica clula unitria pode ser escolhida para uma


15

TECNOLOGIA DOS MATERIAIS TECNOLOGIA DOS MATERIAISestrutura cristalina particular; contudo, em geral usamos a clula unitria com o mais alto grau de simetria geomtrica.

2.4 Estruturas Cristalina dos Metais

A ligao nesse grupo de material metlica, e dessa forma sua natureza no direcional. Conseqentemente, no existem restries em relao quantidade e posio dos tomos vizinhos mais prximos; isso leva a nmeros relativamente elevados de vizinhos mais prximos, assim como a empacotamentos compactos dos tomos na maioria das estruturas cristalinas dos metais. Alm disso, no caso dos metais, ao se utilizar o modelo de esferas rgidas para representar as estruturas cristalinas, cada esfera representa um ncleo inico. Existem trs estruturas cristalinas relativamente simples para a maioria dos metais mais comuns, so elas: 1. Cbica de Faces Centradas (CFC); 2. Cbica de Corpo Centrado (CCC); 3. Hexagonal Compacta (HC).

A Estrutura Cristalina Cbica de Faces Centradas

A estrutura cristalina encontrada em muitos metais possui uma clula unitria com geometria cbica, com os tomos localizados em cada um dos vrtices e nos centos de todas as faces do cubo. Essa estrutura adequadamente chamada de estrutura cristalina cbica de faces centradas (CFC). Alguns dos matais mais familiares que possuem essa estrutura cristalina so o cobre, o alumnio, a prata e o ouro. A figura 2.1a mostra um modelo de esferas rgidas para a clula unitria CFC, enquanto na figura 2.1b os centros dos tomos esto representados por com o objetivo de proporcionar uma melhor perspectiva dos tomos. O agregado de tomos na figura 2.1c AUTORES:: AUTORES KAIO H.. DUTRA // VALTER D.. DE PREITAS KAIO H DUTRA VALTER D DE PREITAS

16

TECNOLOGIA DOS MATERIAIS TECNOLOGIA DOS MATERIAISrepresenta uma seo de um cristal que consiste em muitas clulas unitrias CFC. Essas esferas ou ncleos inicos se tocam umas as outras ao longo de uma diagonal da face; o comprimento da aresta do cubo a e o raio atmico R esto relacionados atravs da expresso:

Na estrutura CFC, cada tomo em um vrtice compartilhado por oito clulas unitrias, enquanto um tomo localizado no centro de uma face pertence a apenas duas clulas. Portanto, um oitavo de cada um dos oito tomos em vrtices, ou um total de quatro tomos inteiros, pode ser atribudo a uma dada clula unitria. Isso est mostrado na figura 2.1a, onde esto representadas apenas as fraes das esferas que esto dentro dos limites do cubo. A clula unitria compreende o volume do cubo que gerado a partir dos centros dos tomos nos vrtices, como mostrado na figura. As posies nos vrtices e nas faces so na realidade equivalentes; isto , uma translao do vrtice do cubo de um tomo originalmente em um vrtice para o centro de um tomo localizado em uma das faces no ir alterar a estrutura da clula unitria. Duas outras caractersticas importantes de uma estrutura cristalina so o nmero de coordenao e o Fator de Empacotamento Atmico (FEA). Nos metais, todos os tomos possuem o mesmo nmero de vizinhos mais prximos ou tomos em contato, o que constitui o seu nmero de coordenao. No caso das estruturas cristalinas cbicas de faces centradas, o nmero de coordenao 12. Isso pode ser confirmado atravs de um exame da figura 2.1a, o tomo na face anterior possui como vizinhos mais prximos quatro tomos que esto localizados nos vrtices ao seu redor, quatro tomos que esto localizados nas faces que esto em contato pelo lado de trs, e quatro outros tomos de faces equivalentes na prxima clula unitria, sua frente, os quais no esto representados na figura. O FEA representa a frao do volume de uma clula unitria que corresponde s esferas slidas, assumindo o modelo das esferas atmicas rgidas, ou: AUTORES:: AUTORES KAIO H.. DUTRA // VALTER D.. DE PREITAS KAIO H DUTRA VALTER D DE PREITAS

17


Para a estrutura CFC, o fator de empacotamento atmico de 0,74, o qual consiste no mximo empacotamento possvel para um conjunto de esferas onde todas as esferas possuem o mesmo dimetro. Tipicamente, os metais possuem fatores de empacotamento atmico relativamente elevados, a fim de maximizar a proteo conferida pelo gs de eltrons livres.

A Estrutura Cristalina Cbica de Corpo Centrado

Uma estrutura cristalina metlica comumente encontrada tambm possui uma clula unitria cbica, com tomos localizados em todos os oito vrtices e um nico outro tomo localizado no centro do cubo. Essa estrutura conhecida por estrutura cristalina cbica de corpo centrado (CCC). Um conjunto de esferas demonstrando essa estrutura cristalina est mostrado na figura 2.2c, enquanto as figuras 2.2a e 2.2b representam diagramas de clulas unitrias CCC onde os tomos esto representados de acordo com os modelos de esferas reduzidas, respectivamente. Os tomos no centro e nos vrtices se tocam uns nos outros ao longo das diagonais do cubo, e o comprimento da clula unitria a e o raio atmico R esto relacionados atravs da expresso:

O cromo, o ferro e o tungstnio, assim como diversos outros metais, exibem uma estrutura cristalina do tipo CCC. AUTORES:: AUTORES KAIO H.. DUTRA // VALTER D.. DE PREITAS KAIO H DUTRA VALTER D DE PREITAS18


Dois tomos esto associados a cada clula unitria CCC: o equivalente a um tomo, distribudo entre os oito vrtices do cubo, onde cada tomo em um vrtice compartilhado por oito clulas unitrias, e o nico tomo no centro do cubo, o qual est totalmente contido dentro da sua clula. Alm disso, as posies atmicas central e no vrtice so equivalentes. O nmero de coordenao para a estrutura cristalina CCC 8; cada tomo central possui os oito tomos localizados nos vrtices do cubo como seus vizinhos mais prximos. Uma vez que o nmero de coordenao menor na estrutura CCC do que na estrutura CFC, o fator de empacotamento atmico na estrutura CCC tambm menor do que na CFC, sendo de 0,68, contra 0,74 na CFC.

A Estrutura Cristalina Hexagonal Compacta

Nem todos os metais possuem clulas unitrias com simetria cbica; a ltima estrutura cristalina comumente encontrada nos metais que ser vista aqui possui uma clula unitria com formato hexagonal. A figura 2.3a mostra uma clula unitria com esferas reduzidas para essa AUTORES:: AUTORES KAIO H.. DUTRA // VALTER D.. DE PREITAS KAIO H DUTRA VALTER D DE PREITAS19

TECNOLOGIA DOS MATERIAIS TECNOLOGIA DOS MATERIAISestrutura, que conhecida por hexagonal compacta (HC); uma construo composta por vrias clulas unitria HC est representada a figura 2.3b. As faces superior e inferior da clula unitria so compostas por seis tomos que formam hexgonos regulares e que se encontram ao redor de um nico tomo central. Outro plano que contribui com trs tomos adicionais para a clula unitria est localizado entre os planos superior e inferior. Os tomos localizados nesse plano intermedirio possuem como vizinhos mais prximos tomos em ambos os planos adjacentes. O equivalente a seis tomos est contido em cada clula unitria; um sexto de cada um dos 12 tomos localizados nos vrtices das faces superior e inferior, metade de cada um dos dois tomos no centro das faces superior e inferior, e todos os trs tomos interiores que compe o plano intermedirio. Se a e c representam, respectivamente, as dimenses menor e maior da clula unitria na figura 2.2a, a razo c/a deve ser de 1,633; contudo, no caso de alguns metais que apresentam a estrutura cristalina HC, essa razo apresenta um desvio em relao ao valor ideal.


20

TECNOLOGIA DOS MATERIAIS TECNOLOGIA DOS MATERIAISO nmero de coordenao e o fator de empacotamento atmico para a estrutura cristalina HC so os mesmos que para a estrutura cristalina CFC, ou seja: 12 e 0,74, respectivamente. Os metais HC so o cdmio, o magnsio, o titnio e o zinco.

