Apostila Tecnologia Dos Materiais Para Copia

CST FABRICAÇÃO MECÂNICA

Disciplina: Tecnologia dos Materiais IProfa.: Patricia B. S. Maia

JOINVILLE

FATEC SENAI

2012

Profa. Patricia B. S. Maia Tecnologia dos Materiais I

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FATEC SENAI

INDICE

1 - ESTRUTURA ATÔMICA...............................................................................................32 - LIGAÇÕES QUÍMICAS..................................................................................................5

2.1 - LIGAÇÃO IÔNICA...................................................................................................52.2 - LIGAÇÃO COVALENTE.........................................................................................62.3 - LIGAÇÃO METÁLICA............................................................................................7

3 - ESTRUTURA CRISTALINA..........................................................................................83.1 - RETICULADO CRISTALINO.................................................................................93.2 – PONTOS, DIREÇÕES E PLANOS CRISTALOGRÁFICOS...............................12

4 - IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOS...................................................................................154.1 - DEFEITOS PONTUAIS..........................................................................................154.2 - IMPUREZAS EM SÓLIDOS..................................................................................15

5 - DIFUSÃO.......................................................................................................................175.1 - MECANISMOS DE DIFUSÃO..............................................................................18

6 - MATERIAIS...................................................................................................................197 - DIAGRAMAS DE FASES.............................................................................................20

7.1 - SISTEMAS ISOMORFOS BINÁRIOS..................................................................217.2 - SISTEMAS EUTÉTICOS BINÁRIOS...................................................................247.3 - DIAGRAMA DE FASES FERRO – CARBONO (LIGAS FERROSAS)..............267.4 - DESENVOLVIMENTO DA MICROESTRUTURA (AÇOS)...............................287.5 - REAÇÕES QUE OCORREM NA FAIXA CORRESPONDENTE AOS FERROS FUNDIDOS......................................................................................................................32

8 - PROPRIEDADES DOS MATERIAIS...........................................................................358.1 - PROPRIEDADES MECÂNICAS...........................................................................358.2 - TÉRMICAS.............................................................................................................378.3 - ELÉTRICAS............................................................................................................388.4 - QUÍMICAS..............................................................................................................38

9 - MECANISMOS DE MODIFICAÇÃO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS..........389.1 - INFLUÊNCIA DOS ELEMENTOS DE LIGA NOS AÇOS..................................40

10 - METALOGRAFIA.......................................................................................................4110.1 - MACROGRAFIA..................................................................................................4210.2 - MICROGRAFIA....................................................................................................43

REFERÊNCIAS...................................................................................................................46


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1 - ESTRUTURA ATÔMICA

Todos os materiais são formados por átomos. Cada elemento tem um tipo de átomo, que tem tamanho e massa fixos. Não é possível transformar o átomo de um elemento em átomo de outro elemento. Os átomos são partículas muito pequenas.

Qualquer matéria é feita de átomos (Figura 1.1). Cada substância simples é feita de um tipo de átomo. Os átomos de elementos diferentes são diferentes.

Figura 1.1 – Representação esquemática de um modelo atômico.

Qualquer átomo possui no meio, um núcleo onde estão as partículas positivas; as partículas negativas giram em torno desse núcleo.

O átomo é neutro. Isto quer dizer que num átomo o número de cargas positivas é igual ao número de cargas negativas. As cargas positivas que estão no núcleo são chamadas prótons e as partículas negativas que estão girando ao redor do núcleo se chamam elétrons.

A massa do elétron é tão pequena que praticamente não precisa ser levada em conta. É mais ou menos 2000 vezes menor que a massa da partícula positiva.

No núcleo do átomo há outro tipo de partícula que não têm carga, mas têm massa. São os nêutrons. Por isso a massa do átomo, na realidade é a soma das massas das partículas positivas e dessas partículas neutras.

MASSA DO ÁTOMO = MASSA DE PRÓTONS + MASSA DE NÊUTRONS

Um átomo se transforma em íon positivo (cátion – Figura 1.2a) ou negativo (anion – Figura 1.2b), perdendo ou ganhando elétrons, mas não recebe e nem perde prótons. Isso quer dizer que o que caracteriza um elemento é o número de prótons do átomo. Esse número é chamado número atômico do elemento.

Figura 1.2 – Representação ilustrativa de formação: (a) Cátion; (b) Anion. NÚMERO ATÔMICO (Z): número de prótons que o átomo de um elemento químico apresenta em seu núcleo.


(b)(a)

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NÍVEIS ENERGÉTICOS: K-2; L-8; M-18; N-32; O-50; P-72; Q-98 (Figura 1.3a) SUBNIVEIS ENERGETICOS: s-2; p-6; d-10; f-14 (Figura 1.3b)

Figura 1.3 – Representação esquemática: (a) Níveis energéticos; (b) Sub-níveis energéticos.

Os elétrons da órbita mais externa são chamados “elétrons de valência”.

Teoria de Bohr: os elétrons se movem em torno do núcleo de um átomo de acordo com órbitas circulares ou elípticas (Figura 1.4). O elétron que gira na órbita mais vizinha do núcleo possui menor energia do que o que se move numa órbita mais externa.

Figura 1.4 – Representação: Trajetória de um elétron ao redor do núcleo de um átomo.

Figura 1.5- Representação da tabela periódica.2 - LIGAÇÕES QUÍMICAS


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É impossível se pensar em átomos como os constituintes básicos da matéria sem se pensar em ligações químicas. Afinal, como podemos explicar que porções tão limitadas de matéria, quanto os átomos, possam formar os corpos com que nos deparamos no mundo macroscópico do dia-a-dia. Também é impossível se falar em ligações químicas sem falarmos em elétrons. Afinal, se átomos vão se unir uns aos outros para originar corpos maiores, nada mais sensato do que pensar que estes átomos entrarão em contato entre si. Quando dois átomos entram em contato, o fazem através das fronteiras das suas eletrosferas, ou seja, de suas últimas camadas. Isso faz pensar que a última camada de um átomo é a que determina as condições de formação das ligações químicas.

Em 1868, Kekulé e Couper, propuseram a utilização do termo valência para explicar o poder de combinação de um átomo com outros. A valência de um dado elemento é que determina as fórmulas possíveis ou não de compostos formados por ele.

A primeira situação seria entender por que dois ou mais átomos se ligam, formando uma substância simples ou composta. Como, na natureza, os únicos átomos que podem ser encontrados no estado isolado (moléculas monoatômicas) são os gases nobres, logo se pensou que os demais átomos se ligariam entre si tentando alcançar a configuração eletrônica do gás nobre mais próximo deles na tabela periódica. Todos os gases nobres, com exceção do He, possuem 8 elétrons.

Esta maneira de pensar a ligação entre os átomos passou a ser conhecida por Teoria do octeto, e foi proposta por Kossel e Lewis no início do século XX. Baseado nessa idéia, a valência de um átomo passou a ser vista como a quantidade de elétrons que um átomo deveria receber, perder ou compartilhar para tornar sua última camada (camada de valência) igual a do gás nobre de número atômico mais próximo. As ligações químicas podem ser classificadas em três categorias: ligações iônica, covalente e metálica.

Teoria do OctetoUm grande número de elementos adquire estabilidade eletrônica quando seus átomos

apresentam oito elétrons na sua camada mais externa. Existem exceções para essa teoria como o Hidrogênio (H) e o Hélio (He), onde ambos se estabilizam com dois elétrons na última camada, ainda temos o caso do átomo de carbono que é tetravalente (pode realizar quatro ligações), além dele todos os átomos que pertencem a família de número 14 da tabela períodica (antes conhecida como família IVA) são tetravalentes e sendo assim encontram-se no eixo central dessa regra (Octeto), nesses casos os átomos optam (por assim dizer) por fazer 4 ligações sigmas (ligações simples) entre diferentes átomos.

2.1 - LIGAÇÃO IÔNICA

Como o próprio nome já diz a ligação iônica ocorre com a formação de íons. Sempre um dos átomos perde elétrons, enquanto o outro recebe. O átomo mais eletronegativo arranca os elétrons do de menor eletronegatividade. Ocorre entre metais e não metais e entre metais e hidrogênio. Átomo com facilidade para liberar os elétrons da última camada: metal Átomo com facilidade de adicionar elétrons à sua última camada: não metal.

A ligação iônica ocorre entre metais e não metais e entre metais e hidrogênio. Num composto iônico, a quantidade de cargas negativas e positivas é igual.


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NaCl: transferência dos elétrons de valência do átomo de sódio (11Na) ao átomo de cloro (17Cl), resultando em íons carregados positivamente (cátions de Na+) e íons de cloro carregados negativamente (ânions Cl-), é um exemplo característico de ligação iônica. Ex.: Distribuição dos elétrons em camadas para os dois elementos: Na (2 - 8 – 1); Cl (2 - 8 – 7).

Obs. Para o cloro interessa adicionar um elétron à sua última camada, completando a quantidade de oito elétrons nela. Ao sódio interessa perder o elétron de sua camada M, assim a anterior passará a ser a última, já possuindo a quantidade necessária de elétrons. Na representação da ligação, utilizamos somente os elétrons da última camada de cada átomo. A seta indica quem cede e quem recebe o elétron. Cada elétron cedido deve ser simbolizado por uma seta. Esta representação (Figura 2.1 - esquerda) é conhecida por fórmula eletrônica ou de Lewis.

Figura 2.1 – Diferentes formas de representação para o NaCl.

O sódio possuía inicialmente 11 prótons e 11 elétrons. Após a ligação, a quantidade de prótons não se altera e a de elétrons passa a ser 10. O cloro que inicialmente possuía 17 prótons e 17 elétrons tem sua quantidade de elétrons aumentada de uma unidade após a ligação. Com isso o sódio se torna um íon de carga 1+ e o cloro 1-. A força que mantém os dois átomos unidos é de atração elétrica, ou seja, uma ligação muito forte. Como foram utilizados um átomo de cada tipo, a fórmula do composto será NaCl.

2.2 - LIGAÇÃO COVALENTE

É o tipo de ligação que ocorre quando os dois átomos precisam adicionar elétrons em suas últimas camadas. Somente o compartilhamento é que pode assegurar que estes átomos atinjam a quantidade de elétrons necessária em suas últimas camadas. Cada um dos átomos envolvidos entra com um elétron para a formação de um par compartilhado, que a partir da formação passará a pertencer a ambos os átomos. Ocorre entre não-metais e não-metais, não-metais e hidrogênio e entre hidrogênio e hidrogênio.

O hidrogênio possui somente uma camada contendo um único elétron, compartilhando 1 elétron, atinge a quantidade necessária para a camada K, que é de dois elétrons. Os elétrons compartilhados passam a ser contados para as eletrosferas dos dois átomos participantes da ligação.

Figura 2.2 – Representação: (a) Molécula de hidrogênio; (b) Molécula da água.

