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Materiais de Construção Mecânica II (UFSM)

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MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA II

Prof. Cláudio Roberto Losekann, Dr. Eng.

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II

ÍNDICE ANALÍTICO ÍNDICE ANALÍTICO ............................................................................................... II ÍNDICE DE FIGURAS ........................................................................................... VI 1 – CLASSIFICAÇÃO DE METAIS ........................................................................ 1

1.1 - INTRODUÇÃO ........................................................................................... 1 1.2 - CLASSIFICAÇÃO....................................................................................... 1

1.2.1 - METAIS ESCUROS............................................................................. 1 1.2.2 - METAIS CLAROS................................................................................ 2

2 - AÇOS E FERROS FUNDIDOS ......................................................................... 3 2.1 - INTRODUÇÃO ........................................................................................... 3 2.2 - MINÉRIO DE FERRO................................................................................. 3 2.3 – OBTENÇÃO DO FERRO GUSA................................................................ 5 2.4 - AÇO............................................................................................................ 7

2.4.1 - DEFINIÇÃO ....................................................................................... 10 2.4.2 - CONSTITUINTES DA LIGA FERRO CARBONO............................... 13 2.4.3 - CLASSIFICAÇÃO DOS AÇOS - ABNT - SAE - AISI.......................... 18 2.4.4 - INFLUÊNCIA DOS ELEMENTOS DE ADIÇÃO ................................. 22

2.4.4.1 – Elementos de adição .................................................................. 23 2.4.5 - RESUMO DOS PRINCIPAIS AÇOS PARA CONSTRUÇÃO MECÂNICA ................................................................................................... 27

2.5 – FERRO FUNDIDO................................................................................... 30 2.5.1 - CLASSIFICAÇÃO DOS FERROS FUNDIDOS - ABNT ..................... 31

2.6 - TRATAMENTOS TÉRMICOS E DE SUPERFÍCIES................................. 32 2.6.1 - TRATAMENTOS TÉRMICOS ............................................................ 32

2.6.1.1 - Recozimento................................................................................ 36 2.6.1.2 - Normalização............................................................................... 37 2.6.1.3 - Revenimento ............................................................................... 37 2.6.1.4 - Têmpera ...................................................................................... 38 2.6.1.5 – Diagramas ttt – temperatura-tempo-transformação .................... 40 2.6.1.6 – Tipos de tratamentos isotérmicos ............................................... 45

2.6.2 - TRATAMENTOS DE SUPERFÍCIES ................................................. 49 2.6.2.1 - Tratamentos termo-químicos....................................................... 50 2.6.2.2 - Tratamentos de revestimentos .................................................... 65

3 - ALUMÍNIO E SUAS LIGAS ............................................................................. 68 3.1 – INTRODUÇÃO......................................................................................... 68 3.2 - PRODUÇÃO DE ALUMÍNIO..................................................................... 69 3.3 - PROPRIEDADES DO ALUMÍNIO E SUAS LIGAS................................... 71

3.3.1 - LIGAS DE ALUMÍNIO ........................................................................ 73 3.3.1.1 - Liga de Al-Cu............................................................................... 74 3.3.1.2 - Liga de Al-Mg (alumag) ............................................................... 74 3.3.1.3 - Liga de Al-Mn .............................................................................. 75 3.3.1.4 - Liga de Al-Si ................................................................................ 75 3.3.1.5- Liga de Al-Si ................................................................................. 76

3.3.2 - NORMALIZAÇÃO DAS LIGAS DE ALUMÍNIO .................................. 78 4 - COBRE E SUAS LIGAS.................................................................................. 80

4.1 - INTRODUÇÃO ......................................................................................... 80 4.2 - PRODUÇÃO DE COBRE ......................................................................... 81

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III

4.3 - PROPRIEDADES DO COBRE E SUAS LIGAS ....................................... 83 4.3.1 - LIGAS DE COBRE............................................................................. 85

4.3.1.1 - Latão ........................................................................................... 85 4.3.1.2 - Bronze ......................................................................................... 90 4.3.1.3 - Ligas de cobre-alumínio .............................................................. 95 4.3.1.4 - Cuproníquel ................................................................................. 97 4.3.1.5 - Ligas de cobre e berílio ............................................................... 98 4.3.1.6 - Ligas de cobre e silício ...............................................................100

4.3.2 - NORMALIZAÇÃO DAS LIGAS DE COBRE......................................100 5 - NÍQUEL E SUAS LIGAS ................................................................................101

5.1 - INTRODUÇÃO ........................................................................................101 5.2 - PROPRIEDADES DO NÍQUEL E SUAS LIGAS......................................102

5.2.1 - NÍQUEL.............................................................................................102 5.2.2 - LIGAS DE NÍQUEL ...........................................................................103

5.2.2.1 - Ligas de níquel e berílio .............................................................104 4.2.2.2 - Ligas de níquel e cromo .............................................................104 5.2.2.3 - Ligas de níquel e molibdênio ......................................................104

6 - COBALTO E SUAS LIGAS ............................................................................105 6.1 - INTRODUÇÃO ........................................................................................105 6.2 - PROPRIEDADES DO COBALTO E SUAS LIGAS ..................................105

6.2.1 - COBALTO.........................................................................................105 6.2.2 - LIGAS DE COBALTO .......................................................................106

7 - TITÂNIO E SUAS LIGAS ...............................................................................107 7.1 - INTRODUÇÃO ........................................................................................107 7.2 - PROPRIEDADES DO TITÂNIO E SUAS LIGAS .....................................107

7.2.1 - TITÂNIO............................................................................................107 7.2.2 - LIGAS DE TITÂNIO ..........................................................................109

8 - MAGNÉSIO E SUAS LIGAS ..........................................................................109 8.1 - INTRODUÇÃO ........................................................................................109 8.2 - PROPRIEDADES DO MAGNÉSIO E SUAS LIGAS................................110

8.2.1 - MAGNÉSIO.......................................................................................110 8.2.2 - LIGAS DE MAGNÉSIO .....................................................................111

9 - ZINCO E SUAS LIGAS ..................................................................................111 9.1 - INTRODUÇÃO ........................................................................................111 9.2 - PROPRIEDADES DO ZINCO E SUAS LIGAS ........................................111

9.2.1 - LIGAS DE ZINCO .............................................................................113 9.2.2 - LIGAS DE ZINCO E ALUMÍNIO........................................................113

10 - CHUMBO E SUAS LIGAS............................................................................113 10.1 - INTRODUÇÃO ......................................................................................113 10.2 - PROPRIEDADES DO CHUMBO E SUAS LIGAS .................................114

11 - OUTROS METAIS .......................................................................................116 11.1 - ESTANHO .............................................................................................116 11.2 - CROMO.................................................................................................117 11.3 - TUNGSTÊNIO .......................................................................................118 11.4 - PRATA...................................................................................................119 11.5 - OURO....................................................................................................119

12 - POLÍMEROS................................................................................................121 12.1 - INTRODUÇÃO ......................................................................................121 12.2 – PROPRIEDADES .................................................................................123

12.2.1 - MORFOLOGIA................................................................................123

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IV

12.2.2 – COMPORTAMENTO À MOLDAGEM ............................................125 12.2.3 - ADITIVOS .......................................................................................126 12.2.4 – PROPRIEDADES TÉRMICAS .......................................................128 12.2.5 – PROPRIEDADES MECÂNICAS.....................................................129

12.3 - PLÁSTICOS ..........................................................................................130 12.3.1 - POLIOLEFINAS ..............................................................................131 12.3.2 - POLICARBONATOS.......................................................................138 12.3.3 - ALÍLICOS........................................................................................140 12.3.4 - ACRILICOS.....................................................................................140 12.3.5 - POLIIMIDAS ...................................................................................143 12.3.6 - AMINOPLÁSTICOS ........................................................................144 12.3.7 - CELULÓSICOS...............................................................................145 12.3.8 - POLIOXIMETILÊNICOS .................................................................145 12.3.9 - EPOXÍDICOS..................................................................................145 12.3.10 - FLUOROPLÁSTICOS ...................................................................146 12.3.11 - POLISULFONAS...........................................................................147 12.3.12 - FENÓLICOS .................................................................................147 12.3.13 – POLIALÔMEROS.........................................................................148 12.3.14 - POLIFENILÊNICOS......................................................................148 12.3.15 - SILICONES...................................................................................149 12.3.16 - POLIAMIDAS ................................................................................149 12.3.17 – POLIÉSTERES E POLIURETANOS............................................152

12.4 - ELASTÔMEROS ...................................................................................153 12.5 – POLÍMERO NATURAL - MADEIRA......................................................158

12.5.1 - MADEIRAS TRANSFORMADAS....................................................162 12.5.2 - TRATAMENTO SUPERFICIAL.......................................................163 12.5.3 - TIPOS DE ACABAMENTOS E REVESTIMENTOS PARA MADEIRA......................................................................................................................163

13 – CERÂMICOS...............................................................................................168 13.1 – INTRODUÇÃO......................................................................................168 13.2 – CERÂMICA CONVENCIONAL .............................................................170

13.2.1 – CERÂMICA VERMELHA................................................................170 13.2.1.1 – Massa cerâmica.......................................................................170 13.2.1.2 – Esmaltes ..................................................................................172 13.2.1.3 – Engobe ....................................................................................173

13.2.2 – CERÂMICA BRANCA ....................................................................174 13.2.2.1 - Processamento.........................................................................176

13.3 – CERÂMICA AVANÇADA ......................................................................177 14 – ENSAIOS DE MATERIAIS ..........................................................................187

14.1 – INTRODUÇÃO......................................................................................187 14.2 - ENSAIO DE TRAÇÃO ...........................................................................189

14.2.1 - DIAGRAMA TENSÃO - DEFORMAÇÃO ........................................191 14.2.2 - PROPRIEDADES MECÂNICAS AVALIADAS ................................193 14.2.3 - CORPOS DE PROVA .....................................................................196

14.2.3.1 - Limite de escoamento: valores convencionais .........................198 14.3 - ENSAIO DE COMPRESSÃO ................................................................199

14.3.1 - LIMITAÇÕES DO ENSAIO DE COMPRESSÃO.............................200 14.3.2 - ENSAIO DE COMPRESSÃO EM MATERIAIS DÚCTEIS...............200 14.3.3 - ENSAIO DE COMPRESSÃO DIAMETRAL ....................................201

14.4 - ENSAIO DE FLEXÃO............................................................................205

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V

14.4.1 - SIGNIFICADO DE FLEXÃO............................................................205 14.4.2 - MÉTODO DO ENSAIO DE FLEXÃO ..............................................207

14.5 - ENSAIO DE DUREZA ...........................................................................208 14.5.1 - DUREZA BRINELL .........................................................................209 14.5.2 - DUREZA ROCKWELL ....................................................................210 14.5.3 - DUREZA VICKERS.........................................................................212 14.5.4 - DUREZA SHORE............................................................................212

14.6 - ENSAIO DE IMPACTO..........................................................................213 14.6.1 - TEMPERATURA DE TRANSIÇÃO .................................................214

14.6.1.1 - Fatores que influenciam a temperatura de transição................215 14.6.1.2 - Resfriamento do corpo de prova ..............................................216

14.7 - ENSAIOS METALOGRÁFICOS ............................................................220 14.7.1 - ENSAIO METALOGRÁFICO MACROGRÁFICO............................221 14.7.2 - ENSAIO METALOGRÁFICO MICROGRÁFICO .............................221

14.7.2.1 - Etapas metalográficas ..............................................................221 14.8 - PROPRIEDADES TÉRMICAS...............................................................228 14.9 - PROPRIEDADES ELÉTRICAS .............................................................228 14.10 - PROPRIEDADES MAGNÉTICAS........................................................231

14.10.1 - MATERIAIS MAGNÉTICOS MOLES E DUROS...........................237 14.11 - PROPRIEDADES ÓTICAS..................................................................238

14.11.1 - REFLETIVIDADE, TRANSMITÂNCIA E ABSORÇÃO. .................238 14.12 - PROPRIEDADES QUÍMICAS .............................................................244

14.12.1 - RESISTÊNCIA A CORROSÃO.....................................................244 14.12.2 - RESISTÊNCIA À DEGRADAÇÃO ................................................245

15 – NOÇÕES DE RECICLAGEM DE MATERIAIS ............................................246 15.1 - INTRODUÇÃO .....................................................................................246

16 - EXERCÍCIOS PROPOSTOS .......................................................................249 17 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS.............................................................251 ANEXOS .............................................................................................................254

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VI

ÍNDICE DE FIGURAS Figura 2.1 – Minério de ferro. ................................................................................. 3 Figura 2.2 – Campo de mineração. ........................................................................ 4 Figura 2.3 – Sínter.................................................................................................. 4 Figura 2.4 – Pelotas. .............................................................................................. 4 Figura 2.5 – Vista parcial de um alto-forno............................................................. 5 Figura 2.6 – Alto-forno............................................................................................ 5 Figura 2.7 – Sistema de transformação do minério em ferro gusa......................... 6 Figura 2.8 – Conversor recebendo carga (ferro gusa). .......................................... 7 Figura 2.9 – Aspecto construtivo de um conversor. ............................................... 7 Figura 2.10 – Operação de um conversor. ............................................................. 8 Figura 2.11 – Estrutura cristalina da cementita. ................................................... 10 Figura 2.12 – Diagrama de equilíbrio do ferro-carbono........................................ 11 Figura 2.13 – Curva de resfriamento do ferro....................................................... 12 Figura 2.14 – Diagrama de equilíbrio - aço. ......................................................... 12 Figura 2.15 – Ferritas. .......................................................................................... 13 Figura 2.16 – cementitas. ..................................................................................... 13 Figura 2.17 – Perlitas. A) Perlita normal; B) Perlita sorbítica................................ 14 Figura 2.18 – Austenita. ....................................................................................... 14 Figura 2.19 – Martensita. ..................................................................................... 15 Figura 2.20 – Bainita inferior. ............................................................................... 15 Figura 2.21 – Trostita. .......................................................................................... 16 Figura 2.22 – Sorbita............................................................................................ 16 Figura 2.23 – Ledebuirta. ..................................................................................... 16 Figura 2.24 – Esteadita. ....................................................................................... 17 Figura 2.25 – Microestrutura do aço hipo-eutetóide. Ferritas (claras), perlitas (escuras). ............................................................................................................. 17 Figura 2.26 – Microestrutura de aço eutetóide. Somente perlitas. ....................... 17 Figura 2.27 – Microestrutura de aço hiper-eutetóide. Perlitas e cementitas......... 18 Figura 2,28 – Microestrutura do ferro fundido cinzento. ....................................... 30 Figura 2.29 – Microestrutura do ferro fundido nodular. ........................................ 31 Figura 2.30 – Ciclos de aquecimentos e tratamentos térmicos............................ 34 Figura 2.31 – Diagrama Fe-C – Campo de austenização. ................................... 35 Figura 2.32 – Ciclo do recozimento...................................................................... 36 Figura 2.33 – Ciclo da esferoidização. ................................................................. 37 Figura 2.34 – Ciclos de tratamentos.................................................................... 37 Figura 2.35 – Diagrama TTT para o aço eutetóide............................................... 41 Figura 2.36 – Diagrama TTT para o aço eutetóide com tratamentos térmicos..... 41 Figura 2.37 – Diagrama TTT considerando a espessura da peça........................ 42 Figura 2.38 – Diagrama TTT para o aço hipo-eutetóide....................................... 43 Figura 2.39 – Diagrama TTT para o aço hiper-eutetóide. .................................... 43 Figura 2.40 – Transformação da martensita em função da concentração de carbono. ............................................................................................................... 44 Figura 2.41 – Diagrama TTT para o aço 4340. .................................................... 44 Figura 2.42 – Austêmpera. ................................................................................... 45 Figura 2.43 – Martêmpera. ................................................................................... 49 Figura 2.44 - Diagrama de equilíbrio Fe-N. .......................................................... 53

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Figura 2.45 – Célula unitária da fase γ’. ............................................................... 53 Figura 2.46 – Célula unitária da fase ε. ................................................................ 54 Figura 2.47 – Influência do tempo de nitretação a gás sobre a espessura da camada nitretada.................................................................................................. 56 Figura 2.48 – Profundidade de penetração da camada nitretada em alguns aços, submetidos ao processo líquido. .......................................................................... 57 Figura 2.49 – Esquema do reator iônico. ............................................................. 58 Figura 2.50 – Profundidade da camada cementada em aço de baixo carbono. .. 60 Figura 2.51 – Esquema da eletrodeposição. ........................................................ 66 Figura 3.1 – Diagrama de fases da liga Al-Cu...................................................... 74 Figura 3.2 – Diagrama de fases da liga Al-Mg. .................................................... 74 Figura 3.3 - Diagrama de fases da liga binária Al-Si. ........................................... 75 Figura 3.4 - Diagrama de fases da liga binária Al-Si. ........................................... 77 Figura 4.1 – Beneficiamento do cobre. A) Trituração do minério; B) Flotação ..... 81 Figura 4.2 - Esquema do forno revérbero e obtenção do mate. ........................... 82 Figura 4.3 - Obtenção do cobre blíster e placa eletrolítica. .................................. 82 Figura 4.4 - Efeito das impurezas na condutividade elétrica do cobre. ................ 83 Figura 4.5 – Diagrama de fases da liga Cu-Zn..................................................... 87 Figura 4.6 – Micrografias de latões. a) Cu-Zn 33% (laminado e recozido) [fase α]; b) Cu-Zn 40% (fundido) [fase α + β’] ; Cu-Zn 24,7% Sn 2,4% Pb 2,9% [fase α + Cu3Sn]; Cu-Zn 34% Mn 1,7% Ni 3,12% Pb 1,92% [fase α + nódulos de Pb]. ...... 88 Figura 4.7 - Diagrama do comportamento mecânico dos latões. ......................... 89 Figura 4.8 - Aplicações dos latões. ...................................................................... 90 Figura 4.9 - Diagrama de fases da liga binária Cu-Sn.......................................... 92 Figura 4.10 - Micrografias de bronzes. a) Cu-Sn 5% (laminado e recozido) [fase α]; b) Cu-Sn 16% (recozido) [fase α + δ] ; c) Cu-Sn 10%, Pb 5%. ....................... 92 Figura 4.11 - Aplicações do bronze...................................................................... 94 Figura 4.12 - Diagrama de fases da liga binária Cu-Al. ........................................ 95 Figura 4.13 - Diagrama de fases da liga binária Cu-Ni......................................... 97 Figura 4.14 - Aplicações do cuproníquel. ............................................................. 98 Figura 4.15 - Diagrama de fases da liga binária Cu-Be........................................ 99 Figura 5.1 - Aplicações do níquel. .......................................................................103 Figura 6.1 - Aplicações do cobalto. .....................................................................106 Figura 7.1 - Aplicações do titânio. .......................................................................108 Figura 8.1 - Aplicações do magnésio. .................................................................111 Figura 8.1 - Aplicações do zinco. ........................................................................112 Figura 10.1 - Diagrama de fases da liga Pb-Sn...................................................115 Figura 10.2 - Diagrama de fases da liga Pb-Sb...................................................115 Figura 11.1 - Aplicações do cromo......................................................................117 Figura 11.2 - Aplicações da tungstênio. ..............................................................118 Figura 11.3 - Aplicações da prata........................................................................119 Figura 11.4 - Aplicações do ouro.........................................................................120 Figura 12.1 - Monômeros. a) metano; b) etano; c) eteno. ...................................121 Figura 12.2 - Monômeros. a) propano; b) n-butano; c) isobutano. ......................121 Figura 12.3 - Monômeros. a) n-pentano; b) Isopentano; c) Neopentano.............121 Figura 12.4 – Representação de polímero. .........................................................122 Figura 12.5 – Reação de polimerização do policloreto de vinila..........................122 Figura 12.6 – Reação de copolimerização do náilon 66......................................123

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Figura 12.7 – Representação das cadeias poliméricas. a) Cadeia linear; b) cadeia com ramificações incompletas; c) cadeias com ramificações transversais ou cruzadas..............................................................................................................123 Figura 12.8 – Formas isoméricas. .......................................................................124 Figura 12.9 – Cristalinidade em polímeros. .........................................................125 Figura 12.10 – Reação do baquelite. ..................................................................127 Figura 12.11 – Reação do agente de esponjamento...........................................128 Figura 12.12 – Curvas de volume específico em função da temperatura. A) região vítrea; B) região viscosa; C e D) região líquida com baixa viscosidade; E) região com cristalitos na região vítrea; F) região viscosa com cristalitos. ......................128 Figura 12.13 – Curva índice de cristalinidade em função da temperatura para um polímero cristalino. ..............................................................................................129 Figura 12.14 – Comportamento ao ensaio de tração de um polímero linear.......129 Figura 12.15 – Fórmula geral da poliolefina. .......................................................131 Figura 12.16 – Fórmula policarbonato.................................................................139 Figura 12.17 – Polimetacrilato de metila. ............................................................140 Figura 12.18 – Poliacrilonitrilo. ............................................................................141 Figura 12.19 – ABS. ............................................................................................141 Figura 12.20 – SAN.............................................................................................143 Figura 12.21 – Poliimida......................................................................................144 Figura 12.22 – Fórmula do teflon. .......................................................................146 Figura 2.23 – PCTFE. .........................................................................................147 Figura 12.24 - Polisulfona ...................................................................................147 Figura 12.25 – Fenólicos. ....................................................................................147 Figura 12.26 – Comportamento ao ensaio de tração de polímeros.....................153 Figura 12.27 – Polisopreno. ................................................................................154 Figura 12.28 – SBR.............................................................................................155 Figura 12.29 – Uso da floresta. ...........................................................................158 Figura 12.30 – Cortes da madeira.......................................................................162 Figura 12.31 – Efeito pátina. ...............................................................................164 Figura 12.32 – Efeito decapê. .............................................................................165 Figura 12.33 – Efeito satinê.................................................................................165 Figura 12.34 – Efeito estêncil. .............................................................................167 Figura 13.1 – Peças de cerâmica........................................................................169 Figura 13.2 – Produção de cerâmica. .................................................................174 Figura 13.3 - Louça sanitária...............................................................................174 Figura 13.4 – Forno túnel para queima de peças cerâmicos. .............................176 Figura 13.5 - Microscopia eletrônica de varredura de cermetos e metal duro.....180 Figura 13.6 - Revestimento de TiN em uma pastilha de metal duro....................183 Figura 14.1 - Equipamentos de ensaios mecânicos. a) Máquina de ensaio universal; b) Durômetro. ..............................................................188 Figura 14.2 - Peça tracionada. ............................................................................190 Figura 14.3 - Corpo de prova de ensaio de tração. a) antes do ensaio; b) após o ensaio..................................................................................................................190 Figura 14.4 - Comportamento dos materiais através do diagrama σx ε. .............192 Figura 14.5 - Material dúctil. a) diagrama σ x ε; b) aspecto da fratura. .............192 Figura 14.6 - Material frágil. a) diagrama σ x ε; b) aspecto da fratura. ................192 Figura 14.7 - diagrama σ x ε para ligas do tipo aço baixo carbono. ....................193 Figura 14.8 - Alongamentos na tração e na compressão....................................195 Figura 14.9 - Curvas de tensões reais e de engenharia......................................195

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Figura 14.9 - Máquina de ensaio e registrador....................................................196 Figura 14.10 - Corpos de prova...........................................................................196 Figura 14.11 - Tipos de fixação. ..........................................................................197 Figura 14.12 - Preparação de corpo de prova.....................................................197 Figura 14.13 - Ruptura do corpo de prova no centro...........................................198 Figura 14.14 - Ruptura do corpo de prova fora de centro. ..................................198 Figura 14.15 - Determinação do limite de escoamento. ......................................198 Figura 14.16 - Esquema da compressão. ...........................................................199 Figura 14.17 - Ensaio de compressão. a) normal; b) flambagem........................200 Figura 14.18 - Ensaio de compressão em materiais dúcteis. ..............................200 Figura 14.19 - Esquema de esforços aplicados em um corpo de prova cilíndrico de dimensões D e L. ................................................................................................201 Figura 14.20 - Representação esquemática da distribuição das tensões de compressão e de tração. .....................................................................................201 Figura 14.21 - Ensaios em molas........................................................................202 Figura 14.22 - Flexão em uma barra de secção retangular.................................205 Figura 14.23 - Elemento da barra submetido à flexão.........................................206 Figura 14.24 - Viga em balanço com engaste rígido sendo fletida por uma força F aplicada em sua extremidade..............................................................................206 Figura 14.25 - Método de flexão a quatro pontos................................................207 Figura 14.26 - Método de flexão a três pontos. ...................................................207 Figura 14.27 - Ângulo φ nas impressões Brinell. .................................................210 Figura 14.28 - Penetradores de Dureza Rockwell...............................................210 Figura 14.29 - Aspectos da fratura . ....................................................................213 Figura 14.30 - Temperatura de transição. ...........................................................214 Figura 14.31 - Curvas de energia absorvida de um mesmo material. .................216 Figura 14.32 - Máquina de ensaio de impacto. ...................................................217 Figura 14.33 - Ensaio Charpy e Izod...................................................................218 Figura 14.34 - Corpos de prova Charpy e Izod. ..................................................219 Figura 14.35 - Macrografia de uma peça de alumínio fundido com contornos de grãos revelado por ataque com HCl....................................................................221 Figura 14.36 - Influencia da localização de um corte longitudinal axial sobre o aspecto de segregação. ......................................................................................221 Figura 14.37 - Esquema de um metal policristalino atacado quimicamente e com feixes incidentes e de reflexão de luz..................................................................223 Figura 14.38 - Micrografia da perlita....................................................................224 Figura 14.39 - Curva de resistividade elétrica em função da temperatura. .........231 Figura 14.40 - Esquema de momentos magnéticos em um cristal e em uma célula unitária. ...............................................................................................................232 Figura 14.41 - Esquema da configuração de dipolo magnético de um material diamagnético. a) Na ausência de um campo magnético; b) Na presença de um campo magnético. ...............................................................................................233 Figura 14.42 - Esquema da configuração de dipolo magnético de um material paramagnético. a) Na ausência de um campo magnético; b) Na presença de um campo magnético. ...............................................................................................234 Figura 14.43 - Esquema da configuração de dipolo magnético de um material ferromagnético na ausência de um campo magnético. .......................................235 Figura 14.44 - Esquema de momentos magnéticos do MnO. .............................235 Figura 14.45 - Esquema dos momentos magnéticos da ferrita. ..........................236

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Figura 14.46 - Curva de histerese de materiais magnéticos moles (interno) e duros (externo). .............................................................................................................237 Figura 14.47 - Esquema da incidência de um feixe luz que encontra interfaces entre dois meios. .................................................................................................238 Figura 14.48 - Esquema de uma análise de transmitância por um feixe incidente normal a superfície de uma amostra de vidro. ...................................................239 Figura 14.49 - Detalhe do compartimento aberto [ 1 ] de um espectrômetro. .....239 Figura 14.50 - Curvas de transmitância da amostra BLC1. Espectro com irradiação do ultravioleta. ....................................................................................240 Figura 14.51 - Espectro de transmitância de uma amostra de vidro dopado. .....240 Figura 14.52 - a) Esquema de um experimento de transmissão. A) transmissão de um feixe de laser através de um semicondutor.; b) Um espectro típico de absorção do semicondutor GaAs. .......................................................................242 Figura 14.53 - Espectros de radiação eletromagnética. ......................................243 Figura 14.54 - Esquema dos tipos de corrosão...................................................245 Figura 15.1 – Símbolo da reciclagem..................................................................246

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1 – CLASSIFICAÇÃO DE METAIS 1.1 - INTRODUÇÃO Conforme a química, entende-se como metais os elementos químicos que se situam na parte esquerda da Tabela Periódica dos Elementos Químicos construída por Mendeleyev. A característica deles é de possuir poucos elétrons na última camada, camada de valência. O tipo de ligação característica entre os elementos metálicos é a ligação metálica, onde os elétrons da última camada não pertencem ao átomo, mas ao grupo todo, com mobilidade livre do elétron, caracterizando a boa condutibilidade elétrica, uma das características principais dos metais. Na prática, entende-se por metais, toda substância que possui brilho, entretanto, o elemento químico selênio (Se) possui brilho e não é metal. A maioria dos metais se oxida com facilidade diminuindo o seu brilho, tornando-o opaco, com grau menor para o ouro, a prata, e a platina. Estas propriedades dos metais de opacidade ótica e refletividade atribuem-se a capacidade dos elétrons livres de absorverem energia dos fótons e de poderem re-emitir, quando o elétron, excitado pelo impacto de uma radiação, cai em um nível mais baixo de energia. Deste modo, um feixe luminoso que incide sobre a superfície de um metal, é quase inteiramente refletido, dando lugar ao brilho metálico. Outra característica que os metais possuem é a ductibilidade. Esta característica também pode ser afetada por impurezas ou inclusões por outros elementos químicos. A condutibilidade elétrica e térmica são duas características dos metais que estão relacionadas com a configuração eletrônica dos mesmos. 1.2 - CLASSIFICAÇÃO Cada metal se diferencia de outro pela sua estrutura e propriedades, mas existem certos indícios pelas quais podem ser agrupados. Em primeiro lugar, todos os metais podem dividir-se em dois grandes grupos: metais escuros e metais claros. 1.2.1 - METAIS ESCUROS Apresentam cor cinza escuro, densidade elevada (menos os alcalinos), elevada temperatura de fusão, dureza elevada e, em muitos casos, possuem polimorfismo. O metal mais característico deste grupo é o ferro. Os metais escuros, por sua vez, dividem-se em: 1. Metais férricos: ferro, cobalto, níquel (chamados ferromagnéticos) e o

manganês, cujas propriedades se aproximam daqueles. O cobalto, o níquel e o manganês se empregam com freqüência como elementos de adição às ligas de ferro para alterar as propriedades mecânicas da liga, como nos aços, por exemplo;

2. Metais refratários: apresentam temperatura de fusão superior a do ferro (1.539 ºC). Também empregados como elemento de adição às ligas de ferro;

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3. Metais urânicos: (actinídeos) Os elementos que constituem um grupo com propriedades semelhantes, que inclui o actínio, o tório, o protactínio, o urânio, o netúnio, o plutônio, o amerício, o cúrio, o berquélio, o califórnio, o einstéinio, o férmio e o mendelévio. São utilizados como fonte de energia nuclear;

4. Metais lantanídeos: (terras-raras) Grupo de elementos, de número atômico entre 57 e 71, de propriedades metálicas muito parecidas, e que compreende: cério, disprósio, érbio, európio, gadolínio, hólmio, itérbio, lantânio, lutécio, neodímio, prasiodímio, promécio, samário, térbio e túlio. Estes metais possuem propriedades químicas muito parecidas, porém suas propriedades físicas são muito distintas.

5. Metais alcalinos-térreos: No estado livre são pouco utilizados, com exceção de alguns casos especiais.

1.2.2 - METAIS CLAROS Apresentam coloração amarela, vermelha ou branca. Possuem grande ductibilidade, pouca dureza, temperatura de fusão relativamente baixa e neles é característico a ausência de polimorfismo. Os metais mais característicos deste grupo são o ouro, o cobre e a prata. Os metais claros, por sua vez, dividem-se em: 1. Metais ligeiros: Berílio, magnésio e alumínio, cuja densidade é baixa; 2. Metais nobres: Ouro, prata e metais do grupo da platina (platina, paládio,

irídio, ósmio, rutênio. O cobre é considerado como seminobre. Possuem grande a resistência a oxidação;

3. Metais facilmente fusíveis: Zinco, cádmio, mercúrio, estanho, chumbo, bismuto, tálio, antimônio e os elementos com propriedades metálicas debilitadas como o gálio e germânio.

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2 - AÇOS E FERROS FUNDIDOS 2.1 - INTRODUÇÃO O ferro se conhece há tempos remotos. No Egito, há 7 mil anos a.C., encontrou-se amuletos de ferro que provavelmente provinham de minérios beneficiados. Também há 7 mil anos a.C. se fazia experiência com esse metal em um lugar chamado Anatolia na Rússia. Na Ìndia encontrou-se uma coluna de ferro que media 7 m de altura e 40 cm de diâmetro com peso de 6 toneladas, provavelmente construída em 912 anos a.C. A fabricação do ferro fundido, partindo do minério de ferro, é muito antiga. Os gregos, 500 anos a.C., já tinham ferro temperado e crê-se que a obtenção foi por uma maneira casual. 2.2 - MINÉRIO DE FERRO

O ferro não se encontra puro na natureza, mas sim combinado (ganga) com outros elementos químicos formando os denominados minérios. Os minerais que contêm ferro em quantidade apreciável são óxidos, carbonatos, silicatos e os sulfetos. Quando se pode extrair economicamente um elemento químico de um mineral, o mesmo passa a ser denominado de minério. Na natureza, encontra-se em torno de 50 minerais que contém ferro. Os minérios de ferro mais importantes sob o ponto de vista da siderurgia são:

• Hematita - óxido - Fe2O3 - de 45 a 70% de ferro – cor cinza a vermelho fosco - abundante no Brasil;

• Magnetita - óxido – Fe3O4 - de 45 a 72% de ferro – cor cinza escuro;

• Limonita - óxido - 2Fe2O33H2O - de 40 a 62% de ferro – cor amarela para marrom escuro;

• Siderita - carbonato - FeCO3 (carbonato férrico) - de 30 a 48% de ferro – cor cinza esverdeado;

• Pirita - sulfeto - Cu2SFe2S3 (sulfeto férrico) – baixo teor de ferro.

• Figura 2.1 – Minério de ferro.

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O minério de ferro é submetido a beneficiamento, após a extração da jazida, como britagem, peneiramento, mistura, moagem, concentração, classificação, aglomeração.

Figura 2.2 – Campo de mineração. A aglomeração visa o aproveitamento dos finos de minério, melhorar a permeabilidade da carga do alto-forno, reduzindo-se o consumo de carvão. Os principais processo de aglomeração do minério de ferro são: • Sinterização – Neste processo o minério de ferro, carvão moído, calcário e

água são misturados e aglomerados e depois são colocados sobre uma grelha em um equipamento especial, que está a uma temperatura em torno de 1.000

a 1.300 oC, unem-se e acabam formando um bloco poroso. Quando quebrados em pedaços menores são chamados de sinter de ferro. Sinter - 51 a 61% de ferro. Aproveitamento dos finos de mineração de 0,15 mm até 8 mm. Resistência mecânica média e possível degradação no transporte. Tamanho de 5 a 50 mm de formato irregular. Gera 7 a 10% de finos de retorno no transporte da sinterização ao alto-forno. Redutibilidade alta.

Figura 2.3 – Sínter. • Pelotização – Um tambor giratório que contém um disco inclinado e em

rotação é alimentado com finos de minério e aglomerantes, recebendo jatos de água que unem as partículas molhadas para formar um aglomerado na forma

de bolas (pelotas). Após esta etapa as pelotas são aquecidas para secagem e endurecimento. Pelotas - 64 a 67% de ferro. Aproveitamento dos finos de mineração abaixo de 0,5 mm. Elevada resistência mecânica e baixa degradação no transporte. Tamanho de 10 a 12 mm de formato esférico. Gera 5 a 10% de finos de retorno do alto-forno. Redutibilidade alta.

Figura 2.4 – Pelotas.

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Nos processos de redução do minério de ferro em ferro gusa, usa-se, como combustível, o coque (carvão mineral tratado em temperaturas de mais ou menos 1.000 ºC em câmaras ausentes de oxigênio, com eliminação dos produtos voláteis do carvão mineral) com possibilidade do carvão vegetal. A ação do carvão se faz sentir de três maneiras: a) como fornecedor de calor para a fusão do minério; b) como fornecedor de carbono para a redução do óxido de ferro e c) como fornecedor de carbono, como principal elemento de liga. 2.3 – OBTENÇÃO DO FERRO GUSA

É o processo de obtenção do ferro, onde o minério a ser reduzido, atinge seu ponto de fusão, obtendo-se no final um produto da fusão denominado de ferro gusa, que posteriormente é utilizado na fabricação do aço ou ferro fundido. O ferro gusa é uma liga metálica de Fe, C, Si, P, S, Mn, onde apresenta a seguinte composição média 3% a 8% de C, 0,5% a 4,5% de Si, 0,5% a 2,5% de P, e até 0,2% de S.

O processo consiste em aquecer o

minério de ferro em temperaturas acima de 1.600 ºC na presença de uma substância redutora (coque) em um equipamento denominado de alto-forno. O alto-forno é construído de tijolos e envolvido por uma carcaça protetora de aço. Todas as suas partes internas, sujeitas a altas temperaturas, são revestidas com tijolos refratários. Os refratários são materiais resistentes a altas temperaturas, utilizados nos revestimentos dos fornos e panelas de vazamento.

Figura 2.5 – Vista parcial de um alto-forno.

Três zonas fundamentais caracterizam o alto-forno: o cadinho; a rampa; e a cuba (seção superior). O cadinho é o lugar onde o ferro gusa líquido é depositado. A escória que se forma durante o processo, flutua sobre o ferro que é mais pesado. Escória é um produto resultante da ação do fundente sobre a ganga (do minério) e do combustível. A escória pode ser utilizada como base para estradas de ferro, na fabricação de cimento, como corretivo de solo, na fabricação de tijolos refratários e em isolamento térmico e acústico.

Figura 2.6 – Alto-forno.

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Na rampa acontece a combustão e a fusão. Para facilitar esses processos, entre o cadinho e a rampa ficam as ventaneiras, que são furos distribuídos uniformemente por onde o ar pré-aquecido é soprado sob pressão. Se a carga for básica, o fundente deve ser ácido; e se a carga for ácida, o fundente deve ser básico. Para o caso de não se querer alterar a natureza da carga, se utiliza fundentes neutro. Em resumo, no alto-forno ocorre o seguinte: • Os óxidos de ferro sofrem redução, ou seja, o oxigênio é eliminado do minério

de ferro; • A ganga se funde (as impurezas reagem com o fundente formando escória e

metal fundido); • O gusa se funde (o ferro de primeira fusão se derrete); • O ferro sofre carbonetação (o carbono proveniente do combustível é

incorporado ao ferro líquido); • Certos elementos da ganga são parcialmente reduzidos, ou seja, algumas

impurezas são incorporadas ao ferro gusa. Estas são as reações químicas provocadas pelas altas temperaturas obtidas dentro do forno que trabalham com o princípio da contra-corrente. Isso quer dizer que enquanto o gás redutor sobe, a carga sólida desce.

Figura 2.7 – Sistema de transformação do minério em ferro gusa.

A redução dos óxidos de ferro acontece à medida que o minério, o agente redutor (coque ou carvão vegetal) e os fundentes (calcário ou fluorita) descem em contra-corrente, em relação aos gases. Esses são os resultados da queima do coque (basicamente, carbono) com o oxigênio do ar quente (em torno de 1.000 ºC) soprado pelas ventaneiras, e que escapam da zona de combustão, principalmente para cima, e queimam os pedaços de coque que estão na abóbada (ou parte superior) da zona de combustão.

Conforme o coque vai se queimando, a carga vai descendo para ocupar os espaços vazios. Esse movimento de descida vai se espalhando lateralmente pela carga, até atingir toda a largura da cuba. As reações de redução, carbonetação e fusão, que foi descrito anteriormente, geram dois produtos líquidos: a escória e o

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ferro gusa, que são empurrados para os lados, pelos gases que estão subindo e escorrem para o cadinho, de onde saem pelo furo de corrida (gusa) e pelo furo da escória.O alto forno possui ainda alguns equipamentos auxiliares como: • Coletor de poeiras; • Lavadores de gás; • Regeneradores de calor ou estufas; • Instrumentos de controle e medição. 2.4 - AÇO Sendo o ferro gusa uma liga de Fe, C, Si, P, S e Mn, para transformá-lo em aço, que é uma liga de mais baixo teor destes últimos elementos químicos, é necessário um processo de oxigenação desta liga para reduzir a percentagem destes elementos até os valores desejados. Na redução do ferro gusa em aço, utiliza-se agentes oxidantes, de natureza gasosa, como o ar ou oxigênio, ou de natureza sólida como minério na forma de óxidos. Assim, os processos para

produção do aço podem ser classificados de acordo com agente redutor utilizado. • Processos pneumáticos - onde

o agente oxidante é o ar ou

oxigênio

• Processo Siemens–Martin,

Elétrico, Dúplex etc. – onde os

agentes oxidantes são

substâncias sólidas contendo

oxigênio. Figura 2.8 – Conversor recebendo carga (ferro gusa).

Processo Pneumático Bessemer - O equipamento usado no processo de Bessemer não possui fonte de calor próprio, e por isso não é denominado forno e sim conversor. O conversor Bessemer consta de um recipiente, tipo pêra, formado de chapas de aço e revestimento interno de material refratário ácido (silício – alumínio).

Figura 2.9 – Aspecto construtivo de um conversor.

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O conversor é basculante, isto é, gira em torno de um eixo, a fim de colocá-lo na posição horizontal para receber ou retirar a carga. A capacidade de carga do conversor Bessemer varia de 25 a 40 toneladas, de ferro gusa líquido procedente do alto-forno cuja composição média é a seguinte: carbono - 4%, silício - 1,5%, manganês - 1%, fósforo e enxofre o mínimo possível. A transformação do ferro gusa em aço é conseguida pelo insuflamento de ar, pouco a pouco e com pressão moderada, através dos orifícios existentes na parte inferior do conversor, ao tempo que se situa o conversor na posição vertical. O ar atravessa o ferro gusa líquido e o oxigênio presente vai reagindo com o silício, manganês e a maior parte do carbono durante o tempo de 15 minutos aproximadamente. O borbulhamento do ar, através do metal líquido, elimina o carbono (em CO e CO2, formando uma chama larga), o silício e o manganês (em silicatos, que passam a escória). Quando a chama da boca do conversor está a ponto de se apagar, o aço contém aproximadamente 0,05 a 0,1% de carbono e porcentagens mais baixas de Mg e Si. Sendo o ponto de fusão do aço maior que do ferro gusa, cabem as reações exotérmicas do oxigênio com o silício e carbono, aumentar a temperatura do banho líquido. Durante o processo forma-se óxido de ferro que deixa o aço frágil e quebradiço. A fim de eliminar o óxido de ferro e controlar o teor do carbono, adiciona-se quantidade de ferro-silício ou ferro-manganês ou pequenas quantidades de alumínio. Até mesmo carvão para recarburar o aço. Estes elementos, principalmente o alumínio, combinam-se facilmente com o oxigênio, transformando-se em escória. É realizado o vazamento inclinando o conversor e tendo cuidado de que não deslizem as escórias com o aço líquido.

Processo Pneumático Thomas - O processo Thomas difere um pouco do processo Bessemer. Quando o ferro gusa é rico em fósforo, este não pode ser tratado no conversor Bessemer porque o revestimento dele é ácido (carbono (4%), silício (1,5%), manganês (1%), fósforo e enxofre o mínimo possível, impedindo que as reações exotérmicas permitem a passagem do fósforo para as escórias. O conversor Thomas é revestido internamente com material refratário básico derivado da dolomita (óxido de cálcio e manganês). Neste processo, o fósforo também reage exotermicamente com o oxigênio, aumentando a temperatura do banho. Para evitar a oxidação excessiva do aço, usa-se certa quantidade de cal. A escória obtida com o processo Thomas é um fosfato de cálcio (combinação do fósforo do metal com o cálcio da cal adicionado) e pode ser emprega como fertilizante na agricultura.

Figura 2.10 – Operação de um conversor. O aço produzido em conversor Thomas é mais mole do que do Bessemer, usado na fabricação de chapas, arames e perfilados.

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Processo Pneumático L.D. - Este processo introduzido pelos austríacos Linz e Donavitz em 1.950, é uma variante do processo Bessemer. Ao invés de usar o oxigênio do ar (que em cada 100 m3 aproveita apenas 21 m3 de oxigênio) usa oxigênio puro com 99 à 99,5% de pureza. O oxigênio é previamente aquecido e injetado na massa líquida pela parte superior do conversor, lança de oxigênio que fica a uma distância de 0,3 m a 1 m do fundo. As reações exotérmicas produzidas alcançam temperatura de 2.400 ºC e o tempo total da operação é de 35 a 40 minutos. O consumo de oxigênio é em torno de 50 m3 por tonelada de ferro gusa líquido. A capacidade dos conversores modernos é de mais ou menos100 toneladas. O aço L.D. é de qualidade superior ao Bessemer, Thomas e Siemens-Martins, porém o alto custo de operação e instalação, torna-o dispendioso e de baixa aplicação na siderurgia. Processo Siemens-Martin - No processo Siemens-Martin pode-se alcançar temperaturas de até 2.000 ºC, usando gás combustível e ar, previamente aquecidos. O forno é constituído de uma mufla de tijolos refratários para receber a carga que pode ser sólida ou líquida, e de dois pares de câmaras recuperadoras, também de tijolos refratários. O forno funciona pelo sistema de regeneração de calor dos gases quentes que saem do forno que vão aquecendo o gás e o ar, respectivamente, dando entrada no forno em altas temperaturas. Segundo a composição da carga (como acontece no processo Bessemer e Thomas), os fornos Siemens-Martin são construídos com revestimento ácido, para o tratamento da carga silicosa, e revestimento básico, quando a carga é fosforosa. A capacidade do forno varia de 50 a 300 toneladas.