2.5 Clculos da Densidade - Metais

Um conhecimento da estrutura cristalina de um slido metlico permite o clculo da sua densidade terica, , que obtida atravs da seguinte relao:

Onde: n = nmero de tomos associados a cada clula unitria; A = peso atmico; VC = volume da clula unitria; NA = nmero de Avogrado (6,023 x 1023 tomos/mol).


21

TECNOLOGIA DOS MATERIAIS TECNOLOGIA DOS MATERIAISEXERCCIOS

1)

Calcular o volume de uma clula unitria CFC em termos do raio atmico R.

2) Mostrar que o fator de empacotamento atmico para a estrutura cristalina CFC de 0,74.

3) O cobre possui um raio atmico de 0,128 nm, uma estrutura cristalina CFC, e um peso atmico de 63,5g/mol. Calcular sua densidade terica e comparar a resposta com sua densidade medida experimentalmente (8,94g/cm).


22


3. DIAGRAMAS DE FASES3.1 Introduo

A compreenso dos diagramas de fases para sistemas de ligas extremamente importante, pois existe uma forte correlao entre a microestrutura e as propriedades mecnicas, e o

desenvolvimento da microestrutura de uma liga est relacionado s caractersticas do seu diagrama de fases. Os diagramas de fases fornecem informaes valiosas sobre os fenmenos da fuso, fundio, cristalizao e outros.

DEFINIES E CONCEITOS BSICOS

Componente: os componentes so metais puros e/ou os compostos que compem uma liga. Por exemplo: em um lato cobre-zinco, os componentes so Cu e Zn. Solvente: elemento ou composto que est presente em maior quantidade; ocasionalmente os tomos de solvente tambm so chamados de tomos hospedeiros. Soluto: usado para indicar um elemento ou composto que est em menor oncentrao. Sistema: possui dois significados: 1 pode se referir a um corpo especfico do material que est sendo considerado; por exemplo: uma panela de fundio com ao fundido. 2 pode est relacionado srie de possveis ligas compostas pelos mesmos componentes, porm de maneira independente da composio da liga; por exemplo: o sistema ferrocarbono. Soluo slida: uma formao slida se forma quando, medida que os tomos de soluto so adicionados ao material hospedeiro, a estrutura cristalina mantida e nenhuma nova estrutura AUTORES:: AUTORES KAIO H.. DUTRA // VALTER D.. DE PREITAS KAIO H DUTRA VALTER D DE PREITAS23

TECNOLOGIA DOS MATERIAIS TECNOLOGIA DOS MATERIAISformada. Vejamos uma analogia com uma soluo lquida: se dois lquidos solveis um no outro (tais com a gua e o lcool) forem combinados, ser produzida uma soluo lquida medida que as molculas de ambos forem se misturando, e a composio se manter homognea ao longo de toda a extenso de lquido resultante. Uma soluo slida tambm homognea em termos de

composio; os tomos de impureza esto distribudos aleatoriamente no interior do slido.

3.2 Limite de Solubilidade

Para muitos sistemas de ligas e em uma dada temperatura especfica, existe uma concentrao mxima de tomos de soluto que pode se dissolver no solvente para formar uma soluo slida; a isto, chamamos de limite de solubilidade. A adio de soluto em excesso, alm desse limite de solubilidade, resulta na formao de uma outra soluo slida ou de um outro composto que possui uma composio marcadamente diferente. Vejamos como exemplo o sistema acar-gua (C12H22O11-H2O). Inicialmente, quando o acar adicionado a gua, forma-se uma soluo ou xarope acar-gua. medida que mais acar introduzido, a soluo se torna mais concentrada, at que o limite de solubilidade atingido, quando ento a soluo fica saturada com acar. Nesse instante, a soluo no capaz de dissolver qualquer quantidade adicional de acar, e as adies subseqentes simplesmente

sedimentam no fundo do recipiente. Dessa forma, o sistema consiste agora em duas substncias separadas: uma soluo lquida de xarope acar-gua e cristais slidos de acar que no foram dissolvidos.

3.3 Fases

Uma fase pode ser definida como uma poro homognea de um sistema que possui caractersticas fsicas e qumicas uniformes. Todo material puro considerado uma fase. Da mesma forma, assim o so todas as solues slidas, lquidas e gasosas. Por exemplo, a soluo de xarope acar-gua, discutida, consiste em uma fase, enquanto o acar slido consiste em uma outra fase. AUTORES:: AUTORES KAIO H.. DUTRA // VALTER D.. DE PREITAS KAIO H DUTRA VALTER D DE PREITAS

24

TECNOLOGIA DOS MATERIAIS TECNOLOGIA DOS MATERIAISCada uma dessas fases possui propriedades fsicas diferentes (uma um lquido a outra um slido); alm disso, cada fase quimicamente diferente (isto , possui uma composio qumica diferente); uma consiste virtualmente em acar puro, a outra consiste em uma soluo de H2O e C12H22O11. Se mais de uma fase estiver presente em um dado sistema, cada fase ter suas prprias propriedades individuais, e existir uma fronteira separando as fases atravs da qual existir uma mudana descontnua e abrupta nas caractersticas fsicas e/ou qumicas. Quando duas fases esto presentes em um sistema, no necessrio que existam diferenas tanto nas propriedades fsicas como nas propriedades qumicas; uma disparidade em um ou noutro conjunto de propriedades j suficiente. Quando gua e gelo esto presentes em um recipiente, existem duas fases separadas; elas so fisicamente diferentes (uma um slido, a outra um lquido), porm ambas so idnticas em constituio qumica. Alm disso, quando uma substncia pode existir em duas ou mais formas polimrficas (por exemplo, quando possui tanto estrutura CFC como CCC), cada uma dessas estruturas consiste em uma fase separada, pois suas respectivas caractersticas fsicas so diferentes.

3.4 Microestrutura

Muitas vezes, as propriedades fsicas e, em particular, o comportamento mecnico de um material, dependem da microestrutura. A microestrutura est sujeita a uma boa observao direta atravs de um microscpio, utilizando-se microscpio ptico ou eletrnico. Nas ligas metlicas, a microestrutura caracterizada pelo nmero de fases presentes, por suas propores e pela maneira segundo a qual elas esto distribudas ou arranjadas. A microestrutura de uma liga depende de variveis tais como os elementos de liga que esto presentes, suas concentraes e o tratamento trmico a que a liga foi submetida (isto , a temperatura, o tempo de aquecimento temperatura do tratamento e a taxa de resfriamento at a temperatura ambiente). Normalmente, preparos de superfcie cuidadosos e meticulosos so necessrios para revelar os detalhes importantes de microestruturas. A superfcie da amostra deve ser primeiro lixada e polida, at atingir um acabamento liso e espelhado. Isso conseguido utilizando-se papis e ps sucessivamente mais finos. A microestrutura revelada mediante a aplicao de um tratamento de superfcie que emprega um reagente qumico apropriado, em um procedimento conhecido por ataque qumico, aps este ataque, as diferentes fases podem ser distinguidas pelas suas aparncias. AUTORES:: AUTORES KAIO H.. DUTRA // VALTER D.. DE PREITAS KAIO H DUTRA VALTER D DE PREITAS

25

TECNOLOGIA DOS MATERIAIS TECNOLOGIA DOS MATERIAISPor exemplo, no caso de uma liga bifsica, uma fase pode aparecer clara, enquanto a outra fase aparece escura, como o caso para a figura 3.1.

Quando somente uma nica fase ou uma nica soluo slida est presente a textura uniforme, exceto pelos contornos dos gros que podem estar revelados, como mostrado na figura 3.2.