Molécula de hidrogênio: são necessários dois átomos de H para formar sua molécula (Figura 2.2a).2.3 - LIGAÇÃO METÁLICA


(a) (b)

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É o tipo de ligação que ocorre entre os átomos de metais. Os átomos dos elementos metálicos apresentam forte tendência a doarem seus elétrons de última camada. Quando muitos destes átomos estão juntos num cristal metálico, estes perdem seus elétrons da última camada. Forma-se então uma rede ordenada de íons positivos mergulhada num mar de elétrons em movimento aleatório. Se aplicarmos um campo elétrico a um metal, orientamos o movimento dos elétrons numa direção preferencial, ou seja, geramos uma corrente elétrica.

Nesta ligação, os elétrons são compartilhados por inúmeros átomos. Isto é, se num átomo existirem apenas poucos elétrons de valência, eles podem ser removidos de modo relativamente fácil, ao passo que os elétrons restantes são mantidos firmemente ligados ao núcleo. Os elétrons de valência podem eventualmente abandonar a órbita do átomo ao qual participam para se incorporarem ao átomo vizinho. Pode, por assim dizer, haver uma troca de elétrons de valência: se um átomo pode perder um ou mais elétrons valência do seu sistema, ele pode igualmente receber um ou mais elétrons valência dos átomos vizinhos, ou ainda compartilhar elétrons valência com esses átomos vizinhos (Figura 2.3).

Admite-se que na ligação metálica, o átomo se acha constantemente no estado de perder, adquirir ou compartilhar elétrons-valência com os átomos vizinhos.

Figura 2.3 – Ilustração: (a) Átomo de Cu; (b) Ligação metálica.

A alta mobilidade dos elétrons-valência explica as relativamente elevadas elétrica e

térmica dos metais.

Definição científica de metal: “elemento que prontamente perde elétrons, de modo a criar uma ligação metálica e resultar condutibilidade elétrica”.

3 - ESTRUTURA CRISTALINA


(b)(a)

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A matéria pode ser constituída por três estados físicos: estado gasoso, estado líquido e estado sólido.

Os materiais sólidos podem ser classificados segundo a forma como seus átomos ou íons estão arranjados uns em relação aos outros. Um material cristalino é aquele em que os átomos estão situados de acordo com uma matriz que se repete, ao longo de grandes distâncias atômicas (Figura 3.1(a)). Assim sendo, quando ocorre um processo de solidificação, os átomos se posicionam de acordo com um padrão tridimensional repetitivo, onde cada átomo está ligado aos seus átomos vizinhos mais próximos (Figura 3.2). Entretanto, existem materiais em que não ocorre o fenômeno de cristalização, ou seja, onde a ordem de longo alcance está ausente (Figura 3.1 (b)). Esses materiais são classificados como não cristalinos ou amorfos.

Figura 3.1 – Representação esquemática: (a) Reticulado ordenado de um cristal; (b) Reticulado desordenado (material vítreo).

No que diz respeito ao processo de obtenção do aço, quando da passagem do estado líquido para o estado sólido, os átomos começam a se agrupar quando a temperatura atinge determinado valor. Durante este agrupamento, os átomos procuram ocupar posições defenidas e ordenadas que se repetem em três posições formando uma figura geométrica regular chamada de célula unitária (Figura 3.2 (a)).

Entretanto, durante o fenômeno de solidificação, as células unitárias se reúnem e formam uma rede cristalina ou reticulado cristalino (Figura 4.2 (b)). Essa organização parece uma rede em três dimensões que se repete em todo o material. Ela é chamada de estrutura cristalina. Materiais metálicos, como o ferro, o aço, o cobre e materiais não metálicos, como as cerâmicas em geral, apresentam esse tipo de estrutura.

Figura 3.2 – Representação esquemática: (a) Célula cristalina; (b) Reticulado cristalino.

Dependendo da forma geométrica que essas estruturas cristalinas apresentam, elas recebem um nome. Existem sete sistemas cristalinos: triclínico, monoclínico, ortorrômbico, hexagonal, trigonal, tetragonal e cúbico.

Os principais reticulados cristalinos, segundo os quais cerca de dois terços dos metais cristalizam, podem ser formados a partir de células unitárias específicas indicadas na Figura 3.3.


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Figura 3.3 – Ilustração dos principais tipos de células unitárias a partir dos quais se formam os reticulados cristalinos: (a) Cúbico de corpo centrado (CCC); (b) Cúbico de face centrada (CFC); (c) Hexagonal compacta (HC).

3.1 - RETICULADO CRISTALINO

O reticulado é uma repetição nas três dimensões do modelo desenvolvido no interior do cristal. A maioria significativa dos metais possui reticulado cúbico de corpo centrado (CCC), cúbico de face centrada(CFC) e hexagonal compacta (HC). Estes reticulados cristalinos, segundo os quais cerca de dois terços dos metais cristalizam, podem ser formados a partir de células unitárias específicas indicadas na Figura 3.4.

Figura 3.4 – Ilustração dos principais tipos de células unitárias a partir dos quais se formam os reticulados cristalinos: (a) Cúbico de corpo centrado (CCC); (b) Cúbico de face centrada (CFC); (c) Hexagonal compacta (HC).

A fim de um melhor entendimento, costuma-se utilizar um modelo de esferas rígidas para representar as estruturas cristalinas, cada esfera representa um núcleo iônico. A Tabela 3.1 apresenta o raio atômico para alguns metais.

Tabela 3.1 – Raios atômicos e estruturas cristalinas para alguns metais1.Metal Estrutura Cristalina Raio Atômico (ηm= 10-9m)

Alumínio CFC 0,1431

1 Callister Jr., Willian D. Fundamentos da Ciencia e Engenharia dos Materiais. 2.ª Edição.


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Cádmio HC 0,1490Chumbo CFC 0,1750Cobre CFC 0,1278Cromo CCC 0,1249

Ferro (α) CCC 0,1241

Reticulado cúbico centrado (CCC): Estrutura cristalina na qual o metal apresenta os átomos localizados em todos os oito vértices e um único outro átomo localizado no centro do cubo. Ou seja, cada átomo nesta estrutura está cercado por oito átomos adjacentes, quer o átomo esteja localizado em um vértice, quer esteja dentro da célula unitária, o que representa um número de coordenação igual a oito. Nos metais, todos os átomos possuem o mesmo numero de vizinhos mais próximos ou átomos em contato, o que constitui seu numero de coordenação (NC). Dada a Figura 3.5, tem-se a ilustração de uma célula unitária tipo CCC.

Os metais que cristalizam nessa forma são, entre outros, o cromo, lítio, molibdênio, tântalo, tungstênio, vanádio, ferro à temperatura ambiente (forma alotrópica2 alfa).

Figura 3.5 – Representação de uma célula unitária CCC: (a) Por meio de esferas rígidas; (b) Célula unitária com esferas reduzidas; (c) Agregado de muitos átomos.

Os átomos no centro e nos vértices (Figura 3.5 (a)) se tocam uns com os outros ao longo das diagonais do cubo, e o comprimento da célula unitária a e o raio atômico R está relacionados pela expressão: a(CCC)= 4R/√3

Pode-se então aplicar o conceito de fator de empacotamento atômico (F.E.A.) a um metal tipo CCC, ao qual estão associados dois átomos por célula unitária: o equivalente a um átomo, distribuído entre os oito vértices do cubo, onde cada átomo em um vértice é compartilhado por oito células unitárias, e o único átomo no centro do cubo, o qual está inteiramente contido dentro de sua célula. Tal fator, assumindo o modelo de átomos esféricos, é a fração de volume da célula unitária que é ocupada efetivamente por estas esferas.F.E.A = volume dos átomos/volume da célula unitária

F.E.A.= 2[4πR 3 /3] = 2[4πR 3 /3] = 0,68 a3 [4R/√3]3

Reticulado cúbico de face centrada (CFC): Estrutura cristalina na qual o metal apresenta os átomos localizados em cada um dos vértices e nos centros de todas as faces, mas nenhum no centro do cubo. Um metal com uma estrutura CFC possui uma célula unitária com quatro átomos. Os oito oitavos de cada vértice contribuem para um total de um átomo e as seis metades de átomos nos centros de face contribuem para um total de três 2 Alotropia ou polimorfismo: propriedade que certos materiais apresentam de possuírem reticulados cristalinos diferentes, conforme a temperatura.


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átomos por célula unitária. O numero de coordenação para um metal CFC é doze: o átomo na face anterior possui como vizinhos mais próximos quatro átomos que estão localizados nos vértices ao seu redor, quatro átomos que estão localizados nas faces que estão em contato com o lado de trás, e quatro outros átomos de faces equivalentes na próxima célula unitária, à sua frente. A Figura 3.6 apresenta este tipo de célula unitária cristalina. É o caso do alumínio, cobre, chumbo, prata, ferro acima de 9120C (forma alotrópica gama), etc.

Figura 3.6 - Representação de uma célula unitária CFC: (a) Por meio de esferas rígidas; (b) Célula unitária com esferas reduzidas; (c) Agregado de muitos átomos.

Em um metal deste tipo, as esferas ou núcleos iônicos se tocam umas as outras ao longo de uma diagonal da face (Figura 3.6 (a)), e o comprimento da aresta do cubo a e o raio atômico R está relacionados pela expressão: a(CFC)= 2R√2

O fator de empacotamento atômico para um metal CFC é 0,74. Maior, portanto que 0,68, determinado para um metal CCC. Isto devido ao fato de que cada átomo num metal CCC tem apenas oito vizinhos, sendo que num metal CCC cada átomo possui doze vizinhos.

Reticulado hexagonal compacto (HC): rede onde os átomos se localizam em cada vértice e no centro das bases de um prisma hexagonal, além de três outros átomos dentro da estrutura. Os metais cujo reticulado é o descrito são, entre outros: zinco, magnésio, cobalto, cádmio e o berílio.

Neste tipo de estrutura (Figura 3.7) as faces superior e inferior da célula unitária são compostas por seis átomos que formam hexágonos regulares e que se encontram ao redor de um único átomo central. Um outro plano que contribui com três átomos adicionais para a célula unitária está localizado entre os planos superior e inferior. Os átomos localizados nesse plano intermediário possuem como vizinhos, átomos em ambos os planos adjacentes. Portanto, o equivalente a seis átomos está contido em cada célula unitária tipo HC: um sexto de cada um dos doze átomos localizados nos vértices das faces inferior e superior, metade de cada um dos dois átomos no centro das faces superior e inferior, e todos os três átomos que compõe o plano intermediário. Em suma, cada átomo toca três átomos no nível inferior ao seu plano, seis átomos em seu próprio plano e três átomos no nível superior ao seu plano, resultando em um numero de coordenação igual a 12.

O fator de empacotamento atômico de um metal tipo HC resultara em um valor igual a 0,74.


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Figura 3.7 – Representação de uma estrutura cristalina tipo HC: (a) Célula unitária com esferas rígidas; (b) Agregado de muitos átomos.