Adiciona-se ferro-silício, ferro-manganês ou cal, dependendo da natureza da carga e do refratário, como elementos desoxidantes. O processo de obtenção do aço pode levar de 4 a 5 horas.

Os ferros fundidos aptos para o conversor podem ser: • Ferro fundido saído do cubilô:

Ctot = (3% - 4%C) + (1,5% - 2%Si) + (0,5% - 1%Mn) + P e S o mínimo possível. • Ferro fundido saído do alto forno:

Ctot = (3,6% - 4,2%C) + (1% - 1,5%Si) + (0,5% - 2%Mn) + P e S o mínimo possível.

O carbono, o silício, e o manganês contidos no ferro fundido reagem ao entrar em contato com o oxigênio do ar: o calor gerado por esta reação não somente mantém líquida a massa, como também eleva a temperatura de 300 a 400 ºC. Dos três elementos citados, o silício e o carbono são os que liberam maior quantidade de calor, com efeito: Si + O2 = SiO2 + 6.750 kcal/kg de silício C + O = CO + 2.407 kcal/kg de carbono Mn + O = MnO + 1.757 kcal/kg de manganês.

A operação dura somente de 10 a 20 minutos. Os produtos da reação do silício e do manganês formam a escória e, os do carbono formam os gases (CO)

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monóxido de carbono (venenoso) que escapa da boca do conversor. A capacidade dos conversores varia de 1 a 50 toneladas, aproximadamente. 2.4.1 - DEFINIÇÃO

Após a redução do carbono do ferro gusa líquido nos conversores, entre os anos de 1.850 a 1.900, é que pode se dizer da ocorrência da fabricação dos aços. Devido ao grande interesse comercial, este material dúctil e maleável fez com que vários pesquisadores da época se interessassem em investigar a estrutura e comportamento mecânico. Desta forma, pesquisadores como A. C. Sorby, Gibbs, D. K Chernov, F. Abel, J. A. Brinell, F. Osmond e outros deram, com suas descobertas, o que hoje é definido como aço.

Figura 2.11 – Estrutura cristalina da cementita. • Em 1.863 nasceu a metalografia, com o emprego do microscópio, na

observação da superfície metálica polida, por A. C. Sorby; • Em 1.876, Gibbs anunciou a lei das fases que teve grande interesse no

estabelecimento dos diagramas de equilíbrio dos sistemas de ligas; • Em 1.880, D. K Chernov apresentou o resultado dos seus estudos sobre

cristalização e macroestruturas dos lingotes de aço vazado. Estuda também os tratamentos térmicos;

• Em 1.883, F. Abel determinou que o composto isolado por KARSTEN, carboneto de ferro, corresponde a fórmula Fe3C e conclui que nem todo o carbono existente no aço pode ser isolado;

• Em 1.885, J. A. Brinell verificou que propriedades mecânicas diferentes em aços que foram forjados, laminados, estirados e dos que sofreram tratamentos térmicos e passa a ser registrado fotograficamente as observações microscópicas. Neste mesmo período, F. Osmond publica “Théorie céllulaires des propriétes de l' acier”. Sugere as transformações alotrópicas do ferro e a existência do ferro γ.

• Em 1.890, F. Osmond estudou o comportamento do ferro em temperaturas elevadas utilizando par termoelétrico Pt/Pt-Rh, e marca as posições dos pontos críticos Ar1, Ar2, Ar3, Ac1, Ac2, Ac3 e as suas relações com o ferro α, β e γ;

• Em 1.900, Rozeboon, utilizando os resultados de análises térmicas feitas por Robert Austen, e baseando-se nas leis de Gibbs, traça o diagrama da liga de Fe-C contribuindo de forma significativa para o desenvolvimento da indústria siderurgica;

• Em 1.903, F. Osmond consagrou os nomes dos constituintes Ferrita, Cementita e Perlita, sugeridas por Howe e acrescentou os de Austenita e Martensita.

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Em função do diagrama de equilíbrio traçado por Rozeboon, O aço pode ser definido como uma liga binária de ferro-carbono, tendo como teor mínimo de carbono o valor de 0,008%, a temperatura ambiente e, como teor máximo de carbono, o valor de 2,1%, a temperatura de máxima solubilidade (1.148 ºC), além de alguns elementos químicos residuais oriundos de sua fabricação (Mn, P, Si, S) e, às vezes, outros elementos adicionados para melhoria de suas propriedades (Cr, V, W). Do diagrama de equilíbrio do Fe-C, pode-se definir também o denominado ferro fundido que é uma liga binária de ferro-carbono, tendo como teor mínimo de carbono o valor de 2,1%, a temperatura ambiente e, como teor máximo de carbono, o valor de 6,7%, a temperatura ambiente. Entretanto, o ferro fundido é obtido diretamente do ferro gusa que tem teores elevados de silício,

denominando-se assim como uma liga ternária composta basicamente de três elementos: ferro, carbono (2 a 4,5%) e silício (1 a 3%) além de alguns elementos químicos residuais oriundos de sua fabricação (Mn, P, S) ou quando ligados com elementos adicionados para melhoria de suas propriedades. Na prática, o ferro fundido contém de 2% a 4,5% de carbono e principalmente com teores próximo de 4,3% de carbono visto que o eutético produzido por esta concentração de carbono reduz a temperatura de solidificação (1.148 ºC).

Figura 2.12 – Diagrama de equilíbrio do ferro-carbono.

0 1 2 3 4 5 60

500

1000

1500

(Feα ) + Fe3C + (Grafite)

1538

1394

912

0,77%

0,008 2,11

Líquido + Fe3C

1148 oC 4,3%

727 oC

FERROS FUNDIDOSAÇOSDIAGRAMA DE EQUILÍBRIO Fe - C

(Feα )

(Feα ) + Fe3C

Austenita (Feγ) + líquido

Austenita (Feγ ) + Fe3C

Austenita (Feγ )

6,7

Solidus

Liquidus

Líquido

TEM

PERA

TURA

( o C

)

%C

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O ferro, como todos os metais no estado sólido, tem estrutura cristalina. Além disso, pode apresentar-se em duas formas cristalinas diferentes: cúbica de

corpo centrado e cúbica face centrada. A importância deste fato é que, enquanto a forma CCC pode dissolver carbono até um máximo de 0,008%, a forma CFC pode dissolver até 2,1 % de carbono. Pelo gráfico esquemático abaixo, observa-se que há pontos de parada (temperatura constante), denotando mudança de fase. Pode-se observar que, no resfriamento, há expansão de volume. Entretanto, nas paradas, (Ar1, Ar2 e Ar3 – transformações no resfriamento) observa-se contrações que são devidas também às mudanças de fase. Não é considerada a variável pressão, visto que a maioria das reações metalúrgicas ocorre sempre à pressão constante, e no caso, a pressão é uma atmosfera.

Figura 2.13 – Curva de resfriamento do ferro. A figura, que segue, mostra de forma ampliada o diagrama de equilíbrio do aço. A região circulada mostra a área de interesse de conformação mecânica a quente dos aços comuns no comércio. Vê-se, pelo diagrama de equilíbrio do Fe-

C, que os aços podem ser divididos em três grupos:

• hipo-eutetóide - com carbono

até 0,77%;

• eutetóide - com carbono igual

a 0,77%;

• hiper-eutetóide - com carbono

superior a 0,77%;

Como observação, é interessante salientar que este diagrama é teórico, pois parte do princípio que a velocidade de resfriamento é infinitamente lenta e que não há outros elementos de liga que possam influenciar nas curvas de resfriamento. Assim sendo, não deve ser usado para tratamentos térmicos comerciais.

Figura 2.14 – Diagrama de equilíbrio - aço.

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,00

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

Feγ

AcmA3

A1 A1

DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO Fe-C - AÇOS

Feα+Feγ Feγ + Fe3C

2,11%

912

0,0218%

727 oC

0,77%

Austenita

Líquido + austenita

LíquidoLiquidus

TEM

PERA

TURA

(

o C )

%C

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2.4.2 - CONSTITUINTES DA LIGA FERRO CARBONO

As ligas Fe-C são formadas por grupos de cristais que recebem o nome de constituintes, e dependendo da forma de resfriamento da liga, podem ser denominados em constituintes primários (por resfriamento lento) ou secundários (por tratamento térmico) e também de acordo com as proporções dos componentes das ligas. São denominados: ferrita, cementita, perlita, austenita, martensita, bainita, troostita, sorbita, ledeburita, esteadita e grafita, cujas características serão visto a seguir: Ferrita - A ferrita é uma solução sólida de carbono em ferro alfa (Fe α). Sua

solubilidade na temperatura ambiente é tão pequena que dissolve apenas 0,008% de carbono. Por isso, praticamente se considera a ferrita, como sendo ferro puro. A máxima solubilidade de carbono no ferro alfa é 0,0218% de carbono a 727 ºC. A ferrita é um dos constituintes mais moles e dúcteis dos aços. Cristaliza-se sob a forma cúbica de corpo centrado (CCC). Tem dureza de 90HB aproximadamente, resistência a ruptura de 28 kgf/mm² (Lr ≈ 280 MPa), alongamento de 35 a 40%, é magnética até 770°C.

Figura 2.15 – Ferritas. Cementita – É o carboneto de ferro de fórmula Fe3C, e contém, portanto 6,67%C

e 93,33% de ferro. É um dos constituintes mais duros e frágeis dos aços, alcançando dureza de 700HB ou 68HRC. É magnética até a temperatura de 2.110 °C, a partir da qual perde o magnetismo. Cristaliza-se sob forma ortorrômbica.

Figura 2.16 – cementitas. Perlita – É um constituinte composto por 88% de ferrita e 11,5% de cementita. Tem semelhança com madre-pérola A perlita tem uma dureza de aproximadamente de 200HB, resistência a ruptura de 80 kgf/mm2 (Lr ≈ 800 MPa) e alongamento de 15%. Cada grão de perlita está formado por lâminas ou placas alternadas de cementita e ferrita. A estrutura lamelar se observa na perlita quando ocorre resfriamento lento.

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a) b) Figura 2.17 – Perlitas. A) Perlita normal; B) Perlita sorbítica. Se o resfriamento é mais brusco, a estrutura é mais borrosa e é denominada então de perlita sorbítica. Há outros autores que consideram essa estrutura como sorbita. Se a perlita lamelar permanecer durante algum tempo a uma temperatura um pouco inferior a critica (727 °C) a cementita toma a forma de glóbulos incrustrados à massa da ferrita, recebendo assim, a denominação de perlita globular ou esferoidizada. Austenita - É uma solução sólida de carbono em ferro gama (Fe γ). É um dos constituintes mais elásticos dos aços. A quantidade de carbono dissolvido na estrutura cristalina, varia entre 0 e 2,11%, sendo a concentração de carbono de 2,11% a máxima solubilidade a temperatura de 1.148 °C. Pode-se obter estruturas austeníticas nos aços na temperatura ambiente, em aços com elevado

teor de níquel, sendo esta austenita não estável e com o tempo poderá transformar-se em ferrita e perlita ou perlita e cementita. Elas se apresentam em aços ligas especiais como, por exemplo, o cromo-níquel, sendo denominadas de austenita retida ou residual. A austenita é formada por cristais cúbicos de face centrada (CFC), onde os átomos de carbono estão inseridos principalmente nas faces das células unitárias.

Figura 2.18 – Austenita. A austenita nos aços carbono, se os mesmos não contem elementos de liga, começa a se formar em temperaturas de 727 °C (linha A1 ponto crítico inferior), e a partir da temperatura crítica superior (linha A3 ou Acm), encontra-se toda a massa transformada em cristais de austenita. A austenita tem dureza de aproximadamente 300HB, resistência a ruptura de 100 kgf/mm2 (Lr ≈ 1.000 MPa) e alongamento de 30% e não é magnética.

Martensita - É uma solução sólida saturada de carbono em ferro alfa (Fe α). É obtida por resfriamento muito rápido dos aços, uma vez elevando-se à temperatura suficiente para conseguir uma constituição austenítica. A martensita se apresenta sob a forma agulhas devido a grande deformação da rede cristalina, visto que o resfriamento rápido mantém os átomos de carbono que estavam dissolvidos na estrutura cúbica de face centrada da austenita, mantendo-se na estrutura cúbica de corpo centrado do ferro alfa, a baixa temperatura.

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Antigamente acreditava-se que a martensita originava uma estrutura tetragonal em virtude da grande dureza, assemelhando-se a estrutura do diamante. A dureza da martensita pode atribuir-se à tensão produzida entre os cristais

deformados, da mesma maneira que os metais deformados a frio, onde a tensão entre os grãos aumenta, em conseqüência, a dureza aumenta. A percentagem de carbono da martensita não é constante, sendo que varia até o máximo de 0,8%C, aumentando sua dureza, resistência mecânica e fragilidade, com o aumento de carbono. Sua dureza varia de 50 a 68 HRC, resistência mecânica de 175 a 250 kgf/mm2 (1.750 a 2.500 MPa), alongamento de 0,5 a 2,5% e é magnética.

Figura 2.19 – Martensita. Bainita - É uma solução sólida saturada de carbono em ferro alfa (Fe α). É obtida também por resfriamento rápido dos aços com concentração de carbono acima de 0,3%. O processo de obtenção de bainita é similar ao da martensita, entretanto

esta e evidenciada pelo início da transformação das lamelas de cementita, ou seja, um processo de transformação interrompida da perlita. Apresenta durezas intermediárias da perlita fina com a martensita. Em outras palavras, a bainita, tanto quanto a martensita, é um constituinte secundário da liga Fe-C que sofreu tratamento térmico com resfriamento rápido.

Figura 2.20 – Bainita inferior. A bainita é obtida por transformação isotérmica da austenita, entre as temperaturas de 250 e 500 °C, durante um tempo suficiente para que toda massa se transforme. Tal operação recebe de peças de pequenas dimensões. Possui excelentes propriedades mecânicas e não necessita de operações de revenido após ter sido obtida. Pode-se obter dois tipos de bainita, dependendo da temperatura em que o material foi tratado. A bainita superior, de aspecto arborescente, é obtida entre a temperaturas de 300 e 500 °C e a bainita inferior de aspecto acicular, similar a martensita, é obtida entre temperaturas de 250 e 400 °C. As duas bainitas são constituídas por placas de carbono sobre uma matriz ferrítica.

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Trostita - A trostita se obtém por transformação isotérmica da austenita entre as temperaturas de 500 e 600 °C. A trostita também é obtida através do resfriamento

com a velocidade inferior a crítica (velocidade crítica de resfriamento é a mínima velocidade para que toda a austenita se transforme em martensita). A trostita se apresenta em forma de módulos de lâminas radiais de cementita sobre a ferrita, parecidas com as da perlita, porem mais finas. A dureza da troostita é de aproximadamente 450HB, resistência mecânica de 250 kgf/mm2 (2.500 MPa) e alongamento de 7,5%.

Figura 2.21 – Trostita. Sorbita - A sorbita é obtida por transformação isotérmica da austenita, entre as temperaturas de 600 e 650 °C e mantendo esta temperatura constante durante um tempo suficiente para toda massa se transforme. Também é obtida, quando resfriamos a austenita a uma velocidade bem inferior a velocidade crítica de

resfriamento. Por essa razão aparece nos aços forjados e laminados, nos quais a velocidade de resfriamento suficientemente rápida não dá tempo para a formação da trostita. A sorbita se apresenta sob a forma de lâminas, ainda mais finas que as da trostita, e também parecidas com as da perlita. A dureza da sorbita é de aproximadamente 350 HB e resistência a ruptura de 100 kgf/mm2 (Lr ≈ 1.000 MPa) e alongamento de 15%.

Figura 2.22 – Sorbita. Ledeburita - A ledeburita não é um constituinte dos aços, mas sim dos ferros

fundidos. É encontrada nas ligas Fe-C com teores de carbono superior a 2,11%. É um constituinte eutético e empregada para designar uma mistura de componentes que passam sem decomposição nem segregação do estado sólido para o líquido. A ledeburita é obtida resfriando-se a liga líquida de 4,3% C desde temperatura de 1.148 °C, sendo estável até 727 °C, decompondo-se em ferrita e cementita. É formada por 52% de cementita e 48% de austenita. A quantidade total de carbono da ledeburita é de 4,3%.

Figura 2.23 – Ledebuirta.

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Esteadita - É um constituinte de natureza eutética, e aparece nos ferros fundidos com mais de 0,15% de fósforo. Como a esteadita se compõem de uns 10% de

fósforo aproximadamente, e quase todo fósforo da liga se encontra neste constituinte, pode-se calcular a percentagem de esteadita que contém o ferro fundido por sua quantidade de fósforo. Por exemplo, um ferro fundido que contém 0,15% de fósforo, terá aproximadamente 15% de esteadita. É muito dura e frágil, funde a 960 °C.

Figura 2.24 – Esteadita. Grafita - A grafita é um dos três estados alotrópicos em que encontramos carbono livre na natureza. Possui cor marrom escuro e peso específico 2,25 g/cm3. Apresenta-se em forma de lâminas nos ferros fundidos cinzentos e em forma de esferoidal em alguns ferros fundidos especiais. Confere a liga ferrosa baixo valor de dureza, resistência mecânica, elasticidade e plasticidade. No entanto melhora a resistência ao desgaste (serve como lubrificante seco) e a corrosão.

Em condições de resfriamento lento, as seguintes estruturas são formadas

no aço: a) No aço hipo-eutetóide abaixo de 727

ºC; • Ferrita + Perlita. As quantidades de perlitas aumentam com o aumento do teor de carbono, diminuindo a quantidade de ferrita.

Figura 2.25 – Microestrutura do aço hipo-eutetóide. Ferritas (claras), perlitas (escuras).

b) No aço eutetóide; • Perlita. Com concentração de 0,77% de

carbono encontram-se na matriz do aço somente grãos de perlitas.

Figura 2.26 – Microestrutura de aço eutetóide. Somente perlitas.

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c) No aço hiper-eutetóide até 2% de C; • Perlita + Cementita. Nos aços com teores acima de 0,77% de carbono se encontram grãos perlíticos e, no contorno de grão, a cementita, caracterizando fragilidade intergranular.

Figura 2.27 – Microestrutura de aço hiper-eutetóide. Perlitas e cementitas. Nas condições normais, é evidente que nunca há velocidade infinitamente lenta. Por outro lado, os elementos de liga influem na morfologia do diagrama de equilíbrio. No caso de resfriamento convencional, por exemplo, forno, ar, óleo e água, há a formação de outros constituintes, como perlita fina, bainita superior e inferior, martensita. 2.4.3 - CLASSIFICAÇÃO DOS AÇOS - ABNT - SAE - AISI A classificação, denominada “classificação SAE”, foi organizada, apresentada e normalizada em 1.912 nos Estados Unidos da América do Norte, pela famosa “Society of Automotive Engineers” (Sociedade dos Engenheiros Automobilistas) - conhecida pela sigla “SAE ”, tornou-se conhecida mundialmente, sendo suas normas de classificação dos aços ou das bases de seu sistema, adotadas hoje por muitos países. A base deste sistema é, em princípio, o da classificação em relação a sua composição química. Em 1.941 estas normas foram encampadas pela “AISI”, sigla da “American Iron and Steel Institute” (Instituto Americano de Ferro e Aço), entidade norte-americana que congrega e normaliza toda a indústria de ferro e aço naquele país. Assim sendo, o que faz a AISI não foi nada mais do que adotar em princípio, a classificação básica inicial SAE e partindo desta foram feitas modificações necessárias e ampliações. Desta forma, podemos falar em classificação SAE ou AISI ou também SAE-AISI, que estaremos praticamente nos referindo a um mesmo critério de tipos e valores. São perfeitamente equivalentes, permanecendo o princípio adotado anteriormente, ou seja, a classificação tem como critério básico a composição química de aço. No Brasil também foi, praticamente, adotada a classificação SAE, de acordo com a norma NB-82, da Associação Brasileira de Normas Técnicas, cuja sigla é ABNT. Assim, tem-se como exemplo: Aço-Níquel: SAE - 2315 ABNT - 2315 AISI - 2315

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• Sistema básico de classificação

Um sistema codificado é usado para designação dos aços laminados na classificação SAE - AISI tornando possível especificar, nos desenhos de oficina e especificações técnicas, o tipo de aço usado, permitindo descrever, parcialmente, a composição química dos mesmos. Entende-se como “aços laminados” (wrought or rolled steel) os “aços carbono” (carbon steel) e “aços-liga” (alloy steel) usados em construção mecânica e obtidos por laminação em laminadores. O propósito desta publicação é exatamente de estudar o sistema de classificação destes tipos de aços. O código básico de representação dos tipos de aços, nos sistemas normalizados SAE e ou AISI é constituído sistematicamente por quatro algarismos (ocasionalmente por cinco algarismos no SAE e três no sistema AISI), precedidos da sigla indicadora da constituição normalizadora. Tem-se então: UMA sigla e QUATRO algarismos ⇒ SAE XXXX SAE : “Sigla” da Instituição Normalizadora X - 1o algarismo: indica o “tipo” de aço; X - 2o algarismo: indica o “grupo” dentro do tipo; XX - 3o e 4o algarismos: indicam o “percentual médio” de carbono; Em alguns casos, antes dos 4 algarismos, ou entre o 2º e o 3º ocorre a inclusão de letras como:

• Prefixo X indica a variação de enxofre ou cromo; • Prefixo T é empregado para indicar a maior proporção de Mn; • A letra L intercalada entre o 2º e o 3º algarismo indica a presença de

chumbo (lead); • A letra D precedendo os algarismos indica aços com composição química

exatamente igual a estabelecida pelas norma DIN (Deutsche Industrie Norm).

Exemplo: D5116 corresponde a 16 Mn Cr 5

Os aços fundidos são designados por 4 algarismos seguidos de AF, onde os dois primeiros números indicam a tensão de ruptura em kgf/mm2 e os dois últimos algarismos representa o alongamento. Ex. ABNT 4524 AF – aço fundido com tensão de ruptura de 45 kgf/mm2 e alongamento de 24%. Sigla Cada instituição normalizadora usa a sua sigla:

• Society of Automotive Engineers SAE - XXXX • American Iron and Steel Institute AISI - XXXX • Associação Brasileira de Norma Técnica ABNT - XXXX.

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1o algarismo - “Tipo” de Aço Um sistema numérico de 1 a 9, procura identificar de uma maneira geral e global o tipo de aço a que pertence, significando a indicação de metal (ou metais) básico adicionado a liga de ferro carbono, e que geralmente lhe dá o nome. O quadro abaixo indica esta identificação: TIPO DE AÇO DESIGNAÇÃO 1 Aço Carbono (sem metal de liga) 2 Aço Níquel 3 Aço Níquel-Cromo 4 Aço Molibdênio 5 Aço Cromo 6 Aço Cromo-Vanádio 7 Aço Tungstênio-Cromo 8 Aço Níquel-Cromo-Molibdênio 9 Aço Silício-Manganês 2o Algarismo - grupo dentro do tipo Nas “ligas simples”, um elemento de liga que, geralmente, indica a percentagem aproximada deste elemento. Nas ligas com “dois elementos de liga”, algumas vezes, indica a percentagem aproximada do elemento predominante na liga. Nas ligas com “três elementos de liga” e também, em alguns casos, com “dois elementos de liga” indica uma determinada combinação de porcentagem média dos (ou de alguns dos) componentes da liga, que, muitas vezes, permanecem constantes para todos os aços com o mesmo 2o algarismo; que nestes casos denominamos de combinação da liga. Dentro do mesmo “tipo” e “grupo” estão compreendidas uma série de ligas com as mesmas porcentagens de elementos componentes. 3o e 4o Algarismo - Percentagem média de Carbono Os dois últimos algarismos XX indicam sempre a percentagem média de carbono no aço, em centésimo percentual, ou seja: 0, XX % C Ex.: 0,25% C Significado especial do 4o Algarismo Muitas vezes, para identificar bem os aços comerciais disponíveis, o 4o ou último algarismo, quando for considerado isoladamente, pode indicar a existência de variações de outros elementos da liga. Será visto, posteriormente nas tabelas, que, por exemplo, entre os aços indicados por SAE 1020 (0,2% C) e SAE 1021 (0,21% C) as tabelas não apresentam diferença na porcentagem média de carbono. Ambos apresentam uma porcentagem de C entre 0,18 a 0,23% C. Por

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outro lado, no entanto, apresentam na porcentagem de Mn; o último contém maior porcentagem. Aços classificados com cinco algarismos Algarismos (XXXXX), como os aços SAE 50100, SAE 51100 e 52100, com percentagem média de carbono de 1%, os três últimos (XXX) indicam a percentagem média de carbono (entre 0,98 e 1,10%C). Exemplos: Aço SAE - 1035 1 - Caracteriza “Aço Carbono”. 0 - Sem elemento de liga além da combinação ferro e carbono, exceto elementos residuais. 35 - Corresponde a uma percentagem média de 0,35% de carbono na liga. Aço SAE - 5140 5 - Caracteriza “Aço Cromo” 1 - Percentagem aproximada de Cromo na liga - 1% Cr. 40 - Percentagem média de 0,40% de C. Aço SAE - 8630 8 - Caracteriza Aço Níquel-Cromo-Molibdênio 6 - Caracteriza a combinação em determinadas percentagens dos três elementos

de liga, cujos valores médios estão especificados nas respectivas tabelas de composição química.

30 - Percentagem média de 0,30% de C. Aço SAE - 51100 5 - Caracteriza “Aço Cromo”. 1 - Percentagem aproximada de cromo na liga - 1% Cr. 100 - Percentagem média de 1% de carbono - (0,98 a 1,10% de C.). Tipo Classe Teor aproximado dos elementos

10xx Aço sem elemento de adição 11xx Aço resulfurado – de usinagem fácil 12xx Aço resulfurado e refosfatado 13xx Aço com 1,75% de Mn

T-13xx Aço com elevado teor de Mn 14xx Aço com 0,10% de Nb

Aço carbono

15xx Aço com Mn entre 1,00 a 1,65% 20xx Aço com 0,5% de Ni 21xx Aço com 1,5% de Ni 23xx Aço com 3,5% de Ni

Aço Ni

25xx Aço com 5,5% de Ni 30xx Inox e resistente à altas temperaturas 31xx Aço com 1,25% Ni e 0,65% Cr 32xx Aço com 1,75% Ni e 1,0% Cr 33xx Aço com 3,5% Ni e 1,5% Cr

Aço Ni-Cr

34xx Aço com 3,0% Ni e 0,8% Cr Aço Mo 40xx Aço com 0,25% Mo

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41xx Aço com 0,2% Mo e 0,9% Cr 43xx Aço com 1,75% Ni e 0,8% Cr e 0,25% Mo 46xx Aço com 1,75% Ni e 0,25% Mo 48xx Aço com 3,5% Ni e 0,15% Mo 50xx Aço com 0,3% a 0,6% de Cr 50xxx Aço com 0,5% de Cr 501xx Aço com 0,5% de Cr e 1% de C (para rolamentos) 51xxx Aço com 1% de Cr (para rolamentos) 511xx Aço com 1% de Cr (para rolamentos) 514xx 515xx 52xx Aço com 1,2% de Cr 52xxx Aço com 1,45% de Cr e 1% de C

Aço Cr

521xx Aço com 1,45% de Cr Aço V 61xx Aço com 0,9% de Cr a 0,15% de V Aço W 70xx Aço com tungstênio

86xx Aço com 0,55% Ni e 0,5% Cr e 0,10% Mo Aço Ni-Cr-Mo 87xx Aço com 0,55% Ni e 0,5% Cr e 0,25% Mo

Aço Si-Mn 92xx Aço com 2,0% Si e 0,55% Mn 93xx Aço com 3,25% Ni e 1,2% Cr e 0,12% Mo 94xx Aço com 0,45% Ni e 0,4% Cr e 0,12% Mo e 1% Mo 97xx Aço com 0,55% Ni e 0,17% Cr e 0,20% Mo 98xx Aço com 1% Ni e 0,8% Cr e 0,25% Mo 2.4.4 - INFLUÊNCIA DOS ELEMENTOS DE ADIÇÃO Como foi estudado anteriormente, o aço, tal como é usado industrialmente, possui além do ferro e do carbono, outros elementos que podem ser classificados e divididos em três grupos.

• 1o Grupo - Elementos resultantes da elaboração;

• 2o Grupo – Impurezas;

• 3o Grupo - Elementos de liga.

1o Grupo - Elementos resultantes da elaboração Pertencem a este grupo os elementos como o manganês (Mn), o silício (Si), o alumínio (Al) ou o titânio (Ti), cuja presença no aço, como decorrência dos processos de fabricação e que, embora em pequenas percentagens, sempre existem nos aços. 2o Grupo - Impurezas São constituídas pelos elementos que sendo componentes das matérias primas usadas, ou introduzidas durante os processos de fabricação, devem ser reduzidas as menores porcentagens possíveis, por serem no caso, manifestamente prejudiciais a qualidade do aço. São constituídas principalmente

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por elementos não metálicos como o enxofre, fósforo, oxigênio, etc., mas também por diversos metais, como o cobre, níquel, chumbo, estanho, etc. Sabe-se que entre as matérias primas usadas para a fabricação do aço, uma boa percentagem é de “sucata” ou seja, uma quantidade de peças de aço (de diversas ligas) é adicionada junto com o ferro e carbono para formar o aço. Poderão dar ao aço propriedades indesejáveis para o fim a que se destinam. 3o Grupo - Elementos de Liga Também denominados de “elementos especiais”, são aqueles que se adiciona intencionalmente ao aço, conferem propriedades particulares. O seu valor porcentual está, em geral, compreendido entre dois limites. Se nenhum destes elementos atinge a porcentagem de 5% o aço diz-se “baixo teor elementos de liga” se a percentagem ultrapasse os 5% são classificados como de “médio” ou “alto” teor em elementos de liga, ou ainda, “aços especiais”. Manganês, silício, titânio, nitrogênio, cobre, níquel, cromo, molibdênio, vanádio, zircônio, selênio, alumínio, cobalto, tântalo, tungstênio, boro, chumbo. Para cada um dos elementos de adição existentes ou adicionados aos aços de construção, será abordado um resumo da sua ação específica e em especial, relacionando a sua influência sobre os tratamentos térmicos e a influência destes elementos e destes tratamentos sobre as características de comportamento mecânico dos aços. 2.4.4.1 – Elementos de adição Carbono (C) - É o elemento que desafia o aço e estabelece suas propriedades

básicas. Aumenta a dureza e resistência e diminui a ductilidade e plasticidade. O teor de carbono varia entre 0,10 a 1,5% aproximadamente. Percentagens que oscilam entre 0,10% a 0,70% C, classificam-no como aços de construção. Percentagens entre 0,50 a 1,50% C constituem os Aços Ferramentas. A percentagem de carbono influi apenas na dureza de aço, enquanto que as outras propriedades dependem do grau de pureza, que definem a qualidade do aço. As impurezas provenientes da matéria-prima, ou conseqüentes dos processos de fabricação são constituídos principalmente pelo enxofre, fósforo, silício e manganês.

Manganês (Mn) - É um elemento que se apresenta em todos os aços, em

pequenas percentagens, devido aos processos de fabricação. Faz aumentar moderadamente a temperabilidade e contrabalança a fragilidade dos aços devido ao enxofre. Aumenta a dureza e a resistência, assim como a resistência ao desgaste. Aumenta a velocidade de penetração do carbono na cementação. As deformações produzidas pela têmpera são diminuídas pela adição de Mn. Associado ao silício, serve para fabricar aços especiais para molas. Somente é considerado como elemento de liga nos aços, quando a percentagem média excede a 0,6% de Mn.

Silício (Si) - O silício como o Mn, acha-se presente em todos os aços em

pequenas proporções, até 0,35% pois é empregado como desoxidante durante o processo de fabricação do aço. Aumenta a resistência mecânica dos aços de baixa liga e melhora a resistência à oxidação em altas

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temperaturas. É empregado também como elemento de liga, por sua ação de aumentar a temperabilidade e penetração da têmpera. Faz aumentar o coeficiente de elasticidade o que torna sua presença inconveniente nos aços destinados a receberem deformação por estampagem. Os aços-silício resistem muito bem ao desgaste, empregando-se em ferramentas para trabalhos em pedreiras. É usado também na fabricação de molas, atingindo os aços especiais, para este efeito, altos valores de carga de ruptura. Os aços-silício são muito usados para chapas de núcleo de transformadores e motores elétricos, com carbono até 0,10% e percentagens de silício até 4,0% por possuírem boa permeabilidade magnética; prestando-se muito bem para imantação por corrente alternada, magnetizando e perdendo rapidamente o magnetismo. Para ser considerado como elemento de liga, a percentagem de silício deve ser superior a 0,4% Si, sendo então considerado como “aço-silício”.

Titânio (Ti) - É usado para desoxidação e como estabilizador dos aços

inoxidáveis austeníticos, prevenindo a corrosão intergranular e a tendência à fragilidade. Aumenta a dureza e a resistência dos aços de baixo teor de carbono. Percentagens de 2,0% de Ti tornam os aços com 0,5% C não temperáveis.

Enxofre (S) - É um elemento prejudicial aos aços tornando-os frágeis e

quebradiços ao rubro, de modo que o seu teor deve ser mantido o mais baixo possível. A presença do enxofre faz com que os aços tenham características mecânicas inferiores. A percentagem máxima admissível e em torno de 0,05%. Em um caso especial, é considerado elemento benéfico, pois sua edição em percentagem, de até 0,35% é usado na produção dos aços de “corte livre”, para permitir altas velocidades de corte, pois aumenta a facilidade de usinagem e os cavacos se destacam em pequenos pedaços, devido a fragilidade destes aços. São também chamados “aços para tornos automáticos”, por serem usados para a fabricação de pequenas peças.

Fósforo (P) - É uma impureza normal existente nos aços, porem considerada de

natureza nociva. Por esta razão nos aços de alta qualidade, deseja-se limites máximos entre 0,30 a 0,5%. Aumenta a existência e dureza dos aços de baixa percentagem de carbono melhora nestes aços a sua usinabilidade, dando origem aos aços de “corte livre”. Melhora ligeiramente a resistência à corrosão.

Oxigênio (O) - Como o nitrogênio, o oxigênio é prejudicial ao aço. O oxigênio

endurece o aço, tornando-o frágil, diminuindo conseqüentemente sua tenacidade. Felizmente, durante os processos de fabricação, adicionam-se elementos de liga, que possui, maior afinidade pelo oxigênio do que o ferro, da forma que a combinação daqueles elementos com o oxigênio torna-se inofensivo.

Nitrogênio (N) - Em princípio o nitrogênio tem muitas vezes uma influência nociva

sobre os aços, causando principalmente dureza e fragilidade. Atualmente, o Nitrogênio deixou de ser considerado elemento nocivo, pois foi verificado que, em muitos casos, melhora certas propriedades dos aços. Aumenta a

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resistência ao calor e à fadiga dos aços austeníticos. O nitrogênio é também usado num processo de endurecimento superficial chamado de “nitretação”.

Cobre (Cu) - Em percentagens de 0,10 a 0,20% aumenta a profundidade de

têmpera. Aumenta a resistência a ruptura à tração e o limite de elasticidade. Tem pouca influência sobre a ductibilidade. Em percentagem de 0,5% melhora a resistência à corrosão atmosférica. Aumenta a resistência à ação corrosiva dos ácidos, sendo as vezes usados nos aços cromo-níquel resistentes à corrosão.

Níquel (Ni) - Consiste um dos elementos de liga mais importantes, e um dos

primeiros a serem utilizados nos aços. Os aços são classificados e representam propriedades sensivelmente diferentes, quando a percentagem é menor ou maior de 25% de Ni. Aumenta a resistência a tração, a tenacidade e a resistência ao choque, especialmente a baixas temperaturas. Eleva a resistência à corrosão a temperatura ambiente e altas temperaturas. O aço-níquel com baixa percentagem de Carbono (0,15% C) e 2% de Ni prestam-se notavelmente bem para cementação. As ligas com altas percentagens de Ni (e Cr) são os elementos básicos dos aços inoxidáveis. As ligas com fortes percentagens de Ni apresentam reduzido coeficiente de dilatação pelo calor, como o Invar (35,5% de Ni) e a Platinite (46% de Ni), sendo usados para réguas padrão, peças para relógios, etc.

Cromo (Cr) - Junto com o Ni, constitui um dos elementos mais importantes na

fabricação dos aços de alta qualidade. O cromo aumenta consideravelmente a resistência a temperatura ambiente e a altas temperaturas: aumenta a dureza e o limite de escoamento do aço, do que resulta uma grande resistência ao desgaste e alta capacidade de corte. Aumenta a penetração da têmpera, assim como a resistência a corrosão e a oxidação. É largamente utilizado na fabricação dos aços inoxidáveis, onde entrará como elemento de liga, ou associado ao Ni. Os aços-cromo melhoram consideravelmente as suas propriedades pelo tratamento de revenido após o tratamento de têmpera.

Molibdênio (Mo) - A ação do molibdênio é muito intensa, pois mesmo com

pequenas porcentagens obtém-se efeitos consideráveis. O molibdênio atua sobre propriedades muito diversas do aço e o seu emprego generaliza-se cada vez mais, pela contribuição efetiva e econômica para as características pretendidas, sendo invariavelmente usado em complemento de outros elementos de liga (pois o molibdênio, isoladamente, tende a diminuir a tenacidade dos aços). Dá ao aço resistência à tração, alta tenacidade e boa ductibilidade. Em conjunto com o níquel e cromo, nos aços inoxidáveis, melhora ainda a corrosão; melhora a resistência ao choque e a resistência à fluência a quente, sobretudo nas percentagens de 0,5% e confere boas propriedades mecânicas para utilização a temperaturas elevadas, especialmente nas de corte rápido. Oferecem também boa resistência ao desgaste. De um modo geral, os efeitos produzidos pelo Mo nos aços assemelham-se as produzidas pelo tungstênio, porém seu efeito é muito mais intenso.

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Vanádio (V) - Uma das principais características da adição do vanádio nos aços,

é torná-lo insensível ao super aquecimento, melhorando as suas características de forjamento e usinagem. Aumenta o limite de escoamento e resistência, sem diminuir, entretanto, como seria de esperar, o alongamento. Geralmente são adicionados com outros elementos, sendo o mais comum o cromo. É elemento importante em todos os aços rápidos. O vanádio aliado ao molibdênio melhora a resistência à fluência. Oferecem também boa resistência ao desgaste. Também são empregados em peças que estão sujeitos à fadiga, como as molas, especialmente com o cromo.

Alumínio (Al) - O alumínio é empregado nos aços, principalmente como

desoxidante durante o processo de fabricação. Devido a grande afinidade pelo oxigênio, é um elemento importante nos aços que vão ser submetidos a nitretação, pois facilita a penetração do nitrogênio. Como elemento de liga, o alumínio aumenta a resistência do aço à oxidação e ao calor. Melhora a resistência ao choque dos aços de construção.

Cobalto (Co) - Aumenta a resistência do aço. Emprega-se especialmente nos

aços ferramentas com o W e o Cr em teores de 3 a 10%. Aumenta a dureza e contribui para a melhoria acentuada da capacidade de corte a altas temperaturas. Emprega-se nos aços para imãs e ligado ao Cr e ao Ni nos aços “superinvar” de baixo coeficiente de dilatação. Sempre é empregado em conjunto com outros elementos, como o Cr, Mo, W, V, etc.

Tungstênio (W) - Aumenta consideravelmente a dureza a resistência do aço a

temperatura ambiente e em especial a altas temperaturas. Forma carbonetos muito estáveis e resistentes ao desgaste, pelo que é extraordinariamente importante seu efeito nos aços para ferramentas, onde é muito empregado, sendo o elemento básico dos aços rápidos. Os aços ao tungstênio podem ser temperados em água sem rachar, e resistem bem ao revenido. O seu emprego em teores elevados, deve ser acompanhado por um aumento do teor de carbono, afim de que os aços não percam a sua capacidade de têmpera. Mantém uma dureza elevada em temperatura elevada (500 ºC) e, por esta razão, são geralmente usados na fabricação de estampas e matrizes. São aços com preço elevado, o que torna pouco econômico o seu uso quando são desejáveis as suas excelentes propriedades mecânicas.

Boro (B) - É um elemento muito interessante, incorporado recentemente na

tecnologia de fabricação do aço. A sua ação mais importante é o extraordinário aumento da temperabilidade do aço, que se obtém, mesmo com teores bastante baixos, em torno de 0,004%. Melhora a resistência à fadiga e as suas características de laminação, forjamento e usinagem.

Chumbo (Pb) - O objetivo da adição de chumbo no aço é o de melhorar a

usinabilidade dos aços-carbono, além de melhorar o acabamento. O cavaco formado e frágil é descontínuo.

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2.4.5 - RESUMO DOS PRINCIPAIS AÇOS PARA CONSTRUÇÃO MECÂNICA • 1010 - Aço ao carbono sem elementos de liga, para uso geral, usado em

peças mecânicas, peças dobradas, partes soldadas, tubos e outras aplicações.

• 1020 - Aço ao carbono, de uso geral, sem elementos de liga, usado em peças mecânicas, eixos, partes soldadas, conformada ou cementadas, arames em geral, etc.

• 1045 - Aço com teor médio de carbono, de uso geral em aplicações que exigem resistência mecânica superior ao 1020 ou têmpera superficial (em óleo ou água), usados em peças de construção mecânica em geral.

• 1212 - Fácil de ser usinado, oferecendo um bom acabamento superficial, contudo, é de difícil soldabilidade exceto mediante a uso de eletrodos de baixo teor de hidrogênio. Como exemplo, E6015 (AWS). Usa-se comumente na fabricação de porcas, parafusos, conexões e outros produtos que necessitam de alta usinabilidade, porém não devem ser utilizados em partes vitais de máquinas ou equipamentos que estejam sujeitos a esforços severos ou impactos.

• 12L14 - Idêntico às características do 1212 com exceção da usinabilidade, onde apresenta capacidade superior a 60% em relação ao 1212.

• 12T14 - Idêntico às características do 1212 com exceção da usinabilidade, onde apresenta capacidade superior a 100% em relação ao 1212. Apresenta algumas melhorias em trabalhos que necessitem de compressão, como por exemplo, roscas laminadas ou partes recartilhadas em relação ao 1212 e 12L14.

• 8620 - Aço cromo-niquel-molibdênio usado para cementação na fabricação de engrenagens, eixos, cremalheiras, terminais, cruzetas, etc., (limite de resistência do núcleo: entre 70 e 110 kgf/mm2).

• 8640 - Aço cromo-níquel-molibdênio de média temperabilidade, usado em eixos, pinhões, bielas, virabrequins, chavetas e peças de espessura média.

• 4320 - Aço cromo-níquel-molibdênio para cementação que alia alta temperabilidade com boa tenacidade, usado em coroa e pinhões, terminais de direção, capas de rolamentos, etc., (limite de resistência do núcleo: entre 80 -120 kgf/mm2).

• 4340 - Aço cromo-níquel-molibdênio de alta temperabilidade, usado em peças de seções grandes como eixos, engrenagens, componentes aeronáuticos, peças para tratores e caminhões, etc.

• 5140 - Aço cromo-manganês para beneficiamento, de média temperabilidade, usado em parafusos, semi-eixos, pinos, etc.

• 5160 - Aço cromo-manganês de boa tenacidade com média temperabilidade, usado tipicamente na fabricação de molas semi-elípticas e helicoidais para veículos.

• 6150- Aço cromo-vanádio para beneficiamento que apresenta excelente tenacidade e média temperabilidade sendo usado em molas helicoidais, barras de torção, ferramentas, pinças para máquinas operatrizes, etc.

• 9260 - Aço de alto teor de silício com alta resistência, usado em molas para serviço pesado como tratores e caminhões.

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• 52100 - Aço que atinge elevada dureza em têmpera profunda, usado tipicamente em esferas, roletes e capas de rolamentos e em ferramentas como estampos, brocas, alargadores, etc.

As aplicações dos aços mencionados na tabela que se segue não passam de orientações gerais. Portanto, uma seleção criteriosa do material depende, sobretudo, das características precisas do trabalho a que se destina, da usinabilidade do material, do custo, além de outros fatores.