26


3.5 Equilbrio de Fases

Equilbrio outro conceito essencial. Este pode ser mais bem descrito em termos de uma grandeza termodinmica conhecida como energia livre. Sucintamente, a energia livre uma funo da energia interna de um sistema e tambm da aleatoriedade ou desordem dos tomos ou molculas (entropia). Um sistema est em equilbrio quando sua energia livre se encontra em um valor mnimo para uma combinao especfica de temperatura, presso e composio. Em um sentido macroscpico, isto significa que as caractersticas do sistema no mudam ao longo do tempo, mas persistem indefinidamente; isto , o sistema estvel. Uma alterao na presso, na temperatura e/ou na composio de um sistema em equilbrio ir resultar em um aumento na energia livre e em uma possvel mudana espontnea para outro estado onde a energia livre seja reduzida. A expresso equilbrio de fases, usada com freqncia no contexto dessa discusso, refere-se ao equilbrio na medida em que esse se aplica a sistemas onde pode existir mais do que uma nica fase. O equilbrio de fases se reflete em uma constncia nas caractersticas das fases de um sistema ao longo do tempo. Vejamos um exemplo, a fim de ilustrar melhor este conceito. Suponha que um xarope acar-gua esteja contido no interior de um vasilhame fechado e que a soluo esteja em contato com acar no estado slido temperatura de 20C. Se o sistema se encontra em equilbrio, a composio do xarope ser de 65%p C12H22O11-35%p H2O, e as quantidades e composies do xarope e do acar slido iro permanecer constantes ao longo do tempo. Se a temperatura do sistema for aumentada repentinamente, vamos dizer, at 100C, esse equilbrio ficar temporariamente perturbado, no sentido de que o limite de solubilidade foi aumentado para 80%p C12H22O11. Dessa forma, uma parte do acar slido ir se transferir para a soluo, no xarope. Esse fenmeno prosseguir at que a nova concentrao de equilbrio do xarope seja estabelecida temperatura mais alta. Esse exemplo acar-xarope ilustrou o princpio do equilbrio de fases usando um sistema lquido-slido. Em muitos sistemas metalrgicos e de materiais de interesse, o equilbrio de fases envolve apenas fases slidas. Nesse sentido, o estado do sistema se reflete nas caractersticas da microestrutura, a qual necessariamente inclui no apenas as fases presentes e suas composies, mas, alm disso, as quantidades relativas das fases e seus arranjos ou distribuies espaciais. AUTORES:: AUTORES KAIO H.. DUTRA // VALTER D.. DE PREITAS KAIO H DUTRA VALTER D DE PREITAS27


DIAGRAMAS DE FASES EM CONDIES DE EQUILBRIO

Muitas das informaes sobre o controle da microestrutura ou da estrutura das fases de um sistema de ligas especfico so mostradas de uma maneira conveniente e concisa no que chamado de diagrama de fases, com freqncia tambm denominado diagrama de equilbrio ou diagrama constitucional. Muitas microestruturas se desenvolvem a partir das transformaes de fases, que so as mudanas que ocorrem entre as fases quando a temperatura modificada (ordinariamente, atravs de um processo de resfriamento). Isso pode envolver a transio de uma fase para outra, ou o aparecimento ou desaparecimento de uma fase. Os diagramas de fases so teis para prever as transformaes de fases e as microestruturas resultantes, que podem apresentar uma natureza de equilbrio ou de ausncia de equilbrio Os diagramas de equilbrio representam as relaes existentes entre a temperatura e as composies, e as quantidades de cada fase em condies de equilbrio. Existem diversos tipos de diagramas diferentes; contudo, apenas a temperatura e a composio, so os parmetros para ligas binrias, assunto de nosso estudo. Uma liga binria uma liga que contm dois componentes. Se mais de dois componentes estiverem presentes, os diagramas de fases se tornam extremamente complicados e difceis de serem representados. Os princpios empregados para o controle da microestrutura com auxlio de digramas de fases podem ser ilustrados atravs de ligas binrias, mesmo que, na realidade, a maioria das ligas contenha mais do que apenas dois componentes.

3.6 Sistemas Isomorfos Binrios

Possivelmente, o tipo de diagrama de fases binrio mais fcil de ser compreendido e interpretado aquele caracterizado pelo sistema cobre-nquel figura 3.3.


28


A temperatura traada ao longo da ordenada; enquanto a abscissa representa a composio da liga, em porcentagem de peso na escala inferior e porcentagem atmica na escala superior, de nquel. A composio varia de 0%p Ni (100%p Cu) na extremidade horizontal esquerda e 100%p Ni (0%p Cu) na outra extremidade, direita. Trs regies, ou campos, de fases diferentes aparecem no diagrama, um campo alfa (), um campo lquido (L), e um campo bifsico + L. Cada regio definida pela fase ou pelas fases que existem ao longo das faixas de temperaturas e de composies que esto delimitadas pelas curvas de fronteira entre as fases. O lquido L consiste em uma soluo lquida homogenia, composta tanto por cobre quanto por nquel. A fase consiste em uma soluo slida substitucional que contm tomos tanto de Cu quanto de Ni e que possui uma estrutura cristalina CFC.


29

TECNOLOGIA DOS MATERIAIS TECNOLOGIA DOS MATERIAISA temperaturas abaixo de aproximadamente 1080C, o cobre e o nquel so mutuamente solveis no estado slido para toda e qualquer combinao de composies. Essa solubilidade completa explicada pelo fato de que tanto o Cu como o Ni possuem a mesma estrutura cristalina (CFC), raios atmicos e eletronegatividades praticamente idnticos, e valncias semelhantes. O sistema cobre-nquel chamado de isomorfo devido a esta completa solubilidade dos dois componentes nos estados lquido e slido. Para as ligas metlicas, as solues slidas so designadas usualmente por meio de letras gregas minsculas (, , etc.). Alm disso, em relao s fronteiras entre as fases, a linha que separa os campos das fases L e + L chamada de linha liquidus, como est mostrado na figura 3.3; a fase lquida est presente em todas as temperaturas e composies localizadas acima desta linha. A linha solidus est localizada entre as regies e + L, e abaixo dela existe somente a fase slida . As linhas solidus e liquidus se interceptam nas duas extremidades de composio; esses pontos correspondem s temperaturas de fuso dos componentes puros. Por exemplo, as temperaturas de fuso do cobre puro e do nquel puro so, respectivamente, 1085C e 1453C. O aquecimento do cobre puro corresponde a um movimento vertical, para cima, ao longo do eixo da temperatura pelo lado esquerdo. O cobre permanece no estado slido at a sua temperatura de fuso ser atingida. A transformao do estado slido para o estado lquido ocorre na temperatura de fuso, e nenhum aquecimento adicional possvel at que essa transformao tenha sido completa. Para qualquer composio que no a de componentes puros, esse fenmeno de fuso ir ocorrer ao longo de uma faixa de temperaturas entre as linhas solidus e liquidus; as duas fases, slido e lquido L, estaro presentes em equilbrio dentro dessa faixa de temperaturas. Por exemplo: ao se aquecer uma liga com composio de 60%p Ni-40%p Cu, figura 3.3, a fuso tem incio a uma temperatura de aproximadamente 1280C (2340F); a quantidade da fase lquida aumenta continuamente com elevao da temperatura at aproximadamente 1320C (2410C), quando a liga fica completamente lquida.


30

TECNOLOGIA DOS MATERIAIS TECNOLOGIA DOS MATERIAIS3.7 Interpretao de diagramas de fases

Para um sistema binrio com composio e temperatura conhecidas e que se encontra em um estado de equilbrio, pelo menos trs tipos de informaes esto disponveis: 1 as fases que esto presentes; 2 as composies dessas fases; 3 as porcentagens ou fraes das fases. Os procedimentos para efetuar essas determinaes sero demonstrados usado o sistema cobre-nquel.

Fases Presentes

O estabelecimento de quais fases presentes relativamente simples. Tudo o que precisa ser feito localizar o ponto temperatura-composio de interesse no diagrama de fase e observar com qual(is) fase(s) o campo de fases correspondente est identificado. Por exemplo, uma liga com composio de 60%p Ni-40%p Cu temperatura de 1100C estaria localizada no ponto A da figura 3.3; uma vez que este ponto se encontra dentro da regio , apenas a fase estar presente. Por outro lado, uma liga com composio de 35%p Ni-65%p Cu temperatura de 1250C, ponto B, consistir, em condies de equilbrio, tanto na fase como na fase lquida.