Obs.: Interstícios: Espaços vazios entre os átomos da estrutura, sendo que quanto menor o fator de empacotamento maior é o volume destinado aos interstícios. O fator de empacotamento em uma dada estrutura cristalina é sempre menor do que um (1). Isto quer dizer que os átomos não ocupam todo o espaço da célula. Tamanho dos interstícios: dependente dos raios atômico e estrutura cristalina.

Quando um metal solidifica no interior de um recipiente, células unitárias se formam em pontos diferentes. Estas crescem geralmente pela absorção de outras, até se encontrarem formando um composto irregular que delimita uma área onde estão compreendidas milhares de pequenas células (Figura 3.8 a). Tais materiais são chamados de materiais policristalinos. Em suma, cada grão é constituído por milhares de células unitárias (Figura 3.8 b).

Figura 3.8 – Representação esquemática: (a) processo de solidificação de um metal; (b) Estrutura cristalina (granular) dos metais.

Obs.: Sólidos não-cristalinos são carentes de um arranjo atômico regular e sistemático ao longo de distâncias atômicas relativamente grandes. Esses materiais podem também ser chamados de sólidos amorfos ou líquidos super-resfriados, visto que suas estruturas atômicas lembram as de um líquido. A formação de um sólido cristalino ou de um sólido amorfo depende da facilidade segundo a qual a estrutura atômica aleatória no estado líquido pode se transformar em um estado ordenado durante o processo de solidificação.

3.2 – PONTOS, DIREÇÕES E PLANOS CRISTALOGRÁFICOS

Ao se tratar com materiais cristalinos, frequentemente faz-se necessário especificar um ponto particular no interior de uma célula unitária, uma direção cristalográfica ou algum plano cristalográfico de átomos. Assim sendo, foram estabelecidas convenções de identificação onde três números ou índices são usados para designar as localizações de pontos, direções e planos. A base para determinar os valores dos índices das células e a célula unitária, com um sistema de coordenadas com sentido positivo utilizando a regra da mão direita, que consiste em três eixos (x, y, z) localizados em um dos vértices e cujas direções coincidem com as arestas da célula unitária (Figura 3.10).


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Figura 3.10 – Célula unitária com os eixos coordenados x, y e z, mostrando os comprimentos axiais (a, b e c).

a) COORDENADAS DE PONTOS

A posição de qualquer ponto localizado no interior de uma célula unitária pode ser definida em termos das suas coordenadas na forma de múltiplos fracionários dos comprimentos das respectivas arestas. Isto é, em termos de a, b e c. Por exemplo, para a célula cúbica unitária, ilustrada pela Figura 3.11, as coordenadas do ponto 1 são (1,1,0), considerando-se o comprimento da aresta a da célula unitária igual a 1.

Figura 3.11 – Coordenadas do ponto 1 para a célula unitária cúbica com aresta a igual a 1.

b) DIREÇÕES CRISTALOGRÁFICAS

Uma direção cristalográfica é definida como uma linha entre dois pontos, ou um vetor. As seguintes etapas são utilizadas na determinação dos três índices direcionais:1 – Um vetor com comprimento conveniente é posicionado de tal modo que ele passa através da origem do sistema de coordenadas. Qualquer vetor pode ser movido através do retículo cristalino sem sofrer alterações, desde que seu paralelismo seja mantido.2 – O comprimento da projeção do vetor sobre cada um dos três eixos é determinado. Estes são medidos em termos das dimensões da célula unitária a, b e c.3 – Estes três números são multiplicados ou divididos por um fator comum, a fim de reduzi-los aos menores valores inteiros.4 – Os três índices, não separados por vírgulas, são colocados entre colchetes: [u v w]. Os inteiros u, v e w correspondem as projeções reduzidas ao longo dos eixos x, y e z, respectivamente.

Para cada um dos três eixos irão existir coordenadas positivas como negativas. Além disso, também são possíveis índices negativos, representados mediante a colocação de uma barra sobre o índice apropriado. A Figura 3.12 apresenta alguns exemplos de direções dentro de uma célula unitária.


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Figura 3.12 – Direções [1 0 0], [1 1 0] e [1 1 1] dentro de uma célula unitária.

c) PLANOS CRISTALOGRÁFICOS

As orientações dos planos para uma estrutura cristalina são representadas de uma maneira semelhante. A célula unitária e a base, com o sistema de coordenadas com três eixos, está representada pela Figura 3.13, a seguir. Em todos os sistemas cristalinos, à exceção do sistema hexagonal, os planos cristalográficos são especificados por três índices de Miller na forma de (h k l). Quaisquer planos que sejam paralelos entre si são equivalentes e possuem índices idênticos.

Figura 3.13 – Representações de uma série de planos cristalográficos, cada um equivalente a: (a) (0 0 1); (b) (1 1 0) e (c) (1 1 1).

4 - IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOS

As propriedades de alguns materiais são profundamente influenciadas pela presença de imperfeições. Consequentemente faz-se importante conhecer os tipos de imperfeições que existem e o que elas representam ao afetar o comportamento dos materiais. Por exemplo, as propriedades mecânicas de metais puros experimentam alterações significativas quando


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estes estão ligados. Neste sentido, pode-se citar o caso da prata de lei (92,5% prata e 7,5% cobre) que é muito mais dura e resistente do que a prata pura. Os defeitos pontuais, impurezas e discordâncias são exemplos de imperfeições em sólidos cristalinos.

4.1 - DEFEITOS PONTUAIS

É uma imperfeição ou um “erro” no arranjo periódico regular dos átomos em um cristal. Podem envolver uma irregularidade na posição dos átomos (Figura 4.1) ou no tipo dos átomos.

O mais simples dos defeitos pontuais é a lacuna ou sítio vazio da rede cristalina, onde um sítio que normalmente deveria estar ocupado está com um átomo faltando.

Por sua vez, um auto-intersticial é um átomo do cristal que se encontra comprimido no interior de um sítio intersticial, um pequeno espaço vazio que sob circunstâncias ordinárias não é ocupado. Em metais, um auto-intersticial produz distorções relativamente grandes na rede cristalina, pois o átomo é substancialmente maior do que a posição intersticial na qual ele está situado.

Figura 4.1 - Ilustração representativa de defeito pontual: lacuna e auto-intersticial.

4.2 - IMPUREZAS EM SÓLIDOS

Um metal puro que consista em apenas um tipo de átomo é simplesmente impossível. Impurezas ou átomos estranhos estarão sempre presentes e alguns irão existir como defeitos cristalinos pontuais. Na realidade, mesmo com técnicas sofisticadas, é difícil refinar metais até uma pureza que seja superior a 99,999. Os metais mais familiares não são altamente puros. Ao contrário, eles são ligas nas quais os átomos de impurezas foram adicionados intencionalmente para conferir características específicas do material. Geralmente, a formação de ligas é utilizada em metais para aumentar a sua resistência mecânica e à corrosão.

A adição de átomos de impurezas a um metal irá resultar na formação de uma solução sólida ou em uma nova segunda fase, dependendo dos tipos de impurezas, de suas concentrações e da temperatura da liga.

Com relação às ligas, os termos soluto e solvente são comumente empregados. Portanto, deve-se destacar:

solvente – representa o elemento ou composto que está presente em maior quantidade. Ocasionalmente, os átomos de solvente são também chamados de átomos hospedeiros;


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soluto – é usado para indicar um elemento ou composto que está presente em menor concentração.

Vale destacar que uma solução sólida se forma quando, à medida que os átomos do soluto são adicionados ao material hospedeiro (solvente), a estrutura cristalina é mantida e nenhuma nova estrutura (segunda fase) é formada.

Defeitos pontuais devido à presença de impurezas são encontrados em soluções sólidas e eles podem ser de dois tipos: substitucional e intersticial (Figura 4.2). No caso do defeito substitucional, os átomos do soluto ou átomos de impurezas tomam o lugar dos átomos do solvente ou o substituem.

Figura 4.2 – Representação esquemática bidimensional: (a) Átomo de impureza substitucional; (b) Átomo de impureza intersticial.

4.3 - DISCORDÂNCIAS

Tipo de defeito em torno do qual alguns átomos estão desalinhados. Um tipo de discordância conhecido por discordância aresta ou em cunha, pois produz um efeito de cunha no reticulado, pode ser observado na Figura 4.3. Nesta, pode-se observar uma porção extra de um plano de átomos cuja aresta termina no interior do cristal. Os átomos acima da linha de discordância são pressionados uns contra os outros, enquanto os localizados abaixo desta linha são puxados uns para longe dos outros. Este tipo de defeito cristalino exerce papel fundamental na deformação plástica dos metais.


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Figura 4.3 – Ilustração esquemática de defeito cristalino tipo discordância aresta ou cunha.

5 - DIFUSÃO

Materiais de todos os tipos são submetidos com freqüência a tratamentos térmicos para aprimorarem as suas propriedades. Os fenômenos que ocorrem durante este procedimento quase sempre envolvem a difusão atômica. Ou seja, muitas reações e processos que são importantes no tratamento térmico de materiais dependem da transferência de massa, seja no interior de um sólido específico (geralmente em nível microscópico) ou a partir de um líquido, de um gás ou de uma fase sólida. Isto é realizado obrigatoriamente através da difusão, que é o fenômeno de transporte de massa através do movimento dos átomos.

O fenômeno de difusão pode ser demonstrado mediante o uso de um par de difusão, que é formado ao se colocarem juntas as barras de dois metais diferentes, de modo que exista um contato íntimo com as duas faces. Como exemplo, tem-se o cobre e o níquel, ilustrados na Figura 5.1.

Figura 5.1 – Ilustração de um par de difusão cobre-níquel: (a) Antes de ser submetido a tratamento térmico; (b) Representações esquemáticas das localizações dos átomos de cobre e níquel durante a difusão; (c) Concentrações de cobre e níquel em função da posição ao longo da difusão.

Este par de difusão é aquecido a uma elevada temperatura (porém abaixo da temperatura de fusão para ambos os metais) por um período de tempo prolongado, e resfriado a temperatura ambiente. Uma análise química revelará que nas extremidades das barras haverá material puro enquanto no interior haverá uma mistura dos dois metais em questão. Esse resultado indica que os átomos de cobre difundiram para o interior do níquel e que os átomos de níquel difundiram para o interior do cobre. Esse processo no qual os átomos de um metal se difundem para o interior do outro metal é chamado interdifusão ou difusão de impurezas (transporte dos átomos da região de alta concentração para a região de baixa concentração).

A difusão também ocorre nos metais puros, porém neste caso todos os átomos que estão mudando de posição são do mesmo tipo. Isto é conhecido por autodifusão.