APLICAÇÃO TIPO DE AÇO SAE Aço de corte livre 12L14, 12T14, 1212, 1213, 1132, 1137, 1144 Aço de deformação mínima 4615 Aço p/ ferramentas agrícolas 4620 Aço p/ferramentas agrícolas 1070, 1080 Aço para laminação a frio 1070 Alavanca de freio 1030, 1040 Alavanca temperada 2330 Anel de rolamento 52100 Arame de aço 1085 Arruela de encosto 1060 Arruela de encosto temperada 5150 Arruela de pressão 1060 Barra de distribuição 1020 Barra de distribuição 1040 Barra do amortecedor 1085 Barra para estiragem a frio 1035 Biela 1040, 2340, 3141 Chapas, tiras e tubos 1008 Chapas, tiras e tubos 1010, 1015 Chaveta 1030, 2330, 3115 Corrente de transmissão 3135, 3140 Disco de arado 1080, 1095 Disco de fricção 1060, 1070 1085 Eixo 1040, 1045, 2340, 3140, 3141, 4063, 4340 Eixo de automóvel 1040, 2340 Eixo do ventilador 2340, 2345, 4140 Eixo ranhurado 1045, 1320, 2340, 2345, 5115, 3120, 3135, 3140, 4023,

8640, 4340, 6150 Eixo para serviço severo 4615, 4620 Eixo temperado em óleo 5150 Eixo de transmissão 4140 Engrenagem cementada 1320, 2317, 3115, 3510, 4119, 4125 4320, 4615, 4815,

4820, 8620 Engrenagem de corrente 3115, 3120, 4119 Engrenagem do diferencial 4023 Engrenagem em serviço severo 4640, 6150 Engrenagem temperada 2345

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Engrenagem temperada em óleo 3145, 3150, 4340, 8640, 5150 Esfera de rolamento 52100 Estampagem profunda 1008, 1010, 1015 Excêntrico para volante 4615, 4620 Junta universal 1144 Lâmina para molas 1085, 1095, 4063, 4068, 9260, 6150 Mola de compressão 1060, 4063 Mola helicoidal 1095, 4063, 6150 Mola temperada em óleo 5150 Parafuso 1035 Parafuso de barra de direção 3130 Parafuso de corte livre 1211, 1212, 1213 Parafuso estampado a frio 4042 Parafuso esticador 3130 Parafuso para biela 3130 Parafuso para cilindro 3130 Parafuso para serviço severo 4815, 4820 Parafuso temperado 2330, 2340 Peça cementada 1020, 1022, 1024, 1320, 2317, 2515, 3310, 3115, 3120,

4023, 4032, 8620, 1117, 1118, 1040 Peça forjada 1045, 1036 Peça forjada média e pequena 1035 Peça forjada p/ar comprimido 4140 Peça forjada temperada 3240, 5140, 6150 Peça forjada p/trabalho severo 6150 Pinhão cementado 3115, 3120, 4320 Pino (corrente de transmissão) 3135, 4815, 4820 Pino (pistão) 3115, 3120 Porca 3130 Porca temperada 2330 Rebite 1008, 1010, 1015 Roletes para rolamento 52100 Tubos para peças mecânicas 1010 Tubos sem costura 1010 Tubos soldados 1020 Virabrequim 1045 1145, 3135, 3140, 4140

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2.5 – FERRO FUNDIDO Pelo diagrama de equilíbrio do Fe-C acima, pode-se definir também o ferro fundido como uma liga binária de ferro-carbono, tendo teor mínimo de carbono o valor de 2,1%, a temperatura ambiente e, teor máximo de carbono, de 6,7%, a temperatura ambiente, entretanto, o ferro fundido é obtido diretamente do ferro gusa que tem teores elevados de silício, denominando-se assim como uma liga ternária composta basicamente de três elementos: ferro, carbono (2 a 4,5%) e silício (1 a 3%) além de alguns elementos químicos residuais oriundos de sua fabricação (Mn, P, S) ou quando ligados com elementos adicionados para melhoria de suas propriedades. Na prática, o ferro fundido contém de 2% a 4,5% de carbono e principalmente com teores próximo de 4,3% de carbono visto que o eutético produzido por esta concentração de carbono reduz a temperatura de solidificação (1.148 ºC). Dependendo da concentração de cada elemento e da maneira como o material é resfriado ou tratado termicamente, o ferro fundido será branco, cinzento, maleável ou nodular. Estas denominações que se dá ao ferro fundido é devido ao aspecto da fratura do material e também pela forma como o carbono se apresenta na massa metálica. De acordo com o diagrama de Fe-C, o carbono pode se apresentar de duas formas: na forma de cementita (Fe3C) e na forma de grafite. No ferro fundido cinzento, o carbono se apresenta na forma de grafita,

lâminas ou flocos, dando cor acinzentada ao material. Esta formação do carbono deve-se ao silício quando tem teores de até 2,8%, além de um resfriamento muito lento. A figura ao lado mostra este tipo de estrutura. Este tipo de ferro fundido apresenta boa usinabilidade é ótima capacidade de amortecer vibrações. Devido a estas características são muito empregados na indústria automobilística e indústria de equipamentos agrícolas.

Figura 2,28 – Microestrutura do ferro fundido cinzento. O ferro fundido branco é formado através de um resfriamento mais rápido do metal líquido, entretanto, são também necessárias concentrações menores de carbono e de silício. Desta forma, não ocorre a formação de grafite e todo carbono fica na forma da cementita. Em função disto, este ferro fundido apresenta cor clara. Os elementos químicos adicionados ao ferro fundido branco como cromo, molibdênio e vanádio estabilizam os carbonetos, aumentando a dureza. Assim, os ferros fundidos brancos são frágeis, embora tenham uma grande resistência à compressão e ao desgaste. As principais aplicações deste ferro fundido são em equipamentos de mineração, moagem, revestimentos de moinhos e outras, onde a dureza é a principal característica.

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O ferro fundido maleável é produzido a partir do ferro fundido branco que é submetido a tratamento térmico, tornando as peças fabricadas mais resistentes ao impacto e às deformações. Dependendo das condições do tratamento térmico o ferro pode apresentar o núcleo preto ou branco.

O ferro fundido maleável de núcleo preto é submetido a tratamento térmico em atmosfera neutra, fazendo com que a cementita se decompõe em ferro e grafite de forma compacta, diferente da forma da grafite do ferro fundido cinzento. São muito usados para fabricação de suporte de molas, caixas de direção, cubos de rodas, bielas, conexões hidráulicas.

Figura 2.29 – Microestrutura do ferro fundido nodular. O ferro fundido maleável de núcleo preto é submetido a tratamento térmico em atmosfera neutra, fazendo com que a cementita se decompõe em ferro e grafite de forma compacta, diferente da forma da grafite do ferro fundido cinzento. São muito usados para fabricação de suporte de molas, caixas de direção, cubos de rodas, bielas, conexões hidráulicas. O ferro fundido maleável de núcleo branco é submetido a um tratamento térmico em atmosfera oxidadante, na qual o carbono é removido por descarbonetação, não havendo a formação de grafita. Em virtude disto, este ferro fundido adquire características similares ao dos aços de baixo teor de carbono, podendo ser soldado. As principais aplicações são de fabricação de flanges, barras de torção, e partes de mancais. 2.5.1 - CLASSIFICAÇÃO DOS FERROS FUNDIDOS - ABNT Os ferros fundidos são classificados pela ABNT conforme o tipo de ferro fundido. Para o ferro fundido cinzento utiliza-se a norma NBR 6589, cuja classificação é codificada por duas letras e um número de três dígitos: FC-XXX, onde as letras são as abreviaturas de ferro fundido cinzento e os dígitos indicam a resistência à tração em MPa. Exemplo: FC-350 é um ferro fundido cinzento com tensão de ruptura à tração de 350 MPa (Lr = ≈ 35 kgf/mm2). O ferro fundido maleável de núcleo preto é classificado segundo a norma NBR 6590, cuja codificação é composta por três letras e cinco dígitos, das quais os três primeiros dígitos indicam a resistência à tração em MPa e os dois últimos algarismos representam a deformação em percentual. Exemplos: FMP 45007 (σr = 450 MPa e ε = 7%); FMP 32015 (σr = 320 MPa e ε = 15%). O ferro fundido maleável de núcleo branco é classificado segundo a norma NBR 6914, cuja codificação é composta por quatro letras e cinco dígitos, das quais os três primeiros dígitos indicam a resistência à tração em MPa e os dois

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últimos algarismos representam a deformação em percentual. Exemplos: FMBS 39012 (σr = 390 MPa e ε = 12%); FMBS 32008 (σr = 320 MPa e ε = 8%). O ferro fundido nodular utiliza-se a norma NBR 6916, cuja classificação é codificada por duas letras e um número de cinco dígitos: FE-XXXXX, onde as letras são as abreviaturas de ferro fundido esferoidal e os três primeiros dígitos indicam a resistência à tração em MPa e os dois últimos a deformação em porcentual. Exemplo: FE-35010 (σr = 350 MPa e ε = 10%). 2.6 - TRATAMENTOS TÉRMICOS E DE SUPERFÍCIES Os processos de produção industrial nem sempre fornecem materiais de construção nas condições desejadas, ou seja, as tensões internas que se originam nos processos de fundição, conformação mecânica, usinagem, entre outros, podem criar problemas de distorções e empenamentos. Devido a isso, há a necessidade de submeter as peças metálicas, antes de serem aproveitadas efetivamente, a determinados tratamentos térmicos ou termo-químicos, que objetivam minimizar ou eliminar aqueles problemas. Por outro lado, independente do processo de fabricação utilizado para obtenção de peças e aumentar a longevidade destas em relação à corrosão é, muitas vezes, necessário tratar as superfícies das peças por meio de pintura ou também por meio de tratamento termo-químico. Desta forma, os objetivos gerais dos tratamentos térmicos ou de superfície são:

• Remoção de tensões internas (oriundas de resfriamento desigual, trabalho mecânico ou outras causas);

• Aumento ou diminuição da dureza; • Aumento da resistência mecânica; • Melhoria da ductilidade; • Melhoria da usinabilidade; • Melhoria da resistência ao desgaste; • Melhoria das propriedades de corte; • Melhoria da resistência à corrosão; • Melhoria da resistência ao calor; • Modificação das propriedades elétricas e magnéticas.

2.6.1 - TRATAMENTOS TÉRMICOS Os materiais metálicos formados por ligas de Fe-C, em geral os aços, são os mais submetidos a tratamentos térmicos, embora muitas outras ligas e metais não ferrosos também sejam tratados termicamente, que serão vistos posteriormente. Deve-se verificar que a melhoria de uma ou mais propriedades do material geralmente é obtida com prejuízo de outras. Por exemplo, aumentando-se a resistência mecânica e a dureza de aços, obtém-se, simultaneamente uma diminuição da ductilidade. Assim, o tratamento térmico deve ser planejado cuidadosamente, verificando-se sempre o resultando final que se deseja obter.

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• Fatores que influenciam os tratamentos térmicos:

1. Aquecimento: a temperatura indicada para se obter um resultado

satisfatório corresponde, geralmente, a temperatura de recristalização do material. O resfriamento subseqüente completa as alterações estruturais e confere ao material as propriedades mecânicas desejadas. Também, deve-se considerar a velocidade de aquecimento, que não pode ser muito lenta (promove o crescimento do grão), nem muito rápida (pode causar empenamento ou fissuras). Cada material tem a sua própria velocidade ideal de aquecimento;

2. Tempo de permanência na temperatura: deve ser suficiente para que a peça se aqueça uniformemente. Evita-se que esse tempo ultrapasse o estritamente necessário, pois pode haver crescimento indesejável dos grãos ou possibilidade de oxidação (em algumas ligas);

3. Ambiente de aquecimento: em certas ligas metálicas a atmosfera comum pode provocar alguns fenômenos prejudiciais como a oxidação e a descarbonetação. Esses fenômenos são evitados pela utilização de uma atmosfera protetora ou controlada no interior do forno;

4. Resfriamento: em algumas ligas, principalmente as de aço, modificando-se a velocidade de resfriamento, pode-se obter mudanças estruturais que promovem o aumento da ductilidade ou elevação da dureza ou da resistência mecânica. Deve-se observar que meios muito drásticos de resfriamento, como solução aquosa, por exemplo, pode levar ao aparecimento de elevadas tensões internas. Os meios mais comuns de resfriamento são: solução aquosa a 10% de NaCl, água pura, óleos de várias viscosidades, ar ou vácuo.

• Tipos de tratamentos térmicos: Os tratamentos térmicos mais comuns das ligas metálicas são: recozimento, normalização, têmpera, revenimento, tratamentos isotérmicos, coalescimento, endurecimento por precipitação. De uma forma geral, os tratamentos térmicos obedecem a um aquecimento, manutenção a uma determinada temperatura e, posteriormente um resfriamento que pode ser rápido, lento ou intermediário, cujo objetivo é transformar os constituintes primários em outros constituintes, geralmente denominados secundários, que significa constituintes que sofreram tratamento térmico. Estas transformações dos constituintes dependem também da liga metálica. Se a liga contém elementos químicos que possuem alotropia como as ligas de ferro-carbono (aços e ferros fundidos) cujos dois elementos principais, ferro e carbono, possuem formas alotrópicas diferentes, estrutura CCC e CFC para o ferro e tetragonal e hexagonal compacta para o carbono.

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0 20 40 60 80

0

200

400

600

800

Resfriamento intermediário

Resfriamento lento

Resfriamentorápido

Manutenção

Aque

cimen

to

5

4

3

2

1

Tem

pera

tura

( o C)

Tempo (min)

Figura 2.30 – Ciclos de aquecimentos e tratamentos térmicos O aquecimento em uma liga metálica depende muito da inércia do forno ou do meio de aquecimento, que depende por sua vez, da massa metálica que se deseja aquecer. Os fornos mais comuns, para aquecimento de ligas como o aço, são: fornos de resistência elétrica, de indução e fornos que produzem aquecimento por chama que pode ser direta ou indireta. A figura acima esquematiza um ciclo de aquecimento de um aço carbono ABNT 1030 com uma taxa constante de aquecimento, representado pela linha 1, a manutenção da temperatura representada pela linha 2, e diferentes taxas de resfriamento representado pelas linhas 3, 4, 5. O ferro contido no aço, a baixa temperatura, tem a estrutura cristalina cúbica de corpo centrado e, a temperatura de 800 ºC esta estrutura é transformado em cúbica de face centrada onde nas faces da estrutura cristalina o átomo de carbono é dissolvido. Com resfriamento rápido, representada pela linha 3, a estrutura cúbica de face centrada deveria se transformar na estrutura cúbica de corpo centrado, permitindo a ocupação do carbono no centro do cubo, entretanto, o resfriamento rápido impede esta transformação fazendo a distorção da rede cristalina. Em um resfriamento lento, pode-se conseguir a estrutura inicial cúbica de corpo centrado.

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35

Dependendo da espessura da peça, como o e de uma agulha, por exemplo, o resfriamento rápido como o mostrado na figura acima poderá ocorrer em toda a massa metálica. Em peças com espessuras maiores poderá ocorrer na superfície o resfriamento rápido, conforme a linha 3, mas no seu interior, um resfriamento lento, conforme as linhas 4 ou 5. Isto produziria a formação do constituinte martensita na superfície com dureza muito elevada e no interior, ou na parte central da peça, constituintes como perlita e ferrita. Um resfriamento muito rápido em uma peça como uma agulha para um aço carbono comum pode produzir tensões internas que produz micro-fissuras na peça, produzindo uma fratura total após o tratamento térmico. A escolha do tipo de tratamento térmico depende da natureza do material e de sua composição química, além da aplicação que se deseja da peça.

Figura 2.31 – Diagrama Fe-C – Campo de austenização. Tendo-se o aço carbono ABNT 1050 como exemplo e verificando no diagrama de equilíbrio do Fe-C, pode-se tirar o intervalo de temperatura considerado como zona crítica, isto é, o intervalo de temperatura que começa ocorrer a transformação de grãos perlíticos e grãos ferríticos em grãos austeníticos. Até 727 ºC, o aço com 0,5% de carbono apresenta os constituintes perlita e ferrita. Em temperaturas acima de 727 ºC a perlita começa a se transformar em austenita, ou seja, a matriz da perlita (Fe α) tem estrutura CCC e vai se transformando em CFC (Fe γ) - austenita, e as lamelas de cementita (Fe3C) começa a se diluir na estrutura cúbica de face centrada. Ao mesmo tempo ocorre com os grãos ferríticos. Esta transformação se completa a 790 ºC. Portanto, a zona crítica para este aço, corresponde ao intervalo de temperatura de 727 ºC a 790 ºC. A mesma analogia pode ser feita para os demais aços, com exceção para o aço eutetóide ABNT 1080 que, acima de 727 ºC os grãos perlíticos se transformam em grãos austeníticos, não apresentando zona crítica ou o intervalo de temperatura é muito pequeno. Os aços comerciais têm, em geral, a composição química até 1% de carbono e, por isto, muitos tratamentos térmicos que precisam da transformação da austenita, faz-se aquecimento em temperaturas em torno de 800 ºC. O correto é verificar no diagrama de equilíbrio qual a temperatura limite superior da zona crítica adicionando-se mais ou menos 50 ºC em virtude de imprecisões de registros de temperaturas em alguns fornos.

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0600

800

1000

1200

1400

1600

790 oC

Feα+Feγ

Feγ

Acm

A3

A1 A1

Feα+Feγ

2,11%

912

727 oC

0,77%

Austenita

Líquido + austenita

LíquidoLiquidus

TEM

PERA

TURA

(

o C )

%C

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Resumindo, na temperatura ambiente ou a 500 ºC, os aços-carbonos apresentam os constituintes perlita, ferrita e cementita. A partir da temperatura de 727 ºC estes constituintes vão se transformando em austenita. O fim destas transformações vai depender da composição de carbono que o aço apresenta que, conforme as curvas A2 ou Acm, para aquele tipo de aço, definem o intervalo da zona crítica. O tempo necessário para ocorrer transformação completa depende também da composição de carbono presente no aço. Durante o processo de solidificação do aço na sua fabricação, a região da superfície do aço pode se resfriar com velocidade diferente da região central. Como foi visto em capítulo anterior, essa diferença dá origem a grãos com formas também diferentes entre si, que pode provocar tensões internas na estrutura do aço. Estas tensões podem decorrer também de outros fatores como os que ocorrem nos processos de conformação mecânica, como exemplos têm-se os processos de laminação, forjamento e estampagem. Na laminação, os grãos são comprimidos uns contra os outros e apresentam aparência de grãos amassados (encruados). Tanto na laminação quanto no forjamento, os grãos deformados não têm a mesma resistência e as mesmas propriedades mecânicas dos grãos normais. As tensões internas começam a ser aliviadas quando o aço atinge a temperatura ambiente, porém, esse processo leva um tempo relativamente longo, podendo dar margem a empenamentos, rupturas ou corrosão. Para isto, podem-se fazer tratamentos de alívio de tensões que são: recozimento, normalização e revenimento. 2.6.1.1 - Recozimento

Seus objetivos principais são remover tensões devidas aos processos de fundição e conformação mecânicas a quente ou a frio, diminuir a dureza, melhorar a ductilidade, ajustar o tamanho dos grãos e eliminar defeitos de quaisquer

naturezas provocados por processos mecânicos ou térmicos que o material tenha sido anteriormente submetido. O recozimento mais comum é o chamado de total ou pleno, onde o material é geralmente aquecido a uma temperatura acima da zona crítica (zona de austenização), seguido de resfriamento lento, desligando o forno e mantendo-se as peças no seu interior, conforme a figura 2.30, linha 5.

Figura 2.32 – Ciclo do recozimento.

O tempo de permanência na temperatura de austenização depende da quantidade de material e da sua massa. Esse tratamento aplica-se a todas as ligas Fe-C e a um grande número de ligas não-ferrosas.

Tem

pera

tura

Zona crítica

Tempo

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Há também o recozimento em caixa que é aplicado principalmente no aço. Nesse processo existe uma atmosfera protetora que elimina o efeito do encruamento e protege a superfície contra a oxidação.

A esferoidização é um tipo de recozimento aplicável em aços de médio a alto teor de carbono, com o objetivo de melhorar sua usinabilidade. Nesse processo, o aquecimento é levado a efeito a uma temperatura em torno da linha inferior da zona crítica.

Figura 2.33 – Ciclo da esferoidização. 2.6.1.2 - Normalização Tem os mesmos objetivos do recozimento e se faz também com aquecimento até a zona de austenização, figura 2.34. A diferença do processo é que o resfriamento na normalização é ao ar, fora do forno, portanto mais rápido que o recozimento o resultando uma estrutura mais fina do que a produzida no recozimento, e conseqüentemente propriedades mecânicas ligeiramente superiores. Aplica-se, esse processo, principalmente nos aços. 2.6.1.3 - Revenimento Aplicado nos aços temperados, imediatamente após a têmpera, a temperaturas inferiores a da temperatura crítica. As temperaturas mais usuais do revenimento são 400 ºC, 500 ºC e 600 ºC. O revenimento melhora a ductilidade,

reduz os valores de dureza e resistência a tração, e diminui ou mesmo elimina as tensões internas. Dependendo da temperatura em que o revenido é processado pode-se obter nos aços melhores condições de usinabilidade. A têmpera e o revenido estão sempre associados.

Figura 2.34 – Ciclos de tratamentos.

Tempo

Tem

pera

tura

Zona crítica

0 20 40 60 80

0

200

400

600

800

AÇO 1060 - AÇO 1090

727 oC

765 oCZona crítica

Normalização

Recozimento

Têmpera

Manutenção

Aque

cimen

to

5

4

3

2

1

Tem

pera

tura

( o C)

Tempo (min)

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2.6.1.4 - Têmpera Em muitos aços é necessário conferir dureza na superfície ou parte dela ou mesmo em toda a peça. Dentes de engrenagem, engate de veículos, partes do amortecedor do carro e as brocas devem ser fabricadas com aço endurecido para suportarem esforços a que são submetidos. A têmpera é um dos tratamentos térmicos destinados à obtenção de dureza nos aços. Uma têmpera feita corretamente possibilita vida longa à ferramenta, que não se desgasta nem se deforma rapidamente.

O tratamento consiste em aquecer o aço em um forno com temperatura acima da zona crítica e resfriar rapidamente, figura 2.34. As condições de aquecimento são idênticas as que ocorrem no recozimento e na normalização. Para o aço-carbono, a temperatura varia de 750 °C a 900 °C, pois varia com a composição de carbono presente, mas a quantidade de carbono deve ser suficiente para produzir a martensita. Em geral, utilizam-se aços com teores de carbono acima de 0,3%. A peça permanece nessa temperatura o tempo necessário para se transformar em austenita. A forma do resfriamento é o que distingue esse tipo de tratamento. No resfriamento rápido em água, os átomos de carbonos, dissolvidos na austenita - estrutura CFC, não tem cinética química para se alojar nas estruturas CCC da ferrita e da estrutura complexa da cementita. Desse modo, os átomos produzem considerável deformação no retículo da ferrita, dando tensão ao material e aumentando sua dureza. Neste tipo, a peça é retirada do forno e mergulhada apenas em água. A temperatura cai de 850 °C para 20 °C se for a temperatura ambiente, em poucos segundos. Trata-se de um resfriamento brusco que produz a martensita. Os resfriamentos menos bruscos são os realizados em óleo queimado, ou óleos especiais (óleo para têmpera) emulsionáveis em água produzidos por fabricantes de óleo. As peças temperadas possuem consideráveis aumento de sua dureza, da resistência do desgaste e da resistência a tração, porém, sofrem uma apreciável diminuição na ductilidade. Esse problema pode ser corrigido posteriormente pelo revenimento. Têmpera superficial - O endurecimento superficial dos aços, em grande número de aplicações de peças de máquinas, é, geralmente, mais conveniente que seu endurecimento total pela têmpera normal, visto que, nessas aplicações, objetiva-se apenas a criação de uma superfície dura e de grande resistência ao desgaste e à abrasão. A têmpera superficial consiste em produzir uma têmpera localizada apenas na superfície das peças de aço, que assim adquirirá as propriedades e os característicos típicos da estatura martensítica. Vários são os motivos que determinam a preferência do endurecimento superficial em relação ao endurecimento total como:

• Dificuldade, sob os pontos de vista prático e econômico, de tratar-se de peças de grandes dimensões nos fornos de tratamento térmico convencional;

• Possibilidade de endurecer apenas as áreas críticas de determinadas peças, como exemplo, dentes de grandes engrenagens, guias de máquinas operatrizes, grandes cilindros, etc;

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• Possibilidade de melhorar a precisão dimensional de peças planas, grandes ou delgadas, evitando-se o endurecimento total. Exemplos: hastes de êmbolos de cilindros hidráulicos;

• Possibilidade de se utilizar aços mais econômicos, como aços-carbono, em lugar de aços-liga;

• Possibilidade de controlar o processo, de modo a produzir, se desejável, variações em profundidades de endurecimento ou de dureza, em seções diferentes das peças;

• Investimento de capital médio, no caso de se adotar endurecimento superficial por indução e bem menor, no caso de endurecimento por chama;

• Diminuição dos riscos de aparecimento de fissuras originadas no resfriamento, após o aquecimento.

Por outro lado, as propriedades resultantes da têmpera superficial são:

• Superfícies de alta dureza e resistência ao desgaste; • Boa resistência à fadiga por dobramento; • Boa capacidade para resistir cargas de contato; • Resistência satisfatória ao empenamento.

Algumas recomendações são necessárias para a obtenção de melhores resultados como:

• Procurar obter camadas endurecidas pouco profundas; de fato, profundidades maiores desnecessárias podem provocar o empenamento ou fissura de têmpera ou desenvolver tensões residuais excessivamente altas, sob a camada endurecida;

• Levar em conta que a espessura da camada endurecida depende de cada caso específico, tendo em vista as resistências ao desgaste e á fadiga desejadas, a carga de serviço das peças, as dimensões destas e, inclusive o equipamento disponível; como exemplo, deve-se lembrar que se a camada endurecida corresponder a uma fração significativa da espessura da peça, podem resultar tensões residuais de compressão de pequeno valor nessa camada endurecida, de modo a ter-se melhora significativa na resistência à fadiga.

As temperaturas, os meios de resfriamento recomendados e as durezas resultantes para aços-carbonos são os seguintes, conforme mostro quadro abaixo: Teor de carbono Temperaturas

recomendáveis Meio de resfriamento

Dureza

0,30% 900 - 975 °C água 50 HRC0,35% 900 - 975 °C água 52 HRC0,40% 870 - 900 °C água 55 HRC0,45% 870 - 900 °C água 58 HRC0,50% 870 - 900 °C água 60 HRC0,60% 850 - 875 °C água 64 HRC

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Os aços-liga e os aços de usinagem fácil, com o teor de carbono acima, são endurecidos por indução, no caso de se adotar o processo de têmpera superficial. Quando os elementos de liga provocam a formação de carbonetos (cromo, molibdênio, vanádio ou tungstênio), os aços correspondentes devem ser aquecidos a temperaturas 50 a 100°C acima das indicadas. A duração do aquecimento é muito curta, geralmente poucos segundos, para produzir uma nítida fronteira entre a secção endurecida e o resto da secção. O meio de resfriamento usual na têmpera superficial é a água, fácil de instalar e manter e menos perigosa que os outros meios. Estes outros são salmoura, óleo, ar comprimido e polímeros líquidos. Normalmente, a peça é imersa no meio refrigerante, ou o meio refrigerante é jorrado sobre a secção aquecida. Os processos mais comuns de têmpera superficial são: têmpera por chama (com maçaricos de oxiacetileno ou GLP) e têmpera por indução. Há também métodos mais modernos de aquecimento como a de utilização de feixes de laser e de elétrons, na qual se faz em zonas muito pequenas e precisamente localizadas, entretanto o custo operacional destes métodos é muito elevado. 2.6.1.5 – Diagramas ttt – temperatura-tempo-transformação A partir deste ponto é necessário introduzir as curvas denominadas de TTT (temperatura, tempo e transformação), pois, para a compreensão dos tratamentos térmicos denominados isotérmicos, estes diagramas tornam-se imprescindíveis. A figura que segue mostra esquematicamente um diagrama TTT de um aço eutetóide, que não apresenta zona crítica e o produto da transformação da austenita em velocidade relativamente lenta é a perlita que ocorre a 727 ºC. O diagrama mostra que é possível obter diferentes tipos de constituintes em função do tipo de resfriamento que se queira dar. A abcissa do gráfico mostra o tempo em segundos em escala logarítmica e a ordenada, a temperatura em graus centígrados. A linha acima das curvas é a linha limite inferior da zona crítica de temperatura 727 ºC. A curva representa pelas letras Pi, Bi e Mi é a curva de início de transformação respectivamente para perlita (Pi), bainita (Bi) e martensita (Mi) e a curva representa pelas letras Pf, Bf e Mf é a curva de fim de transformação respectivamente para perlita (Pf), bainita (Bf) e martensita (Mf). Pode-se ver que o diagrama apresenta constituintes diferentes como: perlita grossa, perlita fina, bainita superior, bainita inferior e martensita, lembrando que estes podem ser os constituintes do aço eutetóide. O cuidado que se deve ter aqui, que na abcissa o fator 100 significa 1 segundo, tempo extremamente curto para obter a martensita exclusivamente.

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10-1 100 101 102 103 104 105 1060

100

200

300

400

500

600

700

800

Pf

Pi

Bi

Mi

Mf

Bf

MartensitaHRC 65 a 70

Bainita superiorHRC 40 a 50

Bainita inferiorHRC 50 a 60

Austenita

Diagrama TTT (temperatura-tempo-transformação)

Austenita

Perlita finaHRC 30 a 40

727 oC

Perlita grossaHRC 5 a 25

Tem

pera

tura

( o C)

Tempo (segundos)

Figura 2.35 – Diagrama TTT para o aço eutetóide. A figura que segue mostra os tratamentos térmicos de recozimento, normalização e têmpera ao óleo e à água, representados pelas curvas com letras A, B, C, D e E respectivamente. A seta na extremidade das curvas indica a “direção” do resfriamento. Tomando-se como exemplos os tratamentos térmicos de recozimento, curva com letra A e têmpera à água. Em ambos os casos parte-se da temperatura de 800 ºC.

10-1 100 101 102 103 104 105 1060

100

200

300

400

500

600

700

800

E

DC

BA

Pf

Pi

Bi

Mi

Mf

Bf

MartensitaHRC 65 a 70

Bainita superiorHRC 40 a 50

Bainita inferiorHRC 50 a 60

Austenita

Diagrama TTT (temperatura-tempo-transformação)

Austenita

Perlita finaHRC 30 a 40

727 oC

Perlita grossaHRC 5 a 25

Tem

pera

tura

( o C)

Tempo (segundos)

Figura 2.36 – Diagrama TTT para o aço eutetóide com tratamentos térmicos. No recozimento, o início da transformação da austenita em perlita ocorre a temperatura de 624 ºC em 300 segundos (5 minutos) e o fim da transformação

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ocorre a temperatura de 563 ºC em 1500 segundos (25 minutos). Na têmpera à água, o início da transformação da austenita em martensita ocorre a temperatura de 200 ºC em 2,3 segundos e o fim da transformação ocorre a temperatura de 100 ºC em 3,2 segundos. Considerando estas duas análises de resfriamento do aço pode-se concluir que, dependendo da espessura da peça, poderão ocorrer os dois resfriamentos ao mesmo tempo. Na superfície um resfriamento muito rápido produzindo a martensita e, no centro da peça, um resfriamento mais lento, produzindo perlitas. A figura abaixo representa esta situação. De qualquer forma, se for considerado um eixo, com diâmetro relativamente grande, poderá se encontrar vários tratamentos térmicos na sua massa partindo de um único tratamento térmico – a têmpera à água, isto é, mergulhando esta suposta peça na água resfriada e observando a secção transversal no microscópio, poderá se encontrar todos os constituintes descritos na figura 2,36 como martensita, bainita inferior, bainita superior, perlita fina e perlita grossa da superfície ao centro e conseqüentemente diferentes durezas. Mais duro na superfície e menos duro no centro.

10-1 100 101 102 103 104 105 1060

100

200

300

400

500

600

700

800

Superfície

Centro

E

A

Pf

Pi

Mi

MfMartensitaHRC 65 a 70

Austenita

Diagrama TTT (temperatura-tempo-transformação)

Austenita727 oC

Perlita grossaHRC 5 a 25

Tem

pera

tura

( o C)

Tempo (segundos)

Figura 2.37 – Diagrama TTT considerando a espessura da peça. Os diagramas TTT para os aços hipo-eutetóides e hiper-eutetóides variam ligeiramente em relação ao aço eutetóide em função dos constituientes ferrita e cementita. Conforme foi visto anteriormente, o aço eutetóide apresenta como constituinte primário a perlita unicamente quando resfriado lentamente. O aço hipo-eutetóide apresenta ferrita e perlita e o aço hiper-eutetóide apresenta perlita e cementita, considerando apenas resfriamento lento. As figuras abaixo mostram estes casos.

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10-1 100 101 102 103 104 105 1060

100

200

300

400

500

600

700

800 Austenita + Ferrita +

Austenita + Ferrita + Cementita

Pf

Pi

Mi

Mf

Fi

Martensita

Diagrama TTT (temperatura-tempo-transformação)Austenita

Perlita fina

727 oC

Perlita grossa

Tem

pera

tura

( o C)

Tempo (segundos)

Figura 2.38 – Diagrama TTT para o aço hipo-eutetóide.

10-1 100 101 102 103 104 105 1060

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

Austenita +Ferrita +Cementita +

Cementita

PfPi

Mi

Mf Martensita

Diagrama TTT (temperatura-tempo-transformação)

Austenita

Perlita fina

727 oC

Perlita grossa

Tem

pera

tura

( o C)

Tempo (segundos)

Figura 2.39 – Diagrama TTT para o aço hiper-eutetóide.

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Observando-se os diagramas TTT para os aços hipo-eutetóides e hiper-eutetóides verifica-se ainda que o aumento da concentração de carbono desloca a curva em C para a direita, retardando o início e o fim da transformação da perlita e também que a temperatura, tanto para o início quanto para o fim da transformação da martensita é diminuída. A figura abaixo mostra estas condições.

Figura 2.40 – Transformação da martensita em função da concentração de carbono. Outros fatores podem modificar a posição das linhas de início e de fim de transformação dos diagramas TTT. Além do carbono, os elementos de liga no aço também podem influenciar a posição das curvas. Com exceção do cobalto, os elementos de liga deslocam a curva para a direita, retardando as transformações. Em certos casos como em aços cementados com alto teor de carbono níquel ou cromo em teores variáveis, não se ter formação completa da martensita à temperatura ambiente pelo resfriamento comum em água, em virtude da linha Mf ficar localizada abaixo dessa temperatura.

10-1 100 101 102 103 104 105 1060

100

200

300

400

500

600

700

800

A + F F + C

Diagrama TTT (aço ABNT 4340)

Austenita

Austenita

Martensita

Mf

MiBf

Bi

727 oC

Tem

pera

tura

( o C)

Tempo (segundos)

Figura 2.41 – Diagrama TTT para o aço 4340. Nessas condições, tem-se à temperatura ambiente uma certa quantidade de austenita residual ou “austenita retida”. Isto pode produzir algumas conseqüências como a transformação destas em lugares muito frio, como por exemplo, equipamentos que para trabalhos em regiões do círculo polar. O aço ABNT 4340 é altamente temperável, visto que as curvas em C encontram-se

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1-100

0

100

200

300

400

500

Mi

Mf

Tem

pera

tura

( o C)

Concentração de carbono (%)

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posterior a 10 segundos. A figura acima mostra esta situação. O tamanho do grão da austenita e sua homogeneidade são outros dois fatores que afetam a posição das curvas de transformação. 2.6.1.6 – Tipos de tratamentos isotérmicos São os tratamentos de austêmpera e martêmpera.

Austêmpera A austêmpera é um processo de tratamento isotérmico dos aços, cujo objetivo é a obtenção de peças com alta tenacidade e resistência à fadiga, aliando uma boa dureza como o exigem, por exemplo, molas de qualquer natureza. Esse tratamento pode proporcionar melhores resultados do que a combinação de têmpera, seguido de revenimento. O processo caracteriza-se pela formação de uma microestrutura metalográfica constituída por bainita e apresenta, basicamente as seguintes etapas, conforme a figura 2.42:

• Aquecer até a temperatura de austenitização (posição 1). • Resfriar bruscamente em banho de sal fundido ou em óleo quente até a

temperatura de formação da bainita, ou seja, temperaturas entre 250 ºC a 400 ºC (posição 2).

• Manter a temperatura pelo tempo necessário até a completa transformação da austenita em bainita (transformação isotérmica).

• Resfriar até a temperatura ambiente (posição 3).

Para ficar mais claro o tratamento por austêmpera, segue o diagrama TTT.

10-1 100 101 102 103 104 105 1060

100

200

300

400

500

600

700

800

3

2

1Diagrama TTT (transformação da bainita inferior)

Austenita

Austenita

MartensitaHRC 65 a 70

Mf

Mi

BfBi

Pf

Pi

Bainita inferiorHRC 50 a 60

Bainita superiorHRC 40 a 50

Perlita finaHRC 30 a 40

727 oC

Perlita grossaHRC 5 a 25

Tem

pera

tura

( o C)

Tempo (segundos)

Figura 2.42 – Austêmpera. A austêmpera pode produzir 3 tipos de bainita que são: bainita inferior, bainita superior e bainita isenta de carbono ou ferrita acicular.

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A bainita inferior possui grande semelhança com a martensita. A principal diferença entre ambas está na presença de carbonetos, cuja forma e distribuição depende muito do teor de carbono do aço. Típica da bainita inferior é a distribuição ordenada de “bastonetes” de carbonetos que, se alinham com ângulos de 50º a 60º em relação ao eixo das agulhas de bainita. Provavelmente estes carbonetos são inicialmente segregados como carbonetos, dando origem à formação de Fe3C à medida que a transformação bainítica progride, enquanto que a característica principal da bainita superior é a presença de placas longas de ferrita, paralelas a carbonetos alongados que somente são visíveis através de microscopia eletrônica. Na bainita superior a microestrutura metalográfica é similar à da perlita, porém apresenta menor regularidade geométrica do que esta e pode, ainda, apresentar imagens bastante variadas em função da maior ou menor presença de carbono e elementos de liga no aço. Diferenciar a microestrutura metalográfica da bainita superior daquela da perlita fina, por meio de microscopia óptica, é praticamente impossível. Por microscopia eletrônica, percebe-se que a ferrita da bainita superior apresenta maior densidade de discordâncias do que aquela apresentada pela ferrita contida na perlita. Observada num microscópio eletrônico, a ferrita acicular ou bainita isenta de carbono é sempre acompanhada por uma “esponja” de austenita retida e uma leve segregação de carbonetos. As agulhas são longas, estendem-se, às vezes, através de todo o comprimento dos grãos e partem, normalmente, dos contornos dos grãos originais de austenita. As propriedades das peças austemperadas poderão ser melhores compreendidas quando comparadas àquelas obtidas por peças do mesmo aço, temperadas e revenidas. A título de exemplo, toma-se um corpo de prova ∅ 10 x 100mm, de aço ABNT 5160, submetido aos seguintes tratamentos térmicos :

TR ____ têmpera + revenido...

830 ºC óleo 460 ºC

AT ____ austêmpera...............

830 ºC 320ºC ar

Os resultados dos ensaios mecânicos realizados encontram-se descritos no quadro abaixo. Propriedades mecânicas de um aço para molas submetidos aos tratamentos térmicos TR e AT.

PROPRIEDADES TR AT limite de resistência (MPa) 1.530 1.590 limite de escoamento (MPa) 1.400 1.210 alongamento (%) 4,8 8,2 estricção (%) 9,5 36,0 resistência ao impacto (J/cm2) 38 a 43 72 a 76 resistência à fadiga (ciclos) 8.150 17.060

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Analisando-se estes dados percebe-se que, mesmo apresentando um limite de resistência superior ao das peças temperadas e revenidas, as peças austemperadas alcançam valores significativamente maiores de alongamento, estricção e resistência ao impacto. Já, o limite de escoamento das peças austemperadas é consideravelmente menor que o alcançado pelas peças temperadas e revenidas, o que não pode ser desprezado ao dimensionar-se qualquer elemento de máquina. Quanto à resistência à fadiga por flexões alternadas, a austêmpera apresenta vantagens significativas, mesmo que as peças apresentem regiões com grandes concentrações de tensões como, por exemplo, entalhes, furações, variações geométricas abruptas, etc. Uma aplicação vantajosa da austêmpera é aplicá-la a aços que apresentem tendência à fragilidade de revenido, ou seja, aços ligados com Cr e/ou Mo que, após a têmpera devam ser revenidos entre 350 ºC e 500 ºC. A formação da bainita, entre 280 ºC e 350 ºC, permite que se alcance a dureza desejada, evitando-se o intervalo crítico de fragilização. Evidentemente, a austêmpera tem suas limitações. As excelentes propriedades de resistência à fadiga por flexões alternadas e tenacidade, obtidas pela austêmpera, limitam-se ao intervalo de durezas entre 40 e 50 HRC. Quando a dureza necessária for inferior a 40 HRC, a têmpera e o revenimento proporcionarão melhores resultados. Tanto a profundidade endurecida, quanto a dureza alcançada pela austêmpera são inferiores àquelas possíveis de serem obtidas pelo tratamento de têmpera e revenido. Por esta razão, os aços-carbono utilizados para a austêmpera devem conter um teor de carbono mínimo de 0,5% e, as peças tratadas não devem ser mais espessas do que 3mm. Para peças maiores é aconselhável escolherem-se aços com teores de manganês e cromo mais elevados. A austêmpera requer rígido controle da qualidade do aço e dos parâmetros (tempos e temperatura) do tratamento térmico. Pequenas variações no teor de cromo, por exemplo, podem aumentar ou diminuir significativamente o tempo necessário à transformação isotérmica. A temperatura de transformação isotérmica precisa ser cuidadosamente mantida. Se a dureza final desejada estiver abaixo daquela obtida após a austêmpera, deve-se retratar o lote pois, caso seja realizado um simples revenimento, ocorrerão alterações indesejadas na microestrutura metalográfica que, determinarão uma queda significativa da tenacidade e da resistência à fadiga das peças, no campo. Evidentemente, o mesmo raciocínio é válido para peças que sejam resfriadas muito depois, ou muito antes, do tempo correto para a transformação isotérmica. A austêmpera aplica-se com sucesso a todos os tipos de molas, pois requerem alta resistência à fadiga e, normalmente, suas durezas encontram-se na faixa de 40 a 50HRC. Peças que necessitem de elevada resistência à tração e tenacidade como, por exemplo, fechos de cintos de segurança, pás de pedreiros,

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componentes de fechaduras, alavancas para máquinas de escrever, elos para determinadas correntes de transporte de ração animal, etc. podem ser austemperadas com sucesso. Genericamente, pode-se afirmar que elementos de máquinas sujeitos a esforços de fadiga, onde a vida útil é um fator decisivo e a geometria favorece a concentração de tensões localizadas podem ser submetidas ao tratamento de austêmpera. Antes, porém, de tomar-se a decisão de substituir um tratamento térmico de têmpera e revenido por austêmpera, deve-se realizar alguns ensaios mecânicos, pois a microestrutura bainítica, apesar de oferecer praticamente os mesmos valores de resistência à tração (e, portanto, de dureza) que a microestrutura martensítica, apresenta menor limite de escoamento. Quase sempre é possível compensar-se esta diferença através da seleção de uma dureza mais alta para as peças austemperadas. A transformação isotérmica necessária à obtenção de uma microestrutura metalográfica bainítica é normalmente realizada em leitos fluidizados ou em banhos de sais fundidos, constituídos por uma mistura de nitretos e nitritos alcalinos. Características físicas dos sais Durferrit. Tipo de Sal

Temperatura de Fusão (ºC)

Temperatura de Trabalho (ºC)

Densidade Calor Específico Médio

Calor Latente de Fusão ( J/g)

Min. Máx. (g/cm2) a ºC (J/g.ºC) entre 20ºC e

AS 140 140 160 550 1,8 300 1,43 200ºC 256 AS 220 220 250 550 1,8 400 1,18 350ºC 310 AS 235 235 280 550 1,8 400 1,47 400ºC 293

Os fornos que contém estes banhos de sais podem ser estacionários ou contínuos, sendo equipados com sistemas de aquecimento elétrico, trocadores de calor, recirculadores e a automação necessária à manutenção de uma temperatura constante para a transformação isotérmica, em função do volume de produção.

Martêmpera A martêmpera é um tipo de tratamento indicado para aços-liga porque reduz o risco de empenamento das peças. A peça é aquecida acima da zona crítica para se obter a austenita (posição 1), conforme mostra a figura 2.43, e depois é resfriada em duas etapas. Na primeira, a peça é mergulhada num banho de sal fundido ou óleo quente, com temperatura um pouco acima da linha Mi (posição 2). Mantém-se a peça nessa temperatura por certo tempo, tendo-se o cuidado de não cortar a primeira curva (posição 3). A segunda etapa é a do resfriamento final, ao ar, em temperatura ambiente (posição 4).

A martensita obtida apresenta-se uniforme e homogênea, diminuindo riscos de trincas. Após a martêmpera é necessário submeter a peça a revenimento. A martêmpera proporciona as mesmas propriedades que a têmpera e o revenido, porém as tensões resultantes do processo são mais facilmente eliminadas. O

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processo é ilustrado no diagrama seguinte.