Determinao das composies das Fases

A primeira etapa na determinao das composies das fases (em termos das concentraes dos componentes) consiste em se localizar o ponto temperatura-composio correspondente no diagrama de fases. Mtodos diferentes so usados para as regies monofsicas e AUTORES:: AUTORES KAIO H.. DUTRA // VALTER D.. DE PREITAS KAIO H DUTRA VALTER D DE PREITAS

31

TECNOLOGIA DOS MATERIAIS TECNOLOGIA DOS MATERIAISbifsicas. Se apenas uma fase est presente, o procedimento simples, a composio dessa fase simplesmente a mesma que a composio global da liga. Por exemplo, considere uma liga com 60%p Ni-40%p Cu temperatura de 1100C, ponto A da figura 3.3. Nessa combinao de composio e temperatura, somente a fase est presente, e esta possui uma composio 60%p Ni40%p Cu. Para uma liga com uma combinao de composio e temperatura localizada em uma regio bifsica, a situao mais complicada. Em todas as regies bifsicas, e somente nas regies bifsicas, pode ser imaginada a existncia de uma srie de linhas horizontais, uma para cada temperatura diferente. Cada uma dessas linhas conhecida como linha de amarrao, ou algumas vezes como isoterma. Essas linhas de amarrao se estendem atravs da regio bifsica. Para calcular as concentraes das duas fases em condio de equilbrio, deve-se seguir o seguinte procedimento: 1 Uma linha de amarrao construda atravs da regio bifsica na temperatura em que a liga se encontra; 2 So anotadas as intersees da linha de amarrao com as fronteiras entre as fases em ambas; 3 So traadas linhas perpendiculares linha de amarrao, a partir dessas intersees, at o eixo horizontal das composies, onde pode ser lida a composio de cada uma das respectivas fases. Por exemplo, vamos considerar novamente a liga com composio de 35%p Ni-65%p Cu temperatura de 1250C, localizada no ponto B na figura 3.4, que se encontra dentro da regio + L. Dessa forma, o problema consiste em se determinar a composio (em termos de %Ni e %Cu) tanto para a fase quanto para a fase lquida. A linha de amarrao foi construda atravs da regio contendo as fases + L (lquido), como mostrado na figura 3.4. A linha perpendicular traada a partir da interseo da linha de amarrao com a fronteira liquidus se encontra com o eixo das composies em 31,5%p Ni-68,5%p Cu, que corresponde composio da fase lquida, CL.


32


De maneira semelhante, para a interseo da linha de amarrao com a linha solidus, encontramos uma composio para a fase composta pela soluo slida , C, de 42,5%p Ni57,5%p Cu.

Determinao das Quantidades das Fases

As quantidades relativas (como frao ou como porcentagem) das fases presentes em condies de equilbrio tambm podem ser calculadas com auxlio dos diagramas de fases. Novamente, os casos monofsicos e bifsicos devem ser tratados separadamente. A soluo para uma regio monofsica bvia. Uma vez que apenas uma fase est presente, a liga composta integralmente por aquela fase, isto , a frao da fase 1,0 ou, de outra forma, a porcentagem de 100%. A partir do exemplo anterior para a liga com 60%p Ni-40%p Cu temperatura de 1100C (ponto A da figura 3.3), somente a fase est presente; portanto, a liga composta totalmente ou em 100% pela fase .


33

TECNOLOGIA DOS MATERIAIS TECNOLOGIA DOS MATERIAISSe a posio para a combinao de composio e temperatura estiver localizada dentro de uma regio bifsica, a complexidade ser maior. A linha de amarrao ser utilizada em conjunto com um procedimento conhecido freqentemente como regra da alavanca (ou regra da alavanca inversa), o qual aplicado da seguinte maneira: 1 a linha da amarrao construda atravs da regio bifsica na temperatura da liga. 2 a composio global da liga localizada sobre a linha de amarrao. 3 a frao de uma fase calculada tomando-se o comprimento da linha de amarrao desde a composio global da liga at a fronteira entre fases com a outra fase e dividindo-se esse valor pelo comprimento total da linha de amarrao. 4 a frao da outra fase determinada de maneira semelhante. 5 se forem desejadas as porcentagens das fases, a frao de cada fase deve ser multiplicada por 100. No emprego da regra da alavanca, os comprimentos dos segmentos da linha de amarrao podem ser determinados ou pela medio direta no diagrama de fases, usando-se uma rgua com escala linear, de preferncia graduada com milmetros, ou mediante a subtrao das composies conforme a leitura das mesmas no eixo das composies. Vamos considerar novamente o exemplo mostrado na figura 3.3, onde a temperatura de 1250C ambas as fases, e lquida, esto presentes para uma liga com composio 35%p Ni-65%p Cu. O problema consiste em calcular a frao de cada uma das fases, e lquido. A linha de amarrao que foi usada para a determinao das composies das fases e L foi construda. A composio global da liga localizada ao longo da linha de amarrao e est representada como CO, enquanto as fraes mssicas esto representadas como WL e W para as respectivas fases L e . A partir da regra da alavanca, o valor de WL pode ser calculado de acordo com a expresso:


34


ou pela subtrao das composies,

Para uma liga binria, a composio precisa ser especificada em termos de apenas um dos seus componentes constituintes; para o clculo acima, ser usada a porcentagem a porcentagem em peso de nquel (isto , CO = 35%p Ni, C = 42,5%p Ni e CL = 31,5%p Ni), e:

De maneira semelhante, para a fase ,

Obviamente so obtidas respostas idnticas quando so usadas composies expressas em termos da porcentagem em peso de cobre em vez de porcentagem em peso de nquel.


35

TECNOLOGIA DOS MATERIAIS TECNOLOGIA DOS MATERIAISDessa forma, para uma liga binria, a regra da alavanca pode ser empregada para determinar as quantidades ou as fraes relativas das fases em qualquer regio bifsica, desde que a temperatura e a composio sejam conhecidas e que tenha sido estabelecida uma condio de equilbrio. fcil confundir os procedimentos anteriores para a determinao das composies das fases e das quantidades fracionrias das fases; dessa forma apropriado fazer um breve resumo. As composies das fases so expressas em termos das porcentagens em peso dos componentes (por exemplo, %p Cu, %p Ni). Para qualquer liga que consista em uma nica fase, a composio dessa fase a mesma que a composio global da liga. Se duas fases estiverem presentes, deve ser empregada uma linha de amarrao, cujas extremidades determinam as composies das respectivas fases. Em relao s quantidades fracionarias das fases (por exemplo, a frao mssica da fase ou da fase lquida) quando existe uma nica fase, a liga composta totalmente por essa fase. Por outro lado, no caso de uma liga bifsica, deve ser utilizada a regra da alavanca, onde tomada a razo entre os comprimentos dos segmentos da linha de amarrao.

EXERCCIOS

1) Uma liga cobre-nquel com composio de 70%p Ni-30%p Cu aquecida a partir de uma temperatura de 1300C (2379F) a. A qual temperatura se forma a primeira frao de fase lquida? b. Qual a composio dessa fase lquida? c. A qual temperatura ocorre a fuso completa da liga? d. Qual a composio da ltima frao de slido que permanece no meio antes da fuso completa?


36

TECNOLOGIA DOS MATERIAIS TECNOLOGIA DOS MATERIAIS.4. O SISTEMA FERRO-CARBONO4.1 Introduo

De todos os sistemas de ligas binrias, a que possivelmente seja a mais importante o sistema ferro e carbono. Tanto os aos quanto os ferros-fundidos, principais materiais estruturais em todas as culturas tecnologicamente avanadas, so essencialmente ligas ferro-carbono. Esta seo devotada ao estudo do diagrama de fases para este sistema e o desenvolvimento de vrias possveis microestruturas.