(a) (b) (c)

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5.1 - MECANISMOS DE DIFUSÃO

De uma perspectiva atômica, a difusão é tão somente a migração em etapas dos átomos de um sítio para outro sítio do retículo cristalino. De fato, os átomos em materiais sólidos estão em movimento constante, mudando rapidamente as suas posições. Para um átomo efetuar este tipo de movimento, duas condições devem ser atendidas: (1) deve haver um sítio adjacente vazio e (2) o átomo deve possuir energia suficiente para quebrar a ligação atômica que os une aos átomos vizinhos e então causar alguma distorção na rede cristalina durante o deslocamento. Essa energia é de natureza vibracional. A uma temperatura específica, uma pequena fração do número total de átomos é capaz de realizar movimento por difusão em virtude das magnitudes das energias vibracionais. Essa fração aumenta em função do aumento de temperatura.

Vários são os modelos propostos para este tipo de movimento atômico, porém duas são dominantes para a difusão em metais:(a) Difusão por lacuna: um mecanismo envolve o deslocamento de um átomo de uma posição normal da rede cristalina para um sítio vago do retículo ou lacuna adjacente. Esse mecanismo é apropriadamente chamado de difusão por lacuna. Obviamente este processo exige a presença de lacunas e a extensão segundo a qual a difusão por lacuna pode ocorrer é uma função do número de defeitos que estão presentes.

(b) Difusão intersticial: tipo de difusão que envolve átomos que migram de uma posição intersticial para outra vizinha que esteja vazia. Esse mecanismo é encontrado para a interdifusão de impurezas tais como hidrogênio, carbono, nitrogênio e oxigênio, que possuem átomos pequenos o suficiente para se encaixarem no interior das posições intersticiais. Este fenômeno é chamado adequadamente de difusão intersticial.

Devem-se ressaltar os fatores que influenciam a difusão, os quais: Espécies difusivas: dependendo do elemento em difusão esta pode ocorrer de duas maneiras: intersticial ou por lacuna. Isso geralmente depende do raio atômico. Temperatura: a difusão de uma espécie aumenta exponencialmente com a temperatura.

6 - MATERIAIS

Os metais constituem o mais importante grupo de materiais de construção, graças às inúmeras aplicações nos vários campos da engenharia.

O seu crescente emprego e importância se devem principalmente ao contínuo conhecimento que se tem adquirido de suas propriedades e do seu comportamento, sob a


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ação das diversas condições de serviço, assim como ao constante aperfeiçoamento dos métodos de fabricação e tratamento e ao progressivo desenvolvimento de novas ligas.

Definição científica de metal: “elemento que prontamente perde elétrons, de modo a criar uma ligação metálica e resultar condutibilidade elétrica”. A definição mais simples e usual de metais: “substâncias simples, dotadas de brilho próprio, e, geralmente, são bons condutores de calor e corrente elétrica”. Exemplos: ferro, manganês, zinco, alumínio, cobre, estanho, etc.

Alguns metais são encontrados no estado chamado nativo, ou seja, na forma praticamente pura. Por exemplo, o ouro, platina e, mais raramente o cobre e prata.

O ouro, pelos relatos que se tem notícia, foi o primeiro metal a ser usado, aproximadamente 8.000 anos antes de Cristo. Encontrado em seu estado puro na natureza, provavelmente chamou a atenção pelo seu brilho. Mas, por apresentar propriedades tais como alta ductibilidade, baixa dureza e resistência mecânica, é um material facilmente trabalhável, mas não destinado a finalidades práticas como fabricação de armas e ferramentas. Assim sendo, o primeiro metal que foi usado como matéria-prima tanto para objetos de adorno quanto para ferramentas foi o cobre (7.000 a.C.).

Contudo, na maioria das vezes, os metais são encontrados na forma combinada com outros elementos, constituindo os chamados minerais, os quais são essencialmente compostos químicos, tais como óxidos3, hidróxidos4, sulfetos5, carbonatos6, etc.. Ou seja, chama-se minério (Figura 6.1) os minerais dos quais se podem extrair economicamente um ou mais metais, como por exemplo, o minério de ferro.

Figura 6.1 – Representação esquemática de minério.

Na tabela a seguir, tem-se o nome de alguns dos metais mais conhecidos, a designação do minério de onde é extraído e a correspondente fórmula química.

Tabela 6.1 – Nomes de alguns metais, minérios de origem e respectivas fórmulas químicas.

METAL MINÉRIO FÓRMULA QUÍMICAFerroAlumínioChumboEstanho

HematitaBauxitaGalenaCassiterita

Fe2O3 (óxido de ferro)Al2O3 (óxido de alumínio)PbS (sulfeto de chumbo)ZnS (sulfeto de estanho)

3 Óxidos: compostos constituídos por um elemento químico qualquer ligado ao oxigênio. Ex.: Al2O3.4 Hidróxidos: compostos que contêm água em sua estrutura. Ex.: Al(OH2).5 Sulfetos: compostos constituídos por um elemento químico qualquer ligado ao enxofre. Ex.: Cu2S.6 Carbonatos: compostos que apresentam o grupo CO3 em sua estrutura. Ex.: CaCO3.


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A seguir, tem-se a classificação dos materiais mais comumente utilizados, tendo cada um sua importância e emprego definidos em função de suas características e propriedades (Tabela 6.2).

Tabela 6.2 – Classificação dos materiais mais comumente utilizados.MATERIAIS

METÁLICOS NÃO-METÁLICOSFERROSOS NÃO FERROSOS NATURAIS SINTÉTICOS

Aço Alumínio Madeira CerâmicaFerro Fundido Cobre Couro Plástico

Zinco BorrachaEstanhoTitânio

Como se pode observar na tabela acima, os materiais estão agrupados em duas famílias, ou seja:

Materiais metálicos ferrosos e não-ferrosos; Materiais não-metálicos naturais e sintéticos.

7 - DIAGRAMAS DE FASES

Uma das razões pela qual o conhecimento e a compreensão de diagramas de fases são importantes diz respeito ao controle dos procedimentos utilizados em tratamentos térmicos. Ou seja, algumas propriedades dos materiais são funções das suas microestruturas e, consequentemente, dos seus históricos térmicos.

Em suma, os diagramas de fase apresentam relações entre a temperatura e as composições da liga e as quantidades de cada fase presente, em condições de equilíbrio.

Portanto, faz-se necessário estabelecer um alicerce de definições e conceitos básicos relacionados às ligas, fases e equilíbrio antes de se dedicar à interpretação e utilização de diagramas de fases. Componente: é o termo usado para denominar metais puros e/ou compostos que compõe uma liga. Ex.: Em um latão cobre-zinco, os componentes são o cobre (Cu) e o zinco (Zn). Sistema: está relacionado a uma série de possíveis ligas que consistem nos mesmos componentes. Ex.: Sistema ferro (Fe) - carbono(C). Limite de solubilidade: para muitos sistemas de ligas existe em uma dada temperatura específica, uma concentração máxima de átomos de soluto que pode se dissolver no solvente para formar uma solução sólida. Isto é o que se denomina de limite de solubilidade. Quando este limite é ultrapassado, forma-se uma segunda fase (Figura 7.1). Fases: é uma porção homogênea de um sistema que possui características físicas e químicas uniformes. Todo material puro é considerado como sendo uma fase. Microestrutura: é caracterizada pelo número de fases presentes, por suas proporções e pela maneira pela qual estão distribuídas ou arranjadas.


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Figura 7.1 – Solubilidade do açúcar (C12H22O11) em um xarope açúcar – água.

7.1 - SISTEMAS ISOMORFOS BINÁRIOS

Possivelmente o tipo de diagrama de fases binário caracterizado pelo sistema cobre (Cu) – níquel (Ni) (Figura 8.2) seja o de mais fácil entendimento.

Figura 7.2 – Representação do diagrama de fases Cu-Ni: (a) Completo; (b) Ponto B ampliado.

Diagrama de fases representado pela Figura 7.2:A temperatura, em 0C, é plotada ao longo do eixo y sendo que a composição da liga,

em porcentagem de peso, é descriminada no eixo x. A composição varia entre 0% Ni (100% Cu) na extremidade horizontal esquerda e 100% Ni (0% Cu) na outra extremidade, à direita. Três campos de fases diferentes aparecem no diagrama: um campo alfa (α), um campo líquido (L) e um campo bifásico (α + L). Líquido: solução líquida homogênea, composta tanto por cobre quanto por níquel. Alfa: solução sólida homogênea, composta tanto por cobre quanto por níquel. α + L: solução heterogênea, pois possui partes sólidas (α), tanto de cobre como de níquel, e partes líquidas (L) tanto de cobre como de níquel.


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Obs.: * O diagrama Cu-Ni é chamado de isomorfo devido à capacidade de completa solubilidade dos dois componentes nos estados sólido e líquido.

* Para um sistema binário com composições conhecidas e que se encontra em equilíbrio, pelo menos três tipos de informações estão disponíveis:1 – As fases que estão presentes;2 – As composições destas fases;3 – As porcentagens ou frações das fases.

Interpretação do Diagrama de Fases:1) Fases presentes

O estabelecimento de quais fases está presente é relativamente simples. Precisa-se apenas localizar o ponto temperatura-composição no diagrama de fases e observar qual(is) fase(s) o campo de fases correspondente está indicando. Por exemplo, na Figura 7.2, uma liga com composição 60% Ni - 40% Cu a 11000C está localizada no ponto A. Uma vez que esse ponto encontra-se dentro da região α, exclusivamente a fase α estará presente. Por outro lado, uma liga com composição 35% Ni – 65% Cu que se encontra a 12500C (ponto B) consistirá tanto na fase α quanto na fase líquida, estas em equilíbrio.

2) Determinação da Composição das FasesSe apenas uma fase está presente, a composição da fase é a mesma composição global

da liga. Exemplo: no ponto A da figura em questão, somente a fase α estará presente com composição 60% Ni – 40% Cu.

Se duas fases estiverem presentes, podem ser imaginadas diversas linhas horizontais, uma a cada temperatura diferente. Cada uma destas linhas é conhecida por linha de amarração. Essas linhas se estendem através da região bifásica e terminam nas curvas de fronteira entre fases em ambos os lados. Para calcular as concentrações das duas fases em condições de equilíbrio, utiliza-se o seguinte procedimento:a- Constrói-se uma linha de amarração através da região bifásica à temperatura da liga;b- Anotam-se as interseções da linha de amarração com fronteiras entre as fases em ambos os lados;c- Traçam-se linhas perpendiculares à linha de amarração a partir dessas interseções até o eixo horizontal das composições, onde a composição em cada uma das respectivas fases pode ser lida.

3) Determinação das Quantidades das FasesAs quantidades relativas (%) das fases podem ser calculadas usando o diagrama de

fases. Se a composição da liga estiver localizada em uma região bifásica, a linha de amarração deve ser utilizada junto com a regra da alavanca, que é aplicada da seguinte forma:a- Constrói-se uma linha de amarração através da região bifásica à temperatura da liga;b- A composição global da liga é localizada sobre a linha de amarração;c- A fração de uma fase é calculada tomando-se o comprimento da linha de amarração desde a composição global da liga até a fronteira entre as fases com a outra fase e então


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dividindo esse valor pelo comprimento total da linha de amarração (ver equações). Se for desejo saber a porcentagem das fases, basta multiplicar por 100.