10-1 100 101 102 103 104 105 1060

100

200

300

400

500

600

700

800

4

32

1Diagrama TTT (transformação da martensita)

Austenita

Austenita

MartensitaHRC 65 a 70

Mf

Mi

BfBi

Pf

Pi

Bainita inferiorHRC 50 a 60

Bainita superiorHRC 40 a 50

Perlita finaHRC 30 a 40

727 oC

Perlita grossaHRC 5 a 25

Tem

pera

tura

( o C)

Tempo (segundos)

Figura 2.43 – Martêmpera. 2.6.2 - TRATAMENTOS DE SUPERFÍCIES Na secção anterior foram abordados, exclusivamente, os tratamentos térmicos que produzem modificações nos constituintes primários das ligas ferrosas (aços e ferros fundidos) sem alterar a composição química. Entretanto há o tratamento térmico-químico que pode ser produzido nas superfícies destas ligas como cementação, nitretação, cianitretação, ferroxidação e outros que, por sua vez, produzem modificações parciais em sua composição química para melhorar as propriedades de suas superfícies. Isto leva dúvida se os tratamentos térmico-químicos devem situar-se na secção de tratamentos térmicos ou, se devem se situar na secção de tratamentos de superfície. Quando se trata de pintura, não há dúvida qualquer que é um tratamento de superfície de revestimento, mas, além da pintura, existem os processos de revestimentos metálicos, denominados também de metalização como a galvanização (zincagem), cromagem, estanhagem, deposição de ouro e etc. Alguns destes revestimentos podem ser feitos à frio ou à quente, característica dos tratamentos térmicos. Em virtude disto, optou-se em classificar os tratamentos térmico-químicos ou termoquímicos como tratamento de superfície, não podendo ser regra, mas sim, aconselhamento. Em virtude da explanação feita acima, pode-se generalizar tratamento superficial os tratamentos que objetivam melhorar o aspecto do material utilizado, protegê-lo contra possíveis agressões do meio que o cerca como a corrosão e também aumentar a resistência ao desgaste elevando a dureza da superfície. Pode-se definir por corrosão como a destruição dos metais devido as suas reações químicas eletroquímicas em um meio corrosivo. O meio corrosivo pode ser o próprio ambiente em que se encontra o metal como o solo, o qual pode apresentar características ácidas ou básicas, a água que pode conter sais

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minerais, eventualmente ácidos ou básicos e o ar que contém umidade e sais em suspensão. Uma das formas de combater a corrosão consiste em evitar o contato do metal com o meio corrosivo, por exemplo, recobrir o metal com substâncias orgânicas como óleo de peroba, de mamona, cera de carnaúba, cera de abelha, óleo mineral ou através de substâncias inorgânicas como fosfatos, nitratos, fluoretos. No caso de substâncias orgânicas, a proteção geralmente tem durabilidade baixa, enquanto que a proteção oferecida por substâncias inorgânica durabilidade maior. Em relação ao aumento da dureza na superfície os tratamentos térmico-químicos que promovem uma modificação parcial na composição química do metal como aumento do teor de carbono, de nitrogênio e cromo são mais eficientes para o aumento da resistência ao desgaste. Em virtude da complexidade deste tema, serão classificados os tratamentos superficiais em dois tipos de tratamentos: tratamentos para aumentar a resistência ao desgaste ou tratamentos termo-químicos e tratamentos de proteção contra à corrosão ou tratamentos de revestimentos, lembrando que as aplicações destes podem ser mútuos. Antes de se efetuar os tratamentos classificados acima, deve-se limpar e preparar adequadamente a superfície. Para isso, dependendo do caso, pode-se utilizar as seguintes técnicas:

• Detergência: uso de reativos químicos, como alcalinos pesados ou médios (depende de seu PH). Os mais comuns são sais sódicos, entre eles, os fosfatos, carbonatos, hidróxidos e os silicatos;

• Solubilização: uso de solventes, aplicados pelos processos de desengraxamento por vapor, associado a um jato de solvente, associado à imersão a quente ou vapor ou, líquido/vapor;

• Ação química: decapagem ácida, que remove a casca de óxidos, hidróxidos, sulfetos, etc., ou a decapagem alcalina, que utilizam ácidos orgânicos como acéticos, cítricos, oxálicos, tartáricos, etc;

• Ação mecânica: atividade abrasiva por meio de lixas, raspadeiras, lixadeiras, politrizes, etc, ou limpeza a jato (mais eficiente).

2.6.2.1 - Tratamentos termo-químicos Na indústria é utilizada uma multiplicidade de tratamentos termo-químicos que se diferenciam pelos elementos que se difundem, pelo tipo e composição do meio externo, pelos processos químicos, pelas técnicas de execução e outras características. De maneira geral os processos termo-químicos consistem em submeter as peças ao calor em um meio apropriado, sendo estes dois fatores , os responsáveis pela alteração da composição química superficial, além do fator tempo de processo, que será responsável pela profundidade até a qual esta alteração se efetuará. O objetivo principal destes tratamentos é aumentar a dureza e a resistência ao desgaste superficial, ao mesmo tempo em que se mantém dúctil e tenaz o núcleo do material. Essa possibilidade de se aliar uma superfície dura com um núcleo mais mole e tenaz é de grande importância em inúmeras aplicações, sobre

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tudo porque, pelo emprego de aços com elementos de liga, pode-se conseguir núcleo de elevada resistência e tenacidade, com superfície extremamente dura, resultando num material capaz de suportar em alto grau certos tipos de tensões. Dependendo do estado de agregação do meio externo no qual se introduz a peça que esta sendo tratada, diferenciam-se os tratamentos termo-químicos em meio sólido, líquido e gasoso. Os átomos do elemento difusor ingressam da substância sólida, diretamente pelos locais de seus contatos com a superfície da peça. Este processo é pouco efetivo e pouco utilizado. Geralmente o meio sólido é utilizado para produzir um gás ativo ou fase gasosa, da qual os átomos ingressam na peça. Por exemplo, na cementação os átomos de carbono do carburante sólido (carvão vegetal) que difundem no aço formam-se do óxido de carbono,

22 COCCO +→ , é necessário apenas para a formação da fase gasosa. Outro exemplo é a crometação por difusão no meio “sólido”, quando a peça é empacotada no pó de cromo ou liga ferro-cromo. Com o aquecimento, o cromo vaporiza e seus átomos ingressam na peça, principalmente da fase gasosa, e não nos locais de contato direto do pó com a superfície da peça. No tratamento termo-químico em meio líquido, os átomos do elemento difusor na peça, formam-se como resultado de reações químicas no sal fundido (por exemplo, no NaCN durante a cianetação). No tratamento termo-químico em meio gasoso, o elemento difusor forma-se como resultado das reações de dissociação 24 2HCCH +→ , dispersão

22 COCCO +→ , troca 22 FeClCrFeCrCl +→+ ou reconstituição HClVHVCl 222 +→+ .

O meio gasoso e a fase gasosa ativa, que se formam com o aquecimento da peça no meio sólido, servem, nos processos industriais, como os fornecedores dos elementos dos átomos que enriquecem as camadas superficiais das peças. Para o tratamento termo-químico é mais conveniente o meio gasoso puro: sua composição é fácil de controlar, é aquecido rapidamente até a temperatura desejada, permite mecanizar e automatizar completamente o processo e realizar imediatamente a têmpera (sem repetição de aquecimento). Os exemplos citados mostram que a classificação dos métodos de tratamento termo-químicos pelo estado de agregação do meio no qual a peça é introduzida, nem sempre coincide com a essência físico-química do processo de tratamento. Baseando-se nas características físico-químicas da fase ativa que fornece o elemento difusor, G. N. Dubinin propôs os seguintes métodos de classificação dos tratamentos termo-químicos: saturação da fase sólida, saturação da fase vaporizada, saturação da fase gasosa e saturação da fase líquida. De acordo com essa classificação, a cementação do aço no carburante sólido deve se relacionar com o método de saturação da fase gasosa, e crometação por difusão no cromo pulverizado com o método de saturação da fase vaporizada.

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Pela característica da variação da composição química da peça tratada todas as variedades de tratamentos termo-químicos podem ser divididas em três grupos: saturação com não-metais por difusão, saturação com metais por difusão e remoção dos elementos por difusão. Estes grupos incluem os diversos processos industriais de tratamento termo-químico como pode ser visto no quadro abaixo. Variedades de tratamento termo-químico. Saturação com não-metais por difusão

Saturação com metais por difusão

Remoção de elementos por difusão

Carbonetação(cementação) Aluminetação Desidrogenação Nitretação Crometação por difusão Desoxidação Cianetação Cromocalorização Descarbonetaçã

o Nitrocementação Galvanização por difusão Remoção de

conjunto de impurezas

Boretação Cupretação por difusão Silicietação Titanetação Sulfetação Beliretação Sulfocianetação Vanadetação Saturação de oxigênio* Oxigenação interna * * Saturação de oxigênio é superficial, e oxigenação interna é a saturação de todo o volume da peça com oxigênio com o objetivo de formação de óxidos dispersos. A superfície do aço, saturada em carbono e nitrogênio, ou simultaneamente com estes dois elementos, é o processo de tratamento termo-químico mais amplamente usado. O carbono e o nitrogênio se solubilizam intersticialmente no ferro, e por isso podem difundir rapidamente a uma profundidade significativa. Os meios ativos contendo estes elementos são baratos, e as fases que se formam com a participação do carbono e do nitrogênio no processo de saturação, ou com posterior tratamento térmico, modificam bruscamente as propriedades mecânicas e físico-químicas do aço.

Nitretação A nitretação é um processo de endurecimento superficial em que se introduz superficialmente no aço, até uma certa profundidade, nitrogênio, sob a ação de um meio nitrogenoso, a uma determinada temperatura. A nitretação é realizada com os seguintes objetivos: - Obtenção de elevada dureza superficial. - Aumento da resistência ao desgaste e escoriação. - Baixo coeficiente de atrito. - Aumento da resistência à fadiga. - Melhora da resistência à corrosão e à oxidação.

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Algumas características do processo são: - A temperatura de tratamento é inferior à crítica (500 ºC a 570 ºC), o que leva a menores distorções dimensionais e empenamentos nas peças. - Não há necessidade de qualquer tratamento térmico posterior a nitretação. - Não modifica as características mecânicas do núcleo obtidas por têmpera e revenido, desde que este último tenha sido executado a uma temperatura em torno de 30 ºC acima da temperatura de nitretação. - Como as temperaturas são relativamente baixas não há aumento significativo do tamanho de grão. O entendimento do processo requer um adequado conhecimento do sistema ferro-nitrogênio e por isto há necessidade de analisar o diagrama de equilíbrio Fe-N, em termos de identificação das diferentes fases.

0 2 4 6 8 10 12 14 160

100

200

300

400

500

600

700

800

900

4,5%2,8%

11,1% 11,35%8,25%

Fe2N

6,2%5,7%

Fe4N

650 oC

0,1% 2,35%

650 oC

590 oC

490 oC

ζ

α + γ'

γ' + ε

ε

γ'

γ

α

Tem

pera

tura

( o C)

Concentração de nitrogênio (%)

Figura 2.44 - Diagrama de equilíbrio Fe-N.

A fase α é constituída de uma solução sólida de nitrogênio no ferro com um limite máximo de solubilidade próxima de 0,1%. A fase γ é constituída de uma solução de nitrogênio no ferro γ e tem estrutura CFC da austenita, figura 2.45. É estável acima de 590 ºC e pode conter até um máximo de cerca de 3 % de nitrogênio. A fase γ’ é constituída de Fe4N (composto não estequiométrico, composição teórica 5,7% a 6,2% de nitrogênio) de reticulado CFC; estável até 680 ºC. O eutetóide α - γ’ ocorre à temperatura de 590 ºC.

Figura 2.45 – Célula unitária da fase γ’.

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A fase ε (Fe2-3N) tem estrutura hexagonal compacta, 2.46, e pode conter uma quantidade de nitrogênio bastante variável. Quando o nitrogênio alcança a concentração de 11,1% a 11,35% se transforma na fase ξ (Fe2-3N). A nitretação acima de 590 ºC forma camadas duras, mas extremamente frágeis, sendo que o processo acima desta temperatura tem aplicação industrial restrita. Isto se deve a formação do constituinte eutetóide denominado braunita

com 2,35% de nitrogênio, sendo Fe α + Fe4N. A nitretação abaixo de 590 ºC forma microconstituintes muito finos, dispersos e difíceis de se observar ao microscópio ótico. Resumindo, a formação da camada de nitretos de ferro durante a nitretação, nas temperaturas usadas industrialmente, em função do aumento do teor de nitrogênio na peça será:

Figura 2.46 – Célula unitária da fase ε. - Até o valor de 0,1% de N, a temperatura de 590 ºC, limite de solubilidade do N no ferro, tem-se a fase α; - Acima de 0,1% começa a se formar a fase γ’ em contornos de grãos e ao longo de certos planos cristalográficos, até o valor de 6,2% de nitrogênio; - Para teores acima de 6,2 % a fase γ’ começa a se transformar na fase ε; - Entre 11,1 e 11,35% forma-se a fase ξ, mas que só é estável abaixo de 450 ºC, portanto raramente é observada. Os aços utilizados para nitretação podem conter elementos de liga como Al, Ti, Cr, Mo e V. O alumínio e o titânio promovem a maior dureza da camada nitretada, seguidos pelo Cr, Mo e V. O aumento de dureza conferido por estes elementos é devido à formação de seus respectivos nitretos (AlN, TiN, CrN, MoN e VN) em planos preferenciais da ferrita 0,0,1. A profundidade da camada nitretada decresce com o aumento dos teores dos elementos de liga. O Al e o Ti, que possuem a maior influência na dureza, também tem o maior efeito na redução da na espessura da camada nitretada, quando seus teores são elevados. Esses elementos de liga, principalmente Al, Ti e o Cr, possuem alta afinidade química com o nitrogênio, e quando estão presentes em teores elevados, reduzem o teor de nitrogênio livre para a zona de difusão, através da formação da camada branca. O carbono é um elemento comum nos aços, e sendo intersticial como o nitrogênio, possui uma forte influência na formação da fase ε e γ’. Na presença de carbono, a fase ε é na realidade um carbonitreto de composição variável entre o Fe3(CN) e o Fe2(CN). Um outro fenômeno importante durante a nitretação, é a transformação de carbonetos em nitretos. Isto pode ser entendido considerando-se as energias de Gibbs para carbonetos e nitretos. Para o cromo, por exemplo, o ∆Gº do Cr2N é menor do que o ∆Gº do Cr7C3. É de se esperar, portanto, que

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durante o processo de nitretação os carbonetos de cromo se desestabilizem para formar nitretos de cromo, e o carbono livre se difunde para o lado de menor potencial químico, formando CrFe3C nos contornos de grão da ferrita e não Fe3C isento de cromo, indicando que o potencial químico do CrFe3C é mais baixo do que o da cementita, Fe3C. Assim, pode-se se esperar que o carbono dificulte a difusão do nitrogênio para a zona de difusão. Como os aços empregados para a nitretação são temperados e revenidos entre 550 ºC e 650 ºC, ocorre a precipitação e crescimento de carbonetos, preferencialmente em contornos de grão durante o revenimento. Como a difusão do nitrogênio é muito mais rápida pelos contornos de grão, estes precipitados dificultam a difusão deste. Por outro lado a temperatura de revenimento deve ser acima da temperatura de nitretação para minimizar erros dimensionais que possam vir a ocorrer devido à precipitação de carbonetos durante a nitretação. Os aços especiais para a nitretação, além de teores relativamente elevados de carbono, contêm, como já vimos, alumínio, cromo, molibdênio e ainda o níquel. Os teores usuais destes elementos nos aços para nitretação são os seguintes: - Carbono: 0,30 a 0,45% - confere ao aço não só temperabilidade como também suporte adequado à camada nitretada extremamente dura e muito fina; - Alumínio: 0,85 a 1,20% e Cromo: 0,90 a 1,80% - são elementos que formam nitretos de elevada dureza; - Molibdênio: 0,15 a 0,45% - diminui a fragilidade de revenido que pode ocorrer durante a nitretação, em função das temperaturas usadas; - Níquel: normalmente ausente, é adicionado em teores de 3,25 a 3,75%, quando de deseja um núcleo de dureza mais elevada. Os aços para nitretação, contendo como elementos de ligas fundamentais como cromo e o alumínio são conhecidos como Nitralloy, sendo que apresentam, após a nitretação, a camada superficial mais dura e o núcleo de resistência mecânica mais adequada. Além destes aços especialmente desenvolvidos para a nitretação, outros tipos de aços podem ser submetidos à nitretação, desde aços comuns ao carbono, aços com altos teores de elementos de liga, como os aços para matrizes e inoxidáveis. O resultado obtido em um determinado tipo de aço, em termos das características específicas da camada de nitretos formada, vai depender ainda do processo de nitretação utilizado, sendo normalmente, um deles o mais apropriado para uma determinada classe de aços. A nitretação pode ser realizada por três processos: nitretação a gás, nitretação líquida ou em banho de sal e nitretação por plasma ou iônica, sendo este último, objeto de estudo nos últimos 10 anos em virtude de ser menos poluente, por formar camada nitretada com espessura e composição bem definida e por obter ótimos resultados com menor custo. Nitretação a gás - Este é o processo clássico, consistindo em submeter as peças a serem nitretadas à ação de um meio gasoso contendo nitrogênio, geralmente amônia (NH3), a uma temperatura determinada, entre 500 e 570 ºC. Neste processo a difusão do nitrogênio é muito lenta, de modo que a operação é muito demorada, durando às vezes até 90 horas. Geralmente o tempo varia de 48 a 72 horas. Mesmo com tempos mais longos a espessura da camada nitretada é inferior à da camada cementada, dificilmente ultrapassando 0,8 mm.

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Industrialmente, requer-se aços ligados para a nitretação gasosa, com elementos de liga formadores de nitreto. De modo geral, não se nitreta aços comuns por este processo, pois em princípio, não há vantagem em se nitretar aços comuns (baixo carbono), pois o nitreto de ferro que se forma, apesar de ser duro, é muito frágil.

-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100-0,1

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

Prof

undi

dade

nitr

etad

a (m

m)

Tempo (horas)

Figura 2.47 – Influência do tempo de nitretação a gás sobre a espessura da camada nitretada.

Nitretação líquida - Trata-se de um processo de nitretação que permite, em tempos muito mais curtos que a nitretação gasosas, obter superfícies muito resistentes ao desgaste, sem tendência ao engripamento, de alto limite de fadiga e elevada resistência à corrosão atmosférica. Além disso, ao contrário da nitretação a gás que exige aços especiais para a obtenção de melhores resultados, a nitretação líquida pode ser realizada em aços comuns, de baixo carbono, como o ABNT 1045. A faixa de temperatura é aproximadamente a mesma que é utilizada na nitretação a gás, 500 a 575 ºC. O meio líquido utilizado é cianeto fundido, como na cementação líquida, no entanto a nitretação adiciona muito mais nitrogênio que carbono à superfície das peças. Um banho comercial típico para nitretação líquida é constituído de uma mistura de sais de sódio e potássio, os primeiros de 60 a 70% em peso da mistura total e os segundos de 30 a 40%. Os sais de sódio consistem de: - 96,5% NaCN (cianeto de sódio); - 2,5% Na2CO3 (carbonato de sódio); - 0,5% NaCNO (cianato de sódio).

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Os sais de potássio consistem de: - 96,0% KCN (cianeto de potássio); - 0,6% K2CO3 (carbonato de potássio); - 0,75% KCNO (cianato de potássio); - 0,5% KCl (cloreto de potássio) A relação entre cianeto e cianato é crítica, sendo o cianato o principal responsável pela nitretação. Nas temperaturas de nitretação o cianato decompõe-se, liberando carbono e nitrogênio, entretanto nestas temperaturas o nitrogênio se difunde mais que o carbono, resultando nitretos em maior quantidade que carbonetos na camada branca (ou faixa de compostos) que pode atingir deste 5 a 15 mm, conforme o tempo de operação, que pode variar de 1 a 3 horas. A figura que segue mostra a profundidade de nitretação para alguns aços submetidos à nitretação líquida a 570 ºC. O efeito do nitrogênio na camada de difusão depende do tipo do aço: nos aços comuns, forma segregações aciculares de Fe4N, que não interferem na dureza; nos aços ligados com Cr, Al, W, V ou outros elementos formadores de nitretos especiais, ocorre um considerável aumento de dureza, devido à precipitação de partículas muito finas destes nitretos. O efeito mais importante da zona de difusão é o de aumentar consideravelmente a resistência à fadiga, atribuída ao fato dos nitretos formados nesta zona bloquearem as deformações dos cristais de ferro, elevando seu limite de escoamento e, portanto, seu limite de fadiga. Depois do tratamento resfria-se ao ar ou em salmoura com o objetivo de manter o nitrogênio em solução, para garantir alto limite de fadiga.

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Tempo (horas)

Figura 2.48 – Profundidade de penetração da camada nitretada em alguns aços, submetidos ao processo líquido.

O efeito do nitrogênio na camada de difusão depende do tipo do aço: nos aços comuns, forma segregações aciculares de Fe4N, que não interferem na dureza; nos aços ligados com Cr, Al, W, V ou outros elementos formadores de

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nitretos especiais, ocorre um considerável aumento de dureza, devido à precipitação de partículas muito finas destes nitretos. O efeito mais importante da zona de difusão é o de aumentar consideravelmente a resistência à fadiga, atribuída ao fato dos nitretos formados nesta zona bloquearem as deformações dos cristais de ferro, elevando seu limite de escoamento e, portanto, seu limite de fadiga. Depois do tratamento resfria-se ao ar ou em salmoura com o objetivo de manter o nitrogênio em solução, para garantir alto limite de fadiga. Nitretação iônica - A aplicação de uma tensão contínua entre dois eletrodos, mantidos em uma atmosfera gasosa, permite a obtenção de um gás ionizado, também chamado de plasma. O plasma é composto de elétrons, íons e partículas neutras, no estado fundamental ou excitado. O tratamento consiste basicamente em submeter uma mistura de gases (N2 ou N2 + CH4) em uma câmara hermeticamente fechada, a uma tensão elétrica entre dois pólos, negativo

(cátodo) e positivo (ânodo). As peças ficam presas ao cátodo, conforme mostra o esquema abaixo. Neste ambiente são monitoradas as variáveis do processo como pressão do gás, os regimes de descarga, dependendo da relação entre tensão e corrente, e temperatura. O cátodo é totalmente envolvido pelo plasma, promovendo um tratamento uniforme em toda a peça, o que não acontece em outros regimes de descarga.

Figura 2.49 – Esquema do reator iônico. Na nitretação por plasma, o importante é a queda de tensão catódica, já que a peça a ser nitretada é o cátodo. Esta queda de tensão provoca uma aceleração dos íons N+ a partir da região luminescente em direção ao cátodo. Na região da bainha ocorre então, colisões entre os íons acelerados e moléculas, com transferência de carga e energia cinética. O número de colisões é diretamente proporcional a pressão de N2 no reator, tendo em vista que o livre caminho médio diminui com a pressão. Quando o número de colisões atinge um valor suficientemente alto, as energias dos íons e moléculas se tornam iguais, estabelecendo-se um equilíbrio térmico na bainha catódica. Nestas condições de equilíbrio o aquecimento da peça é provocado igualmente pelas colisões de moléculas e íons e, portanto, a temperatura da peça é igual a temperatura do gás. O bombardeamento de uma superfície por íons, moléculas ou átomos, produz um efeito físico, independente do gás utilizado, que tem um pronunciado efeito sobre a cinética de nucleação e crescimento do filme depositado, além de um efeito químico, que depende da reatividade do gás utilizado, com o substrato. Quando estas espécies colidem com a superfície do substrato (cátodo), podem ocorrer os seguintes eventos: - O íon incidente pode ser implantado na rede cristalina do substrato: Implantação iônica;

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- Reflexão do íon a partir da superfície e posterior neutralização; - Emissão de elétrons secundários, os quais são acelerados na bainha catódica pelo campo elétrico, contribuindo para a manutenção da descarga; - Reações químicas entre o gás da descarga e o material do substrato; - Ejeção de átomos do substrato (sputtering); - Rearranjos de ordem microestrutural no interior do material, aumentando sua densidade de defeitos, como, por exemplo, vazios. As colisões de elétrons com moléculas do gás podem provocar dissociação, excitação e ionização, formando espécies que reagem como substrato. As principais espécies reativas em um plasma de N2 são: N, N*, N2*, N+

e N2+ , e no caso de um plasma N2 + H2, podem surgir, ainda, espécies do tipo Ni

+ Hj, além das espécies correspondentes ao hidrogênio. Os mecanismos de nitretação por plasma propostos são vários. Em função dos vários modelos, é admitido atualmente, que o fato mais importante na nitretação por plasma, é a formação de espécies reativas de nitrogênio, na forma atômica ou molecular, no estado excitado e também NHj ou NHj

+ em misturas 22 H N + com energia potencial suficiente para a formação de nitretos de ferro. A

vantagem de usar hidrogênio na mistura é função de seu potencial redutor, além de propiciar uma ionização maior e, portanto, uma melhoria na eficiência do processo. O modelo de mecanismo de nitretação sugerido por Kobel e Edenhoffer propõe que os átomos de ferro são arrancados da superfície por bombardeamento iônico e combinam com o nitrogênio atômico no plasma, formando o composto FeN que se deposita por retro-difusão na superfície da peça. Este composto é instável entre 350 e 600 ºC, e se dissocia, liberando nitrogênio atômico que se difunde no reticulado cristalino do ferro, ocupando posições intersticiais ou pelos contornos de grãos, formando nitretos estáveis como Fe2-3N ou Fe4N. Em termos práticos a nitretação por plasma consiste em aplicar-se uma diferença de potencial de 500 a 1000 VDC entre dois eletrodos, em uma atmosfera de 22 H N + em baixa pressão (4 Torr). As peças a serem nitretadas são colocadas no cátodo. Devido a diferença de potencial e à baixa pressão no reator, a mistura gasosa se ioniza e os íons formados são acelerados contra as peças e as colisões promovendo seu aquecimento. As diversas espécies reativas de nitrogênio (com potencial nitretante), formadas no plasma, combinam-se com o ferro e elementos de liga presentes na peça promovendo a formação da camada nitretada. As diferentes fases de nitretos que se formarão dependerão das condições adotadas. A espessura da camada branca varia de 5 a 25 µm e a de difusão pode se aproximar de 1,0 mm para tempos longos. Este processo pode ser aplicado em todos os tipos de aços, sendo de grande importância para os aços sinterizados. As vantagens da nitretação por plasma, frente aos outros processos de nitretação, podem ser resumidas citando-se os seguintes aspectos: - Possui uma maior taxa de crescimento de camadas, o que permite reduzir-se o tempo e a temperatura do processo, o que o torna mais econômico; - Permite nitretar apenas as áreas desejadas em uma mesma peça;

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- Permite escolher o tipo de fase da camada nitretada pela adequada escolha dos parâmetros operacionais; - Apresenta ótima repetibilidade de resultados; - É um processo não poluente, por não produzir resíduos tóxicos.

Cementação Em parágrafos anteriores foram citadas várias vezes a cementação. É um dos tratamentos térmico-químicos realizados com freqüência. A cementação está baseada nas propriedades do ferro que, em altas temperaturas de 800 ºC a 950 ºC, quando o ferro apresenta-se com estrutura CFC, absorve o carbono em processo de saturação a camada superficial dos aços de baixo carbono. A camada superficial, saturada de carbono, chama-se camada cementada. A finalidade da cementação é elevar a dureza e a tenacidade da peça para depois

sofrer a têmpera, mantendo ao mesmo tempo o núcleo dúctil. São cementadas as peças de aço com baixo teor de carbono (algumas vezes também de aços ligas) que contém de 0,1% a 0,2% de carbono e que são submetidas

simultaneamente durante ao trabalho ao desgaste e as cargas dinâmicas.

Figura 2.50 – Profundidade da camada cementada em aço de baixo carbono. Dependendo das condições e solicitações de trabalho da peça, a profundidade da camada cementada pode variar de 0,5 mm até 2,0 mm ou mais. O processo de cementação pode ser efetuado em um meio sólido, líquido ou gasoso. No meio sólido normalmente utiliza-se carvão vegetal ou coque com adições especiais de carbono de bário. Em meio líquido faz-se por meio de sais fundidos, e em meio gasoso, o gasogênio, que é produto da decomposição do petróleo, como querosene, os óleos etc. O meio em que é efetuado a cementação chama-se carburizador. Cementação sólida - A composição do carburizador contém geralmente a seguinte composição: 20 a 25% em peso de carbonato de bário, de 3,5 até 5,5% de carbonato de sódio e o restante de carvão vegetal. Posteriormente, a peça é levada ao forno a uma temperatura em torno de 930 ºC, durante o tempo necessário para obtenção da camada desejada. O tempo de permanência no forno pode variar de um a trinta horas, depois, submete-se a peça à têmpera para obter a dureza desejada.

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Cementação líquida - Neste processo, efetua-se a cementação mergulhando a peça em sais fundidos de cianeto ou carbonatos que contém carbono em suspensão em 5 a 10%. Este processo transcorre à temperatura de 870 a 900 ºC durante 0,5 a 2 horas. A espessura da camada cementada é da ordem de 0,2 mm em 40 a 50 minutos. A vantagem da cementação em sais é o aquecimento uniforme da peça, produção contínua, menor tempo e possibilidade de têmpera imediatamente após o banho. Para evitar deformações, as peças devem ser pré-aquecidas até 500 ºC antes de entrar para o banho de cementação. A cementação líquida é empregada em aços com baixos teores de carbono, ou ainda aços especiais de níquel ou de níquel cromo. Cementação gasosa - A cementação gasosa é efetuada em uma atmosfera de gases que contém carbono. Na cementação gasosa, as peças são introduzidas em câmaras especiais, através dos quais passam os gases, e a temperatura nas câmaras é mantida entre os limites de 900 ºC a 950 ºC. Atualmente é muito empregado a cementação rápida com gases, em que a camada cementada de 1mm de profundidade se obtém em 45 minutos aproximadamente.

Boretação Por este processo introduz-se na superfície de aço, por difusão, o elemento boro, formando boreto de ferro com uma dureza Vickers de 1.700 a 2.000 kgf/cm2. O meio difusor é sólido formado de um granulado de carboneto de boro B4C e de um ativador, fluoreto duplo de boro e potássio. O carboneto fornece o metal para a boretação, enquanto o ativador facilita e acelera a formação da camada superficial dura e de grande uniformidade. A temperatura de tratamento varia entre 800 e 1.050 ºC (sendo 900 ºC a mais usada), e seu controle necessita ser rigoroso. O tempo depende da espessura de camada desejada, por exemplo, um aço ABNT 1045, em 4 horas de tratamento apresenta uma camada de boreto de ferro, Fe2B com 100 µm em 8 horas, 150 µm a 200 µm em 12 horas. Podem ser boretados os aços carbono, aços com baixa e alta liga, ferro fundido comum e nodular. Após a boretação os aços são normalmente temperados e revenidos.

Ferroxidação As propriedades físicas de peças ferrosas sinterizadas podem ser melhoradas por um processo econômico e versátil que vem sendo usado desde 1950 e, que pode ser visto como uma operação secundária na indústria de peças sinterizadas: o tratamento a vapor (steam treatment, steam oxidation, steam blackning), também chamado de ferroxidação. Os principais benefícios trazidos por este processo são: - Aumento da dureza e densidade das peças; - Aumento da resistência à compressão; - Aumento da resistência à corrosão;

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- Selamento da porosidade interligada, dando estanqueidade à peça; - Obtenção de um excelente acabamento superficial com a redução da rugosidade inicial. De maneira geral, como desvantagens da ferroxidação podem-se citar o decréscimo: - Do limite de resistência à tração, dependendo das condições de tratamento; - Da resistência ao impacto; - Da ductilidade. O processo é aplicado principalmente em peças sinterizadas de baixa e média densidade (5,4 – 7,0 g/cm3 ). Como nestas peças existe uma rede de poros comunicantes, um fluxo de gás pode passar através de toda sua seção. Então, quando se faz passar um fluxo de vapor de água superaquecido pelas mesmas, uma camada de óxido de ferro se forma nas paredes da rede de poros comunicantes, bem como sobre a superfície externa da peça. A camada óxida obtida desta forma é muito aderente e menos propensa a defeitos, como trincas e bolhas, do que óxidos formados ao ar. A ferroxidação é geralmente realizada em fornos verticais com convecção forçada, os quais são projetados para serem relativamente estanques. Uma ventoinha interna é usada para forçar o vapor a circular, assegurando a exposição uniforme de todas as peças à temperatura e atmosfera de tratamento. A melhoria das propriedades das peças sinterizadas com a aplicação do processo de ferroxidação é conseguida com baixo investimento de capital, pois os equipamentos não são caros; além disso, o custo por peça ferroxidada é baixo. O processo de ferroxidação é utilizado para criar uma camada de magnetita, Fe3O4, na superfície e na rede de poros comunicantes de peças ferrosas sinterizadas. Um óxido intermediário, a wustita, FeO, é estável somente acima de 570 ºC. Acima do ponto de ebulição da água (100 ºC) e abaixo de 570 ºC a reação do vapor d’água com o ferro para formar o Fe3O4 é: (gás) H O FeO (gás) H Fe 2232 443 +⇔+ Inicialmente a carga do forno deve ser aquecida acima de 100 ºC, mas sempre abaixo do ponto critico de oxidação ao ar e descoloração, ou seja, 427 ºC. Normalmente é usada a temperatura de 315 ºC para o primeiro estágio, por um tempo de 15 a 30 minutos até que todas as peças atinjam esta temperatura, ou pelo menos até que o centro da carga do forno atinja a temperatura mínima de 100 ºC, para evitar a condensação do vapor sobre as peças. O fluxo de vapor é então introduzido na câmara do forno com alta taxa (4,5 a 163 kg/h, dependendo do tamanho do forno) para purgar o ar. Quando a purga do forno for completada, o fluxo de vapor é reduzido à metade e a temperatura é aumentada para valores entre 430 e 600 ºC (no limite inferior o óxido produzido tem a cor preta azulada e no superior, o óxido é cinzento). A carga é então mantida a esta temperatura de 0,5 a 4 horas, dependendo da quantidade de óxido que se deseja. Após o tempo necessário, a carga é removida do forno ou é resfriada sob vapor até temperaturas abaixo de 427 ºC, para depois removê-la e introduzir nova carga. Durante a ferroxidação uma camada de óxido, Fe3O4, vai crescendo em

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todas as superfícies expostas, ou seja, nas paredes da rede interligada de poros e na superfície externa da peça. Com o prosseguimento do tempo, a taxa de formação de óxidos diminui por causa do fechamento dos poros. Quando todos os poros estão fechados o vapor não tem mais acesso ao interior do corpo sinterizado e, a partir deste momento, só a oxidação superficial progride. A taxa de crescimento da camada superficial decresce porque a camada de óxido dificulta a difusão do Fe e O atômicos. E razoável assumir que a reatividade do vapor, dentro dos poros, decresceria com a distância abaixo da superfície externa, em função da diminuição da proporção H2O/H2 e que a taxa de crescimento da camada óxida seria um tanto maior próximo à superfície. Portanto os poros próximos à superfície, até um dado tamanho, seriam fechados mais rapidamente, e após o fechamento da superfície, a continuidade do processo de ferroxidação produziria muito pouca mudança na porosidade final da peça. A dependência do ganho em peso e da densidade final da peça, com relação ao tempo de ferroxidação, confirma tal pressuposto.

Processos variantes São tratamentos térmico-químicos similares aos de nitreção e cementação quanto ao meio. São eles: a) Carbonitretação ou cianetação a gás - Este processo consiste em submeter o aço a uma temperatura geralmente acima da crítica em uma atmosfera gasosa capaz de fornecer tanto carbono como nitrogênio que difundem simultaneamente para superfície da peça. Industrialmente o processo é uma cementação a gás modificada pela injeção de amônia na atmosfera carbonetante. Os constituintes da atmosfera utilizada na carbonitretação são: - Gás endotérmico (N2, H2 e CO, mais impurezas: O2, H2O e CO2), na proporção de 77 a 89% em volume. Tem a função de criar pressão positiva para impedir a entrada de oxigênio e diluir gases ativos (hidrocarbonetos e amônia) de modo a facilitar o controle do processo; - Gás natural, propana ou butana, na proporção de 9 a 15%. Torna a atmosfera carbonetante; - Amônia (NH3), na faixa de 2 a 8%. Na sua dissociação forma nitrogênio nascente na superfície do aço, promovendo sua nitretação. O objetivo principal da carbonitretação é conferir ao aço uma camada dura e resistente ao desgaste. A camada produzida tem espessura entre 0,07 a 0,7 mm, sendo menor que as obtidas na cementação, no entanto possui melhor temperabilidade e é mais resistente ao amolecimento durante o revenimento, além disso, apresenta um custo menor que a cementação, para esta faixa de espessura de camada. b) Nitrocarbonetação a gás de ciclo curto – DEGANIT - Esta variação do processo de nitretação a gás consiste em submeter as peças a uma temperatura em torno de 580 ºC (abaixo da crítica) em uma atmosfera com nitrogênio e carbono. Na prática consiste em introduzir um gás carbonetante na atmosfera de nitretação.

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A atmosfera é constituída de amônia dissociada, gás endotérmico ou outro qualquer que forneça CO e nitrogênio. O tempo de tratamento é normalmente de 1 a 3 horas e o resfriamento das peças é feito sob atmosfera de nitrogênio até a temperatura ambiente. Este processo produz camadas brancas de 10 a 30 µm de espessura altamente resistente ao desgaste por atrito, à corrosão e ao engripamento, além de uma camada de difusão de até 0,3 mm que aumenta e resistência à fadiga. c) Sulfocarbonitretação gasosa - O processo consiste em introduzir enxofre, além do carbono e nitrogênio no meio difusor, submetendo as peças a uma temperatura entre 550 e 575 ºC, por um tempo em torno de 2 horas. Possui a vantagem de conferir aos aços tratados (comuns e de baixo teor de elementos de liga) melhores características de resistência ao engripamento, mantendo as outras propriedades equivalentes. A camada branca contém enxofre, sulfeto de ferro e carbonitretos. A camada de difusão apresenta nitrogênio em solução sólida no ferro alfa, quando o resfriamento é rápido, e agulhas de nitretos, para resfriamentos lentos. d) Cianetação ou carbonitretação líquida - Consiste em submeter as peças a uma temperatura acima da crítica, de 760 a 870 ºC, num banho adequado de sal cianeto fundido, ocorrendo difusão simultânea de carbono e nitrogênio. O tempo de tratamento varia de 0,5 a 1 hora, produzindo camadas de 0,1 a 0,3 mm. A têmpera posterior produz uma camada superficial dura e de elevada resistência ao desgaste, contendo mais nitrogênio e menos carbono que as camadas cementadas e) Nitrocarbonetação em banho de sal - TENIFER/TENOX - O TENIFER realizado em banhos de sais fundidos, onde as peças são submetidas a temperaturas entre 550 e 570 ºC seguido de resfriamento ao ar, ou água. A denominação TENOX é uma variante deste processo, onde o resfriamento é realizado em um banho de sal oxidante seguido de polimento e nova oxidação em banho de sal. Os sais são compostos de cianetos e cianatos alcalinos que fornecem o nitrogênio e o carbono ao meio, e o caráter oxidante para o TENOX é obtido por insuflamento de ar ao banho. A camada branca resultante é da ordem de 10 a 20 µm e constitui-se carbonitretos de ferro e carbonetos e nitretos dos elementos de liga presentes no material. A camada de difusão apresenta valores da ordem de 0,3 mm e é constituída por nitretos de ferro e dos elementos de liga. O processo é aplicado em aços, ferros fundidos ou materiais sinterizados e em muitos casos é uma alternativa a outros tratamentos, como, cementação e cromo duro, com resultados equivalentes ou superiores, porém com maior economia. f) Sulfocarbononitretação líquida – SURSULF - É um processo similar ao processo TENIFER, diferenciando-se pelo fator do banho conter sais de lítio e compostos de enxofre, além dos cianetos e cianatos. Os objetivos e resultados são praticamente idênticos aos da sulcarbonitretação gasosa.

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g) Cementação por plasma (“Ioncarburizing”) - Este processo é uma variação da nitretação por plasma, na qual a diferença consiste em utilizar-se um gás carbonetante, metano (CH4), no lugar do hidrogênio e nitrogênio, numa faixa de temperatura entre 840 e 1.050 ºC com um tempo de tratamento em torno de 2 horas. As vantagens deste processo de cementação sobre os convencionais são as mesmas obtidas com a nitretação por plasma. 2.6.2.2 - Tratamentos de revestimentos

Revestimentos metálicos Dentre outros, pode-se citar os seguintes processos de tratamentos superficiais com revestimento metálico em metais: a) Cladização: consiste em colocar o metal, ou liga, entre camadas de um outro metal de maior resistência à corrosão. O metal mais comum utilizado nessa técnica é o alumínio, e a operação é efetuada por laminação a quente ou a frio. Através dessa técnica, pode-se obter materiais em que são combinados à resistência mecânica, através do elemento de liga, com a resistência à corrosão (através do alumínio). b) Imersão à quente: nessa técnica as peças a serem protegidas são imersas num banho de metal protetor fundido. Existem três processos: a galvanização, a estanhagem e o banho em chumbo. No caso da galvanização, formam-se, em peças de ferro e aço, camadas aderentes de zinco. Desse modo, um revestimento galvanizado apresenta uma estrutura de componentes químicos complexa, que varia gradualmente sua composição e suas propriedades físicas e mecânicas, dependendo da atividade química, difusão e subseqüente resfriamento. É um processo utilizado basicamente para peças sujeitas à corrosão atmosférica, aquosa ou em solo. O tempo de imersão das peças determina, em parte, a espessura da camada galvanizada, sendo esse tempo normalmente próximo a 2 minutos. No caso da estanhagem, a principal vantagem do revestimento é seu aspecto não-tóxico, permitindo seu uso na aparelhagem de armazenamento e manuseio de alimentos. Conforme for o grau de acabamento, pode-se fazer a estanhagem simples, dupla ou tripla, sendo que a última, após a dupla estanhagem, recebe, ainda quente, um banho de óleo de coco (ou sebo quente), que promove a drenagem do excesso de material e auxilia na formação de um revestimento uniforme de espessura satisfatória e isenta de defeitos. c) Eletrodeposição: é o processo de revestimento metálico mais empregado, pois promove espessuras finas, uniformes e isentas de poros. Nesse processo podem ser empregados como metais de deposição zinco, estanho, cobre, níquel, cromo, cádmio, prata e ouro. A figura seguinte mostra o processo. A peça a ser revestida funciona como cátodo numa célula eletrolítica, onde o eletrólito contém sal do metal protetor, podendo o ânodo ser do mesmo metal a ser depositado. A eficiência depende de uma série de fatores, entre eles a composição química do eletrólito, a temperatura, densidade da corrente do cátodo, etc. Uma conhecida

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aplicação dessa técnica é a eletrodeposição de estanho, que origina as folhas de flandres ou latas. Também são usados em componentes elétricos e eletrônicos, conectores elétricos e aplicações que exijam alta soldabilidade. Os processos que utilizam níquel e cromo são mais utilizados para fins decorativos, embora utiliza-se o cromo duro para revestir ferramentas, matrizes e peças que necessitem boa resistência ao desgaste, ao atrito e à corrosão.

Figura 2.51 – Esquema da eletrodeposição. d) Metalização (sputtering): o processo se dá através do aquecimento de um metal até seu ponto de fusão, fazendo-o passar, na forma de um filete, através de uma fonte de calor a alta temperatura, de modo a desintegrá-lo em partículas que são lançadas contra a superfície da peça. No choque, as partículas aderem-se tenazmente à superfície metálica que se deseja proteger. Esse método é utilizado para proteger peças contra oxidação, corrosão, abrasão, erosão e impactos, além de restaurar componentes de máquinas desgastados ou usinados erradamente. Praticamente todos os metais e ligas podem servir como agente protetor e o método também pode ser usado para proteger superfícies não metálicas, como papel, vidro, madeira, concreto, etc. e) Difusão: nesse processo, colocam-se as peças a serem protegidas no interior de tambores rotativos. Nesses tambores, é colocado uma mistura do metal protetor, na forma de pó, com um fundente. O conjunto é aquecido a altas temperaturas e então ocorre a difusão do metal protetor nas peças a serem revestidas. Os revestimentos comuns usados nessa técnica são: o alumínio (calorização), o zinco (sherardização) e o silício (siliconização). f) Anodização: utiliza o alumínio, que é colocado em uma célula eletrolítica. As peças a serem protegidas constituem o ânodo e ocorre a conversão do alumínio em óxido de alumínio. Com esse processo ocorre nas peças um aumento da resistência à corrosão, aumento da adesão de tintas, permite um revestimento por eletrodeposição (devido a sua porosidade), melhora a aparência superficial, confere isolamento elétrico e aumenta a resistência a abrasão. Os principais tipos de anodização são: crômico (ácido crômico como agente ativo), sulfúrico (ácido sulfúrico como agente ativo) e duro (ácidos sulfúrico e oxálico como agentes ativos); g) Cromatização: são obtidos a partir de soluções contendo cromatos com adição de ativadores como sulfatos, nitratos, cloretos, fosfatos, fluoretos, etc. Esse processo é preferencialmente aplicado em alumínio, magnésio, zinco e cádmio, mas pode ser usado em ferro, aço, cobre, ligas de níquel, de titânio e de zircônio;

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h) Fosfatização: processo que objetiva um tratamento prévio da superfície para posterior pintura. Consiste basicamente no tratamento de peças de ferro e aço, mediante uma solução diluída de ácido fosfórico e outras substâncias químicas. Pequenos objetos, como parafusos e porcas e peças estampadas de pequenas dimensões são revestidas em tambores rotativos contendo solução fosfatizante; as peças maiores são colocadas em tanques. Além de servirem de base para a pintura, a fosfatização serve de base para aplicação de óleo e outros materiais que previnem contra corrosão, aumenta a resistência ao desgaste e à escoriação de peças que se movimentam em contato, produzem uma superfície que facilita a conformação a frio e servem de base para adesivos em laminados metal-plástico.