4.2 O Diagrama de Fases Ferro-Carbono(Fe-Fe3C)

Uma parte do diagrama de fase ferro-carbono est apresentada na Figura 4.1. O ferro puro, no aquecimento, experimenta duas mudanas em sua estrutura cristalina antes de se fundir. temperatura ambiente em sua forma estvel, chamada ferrita ou ferro , possui uma estrutura cristalina CCC. A ferrita experimenta uma transformao, aps aquecimento, mudando de fase, de ferrita () para austenita () CFC, ou ferro , a 912C. Esta austenita persiste at 1394C, temperatura na qual a austenita CFC se reverte de volta para a fase CCC conhecida como ferrita (), que finalmente se funde a 1538C. Todas estas mudanas so visveis ao longo do eixo vertical esquerdo do diagrama de fases.


37


Fig. 4.1 Diagrama Ferro carbono O eixo de composio na Figura 4.1 se estende apenas at 6,70%C, em peso; nesta concentrao o composto intermedirio carboneto de ferro (ou carbeto de ferro), ou cementita (Fe3C), formada, sendo ela representada por uma linha vertical no diagrama de fases. Assim o sistema ferro-carbono pode ser dividido em 2 partes: uma poro rica em ferro, como mostrado na Fig. 4.1 e a outra (no mostrada) para composies entre 6,70%C e 100%C em peso (grafita pura). Na prtica, todos os aos e ferros-fundidos tm teores de carbono menores do que 6,70%C, em peso; portanto, ns consideramos apenas o sistema ferro-carboneto de ferro. A austenita, ou a fase do ferro, quando em liga justamente com o carbono, no estvel abaixo de 727C, como indicado na Fig. 4.1. Como demonstrado nas discusses que se seguem, transformaes de fase envolvendo austenita so muito importantes no tratamento trmico dos aos. Fig. 4.2 mostra duas micrografias, uma da fase ferrita () outra da fase austenita ().


38


Fig.4.2 Microestruturas do ao A cementita (Fe3C) se forma quando o limite de solubilidade de carbono no ferro excedido a uma temperatura abaixo de 727C. Como indicado na Fig. 4.1, Fe3C tambm coexistir com a fase entre 727 e 1148C. Mecanicamente cementita muito dura e frgil; a resistncia de alguns aos grandemente melhorada pela sua presena. As regies bifsicas esto expostas na Fig. 4.1. Pode-se notar que existe uma transformao de uma fase lquida em duas fases slidas, reao esta titulada de Reao Euttica para o sistema ferro-carboneto de ferro, em 4,30%C e 1148C. Segue a Reao:

Onde, atravs do resfriamento a fase lquida (L) se transforma em duas fases slidas, a austenita () e a cementita (Fe3C), pode-se notar que com o aquecimento, temos a reao inversa. Pode-se tambm notar a existncia de outra transformao de fase, onde uma fase slida se transforma em duas fases outras fases slidas, reao titulada de Reao Eutetide para o sistema ferro-carbono numa composio de 0,77%C, em peso, e numa temperatura de 727C. Esta reao eutetide pode ser representada por:


39


Onde, atravs do resfriamento a fase slida () se transforma em duas outras fases slidas, a ferrita () e a cementita (Fe3C), pode-se notar que com o aquecimento, temos a reao inversa, chamada de autenitizao do ao, esta transformao muito importante e discutida de forma mais profunda em captulos posteriores. Ligas ferrosas so aquelas nas quais ferro o principal componente, mas o carbono bem como outros elementos de liga podem estar presentes. No esquema de classificao de ligas ferrosas baseadas em teor de carbono, existem 3 tipos: ferro, ao e ferro fundido. Ferro comercialmente puro contm menos do que 0,008%C, em peso, e, a partir do diagrama de fases, composto quase que exclusivamente de fase ferrita temperatura ambiente. As ligas ferro-carbono que contm entre 0,008 e 2,11%C, em peso, so classificadas como aos. Na maioria dos aos a microestrutura consiste das fases tanto quanto Fe3C. Embora um ao possa conter at 2,11%C, em peso, na prtica, raramente as concentraes de carbono excedem 1,0%C, em peso. Ferros fundidos so classificados como ligas ferrosas que contm entre 2,11 e 6,70%C, em peso. Entretanto, ferros fundidos comerciais normalmente contm menos do que 4,5%C, em peso.

4.3 - Desenvolvimento de Microestruturas em Ligas Ferro-Carbono

Algumas das diversas microestruturas que podem ser produzidas em aos e suas correlaes com o diagrama de fases ferro-carboneto do ferro so agora discutidas e mostrado que a microestrutura que se desenvolve depende tanto do teor de carbono quanto do tratamento trmico. A discusso confinada a resfriamento muito lento de aos, no qual equilbrio continuamente mantido. Uma exposio mais detalhada da influncia do tratamento trmico sobre a microestrutura e por fim sobre as propriedades mecnicas, est contida posteriormente. Considere-se, por exemplo, uma liga de composio eutetide (0,77%C, em peso) quando ela resfriada a partir de uma temperatura situada na regio da fase , digamos, 800C, isto , comeando no ponto a da Figura 4.3 e movendo-se para baixo ao longo da linha vertical xx'. AUTORES:: AUTORES KAIO H.. DUTRA // VALTER D.. DE PREITAS KAIO H DUTRA VALTER D DE PREITAS

40

TECNOLOGIA DOS MATERIAIS TECNOLOGIA DOS MATERIAISInicialmente, a liga composta inteiramente da fase austenita, tendo uma composio de 0,77%C, em peso, e a correspondente microestrutura, so indicadas na Figura 4.3. Quando a liga for resfriada, no haver nenhuma mudana at que se atinja a temperatura eutetide (727C). Ao se cruzar esta temperatura para o ponto b, a austenita se transforma de acordo com a reao eutetide mostrada anteriormente. A microestrutura para este ao eutetide que lentamente resfriado atravs da temperatura eutetide, pode ser distinguida pelas suas camadas alternadas de lamelas das 2 fases ( e Fe3C) que se formam simultaneamente durante a transformao. Neste caso, a espessura relativa da camada aproximadamente 8 para 1.

Fig. 4.3 Resfriamento, seguindo a transformao eutetide Esta microestrutura, representada esquematicamente na Figura 4.3, ponto b, chamada de Perlita. A Figura 4.4 uma micrografia de um ao eutetide mostrando a perlita. As espessas camadas claras so da fase ferrita , e a fase cementita aparece como lamelas finas em sua maioria aparecendo escuras. Mecanicamente, perlita tem propriedades intermedirias entre a ferrita dctil e macia e a cementita dura e frgil.


41


Fig. 4.4 - Perlita As camadas alternadas e Fe3C na perlita se formam porque a composio da fase que lhe deu origem diferente de ambas as fases geradas como produto e porque a transformao de fases que exige que exista uma redistribuio do carbono. A Fig. 4.5 mostra esquematicamente as alteraes que acompanham essas alteraes. Os tomos de carbono se difundem para longe das regies da ferrita, e em direo s camadas de cementita.

Fig. 4.5 Difuso do carbono na reao eutetide


42

TECNOLOGIA DOS MATERIAIS TECNOLOGIA DOS MATERIAIS4.4 Ligas Hipoeutetides

Microestruturas para ligas ferro-carboneto de ferro tendo composio diferente da eutetide so agora exploradas. Considere-se uma composio Co para o lado esquerdo do ponto eutetide, entre 0,022 e 0,77%C, em peso; essa conhecida como uma liga hipoeutetide (menos do que eutetide). O resfriamento de uma liga desta composio est representado pelo movimento para baixo ao longo da linha vertical yy' na Figura 4.6.

Fig. 4.6 Transformao Hipoeutetide A cerca de 875C, ponto c, a microestrutura consistir inteiramente de gros da fase , como mostrado esquematicamente na Fig. 4.6. Ao se resfriar at o ponto d, em torno de 775oC, que est dentro da regio de fase + , ambas estas fases coexistiro como na microestrutura esquemtica. A maioria das pequenas partculas se formam ao longo dos contornos dos gros originais.