WL = (Cα – C0) / (Cα – CL) Wα = (C0 – CL) / (Cα – CL)

7.1.1 - Microestrutura em Ligas Isomorfas: Neste ponto, torna-se necessário examinar o desenvolvimento da microestrutura que ocorre para as ligas isomorfas durante o processo de solidificação. Este processo ocorre quando a liga é fundida e a partir deste ponto inicia-se a solidificação. Trata-se de uma situação de equilíbrio que ocorre lentamente.

Dentre os diferentes sistemas isomorfos, será considerado nesta análise o sistema Cu – Ni, especificamente uma liga contendo 35% Ni – 65% Cu à medida que este sistema é resfriado a partir de uma temperatura de 13000C. A região do diagrama de fases Cu – Ni na vizinhança desta composição é mostrado pela Figura 7.3, dado a seguir.

Figura 7.3 – Microestrutura da liga cobre - níquel: resfriamento a partir de 1300 0C e composição Ni 35% e Cu – 65%.

O resfriamento de uma liga com a composição acima corresponde a um movimento para baixo ao longo da linha tracejada vertical. A 13000C, no ponto a, a liga está completamente líquida e possui microestrutura representada pelo detalhe no círculo. À medida que o resfriamento tem seu início, nenhuma alteração microestrutural ou composicional irá ocorrer até que seja atingida a linha líquidus (ponto b, ≈ 12600C). Neste ponto, o primeiro sólido α começa a se formar, o qual tem uma composição que está especificada pela linha de amarração traçada a essa temperatura, isto é, 46% Ni – 54% Cu que foi descrita como α(46Ni). A composição do líquido ainda é de aproximadamente 35% Ni - 65% Cu [L(35Ni)], diferente daquela do sólido α. Com o prosseguimento do


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resfriamento, tanto as composições quanto as quantidades relativas de cada uma das fases serão alteradas. As composições das fases líquida e α seguirão as curvas liquidus e solidus, respectivamente. Além disso, a fração da fase α irá aumentar com o prosseguimento do resfriamento.

O procedimento de solidificação está virtualmente encerrado a uma temperatura de aproximadamente 12000C, ponto d. A composição do sólido α é de aproximadamente 35% Ni – 65% Cu (composição global da liga), enquanto a composição para a última fração líquida que permanece é de 24% Ni – 76% Cu. Ao cruzar a linha solidus, o restante de fase líquida se solidifica. O produto final é então uma solução sólida policristalina de fase α.

7.2 - SISTEMAS EUTÉTICOS BINÁRIOS

Outro tipo comum e relativamente simples de diagrama de fases encontrado para ligas binárias está mostrado na Figura 7.4. Para o sistema cobre – prata (Cu – Ag) esse diagrama é conhecido como diagrama de fases eutético binário.

Figura 7.4 – Diagrama eutético binário para o sistema Cu – Ag.

Diversas características deste diagrama de fases são importantes e dignas de observação. Em primeiro lugar, são encontradas três regiões monofásicas distintas: α, β e líquida. A fase α consiste em uma solução sólida rica em cobre. Ela contém prata como componente soluto, além de uma estrutura cristalina CFC. A solução sólida que compõe a fase β também possui estrutura cristalina CFC, mas nela o cobre é o soluto. Tecnicamente o cobre puro e a prata pura são considerados as fases α e β, respectivamente.

Desta forma, a solubilidade em cada uma destas fases sólida está limitada, no que a qualquer temperatura abaixo da curva BEG apenas uma concentração limitada de prata irá se dissolver no cobre e de maneira semelhante o cobre na prata. O limite de solubilidade


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para a fase α corresponde a curva de fronteira, identificada por CBA, entre as regiões das fases α / (α + β) e α/ (α + L).

7.2.1 - Microestrutura em Ligas Eutéticas: Dependendo da composição, são possíveis vários tipos diferentes de microestruturas para o resfriamento lento de ligas que pertencem a sistemas eutéticos binários. Essas possibilidades são consideradas (diagrama de fases) para o sistema chumbo – estanho (Figura 7.5).

Figura 7.5 – Diagrama de fases para o sistema chumbo – estanho: variação da microestrutura conforme composição. (a) C1; (b) C2; (c) C3.

A Figura 7.5 (a) se aplica para composições que variam entre a de um componente puro (sólido α) e a solubilidade máxima para aquele componente à temperatura ambiente. Para o sistema Pb – Sn, isso inclui ligas ricas em chumbo, que contém de 0 a 2% Sn (fase α), e também entre aproximadamente 99% Sn (fase β).

O processo de resfriamento de uma liga Pb – Sn na composição C1, onde o material encontra-se totalmente no estado líquido até que a curva liquidus seja cruzada a aproximadamente 3300C, quando a fase sólida começa a se formar. Ao atravessar a estreita faixa das fases α + L a solidificação prossegue até que todo o material esteja sólido. Os grãos crescem um em detrimento do outro em uma única fase sólida α.

A Figura 7.5 (b) ilustra o resfriamento da liga Pb – Sn na composição C 2, onde o ponto d mostra o material em uma única fase líquida. No ponto e, a região abrange duas fases, uma sólida e uma líquida, onde os primeiros grãos de material sólido começam a se formar. No ponto f todo o material apresenta apenas uma única fase sólida α e a partir do momento que o material cruza a linha solvus, no ponto g, a fase β é formada, na forma de agulhas.

A Figura 7.5 (c) apresenta a microestrutura referente ao resfriamento da liga Pb – Sn no ponto eutético. Neste ponto, a liga ao ser resfriada, passa do estado líquido para o estado sólido sem passar por uma região com duas fases. Assim o material passa de líquido


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para o estado sólido constituído por duas fases, a fase α (região mais escura) e fase β (região mais clara).

7.3 - DIAGRAMA DE FASES FERRO – CARBONO (LIGAS FERROSAS)

As ligas ferrosas são em princípio, divididas em dois grupos:- Aços, com teores de carbono até 2,14%;- Ferros fundidos, com teores de carbono acima de 2,14% e raramente superior a 4,0%.

Considerando, entretanto, os elementos de liga que podem estar presentes e as estruturas que caracterizam alguns tipos desses materiais, os grupos acima considerados, com as respectivas definições, compreendem algumas ligas, descritas a seguir:

- Aço-carbono : liga ferro-carbono contendo até cerca de 2,14% de carbono, além de certos elementos residuais (manganês, silício, fósforo, enxofre);- Aços-liga : aço-carbono que contém outros elementos de liga ou apresenta os elementos residuais em teores acima dos que são considerados normais;

- Ferro fundido cinzento : liga ferro-carbono-silício, com teores de carbono acima de 2,14% e silício presente em teores de 1,2% a 3,0%; a quantidade de carbono é de tal ordem que, conjuntamente com o relativamente elevado teor de silício, promove a formação parcial de carbono livre, na formação de lamelas ou “veios livres” de grafita. Nessas condições, o ferro fundido cinzento apresenta fratura com coloração escura;- Ferro fundido branco : liga ferro-carbono-silício, com teor de silício menor que o cinzento e que, por este motivo e às condições de fabricação, apresenta o carbono quase que inteiramente combinado (Fe3C), resultando numa fratura de coloração clara;- Ferro fundido maleável : liga ferro-carbono-silício caracterizada por apresentar grafita na forma de nódulos (em vez de “veios”), devido a um tratamento térmico especial (maleabilização) a que se submete um ferro fundido branco;- Ferro fundido nodular : liga ferro-carbono-silício caracterizada por apresentar grafita na forma esferoidal, resultante de um tratamento térmico realizado no material ainda no estado líquido (“nodulização”).

Uma parte do diagrama de fases em questão está representada na Figura 7.6, a seguir.


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Figura 7.6 – Diagrama de fases ferro – carbono.

O ferro puro, ao ser aquecido, experimenta duas alterações na sua estrutura cristalina antes de se fundir. À temperatura ambiente, a forma estável conhecida por ferrita ou ferro α, possui uma estrutura CCC. A ferrita experimenta uma transformação polimórfica para austenita, com estrutura cristalina CFC ou ferro γ, à temperatura de 9120C. Essa austenita persiste até 13940C, temperatura em que essa austenita reverte novamente para uma fase com estrutura CCC, conhecida por ferrita δ, a qual se funde a uma temperatura de 15380C. Todas estas alterações estão aparentes ao longo do eixo vertical, à esquerda, no diagrama de fases.

O eixo das composições na Figura 7.6 estende somente até 6,7%. Nessa concentração se forma o composto intermediário carboneto de ferro ou cementita (Fe3C), representado por uma linha vertical no diagrama. Desse modo, o sistema ferro – carbono pode ser dividido em duas partes: uma porção rica em ferro e outra (não mostrada) para composições localizadas entre 6,6% e 100% C (grafite puro).

Na prática todos os aços e ferros fundidos possuem teores de carbono inferiores a 6,7%. Portanto, considera-se somente o sistema ferro – carboneto de ferro. O carbono é uma impureza intersticial no ferro e forma uma solução sólida tanto com a ferrita α como com a ferrita δ, e também com a austenita, como está indicado pelos campos monofásicos α, γ e δ. Na ferrita α, com estrutura CCC somente pequenas concentrações de carbono são solúveis. A solubilidade máxima é de 0,022% C a 7270C. Esta solubilidade limitada pode ser explicada pela forma e pelo tamanho das posições intersticiais nas estruturas CCC, que tornam difícil acomodar os átomos de carbono. Embora o carbono esteja presente em pequena quantidade, ele influencia de maneira significativa as propriedades mecânicas da ferrita α. Essa fase ferro – carbono, em particular, é relativamente macia e possui densidade de 7,88 g/cm3.

A austenita ou fase γ do ferro, quando ligada somente com carbono, não é estável a uma temperatura inferior a 7270C. A solubilidade máxima do carbono na austenita, 2,14%, ocorre a 11470C. Essa solubilidade é aproximadamente 100 vezes maior do que o valor máximo para a ferrita com estrutura CCC, uma vez que as posições intersticiais na estrutura CFC são maiores e, portanto, as deformações impostas sobre os átomos de ferro que se encontram em volta do átomo de carbono são muito menores.

A ferrita γ é virtualmente a mesma ferrita α, exceto pela faixa de temperatura em que cada uma existe. Uma vez que a ferrita δ é estável somente a temperaturas relativamente elevadas, ela não é de importância tecnológica, e assim não será mais abordada.


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A cementita (Fe3C) se forma quando o limite de solubilidade para o carbono na ferrita α é excedido a temperaturas abaixo de 7270C. Mecanicamente, a cementita é muito dura e frágil. A resistência de alguns aços é aumentada substancialmente pela sua presença.

As regiões bifásicas estão indicadas na Figura 7.6. Pode ser observado que existe um eutético para o sistema ferro – carbono, localizado a 4,3% C e 11470C. Para esta reação eutética o líquido se solidifica para formar as fases austenita e cementita. Obviamente, o resfriamento subseqüente até a temperatura ambiente promoverá mudanças de fases adicionais.