Revestimentos poliméricos Dos revestimentos poliméricos, as tintas constituem o principal revestimento anticorrosivo, por serem de mais fácil aplicação e de menor custo que os demais. As tintas constituem-se basicamente dos seguintes componentes: veículo, cuja função é formar a película (além de agregar os pigmentos e as cargas, de modo a torná-las parte integrante da película); pigmentos, que são pequenas partículas cristalinas insolúveis nos solventes utilizados (orgânicos ou inorgânicos); carga, que eventualmente substitui o pigmento; solvente, que dissolve o veículo para que este possa ser aplicado em camadas mais finas; e materiais auxiliares, onde os mais comuns são os secantes. Os veículos podem ser não-conversíveis (mais fácil de aplicar, de secagem rápida, porém necessitam várias demãos) ou conversíveis (são os vernizes óleo-resinosos, resinas alquídicas, epóxi, poliuretadas e silicones). Os pigmentos também são de natureza inorgânica (naturais ou sintéticos) ou orgânica. As cargas são compostos inorgânicos, que objetivam reduzir o custo das composições. Os solventes podem ser hidrocarbonatos (aguarrás, naftas leves e pesadas, tolueno) ou sintéticos (etanol, acetatos, etc.).

Revestimentos cerâmicos A esmaltação à porcelana constitui o principal processo. Os esmaltes são revestimentos vítreos aplicados principalmente em aço, ferro fundido e alumínio, para melhorar a aparência superficial e conferir melhor resistência a corrosão. Os principais constituintes do esmalte são sistemas complexos vítreos ou cerâmicos, completamente misturados e fundidos. Geralmente é aplicado numa suspensão em água. Após a aplicação do esmalte, as peças são deixadas secar antes da queima ou sinterização final. A secagem é realizada ao ar ou em estufas. Essa secagem se faz necessário para novas aplicações de esmalte, facilitar o manuseio e reduzir a quantidade de vapor de água que seria introduzida nos fornos de queima.

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3 - ALUMÍNIO E SUAS LIGAS 3.1 – INTRODUÇÃO

O alumínio é um metal leve ( gf/cm3 2,7=γ ), resistente à corrosão, bom condutor de calor e eletricidade, possui brilho e tem um baixo ponto de fusão - 658 oC.

Há mais de 7 mil anos, os ceramistas da Pérsia (atualmente alguns países como Irã, Iraque, Afeganistão) faziam seus vasos com um tipo de argila contendo óxido de alumínio - a alumina. Séculos depois, os egípcios e babilônicos usavam o óxido de alumínio em cosméticos e produtos medicinais. Apesar de ser o metal mais abundante na crosta terrestre, ele não se encontra naturalmente na forma de metal, mas na forma de óxido (Al2O3) no minério da bauxita.

Vários pesquisadores participaram da descoberta do alumínio. O primeiro foi o inglês Humphrey Davy, entre 1.808 e 1.812, que tentou isolar o metal, obtendo uma liga de ferro-alumínio e sem saber direito o que havia obtido, sugeriu que poderia ser um óxido de um metal, dando o nome de aluminium. Logo depois, em 1.825, o físico alemão Hans Christian Oersted se encarregou de produzir pequenas quantidades do metal, separando-o do oxigênio, através da destilação com aquecimento da mistura de potássio e óxido de alumínio. Em 1.854, o cientista francês Henri Saint Claire Deville, substituiu o potássio pelo sódio, reduzindo o óxido existente na alumina e obteve um alumínio com 97% de pureza. Outros melhoraram seu processo até 1.869, quando 2 toneladas de alumínio foram produzidas. Isso baixou seu custo de $545,00 para $17,00 o grama, quase o mesmo valor da prata. Um preço razoável, tanto é que serviu para ornar a mesa da Corte Francesa, a coroa do rei da Dinamarca e a capa do Monumento de Washington. Em meados de 1.880, o alumínio era um metal semiprecioso, tão raro quanto a prata. Na Oberlin College de Ohio, o professor Frank Jewett mostrou a seus estudantes de Química um pequeno pedaço de alumínio e disse a eles que quem conseguisse descobrir um modo econômico de se obter este metal ficaria rico. Um de seus estudantes, Charles Martin Hall, já vinha fazendo experimentos com minérios desde os 12 anos de idade, em laboratório improvisado. Depois de formado, continuou seus experimentos. Aprendeu como fazer óxido de alumínio – alumina. Em 1.886, ele colocou num recipiente um banho de criolita contendo alumina e passou uma corrente elétrica. O resultado foi uma massa que ele trabalhou com martelo. E então, várias partículas de puro alumínio se formaram, dando origem a um dos metais mais usados pela indústria na história. Isto só foi possível devido a invenção do dínamo elétrico.

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3.2 - PRODUÇÃO DE ALUMÍNIO

O processo de produção de alumínio é composto por uma série de reações químicas. Até mesmo a bauxita - minério do qual se extrai a alumina e o alumínio - é formado por uma reação química natural, causada pela infiltração de água em rochas alcalinas que entram em decomposição e adquirem uma nova constituição química. A bauxita encontra-se próxima à superfície, em uma espessura média de 4 a 5 metros, o que possibilita a sua extração a céu aberto com a utilização de retroescavadeiras. Porém, antes de se iniciar a exploração, alguns cuidados devem ser tomados para proteger o meio ambiente. A terra fértil acumulada sobre as jazidas é removida juntamente com a vegetação e reservada para um futuro trabalho de recomposição do terreno, após a extração do minério. Depois de minerada, a bauxita é transportada para a fábrica, onde chega em seu estado natural, com impurezas que precisam ser eliminadas. E aí se inicia a primeira reação química da série que vai viabilizar a obtenção da alumina e do alumínio. A bauxita, que contém em torno de 40 a 60% de alumina e o restante de óxido de ferro, sílica, titânio e outras impurezas, é moída e misturada a uma solução de soda cáustica que a transforma em pasta. Aquecida sobre pressão e recebendo nova adição de soda cáustica, esta pasta se dissolve formando uma solução que passa por processos de sedimentação e filtragem que eliminam todas as impurezas. Esta solução, chamada de aluminato de sódio, esta pronta para que dela se extraia apenas a alumina. Isso é feito através de reação química. Em equipamentos chamados de precipitadores, a alumina contida na solução precipita-se através do processo chamado de "cristalização por semente", e nesse processo, obtém-se a alumina hidratada. Desta forma, pode ser usada no tratamento de água e na indústria de celulose e papel, corantes e cremes dentais. Se for seca e calcinada (1.000 a 1.300 oC), a matéria-prima - alumina - poderá ser utilizada como abrasivos, refratários, isoladores térmicos, cerâmicas avançadas. A alumina (Al2O3) tem uma ligação muito forte, predominantemente iônica, entre os seus átomos e que para separá-los é necessário a utilização de fornos eletrolíticos. A alumina é dissolvida dentro destes fornos em um banho a base de fluoretos. Os fornos são ligados a um circuito elétrico de corrente contínua. No momento que ocorre a passagem da corrente elétrica, ocorre a reação de dissociação e o alumínio se separa do oxigênio. O alumínio líquido se deposita no fundo do forno que é bombeado para fornalhas onde será purificado ou receberá a adição de outros metais para formação de ligas. O calor gerado pela corrente elétrica mantém a solução em estado líquido, permitindo a adição de novas cargas de alumina, o que torna o processo contínuo para fabricação de lingotes ou laminados. O alumínio é facilmente moldável e permite todo tipo de processo de fabricação: pode ser laminado, forjado, prensado, repuxado, dobrado, serrado, furado, torneado, lixado e polido. As peças de alumínio podem também ser produzidas por processos de fundição, além disso, o alumínio é um material que pode ser unido por todos os processos usuais: soldagem, rebitagem, colagem e brasagem. Sua condutividade térmica é quatro vezes maior que a do aço. Ele pode ser anodizado, envernizado e esmaltado.

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Uma das grandes utilizações do alumínio é no seu formato de pó. É produzido a partir da atomização do alumínio em estado líquido, na qual, o alumínio no estado líquido é aspirado para uma câmara onde se introduz um jato de ar pressurizado, desintegrando-o em pequenas partículas de formato semi-esférico que depois é peneirado e classificado de acordo com a sua granulação que pode ser: fino, médio e grosso. As principais aplicações do pó de alumínio são: • Aluminotermia: É empregada na produção de ligas de ferro, ligas não-ferrosas

e metais puros: ferro-nióbio, ferro-vanádio, ferro-molibdênio, ferro-titânio,

cromo, etc... Funciona como agente de redução de óxidos e fonte de calor.

• Refratários: É aplicado em tijolos e concretos para canal de corrida. O pó de

alumínio reage com o oxigênio da água, gerando hidrogênio que facilita a

secagem dos concretos e evita a formação de trincas. Em tijolos de magnésia-

carbono, o alumínio reage com o oxigênio do aço fundido, preservando o

carbono do aço, aumentando a vida útil do refratário.

• Metalurgia: É utilizado na produção de briquetes, que são misturas de alumínio

e outros pós metálicos, moldados em pequenos lingotes sob pressão.

Endurecem, reforçam e refinam a estrutura granular das ligas de alumínio.

Utilizado em solda exotérmica, a reação de pós de alumínio e óxidos metálicos

fornece o calor e metal de enchimento, utilizado na soldagem de cabos,

bastões, trilhos, ligas de cobre, alumínio e outros metais.

• Indústria química: É utilizado na produção de derivados aluminosos quando se

necessita de uma reação de alta pureza e eficiência. É aplicado em

cloridróxido de alumínio, cloreto de alumínio anidro, agentes de redução,

fosfeto de alumínio, hidróxido de alumínio, produção de pigmentos para de

tintas automotivas e industriais, gráfica, etc.

• Explosivos: O pó de alumínio é misturado a compostos explosivos,

aumentando o desempenho e a potência de explosão. Alguns tipos de

explosivos são NA/FO, aminometilaminas, etc.

• Forno auto limpante: O pó de alumínio age como elemento de suporte na

formulação de esmaltes, dando o efeito de limpeza.

• Propelentes para mísseis e foguetes: o pó é utilizado na produção de

combustíveis sólidos para mísseis e foguetes. Os compostos sólidos são

formados por um oxidante forte, pó de alumínio, ligantes e aditivos especiais.

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3.3 - PROPRIEDADES DO ALUMÍNIO E SUAS LIGAS O alumínio comercialmente puro ( 99,99% ) e recozido tem uma resistência de ruptura à tração de 5 kgf/mm² (49 MPa) e peso específico de 2,7 gf/cm3 e a tensão de escoamento está em torno de 1,3 kgf/mm² (12,7 MPa). Quando laminados, extrudados ou forjados, a tensão de ruptura à tração pode alcançar a 57 kgf/mm2 (559 MPa) e a tensão de escoamento fica em torno de 50 kgf/mm² (490 MPa). As impurezas metálicas podem aumentar a sua resistência à tração em cerca de 50% sem aumentar muito o peso específico (dependente da concentração). O módulo de elasticidade longitudinal depende também da concentração de elementos de liga, mas para o alumínio comercial vale E = 7.000 kgf/mm². A tabela abaixo mostra o módulo de elasticidade longitudinal de alguns materiais de engenharia.

Metal Módulo de Elasticidade Longitudinal (kgf/mm2)

Liga Módulo de Elasticidade Longitudinal (kgf/mm2)

Ferro, níquel, cobalto

21.000 Aços-carbono e aços-liga

21.000

Molibdênio, tungstênio

35.000 Aços inoxidáveis austeníticos

19.600

Cobre 11.900 Ferro Fundido Nodular

14.000

Alumínio 7.000 Bronzes e latões 7.700 - 11.900 Magnésio 4.550 Bronzes de

manganês e ao silício

10.500

Zinco 9.800 Bronzes de alumínio 8.400 - 13.300 Zircônio 10.150 Ligas de alumínio 7.000 - 7.450 Estanho 4.200 Monel 13.000 - 18.200 Berílio 25.700 Hastelloy 18.900 - 21.500 Ósmio 56.000 Invar (níquel-ferro) 14.000 Titânio 10.000 Inconel 16.000 Chumbo 1.750 Ilium (liga de níquel) 18.700 Ródio 29.750 Ligas de titânio 11.200 - 12.100 Nióbio 10.500 Ligas de magnésio 4.550 Ouro, prata 7.850 Ligas de estanho 5.100 - 5.400 Platina 18.800 Ligas de chumbo 1.400 - 2.950 O alumínio comercialmente puro é pouco tenaz, mas possui excelente maleabilidade sendo possível laminar folhas de 0,005 mm de espessura. Também tem boa ductilidade com alongamento de 30 a 40%, sendo possível obter fios de 0,03 mm de diâmetro. De pequena dureza podendo ser riscado pela maior parte dos metais. Sob ação do trabalho mecânico a quente (laminação, forjamento) o alumínio se encrua. Para melhorar ou modificar as propriedades do alumínio, pode-se fazer tratamentos térmicos ou adicionar elementos químicos quando o metal está no estado líquido, fazendo-se as ligas.

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Propriedades físicas Massa atômica: 26,97 g Peso específico: 2,70 kgf/dm3

Estrutura cristalina (20 °C): CFC, a = 0,404 nm Ponto de fusão: 658 °C [931,15K] Ponto de ebulição: 2.000 °C Coeficiente de dilatação térmica linear: (20 °C): 23 x 10-6/ °C [24 - 24,2.10-6/K] Resistividade: (20 °C): 2,699 µΩ.cm [2,63 - 2,692.10-8 Ω.m] Condutividade térmica: (20 °C): 0,52 cal.cm-1.s-1. °C -1 [222 - 224,2 W/m.K] Refletividade (chapa polida): 0,06 Calor específico: 900,4 - 909,4 J/kg.K Calor latente de fusão: 388 - 391,9 kJ/kg Temperatura máxima de serviço: 370 - 420K Em relação ao cobre, a condutividade elétrica é cerca de 62 % da do cobre e tal como diminui ligeiramente por deformação a frio e fortemente com a presença de impurezas. Propriedades mecânicas Ductilidade: 0,3 % Coeficiente de Poisson: 0,34 Dureza: 15 a 25 HB [147 a 245 MPa] Módulo de cisalhamento: 26,2 - 26,4 GPa Módulo de elasticidade longitudinal: 68,9 - 69,6 GPa Resistência ao impacto: Limite elástico: 12,7 a 30 MPa Tenacidade a ruptura: 30 - 35 MPa.m1/2 Tensão de compressão: 40 MPa Tensão de ruptura por tração: 45 a 50 MPa Alongamento: 30 a 40 % Estricção: > 60 %

Estas características correspondem a alumínio no estado recozido. É, portanto, um metal muito maleável. Pode ser trabalhado a frio e a quente e após recristalização não apresenta maclas como o cobre. O trabalho a quente é efetuado entre 250 - 500 °C. Propriedades químicas

Reage facilmente com o oxigênio. Esta propriedade se dá na superfície do alumínio e forma uma película espessa e aderente de alumina que o protege da continuação da reação para o alumínio subjacente. A adição de qualquer elemento químico prejudica esta resistência a corrosão, de tal modo que nas ligas de alumínio de alta resistência estas têm de ser revestidas por folha de alumínio puro. Forma pares galvânicos com os metais mais nobres, como o cobre e o ferro, os quais destroem a camada de alumina protetora e provocam forte corrosão. Devem por isso ser evitadas ligações metálicas entre aqueles metais e o alumínio. Resiste bem a corrosão atmosférica, soluções salinas, mas e atacado pela água pura a temperatura elevada. Também resistente a atmosferas sulfurosas ou muito úmidas. É atacado pela maior parte dos ácidos minerais,

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sobretudo o ácido clorídrico. O ácido nítrico e os ácidos orgânicos, com exceção do ácido fórmico, não atacam o alumínio. Os produtos mais resistentes são: os vários graus de alumínio puro, seguidos das ligas Al-Mg, Al-Mn, Al-Mg-Si, e Al-Si. As ligas que contém cobre são as menos resistentes a corrosão e, por isso, devem ser revestidas de alumínio puro e não sofrer nenhum tratamento térmico para evitar a difusão dos elementos entre as folhas da superfície e da alma. Composição química

Pode obter-se por refinação eletrolítica o alumínio comercialmente puro, 99,99%. O alumínio comercial contém geralmente impurezas que atingem cerca de 0,5%, sendo o ferro e o silício as principais. Estas impurezas são vantajosas do ponto de vista de propriedades mecânicas, elevando a resistência mecânica, mas são prejudiciais a maleabilidade, a resistência corrosão, a condutividade elétrica. Se a proporção de silício ultrapassar o teor de ferro poderá ocorrer trincas a quente. Os principais graus de alumínio são: 99,99%; 99,5%e 99%. Tratamentos térmicos

O único tratamento com interesse é o recozimento de homogeneização que, ao assegurar a redistribuição do ferro sob a forma de precipitado fino intragranular de FeAl3, retarda a recristalização após laminação e modifica a estrutura (evita o aparecimento da estrutura cúbica) o que tem como conseqüência uma diminuição apreciável da resistividade do metal vazado. Aplicações

O seu baixo peso específico, cerca de 1/3 do peso específico do cobre, justifica o seu emprego na construção veículos motorizados e da aviação; na indústria mecânica, pistões, eletrodos, folha de alumínio, portas e esquadrias, latas, placas, embalagens, painéis, sinalizadores, placas de sinalização. A condutividade térmica e apenas ultrapassada pela prata, cobre e o ouro, e por isso, é utilizado em material de cozinha, trocadores de calor, instalações de refrigeração, pistões, etc. Mas, devido ao baixo ponto de fusão a temperatura de serviço, não deve ser superior a 200 oC.

3.3.1 - LIGAS DE ALUMÍNIO

O principal objetivo da adição de elementos ao alumínio é a melhorar o limite elástico, resistência à tração e dureza. Em contrapartida, propriedades como a ductilidade, condutividade térmica e resistência à corrosão diminuem. As ligas são formadas principalmente com a adição de cobre (Cu), magnésio (Mg), manganês (Mn), silício (Si) ou zinco (Zn) ao alumínio (Al). A escolha dos elementos e sua proporção, nessa adição, dependem das propriedades finais que se quer obter. A maior parte das ligas de alumínio é ainda susceptível de endurecimento por precipitação que aumenta consideravelmente o limite de elasticidade e resistência à tração e a dureza. O alumínio entra em grande número de ligas de dois ou mais componentes. As principais ligas de alumínio são: ligas de solução sólida Al-Cu; Al-Si, Al-Mg2Si, Al-Mg e Al-Mn.

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3.3.1.1 - Liga de Al-Cu O diagrama de fases da liga binária Al-Cu mostrado abaixo mostra a complexidade do conhecimento completo de ligas formadas pelo alumínio e

cobre. Entretanto, ao se fabricar uma liga de alumínio Al-Cu e submeter essa liga a processos especiais de tratamento, esse material terá uma resistência à tração equivalente ou até maior que a de aços de baixo teor de carbono com boa usinabilidade. É indicada para peças que devem suportar temperaturas em torno de 150 oC.

Figura 3.1 – Diagrama de fases da liga Al-Cu. 3.3.1.2 - Liga de Al-Mg (alumag)

As ligas de Al-Mg conhecidas como alumag são susceptíveis de endurecimento por precipitação ou por deformação a frio. O magnésio tem um máximo de solubilidade no alumínio a 450 oC e para o teor de 15%, valor que desce para 1,5% à temperatura ambiente. As ligas comerciais tem mais de 4% de Mg, sendo portanto bifásicas, ou seja, constituída pela fase α pela fase β, Al3Mg2, que precipita durante o resfriamento. A resistência à corrosão pode ser restaurada

por reaquecimento seguido de

resfriamento controlado. As ligas de Al-Mg são excelentes para a soldagem, e por serem também resistentes à

corrosão, principalmente em

atmosferas marinhas.

Figura 3.2 – Diagrama de fases da liga Al-Mg.

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3.3.1.3 - Liga de Al-Mn

Quando se adiciona manganês (Mn) ao alumínio, a resistência mecânica dessa liga aumenta em até 20% quando comparada ao alumínio puro, com a capacidade de ser trabalhado por todos os processos de conformação e fabricação mecânicas, como por exemplo a prensagem, a soldagem e a rebitagem. Essa liga aceita acabamento de superfície; é resistente à corrosão; possui elevada condutividade elétrica. Esta liga é usada na fabricação de latas de bebidas, placas de carro, telhas, equipamentos químicos, refletores, trocadores de calor e como elemento decorativo na construção civil. Existem também ligas de alumínio fabricadas com a adição de zinco e uma pequena porcentagem de magnésio (Mg), cobre (Cu) ou cromo (Cr). Depois de passar por tratamento térmico, essas ligas são usadas em aplicações que exijam uma alta relação resistência/peso, principalmente na construção de aviões. Outros elementos de liga que podem ser adicionados ao alumínio são: bismuto (Bi), chumbo (Pb), titânio (Ti), estanho (Sn), níquel (Ni) etc. São as variações nas quantidades e combinações dos elementos que originam uma infinidade de ligas com propriedades adequadas a cada urna das aplicações. 3.3.1.4 - Liga de Al-Si

A liga de Al-Si apresenta baixo ponto de fusão e resistência à corrosão. Quando o teor de silício é elevado, 13% de Si, - composição eutética - e se dá com adição de 0,1% de sódio no momento de vazamento, a liga é conhecida como alpax e tem boas propriedades mecânicas, com maior tenacidade. Esta liga se toma adequada para produzir peças fundidas. É também é indicada como material de enchimento em processos de soldagem e brasagem.

Figura 3.3 - Diagrama de fases da liga binária Al-Si.

É possível também combinar elementos de liga. É o caso das ligas de alumínio que contém magnésio e silício em sua composição. Essas ligas apresentam uma resistência mecânica um pouco menor que as ligas de alumínio e cobre, porém, têm elevada resistência à corrosão. São facilmente moldadas, usinadas, soldadas e aceitam diversos tipos de processos de acabamento, tais

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como o polimento, o envernizamento e a esmaltação. São usadas na construção civil, fabricação de veículos e máquinas e fios para cabos de alta tensão. As ligas Al-Cu e Al-Mg2Si são ligas do tipo duralumínio e podem endurecer estruturalmente. Este endurecimento é devido a precipitação de Al2Cu ou Mg2Si, obtendo-se características mecânicas equivalentes as de um aço-carbono macio. O duralumínio contém em média 2,5 a 5% de Cu e 0,5 a 1% de Mg e 0,5 a 1% de Mn e 0,5 a 0,8% de Si, além de pequenas porcentagens de Fe. Pode atingir σr = 50 kgf/mm2 ε = 3% Existem também ligas de alumínio fabricadas com a adição de zinco e uma pequena porcentagem de magnésio (Mg), cobre (Cu) ou cromo (Cr). Depois de passar por tratamento térmico, essas ligas são usadas em aplicações que exijam uma alta relação resistência/peso, principalmente na construção de aviões. Outros elementos de liga que podem ser adicionados ao alumínio são: bismuto (Bi), chumbo (Pb), titânio (Ti), estanho (Sn), níquel (Ni) etc. São as variações nas quantidades e combinações dos elementos que originam uma infinidade de ligas com propriedades adequadas a cada urna das aplicações. Tratamentos térmicos O tratamento térmico das ligas de alumínio consta, em geral, de têmpera e revenido com tratamento de solubilização devidamente controlada. Para este tratamento a liga é aquecida à temperatura de 450 oC a 550 oC e mantida a essa temperatura durante o tempo necessário para solução completa. Após este tratamento, a liga pode ser sujeita a têmpera em água ou normalizada. No caso de peças de formas complicadas, pode aparecer tensões internas que darão lugar a distorções. Neste caso deve-se usar água a100 oC, óleo ou sais fundidos. Após têmpera pode-se realizar um tratamento de alívio de tensões para reduzir as tensões residuais em produtos extrudados e laminados ou em peças forjadas de forma regular. Estas ligas de alumínio podem, após a têmpera, endurecer por revenido à temperatura ambiente. Em outros casos, o endurecimento é acelerado por revenido à temperaturas de 110 a 215 oC e durante tempo determinado. Por exemplo, nas ligas de Al-Cu-Mg e Al-Mg-Si, o endurecimento resultante devido ao cobre e ao magnésio que precipitam sob a forma de Al2Cu e Al2MgCu. 3.3.1.5- Liga de Al-Si

A liga de Al-Si apresenta baixo ponto de fusão e resistência à corrosão. Quando o teor de silício é elevado, 13% de Si, - composição eutética - e se dá com adição de 0,1% de sódio no momento de vazamento, a liga é conhecida como alpax e tem boas propriedades mecânicas, com maior tenacidade. Esta liga se toma adequada para produzir peças fundidas. É também é indicada como material de enchimento em processos de soldagem e brasagem.

É possível também combinar elementos de liga. É o caso das ligas de

alumínio que contém magnésio e silício em sua composição. Essas ligas apresentam uma resistência mecânica um pouco menor que as ligas de alumínio e cobre, porém, têm elevada resistência à corrosão. São facilmente moldadas, usinadas, soldadas e aceitam diversos tipos de processos de acabamento, tais

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como o polimento, o envernizamento e a esmaltação. São usadas na construção civil, fabricação de veículos e máquinas e fios para cabos de alta tensão. As ligas Al-Cu e Al-Mg2Si são ligas do tipo duralumínio e podem endurecer

estruturalmente. Este endurecimento é devido a precipitação de Al2Cu ou Mg2Si,

obtendo-se características

mecânicas equivalentes as de um aço-carbono macio. O duralumínio contém em média 2,5 a 5% de Cu e 0,5 a 1% de Mg e 0,5 a 1% de Mn e 0,5 a 0,8% de Si, além de

pequenas porcentagens de Fe. Pode atingir σr = 50 kgf/mm2 ε = 3%

Figura 3.4 - Diagrama de fases da liga binária Al-Si. Existem também ligas de alumínio fabricadas com a adição de zinco e uma pequena porcentagem de magnésio (Mg), cobre (Cu) ou cromo (Cr). Depois de passar por tratamento térmico, essas ligas são usadas em aplicações que exijam uma alta relação resistência/peso, principalmente na construção de aviões. Outros elementos de liga que podem ser adicionados ao alumínio são: bismuto (Bi), chumbo (Pb), titânio (Ti), estanho (Sn), níquel (Ni) etc. São as variações nas quantidades e combinações dos elementos que originam uma infinidade de ligas com propriedades adequadas a cada urna das aplicações. Tratamentos térmicos O tratamento térmico das ligas de alumínio consta, em geral, de têmpera e revenido com tratamento de solubilização devidamente controlada. Para este tratamento a liga é aquecida à temperatura de 450 oC a 550 oC e mantida a essa temperatura durante o tempo necessário para solução completa. Após este tratamento, a liga pode ser sujeita a têmpera em água ou normalizada. No caso de peças de formas complicadas, pode aparecer tensões internas que darão lugar a distorções. Neste caso deve-se usar água a100 oC, óleo ou sais fundidos. Após têmpera pode-se realizar um tratamento de alívio de tensões para reduzir as tensões residuais em produtos extrudados e laminados ou em peças forjadas de forma regular. Estas ligas de alumínio podem, após a têmpera, endurecer por revenido à temperatura ambiente. Em outros casos, o endurecimento é acelerado por revenido à temperaturas de 110 a 215 oC e durante tempo determinado. Por

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exemplo, nas ligas de Al-Cu-Mg e Al-Mg-Si, o endurecimento resultante devido ao cobre e ao magnésio que precipitam sob a forma de Al2Cu e Al2MgCu. 3.3.2 - NORMALIZAÇÃO DAS LIGAS DE ALUMÍNIO Para organizar e facilitar a seleção das ligas de alumínio, a ABNT e outras associações de normas técnicas classificaram essas ligas de acordo com o processo de fabricação e a composição química. Foram divididas em ligas para conformação (ou dúcteis) e 1igas para fundição. Essa divisão foi criada porque as diferentes ligas têm que ter características diferentes para os diferentes processos de fabricação. Desta forma, as ligas para conformação devem ser bastante dúcteis para serem trabalhadas a frio ou a quente pelos processos de conformação mecânica. Após passarem por esses processos, as ligas são comercializadas sob a forma de laminados planos (chapas e folhas), barras, arames, perfis e tubos extrudados e peças forjadas. As ligas para fundição devem ter resistência mecânica, fluidez e estabilidade dimensional e térmica para suportar os diferentes processos de fundição. Tanto as ligas para conformação, quanto as ligas para fundição seguem um sistema de designação de acordo com a norma da ABNT NBR - 6834 conforme o principal elemento de liga presente em sua composição. Ligas de alumínio para conformação. Designação da série

Indicação na composição

1XXX 99% mínimo de alumínio 2XXX Cobre 3XXX Manganês 4XXX Silício 5XXX Magnésio 6XXX Magnésio e silício 7XXX Zinco 8XXX Outros elementos 9XXX Série não utilizada Pela norma citada (NBR - 6834), os materiais para conformação mecânica são indicados por um número de quatro dígitos: • O primeiro classifica a liga pela série de acordo com o principal elemento

adicionado;

• O segundo dígito, para o alumínio puro, indica modificações nos limites de

impureza: 0 (nenhum controle) ou l a 9 (para controle especial de uma ou mais

impurezas). Para as ligas, se for diferente de zero, indica qualquer modificação

na liga original;

• O terceiro e o quarto dígitos, para o alumínio puro, indicam o teor de alumínio

acima de 99%. Quando se referem às ligas, identificam as diferentes ligas do

grupo (é um número arbitrário).

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Exemplos: 1 - Alumínio comercialmente puro; 0 - Sem controle especial de impurezas; 35 - 99,35% de alumínio. 2) Liga de alumínio 5470 5 - Alumínio com magnésio; 4 - Com controle especial de impurezas (modificado); 70 - É a liga de número 70 desta série. Ligas de alumínio para fundição. Designação da série

Indicação na composição

1XX.X 99% mínimo de alumínio 2XX.X Cobre 3XX.X Cobre e silício e ou magnésio 4XX.X Silício 5XX.X Magnésio 6XX.X Série não utilizada 7XX.X Zinco 8XX.X Estanho 9XX.X Outros elementos • O primeiro dígito classifica a liga segundo o elemento principal da liga; • O segundo e o terceiro dígitos indicam centésimos da porcentagem mínima de

alumínio (para o alumínio puro) ou diferentes ligas do grupo; • O dígito após o ponto indica a forma do produto: 0 - para peças fundidas, 1 -

para lingotes e 2 - para alumínio reciclado. Exemplos: 1) Liga de alumínio 319.0 3 - Alumínio com silício/cobre ou magnésio; 19 - É a liga de número 19 desta série; 0 - Peça fundida. 2) Liga de alumínio 580.1 5 - Alumínio com magnésio; 80 - É a liga de número 80 desta série; 1 - Lingote. A ASTM designa as ligas de alumínio com letras e números. As letras indicam os principais elementos (C- cobre, G - magnésio, S - silício, Z - zinco, N - níquel, M - manganês). Para conformação Para fundição M1A C4A CS41A CG100A CG30A CN42A CG42A CS72A GS10A G8A GS11A G10A ZG62A SN122A

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4 - COBRE E SUAS LIGAS 4.1 - INTRODUÇÃO O cobre foi o primeiro metal usado pela civilização, a cerca de 10.000 anos atrás. A primeira utilização do cobre conhecida é datada de 8.700 anos a.C., tendo sido encontrado vestígios de seu uso no norte do Iraque. Durante aproximadamente 5.000 anos, o cobre foi o único metal conhecido pelo homem, tendo assim muitas aplicações inclusive, utilizadas na arte, decoração, utensílios e na guerra. Estima-se que somente 4.000 anos a.C. a civilização veio a conhecer o ouro e a liga mais antiga que existe, o bronze (Cu-Sn), pois pode ser encontrada junto na natureza. O bronze teve absoluta supremacia durante séculos, até o advento do ferro. Aproximadamente 3.000 anos a.C., vieram a ser descobertos a prata e o chumbo. O cobre é um metal não-ferroso e não magnético que se funde aproximadamente 1.083 ºC, e é um excelente condutor de eletricidade e calor. É um metal dúctil e maleável que pode ser laminado a frio ou a quente. Ao ser laminado a frio, estirado ou estampado, ele adquire um endurecimento superficial que aumenta sua resistência, porém diminui sua maleabilidade. Isso o torna mais frágil, o que é corrigido com o tratamento térmico. Em contato com o ar seco e em temperatura ambiente, o cobre não se oxida. Porém em contato com ar úmido ele se recobre de uma camada esverdeada, conhecida por azinhavre ou zinabre (hidrocarbanato de cobre). O azinhavre impede a oxidação do cobre. Em relação a outros metais, o cobre é um material relativamente escasso na crosta terrestre, sendo encontrado aproximadamente 0,007% em toda a crosta. Por isso, para muitas aplicações, o cobre vem sendo substituído pelo alumínio. Cerca de 50% da produção mundial do metal é consumida pela indústria eletrônica, seguida da construção naval, automotiva, de aeronaves, instrumentação e indústria química. As reservas mundiais de cobre são estimadas em, aproximadamente, 393 milhões de toneladas de metal, distribuídas com a maior percentagem na Rodésia, nos Estados Unidos da América do Norte e no Chile. O Brasil tem jazidas de cobre no Rio Grande do Sul, São Paulo, Goiás e Bahia. O teor de cobre, em depósitos de grande porte e lavra subterrânea, não deve ser inferior a 1% de Cu e em depósitos de pequeno porte, a 3%. Para lavra a céu aberto, os teores mínimos situam-se entre 0,5 e 0,7% de Cu. Elementos indesejáveis em jazidas de cobre compreendem o Bi, cujo teor não deve exceder de 0,5%, 2% de As, 1% de Sb e 10% Zn.

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4.2 - PRODUÇÃO DE COBRE

Os principais tipos de depósitos de cobre compreendem os de segregação magmática, os de escarnitos, os vulcanogênicos, os de cobre pórfiro, os filoneanos e os das séries sedimentares e os principais minerais de minério de cobre são: Calcopirita (CuFeS2) ............ 34% de Cu Calcosita (Cu2S) ................... 80% de Cu Covelina (CuS)...................... 66% de Cu Bornita Cu5 FeS4 .................. 52-65% de Cu Enargita (Cu3AsS4) ............... 48% de Cu Cuprita (Cu2O) ...................... 89% de Cu Os minérios devem passar por um processo que é composto por várias etapas como: 1. Extração do minério; 4. Obtenção do mate; 2. Trituração e moagem; 5. Obtenção do cobre blíster; 3. Flotação ou concentração; 6. Refino.

Após ser extraído o minério da natureza, ele passa por um triturador giratório que irá reduzir o tamanho do mineral ao equivalente ao de uma bola de futebol.

a) b) Figura 4.1 – Beneficiamento do cobre. A) Trituração do minério; B) Flotação

O minério de cobre e moído em moinho de bolas para reduzir o seu tamanho entre 0,05 e 0,5 mm. Em seguida, o minério moído é colocado em uma máquina cheia de água misturada a produtos químicos. Na base desse equipamento existe uma entrada por onde o ar é soprado. As partículas que não contêm cobre são encharcadas pela solução de água e produtos químicos, formam um lodo, chamado ganga, e vão para o fundo do tanque. Como o minério sulfuroso flutua, porque não se mistura na água, o sulfeto de cobre e o sulfeto de ferro fixam-se nas bolhas de ar sopradas, formando uma espuma concentrada na superfície do tanque, a qual é recolhida e desidratada. Essa etapa chama-se flotação ou concentração. Realizado essas etapas, resta em torno de 1% do

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material inicial. A etapa seguinte é a decantação e filtragem, quando se obtém um concentrado com 15 a 30% de cobre.

A seguir, o concentrado é levado a um forno de chama direta chamado revérbero. A maior parte do enxofre e de impurezas como arsênico e antimônio são eliminados. O material resultante passa a ter entre 35 e 55% de concentração de cobre e é chamado de mate.

Figura 4.2 - Esquema do forno revérbero e obtenção do mate.

O mate é levado aos conversores para oxidação para retirar o enxofre e o

ferro. No conversor, o ferro se oxida e se une a sílica para ser transformado em escória que é eliminada. Depois, o enxofre que sobrou também é eliminado sob a forma de gás. O cobre bruto obtido nesta etapa recebe o nome de blíster, e apresenta uma pureza entre 98% e 99,5% de cobre, com impurezas como antimônio, bismuto, chumbo, níquel etc., e também metais nobres como ouro e prata. A última etapa é o refino do blíster, podendo ser térmica ou eletrolítica. Na refinação térmica, o blíster é fundido e parte das impurezas restantes é eliminada. O cobre passa a ter 99,9% de impureza sendo o mais utilizado comercialmente.

Figura 4.3 - Obtenção do cobre blíster e placa eletrolítica.

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4.3 - PROPRIEDADES DO COBRE E SUAS LIGAS As propriedades mecânicas do cobre favorecem a conformação a quente (forjamento, laminação) e a conformação a frio (trefilação, laminação). O cobre é dúctil e maleável a frio, de acordo com a sua estrutura cristalina. Por deformação a frio, endurece facilmente e tanto mais quanto maior for a deformação e, por isso, é conveniente efetuar um recozimento para ir eliminando o endurecimento obtido, a não ser que o trabalho de deformação é realizado a quente. O módulo de elasticidade longitudinal médio é de 11.900 kgf/mm2 (119 GPa). Os valores da dureza e da resistência à tração são bastante diferenciados entre as temperaturas baixas e as temperaturas elevadas, diminuindo o limite de elasticidade muito rapidamente acima de 200 oC.

O cobre comercial contém sempre impurezas que vão influir nas suas propriedades físicas, em particular na condutividade elétrica, e nas propriedades mecânicas, de cuja natureza e teor, dependem do processo de fabricação. O

cobre mais puro ( > 99,99%) é obtido por eletrólise. As principais impurezas que podem existir no cobre são a prata, ferro, estanho, chumbo, zinco, níquel, cobalto, arsênio, antimônio, bismuto, selênio, enxofre, oxigênio, etc. Estas impurezas, mesmo em quantidades pequenas atuam prejudicialmente sobre a condutividade elétrica, particularmente, o fósforo, o ferro e o arsênio. Por exemplo, 0,04% de fósforo reduz a condutividade a 75% em relação ao cobre puro. A redução de condutividade é devida a deformação da rede cristalina provocada pelos átomos das impureza, a qual dificulta o transporte dos elétrons.

Figura 4.4 - Efeito das impurezas na condutividade elétrica do cobre.

Tem tendência a dissolver certos gases como o dióxido de enxofre (SO2) e o dióxido de carbono (CO2) que, durante a solidificação produz poros. Também dissolve o oxigênio. O oxigênio forma dióxido cuproso (Cu2O) solúvel no metal líquido e pode dar o eutético Cu-CuO2 que funde em torno de 1.065 oC e que, depositando-se nos contornos de grão, torna o metal frágil.

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Propriedades físicas

Massa atômica: 63,57 g Peso específico: 8,94 kgf/dm3

Estrutura cristalina (20 oC): CFC, a = 0,360 nm Ponto de fusão: 1.083 oC [1.356,15K] Ponto de ebulição: 2.360 oC Coeficiente de dilatação térmica linear: (20 oC): 16,8 x 10-6/ oC [16,8.10-6/K] Resistividade: (20 oC): 1,95 µΩ.cm [1,95.10-8 Ω.m] Condutividade térmica: (20 oC): 0,94 cal.cm-1.s-1. oC-1 [390 - 398 W/m.K] Calor específico: 383 - 387 J/kg.K Calor latente de fusão: 200 - 208 kJ/kg Temperatura máxima de serviço: 350 - 360K Constante dielétrica: Não se aplica Propriedades mecânicas Ductilidade: 0,23 - 0,25 % Coeficiente de Poisson: 0,34 - 0,35 Dureza: 43 a 46 HB [430 a 460 MPa] Módulo de cisalhamento: 45,1 - 47,4 GPa Módulo de elasticidade longitudinal: 122 - 128 GPa Resistência ao impacto: Limite elástico: 28 a 40 MPa Tenacidade a ruptura: 100 - 106,7 MPa.m1/2 Tensão de compressão: 28 - 40 MPa Tensão de ruptura por tração: 145 a 160 MPa Propriedades químicas

O cobre puro apresenta boa resistência a corrosão. Tem um potencial de dissolução cujo valor se situa entre os metais nobres, mas não se passiva e as películas formadas pelos produtos de corrosão são pouco resistentes, não dando qualquer proteção. Assim, o cobre não se altera ao ar seco, mas reveste-se de uma camada esverdeada no ar úmido, sobretudo em presença de dióxido de enxofre (SO2) e de ácido sulfídrico (SH2). Resiste muito bem a água do mar, sofrendo ataque uniforme em torno de 1 µm/ano. Tratamentos térmicos Esta fragilidade pode ser eliminado por meio de recozimentos e forjamento feito convenientemente. A presença de hidrogênio, em uma atmosfera redutora, pode reduzir o óxido de cobre com formação de vapor de água e tornar o metal poroso e frágil. Por estes motivos o teor de oxigênio deve ser inferior a 0,10% e o total de impurezas inferior a 0,4%. Aplicações As aplicações mais importantes do cobre são conseqüências da elevada condutividade elétrica e boa resistência a corrosão. A aplicação principal é para

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fabricação de condutores elétricos, trocadores de calor, condensadores e tubulações para água do mar, doce e vapor saturado.