43

TECNOLOGIA DOS MATERIAIS TECNOLOGIA DOS MATERIAISResfriamento a partir do ponto d at o ponto e, justo acima do ponto eutetide, mas ainda na regio de +, produzir um aumento na frao da fase e uma microestrutura similar quela tambm mostrada; as partculas de tero crescido e se tornado maior. A medida que a temperatura abaixada para imediatamente abaixo da temperatura eutetide, para o ponto f, toda a fase que estava presente na temperatura Te (e tendo a composio eutetide) se transformar em perlita, de acordo com a reao eutetide. No haver virtualmente nenhuma mudana na fase que existiu no ponto e ao cruzar a temperatura eutetide - ela estar normalmente presente como uma fase matriz contnua circundando as isoladas colnias de perlita. A microestrutura no ponto f se aparentar como a correspondente insero esquemtica da Fig. 4.6. Assim, a fase ferrita estar presente tanto na perlita quanto tambm na forma da fase que se formou durante o resfriamento atravs da regio de fase +. A ferrita que est presente na perlita chamada ferrita eutetide, enquanto que a outra, que se formou acima de Te, denominada ferrita proeutetide, como rotulada na Fig 4.6. A Fig 4.7 uma micrografia de um ao de 0,38%C, em peso; regies claras e grandes correspondem ferrita proeutetide. Para perlita, o espaamento entre as camadas a e Fe3C varia de gro a gro; alguma perlita aparenta escura porque as muitas camadas estreitamente espaadas no esto resolvidas na ampliao da micrografia. Pode-se tambm notar que 2 microconstituintes esto presentes nesta micrografia - ferrita proeutetide e perlita esto presentes em todas as ligas ferro-carbono hipoeutetides que so lentamente resfriadas at uma temperatura inferior eutetide


44


Fig. 4.7 Ao hipoeutetide 0,38%pC

4.5 Ligas Hipereutetides

Anlogas transformaes e microestruturas resultam para ligas hipereutetides, aquelas contendo entre 0,77 e 2,11%C, em peso, que so resfriadas a partir de temperaturas situadas dentro do campo de fase . Considere-se uma liga de composio C1 na Figura 4.8 que, no resfriamento, se move para baixo ao longo da linha zz'. Num ponto g somente a fase estar presente com uma composio de C1; a microestrutura parecer tal como mostrada, tendo apenas gro . No resfriamento para dentro do campo de fases + Fe3C, digamos, at o ponto h , a fase cementita comear a se formar ao longo dos contornos de gro originais, similar fase na Figura 4.6, ponto d. Esta cementita chamada cementita proeutetide - aquela que se forma antes da reao eutetide. Naturalmente, a composio da cementita permanece constante (6,70%C, em peso) enquanto a temperatura muda. Entretanto, a composio da fase austenita se mover ao longo da linha PO em direo ao ponto eutetide. A medida em que a temperatura abaixada atravs do ponto eutetide i , toda a austenita remanescente de composio eutetide convertida em perlita.


45


Fig. 4.8 - Transformao Hipereutetide

4.6 Resfriamento Fora do Equilbrio

Nesta discusso sobre desenvolvimento microestrutural de ligas ferro-carbono foi suposto que, no resfriamento, condies de equilbrio metaestvel foi continuamente mantido; isto , suficiente tempo foi permitido em cada nova temperatura para qualquer necessrio ajuste nas composies das fases e nas quantidades relativas de fases como previsto pelo diagrama de fases Fe-Fe3C. Na maioria das situaes estas taxas de resfriamento so impraticavelmente lentas e realmente desnecessrias; de fato, em muitas ocasies condies de fora de equilbrio so desejveis.


46

TECNOLOGIA DOS MATERIAIS TECNOLOGIA DOS MATERIAISEXERCCIOS1) Desenhe o diagrama de fases para ferro-carbono, mostre todas as fases e especifique cada uma? 2) Mostre e fale sobre as reaes Eutetide e Euttica. 3) Fale sobre a microestrutura perltica, quais as fases presentes? Como formada?


47

TECNOLOGIA DOS MATERIAIS TECNOLOGIA DOS MATERIAIS5. AOS E FERROS FUNDIDOS1. INTRODUO

O Ferro o metal mais utilizado pelo homem. A abundncia dos minerais, o custo relativamente baixo de produo e as mltiplas propriedades fsico-qumicas que podem ser obtidas com adio de outros elementos de liga so fatores que do ao metal uma extensa variedade de aplicaes. Alguns metais (cobre, por exemplo) podem ser empregados no estado quimicamente quase puro. Entretanto, isso no ocorre com o ferro. No uso prtico, est sempre ligado ao carbono e a outros elementos e, assim, no mbito da cincia dos materiais e tambm na linguagem do dia-adia, a palavra ferro pode ser entendida como uma liga dos elementos qumicos ferro, carbono e outros. Os itens a seguir do algumas definies bsicas. Ao: denominao genrica para ligas de ferro-carbono com teores de carbono de 0,08 a 2,11%, contendo outros elementos residuais do processo de produo e podendo conter outros propositalmente adicionados (elementos de liga). Ao-carbono: ao sem adio de elementos de liga. Ao-liga: ao com adio de elementos de liga. Ferro fundido: designao genrica para ligas de ferro-carbono com teores de carbono acima de 2,11%.

2. PRODUO

metalurgia do ao, d-se o nome de siderurgia. So apresentadas aqui, algumas informaes resumidas sobre a produo siderrgica, sem maiores detalhes. AUTORES:: AUTORES KAIO H.. DUTRA // VALTER D.. DE PREITAS KAIO H DUTRA VALTER D DE PREITAS

48

TECNOLOGIA DOS MATERIAIS TECNOLOGIA DOS MATERIAISA produo do ao a partir do minrio dada pela reduo qumica do xido nele contido com o carbono. O equipamento usado um forno de formato cilndrico vertical e de grande altura, por isso chamado de alto-forno.

So basicamente trs os ingredientes que so dispostos no alto-forno (fisicamente alimentados na parte superior do forno atravs de transportadores e outros equipamentos): 1) O minrio de ferro, isto , a substncia que contm o xido. 2) O calcrio (rocha base de carbonato de clcio), cuja funo bsica a remoo de impurezas. 3) O coque, que o agente combustvel e redutor. Coque normalmente produzido na prpria siderrgica, atravs da queima parcial do carvo mineral. Isso necessrio para remover o material voltil do carvo e, assim, aumentar sua resistncia mecnica de forma a suportar a carga de minrio e calcrio. AUTORES:: AUTORES KAIO H.. DUTRA // VALTER D.. DE PREITAS KAIO H DUTRA VALTER D DE PREITAS49

TECNOLOGIA DOS MATERIAIS TECNOLOGIA DOS MATERIAISNa Figura 01, um esquema simplificado da operao de um alto-forno. O gs que sai da parte superior do forno destilado para obter produtos como benzol, naftalina e outros. Aps esse processo, o gs ainda tem poder combustvel e pode ser usado na prpria siderrgica ou distribudo para outros consumidores. O processo consumidor intensivo de ar. Os dados a seguir so valores tpicos para cada tonelada produzida pelo alto-forno.

2 t de minrio. 0,5 t de calcrio. 1 t de coque. 4 t de ar.

H ainda os principais subprodutos: 0,5 t de escria. 0,6 t de gs.

O ferro que sai do alto-forno, denominado ferro-gusa, contm elevados teores de carbono e de impurezas. H necessidade, portanto, de um processo de refino para transform-lo em ao de utilidade prtica. Um dos principais processos o Siemens-Martin, que consiste no aquecimento, por determinado perodo, do ferro-gusa misturado com sucata de ao, em temperaturas na faixa de 1650C. Esquema simplificado conforme Figura 02.


50

TECNOLOGIA DOS MATERIAIS TECNOLOGIA DOS MATERIAIS3. EFEITOS DO TEOR DE CARBONO

O teor de carbono exerce significativa influncia nas propriedades mecnicas dos aos. As curvas do grfico da Figura 03 abaixo mostram, de forma aproximada, as variaes de dureza e de tenses de trao mxima e de escoamento com o teor de carbono do ao. Pode-se notar que a dureza aumenta progressivamente com o teor de carbono e que as tenses de trao tambm aumentam nos aos hipoeutetides, mas tendem a estabilizar-se nos hipereutetides. Na maioria dos materiais, a contrapartida para maior dureza maior fragilidade ou menor ductilidade. E essa regra tambm vlida para os aos.