Neste diagrama de fases é possível visualizar um ponto eutetóide, ou seja, um ponto onde o sólido se transforma em dois sólidos. Isso ocorre para uma composição de 0,76% C e a uma temperatura de 7270C, onde a austenita se transforma em ferrita α e cementita (Fe3C). As mudanças de fases eutetóides são importantes e, portanto, fundamentais durante o tratamento térmico dos aços.

As ligas ferrosas são aquelas nas quais o ferro é o componente principal, porém o carbono assim como outros elementos de liga poderá estar presentes. Na classificação das ligas ferrosas com base no teor de carbono, existem três tipos de ligas: ferro, aço e ferro fundido. O ferro comercialmente puro contém 0,008% C e, a partir do diagrama de fases, é composto à temperatura ambiente quase que exclusivamente pela fase ferrita. As ligas ferro – carbono entre 0,008% e 2,14% C são classificadas como aços. Os ferros fundidos possuem de 2,14% a 6,7% C.

7.4 - DESENVOLVIMENTO DA MICROESTRUTURA (AÇOS)

Muitas das várias microestruturas que podem ser produzidas em ligas de aço e também as suas relações com o diagrama de fases ferro – carbono é discutido a seguir, bem como se tem mostrado que a microestrutura que se desenvolve depende tanto do teor de carbono quanto do tratamento térmico. A discussão restringe-se ao resfriamento lento de ligas de aço para as quais o equilíbrio é mantido continuamente.

7.4.1 - Aços Eutetóides: As mudanças de fases que ocorrem mediante a passagem da região γ para o campo das fases α + Fe3C são relativamente complexas e semelhantes àquelas descritas para os sistemas eutéticos.

Para o resfriamento de uma liga de aço contendo 0,76% C (Figura 7.7 (a)), a microestrutura consiste em camadas alternadas ou lamelas compostas pelas fases α e Fe 3C. Essa microestrutura é chamada de perlita (Figura 7.7 (b)) onde as lamelas correspondem a cementita e a parte mais clara a ferrita.


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Figura 7.7 – Aços eutetóides: (a) Desenvolvimento da estrutura durante solidificação; (b) Microestrutura perlítica.

7.4.2 - Ligas Hipoeutetóides: O resfriamento de uma liga de aço em composições entre 0,022 e 0,76% C é conhecido como uma liga hipoeutetóide. Ao resfriar esta liga, a ferrita se forma nos contornos de grão e a estrutura perlítica é dividida por lamelas de ferrita proeutetóide (Figura 7.8(a)).

Figura 7.8 – Aços hipoeutetóides: (a) Estruturas formadas pelas ligas hipoeutetóides durante o resfriamento; (b) Microestrutura de um aço 0,38% C.

A Figura 7.8 (b) representa uma micrografia de uma estrutura hipoeutetóide de um aço com 0,38% C que possui microestrutura composta por perlita e ferrita proeutetóide.

7.4.3 - Ligas Hipereutetóides: As ligas hipereutetóides são aquelas que contêm entre 0,76 e 2,14% C que são resfriadas a partir de temperaturas dentro do campo de fase γ (Figura 7.9 (a)). A cementita é formada nos contornos de grãos da austenita e formam uma estrutura parecida com as ligas hipoeutetóides com a diferença de que os contornos escuros tratam-se de cementida proeutetóide. A Figura 7.9 (b) representa a micrografia de um aço com


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1,4% C que possui uma microestrutura de cementita proeutetóide branca que se envolve em colônias de perlita.

Figura 7.9 - – Aços hipereutetóides: (a) Estruturas formadas pelas ligas hipereutetóides durante o resfriamento; (b) Microestrutura de um aço 1,4% C.

Em resumo, existe uma distribuição entre os grãos de ferrita e perlita na estrutura dos aços em geral. O teor de ferrita e perlita varia de acordo como teor de carbono que existe em cada tipo de aço.

Portanto, os aços apresentam as seguintes microestruturas: Ferrita (ferro ) com reticulado do tipo cúbico de corpo centrado; Austenita (ferro ) com reticulado do tipo cúbico de face centrada; Cementita: ferro mais carbono; Perlita: ferrita mais cementita.

A seguir (Figura 7.10), uma representação esquemática das estruturas das ligas Fe – C, na faixa correspondente aos aços, esfriados lentamente.


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Figura 7.10 – Representação esquemática das estruturas das ligas Fe-C, na faixa correspondente aos aços, resfriados lentamente, conforme diagrama de equilíbrio Fe - C.

Classificação dos aços (teor de C): < 0,10 - extra-doce; 0,15 - 0,30 - doce; 0,30 - 0,40 - meio-doce; 0,40 - 0,60 - meio-duro; 0,60 - 0,70 - duro; 0,70 - 1,20 - extra-duro.

Barras para concreto armado, rebites, chapas e tubos para caldeira perfilados (vigas, cantoneiras, etc.), canos para água, arames, ferragens: 0 a 3% C; Eixos, trilhos, aros para rodas de locomotivas/vagões, peças a serem tratadas termicamente, facões, enxadas, foices, machados, ferramentas agrícolas: 0,4 a 0,7% C; Ferramentas de corte, limas, punções, peças que precisam resistir apenas ao desgaste: 0,9 a 1,2% C.

Tem-se na sequencia, o registro metalográfico de algumas amostras de aços após ataque químico (Figura 7.11).

Figura 7.11 – Metalografia de algumas amostras de aços, com ataque químico: (a) Extra-

doce (200X); (b) 0,3% de C (150X); (c e d) 0,5% de C (160X e 800X, respectivamente); (e) Eutetóide (750X); (f e g) Hipereutetóide (200X e 730X, respectivamente).

(a) Grãos de ferrita e pequenas inclusões; (b) Grãos de ferrita e de perlita;


(a) (b)a)

(c) (d)

(e) (f)

(g)

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(c e d) Grãos de perlita e rede de grãos de ferrita; (e) Grãos de perlita; (f e g) Grãos de perlita envoltos em uma rede de cementita.

7.5 - REAÇÕES QUE OCORREM NA FAIXA CORRESPONDENTE AOS FERROS FUNDIDOS

A fim de facilitar o estudo dessas reações, convém verificar inicialmente a estrutrura do eutético, ponto E, solidificado, porque a partir desse eutético, podem ser facilmente determinadas as estruturas dos ferros fundidos hipo e hipereutéticos.

No ponto E, estão em equilíbrio duas fases: - De um lado, á esquerda, a austenita com 2,14% de carbono, o máximo que pode ser mantida em solução sólida; - Do outro lado, à direita, o Fe3C que corresponde à extremidade do diagrama. Esse eutético, austenita mais cementita, é chamado ledeburita. Sua composição estrutural corresponde a um fundo de cementita com 6, 7% de carbono e cristais de austenita com 2,14% de carbono.

Pelo exame do diagrama, verifica-se que, ultrapassada a linha sólidus, ocorre uma diminuição gradativa do teor de carbono da austenita, cuja composição acompanha a inclinação da linha SE´, até que, ao atingir-se a temperatura de 7270C, correspondente a 0,76% de carbono, essa austenita se transforma repentinamente em perlita.

Assim sendo, a ledeburita será constituída de glóbulos de perlita sobre um fundo de cementita. Esse aspecto, que permanece até a temperatura ambiente, está indicado na Figura 7.12 (c).

No caso de um ferro fundido hipoeutético (entre 2,14% e 4,3% de C), na faixa de temperaturas entre as linhas “solidus” e 7270C, estão em equilíbrio as seguintes fases: de um lado, a austenita que se empobrece paulatinamente de carbono até que, ao atingir 7270C, transforma-se em perlita; do outro lado, a ledeburita , constituída agora de perlita sobre um fundo de cementita. A estrutura está esquematizada na Figura 7.12 (a).

Em se tratando de um ferro fundido hipereutético (entre 4,3% e 6,67% de carbono), entre as linhas “solidus” e 7270C, nada ocorre com a cementita separada durante o resfriamento na fase líquida. Mas a ledeburita sofre transformações, porque a austenita tem teor decrescendo paulatinamente, à medida que, no resfriamento se aproxima de 7270C, onde a austenita se transforma em perlita. Assim, abaixo desta temperatura até a temperatura ambiente, a estrutura dos ferros fundidos hipereutéticos (Figura 7.12 (b)) é constituída de cristais alongados de cementita e um fundo de ledeburita (glóbulos de perlita mais cementita).


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Figura 7.12 – Representação esquemática das estruturas das ligas Fe-C, resfriados lentamente, na faixa correspondente aos ferros fundidos, conforme o diagrama FeXC.

Essas estruturas correspondem aos ferros fundidos brancos, em que não existe qualquer carbono na forma livre de grafita. Tais ferros fundidos são relativamente de pouco uso comercial, devido a sua grande dureza e fragilidade, e baixa usinabilidade. A Figura 7.13 apresenta a metalografia de algumas amostras de ferros fundidos brancos.

Figura 7.13 - Metalografia de algumas amostras de ferros fundidos brancos, com ataque químico: (a) Hipoeutético (500X); (b) Eutético (530X); (c) Hipereutético (150X).

Os ferros fundidos mais utilizados são os cinzentos, caracterizados pela presença de silício, geralmente em teores superiores a 2,0%. A presença desse elemento produz uma decomposição do Fe3C, em Fe e C, este último na forma de veios de grafita. Por essa razão, o silício é chamado frequentemente de “grafitizante”. A forma como a grafita se apresenta na estrutura, diferentemente dos ferros fundidos nodulares, está representada esquematicamente na Figura 7.14 (a e b), dada a seguir.

Figura 7.14 – Ilustração genérica do aspecto micrográfico: (a) Ferro fundido cinzento; (b) Ferro fundido nodular.


(a)

(c)

(b)d

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A forma e a distribuição dos veios de grafita variam, o que levou associações como a ASTM7 a promover a sua classificação em cinco tipos (Figura 7.15) que conferem propriedades diferentes aos vários tipos de ferros fundidos cinzentos:

A - irregular desorientada;B - em roseta;C - desigual irregular;D - intergranular desorientada;E - intergranular orientada.

Contudo, à medida que o teor de carbono aumenta, os ferros fundidos cinzentos tornam-se mais moles, menos resistentes e mais usináveis. Entretanto, sua ductilidade, qualquer que seja o teor de carbono, é praticamente nula, devido à presença de carbono livre, em veios de grafita. Por sua vez, deve-se ressaltar que essa ductilidade pode ser melhorada, através de procedimentos específicos, quando se tratar de ferros fundidos maleáveis e nodulares.

Figura 7.15 – Principais formas sob as quais a grafita (veios) ocorre nos ferros fundidos cinzentos: (a) Tipo A (150X); (b) Tipo B (150X); (c) Tipo C (150X); (d) Tipo D (150X); (e) Tipo E (100X).