4.3.1 - LIGAS DE COBRE

Cada elemento adicionado o cobre permite obter ligas com diferentes características tais como: maior dureza, resistência a corrosão, resistência mecânica, usinabilidade ou até para obter uma cor especial para combinar com certas aplicações. Em maior ou menor proporção diversos elementos são miscíveis com o cobre no estado sólido e dão lugar a uma solução sólida α, ou seja, a microestruturas idênticas as que correspondem a ligas tenazes e dúcteis. Os elementos que, geralmente, mais entram na composição das ligas de cobre são, por ordem decrescente de solubilidade, o níquel, o zinco, o alumínio e o estanho. Apenas no caso do níquel a solubilidade é total, quer no estado líquido quer no estado sólido. Com os outros três componentes há formação de diversas fases intermediárias à medida que os teores vão aumentando. O aparecimento de uma segunda fase, a fase β, melhora a resistência mas piora a ductilidade e logo que a liga contenha outras fases, além de α e β, a liga deixa de ter interesse industrial dada a sua elevada fragilidade. Igualmente a adição de um terceiro componente dá lugar a constituintes duros e frágeis que comprometem a tenacidade da liga. São, então, ligas, monofásicas (sol, sol. α) todas as ligas de cobre e níquel; podem ser monofásicas (α) ou bifásicas (α + β) as ligas de cobre-alumínio, cobre-zinco e cobre-estanho considerando apenas as ligas em que os teores do segundo componente têm interesse industrial. 4.3.1.1 - Latão É uma liga formada por cobre e zinco sendo que a quantidade de zinco pode variar de 5% a 45%. Sua temperatura de fusão varia de 800 ºC a 1.070 ºC, pois depende do teor de zinco que apresenta, quanto maior, mais baixa para a temperatura de fusão. Está liga é utilizada em moedas, medalhas, bijuterias, radiadores de automóveis, ferragens, cartuchos, fechaduras, alças de móveis, etc. É uma liga dúctil, boa condutora de eletricidade e calor, boa resistência mecânica, excelente resistência à corrosão. Pode ser fundida, forjada e estirada ao frio, etc. Quando contém até 30% de zinco, o latão é conformado por estiramento, corte, dobramento, e usinagem, pode se unir por solda de estanho e solda de prata; aceita quase todos métodos de conformação, a quente e frio. O latão que tem entre 40 à 45% de zinco, é usado na fabricação de barras para enchimento, usadas na solda forte de aços-carbonos e outros mais. A cor do latão varia de acordo com a porcentagem de cobre que a liga apresenta, conforme mostra o quadro abaixo: Porcentagem de zinco ( % )

2 10 15 a 20 30 a 35 40

Cor Cobre Ouro velho Avermelhado Amarelo brilhante

Amarelo claro

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Diversos elementos químicos podem ser adicionados em sua composição, mas os teores admissíveis dependem do fim a que se destina a liga. Por exemplo, o chumbo e o bismuto, de baixo ponto de fusão, devem ser limitados a 0,02% e 0,002% respectivamente para trabalhos a quente. Para melhorar a resistência mecânica e a corrosão do latão, outros elementos de liga são adicionados em sua composição como: o alumínio, o estanho, o níquel, o ferro, o manganês e o silício. A influência deles são: Chumbo: Acima de 0,1% pode criar descontinuidades na estrutura da liga favorescendo a usinabilidade e em proporções superiores a 3%, diminui a resistência mecânica, aumentando a fragilidade; Alumínio: Influencia na resistência a tração. É utilizado nos latões de alta resistência mecânica. Sua adição é limitada pelo aparecimento da fase γ. Quando latão ao alumínio é utilizado na solda e na fundição, aparece um filme de óxido de alumínio, que no interior da liga, destrói a coesão da liga. Melhora a resistência à corrosão por cavitação; Estanho: Aumenta a resistência à tração, mas diminui a ductilidade quando é usado teores acima de 1%. É resistente à corrosão em atmosferas marinhas. É empregado na fabricação de peças para construção de barcos; Ferro: Terores acima de 0,25% facilita a introdução do chumbo. Para terores acima de 0,7% e, em presença de silício, há formação de manchas escuras. Entre 0,8 a 1,3% refina o grão. Quanto as propriedades mecânica, só e perceptível com teores acima de 2% e pode apresentar o composto metálico FeZn10, que diminui a resistência a corrosão por águas salinas e aumenta a tendência a fratura intergranular; Manganês: Forma solução sólida e aumenta a solubilidade do ferro no latão. É o elemento mais utilizado para obter latões de alta resistência; Níquel: Dá a cor prateada no latão, além de melhorar a refletividade. Aumenta a resistência a corrosão. É usado no lugar do bronze para fabricar molas, casquilhos de mancais. Silício: Melhora a fluidez, quando em estado líquido e, por isso, é utilizado na fundição por injeção. Propriedades físicas Peso específico: 7,8 a 8,8 kgf/dm3

Calor específico: 372 - 383 J/kg.K Calor latente de fusão: 220 - 240 kJ/kg Coeficiente de dilatação térmica linear: 16,5 - 20,7 x 10-6/K Condutividade térmica: 110 - 220 W/m.K Ponto de fusão: 1.150 - 1.340K Temperatura máxima de serviço: 370 - 480K Resistividade: 3,09 - 20,89 x 10-8 ohm.m Propriedades mecânicas Ductilidade: 0,05 - 0,55 % Coeficiente de Poisson: 0,34 -0,35 Dureza: 460 - 3.000 MPa Módulo de cisalhamento: 33 - 46 GPa Módulo de elasticidade longitudinal: 90 - 120 GPa Limite elástico: 70 - 500 MPa Tenacidade a ruptura: 30 - 86 MPa.m1/2

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Tensão de compressão: 70 - 500 MPa Tensão de ruptura por tração:150 - 850 MPa Constituição

Figura 4.5 – Diagrama de fases da liga Cu-Zn. Do diagrama de fases da liga Cu-Zn, acima, aparece as seguintes fases do latão comercial. % Zn α α + β γ Após solidificação 0 - 32,5 32,4 - 36,8 36,8 - 56,5 Temperatura. ambiente 0 - 36,0 36,0 - 46,6 46,6 - 50,6 A estrutura cristalina da fase α é cúbica de face centrada (CFC) e a das fases β e γ é cúbica de corpo centrado (CCC). A fase β atribui-se a composição CuZn e a fase γ, Cu5Zn8. Dado que a fase γ é demasiado frágil e as ligas com interesse industrial ficam limitadas as de teor de zinco inferior a 50%. Deve-se ainda notar que a solubilidade do zinco na solução sólida α aumenta até à temperatura de 453 oC (29%), decrescendo depois até a temperatura ambiente. Entre 470 oC e 453 oC a fase β sofre uma transformação ordem ⇔ desordem, aparecendo a forma ordenada β’. Industrialmente, as ligas utilizadas são as ligas monofásicas α ou β e as bifásicas α + β’, com percentagens de zinco que variam de 10 a 45%. Muitos dos elementos que se adicionam aos latões modificam a sua microestrutura, exceto o níquel que tem efeito contrário, fazendo aparecer mais cedo o constituinte β.

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Latões α: Nas ligas monofásicas, a resistência e o alongamento aumentam com o teor de zinco, este último com um máximo de 30% de Zn. Estas ligas têm uma

boa aptidão a conformação a frio. Acima de 500 oC a maleabilidade é fraca. A resistência ao impacto no intervalo de 350 oC a 650 oC é extremamente baixa, mas a resistência a fluência a temperaturas elevadas, é superior é das ligas bifásicas. Endurecem fortemente por deformação a frio e necessitam, tal como o cobre, de recozimentos freqüentes; os latões α são ainda particularmente sensíveis ao tamanho de grão, mas tem boa resistência a corrosão por águas salinas.

Figura 4.6 – Micrografias de latões. a) Cu-Zn 33% (laminado e recozido) [fase α]; b) Cu-Zn 40% (fundido) [fase α + β’] ; Cu-Zn 24,7% Sn 2,4% Pb 2,9% [fase α + Cu3Sn]; Cu-Zn 34% Mn 1,7% Ni 3,12% Pb 1,92% [fase α + nódulos de Pb].

Latões α + β: Nestas ligas bifásicas, o alongamento diminui, mas a resistência e a dureza aumentam com a proporção da fase β, alcançando o máximo para 100% desta fase e passando a diminuir logo que aparece a fase frágil γ. À temperatura ambiente, a fase β’ é mais dura que a fase α e pouco deformável a frio. No entanto a 470 oC, após a transformação ordem-desordem torna-se repentinamente macia e, a 800 oC, é muito mais fácil de deformar do que o constituinte α. Este fato torna estas ligas facilmente conformados a quente, sendo, por isso, laminadas a quente entre 650 e 800 oC. Latões β + γ : As ligas bifásicas β + γ são duras e extremamente frágeis. Apenas se usa a liga com 50% de Zn devido ao seu baixo ponto de fusão para união de metais por brasagem.

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As principais

propriedades com interesse técnico são: resistência a corrosão; aptidão a brasagem, aptidão a conformação a frio (latão α); aptidão a conformação a quente (latão β); usinabilidade (sobretudo com adição de chumbo); aptidão a niquelagem e a cromagem. Desta forma, as propriedades de um latão dependem da relação dos volumes das fases presentes. A figura abaixo mostra a correlação existente entre a composição de zinco e as propriedades mecânicas.

Figura 4.7 - Diagrama do comportamento mecânico dos latões. Tratamentos térmicos

Os tratamentos mais usados são os de recozimentos para recristalização e os de alívio de tensões que se efetuam nos produtos endurecidos por deformação a frio. O primeiro permite prosseguir a operação de conformação. O alívio de tensões é efetuado em torno de 300 oC durante 1 hora, sobretudo para eliminar as tensões residuais provocadas nas ligas bifásicas α + β’ após deformação a frio. As tensões residuais sensibilizam os latões a um tipo particular de corrosão - trincas espontâneas - que se manifesta por fratura intergranular em ambientes corrosivos fracos como a atmosfera ambiente e pode ser acelerada pela presença de certos elementos como o ferro, e talvez o chumbo, e certos reagentes coma o amoníaco.

Após o vazamento, a estrutura dos latões é dendrítica e, portanto, zonada e torna-se necessário um recozimento para homogeneização a 600 - 650 oC, de modo a obter um grão uniforme e adequado aos tratamentos mecânicos. Quando o recozimento é efetuado acima de 700 oC aparece grão grosso e após a deformação reconhece-se pelo aspecto da superfície “casca de laranja”. Estes latões podem recuperar-se por recozimento a 800 oC após deformação a frio.

Pode-se aplicar têmpera nas ligas Cu-Zn 40 a partir de 600 oC em que a liga se encontra na fase β. Suprime-se assim a fase α que pode precipitar no resfriamento segundo certos planos cristalográficos da fase β inicial ou nos contornos de grão, o que aumenta a resistência, mas diminui a ductilidade. O aquecimento de latões dá lugar a alteração da superfície devido a oxidação e volatilização do zinco.

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Aplicações

Dada a variação da resistência a corrosão e das propriedades mecânicas com o teor de zinco, as aplicações de latões são bastante diversificadas. Os latões α se destinam especialmente a laminação a frio, estiragem, fabricação de tubos e prensagem. Pertencem a este grupo entre outros as seguintes ligas:

- Cu-Zn 5, usada para medalhas, moeda e objetos decorativos e ainda pequenos cartuchos de amas;

- Cu-Zn 15, usada em imitações de joalharia, devido à semelhança da sua cor com o ouro, e para artigos obtidos por conformação;

- Cu-Zn 30, utilizada em trocadores de calor, evaporadores e aquecedores; na indústria elétrica, nas cápsulas e rosca das lâmpadas; na construção mecânica, na fabricação de cartuchos, rebites, pregos e parafusos.

Figura 4.8 - Aplicações dos latões. 4.3.1.2 - Bronze

É uma liga formada por cobre e estanho, sendo que a quantidade de estanho pode chegar até 20%. O bronze apresenta elevada dureza e boa resistência mecânica a corrosão, e também é um bom condutor elétrico. Atualmente a proporção de estanho que é adicionada ao cobre é de até 12%, sendo que estas quantidades variam de acordo com as propriedades que se quer aproveitar. O bronze com até 10% de estanho pode ser laminado e estirado e tem alta resistência a tração, a corrosão e à fadiga. As ligas com esta faixa de estanho (10%) são usadas para fabricação de parafusos e engrenagens para trabalho pesado, mancais e componentes que suportam pesadas cargas de compressão, tubos, componentes para industria têxtil, química e de papel. A liga de cobre e estanho que é desoxidada com fósforo, chama-se bronze fosforoso. Este bronze possui 98,7% de cobre e 1,3% de estanho. Podem ser conformados por dobramento, recalcamento, prensagem e forjamento em matrizes, sendo facilmente unido por meio de solda, forte, de solda prata. O bronze também pode receber pequenas quantidades de outros elementos cuja influência é descrito abaixo: Alumínio: Com 0,005% pode apresentar de zonas de porosidade devidas a retração ou à retenção de gases pela película de alumina; Antimônio: Dá com o cobre diversas fases intermediárias que aumentam a dureza mas igualmente a fragilidade. O seu teor é, geralmente, limitado a 0,3%. Só se usa em casos especiais; Bismuto: Causa fragilidade devido a formação de uma película intergranular para teores superiores a 0,04%; prejudicando a laminação;

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Chumbo: O cobre e o chumbo não são miscíveis no estado líquido para teores de chumbo de 36 a 92,5%, dando, devido à diferença de densidade, lugar a heterogeneidades difíceis de evitar. Por este motivo o teor de chumbo nos bronzes está limitado a 30%, entretanto, a presença de 1% de níquel tende a uniformizar a distribuição dos glóbulos de chumbo na matriz. Mesmo em teores baixos prejudica a laminação. Embora, em proporção limitada (< 4%), não é praticamente solúvel no bronze α, facilita o vazamento e melhora o aspecto superficial da peça (ausência de porosidade) e, portanto, a estanqueidade das peças fundidas; em porcentagem superior a 2% prejudica a resistência mecânica, mas facilita a usinagem: Ferro: Endurece e torna os bronzes frágeis com teores superiores a 0,2%; Fósforo: Entra na composição de bronzes bifásicos cujos constituintes são a solução sólida α e o eutectóide. Aumenta a dureza visto que, reduzindo a solubilidade do estanho na solução sólida α, aumenta a quantidade de eutectóide. Para teores de 0,3% de P e 10% de Sn forma-se o constituinte Cu3P, duro que vem, em geral, associado a fase α; Zinco: Diminui a dureza da solução sólida α o que se aproveita na cunhagem de moedas e medalhas. Melhora a fluidez no estado líquido visto que abaixa o ponto de fusão.

Propriedades físicas Peso específico: 8,5 a 9 kgf/dm3

Calor específico: 140 - 800 J/kg.K Calor latente de fusão: 220 - 240 kJ/kg Coeficiente de dilatação térmica linear: 16,5 - 19 x 10-6/K Condutividade térmica: 50 - 90 W/m.K Ponto de fusão: 1.140 - 1.340K Temperatura máxima de serviço: 420 - 450K Resistividade: 7,08 - 19,95 x 10-8 ohm.m Propriedades mecânicas Ductilidade: 0,02 - 0,6 % Coeficiente de Poisson: 0,34 -0,35 Dureza: 460 - 2.400 MPa Módulo de cisalhamento: 25 - 46 GPa Módulo de elasticidade longitudinal: 70 - 120 GPa Limite elástico: 65 - 500 MPa Tenacidade a ruptura: 24 - 90 MPa.m1/2 Tensão de compressão: 65 - 700 MPa Tensão de ruptura por tração:140 - 800 MPa Constituição

A figura 4.9 representa o diagrama de equilíbrio do sistema de ligas cobre e estanho. Comporta sete fases α, β, γ, δ, ξ, ε, e η, cinco pontos peritécticos, um ponto eutéctico e quatro pontos eutectóides. Após solidificação, e para teores de estanho de 0% a 13,5%, a 799 oC, forma-se a solução sólida α de estrutura cristalina cúbica de face centrada. Esta solubilidade aumenta até 15,8% de Sn à temperatura de 520 oC para se reduzir progressivamente a 1% à temperatura ambiente. Para ligas com 13,5% < Sn < 25,5%, dá-se a 799 oC uma reação

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peritéctica de que resulta o aparecimento da fase β, solução sólida de estrutura cúbica de corpo centrado. Assim, neste intervalo as ligas podem ser bifásicas, α + β, ou monofásicas, β. Por resfriamento, a fase β transforma-se em γ a 586 oC e esta, por sua vez, a 520 oC sofre a transformação eutectóide (27% de Sn), βαγ +→ , tal como nos aços, a austenita, fase γ, se transforma a 723 oC em ferrita e cementita. A solução sólida intermediária γ é de estrutura cúbica de faces

centradas e o constituinte parece ser o composto intermediário Cu31Sn8, muito duro e frágil; para fase ε atribui-se a composição Cu3Sn. Entretanto, como o equilíbrio é difícil de se obter, a estrutura α + ε só se obtém depois de tratamento térmico prolongado a baixa temperatura nas ligas de até 15% de Sn. As ligas fundidas estão fora de equilíbrio e tem uma estrutura α + eutectóide (α + δ).

Figura 4.9 - Diagrama de fases da liga binária Cu-Sn.

a) b) c) Figura 4.10 - Micrografias de bronzes. a) Cu-Sn 5% (laminado e recozido) [fase α]; b) Cu-Sn

16% (recozido) [fase α + δ] ; c) Cu-Sn 10%, Pb 5%. Os bronzes industriais, em que Sn é menor que 20% (com exceção dos destinados a sinos), são então constituídos à temperatura ambiente ou só pela fase α, monofásicas, ou pelas fases α + δ, a não ser que por têmpera se mantenha a fase β à temperatura ambiente. O limite entre estas duas estruturas parece tender para a do cobre quando a temperatura abaixa; mas o equilíbrio não é atingido a baixa temperatura senão em condições especiais (endurecimento a frio e recozimento prolongado) e, na prática, o limite entre os dois domínios é marcado aproximadamente pela linha pontilhada no diagrama. Por outro lado, o grande intervalo de solidificação dá lugar a zonamento pronunciado e a difusão é tão lenta que o constituinte δ chega a aparecer em fundições com 7% de Sn.

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Deste fato resulta que, ligas com maior porcentagem de estanho são de difícil laminação, a não ser após recozimentos prolongados para homogeneizar a solução sólida. Assim, as ligas de alto teor de estanho são deformáveis a quente (fases α + β) ou deformáveis a frio após recozimento e têmpera.

No que se refere às propriedades mecânicas, verifica-se que melhoram

com o teor de estanho até 13% (sol, sólida α), mas a partir deste valor as ligas tornam-se cada vez mais frágeis e duras devido à presença da fase δ. Bronzes α: São maleáveis a frio e a quente, enquanto que os outros bronzes só podem ser trabalhos a quente acima de 600 oC para se obter as soluções sólidas α e β; por deformação a frio podem adquirir características mecânicas interessantes. No entanto, o teor de estanho deve ser tanto mais baixo quanto o trabalho for mais difícil. Por isso é limitado a 4% na fabricação de tubos; a 7% nas ligas destinadas a fabricação de fios; mas para folhas laminadas pode alcançar 10%. Uma dessas propriedades mais interessantes, que e aproveitada na fabricação de molas, resulta de, após endurecimento a frio, apresentar um elevado limite de elasticidade. De um modo geral, estas ligas têm boa resistência ao desgaste e muito boa soldabilidade. Bronzes α + ε: Estas ligas têm boas propriedades autolubrificantes, visto que apresentam grãos duros em uma matriz muito plástica (α). Dado o intervalo de solidificação, as peças fundidas de bronze são melhores, no que se refere a homogeneização da matriz do que os latões. devido a menores retrações. Em contrapartida, são mais caras. A cor dos bronzes varia apreciavelmente com o teor de estanho, sendo avermelhada até 5% e amarelo claro acima de 15%. Tratamentos térmicos

O recozimento é amplamente utilizado para homogeneizar os produtos fundidos e para redução de dureza devido ao encruamento por deformação a frio. Se efetua têmpera nos bronzes com mais de 13% de Sn para evitar a precipitação da fase δ. É uma têmpera martensítica em que as fases são α ou α + β de acordo com o teor de estanho. Da mesma forma pode-se evitar, por têmpera, a estrutura α + δ, mantendo-se a fase β à temperatura ambiente, do que resulta melhor resistência e facilidade de deformação devido ao fato de, ao contrário do que acontece nos aços, o material fica mais macio dada a ausência da fase δ. No entanto, este tratamento não é, em geral, aconselhado visto que há outras ligas mais baratas que os bronzes com propriedades equivalentes obtidas por este tratamento. Por este motivo ligas com teores de Sn maiores que 7% são usadas apenas em fundição. Aplicações

As qualidades autolubrificantes e boa resistência à corrosão são as principais aplicações dos bronzes. Por outro lado, a dificuldade de usinagem e boas qualidades de fundição levam a utilizá-los principalmente sob a forma de peças fundidas:

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- As ligas de 4% a 10% de Sn são usadas para fabricação de medalhas e moedas;

- As ligas de 10% ou 12% de Sn são usadas para fabricação de torneiras, acessórios de tubulações, casquilhos, discos de fricção;

- As ligas de 14% ou 18% de Sn são usadas para fabricação de peças que exijam boa resistência ao desgaste por abrasão e resistência a água do mar.

Figura 4.11 - Aplicações do bronze. Os bronzes com teor acima de 20% de Sn são usados para fabricação de sinos onde a sonoridade parece estar relacionada a fase δ (Cu31Sn8), podendo o teor de estanho atingir 30% com baixos teores de zinco e de chumbo. Com o desenvolvimento da tecnologia foram criados os bronzes especiais que contém pouco estanho ou que não contém estanho. Bronze ao zinco: Corresponde a composições de até 2% de zinco e esse teor é sempre inferior ao de estanho. As ligas de 3,5% de Sn e 1,5% de Zn são empregados na fabricação de moedas e medalhas. Bronze ao fósforo: São também chamados bronze fosforoso. Nas ligas destinadas a fundição o estanho varia de 5 a 13% e o fósforo de 0,3% a 1%. Usam-se para peças de máquinas resistentes ao desgaste ou sujeitos a esforços elevados como rodas dentadas. Bronze ao chumbo: Os teores de chumbo podem variar de 8 a 20% e até 30% e o estanho até 10%. Podem funcionar sem lubrificante e suportam cargas maiores que as ligas antifricção. Bronze de alumínio: Possui normalmente 13% de alumínio, sendo que é empregado na laminação a frio de chapas resistentes a corrosão, na fabricação de tubos de condensadores, evaporadores e trocadores de calor, recipientes para industria química, autoclaves, instalações criogênicas, componentes de torres de resfriamento, engrenagens e ferramentas para conformação de plásticos, hastes e hélices mavais, buchas e peças resistentes à corrosão. Bronze ao silício: Com até 4% de silício, apresenta alta resistência à ruptura e alta renacidade. É usado para fabricação de peças para a indústria naval, pregos, parafusos, tanques para água quente, tubos para trocadores de calor e caldeiras. Bronze ao berílio: Contém até 2% de berílio, possui alta resistência a corrosão e à fadiga, alta condutividade elétrica e alta dureza, conservando a tenacidade. Estas características são adquiridas após o tratamento térmico. Por sua alta resistência mecânica e propriedades anti-faiscantes, essa liga é indicada para equipamentos de soldagem e ferramentas elétricas não faiscante.

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4.3.1.3 - Ligas de cobre-alumínio As composições mais usuais satisfazem os seguintes tipos: Cu-Al - Cu > 90% e Al < 10%; Cu-Al - Fe - Cu > 90%; Al < 7,5% e Fe < 2,5%; Cu-Al-FeNi - Al > 15% e Fe + Mn + Ni < 15%. As adições de manganês, ferro e níquel melhoram o limite de elasticidade longitudinal das ligas bifásicas. O manganês melhora a fluidez no estado líquido. Constituição

Os domínios do diagrama de

equilíbrio relacionados com as ligas que,

industrialmente têm mais interesse, estão representados na figura abaixo. O diagrama abrange os teores de 0 a 100%, embora as ligas industriais raramente tenham mais de 12% de Al.

Figura 4.12 - Diagrama de fases da liga binária Cu-Al. Após a solidificação forma-se solução sólida α com até 7,4% de Al a 1.036 oC, porcentagem que aumenta até 9,4% por resfriamento a 565 oC, mantendo-se este valor até temperatura ambiente. Entretanto, como há dificuldade em estabelecer o equilíbrio, a fase β aparece já para 7% de Al. Para teores de Al > 7,4% aparece uma mistura de α + β ou só a fase β. As fases α + β correspondem a um eutéctico de 8,3 % de Al formado a 1.036 oC, temperatura bastante elevada que provoca a sua coalescência de modo que, à temperatura ambiente, não se encontra a microestrutura eutéctica. Quando a temperatura baixa, o domínio β reduz-se e desaparece a 565 oC dando lugar ao eutectóide α + γ2, com cerca de 12% de alumínio, e que é do tipo lamelar. Assemelhando-se a perlita dos aços. A fase β é mais dura e mais frágil que a fase α, mas, como a dos latões, pode ser trabalhada a quente. A fase γ2 é muito dura e frágil e a sua existência em pequenas quantidades aumenta a resistência da liga e, em grandes quantidades, fragiliza o material e, por isso, o teor de alumínio raramente vai além de 12%.

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As ligas de cobre alumínio que se utilizam são todas hipoeutectóides, sendo monofásicas (α) de teor de alumínio até 8,5% (na prática 7%) e bifásicas (α + eutectóide ou α + β) as de 8,5% e 12% de Al. Estas têm um ponto de fusão relativamente elevado ( > 1.000 oC) e um intervalo de solidificação muito estreito. Estes dois fatos dão lugar a forte retração na fundição e tendência notável para rechupe ou vazio. A compacidade das peças de fundição espessa, como hélices de turbinas, pode ser comprometida pelos gases que tendem a desenvolver-se no decurso da solidificação, devendo por isso a liga, no estado líquido, ser cuidadosamente desgasificada. Da mesma forma a presença de alumínio dá lugar a formação de uma película de alumina na superfície do banho que pode ser arrastada para o interior e comprometer a coesão da liga. Ligas α: A resistência cresce regularmente com o teor de alumínio e, por isso, a liga mais usual é a que tem em torno de 7% de Al. Endurecem por deformação a frio e são facilmente conformáveis a frio ou a quente. Dão estrutura maclada por recozimento, após trabalho a frio. Ligas bifásicas, (α + γ2): Têm características mecânicas mais elevadas que as anteriores com exceção da resiliência. Destinam-se ao trabalho a quente, forjamento, lamiminação ou fundição sob pressão. Não apresentam zona de fragilidade a quente e, como o solidus corresponde a temperaturas mais elevadas que nas outras ligas de cobre. As ligas de cobre-alumínio têm um módulo de elasticidade de 11 GPa e peso específico de 7,6 kgf/dm3, permitindo grande economia de material em relação a outras ligas de igual resistência. A liga de 20% de Al, temperada e revenida, tem características idênticas a de um aço meio doce. Devido a película protetora de alumina que se forma na superfície, estas ligas resistem bem a atmosferas urbanas ou marítimas e a água doce e salina. Tratamentos térmicos Estas ligas, tal como os aços, têm possibilidade de ser submetidos a tratamentos térmicos. A têmpera martensítica realiza-se a partir da temperatura de 850 oC a 900 oC e é seguida de revenido a 550 - 650 oC durante 2 h. A têmpera impede a precipitação do eutectóide e o revenido dá lugar a um precipitado muito fino. Se a liga for revenida entre 350 oC a 560 oC formam-se pequenas partículas do constituinte e a estrutura é semelhante a perlita fina, isto é, α + β → α + (α + γ2). Aplicações Dadas as boas propriedades mecânicas e resistência à corrosão, aplicam-se em construção mecânica, hélices, tubos de condensadores, peças de bombas, moedas, etc. Devido à sua cor, semelhante ao ouro são usadas em bijuteria. Ligas de 5 a 7% de Al - Tubos de trocadores de calor; Ligas de 9 a 10% de Al - Instrumentos elétricos, recipientes para substâncias ácidas e alcalinas; Ligas de 8% de Al, 3% de Fe, 12% de Mn - É a liga superstone; de alta resistência ao impacto (40 J Izod) e tensão de ruptura a tração 70 kgf/mm2.

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4.3.1.4 - Cuproníquel As últimas ligas do cobre são aquelas que o níquel participa com 5 a 50%. São maleáveis e resistem particularmente bem corrosão. São sensíveis a corrosão sob tensão apenas em meio amoniacal. Esta sensibilidade é máxima para 12% de Ni e desaparece, conforme o teor de ferro presente, para 40% de Ni (0,1% de Fe) ou para 30% de Ni ( 0,5% < Fe < 1%). A partir de 20% de níquel, a liga apresenta cor branca. Essas ligas têm boa ductilidade, resistência mecânica e a oxidação, boa condutividade térmica; facilmente conformáveis, pode ser transformadas em chapas, tiras, fios, etc. Podem ser unidas pela maioria dos métodos por solda forte e por solda de estanho. Até 30% de níquel a liga é usada em medalhas e na fabricação de resistores, etc. As ligas com teores de níquel na faixa de 35 a 57% recebem o nome de constantan e são usadas para fabricação de resistores e termopares. As ligas de cobre e níquel são solúveis no estado líquido e totalmente

miscíveis no estado sólido. Correspondem, portanto, sempre a soluções sólidas do tipo α. A estrutura da solução sólida é cúbica de face centrada; o parâmetro apresenta um mínimo e o peso específico de 8,94 kgf/dm3 para 32,2% de Ni. O ponto de Curie desce linearmente de 368 oC (para o níquel puro) para 0 oC na liga com 31,5% de Cr.

Figura 4.13 - Diagrama de fases da liga binária Cu-Ni. Propriedades físicas Material 90/10 80/20 70/30 Composição 10% de Ni /

1,5% de Fe / 1% de Mn / Cu

20% de Ni / 0,5% de Mn /

Cu

30% de Ni / 1,25% de Fe / 0,8% de Mn/

0,5% de Si / CuPeso específico (kgf/dm3): 8,7 - 8,75 8,85 - 8,89 8,85 - 8,89 Calor específico (J/kg.K): 384,5 - 384,6 384,8 - 384,9 384,8 - 384,9 Calor latente de fusão (kJ/kg): 220 - 240 220 - 240 220 - 240 Coeficiente de dilatação térmica linear (10-6 K-1): 16 - 17 16 - 17 16 - 17 Condutividade térmica (W/m.K): 30 - 33 19 - 23 40 - 44 Ponto de fusão: 1440 - 1450 1460 - 1510 1390 - 1420 Temperatura máxima de serviço: 470 - 480 440 - 470 420 - 450 Resistividade (ohm.m): 26,9 - 30,9 32,4 - 37,15 20,42 - 22,91

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Propriedades mecânicas Material 90/10 80/20 70/30 Composição 10% de Ni /

1,5% de Fe / 1% de Mn / Cu

20% de Ni / 0,5% de Mn /

Cu

30% de Ni / 1,25% de Fe / 0,8% de Mn/

0,5% de Si / CuDuctilidade (%): 0,2 - 0,3 0,38 - 0,4 0,3 - 0,35 Coeficiente de Poisson: 0,34 - 0,35 0,34 - 0,35 0,34 - 0,35 Dureza (MPa): 1200 - 1650 800 - 850 1000 - 1100 Módulo de cisalhamento (GPa): 53,7 - 55,5 53,7 - 55,5 53,7 - 55,5 Módulo de elasticidade longitudinal (GPa): 145 - 150 145 - 150 145 - 150 Limite elástico (MPa): 310 - 490 110 - 120 128 - 140 Tenacidade a ruptura (MPa.m1/2): 29,7 - 41,3 70,4 - 73,1 65,5 - 68,3 Tensão de compressão (MPa): 310 - 490 110 - 120 128 - 140 Tensão de ruptura por tração (MPa): 400 - 550 330 - 340 290 - 310 Tratamentos térmicos Após recozimento, as microestruturas são idênticas. O recozimento de amolecimento é feito a 550 oC - 690 oC e não deve ir além de 800 oC para evitar a precipitação de carbono presente. Aplicações Ligas de Ni < 25% - Moedas e tubos de condensação para água do mar; Ligas de 35% a 50% de Ni (constantan) - É usada em resistências elétricas e termopares. A sua resistividade elétrica é de 41 µΩ.cm e praticamente independente da temperatura no intervalo de 20 a 250 oC. Severamente deformada, o valor da tensão de ruptura a tração é igual a 77 kgf/mm2. Ligas de 54% a 66% de Cu, 9% a 26% de Ni e 17 a 45% de Zn (alpacas ) - São utilizados com artigos de decoração de ourivesarias, resistência elétricas. Ligas de 30% de Cu e 67% de Ni (monel ) - São resistentes a água salina, álcalis, ácidos sulfúrico, sulfuretos de sódio. Tem pouca resistência ao ácido nítrico e cianetos. As características mecânicas do monel recozido são σe = 250 MPa, σe = 550 MPa, e 70 HB de dureza; e do monel extrudado, σe = 600 MPa, σe = 770 MPa, e 100 HB de dureza.

Figura 4.14 - Aplicações do cuproníquel. 4.3.1.5 - Ligas de cobre e berílio Estas ligas apresentam elevada resistência à tração e à fadiga e elevado limite de elasticidade, elevada resistência ao desgaste e a corrosão. São utilizadas em molas de instrumentos, tubos de Bourbon, diafragmas e cabos

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flexíveis, clipes, moldes, componentes de alta condutividade e componentes elétricos que necessitam alta resistência mecânica, componentes eletrônicos, em martelos e outras ferramentas quando é necessário propriedades não magnética. São também usadas em matrizes para fundição. A solubilidade do berílio no cobre varia com a temperatura. Com a

composição de 1,8% de berílio e 0,5% de cobalto ou níquel, obtêm-se ligas com características interessantes após endurecimento por revenido devido a precipitação. Por têmpera, a partir de 800 oC, produz-se uma solução macia sobressaturada que pode ser endurecida por trabalho a frio. São, portanto, facilmente deformadas na condição de peça fundida ou temperada.

Figura 4.15 - Diagrama de fases da liga binária Cu-Be. Propriedades físicas Peso específico: 8,25 a 8,75 kgf/dm3

Calor específico: 390 - 413 J/kg.K Calor latente de fusão: 220 - 240 kJ/kg Coeficiente de dilatação térmica linear: 16,5 - 1,5 x 10-6/K Condutividade térmica: 85 - 210 W/m.K Ponto de fusão: 1.135K no eutéctico de 5,3% de Be Temperatura máxima de serviço: 330 - 470K Resistividade: 15,85 - 19,20 x 10-8 ohm.m Propriedades mecânicas Ductilidade: 0,01 - 0,45 % Coeficiente de Poisson: 0,34 -0,35 Dureza: 600 MPa Módulo de cisalhamento: 45 - 52 GPa Módulo de elasticidade longitudinal: 120 - 138 GPa Limite elástico: 110 - 1200 MPa Tenacidade a ruptura: 15 - 70 MPa.m1/2 Tensão de compressão: 110 - 1200 MPa Tensão de ruptura por tração:300 - 1450 MPa

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4.3.1.6 - Ligas de cobre e silício Têm composições dos tipos: Cu > 95%; Si < 5% e Cu > 90%; Si < 3% e Al + Fe + Mn + Sn + Zn < 7%. Só tem interesse as ligas monofásicas até 4% de Si. São maleáveis e dúcteis, embora menos que o cobre. São deformáveis a quente e a frio. Por endurecimento, devido a trabalho a frio, obtém-se resistências muito elevadas (750 MPa para 1% de Si). A condutividade elétrica é melhorada com a adição de 1,4% de níquel, conseguindo-se obter um valor que é 40% em relação ao cobre. São aplicadas nas linhas telefônicas. 4.3.2 - NORMALIZAÇÃO DAS LIGAS DE COBRE As ligas de cobre são classificadas em dois grupos: ligas dúcteis e ligas para fundição. Dentro de duas classificações elas ainda são designadas com sua composição química. Onde está estabelecido é a NBR 7554, é baseada na ASTM. As ligas dúcteis são designadas a seguinte maneira. Classe Liga dúcteis Designação comum C 1XXXX Cobre puro e ligas com alto teor de

cobre Cobre

C 2XXXX Cobre-zinco Latões C 3XXXX Cobre-zinco-chumbo Latões com chumbo C 4XXXX Cobre-zinco-estanho Latões especiais com

estanho C 5XXXX Cobre-estanho Bronzes C 6XXXX Cobre-alumínio, cobre-silício, cobre-

zinco ( especiais ) Bronzes de alumínio, bronze de silício. Latões especiais

C 7XXXX Cobre-níquel ou cobre-níquel-zinco Alpacas As ligas são identificadas pela letra C, seguida de cinco algarismos. O primeiro ou os dois primeiros algarismos indicam a classe do material e os dois últimos referem-se a identificação desse material. Considere a liga C 22000, esse código indica que é uma liga de cobre e zinco, conhecida popularmente como latão. Classe Liga para fundição Designação comum C 80XXX a C 81100 Cobre puro C 81XXX a C 82XXX Ligas com elevado teor de cobre

( exceto 81100 ) Cobre com pequenas adições

C 83XXX a C 84XXX Cobre-estanho-zinco com ou sem chumbo e com teor de zinco igual ou maior que do estanho

Bronzes especiais

C 85XXX Cobre-zinco (com ou sem chumbo )

Latões

C 86XXX Cobre-zinco Latões especiais de

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elevada resistência mecânica

C 87XXX Cobre-silício Bronze de silício C 90XXX a C 91XXX Cobre-estanho; cobre-estanho-

zinco com teor de zinco inferior ao de estanho

Bronzes; bronzes especiais.

C 92XXX Cobre-estanho com chumbo; Cobre-estanho-zinco com chumbo e teor de zinco inferior ao de estanho

Bronzes. Bronzes especiais.

C 93XXX a C 945XX Cobre-estanho com elevado teor de chumbo; cobre-estanho-zinco com elevado teor de chumbo.

Bronzes. Bronzes especiais.

C 947XX a C 949XX Cobre-estanho-níquel com outros elementos

Bronzes com níquel

C 95XXX Cobre-alumínio Bronzes com alumínio

C 96XXX Cobre-níquel-ferro C 97XXX Cobre-níquel-zinco com outros

elementos Alpacas

C 98XXX Cobre-chumbo C 99XXX Ligas diversas

Nesta segunda tabela, o sistema de designação é o mesmo. Veja um exemplo: C 94400, na tabela existem várias ligas da classe 9. A que foi escolhida está entre 93XXX e 945XX, portanto C 94400 é uma liga cobre-estanho com elevado teor de chumbo ou liga de cobre-estanho-zinco com elevado teor de chumbo, designando um bronze comum ou especial.

5 - NÍQUEL E SUAS LIGAS 5.1 - INTRODUÇÃO O níquel comercialmente puro, Ni > 99,98%, é obtido por eletrólise. É um metal branco de brilho intenso quando polido, tendo todas as qualidades mecânicas e tecnológicas que podemos exigir de um metal: maleabilidade, fusibilidade, soldabilidade aliada a uma boa resistência mecânica e tenacidade. Muito importante tanto na metalurgia de ligas ferrosas quanto na de não ferrosas. É mais resistente a corrosão e oxidação do que o ferro. Seu minério é a garnierita com aproximadamente 5% de Ni. O processo de extração se faz de modo semelhante ao do cobre, sendo o níquel bruto submetido, na última fase, a uma refinação eletrolítica. O níquel é um metal que ligado a outros transmite propriedades distintas e características na liga resultante. Para certas ligas assegura resistência a corrosão; a outras assegura módulo de elasticidade constante numa extensa faixa de temperatura.

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5.2 - PROPRIEDADES DO NÍQUEL E SUAS LIGAS 5.2.1 - NÍQUEL

As aplicações mais comuns do níquel e suas ligas são para equipamentos que devem suportar temperatura elevada como pás e discos de turbinas, queimadores, ligas magnéticas, elementos térmicos, tubos de fornos da engenharia química e em tratamentos de superfície como niquelagem de peças. Os principais processos de fabricação de peças a base de níquel são fundição, usinagem, conformação mecânica e metalurgia do pó.

O níquel industrial contém sempre um pouco de carbono, cobalto < 0,5%,

cobre < 0,1%, Fe < 0,25% e Si < 0,25%. O enxofre pela sua ação fragilizante deve ser limitado a 0,005%. O níquel destinado a elaboração das ligas deve ser de no mínimo de 98,5% de pureza. Propriedades físicas Massa atômica: 58,71 g Peso específico: 8,9 kgf/dm3

Estrutura cristalina (20 oC): CFC, a = 0,352 nm Ponto de fusão: 1.451 oC [1.724,15K] Ponto de ebulição: 2.730 oC Coeficiente de dilatação térmica linear: (20 oC): 13,3 x 10-6/ oC [13,3.10-6/K] Resistividade: (20 oC): 6,76 µΩ.cm [6,76.10-8 Ω.m] Condutividade térmica: (20 oC): 0,21 cal.cm-1.s-1. oC-1 [11 -90 W/m.K] Ponto de Curie: 358 oC Calor específico: 381 - 520 J/kg.K Calor latente de fusão: 284 - 300 kJ/kg Temperatura máxima de serviço: 600 oC [873,15K] Propriedades mecânicas Ductilidade: 0,04 - 0,6% Coeficiente de Poisson: 0,3 - 0,32 Dureza: 110 HB Módulo de cisalhamento: 69 - 90 GPa Módulo de elasticidade longitudinal: 180 - 234 GPa Limite elástico: 150 a 1600 MPa Tenacidade a ruptura: 60 - 130 MPa.m1/2 Tensão de compressão: 180 MPa Tensão de ruptura por tração: 400 MPa Alongamento: 40% Estricção: 45%

Estas características, com exceção do módulo de elasticidade longitudinal correspondem ao metal recozido. Como conseqüência da sua estrutura cristalina e como evidenciam as suas propriedades mecânicas, o níquel é muito maleável e é o mais tenaz de todos os metais puros. Oferece também boa resistência ao desgaste.

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Propriedades químicas

O níquel tem elevada resistência á corrosão. E inalterável ao ar úmido e resiste é maior parte dos agentes químicos. Tem boa resistência aos álcalis, amônia, soluções salinas e ácidos orgânicos. É atacado unicamente pelo ácidos nítrico, sulfúrico e clorídrico. Em temperaturas superiores a 375 oC, o níquel é susceptível de um ataque geral bastante ativo e de um ataque intergranular por gases que contenham enxofre ou compostos sulfurados, devido a formação de filmes intracristalinos de Ni3S2 que funde a 787 oC e que pode dar com o níquel um eutéctico de ponto de fusão ainda mais baixo, 645 oC. A dessulfuração é feita com manganês e magnésio que dão lugar a sulfuretos que não formam eutécticos com o níquel. A absorção de oxigênio fragiliza o metal e na sua desoxidação utilizam-se adições de boro e de titânio.

Aplicações As principais aplicações do níquel residem na excelente resistência a corrosão e como componente de diversas ligas. Cerca de 64% do Ni produzido é empregado para adições no aço e no ferro fundido, 14% às ligas de Cu e Zn, 9 % em ligas à base de níquel tais como Ni maleável, 9 % em galvanoplastia e 3% para ligas de resistência elétrica e peças resistentes ao calor. Assim, emprega-se nas indústrias químicas e de alimentos, em revestimentos eletrolíticos ou químicos, chapas de aço recobertas de níquel por laminação, folhas de níquel , etc. Na construção mecânica a sua maior utilização é como revestimento, instrumentos cirúrgicos, moedas, etc.

Figura 5.1 - Aplicações do níquel. 5.2.2 - LIGAS DE NÍQUEL O níquel forma soluções sólidas de substituição com numerosos metais dos quais, os de maior interesse são o cobre, o ferro e o cromo. Entra, além disso, como componente secundário em várias ligas como latão, bronze, aços inoxidáveis. É componente principal. principal dos seguintes sistemas de ligas: níquel-berílio, níquel-cromo, níquel-molibdênio e níquel-cobalto. Estas ligas são monofásicas e quando intervém uma segunda fase é, em geral, sob a forma de precipitado e dá lugar a endurecimento estrutural.

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5.2.2.1 - Ligas de níquel e berílio A importância destas ligas deve-se a possibilidade de endurecimento estrutural, tal como nos casos das ligas cobre-berílio, com a vantagem de se usar um teor de berílio mais baixo e a dureza obtida ser mais elevada. Assim, a liga com 2% de Be, tratada após endurecimento por deformação a frio, obtém-se resistência a tração de 1.850 MPa e um alongamento de 8% que assegura a sua aplicação em agulhas para injeção, molas, etc. A dureza pode ser ainda aumentada com 1% de Ti em ligas utilizadas para esferas inoxidáveis para mancais de rolamentos. 4.2.2.2 - Ligas de níquel e cromo Neste sistema, de miscibilidade parcial no estado sólido, as ligas de maior interesse são as ligas monofásicas de estrutura CFC, isto é, com Ni > 70%. A adição de ferro é, estruturalmente, equivalente ao níquel. A liga mais clássica é a liga NiCr 20 (Nimonic) que, a altas temperaturas, apresenta boa resistência à oxidação. Mantendo durante tempo prolongado a 1.100 oC, não apresenta fragilidade de sobreaquecimento. Esta liga é usada em resistências elétricas visto que a sua resistividade é bastante elevada e varia pouco com a temperatura. As ligas NiCr 50 servem para fundição e são usadas em caldeiras e refinarias. Adições de nióbio e zircônio melhoram a ductilidade e a fluência. Pertencem a este tipo as ligas Nicrome (60% de Ni; 16% de Cr; 24% de Fe) e Inconel (60% de Ni; 16% de Cr; 24% de Fe). 5.2.2.3 - Ligas de níquel e molibdênio São como as ligas de níquel - berílio, ligas susceptíveis de endurecimento estrutural. Após têmpera em água, entre 800 oC e 1.200 oC, obtêm-se uma liga macia que pode endurecer por revenido a 600 - 800 oC, obtendo se tensões de ruptura a tração de 860 MPa e uma dureza de 270 HB. Se for deformada a frio e depois revenido, a resistência sobe para 1.080 MPa e com dureza de 310 HB. Com adição de ferro formam-se ligas complexas, conhecidas por hastelloys de excepcional resistência a ácidos em altas temperaturas e de elevada resistência mecânica. A tabela abaixo mostra a composição e aplicação destas ligas.