Os grficos da Figura 04 do variaes aproximadas do alongamento e resistncia ao impacto em funo do teor de carbono. Portanto, teores maiores de carbono implicam maior fragilidade e menor ductilidade. Outro aspecto, importante em aplicaes estruturais, a capacidade de soldagem. Aos com at 0,3% C so considerados de soldagem fcil. De 0,3 a 0,5%, mdia. E, acima de 0,5% C, so de soldagem difcil.


51

TECNOLOGIA DOS MATERIAIS TECNOLOGIA DOS MATERIAIS4. EFEITO DOS ELEMENTOS DE LIGA

Quando mencionado elementos de liga, deve ficar subentendido que so outros elementos alm do ferro e do carbono, uma vez que estes ltimos so os constituintes bsicos do ao. Alumnio (Al): usado em pequenas propores, como desoxidante e agente de controle do crescimento dos gros. Chumbo (Pb): no se liga ao ao mas, quando adicionado, distribui-se na estrutura em forma de partculas microscpicas, o que resulta em maior facilidade de usinagem. Entretanto, devido ao baixo ponto de fuso (cerca de 327C), aos com chumbo no devem ser usados em temperaturas acima de 250C. Cobalto (Co): aumenta a dureza do ao sob altas temperaturas. Cobre (Cu): melhora a resistncia corroso por agentes atmosfricos, se usado em teores de 0,2 a 0,5%. Cromo (Cr): melhora a resistncia corroso (ao com cerca de 12% Cr resiste ao da gua e de vrios cidos), aumenta a resistncia trao (em mdia, 80 MPa para cada 1% de cromo), melhora a facilidade de tmpera, aumenta a resistncia alta temperatura e ao desgaste. Enxofre (S): , na maioria dos casos, um elemento indesejvel, oriundo do processo de produo. Se combinado com o ferro na forma de sulfeto, deixa o ao quebradio. Entretanto, se combinado com o mangans no forma do respectivo sulfeto, favorece a usinagem com a formao de cavacos que se quebram facilmente. Fsforo (P): considerado um elemento prejudicial, resultante do processo de produo. Torna o ao frgil, efeito que se acentua com o aumento do teor de carbono. Assim, os teores mximos permitidos devem ser controlados com rigor em aos para aplicaes estruturais ou crticas. Mangans (Mn): em mdia, para cada 1% de mangans, a resistncia trao aumenta 100 MPa. Para aos temperveis, aumenta a dureza aps o processo de tmpera.


52

TECNOLOGIA DOS MATERIAIS TECNOLOGIA DOS MATERIAISMolibdnio (Mo): melhora a resistncia a altas temperaturas, a resistncia ao desgaste e a dureza aps a tmpera. Para aos inoxidveis, melhora a resistncia corroso. Nquel (Ni): em mdia, para cada 1% de nquel, a resistncia trao aumenta 40 MPa, mas o limite de elasticidade mais favorecido. Melhora significativamente a capacidade de tmpera, possibilitando reduo da velocidade de resfriamento. O nquel altera a alotropia do ferro e teores acima de 25% fazem reter a austenita em temperaturas usuais, fazendo um ao austentico, que no magntico e bastante resistente corroso. Com 36% de Ni, o ao tem o menor coeficiente de dilatao trmica e usado em instrumentos de medio. Em conjunto com o cromo, o ao pode ser austentico com a combinao 18% Cr e 8% Ni. Silcio (Si): um agente desoxidante na produo do ao. Aumenta a resistncia corroso e a resistncia trao, mas prejudica a soldagem. O silcio aumenta significativamente a resistividade eltrica do ao e, por isso, aos com silcio so amplamente usados em ncleos magnticos (motores, transformadores, etc) devido s menores perdas com as correntes parasitas que se formam. Tungstnio (W): aumenta a resistncia trao em altas temperaturas. Forma carbonetos bastante duros e usado em aos para ferramentas (aos rpidos). Vandio (V): refina a estrutura do ao, impedindo o crescimento dos gros. Forma carbonetos duros e estveis e usado em aos para ferramentas para aumentar a capacidade de corte e dureza em altas temperaturas.

5. CODIFICAO DOS AOS

Existem vrias entidades que estabelecem normas para codificao de aos de acordo com o teor de carbono e dos elementos de liga. Na tabela abaixo, alguns cdigos da SAE (Society of Automotive Engineers). Obs.: os dois ltimos algarismos (xx) indicam o teor de carbono em 0,01%. Exemplo: um ao SAE 1020 tem 0,20 % de carbono.


53

TECNOLOGIA DOS MATERIAIS TECNOLOGIA DOS MATERIAISCdigo SAE Descrio ou principais elementos de liga:

FERROS FUNDIDOS

1.

CONSIDERAES BSICAS

Ferros fundidos, conforme informaes bsicas j vistas em pgina anterior so ligas de ferro e carbono, com teores deste ltimo acima de 2,11%. O silcio est quase sempre presente, e contm outros elementos, residuais de processo ou propositalmente adicionados. A maioria dos ferros fundidos comerciais apresenta teores de carbono at 4%. Portanto, no diagrama Fe-C da Figura 01, esto na faixa indicada, de (I) at (II). AUTORES:: AUTORES KAIO H.. DUTRA // VALTER D.. DE PREITAS KAIO H DUTRA VALTER D DE PREITAS

54


So em geral produzidos a partir do ferro-gusa refundido e sucatas, mediante procedimentos e etapas para reduzir teores de elementos indesejveis como fsforo e enxofre. Na linguagem do dia-a-dia, a expresso ferro fundido associada ao ferro fundido cinzento, que o mais antigo tipo conhecido e produzido. Assim, uma caracterstica desse tipo (resistente, mas quebradio) s vezes considerada vlida para todos os ferros fundidos, o que no tem fundamento. H tipos com propriedades mecnicas completamente diversas. Esta nota no tem o propsito de dar informaes completas sobre os processos de produo, mas apenas alguns dados aproximados para a compreenso das variedades comuns do material. Na tabela abaixo, consideram-se as transformaes a partir da fase lquida (a) do diagrama da Figura 01 at a fase slida (c), do material no estado final. Os desenhos das estruturas microscpicas so meramente ilustrativos e aproximados. Sero usados os smbolos abaixo para os constituintes diversos dos ferros fundidos: : ferrita (soluo slida de carbono em ferro alfa); : austenita (soluo slida em ferro gama); AUTORES:: AUTORES KAIO H.. DUTRA // VALTER D.. DE PREITAS KAIO H DUTRA VALTER D DE PREITAS55

TECNOLOGIA DOS MATERIAIS TECNOLOGIA DOS MATERIAISGE: grafita em forma de esferides; GL: grafita livre; GV: grafita em forma de veios; P: perlita (ferrita + cementita, Fe3C, laminar); No item 01, a elevada velocidade de resfriamento (alm dos ajustes dos teores de carbono e silcio) impede a formao de grafita e quase todo o carbono fica na forma de cementita, resultando no ferro fundido branco.


56



57

TECNOLOGIA DOS MATERIAIS TECNOLOGIA DOS MATERIAISNos itens 02 e 03, velocidades menores de resfriamento permitem a grafitizao na forma de veios, produzindo ferros fundidos cinzentos. Os ferros fundidos dcteis ou nodulares (itens 04 e 05) tm composio semelhante dos cinzentos, mas a grafita tem forma esferoidal pela ao de agentes como o magnsio ou crio e baixos teores de enxofre. Os ferros fundidos maleveis (itens 06 e 07) so produzidos a partir do branco. Por isso, a regio (a) da tabela vazia. As peas de ferro fundido branco so submetidas a um aquecimento prolongado, que pode ser na presena de um meio adequado. A grafita resultante tem forma livre. H tambm o ferro fundido mesclado, obtido mediante ajuste da velocidade de resfriamento e de outros parmetros, de forma que a camada superficial tipo branco e a interior, cinzento. Isso proporciona elevada dureza superficial e menor fragilidade da pea.