7 ASTM: American Society for Testing Material.


(a) (b) (c) (d) (e)

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8 - PROPRIEDADES DOS MATERIAIS

A divisão entre materiais metálicos e não-metálicos está diretamente ligada às propriedades desses materiais. Isto é, os materiais metálicos apresentam plasticidade, ou seja, podem ser deformados sem se quebrarem e conduzem bem o calor e a eletricidade. Aliás, a condutividade térmica quanto elétrica dos metais está diretamente ligada à mobilidade dos elétrons dos átomos de sua estrutura. Os não-metálicos, por sua vez, geralmente são maus condutores de calor e eletricidade.

Dureza, fragilidade, resistência, elasticidade e condução de calor, por exemplo, são capacidades próprias de cada material. Conhecidas por propriedades, cada uma delas está relacionada à natureza das ligações que existem entre os átomos de cada material, seja ele metálico ou não-metálico.

8.1 - PROPRIEDADES MECÂNICAS

As propriedades mecânicas aparecem quando o material está sujeito a esforços de natureza mecânica. Portanto, essas propriedades determinam a maior ou menor capacidade que o material tem para transmitir ou resistir aos esforços que lhe são aplicados. Essa capacidade é necessária não só durante o processo de fabricação, mas também durante sua utilização.

Elasticidade: É a capacidade que o material deve ter de se deformar, quando submetido a um esforço, e de voltar à forma original quando o esforço termina. Uma mola deve ser elástica (Figura 3.1). Por ação de uma força, deve se deformar e, quando cessada a força, deve voltar a sua posição inicial.

Figura 8.1 – Elasticidade.

Fragilidade: Materiais muito duros tendem a se quebrar com facilidade, não suportando choques, enquanto que os materiais menos duros resistem melhor aos choques. Assim sendo, os materiais que possuem baixa resistência aos choques são chamados frágeis. Exemplo: ferro fundido, vidro, etc..

Ductilidade: Pode-se dizer que a ductilidade é o oposto da fragilidade. São dúcteis os materiais que por ação de força, se deformam plasticamente, conservando sua coesão. Por exemplo, se puxarmos um fio de cobre, ele se esticará até um determinado comprimento sem se romper (Figura 8.2).

Figura 8.2 – Ductilidade.


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- tensão; - deformação;y – tensão de escoamento;U – tensão última/estricção;r – tensão de ruptura;E – módulo de elasticidade.

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Obs.: A seguir, tem-se ilustrado o diagrama tensão x deformação (Figura 8.3), para três diferentes materiais.

Lei de Hooke: = E X comportamento elástico

Figura 8.3 – Diagramas tensão-deformação. Materiais dúcteis: (a) Aço baixo teor de carbono e (b) Alumínio; (c) Material frágil - gráfico ilustrativo.

Dureza: A dureza é a resistência que um material oferece a penetração de outro corpo. As ferramentas devem ser duras (Figura 8.4) para que não se desgastem e possam penetrar em um material menos duro.

Figura 8.4 – Representações esquemáticas (a e b) de ferramentas no processo de desgaste.

Resistência: Resistência de um material é a sua oposição a mudança de forma e ao cisalhamento. As forças externas podem exercer sobre o material: cargas de tração, compressão, flexão, cisalhamento, torção ou flambagem (Figura 8.5).

Figura 8.5 – Representação esquemática: (a) Tração; (b) Compressão; (c) Flexão; (d) Cisalhamento; (e) Torção; (f) Flambagem.

Obs.: O teor de carbono influi na estrutura dos aços e quanto mais carbono existir mais resistência mecânica ele apresentará (Figura 8.6).


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Figura 8.6 – Propriedades mecânicas dos aços conforme o teor de carbono.

8.2 - TÉRMICAS

As propriedades térmicas determinam o comportamento dos materiais quando são submetidos a variações de temperatura. Isso acontece tanto no processamento do material quanto na sua utilização. É um dado importante, por exemplo, na fabricação de ferramentas de corte. As velocidades de corte elevadas geram aumento de temperatura e, por isso, a ferramenta precisa ser resistente a altas temperaturas.

Ponto de fusão: Refere-se à temperatura em que o material passa do estado sólido para o líquido. Dentre os materiais metálicos, o ponto de fusão é uma propriedade importante para determinar sua utilização. Por exemplo, o alumínio se funde à 6600C enquanto o cobre à 10840C.

Ponto de ebulição: É a temperatura em que o material passa do estado líquido para o estado gasoso. A água se transforma em vapor ao atingir 1000C (ponto de ebulição).

Dilatação térmica: Essa propriedade faz com que os materiais, em geral, aumentem de tamanho quando a temperatura se eleva. Devido a essa propriedade, as grandes estruturas de concreto, como prédio, pontes e viadutos, são construídos com pequenos vãos ou folgas entre as lajes, para que elas possam se acomodar nos dias muito quentes. Os espaços que existem entre os trilhos dos trens também apresentam essa finalidade.

Condutividade térmica: É a capacidade que determinados materiais têm de conduzir calor. A fim de verificar este tipo de propriedade, pode-se segurar uma barra de metal por uma das pontas e colocar a outra ponta no fogo. Dentro de certo tempo ela ficará tão quente que será impossível continuar a segurá-la.


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8.3 - ELÉTRICAS

Corresponde ao comportamento dos metais sob a ação de uma corrente elétrica e à sua capacidade de transmitir energia elétrica.

Condutividade elétrica: É a capacidade que o material tem de conduzir corrente elétrica. Isto se deve à mobilidade dos elétrons e à sua facilidade de movimentar-se. Os metais se caracterizam, principalmente, por pertencerem ao primeiro grupo.

Resistividade elétrica: È a resistência que o material oferece à passagem de corrente elétrica. Essa propriedade está presente nos materiais que são maus condutores de eletricidade. Assim sendo, a fim de não se ter risco de choque, os fios elétricos são recobertos por material plástico, pois esse material resiste à passagem de corrente elétrica.

8.4 - QUÍMICAS

As propriedades químicas são as que se manifestam quando o material entra em contato com outros materiais ou com o ambiente. Elas se apresentam sob a forma de presença ou ausência de resistência à corrosão, aos ácidos, às soluções salinas. O alumínio, por exemplo, é um material que, em contato com o ambiente, resiste bem à corrosão. Entretanto, o ferro na mesma condição, enferruja, ou seja, não resiste à corrosão.

9 - MECANISMOS DE MODIFICAÇÃO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS

Antes mesmo de conhecer o ferro, o homem já conhecia ao menos uma liga metálica: o bronze. Por observação, ele percebeu que a “mistura” de dois metais melhorava o desempenho do metal que estava em maior quantidade.

As ligas metálicas são, na verdade, uma solução sólida. Ou seja, a mistura completa dos átomos de dois metais, que ocorreu quando eles estavam no estado líquido (durante a fusão) e que continua quando eles passam para o estado sólido.

Nos metais, as soluções sólidas são formadas graças à ligação entre os átomos dos metais, causada pela atração entre os íons positivos e a “nuvem eletrônica” que fica em volta dos átomos. A Figura 9.1 a seguir, representa esquematicamente, tipos de soluções sólidas.

Figura 9.1 – Representação de solução sólida: (a) Substitucional; (b) Intersticial.


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Entretanto, para que isto aconteça, os tamanhos e as estruturas dos átomos dos dois metais devem ser parecidos. O cobre e o ferro, por exemplo, dissolvem muitos metais. Os átomos de carbono, por sua vez, por serem relativamente pequenos, dissolvem-se intersticialmente, ou seja, ocupando espaços vazios, entre os átomos do ferro.

Por isso, o aço-carbono é o aço mais comumente encontrado, sendo o mesmo uma liga de ferro com pequenas quantidades de carbono (máximo 2,14%) e elementos residuais. Isto é, elementos que ficam no material metálico após o processo de fabricação.

Deve-se ressaltar ainda que, dentro do aço, o carbono, juntando-se com o ferro, formam um composto chamado carboneto de ferro (Fe3C), uma substância muito dura. Este composto confere dureza ao aço, aumentando sua resistência mecânica. Contudo, diminui sua ductilidade, sua resistência ao choque e a soldabilidade, e torna-o difícil de trabalhar por conformação mecânica.

Os aços comuns, além do carbono que é seu principal elemento de liga, apresentam manganês, silício, fósforo e enxofre como elementos sempre presentes, em função das matérias-primas que foram utilizadas na fabricação do ferro gusa e do aço. Por essa razão, esses elementos são normalmente especificados.

Isto é, as impurezas, como o manganês, o silício, o fósforo, e o enxofre, fazem parte das matérias-primas usadas no processo de produção do aço. Elas podem estar presentes no minério ou ser adicionadas para provocar alguma reação química desejável, como a desoxidação por intermédio da introdução do alumínio, por exemplo, ou os gases oxigênio, nitrogênio e hidrogênio, presentes devido aos processos de fabricação.

Por mais controlado que seja o processo de fabricação do aço, é impossível produzi-lo sem essas impurezas. E elas, de certa forma, têm influência sobre as propriedades desse material. Quando adicionadas propositadamente são consideradas elementos de liga8, conferindo propriedades especiais ao aço. Às vezes, elas ajudam, às vezes atrapalham. Assim sendo, o que se deve fazer é controlar suas quantidades.

Todavia, caso seja necessário fabricar um produto que tenha aplicações especiais como, por exemplo, recipientes para a indústria química, que devem ser resistentes aos ataques de produtos químicos, certamente o aço terá que apresentar características especiais. Para alcançar tal objetivo, recorre-se aos tratamentos térmicos e a adição de elementos de liga.

Portanto, as propriedades dos aços-carbono dependem basicamente de dois fatores: Composição química; Estrutura.

Entretanto, a estrutura é influenciada pelos seguintes fatores: Composição química; Tratamento térmico; Tratamento mecânico.

A composição química determina em função do teor de carbono, se o aço é hipoeutetóide, hipereutetóide ou eutetóide.

O tratamento mecânico relaciona-se com as condições de deformação do material: se a quente ou se a frio e, neste caso, a intensidade do encruamento resultante.

8 Elemento de liga: elemento metálico ou não, que é adicionado a um metal (metal-base) de tal maneira que melhora alguma propriedade desse metal-base.


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O tratamento térmico influi sob dois aspectos:- Temperatura e tempo de aquecimento;- Velocidade de resfriamento.

9.1 - INFLUÊNCIA DOS ELEMENTOS DE LIGA NOS AÇOS

Um aço é considerado aço-liga quando as quantidades dos elementos adicionados são maiores do que as encontradas nos aços-carbono comuns. Essa adição tem por objetivo ajudar o aço na modificação e melhoria de suas propriedades mecânicas.

Dependendo da quantidade dos elementos de liga adicionados, o aço-liga pode ser um aço de baixa liga, se tiver até 5% de elementos de adição, ou um aço de liga especial, se tiver quantidades de elementos de liga maiores do que 5%.