Composição (%) Tipo Ni Mo Fe Cr W

Resistência a corrosão

Hastelloy A 56 22 22 Ácido clorídrico Hastelloy B 62 32 6 Ácido clorídrico Hastelloy C 53 19 6 17 5 Agentes oxidantes, soluções a base de cloro e

ácido nítrico

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6 - COBALTO E SUAS LIGAS 6.1 - INTRODUÇÃO

O cobalto foi empregado pela primeira vez como metal de adição nas ferramentas de aços rápido em meados de 1.910, mas apenas a partir de 1.950 seu uso teve maior importância para fabricação de ligas complexas como turbinas e pastilhas cerâmicas. 6.2 - PROPRIEDADES DO COBALTO E SUAS LIGAS 6.2.1 - COBALTO

Consegue-se obter um elevado grau de pureza, 99,9%, mesmo por fusão e vazamento. Pelo processo de fusão por zona flutuante consegue-se um grau de pureza de Co = 99,98%. As aplicações mais comuns são em implantes cirúrgicos. Também é utilizado para melhorar propriedades dos aços em relação as resistência a alta temperatura. Os principais processos de fabricação de peças a base de cobalto são fundição, usinagem, conformação mecânica e metalurgia do pó. Taxa de reciclagem: 0,05 - 0,1 Propriedades físicas Massa atômica: 58,93 g Peso específico: 8,9 kgf/dm3

Estrutura cristalina (20 oC): α HC, c/a = 1,623 nm β CFC, a = 0,361 nm Temperatura de transformação: β → α: 427 oC [700,15K] Ponto de fusão: 1.493 oC [1.766,15K] Ponto de ebulição: 3.100 oC Coeficiente de dilatação térmica linear: (20 oC): 13,8 x 10-6/ oC [13,8.10-6/K] Resistividade: (20 oC): 6,4 µΩ.cm [6,4.10-8 Ω.m] Condutividade térmica: (20 oC): 0,165 cal.cm-1.s-1. oC-1

Ponto de Curie: 1.121 oC Calor específico: 456 - 520 J/kg.K Calor latente de fusão: 260 - 266 kJ/kg Permeabilidade magnética: 68 até 245 gauss/oersted Propriedades mecânicas Ductilidade: 0,03 - 0,3 % Coeficiente de Poisson: 0,31 - 0,32 Dureza: 125 HB [1.250 MPa] Módulo de cisalhamento: 76 - 95 GPa Módulo de elasticidade longitudinal: 21 GPa Limite elástico: 240 MPa Tenacidade a ruptura: 25 - 40 MPa.m1/2 Tensão de compressão: 345 - 1.500 MPa

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Tensão de ruptura por tração: 760 - 2.100 MPa Alongamento: 8 %

O cobalto pode ser utilizado em trabalho a frio e a quente, sobretudo a quente (forma β) e pode ser extrudado em arame fino. Aplicações

É essencialmente utilizado como elemento de liga, aproveitando-se especialmente as suas propriedades refratárias, magnéticas e de resistência a abrasão.

Figura 6.1 - Aplicações do cobalto. 6.2.2 - LIGAS DE COBALTO Estas ligas são caracterizadas por propriedades muito especiais: refratariedade, propriedades magnéticas especificas, boa resistência à corrosão, propriedades mecânicas excelentes, etc. São, em geral, ligas muito complexas que, segundo a composição, podem se classificar nos tipos que constam a tabela abaixo.

Composição (%) Tipo Co Ni Cr Fe C Mn

Aplicações

Superligas HS 23

66 2 24 1 0,4 0,3 -0,6

Peças resistentes em temperaturas elevadas, fundição de precisão

Alnicos 5 - 35 12 - 25 25 - 35 Dif. Al 5 - 11

Imãs permanentes

Estelites 40 - 65 >1 Peças resistentes a corrosão e a abrasão (ferramentas, tesouras, válvulas)

Invar 54 9,5 36,5 Instrumentos de precisão

Vitalium 64 30 5 Próteses

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7 - TITÂNIO E SUAS LIGAS 7.1 - INTRODUÇÃO

O Titânio é um metal não-ferroso que ganhou importância estratégica há somente 40 anos por sua alta resistência mecânica ,alta resistência a corrosão e por ter, aproximadamente, 55% da densidade do aço. O fato mais interessante a respeito do titânio é que, embora ele exista em grande quantidade na crosta terrestre , o custo de sua obtenção é muito alto. Em contado com o ar, forma-se, em sua superfície, um oxido impermeável e protetor muito importante em um meio muito corrosivo. Disso decorre sua propriedade mais importante: a resistência a corrosão a água salina e outras soluções cloretos, hipocloritos e ao cloro úmido e a resistência ao acido nítrico. Essa qualidade torna-o ideal para a fabricação de prótese humanais tais como componentes de válvulas cardíacas, placas e pinos para unir ossos, pois os fluidos que existem dentro de nosso corpo são soluções salinas, com Ph ácido. Elas contêm outros ácidos orgânicos aos quais o titânio é inerte. Os processos de fabricação usuais de peças a base de titânio são: fundição, usinagem, conformação e metalurgia do pó. 7.2 - PROPRIEDADES DO TITÂNIO E SUAS LIGAS 7.2.1 - TITÂNIO Este metal, tal como o zircônio, o berílio e o nióbio, passou a ter um interesse grande com o desenvolvimento das indústrias de aviação e nucleares. O calor específico e a condutividade elétrica e térmica do titânio são idênticas dos aços inoxidáveis. Tem características mecânicas superiores aos do ferro que podem ser ainda melhoradas em certas ligas, mas é pouco resistente a fluência. No titânio comercial os teores de não-metais estão, geralmente, limitados a 0,08% de C, 0,05% de N e 0,015% de H. Propriedades físicas Massa atômica: 47,90 g Peso específico: 4,43 kgf/dm3

Estrutura cristalina (20 oC): α HC, c/a = 1,587 nm β CCC, a = 0,332 nm Temperatura de transformação: β → α: 880 oC [1.153,15K] Ponto de fusão: 1.660 oC [1.933,15K] Ponto de ebulição: 3.260 oC Coeficiente de dilatação térmica linear: (20 oC): 8,5 x 10-6/ oC [8,5.10-6/K] Resistividade: (20 oC): 50 µΩ.cm [50.10-8 Ω.m] Condutividade térmica: (20 oC): 0,037 cal.cm-1.s-1. oC-1 [4 - 21,9 W/m.K] Calor específico: 510 - 650 J/kg.K Calor latente de fusão: 360 - 370 kJ/kg

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Propriedades mecânicas Ductilidade: 0,02 - 0,3 % Coeficiente de Poisson: 0,358 - 0,364 Dureza: 200 HB [2.000 MPa] Módulo de cisalhamento: 35 - 50 GPa Módulo de elasticidade longitudinal: 95 - 125 GPa Limite elástico: 172 -1.050 MPa Tenacidade a ruptura: 55 - 123 MPa.m1/2 Tensão de compressão: 130 - 1.400 MPa Tensão de ruptura por tração: 241 - 1.280 MPa Alongamento: 28 % Propriedades químicas Em temperatura elevada, tem grande afinidade com o oxigênio, nitrogênio, carbono e hidrogênio, não-metais que o tornam frágil. Resiste bem a todos os meios naturais (atmosfera, água salina, e a numerosos produtos químicos, em particular os que contém cloro. É atacado por soluções concentradas de ácidos, até mesmo os orgânicos, Acima de 350 oC, o titânio é susceptível de corrosão sob tensão em presença de cloretos. Aplicações Os elementos que são adicionados as ligas resistentes corrosão são: paládio (Pd), molibdênio, alumínio, níquel, manganês e estanho. Essas ligas são usadas na fabricação de próteses. Ligas de titânio com alumínio e estanho e alumínio e vanádio são usadas em aplicações muito especiais, pois apresentam resistência específica, ou seja, relação resistência mecânica/peso muito elevadas em temperaturas abaixo de zero (entre -196 e -269 ºC ). Por isso, elas são empregadas em vasos de pressão que fazem parte do sistema de controle de propulsão e reação dos foguetes que transportaram as naves Apollo e Saturno e dos módulos lunares. São empregados também em rotores de bombas usadas para bombear hidrogênio líquido.

Figura 7.1 - Aplicações do titânio.

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7.2.2 - LIGAS DE TITÂNIO São, em geral, ligas muito complexas que, segundo a composição, podem se apresentar conforme a influência dos elementos adicionados e suas aplicações de acordo com a tabela abaixo.

ELEMENTO ADICIONADO

INFLUÊNCIAS APLICAÇÕES

Alumínio, molibdênio, vanádio.

Resistência a temperaturas elevadas.

Estruturas aeroespaciais.

Molibdênio, zircônio e estanho.

Resistência mecânica e à corrosão sob tensão; menor ductilidade.

Geradores de turbinas a vapor e a gás.

Alumínio, molibdênio e silício.

Elevada resistência específica e a altas temperaturas; resistente à corrosão.

Peças estruturais de naves supersônicas.

Molibdênio, níquel e paládio.

Resistência à corrosão em salmoura a altas temperaturas e em meios oxidantes e redutores.

Tanques e tubulações em indústrias químicas.

8 - MAGNÉSIO E SUAS LIGAS 8.1 - INTRODUÇÃO

O magnésio é um metal branco, leve com ponto de fusão 650 ºC. Inalterável ao ar seco. Suas principais aplicação eram em certos processos químicos e pirotécnico. Na indústria aeronáutica, bem como na indústria automobilística, magnésio desempenha um papel importante. A propriedade mais importante do magnésio é seu baixo peso específico 1,74 gf/cm³. Outra propriedade importante aliada ao magnésio e suas ligas é facilidade de ser usinado. O coeficiente de dilatação térmica linear é maior do que o coeficiente de dilatação térmica linear do Al e a maioria de suas ligas ferrosas. A baixa resistência a corrosão é uma das desvantagens do magnésio. Devem ser adequadamente protegidas a sua superfície. Ao contrário do Al, o magnésio e suas ligas formam uma película natural de hidróxido de magnésio ou de carbonato de magnésio que facilita a continuação do ataque.

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8.2 - PROPRIEDADES DO MAGNÉSIO E SUAS LIGAS 8.2.1 - MAGNÉSIO Nas características acima descritos, tem influência o tamanho de grão do metal. De acordo com a sua estrutura cristalina, a maleabilidade é baixa e por isso a obtenção de peças só pode ser feita por fundição e trabalho a quente à temperatura de 300 a 900 oC. O magnésio pode ser obtido bastante puro (Mg > 99,99 %). O magnésio industrial contém cerca de 0,8% de impurezas como K, Fe, Si, Al e Ca. Propriedades físicas Massa atômica: 29,32 g Peso específico: 1,739 kgf/dm3

Estrutura cristalina (20 oC): HC, c/a = 1,624 nm Ponto de fusão: 650 oC [923,15K] Ponto de ebulição: 1.120 oC Coeficiente de dilatação térmica linear: (20 oC): 26,1 x 10-6/ oC [24,6 - 27,2.10-6/K] Resistividade: (20 oC): 4,46 µΩ.cm [4,46.10-8 Ω.m] Condutividade térmica: (20 oC): 0,37 cal.cm-1.s-1. oC-1 [51 - 80 W/m.K] Calor específico: 960 - 1.050 J/kg.K Calor latente de fusão: 358 - 366 kJ/kg Propriedades mecânicas Ductilidade: 0,03 - 0,14 % Coeficiente de Poisson: 0,29 - 0,305 Dureza: 36 HB [36 MPa] Módulo de Bulk: 32 - 36 GPa Módulo de cisalhamento: 15,3 - 17 GPa Módulo de elasticidade longitudinal: 40 - 45 GPa Limite elástico: 80 - 220 MPa Tenacidade a ruptura: 11 - 18 MPa.m1/2 Tensão de compressão: 80 - 350 MPa Tensão de ruptura por tração: 138 - 310 MPa Propriedades químicas Tem extraordinária afinidade com oxigênio e, por isso, se utiliza com desoxidante de certas ligas de cobre, zinco e níquel. É inalterável ao ar seco à temperatura ambiente; ao ar úmido forma uma película superficial de Mg(OH)2 que, somente após um tratamento oxidante, pode proteger as camadas subjacentes. E inalterável em meio alcalino, mas muito atacado em atmosferas marinhas, ácidas e soluções de cloretos. Aplicações Equipamentos aeroespaciais, automotivos, nucleares e produtos esportivos.

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Figura 8.1 - Aplicações do magnésio. 8.2.2 - LIGAS DE MAGNÉSIO O magnésio entra na composição das chamadas ligas leves. O principal objetivo destas ligas e a diminuição de peso que pode atingir 20 a 35 % de peso em relação ao alumínio. Além, do magnésio entram na sua composição o Al, Zn, Mn, Cu e Zn, cujos teores não ultrapassam l0% em massa. A principal liga tem a seguinte composição: 8,5% de Al; 0,5% de Zn e 0,2% de Mn e suas características mecânicas após a têmpera e revenido a 250 oC por 5 horas são: limite elástico de 15 kgf/mm2 e tensão de ruptura a tração de 26 kgf/mm2. Outras ligas com a adição de zircônio e composições aproximadas tem dado bons resultados de resistência mecânica, considerando que os teores de alumínio devem ficar em torno de 8% em virtude da formação do composto metálico Mg3Al3 que dificultam a deformação a quente.

9 - ZINCO E SUAS LIGAS 9.1 - INTRODUÇÃO

É um metal pouco resistente á tração e a fluência o que reduz as suas possibilidades como material de construção. Não é susceptível de endurecimento a frio devido baixa temperatura de recristalização e a estrutura cristalina explica a anisotropia importante verificada nos produtos de zinco laminados. As impurezas normais do zinco são Pb, Cd, Fe, Sn e Cu. O zinco 99,99% destina-se a fundição injetada. Para outras utilizações, o teor máximo de chumbo é de 0,006%. 9.2 - PROPRIEDADES DO ZINCO E SUAS LIGAS Propriedades físicas Massa atômica: 65,38 g Peso específico: 7,14 kgf/dm3

Estrutura cristalina (20 oC): α HC, c/a = 1,856 nm Ponto de fusão: 419 oC [692,15K] Ponto de ebulição: 907 oC Coeficiente de dilatação térmica linear: (20 oC): 28 - 34 x 10-6/ oC [28 - 34.10-6/K] Resistividade: (20 oC): 5,957 µΩ.cm [5,957 - 6,31.10-8 Ω.m]

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Condutividade térmica: (20 oC): 0,265 cal.cm-1.s-1. oC-1 [108 - 115 W/m.K] Calor específico: 385 - 397 J/kg.K Calor latente de fusão: 108 - 113 kJ/kg Propriedades mecânicas Ductilidade: 0,1 - 0,3 % Coeficiente de Poisson: 0,248 - 0,25 Dureza: 50 HB [500 - 1260 MPa] Módulo de cisalhamento: 32 - 42 GPa Módulo de elasticidade longitudinal: 80 - 104,5 GPa Limite elástico: 160 -421 MPa Tenacidade a ruptura: 18,5 - 40 MPa.m1/2 Tensão de compressão: 160 - 421 MPa Tensão de ruptura por tração: 200 - 500 MPa Alongamento: 50 % Propriedades químicas

Resiste bem a corrosão pelos agentes atmosféricos e pela água. Reveste-se de uma camada de hidrocarbonato que protege o metal subjacente, a qual leva, em presença de ar úmido, cerca de 3 dias a se formar, enquanto que, em atmosfera seca, a sua formação é muito mais lenta levando cerca de 3 meses. Esta propriedade é aproveitada quando se utiliza o zinco ou materiais zincados em coberturas expostas à atmosfera. Em relação ao seu potencial eletroquímico confere uma aplicação importante na proteção superficial, isto é, o zinco é utilizado como ânodo, corroendo-se e protegendo assim o aço ou qualquer outro metal. É facilmente atacado por ácidos e álcalis. Aplicações

As suas aplicações baseiam-se essencialmente como películas protetivas em metais, como o aço. Assim é usado em coberturas, canalização de esgotamento de chuva em telhados. Os principais processos de proteção de revestimento de zinco são: - zincagem a quente por imersão (galvanização), onde a peça, previamente decapada, é imersa em zinco fundido; - zincagem eletrolítica (tratamento termoquímico), onde ocorre deposição do zinco sobre o aço por meio de solução eletrolítica de sais de zinco; - Pintura com tintas com elevada percentagem de zinco em pó.

Figura 8.1 - Aplicações do zinco.

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9.2.1 - LIGAS DE ZINCO O zinco entra na composição de numerosas ligas como componente secundário ou componente menor - latão, alpacas, antifricção, etc. — mas este elemento tem também interesse como componente principal em ligas para fundição e ligas para forjamento e estampagem, de acordo com o teor de alumínio e outros elementos. A fluidez no estado líquido e as propriedades mecânicas são melhoradas pela adição de Al, Cu, Sn e Pb. 9.2.2 - LIGAS DE ZINCO E ALUMÍNIO De todas as ligas não-ferrosas para fundição por injeção, estas ligas são as de maior utilização devido as suas particularidades físicas, mecânicas e de fundição associadas à capacidade de serem facilmente revestidas por eletrodeposição (cobre, níquel e cromo) ou por pinturas com tintas e vernizes. A boa fluidez permite a fundição de peças de formas complexas com paredes finas. A liga zamac é a que tem maior importância. Na sua maior parte esta liga tem composições hipoeutécticas, geralmente até 4% de Al e até 3% de Cu para melhorar as propriedades mecânicas e a corrosão. O magnésio pode ser adicionado, com teores de até 0,05%, como inibidor da corrosão intergranular. Os zamacs são extremamente sensíveis às impurezas, sobretudo chumbo e cádmio. Estas impurezas, precipitam-se nos contornos de grão, formando um par galvânico que dá lugar a forte corrosão em atmosfera úmida. O magnésio contraria este efeito e refina o grão. A fabricação destas ligas exige matérias-primas, principalmente o zinco, quase puras. As principais aplicações destas ligas encontram-se em: componentes de automóveis como radiadores, manômetros, fechaduras, carburadores, componentes de aparelhos eletrodomésticos, aspiradores, maçanetas, dobradiças, componentes de relógios; componentes de equipamentos elétricos, roldanas, engrenagens; brinquedos.

10 - CHUMBO E SUAS LIGAS 10.1 - INTRODUÇÃO

O chumbo é um metal de cor acinzentada pouco tenaz, porém dúctil e maleável. É bom condutor de eletricidade embora não seja magnético e mau condutor de calor. Funde-se a 327ºC. É facilmente laminado, pois é o mais mole dos metais pesados. Pode ser endurecido em liga com enxofre ou antimônio. É resistente a água do mar e aos ácidos, mas é fortemente atacado por substâncias básicas. Oxida-se com facilidade em contato com o ar. Outras propriedades que permitem grande variedade de aplicações são: elevado peso específico, flexibilidade, alto coeficiente de expansão térmica, boa condutividade elétrica, facilidade em fundir e formar ligas com outros elementos. O principal minério do

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qual o chumbo é extraído é a galena (PbS), cujo teor de chumbo varia entre 1 e 12%.Em geral, esse minério possui também prata .O processo de obtenção do chumbo tem várias etapas, mas as principais são: concentração por flotação, formação do aglomerado, redução dos óxidos, desargentação, ou seja, retirada da prata, destilação a vácuo e refino. Ele pode ser laminado a espessuras de até 0,01mm. Sua maior utilização (80%), entretanto, é na fabricação de baterias.

10.2 - PROPRIEDADES DO CHUMBO E SUAS LIGAS Propriedades físicas Massa atômica: 207,2 g Peso específico: 11,34 kgf/dm3

Estrutura cristalina (20 oC): α CFC, a = 0,492 nm Ponto de fusão: 327 oC [600,15K] Ponto de ebulição: 1.749 oC Coeficiente de dilatação térmica linear: (20 oC): 28 - 29,3 x 10-6/ oC [28 - 29,3.10-

6/K] Resistividade: (20 oC): 20,61 µΩ.cm [20,61 - 21,88.10-8 Ω.m] Condutividade térmica: (20 oC): 28 - 35,3 W/m.K Calor específico: 159 - 170 J/kg.K Calor latente de fusão: 23,2 - 25 kJ/kg Propriedades mecânicas Ductilidade: 0,2 - 0,8 % Coeficiente de Poisson: 0,44 - 0,45 Dureza: 1,6 HB [16 - 150 MPa] Módulo de cisalhamento: 4,5 - 6 GPa Módulo de elasticidade longitudinal: 16,1 - 18 GPa Limite elástico: 5,5 - 50 MPa Tenacidade a ruptura: 30 - 50 MPa.m1/2 Tensão de compressão: 5,5 - 50 MPa Tensão de ruptura por tração: 14 - 60 MPa Alongamento: 60 % Propriedades químicas

Ao ar, o chumbo recobre-se de uma camada protetora de Pb20 e de hidrocarbonato. Na água, devido é existência de sulfatos e/ou de carbonatos forma-se também uma camada insolúvel de sulfato e/ou carbonato de chumbo que permite o emprego deste metal em condutas de água potável sem perigo de toxicidade. E, pelo contrário, é atacado por água muito pura, como a água da chuva. Resistente ao ácido sulfúrico pouco concentrado. Ao chumbo pode-se acrescentar os seguintes elementos de liga: cobre, prata e antimônio.

Aplicações

Devido ao seu elevado peso específico é usado como contrapeso em determinados equipamentos e nos lastros de navios. É também material utilizado como dispositivos de balanceamento de massa em rodas automotivas. Devido o seu baixo ponto de fusão e elevada maleabilidade, o chumbo e moldado com

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facilidade. Todavia, o baixo valor da tensão limite de fluência produz, em alguma casos, a estricção local, o que provoca falhas em certas aplicações como tubulações de esgoto de grande extensão. O Chumbo é usado como isolante acústico e amortecedor de vibrações e isolante de radiações X e γ devido a sua massa atômica. É empregado também em juntas para vedação, em ligas para fabricação de mancais, gaxetas e arruelas.

- Ligas de chumbo e estanho - É o tipo de liga usada para soldas elétricas que,

com teores de estanho próximo do eutéctico ( 62 % de Sn), produz a menor temperatura de fusão - 183 oC. Com esta composição a liga muda de estado sólido para líquido de forma rápida ao atingir aquela temperatura. Com

composições maiores ou menores, passa a ter uma passagem pastosa, podendo ser utilizada em alguns tipos de fusíveis. A figura abaixo mostra o diagrama de fase da liga binária Pb-Sn;

Figura 10.1 - Diagrama de fases da liga Pb-Sn. - Ligas de chumbo e antimônio - É o tipo de liga que apresenta um eutéctico

com 11,2 % de Sb a uma temperatura de 251 oC. As ligas de chumbo e antimônio podem ter composições de 1 a 3% de Sb, usado para revestimento de cabo e laminados como folhas de chumbo, 6 a 12% de Sb, para placa de acumuladores e acessórios isolantes de radiações. A figura abaixo mostra o

diagrama de fase da liga binária Pb-Sn; Ligas de chumbo e cobre - Com adição de até 0,006% de cobre apresenta boa resistência a corrosão e tem como principal aplicação construção de equipamentos para ácido sulfúrico;

Figura 10.2 - Diagrama de fases da liga Pb-Sb. - Ligas de chumbo e prata - Com adição de até 2% de prata apresenta boa

resistência a corrosão por água salina e tem como principal aplicação a proteção catódica de equipamentos marinhos;

- Outras ligas - Ligas de chumbo, antimônio e estanho, usadas como ligas antifricção, e ligas de chumbo com adição de bismuto, cádmio, antimônio e estanho, utilizados como fusíveis e sistemas anti-incêndio.

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11 - OUTROS METAIS 11.1 - ESTANHO

A característica de maior interesse é o seu baixo ponto de fusão que baixa consideravelmente o ponto de fusão em ligas. A baixa temperatura de transformação alotrópica (16 oC) é chamado de doença do estanho, entretanto como o tempo de transformação completa é relativamente longo, só é significativo a temperaturas abaixo de 0 oC, mas se o estanho for conservado abaixo de 16 oC em um período muito longo, formam-se manchas localizadas de estanho cinzento, quebradiço e pulverulento devido é grande variação de volume que acompanha a transformação. Dado a transformação e fazendo-se o reaquecimento acima daquela temperatura, o sentido da reação muda, mas o metal conserva-se em pó. Como a velocidade de transformação é muito baixa, sempre que a temperatura se eleva acima de 16 oC, os embriões (pequenos cristais) de estanho cinzento são recristalizados. O estanho forma soluções sólidas com a maior parte dos metais. É um metal macio mas muito maleável. Em virtude de sua baixa temperatura de recristalização não endurece por deformação a frio. A adição de 2% de prata baixa o ponto de transformação alotrópica para -10 oC, e o cobre baixa esta temperatura para -30 oC, mas acelera o processo de crescimento de embriões que pode ser impedido pelo bismuto, cádmio, alumínio, antimônio e chumbo. São prejudiciais o zinco e o magnésio.

Propriedades físicas Calor específico: 213 - 225 J/kg.K Calor latente de fusão:59,4 - 60 kJ/Kg Coeficiente de dilatação térmica linear: 23 - 23,5 10-6/K Condutividade térmica: 30 - 66,8 W/m.K Ponto de fusão: 400 - 504,9 K Peso específico: 7,28 - 8 kgf/dm3 Resistividade: 12,59 - 15,85.10-8 ohm.m

Propriedades mecânicas Ductilidade: 0,05 - 0,4 % Coeficiente de Poisson: 0,35 - 0,363 Dureza: 21 - 135 MPa Módulo de cisalhamento: 15 - 19 GPa Módulo de elasticidade longitudinal: 44 - 53 GPa Limite elástico: 7 - 45 Tenacidade a ruptura: 20 - 35 MPa.m1/2 Tensão de ruptura por compressão: 7 - 45 MPa Tensão de ruptura por tração: 14 - 60 MPa Propriedades químicas

Oferece boa resistência a corrosão. É inalterável ao ar e é água. Resiste bem aos ácidos orgânicos.

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Aplicações

As principais aplicações do estanho devem-se ao seu baixo ponto de fusão e da sua resistência corrosão, permitindo o revestimento de outros metais como: - estanhagem de chapa de aço (folha de flandres); - para a fabricação de soldas; - para ligas antifricção e bronzes; - folhas de estanho, tubos extrudados e objetos decorativos.

Para a estanhagem, o estanho pode conter até 2% de impurezas. Para a indústria de alimentos, as folhas de flandres devem ser fabricadas com um máximo de 0,5% de impurezas no estanho. 11.2 - CROMO

Aplicações: Revestimentos protetores, eletrodeposição, elemento de liga em aços, superlotas. Processos: eletrodeposição, usinagem, uniões, outros.

Figura 11.1 - Aplicações do cromo. Propriedades físicas Calor específico: 495 - 518 J/kg.K Calor latente de fusão: 258 - 262 kJ/kg Coeficiente de dilatação térmica linear: 6,3 - 6,5 10-6/K Condutividade térmica: 78 - 94 W/m.K Ponto de fusão: 2.130 -2.140K Peso específico: 7,15 - 7,18 kgf/dm3 Resistividade:12,88 - 13,49 10-8 ohm.m Propriedades mecânicas Ductilidade: 0,03 - 0,2 % Coeficiente de Poisson: 0,208 - 0,212

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Dureza: 1.300 -2.200 MPa Módulo de cisalhamento: 100 - 120 GPa Módulo de elasticidade longitudinal: 279 - 286 GPa Limite elástico: 350 - 430 MPa Tenacidade a ruptura: 20 - 30 MPa.m1/2 Tensão de compressão: 350 - 430 MPa) Tensão de ruptura por tração: 400 - 690 MPa 11.3 - TUNGSTÊNIO

Aplicações: Filamentos de lâmpadas incandescentes, contatos elétricos, alvos de raio-x, combustível nuclear, ligas de aço, ferramentas de corte.

Processos: fundição, usinagem, conformação, uniões, outros.

Figura 11.2 - Aplicações da tungstênio. Propriedades físicas Calor específico: 133 - 140 J/kg.K Calor latente de fusão: 190 - 194 kJ/kg Coeficiente de dilatação térmica linear: 4,5 - 5,3 10-6/K Condutividade térmica: 130 -173 W/m.K Ponto de fusão: 3.500 - 3.680K Peso específico: 16 - 19,3 kgf/dm3 Resistividade: 5,37 - 6,026.10-8 ohm.m Propriedades mecânicas Ductilidade: 0,02 - 0,3 % Coeficiente de Poisson: 0,26 - 0,28 Dureza: 3.000 - 5.000 MPa Módulo de cisalhamento: 160 - 175 GPa Módulo de elasticidade longitudinal: 380 - 411 GPa Limite elástico: 500 - 580 MPa Tenacidade a ruptura: 20 - 40 MPa.m1/2 Tensão de compressão: 500 - 580 MPa Tensão de ruptura por tração: 550 - 1.920 MPa

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11.4 - PRATA

Aplicações: contatos elétricos, condutores, revestimentos protetores, próteses dentárias, implantes, espelhos, moedas, medalhas, fotografia, joalharia.

Processos: conformação, fundição, usinagem, uniões, outros.

Figura 11.3 - Aplicações da prata. Propriedades físicas Calor específico: 234 - 240 J/kg.K Calor latente de fusão: 100 - 106 kJ/kg Coeficiente de dilatação térmica linear: 18,6 - 19,6.10-6/K Condutividade térmica: 350 - 429 W/m.K Peso específico: 6,9 - 7,8 kgf/dm3 Resistividade: 1,622 - 2,818.10-8 ohm.m Propriedades mecânicas Ductilidade: 0,3 - 0,6 % Coeficiente de Poisson: 0,365 - 0,369 Dureza: 250 - 950 MPa Módulo de cisalhamento: 29 - 31 GPa Módulo de elasticidade longitudinal: 78 - 84 GPa Limite elástico: 30 - 180 MPa Tenacidade a ruptura:60 - 90 Tensão de ruptura por compressão: 30 - 180 MPa Tensão de ruptura por tração: 172 - 330 MPa 11.5 - OURO

Aplicações: Joalharia, circuito impresso, contatos elétricos, revestimento de equipamentos químicos.Processos: fundição, usinagem, conformação, uniões, outros.

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Figura 11.4 - Aplicações do ouro. Propriedades físicas Calor específico: 129 - 131 J/kg.K Calor latente de fusão: 64,8 - 70 kJ/kg Coeficiente de dilatação térmica linear: 14 - 14,2.10-6/K Condutividade térmica: 310 - 318 W/m.K Ponto de fusão: 1.340 - 1.340K Peso específico: 19,3 - 19,32 kgf/dm3 Resistividade: 2,188 - 2,203.10-8 ohm.m Propriedades mecânicas Ductilidade: 0,5 % Coeficiente de Poisson: 0,41 - 0,42 Dureza: 200 - 600 MPa Módulo de cisalhamento: 26 - 29 GPa Módulo de elasticidade: 78 - 79 GPa Limite elástico: 40 - 200 MPa Tenacidade a ruptura: 50 - 80 MPa.m1/2 Tensão de compressão: 40 - 200 MPa Tensão de ruptura por tração:130 - 220 MPa

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12 - POLÍMEROS 12.1 - INTRODUÇÃO Para conceituar polímeros é melhor definir antes os monômeros. Os monômeros são moléculas de cadeia pequena. Exemplos típicos de monômeros são os hidrocarbonetos básicos como metano, etano, propano, butano e etc.

Figura 12.1 - Monômeros. a) metano; b) etano; c) eteno.

Figura 12.2 - Monômeros. a) propano; b) n-butano; c) isobutano.

Figura 12.3 - Monômeros. a) n-pentano; b) Isopentano; c) Neopentano.

a) CH4 b) CH3C c) CH2CH2

a) CH3CH2CH(CH3 b) CH3(CH2)3CH3

c) (CH3)4C

a) CH3CH2CH3 b) CH3(CH2)2CH3 c) (CH3)3CH

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Observando os monômeros, conceitua-se polímeros, os compostos cuja molécula é constituída pela associação de diversas moléculas de outro composto mais simples através da reação de polimerização (reação em que duas ou mais moléculas menores (monômeros) reagem entre si, formando outras maiores que contêm os mesmos elementos na mesma proporção que as pequenas,

caracterizadas pela repetição de uma unidade básica - mero). O número de vezes que se repete a unidade básica na molécula do polímero representa o grau de polimerização. Grau elevado de polimerização assegura melhores propriedades físicas do produto. Exemplo: o polietileno que tem sua estrutura molecular representada pela fórmula geral abaixo.

Figura 12.4 – Representação de polímero. Polímeros, em cujas moléculas comparecem apenas um tipo de unidade básica, são conhecidos como homopolímero. Quando há dois ou mais meros distintos na molécula é dito copolímero. As reações de polimerização podem ser de dois tipos: aditiva e condensada. Muitos polímeros, especialmente os vinílicos, são formados por reações de adição, na qual um monômero não saturado, sob condições bem definidas de temperatura e pressão, e em presença de um catalisador adequado, polimeriza pela ruptura de uma ligação covalente dupla, gerando meros que se interencadeiam, sem liberar qualquer produto secundário, ou seja, todo material que intervém na reação é convertido em polímero. É o que ocorre, por exemplo,

na produção do policloreto de vinila ou PVC, a partir do cloreto de vinila:

cloreto de vinila policloreto de vinila Figura 12.5 – Reação de polimerização do policloreto de vinila. Nesta reação, o peróxido de benzoíla atua como catalisador. Outros polímeros são produzidos em uma reação condensada, ou de policondensação, em que dois reagentes geram o polímero, liberando algum produto secundário, também sob condições de temperatura e pressão controladas e na presença de um catalisador adequado. Certas famílias de poliamidas (náilons) são obtidas pela condensação de um ácido adípico com uma diamina, liberando água como um subproduto da reação:

n n

PeróxidoDe benzoíla

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Figura 12.6 – Reação de copolimerização do náilon 66. Em outras palavras, os polímeros são cadeias longas de um determinado conjunto de moléculas, átomos ou compostos. Desta forma, um macrocristal de SiO2, que se forma através de polimerização, pode ser considerado um polímero, entretanto é considerado também um material cerâmico. Usa-se muito o termo polímero para representar os produtos derivados do petróleo ou hidrocarbonetos naturais (derivado de plantas). Assim, os polímeros podem ser divididos em plásticos e elastômeros. 12.2 – PROPRIEDADES 12.2.1 - MORFOLOGIA Os polímeros podem apresentar moléculas sem ramificações (lineares) ou com ramificações. As ramificações podem ser constituídas de cadeia linear básica ou que promovam a interligação de diferentes cadeias lineares, formando reticulados tridimensionais ou ligações cruzadas. A figura abaixo representa estas condições.

a) b) c) Figura 12.7 – Representação das cadeias poliméricas. a) Cadeia linear; b) cadeia com

ramificações incompletas; c) cadeias com ramificações transversais ou cruzadas.

Certas propriedades dos polímeros, em virtude destas diferentes configurações moleculares, são afetadas, especialmente a fusibilidade e a solubilidade. Ao dificultarem a aproximação das moléculas, as ramificações tendem a diminuir as interações entre as mesmas, com isso impedindo a formação de cristalitos e afetando as propriedades mecânicas. A formação de

n

Ácido acético

Ácido adípico Hexameilenodiamina

n

+ n (H2O)

Polihexametileno adipamida (náilon 66)

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ramificações tridimensionais impede o deslizamento relativo das moléculas, aumentando a resistência mecânica, dando um produto infusível e insolúvel. A estrutura molecular dos altos polímeros pode ser amorfa, cristalina ou cristalina e orientada. Em temperaturas acima do ponto de amolecimento, todas as estruturas apresentam estruturas amorfas, com as moléculas em forma de novelo e caótico. Com o resfriamento, certas resinas tendem a se dispor em regiões cristalinas (cristalitos) aleatoriamente orientadas, separadas por regiões amorfas. Os cristalitos satisfazem aos requisitos geral de cristalinidade – um arranjo ordenado das moléculas que exibem franjas de interferência definidas ao raio-X. Os materiais poliméricos totalmente cristalinos são muito raros e tem pouco significado econômico. Por exemplo, é possível obter-se pequenos cristais de polietileno por meio de precipitação em toluol, causada pela diminuição de temperatura. Os polímeros termorígidos são totalmente amorfos, por outro lado, os termoplásticos apresentam-se freqüentemente cristalinos, embora existam termoplásticos totalmente amorfos. O termo técnico microestrutura é pouco utilizado pelos especialistas em materiais e é preferido o termo morfologia. O grau de cristalinidade de um polímero depende muito da distribuição geométrica dos radicais méricos no espaço. Os radicais méricos podem estar arranjados de três maneiras, conforme é ilustrado abaixo.

a)Polímero isostático

b) Polímero sindiostático

c) Polímero atático Figura 12.8 – Formas isoméricas.

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Quando o radical localiza-se sempre do mesmo lado da cadeia diz-se que o arranjo é isostático. Se o radical localiza-se dos dois lados da cadeia de forma organizada e repetitiva, diz-se que o arranjo é sindiotático. Quando não existe regularidade na distribuição dos radicais, o arranjo é denominado atático. A propensão a cristalização é maior nos arranjos isostáticos, razoável nos sindiotáticos e pequena nos atáticos. Os polímeros raramente apresentam apenas um único tipo de arranjo, mas sim uma mistura deles. Em alguns materiais poliméricos, como a borracha, a cristalização pode ser facilitada através de aplicação de tensões externas e desaparece gradualmente com aquecimento, que se evidencia por uma sensível transparência progressiva de certos polímeros. A distribuição das regiões cristalinas em um polímero parcialmente cristalino é objeto de pesquisa. Quando a cristalização é nucleada em uma resina rapidamente resfriada, podem desenvolver-se regiões esféricas contendo material cristalino (esferulitos), que crescem radialmente em direção à região amorfa adjacente, alcançando dimensões que podem ser alguns micrômetros de diâmetro. A figura abaixo representa estas condições de cristalinidade. Um controle do teor de esferulitos, que depende das condições de moldagem, permite um controle das propriedades mecânicas e óticas da peça. As

regiões cristalinas são mais densas, e apresentam maior rigidez e resistência mecânica e térmica, enquanto que as regiões amorfas conferem elasticidade, maciez, flexibilidade e, às vezes, transparência.

Figura 12.9 – Cristalinidade em polímeros. 12.2.2 – COMPORTAMENTO À MOLDAGEM Os materiais poliméricos podem ser classificados em duas categorias: termoplásticos ou termoestáveis (termofixos, termoduros). Os termoplásticos caracterizam-se por, ao completar-se a polimerização, possuírem moléculas com cadeia predominantemente linear, eventualmente apresentam ramificações. Se um termoplástico é aquecido, desde que não seja superada sua temperatura de degradação, estas interações são mais enfraquecidas, tornando possível a movimentação relativa das moléculas e, portanto, a deformação do polímero amolecendo-o. O resfriamento restabelece as forças de ligação intermoleculares, tornando-o rígido novamente. Um novo aquecimento novamente torna-o amolecido para moldagem. Os termoplásticos podem ser endurecidos ou amolecidos reversivelmente.

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Os termoestáveis apresentam um comportamento inverso do termoplástico. A polimerização desses materiais ocorre em dois estágios. O primeiro estágio, ao nível do fabricante do produto, produz um composto intermediário, cujas moléculas apresentam cadeias lineares ou ramificadas. A polimerização completa ocorre num segundo estágio, por ocasião da moldagem. Quando, por causa do calor ou de um agente de cura ou mesmo de um catalisador, as moléculas reagem entre si ou com o agente de cura, estabelecendo ligações transversais que produzem complexas moléculas tridimensionais, que são altamente estáveis à temperatura e à deformação. A cura pode ser induzida à temperatura ambiente, desde que sejam fornecidas as condições adequadas ao seu desencadeamento. Os polímeros termoestáveis geralmente apresentam melhor resistência à temperatura, estabilidade dimensional, resistência química e propriedades elétricas superiores às dos termoplásticos. 12.2.3 - ADITIVOS Para a produção de peças em material plástico são utilizados ingredientes adicionais, com finalidades variadas, misturados à resina previamente à moldagem. Entre esses ingredientes adicionais incluem-se, principalmente, os seguintes: plastificantes, catalisadores, cargas, agentes de cura, corantes e pigmentos, agentes de esponjamento, estabilizadores, retardantes de chama, lubrificantes e agentes antiestáticos Plastificantes são, geralmente, produtos líquidos de alto ponto de fusão e baixa taxa de evaporação, e de baixo peso molecular, que são adicionados às resinas, em que devem ser solúveis, a fim de melhorar seu comportamento plástico. A adição de um ou mais plastificantes, em proporções adequadas, fornece ao produto composto que pode apresentar propriedades distintas da resina original. Carga ou enchimento é um aditivo utilizado com finalidades específicas. A serragem e pós-metálicos são utilizados para reforçar e economizar resina. Outros tipos de carga são tecidos, fibras de vidro e de carbono que tem por objetivo também de melhorar as propriedades mecânicas. Mica e asbesto são usados para melhorar características dielétricas. Corantes e pigmentos tem a finalidade de conferir cores aos polímeros, principalmente nos plásticos. Aditivos antioxidantes tem por objetivo retardar o envelhecimento do plástico, ou seja, os plásticos tendem a se degradar com o tempo quando estão expostos a ação de raios ultravioletas e da ação do oxigênio. A degradação torna os polímeros quebradiços e porosos. Os lubrificantes têm a finalidade de auxiliar no processo de moldagem, reduzindo a aderência do polímero às superfícies metálicas do molde.

Catalisadores são substâncias químicas que, adicionadas em pequena quantidade, aumentam consideravelmente a velocidade das reações químicas ou retardam uma reação que, em determinados casos, são inconvenientes. Exemplos de catalisadores são o peróxido de benzoíla e ácido acético na

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produção de PVC e náilon 66 respectivamente. Agentes de cura são aditivos que servem para desencadear a reação de

cura dos termoestáveis, quando a mesma é pretendida. Eles possuem moléculas cujos terminais reagem com posições intermediárias ou terminais da cadeia principal das moléculas da resina, estabelecendo assim as ligações transversais que geram complexos tridimensionais. Ao contrário dos catalisadores, que estimulam as reações sem participar das mesmas, os agentes de cura participam ativamente da reação de cura. Por exemplo, a resina fenol-formaldeído é obtida no primeiro estágio da polimerização pela reação condensada do fenol com o formaldeído. A cura é desencadeada, no segundo estágio, pela adição de hexametileno-tetramina, que sob temperatura adequada (160 oC) e pressão (7 MPa) se decompõe em formaldeído e amônia. A amônia atua como catalisador, e o formaldeído como agente de cura, estabelecendo as ligações transversais numa reação condensada.

Figura 12.10 – Reação do baquelite. Os retardantes de chama são adicionados por razões óbvias de segurança, visto que os polímeros têm por natureza a flamabilidade, com exceção do PVC e de alguns elastômeros. Um destes agentes é o trióxido de antimônio usado em materiais de construção e em fibras têxteis, que reduz o risco de inflamação nos polímeros. Os agentes antiestáticos são aditivos que, quando empregados nos polímeros, ajudam a reduzir as cargas eletrostáticas na superfície. Os agentes de esponjamento são aditivos empregados na produção de compostos poliméricos como as espumas expandidas. Elas provocam a expansão

n n

Fenol Formaldeído Fenol-formaldeído

+ n H2O

1

Amônia 2

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do polímero plastificado pela geração de um gás, quando a temperatura é elevada, como conseqüência a decomposição do aditivo. A liberação deste gás – nitrogênio ou dióxido de carbono - deve coincidir com o momento de maior plasticidade do polímero. Os agentes de esponjamento utilizados geralmente são

substâncias orgânicas nitrogenadas, como o

AZDN (azobisdiisobutironitrila), que se decompõe na forma:

Figura 12.11 – Reação do agente de esponjamento. 12.2.4 – PROPRIEDADES TÉRMICAS Uma massa de polímero mantida a temperatura suficientemente baixa, é relativamente dura, rígida, tenaz e quebradiça, em virtude de apresentar pouca mobilidade de suas moléculas. As regiões amorfas, nestas condições, se comportam similar aos vidros (curva A-B-C-D), amorfo, figura 12.12. Aumentando-se progressivamente a temperatura, passa por uma região de transição, conhecida como transição vítrea, em torno de uma temperatura “tg” que é característico para cada polímero, a partir da qual as cadeias moleculares das

regiões amorfas se afastam e adquirem, aos poucos, sua mobilidade. O material dessas regiões passa a comportar-se como fluido cada vez menos viscoso. Alguns polímeros comportam-se com uma região brusca de variação do volume específico, tornado-se fluido, com uma temperatura denominada de moldagem ou fusão, (curva E-F-C-D), característica de sólido semicristalino.

Figura 12.12 – Curvas de volume específico em função da temperatura. A) região vítrea; B)

região viscosa; C e D) região líquida com baixa viscosidade; E) região com cristalitos na região vítrea; F) região viscosa com cristalitos.

A maior mobilidade das cadeias moleculares pode, se o aquecimento for lento e se o polímero for susceptível de cristalizar, promover um momentâneo aumento do índice de cristalinidade que prosseguindo o aquecimento torna a cair este índice, devido o aumento da mobilidade das cadeias. Enquanto isto, o material se dilata progressivamente, mas de magnitudes diferentes nas regiões amorfas e cristalinas. A figura que segue mostra uma curva típica do índice de cristalinidade em função da temperatura para um polímero linear.