2. A PRESENA DO SILCIO

Rigorosamente, os ferros fundidos deveriam ser estudados como ligas Fe-C-Si. Entretanto, o uso de diagramas de trs elementos um tanto complexo e, na prtica, adotado um conceito aproximado mais simples. Considera-se que o silcio produz efeito similar a um teor de carbono equivalente Ce de carbono dado pela frmula:

Ce = %C + (1/3) %Si.

Essa igualdade representada pela reta (a) do grfico da Figura 02 ao lado. Em (b), h igualdade similar, com o coeficiente (1/6) em vez de (1/3).


58


E as faixas usuais de teores para aos e ferros fundidos so dadas no mesmo grfico. Exemplo: um ferro com 3,6%C e 2,3%Si pode ser considerado equivalente a um com 3,2%C e 3,5%Si. Em geral, pode-se dizer que o silcio favorece a formao de grafita no ferro fundido.

3. FERRO FUNDIDO BRANCO

A superfcie recm-cortada tem aparncia clara devido ausncia de grafite, uma vez que quase todo o carbono est na forma de carboneto. extremamente duro e resistente ao desgaste, mas quebradio e de difcil usinagem, mesmo com as melhores ferramentas. Em peas, suas aplicaes so limitadas a casos onde a dureza e a resistncia abraso so fundamentais, como cilindros de laminao, matrizes de estampagem, etc. Em geral, usado na forma mesclada. Neste caso, alguns elementos de liga, como nquel, cromo e molibdnio, podem ser adicionados para controlar a profundidade da camada e melhorar a resistncia ao desgaste e oxidao.


59

TECNOLOGIA DOS MATERIAIS TECNOLOGIA DOS MATERIAISUma composio tpica de ferro fundido branco 3-3,6% C, 0,8% Si, 1,3% Mn, 3,3-5% Ni, 1,4-4% Cr, 1% Mo, 0,15% S, 0,3% P. Usado tambm para produzir ferro malevel.

4. FERRO FUNDIDO CINZENTO

Assim denominado devido ao aspecto da superfcie recm-cortada. Isso ocorre em funo da existncia de veios de grafita sobre matriz de perlita ou de ferrita (tambm pode ser uma combinao de ambas). Os veios de grafita exercem considervel influncia no comportamento mecnico. Eles produzem aumentos localizados de tenses, que podem iniciar pequenas deformaes plsticas sob tenses relativamente baixas na pea e trincas sob esforos maiores. Como resultado, uma pea de ferro fundido cinzento no tem, na prtica, comportamento elstico, mas dispe de um elevado fator de amortecimento de vibraes, caracterstica importante no caso de mquinas operatrizes. A Figura 03 d uma comparao grfica aproximada.

Podem-se resumir algumas das vantagens do ferro fundido cinzento: AUTORES:: AUTORES KAIO H.. DUTRA // VALTER D.. DE PREITAS KAIO H DUTRA VALTER D DE PREITAS60

TECNOLOGIA DOS MATERIAIS TECNOLOGIA DOS MATERIAIS elevada capacidade de amortecimento de vibraes. usinagem facilitada pelos veios de grafita, que favorecem a quebra de cavacos e a durabilidade das ferramentas. razoavelmente resistente corroso de vrios ambientes comuns (superior aos aoscarbono). boa fluidez, facilitando a fundio de peas complexas. boas caractersticas de deslizamento a seco devido presena da grafita. baixo custo de produo. Algumas desvantagens so: estruturalmente, os veios de grafita atuam como espaos vazios, reduzindo a resistncia mecnica. Normalmente, tenso mxima de trabalho recomendada cerca de 1/4 da tenso de ruptura. Carga mxima de fadiga cerca de 1/3 da resistncia fadiga. quebradio, pouco resistente a impactos. caractersticas de usinagem variam com as dimenses da seo da pea. Faixas tpicas de composies: 2,5-4% C; 1-3% Si; 0,3-1% Mn; 0,05-0,25% S; 0,1-1% P. Limites de resistncia trao variam de 140 a 410 MPa. Pode receber elementos de liga e ser tratado termicamente para melhores propriedades mecnicas, trmicas ou qumicas (corroso). Ferros fundidos cinzentos so empregados em estruturas de mquinas e peas fundidas diversas, sem grandes exigncias de resistncia mecnica.

5. FERRO FUNDIDO DCTIL (OU NODULAR)

O ferro fundido dctil amplamente empregado por apresentar um bom compromisso entre custos e propriedades mecnicas, algumas delas prximas dos aos. A ductilidade AUTORES:: AUTORES KAIO H.. DUTRA // VALTER D.. DE PREITAS KAIO H DUTRA VALTER D DE PREITAS61

TECNOLOGIA DOS MATERIAIS TECNOLOGIA DOS MATERIAISclaramente vista pelos valores de alongamento, que podem chegar a 18% ou mais (25% por exemplo). Limites de resistncia trao podem ser to altos quanto 800 MPa. Outra caracterstica importante a baixa contrao na solidificao, o que facilita a produo e reduz o custo de peas fundidas. Faixas tpicas de composies so: 3,2-4% C; 1,8-3% Si; 0,1-1% Mn; 0,005-0,02% S; 0,01-0,1% P. Tratamentos trmicos podem ser aplicados (alvio de tenses, recozimento, normalizao, tmpera e revenido, tmpera superficial, austmpera). Elementos de liga como nquel, molibdnio ou cromo podem ser usados para aumentar dureza e outras propriedades. Algumas aplicaes: vlvulas para vapor e produtos qumicos, cilindros para papel, virabrequins, engrenagens, etc. 6. FERRO FUNDIDO MALEVEL Conforme j visto, o ferro fundido malevel obtido a partir do branco. A ductilidade no das mais altas, algo na faixa de 10%. Grosso modo, pode-se dizer que apresenta valores entre os do ferro fundido cinzento e os do ao. Algumas vantagens so a facilidade de usinagem e a boa resistncia ao choque. Mas apresenta certa contrao na solidificao, o que exige cuidados na fundio para evitar falhas. Faixas de composies tpicas so: 2-2,8% C; 0,9-1,6% Si; 0,5% max Mn; 0,1% max S; 0,2% max P. Algumas aplicaes: conexes para tubulaes, sapatas de freios, caixas de engrenagens, cubos de rodas, bielas, etc.


62

TECNOLOGIA DOS MATERIAIS TECNOLOGIA DOS MATERIAISEXERCCIOS

1) Fale sobre a fabricao do ferro gusa e qual a sua importncia na fabricao do ao. 2) Comente sobre os efeitos do carbono na ferro, fale sobre as propriedades adquiridas e modificadas com o aumento do teor de carbono. 3) Defina Ao e Ferro Fundido. 4) Fale sobre os Ferros Fundidos, liste os tipos, definindo-os e falando sobre suas propriedades.


63

TECNOLOGIA DOS MATERIAIS TECNOLOGIA DOS MATERIAIS6 PROPRIEDADES MECNICAS DOS METAIS6.1 INTRODUO

Muitos materiais, quando em servio, so submetidos a foras ou cargas; exemplos incluem a liga de alumnio a partir da qual uma asa de avio construda e o ao do eixo da roda de um automvel. Em tais situaes necessrio conhecer as caractersticas do material e projetar o elemento estrutural a partir do qual ele feito de tal maneira que qualquer deformao no seja excessiva e que no ocorra fratura. O comportamento mecnico do material reflete a correlao entre sua resposta a uma carga ou fora aplicada. Importantes propriedades mecnicas so resistncia mecnica, dureza, ductilidade e rigidez. As propriedades mecnicas de materiais so determinadas pela execuo de experimentos, cuidadosamente projetados, de laboratrio que replicam tanto quanto possvel as condies de trabalho. Fatores a serem considerados incluem a natureza da carga aplicada e a sua durao, bem como as condies ambientais. Materiais so frequentemente escolhidos para aplicaes estruturais porque eles possuem combinaes desejveis de caractersticas mecnicas. A presente discusso est confinada principalmente ao comportamento mecnico de met

Documents

apostila-completa