De um modo geral, ao introduzir-se elementos de liga nos aços, visam-se os seguintes objetivos:- Alterar as propriedades mecânicas;- Aumentar a usinabilidade;- Aumentar a temperabilidade;- Conferir dureza a quente;- Aumentar a capacidade de corte;- Conferir resistência ao desgaste;- Conferir resistência à corrosão;- Conferir resistência à oxidação (ao calor);- Modificar os característicos elétricos e magnéticos.

O aumento dos valores das propriedades mecânicas, tais como dureza e resistência à tração, é conseguido, sobretudo porque os elementos de liga, além de aumentarem a resistência da ferrita, formam outros carbonetos, além do Fe3C.

A Figura 9.2 mostra a ação de alguns elementos de liga que se dissolvem na ferrita, no sentido de aumentar a dureza dos aços. As ações mais positivas correspondem às do fósforo, silício, manganês e níquel.

Figura 9.2 – Ação relativa na dureza do aço de alguns elementos de liga que se dissolvem na ferrita.


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Os elementos de liga mais comumente adicionados ao aço são o níquel, manganês, cromo, molibdênio, vanádio, tungstênio, cobalto, silício e cobre. Deve-se ressaltar o fato de que, é possível adicionar mais de um elemento de liga para obter um aço-liga.

Em suma, existem três possibilidades para melhorar a resistência mecânica de qualquer metal:- Aplicar processos de conformação mecânica, como laminação, por exemplo;- Submetê-lo a aquecimento e resfriamento sob condições controladas;- Acrescentar elementos de liga.

10 - METALOGRAFIA

A metalografia, um dos principais ramos da metalurgia física, estuda a constituição, a estrutura e a textura dos materiais (norma ASTM E 250). O exame metalográfico encara o metal sob o ponto de vista de sua estrutura, procurando relacioná-la às propriedades físicas, composição, processo de fabricação, etc., de modo a poder esclarecer ou prever seu comportamento em uma aplicação determinada.

A observação das estruturas metálicas sob aumentos convenientes é de importância considerável tanto para estudantes, engenheiros, técnicos, como para os pesquisadores. É necessário ressaltar que tão somente a análise química não permite concluir sobre as propriedades mecânicas, físicas ou mesmo tecnológicas de uma liga metálica, e que a metalografia preenche, pelo menos, em grande parte, esta lacuna.

O conhecimento da história dos produtos fundidos, dos processos de elaboração das ligas e dos tratamentos térmicos e mecânicos a que foram submetidas será necessário para desvendar a causa dos incidentes de fabricação e julgar as qualidades técnicas dos produtos obtidos.

A metalografia é, hoje, uma arte tecno-científica de suma importância na resolução de problemas e da durabilidade de componentes metálicos quando submetidos às condições de serviço, que a cada dia, tornam-se mais severas. Ou seja, pode informar a causa de defeitos, objetivando desta forma, uma melhoria tecnológica ou de desenvolvimento científico.

O exame metalográfico pode ser efetuado a vista desarmada (exame macrográfico) ou com o auxílio de um microscópio (exame micrográfico). Esses exames são feitos em seções do material, polidas e atacadas com reativos adequados. Em síntese, o exame metalográfico fornece dados sobre como o material ou peça foi produzido e também sobre sua homogeneidade. Este exame pode ser classificado como qualitativo e/ou quantitativo

Metalografia qualitativa : consiste em observar a microestrutura do material, determinando-se quais são os micros constituintes que a compõe. Estes podem variar de acordo com o tipo de liga analisada e segundo os tratamentos térmicos e/ou mecânicos, processos de fabricação e outros processos a que o material tenha sido submetido.

Metalografia quantitativa : tem por objetivo determinar o tamanho médio dos grãos, a porcentagem de cada fase constituinte do material, a forma e o tipo de inclusões não metálicas, a forma e o tipo de grafita, no caso do ferro fundido, por exemplo.


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10.1 - MACROGRAFIA

A macrografia consiste no exame do aspecto de uma peça ou amostra metálica, segundo uma seção plana devidamente polida e, em geral, atacada por um reativo apropriado. A palavra macrografia também é empregada para designar os documentos que reproduzem a macro-estrutura, em tamanho natural ou aumento de no máximo 10 vezes (Figura 10.1).

Pela macrografia obtêm-se informações de caráter geral, um aspecto de conjunto sobre a homogeneidade do material da peça, a distribuição e quantidade de certas impurezas, processos de fabricação, etc..

Figura 10.1 – Seção transversal: (a) Barra de aço, sem ataque, com vazios (aumento 2x); (b) Trilho apresentando intensa descarbonetação junto à superfície (faixas claras) e alma com dobra descarbonetada (ataque: iodo). Tamanho natural.

10.1.1 - Preparação do Corpo de Prova

a) Escolha e localização da seção a ser estudada: corte transversal e/ou longitudinal (Figura 10.2). Deve-se ressaltar o fato de que: Corte transversal: aplicado quando se deseja verificar a natureza do material, se a seção é homogênea, a profundidade do tratamento térmico/termoquímico, etc. Corte longitudinal: quando se deseja verificar, por exemplo, o processo de obtenção de uma peça, ou seja, se ela foi fundida, laminada, etc..

Figura 10.2 – Influência da posição da seção (transversal e longitudinal) feita em peças laminadas sobre a profundidade do ataque.

b) Realização de uma superfície plana e polida no lugar escolhido: corte e polimento;


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Corte: etapa efetuada com serra ou cortador de disco abrasivo; quando este meio não é viável, recorre-se ao desbaste com esmeril comum ou com auxílio de plaina. Por meio de uma lima fina ou lixadeira mecânica termina-se esta etapa. Polimento: iniciado sobre lixa, em direção normal aos riscos de lima ou lixa grossa já existente, é levado até o completo desaparecimento destes. Depois se passa para a lixa mais fina seguinte, mudando de 900 a direção do polimento e continuando igualmente até terem desaparecido os riscos da lixa anterior.

c) Ataque da superfície por um reagente químico adequado: quando uma superfície polida é submetida uniformemente a ação de um reativo, quase sempre, certas regiões são atacadas com maior intensidade do que outras. Essa diferença provém habitualmente de duas causas principais: diversidade de composição química e/ou estrutura cristalina. O contraste decorre do fato de certas regiões escurecerem mais do que outras. A imagem assim obtida constitui o “aspecto macrográfico” do material. O contato do corpo de prova com o reativo pode ser obtido por diferentes formas: Ataque imersão: mergulhando a superfície polida numa cuba contendo certo volume de reagente. Ataque por aplicação: camada de reativo sobre a seção em estudo com auxílio de um pincel ou chumaço de algodão.

d) Exame e interpretação do resultado.

10.2 - MICROGRAFIA

O estudo dos produtos metalúrgicos, com auxílio de microscópio, visa à determinação e seus constituintes e de sua textura. Este estudo também é efetuado em superfícies polidas e, em geral, atacadas por um reagente químico (Figura 10.3).

A importância deste exame decorre do fato de as propriedades mecânicas de um metal dependerem não só de sua composição química como também de sua textura. Com efeito, um mesmo material pode tornar-se mole, duro, duríssimo, quebradiço, elástico, tenaz, etc., conforme a textura que apresentar e que lhe pode ser dada por meio de trabalhos mecânicos ou tratamentos térmicos adequados.

Figura 10.3 – (a) Aço com aproximadamente 0,5% de carbono esfriado lentamente: textura lamelar da perlita (ataque: ácido nítrico; aumento 800X); (b) Aço eutetóide esfriado lentamente: lamelas de perlita (ataque: ácido nítrico; aumento: 750X).


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10.2.1 - Preparação do Corpo de Prova

As técnicas de preparação são semelhantes as da micrografia, apenas com algumas particularidades em função do aumento à que a amostra será submetida e do objetivo da análise.

a) Escolha e localização da seção a ser estudada; Neste tipo de ensaio o método de corte da amostra é feito por abrasão a úmido, sob condições nas quais a amostra não sofrerá deterioração de sua estrutura; Embutimento: a montagem da amostra para o ensaio metalográfico é de grande importância. Ou seja, além de facilitar o manuseio de peças pequenas, evita que as amostras com arestas rasguem a lixa ou pano de polimento, bem como o seu abaulamento durante o referido polimento. Tal aspecto influencia negativamente a observação microscópica. Lixamento: A escolha do abrasivo mais indicado para um determinado trabalho ficará a critério de duas variáveis: poder de desbaste e custo. As técnicas de lixamento seguem os mesmos critérios adotados para a análise macrográfica, ou seja, lixar amostras com lixas de granulometria cada vez menor, mudando de direção (900) em cada lixa subsequente até desaparecer os traços da lixa anterior. A Figura 10.4 ilustra a diferença na forma de polimento, em uma amostra antes do ataque químico.

Figura 10.4 – Aço com numerosas inclusões (sem ataque químico): (a) Superfície mal polida (aumento: 100X); (b) Superfície bem polida (aumento: 200X).

b) Realização de uma superfície plana e polida no lugar escolhido; O polimento via politriz, consiste na obtenção de uma superfície isenta de risco, de modo a se obter uma imagem clara e perfeita ao microscópio, da estrutura em observação. Os materiais de polimento podem ser: óxido de cromo, óxido de magnésio, óxido de alumínio, diamante natural ou sintético.Obs.: Panos de polimento são panos cuja estrutura textil é altamente controlada permitindo um correto relacionamento entre este e o agente polidor.

c) Exame ao microscópio para observação das ocorrências visíveis sem ataque: a superfície polida é observada ao microscópio, antes do ataque, para o exame das inclusões, trincas, porosidades, veios ou partículas de grafita, etc.. Faz-se então necessário para a continuidade da análise, o ataque químico da superfície.


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d) Ataque da superfície por um reagente químico adequado: o ataque é efetuado agitando o corpo de prova com a superfície polida mergulhada no reativo posto numa pequena cuba. Numerosos são os reativos empregados na micrografia das ligas ferro-carbono, sendo os mais usuais: solução de ácido nítrico (Nital), solução de ácido pícrico (Picral) e solução de picrato de sódio.

De um modo geral, os reativos agem dissolvendo superficialmente certos constituintes ou certas regiões, como os contornos de grãos, tirando-lhes às vezes o brilho dado pelo polimento, ou colorindo-os diversamente, ou ainda depositando um composto qualquer sobre eles. A escolha do reativo depende da natureza do material e da finalidade que se tem em vista. Limpeza: um dos estágios mais importantes da sequência de preparação de uma amostra metalográfica é a limpeza. Esta geralmente está impregnada com óleo, graxa,, poeira, etc., bem como resíduos oriundos dos processos de corte, embutimento e lixamento. O método de limpeza mais simples consiste em enxaguar amostras com água. Entretanto, como toda operação de lavagem requer um processo de secagem, aconselha-se usar líquidos de baixo ponto de ebulição tais como éter e álcool, os quais devem ser secados rapidamente com jato de ar quente.

e) Exame e interpretação do resultado.


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REFERÊNCIAS

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Apostila Tecnologia Dos Materiais Para Copia