0 20 40 60 80 100 120

2

3

4

5

6

7

8

F

E

D

C

B

A

tmtg

Volu

me

espe

cífico

Temperatura

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Prosseguindo o aquecimento, atinge-se uma temperatura “tm”, conhecida

como temperatura de fusão cristalina, também característica para cada tipo de polímero, na qual desaparecem as regiões cristalinas e a partir da qual o material passa a comportar-se mais ou menos como um líquido viscoso. É acima desta temperatura que se pode moldar o material. Mas se a temperatura continuar a aumentar, o polímero se degrada ou queima, em uma reação irreversível.

Figura 12.13 – Curva índice de cristalinidade em função da temperatura para um polímero cristalino.

Certos materiais (polietileno, polipropileno) apresentam temperaturas de transição vítrea bem abaixo das temperaturas ambientes usuais, e se apresentam, por isso, como materiais flexíveis. Materiais como policarbonatos e o polistireno são frágeis e quebradiços por que suas temperaturas de transição vítrea se situam bem acima das temperaturas ambiente usuais. Estes materiais não são adequados à produção de fibras. 12.2.5 – PROPRIEDADES MECÂNICAS Várias propriedades mecânicas devem ser levadas em conta ao escolher um material polimérico em um determinado projeto. Tensão de ruptura, resistência ao impacto, fluência, resistência à abrasão e fadiga são fundamentais.

Um material polimérico pode sofrer deformações progressivas que podem afetar o desempenho de uma determinada peça quando submetidos a esforços mecânicos a temperaturas ambiente. Por isso, é perigoso projetar com dados de ensaios de curta duração. A figura ao lado mostra o comportamento de um mesmo material polimérico submetido a ensaio de tração em diferentes temperaturas, próximas da ambiente.

Figura 12.14 – Comportamento ao ensaio de tração de um polímero linear.

0 20 40 60 80 100 120

2

3

4

5

tmtg

Índi

ce d

e cr

ista

linid

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Temperatura

0 6 12 18 24 300

20

40

60

80

100

50 oC

- 25 oC

0 oC

25 oC

Deformação (%)

Tens

ão d

e ru

ptur

a à

traçã

o (M

Pa)

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O comportamento dos plásticos ao impacto é também bastante variável e fortemente dependente da temperatura e, com isso, a tenacidade deve ser levado em conta nos projetos nas quais os mesmos podem ser submetidos a impactos. Quanto à resistência à fadiga, os plásticos são radicalmente distintos dos aços, visto que os aços apresentam uma amplitude máxima de tensão de trabalho, abaixo da qual não ocorre falha por fadiga, qualquer que seja o número de ciclos de carga aplicada. 12.3 - PLÁSTICOS Da mesma forma, a palavra plástico é um termo geral que significa “capaz de ser moldado”. Os materiais geralmente designados como plásticos não tem, necessariamente, esta propriedade, mas apresentam esta propriedade em algum momento da fabricação, quando foram moldados. Outros materiais como o aço e o vidro também apresentam essa característica e não são classificados como plásticos. Há, portanto, certa arbitrariedade na conceituação deste tipo de material. Os materiais plásticos são materiais artificiais, geralmente de origem orgânica, que, em algum estágio de sua fabricação adquiriram condição plástica, durante o momento de sua moldagem, através da ação de calor e pressão, com o emprego de molde. Materiais artificiais são aqueles provenientes de misturas e reações, sendo distintos dos materiais de ocorrência natural (como madeira, areia ou minérios). Materiais de origem orgânica sintética resultam de processos químicos e de sínteses, a partir de matérias primas orgânicas simples. Vários pesquisadores em meados de 1.800 procuravam um material para substituir o marfim para fabricação de bola de bilhar. Em 1.862, Alexandre Parkes patenteou sua invenção com nome de Parkesina que tratava-se de um material celulósico (resíduo de algodão) com ácidos nítrico e sulfúrico na presença de óleo de rícino. John Weley Hyatt, nos Estados Unidos da América, em 1.870, patenteou um processo alternativo de fabricação na qual substituía o óleo de rícino por cânfora, criando um produto que se tornou economicamente viável, e que denominou de Celulóide. Durante várias décadas este material teve grande utilização na fabricação de pentes, bonecas, dentaduras artificiais, bolas de tênis de mesa e filmes fotográficos. Leo Hendrik Baekeland, em 1.907, estudando a polimerização e condensação, conseguiu viabilizar um método de reações controladas de polimerização, sintetizando resina de fenol-formaldeído. Em vez de retardar a polimerização, ele acelerou o processo em autoclave a uma temperatura de 200 oC. O produto obtido tinha cor de âmbar, cuja superfície detinha a impressão exata do fundo da autoclave. Este produto posteriormente denominou-se de Baquelite, com a vantagem de ser mais estável e não inflamável como os primeiros. A partir deste período e, principalmente, após a Segunda Grande Guerra mundial, os polímeros tiveram avanços significativos.

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As borrachas naturais ou sintéticas possuem características que se assemelham aos plásticos, mas também possuem características próprias que as distinguem dos mesmos e por isto são denominados de elastômeros. Há mais de quarenta famílias de termoplásticos e dez diferentes famílias básicas de termoestáveis entre os plásticos mais comuns de uso em engenharia. Os copolímeros, misturas e versões quimicamente modificadas, ampliam o número de materiais plásticos disponíveis ao usuário. O uso de diferentes tipos de aditivos gera uma variedade de produtos distintos, derivados de um mesmo plástico básico. Técnicas de irradiação com ultravioleta, e outras técnicas, permitem alterar consideravelmente o comportamento de certos polímeros, gerando novos produtos. Os plásticos mais comuns em engenharia podem ser dividas em 19 famílias que são: 1. Poliolefinas (resinas

vinílicas) 2. Policarbonatos 3. Alílicos

4. Acrílicos 5. Poliimidas 6. Aminoplásticos 7. Celulósicos 8. Polioximetilênicos 9. Epoxídicos 10. Fluoroplásticos 11. Polissulfonas 12. Fenólicos 13. Polialômeros 14. Polifenilênicos 15. Silicones 16. Poliamidas 17. Poliésteres 18. Éteres

poliarílicos 19. Poliuretanos 12.3.1 - POLIOLEFINAS A fórmula geral que representa a estrutura molecular desta família de

plásticos é representada pela figura ao lado, onde “X” representa um radical monovalente que caracteriza a resina, e “n” indica o grau de polimerização. O quadro abaixo mostra alguma das poliolefinas mais comuns e seus radicais.

Figura 12.15 – Fórmula geral da poliolefina. Poliolefinas comuns

Polímero Abreviatura Radical X Polietileno PE

Polipropileno PP Policloreto de vinila PVC Polistireno PS

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Poliacetato de vinila PVAC

Polibuteno-1 PBT

Poli-4-metilpenteno-1

PMP

Álcool polivinílico PVAL O polietileno (PE) é um termoplástico tenaz usado na fabricação de diversos brinquedos, filmes para embalagens, isolantes flexíveis para cabos elétricos e recipientes produzidos por injeção, extrusão ou sopro. Sob pressões elevadas (1.000 a 2.000 atm) e temperaturas na faixa de 100 a 300 oC, obtêm-se o polietileno de baixa densidade (0,91 a 0,93) [moléculas bastante ramificadas]. Com pressões menores ( < 30 atm) e temperaturas de 40 a 150 oC, obtêm-se o polietileno de alta densidade (0,945 a 0,96) [moléculas longas lineares]. O polietileno de média densidade (0,93 a 0,945) é obtido sob condições intermediárias. O polietileno de peso molecular ultra elevado (PELUAPM) é caracterizado pela sua elevada viscosidade à fusão, não sendo adequado para os processos de injeção e extrusão. Polietileno de Alta Densidade – PEAD - (CH2)n . Aplicações: embalagens finas, cabos e cordas para empacotamento, moldes para injeção canos e tubos, tanques de combustível para veículos automotores, etc. Processos: injeção, extrusão, termoformagem, sopro, usinagem, outros. Fornecedor: Ipiranga Química IPQ, OPP, Polytech, Polialden. Propriedades mecânicas Ductilidade: 1,3 – 1,5 % Coeficiente de Poisson: 0,4 – 0,42 Dureza: D60 - D 70 Shore Módulo de cisalhamento: 0,3 – 0,46 GPa Módulo de elasticidade: 0,8 – 1,6 GPa Resistência ao impacto: 150 - 200 (J/m, notação Izod), para PEAD de alta massa molar. 025 - 080 (J/m, notação Izod), para PEAD de baixa massa molar. Limite elástico: 20 - 28 (MPa) Tenacidade a ruptura: 2,2 - 4 MPa.m1/2 Tensão de escoamento: 23 – 33,1 MPa Tensão de compressão: 30 - 40 MPa Tensão de ruptura por tração: 30 - 40 MPa

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Propriedades térmicas Calor específico: 2.200 J/kg Dilatação térmica: 100 - 120 (10-6/K) Condutividade térmica: 0,45 – 0,52 W/m.K Temperatura de transição vítrea: 160 - 165 K Temperatura máxima de serviço: 340 - 370 K Temperatura mínima de serviço: 210 - 220 K Propriedades físicas Absorção de água: <0,01(%, espessura 1/8 polegada/24h) Densidade: 0,941 – 0,965 gf/cm3 Índice de refração: 1,54 Flamabilidade: muito ruim Constante dielétrica: 2,3 – 2,4 (106 F/m) Resistividade: 1,00 – 10,0 (1015 ohm.m) Polietileno de Baixa Densidade – PEBD - (CH2)n. Aplicações: embalagens de alimentos e de produtos de limpeza, sacos de lixo, sacolas plásticas, plasticultura. Processos: injeção, sopro, laminação, outros. Fornecedor: Elf Atochen, Ipiranga Química, OPP, PPH. Propriedades mecânicas Ductilidade: 3,5 - 4 % Coeficiente de Poisson: 0,43 – 0,45 Coeficiente de atrito: 0,28 – 0,3 Dureza: D41 - D46 Shore Módulo de cisalhamento: 0,05 – 0,09 GPa Módulo de elasticidade: 0,1 – 0,25 GPa Resistência ao impacto: Não quebra. Limite elástico: 6 - 10 MPa Tenacidade a ruptura: 2 – 2,3 MPa.m1/2 Tensão de escoamento: 6,9 – 15,9 MPa Tensão de compressão: 15 - 25 MPa Tensão de ruptura por tração: 10 - 25 MPa Propriedades térmicas Calor específico: 1.950 – 2.100 J/kg.K Dilatação térmica: 180 - 200 (10-6/K) Condutividade térmica: 0,29 – 0,35 W/m.K Temperatura de transição vítrea: 180 - 185 K Temperatura máxima de serviço: 323 - 363 K Temperatura mínima de serviço: 210 - 220 K Propriedades físicas Absorção de água: <0,015 (%, espessura 1/8 polegada/24h) Densidade: 0,91 – 0,93 gf/cm3 Índice de refração: 1,51 Flamabilidade: muito ruim Constante dielétrica: 2,25 – 2,35 (106 F/m) Resistividade: 1,00 - 100 (1013 ohm.m)

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Polietileno tereftalato – PET - (OOC-C6H4-COO-(CH2)2)n. Aplicações: garrafas de refrigerante, escovas. Processos: injeção, extrusão, termoformagem, sopro, spray, outros. Fornecedor: Rhodia, Du Pont, Bayer, Hoechst, GE, Rhône-Poulenc Propriedades mecânicas Ductilidade: 0,65 - 3 % Coeficiente de Poisson: 0,38 – 0,43 Coeficiente de atrito: 0,2 – 0,4 Dureza: 140 - 210 MPa Módulo de cisalhamento: 0,83 – 1,1 GPa Módulo de elasticidade: 2,2 – 3,5 GPa Resistência ao impacto: 15 - 35 (J/m; notação Izod) Limite Elástico: 50 - 72 MPa Tenacidade a Ruptura: 1,2 - 2 MPa.m1/2 Tensão de compressão: 65 - 90 MPa Tensão de ruptura por tração: 50 - 80 MPa Propriedades Térmicas Calor específico: 1,40 – 1,60 (103 J/kg.K) Dilatação térmica: 50 - 80 (10-6/K) Condutividade térmica: 0,15 – 0,34 W/m.K Temperatura de transição vítrea: 340 - 345 K Temperatura máxima de serviço: 388 - 430 K Temperatura mínima de serviço: 230 - 235 K Propriedades físicas Absorção de água: 0,1 – 0,15 % Densidade: 1,32 – 1,38 gf/cm3 Índice de refração: Flamabilidade: regular Constante dielétrica: 3 – 3,6 (106 F/m, 23 oC) Resistividade: 1,00 – 10,0 (1013 ohm.m) O polipropileno (PP) - (CH2-CH-CH3)n - é um plástico de características similar ao do polietileno, sendo a densidade menor (0,905) com maior resistência ao calor. A temperatura de amolecimento é de 160 oC, conferindo elevada cristalinidade (como os polietilenos de alta densidade) e conseqüentemente boa resistência mecânica. Aplicações: fibras para tapetes, tecidos, embalagens, sacolas, garrafas, pás de ventiladores, cabos de ferramentas e talheres, cadeiras de piscinas, pedais de aceleradores, componentes automotivos. Processos: injeção, extrusão, termoformagem, sopro, usinagem, outros. Fornecedor: Amoco, Chemicals, Exxon, Fina, Phillips, Rexene, Soltex, Thermofil, OPP, Elf Atochen, Ipiranga Química, IPQ, Polibrasil. Propriedades mecânicas Ductilidade: 1 – 2 % Coeficiente de Poisson: 0,4 – 0,45 Coeficiente de atrito: 0,1 – 0,3 Dureza: 80 - 100 MPa

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Módulo de cisalhamento: 0,5 – 0,6 GPa Módulo de elasticidade: 1 – 1,6 GPa Resistência ao impacto: 50 - 80 (J/m; notação Izod) Limite elástico: 28 - 33 MPa Tenacidade a ruptura: 1,9 – 2,1 MPa.m1/2 Tensão de compressão: 40 - 45 MPa Tensão de ruptura por tração: 25 - 40 MPa Propriedades térmicas Calor específico: 1.920 – 2.100 J/kg.K Dilatação térmica: 80 - 150 (10-6/K) Condutividade térmica: 0,16 – 0,24 W/m.K Temperatura de transição vítrea: 260 - 270 K Temperatura máxima de serviço: 370 - 380 K Temperatura mínima de serviço: 150 - 200 K Propriedades físicas Absorção de água: 0,02 – 0,03 % Densidade: 0,9 – 0,91 gf/cm3 Índice de refração: 1,49 Flamabilidade: regular Constante dielétrica: 2,26 – 2,.4 (106 F/m) Resistividade: 1,00 - 100 (1014 ohm.m) Óxido de Polipropileno - PPO (Polipropileno-eter blenda poliestireno) - (CH2-OHOCH3)n-(CH2-CH-C6H4)m . Aplicações: bases de medidores elétricos, paralamas e outros painéis exteriores de automóveis. Processos: injeção, termoformagem, usinagem, outros. Taxa de reciclagem: 0.3 - 0.35 Propriedades mecânicas Ductilidade: 0,5 – 0,7 % Coeficiente de Poisson: 0,35 – 0,4 Coeficiente de atrito: 0,33 – 0,36 Dureza: 120 - 180 MPa Módulo de cisalhamento: 0,7 – 0,9 GPa Módulo de elasticidade: 2,4 – 2,5 GPa Resistência ao impacto: 120 - 200 (J/m; notação Izod) Limite elástico: 40 - 60 MPa Tenacidade a ruptura: 1,2 - 2 MPa.m1/2 Tensão de compressão: 90 - 105 MPa Tensão de ruptura por tração: 45 - 75 MPa Propriedades térmicas Calor específico: 1.600 – 2.000 J/kg.K Dilatação Térmica: 60 - 70 (10-6/K) Condutividade Térmica: 0,16 – 0,22 W/m.K Temperatura de transição vítrea: 208 - 238 K Temperatura máxima de serviço: 360 - 390 K Temperatura mínima de serviço: 230 - 235 K

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Propriedades físicas Absorção de água: 0,05 – 0,25 % Densidade: 1,06 – 1,08 gf/cm3 Flamabilidade: péssima Constante dielétrica: 2,6 – 2,7 (106 F/m) Resistividade: 1,0 - 10 (1015 ohm.m) O policloreto de vinila (PVC) - (CH2-CH-Cl)n - e seus copolímeros é um dos mais importantes termoplásticos sintéticos em uso. A resina deste plástico é dura e rígida, mas com introdução de modificadores permite amolecimento em qualquer grau desejado. Tem como principal característica a resistência à combustão e dureza, mas tem baixa resistência ao ataque de solventes orgânicos clorados. Aplicações: Telhas translúcidas, divisórias, portas sanfonadas, persianas, perfis, tubos e conexões para esgotos e ventilação, esquadrias, molduras para tetos e paredes. Processos: injeção, extrusão, termoformagem, usinagem, outros. Fornecedor: Elf Atochen, Goldplast, Polymerpar, Trikem. Propriedades mecânicas Ductilidade: 0,1 – 3 % Coeficiente de Poisson: 0,37 – 0,43 Dureza: R110 Módulo de cisalhamento: 0,7 – 1,1 GPa Módulo de elasticidade: 2,5 – 3,8 GPa Resistência ao impacto: 50 - 200 (J/m; notação Izod) Limite elástico: 23 - 52 MPa Tenacidade a ruptura: 1 - 4 MPa.m1/2 Tensão de compressão: 32 - 80 MPa Tensão de ruptura por tração: 27 - 70 MPa Propriedades térmicas Calor específico: 1.000 – 1.100 J/kg.K Dilatação térmica: 60 - 95 10-6/K Condutividade térmica: 0,13 – 0,25 W/m.K Temperatura de transição vítrea: 350 - 355 K Temperatura máxima de serviço: 348 - 365 K Temperatura mínima de serviço: 240 - 245 K Propriedades físicas Absorção de água: 0,05 (%, espessura 1/8 polegada/24h) Densidade: 1,34 – 1,52 gf/cm3 Índice de refração: 1,52 - 1,55 Flamabilidade: regular Constante dielétrica: 2,7 – 3,3 (106 F/m) Resistividade: 3.,16 – 10,0 (1013 ohm.m)

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O polistireno (PS) - (CH2-CH-C6H5)n - é um plástico que tem como característica principal a elevada resistência à água, dimensionalmente estável e boa moldabilidade. É usado na fabricação de componentes de geladeiras, conexões e assentos para vasos sanitários, brinquedos e determinadas carcaças de aparelhos. Pode ser moldado por injeção, termoformagem, moldagem química e extrusão. PS expandido: forros, isolamento acústico, térmico e caixas. O isopor é uma forma de espuma que bolhas pequenas de gás reduzem a densidade de 2 a 3% do valor original. Fornecedor: Pepasa, Ipubrás Propriedades mecânicas Ductilidade: 0,015 – 0,02 % Coeficiente de Poisson: 0,4 – 0,43 Coeficiente de atrito: 0,25 – 0,3 Dureza: 90 - 120 MPa Módulo de cisalhamento: 1 – 1,2 GPa Módulo de elasticidade: 2,9 – 3,3 GPa Resistência ao impacto: 20 - 25 (J/m; notação Izod) Limite elástico: 30 - 32 MPa Tenacidade a ruptura: 0,8 – 0,9 MPa.m1/2 Tensão de compressão: 40 - 45 MPa Tensão de ruptura por tração: 30 - 40 MPa Propriedades térmicas Calor específico: 1.200 – 1.440 J/kg.K Dilatação térmica: 60 - 100 (10-6/K) Condutividade térmica: 0,12 – 0,17 W/m.K Temperatura de transição vítrea: 360 - 380 K Temperatura máxima de serviço: 355 - 368 K Temperatura mínima de serviço: 200 - 220 K Propriedades físicas Absorção de água: 0,05 – 0,07 % Densidade: 1,04 – 1,06 gf/cm3 Índice de refração: 1,59 - 1,60 Flamabilidade: regular Constante dielétrica: 2,55 – 2,65 (106 F/m) Resistividade: 6,31 – 15,8 (1013 ohm.m) O polibuteno-1 ou polibutileno tereftalato (PBT) - (OOC-C6H4-COO-(CH2)4)n - pode apresentar com diferentes arranjos estruturais, que afetam substancialmente a resistência mecânica (tração e dureza). A temperatura de moldagem está na faixa de 165 a 180 oC. Aplicações: Embalagens, circuitos. Processos: injeção, extrusão, usinagem, outros. Propriedades mecânicas Ductilidade: 1,5 - 3 % Coeficiente de Poisson: 0,35 - 0,4 Coeficiente de atrito: 0,25 - 0,3 Dureza: 105 - 165 MPa Módulo de cisalhamento: 0,7 - 0,85 GPa Módulo de elasticidade: 2 – 2,3 GPa

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Resistência ao impacto: 40 - 55 (J/m, Izod) Limite elástico: 35 - 55 MPa Tenacidade a ruptura: 1,2 - 2 MPa.m1/2 Tensão de escoamento: 97 MPa Tensão de compressão: 100 - 125 MPa Tensão de ruptura por tração: 40 - 59 MPa Propriedades térmicas Calor específico: 1,60 – 2,00 ( 103 J/kg.K) Temperatura de transição vítrea: 310 - 320 K Temperatura máxima de serviço: 390 - 395 K Temperatura mínima de serviço: 140 - 150 K Propriedades físicas Absorção de água: 0,08 – 0,09 % Densidade: 1,3 – 1,32 gf/cm3 Flamabilidade: muito ruim Constante dielétrica: 3,3 - 4 (103 F/m) Resistividade: 1,00 – 2,00 (1012 ohm.m) Poliacetato de vinila (PVAC) é bastante usado em películas de papéis e tecidos, adesivos e tintas de secagem rápida. Poli-4-metilpentano-1 (PMP) tem grande aplicação na fabricação de embalagens plásticas para aquecimento em microondas. Caracteriza-se por apresentar alta transparência, boas propriedades elásticas e temperatura de amolecimento acima de 200 oC. Álcool polivinílico (PVAL) é solúvel em água, mas insolúvel em muitos solventes orgânicos, por isto, é usado na preparação de colas e agentes separador em moldagem de peças de plásticos para evitar a adesão da resina ao molde. 12.3.2 - POLICARBONATOS São derivados do bisfenol A e do ácido carbônico. PC - (O-C6H4-C-(CH3)2-C6H4-O-CO)n.

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A fórmula geral que representa a estrutura molecular desta família de plásticos de origem dos poliésteres é representada pela figura ao lado. Apresentam temperaturas de amolecimento acima de 200 oC. Tem boas propriedades elétricas e mecânicas e estabilidade dimensional. Usado em

instrumentos cirúrgicos, aparelhos elétricos, Compact Disc, garrafas de água, recipientes para filtros, componentes de interiores de aviões, coberturas translúcidas, divisórias , vitrines, etc. Processos: injeção, extrusão, termoformagem, usinagem, outros. Fornecedor: Allcolor, Bayer Polímeros, GE

Plastic, Petropol, Mauá, Quimpetrol, Re Plas, Uniflon. Figura 12.16 – Fórmula policarbonato Propriedades mecânicas Ductilidade: 1 – 1,3 % Coeficiente de Poisson: 0,39 – 0,44 Coeficiente de atrito: 0,2 – 0,3 Dureza: 150 - 180 MPa Módulo de cisalhamento: 0,95 – 1,05 GPa Módulo de elasticidade:2 - 2.9 (GPa) Resistência ao impacto: 400 - 700 (J/m; notação Izod) Limite elástico: 55 - 65 MPa Tenacidade a ruptura: 3 – 3,3 MPa.m1/2 Tensão de escoamento: Tensão de compressão: 100 - 120 MPa Tensão de ruptura por tração: 56 - 68 MPa Propriedades térmicas Calor específico: 1,20 – 1,30 (103 J/kg.K) Dilatação térmica: 40 - 75 (10-6/K) Condutividade térmica: 0,14 – 0,22 W/m.K Temperatura de transição vítrea: 420 - 425 K Temperatura máxima de serviço: 385 - 390 K Temperatura mínima de serviço: 140 - 150 K Propriedades físicas Absorção de água: 0,65 – 0,7 % Densidade: 1,2 – 1,22 gf/cm3 Índice de refração: 1,584 Flamabilidade: regular Constante dielétrica: 2,9 – 3,1 (106 F/m) Resistividade: 1 - 100 (1012 ohm.m)

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12.3.3 - ALÍLICOS São plásticos termoestáveis, cuja resina mais importante é o dialil-ftalato (DAP). Com excelente estabilidade dimensional e alta resistência elétrica, entretanto, quando adicionado pós de metais nobres torna-se material condutor elétrico ou magnético, dependendo do metal adicionado. 12.3.4 - ACRILICOS São plásticos que constituem uma subclasse de poliolefínicas que tem grande aplicação de uso doméstico e industrial. As resinas mais importantes desta família são: polimetacrilato de metila (PMMA); poliacrilonitrilo (PAN) e copolímeros do acrilonitilo como acrilonitrilo-budadieno-estireno (ABS) e o estireno-acrilonitrilo (SAN).

O polimetacrilato de metila - (CH3-CH2-C-CO-OCH3)n -, cuja fórmula está abaixo, é um produto não cristalino com boas propriedades óticas. É usado para produção de dentaduras (resina de dentista), lentes, réguas, embalagens e painéis de propaganda. Processos: injeção, usinagem, outros. Geralmente são moldadas a partir de pós misturados com catalisador.

Figura 12.17 – Polimetacrilato de metila. Propriedades mecânicas Ductilidade: 0,03 – 0,06 % Coeficiente de Poisson: 0,4 – 0,43 Coeficiente de atrito: 0,4 – 0,5 Dureza: 100 - 220 MPa Módulo de cisalhamento: 0,6 – 1,2 GPa Módulo de elasticidade: 1,8 – 3,2 GPa Resistência ao impacto: 20 - 22 (J/m; notação Izod) Limite elástico: 35 - 70 MPa Tenacidade a ruptura: 0,8 – 1,3 MPa.m1/2 Tensão de compressão: 45 - 85 MPa Tensão de ruptura por tração: 38 - 75 MPa Propriedades térmicas Calor específico: 1.280 – 1.450 J/kg.K Dilatação térmica: 62 - 105 (10-6/K) Condutividade térmica: 0,13 – 0,21 W/m.K Temperatura de transição vítrea: 370 - 375 K Temperatura máxima de serviço: 320 - 325 K Temperatura mínima de serviço: 150 - 200 K

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Propriedades físicas Absorção de água: 0,2 – 0,4 % Densidade: 1,15 – 1,2 gf/cm3 Índice de refração: 1.5 Flamabilidade: regular Constante dielétrica: 2,6 – 3,2 (106 F/m) Resistividade: 2 – 15,8 (1013 ohm.m) O poliacrilonitrilo, cuja fórmula segue abaixo, pode ser cristalizado

fornecendo uma fibra sintética muito resistente mecanicamente e quimicamente. Uns dos principais usos deste plástico são na confecção de cordas e tecidos náuticas que podem ser combinados com o algodão. Usado também com aditivo para o PVC e borrachas sintéticas.

Figura 12.18 – Poliacrilonitrilo. O ABS é um polímero que apresenta três meros com seus respectivos

graus de polimerização. Apresenta estabilidade dimensional, resistência química e elétrica, com faixa de temperatura de – 40 oC e 115 oC.

Figura 12.19 – ABS. ABS - alto impacto - Aplicações: Gabinetes e caixas domésticas, caixas de televisão, telefones, batedeiras e liqüidificadores, aspiradores de pó, box para chuveiros. Processos: injeção, usinagem, outros. Propriedades mecânicas Ductilidade: 0,06 – 0,09 % Coeficiente de Poisson: 0,38 – 0,42 Coeficiente de atrito: 0,47 – 0,52 Dureza: 70 - 140 MPa Módulo de cisalhamento: 0,7 – 0,95 GPa Módulo de elasticidade: 1,8 – 2,7 GPa Resistência ao impacto: 200 - 400 (J/m, notação Izod) Limite elástico: 27 - 55 MPa Tenacidade a ruptura: 3 - 4 MPa.m1/2 Tensão de compressão: 60 - 100 MPa Tensão de ruptura por tração: 36 - 48 MPa

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Propriedades térmicas Calor específico: 1.500 – 1.530 J/kg.K Dilatação térmica: 70 - 95 (10-6/K) Condutividade térmica: 0,14 – 0,22 W/m.K Temperatura de transição vítrea: 370 - 375 K Temperatura máxima de serviço: 340 - 350 K Temperatura mínima de serviço: 150 - 200 K Propriedades físicas Absorção de água: 0,3 – 0,32 % Densidade: 1,02 – 1,1 gf/m3 Constante dielétrica: 2,4 – 2,9 (106 F/m) Resistividade: 6,31 – 15,8 (1013 ohm.m) ABS - médio impacto - Aplicações: gabinetes e caixas para objetos domésticos, caixas de TV, telefones, aspiradores de pó, banheiros. Processos: injeção, usinagem, outros. Propriedades mecânicas Ductilidade: 0,07 – 0,12 % Coeficiente de Poisson: 0,38 – 0,42 Coeficiente de atrito: 0,48 – 0,52 Dureza: 100 - 150 MPa Módulo de cisalhamento: 0,85 – 0,95 GPa Módulo de elasticidade: 2,5 – 2,9 GPa Resistência ao impacto: 70 - 80 J/m Limite elástico: 40 - 45 MPa Tenacidade a ruptura: 2,9 – 3,4 MPa.m1/2 Tensão de compressão: 55 - 60 MPa Tensão de ruptura por tração: 45 - 48 MPa Propriedades térmicas Calor específico: 1.500 – 1.510 J/kg.K Dilatação térmica: 80 - 85 (10-6/K) Condutividade térmica: 0,14 – 0,2 W/m.K Temperatura de transição vítrea: 350 - 360 K Temperatura máxima de serviço: 358 - 370 K Temperatura mínima de serviço: 150 - 200 K Propriedades físicas Absorção de água: 0,2 – 0,3 % Densidade: 1,04 – 1,06 gf/cm3 Flamabilidade: regular Constante dielétrica: 2,8 – 2,9 (106 F/m) Resistividade: 1.00 (1014 ohm.m)

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O SAN apresenta alta resistência mecânica, dureza e estabilidade

dimensional ao aquecimento. Aplicações: lentes para instrumentos, peças para aspiradores e umidificadores, copos, corpos para isqueiros, seringas médicas, divisões para geladeiras, copos de liquidificadores e bobinas para computadores. Processos: injeção, usinagem, outros. Fornecedor: Nitriflex .

Figura 12.20 – SAN. Propriedades mecânicas Ductilidade: 0,022 – 0,05 % Coeficiente de Poisson: 0,37 – 0,4 Coeficiente de atrito: 0,25 – 0,3 Dureza: 160 - 200 MPa Módulo de cisalhamento: 1,2 – 1,4 GPa Módulo de elasticidade: 3,2 – 3,6 GPa Resistência ao impacto: 20 - 22 (J/m, notação Izod) Limite elástico: 65 - 70 MPa Tenacidade a ruptura: 0,8 - 1 MPa.m1/2 Tensão de compressão: 80 - 85 MPa Tensão de ruptura por tração: 65 - 85 MPa Propriedades térmicas Calor específico: 1.300 – 1.500 J/kg.K Dilatação térmica: 50 - 80 (10-6/K) Condutividade térmica: 0,13 – 0,17 W/m.K Temperatura de transição vítrea: 340 - 350 K Temperatura máxima de serviço: 360 - 365 K Temperatura mínima de serviço: 200 - 220 K Propriedades físicas Absorção de água: 0,24 – 0,26 % Densidade: 1,06 – 1,08 gf/cm3 Flamabilidade: regular Constante dielétrica: 3 – 3,1 (106 F/m) Resistividade: 6,31 – 15,8 (1013 ohm.m) 12.3.5 - POLIIMIDAS Apresentam temperatura de fusão cristalina elevada que só podem ser moldados por processos especiais. Por isto são usados na forma de blocos para usinagem e forjamento. Boas propriedades mecânicas em temperaturas elevadas (450 oC) em curtos intervalo de tempo. Fabricação de engrenagens, mancais, rolamentos, assentos de válvula, anéis de pistão, isolantes elétricos, peças de motores, placas de circuitos impressos, adesivos.

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(PI) - (N-(CO)2-C6H2-(CO)2-N-C6H4)n - São termoplásticos obtidos pela reação de um dianidrido aromático com uma diamina, cuja formula geral é dado ao lado. Processos: injeção, extrusão, usinagem, outros. Taxa de reciclagem: 0,05 – 0,1. Fornecedor: Du Pont, Ensinger.

Figura 12.21 – Poliimida. Propriedades mecânicas Ductilidade: 0,03 – 0,08 % Coeficiente de Poisson: 0,4 – 0,45 Coeficiente de atrito: 0,4 – 0,45 Dureza: 195 - 210 MPa Módulo de cisalhamento: 0,95 – 1,85 GPa Módulo de elasticidade: 2,5 – 4,8 GPa Resistência ao impacto: 75 - 85 (J/m; notação Izod) Limite elástico: 52 - 72 MPa Tenacidade a ruptura: 1,5 – 2,5 MPa.m1/2 Tensão de compressão: 80 - 140 MPa Tensão de ruptura por tração: 70 - 100 MPa Propriedades térmicas Calor específico: 1.120 – 1.130 J/kg.K Dilatação térmica: 32 - 65 (10-6/K) Condutividade térmica: 0,19 – 0,42 W/m.K Temperatura de transição vítrea: 470 - 480 K Temperatura máxima de serviço: 520 - 590 K Temperatura mínima de serviço: 3 - 20 K Propriedades físicas Absorção de água: 0,1 – 0,15 % Densidade: 1,32 – 1,38 gf/cm3 Flamabilidade: regular Constante dielétrica: 3 – 3,6 (106 F/m, 23oC) Resistividade: 1 – 10 (1013 ohm.m) 12.3.6 - AMINOPLÁSTICOS Tem reação similar a das resinas fenólicas, onde inicialmente se formam moléculas lineares e posteriormente é desenvolvida a reação de cura, quando moléculas se interencadeiam formando estrutura tridimensional. Os principais plásticos desta família são: uréia-formaldeído (UF) [artigos de iluminação, aditivos na indústria de papel]; melamina-formaldeído (MF) [produção de louças] e anilina-formaldeído (AF) [blocos e faixas terminais de circuitos elétricos].

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12.3.7 - CELULÓSICOS São polímeros naturais encontrado na madeira, algodão, palha, etc., que possui moléculas grandes (n = 5.000). Devido as suas ligações transversais, sua moldabilidade é dificultada. Da extração da madeira, e após sua purificação, é obtida a celulose química, com n = 1.000, que é matéria prima para muitas resinas, entre as quais, cita-se o nitrato de celulose, acetato de celulose, aceto-butirato de celulose e etil-celulose. Nitrato de celulose (CN) – Obtido do tratamento da celulose com ácido nítrico. O grau de nitratação pode ser variado, obtendo-se plásticos explosivos que deve-se ter cuidado na moldagem. Utilizado para fabricação de bolas de tênis de mesa. Acetato de celulose (CA) – É obtido do tratamento da celulose com ácido e anidro acéticos. Sem os problemas do anterior como sensibilidade à temperatura e facilidade a combustão, é usado na fabricação de brinquedos, películas para embalagens e filmes fotográficos de segurança. É empregado na forma de pós para injeção. Um dos plásticos encontrados no comércio é o acetato. Aceto-butirato de celulose (CAB) – É um éster misto da celulose, resultando da reação da celulose química com misturas de anidridos acético e butírico. Menos denso e mais resistente que o acetato de celulose à intempéries do tempo. Etil-celulose (EC) – É um termoplástico utilizado para situações que deve ocorrer impactos, devido a excelente tenacidade. 12.3.8 - POLIOXIMETILÊNICOS (POM) – Polímeros lineares do formaldeído, ( -CH2-O-)n, que podem ser moldados por injeção ou extrusão. Apresenta um elevado índice de cristalinidade, elevada resistência à tração (70 MPa) e rigidez à flexão, excelente desempenho à fadiga e estabilidade dimensional. 12.3.9 - EPOXÍDICOS São polímeros que se completam com agentes de cura (catalisadores). É a mistura da resina de epoxeto com agente de cura aminado. Há vários tipos de radicais. Os adesivos epoxídicos dão ligações extremamente fortes de metal com metal, além de serem empregadas em vernizes de acabamento. Apresenta boa resistência a abrasão.

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12.3.10 - FLUOROPLÁSTICOS São polímeros termoplásticos com o elemento mais ativo flúor. Apresentam boa estabilidade química, resistência a temperatura elevada, baixo coeficiente de atrito e excelentes propriedades dielétricas, mas apresentam baixa resistência mecânica. Dois tipos são de maior uso: Politetrafluoretileno (PTFE) - (CF2)n - O PTFE foi descoberto em 1938 por um químico da Du Pont e patenteado em 1941 sob a marca registrada de TEFLON. É altamente cristalino com elevada resistência ao calor. Temperado a 3300 oC, torna-se amorfo, transparente, tenaz e flexível. Aplicações: Vedações hidráulicas (herméticas para condensadores), gaxetas, embalagens, válvulas,

transformadores isolados, revestimento de pára-quedas, revestimento para panelas e ferros de passar, apoio para pontes e tubulações, isolante elétrico, anti-aderente. Processos: injeção, extrusão, spray, outros. Fornecedor: Enro, Incopol, Petropol, Mauá, Uniflon, Du Pont, Hoechst, ICI.

Figura 12.22 – Fórmula do teflon. Propriedades mecânicas Ductilidade: 2,5 - 3 % Coeficiente de Poisson: 0,44 – 0,47 Coeficiente de atrito: 0,05 – 0,15 Dureza: 75 - 90 MPa Módulo de cisalhamento: 0,11 – 0,24 GPa Módulo de elasticidade: 0,3 – 0,7 GPa Resistência ao impacto: 160 - 180 (J/m; notação Izod) Limite elástico: 15 - 30 MPa Tenacidade a ruptura: 2,5 - 3 MPa.m1/2 Tensão de compressão: 30 - 60 MPa Tensão de ruptura por tração: 15 - 40 MPa Propriedades térmicas Calor específico: 1.000 – 1.010 J/kg.K Dilatação térmica: 100 - 150 (10-6/K) Condutividade térmica: 0,19 – 0,25 W/m.K Temperatura de transição vítrea: 293 - 295 K Temperatura máxima de serviço: 510 - 530 K Temperatura mínima de serviço: 10 - 20 (K) Propriedades físicas Absorção de água: 0,01 – 0,015 % Densidade: 2,1 – 2,18 gf/cm3 Índice de refração: 1,35 Flamabilidade: excelente Constante dielétrica: 2 – 2,1(106 F/m) Resistividade: 1,00 – 10,0 (1016 ohm.m)

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policlorotrifluoretileno (PCTFE) – É resistente à umidade, intempéries, ataques de solventes e à inflamação. A moldagem se dá a 260 oC, com temperatura de trabalho até 130 oC.

Figura 2.23 – PCTFE. 12.3.11 - POLISULFONAS São produzidos através de uma série de reações entre o bisfenol A e a 4-4-

diclorodifenilsulfona, com a seguinte fórmula geral:

Figura 12.24 - Polisulfona Como termoplásticos rígidos, resistentes e dimensionalmente estáveis, suas propriedades podem ser melhoradas ainda com carga de fibra de vidro. Exigem temperaturas da ordem de 350 a 400 oC para o processamento. Podem ser soldados por pulsos de calor ou por ultra-som. 12.3.12 - FENÓLICOS

Também conhecido como baquelite, sua resina pura resulta da reação do formaldeído com o fenol e tem a fórmula estrutural como segue:

Figura 12.25 – Fenólicos. Essa resina pura é moída a um pó fino, na qual se adicionam cargas,

pigmentos e lubrificantes específicos de acordo com cada aplicação. A cura é desencadeada pela adição de hexametileno tetramina (C6H12N4), que nas condições de 160 oC de temperatura e 72 kgf/cm2 se decompõem em formaldeído e amônia. Este último funciona como catalisador, fazendo com que o formaldeído gerado reaja com a resina, estabelecendo as reações transversais entre as moléculas. A resina inicialmente se geleifica e posteriormente se torna dura e infusível, podendo ser então removida do molde. Usa-se, como carga de reforço, geralmente serragem, papel ou tecido picado, especialmente em cinzeiros e caixas de instrumentos. Aplicações: Condensadores eletrolíticos, terminais para lâmpadas fluorescentes, soldas eletrônicas, equipamentos elétricos e mecânicos. Processos: moldagem química, usinagem, outros.

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Propriedades mecânicas Ductilidade: 0,01 – 0,02 % Coeficiente de Poisson: 0,4 – 0,45 Coeficiente de atrito: 0,3 – 0,5 Dureza: 60 - 110 MPa Módulo de cisalhamento: 2,2 – 3,5 GPa Módulo de elasticidade: 6 – 9,5 GPa Resistência ao impacto: 24 - 25 (J/m; notação Izod) Limite elástico: 40 - 50 MPa Tenacidade a ruptura: 0,8 – 1,3 MPa.m1/2 Tensão de compressão: 50 - 70 MPa Tensão de ruptura por tração: 30 - 50 MPa Propriedades térmicas Calor específico: 1.250 – 1.460 J/kg.K Dilatação térmica: 30 - 44 (10-6/K) Condutividade térmica: 0,16 – 0,36 W/m.K Temperatura de transição vítrea: 400 - 420 K Temperatura máxima de serviço: 415 - 425 K Temperatura mínima de serviço: 180 - 200 K Propriedades físicas Absorção de água: 0,8 – 0,9 % Densidade: 1,24 – 1,38 gf/cm3 Flamabilidade: regular Constante dielétrica: 7 – 9 F/m Resistividade: 1,00 - 100 (1010 ohm.m) 12.3.13 – POLIALÔMEROS São variedades de poliolefinas que apresentam um comportamento intermediário ao polietileno de alta densidade e ao polipropileno, mas com melhor desempenho a temperaturas baixas. Usados em conexões hidráulicas, caixas para ferramentas com dobradiças integrais, filmes e placas. 12.3.14 - POLIFENILÊNICOS São termoplásticos de base fenólica. Há duas resinas que tem grande importância comercial. O polióxido de fenileno (PPO) que apresenta boa estabilidade dimensional e propriedades mecânicas e elétricas e notável estabilidade hidrolítica. Seu uso tem destaque nos utensílios domésticos e instrumentos cirúrgicos, onde se utiliza vapor de água para esterilização. O polisulfeto de fenileno (PPS) que apresenta elevada resistência química e resistência mecânica à tração. Tem tido aplicações em recobrimento termicamente estáveis em conexões e tubulações industriais.

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12.3.15 - SILICONES Há vários tipos de plásticos e elastômeros onde o mero não é o principal elemento de construção, ou seja, neste tipo de polímero o Si tem substituído o C, fazendo com que os compostos assim obtidos sejam similares aos carbonados, mas com melhor resistência ao calor e ao ar. Este efeito é obtido através da ligação ( ≡ Si – O – ), compostos deste tipo tem fórmula geral RSiO e são conhecidos como silicones. Pode ser usados como vernizes, películas, óleos lubrificantes, borrachas, etc. SILICONE RÍGIDO (SIL) - ((CH3)2 SiO)n - Aplicações: é utilizado em cápsulas de componentes eletrônicos, cobertas de proteção contra a abrasão e resistentes ao tempo. Processos: injeção, usinagem, outros. Propriedades mecânicas Ductilidade:0,015 – 0,025 % Coeficiente de Poisson: 0,37 – 0,4 Módulo de cisalhamento: 1 – 1,3 GPa Módulo de elasticidade: 3 - 8 GPa Limite elástico: 27 - 46 MPa Tenacidade a ruptura: 0,6 – 1,3 MPa.m1/2 Tensão de compressão: 40 - 150 MPa Tensão de ruptura por tração: 27 - 46 MPa Propriedades térmicas Calor específico: 1.050 - 1.280 J/kg.K Dilatação térmica: 55 - 70 (10-6/K) Condutividade térmica: 0,15 – 0,3 W/m.K Temperatura de transição vítrea: 150 - 200 K Temperatura máxima de serviço: 510 - 540 K Temperatura mínima de serviço: 90 - 100 K Propriedades físicas Densidade: 1,45 – 1,9 gf/cm3 Flamabilidade: boa Constante dielétrica: 44 - 46 106 F/m Resistividade: 1.00+21 - 1.00+22 (10-8 ohm.m) 12.3.16 - POLIAMIDAS (PA) – São termoplásticos desenvolvidos pela Du Pont e são mais conhecidos como náilons (Nylon), contração das palavras New York – London. Apresentam elevada resistência à tração, resistência ao impacto e elevada resistência a abrasão. Resistem a ação do óleo, hidrocarbonetos e ésteres, mas são amolecidos por álcoois, glicóis e água. Dentre os vários náilons encontrados no comércio, quatro recebem grande importância: o náilon 66, o náilon 610, náilon 6 e náilon 11. NYLON 6 - (NH-(CH2)5CO)n - Aplicações: Como reforço nas telhas plásticas de fibra, em buchas para fixação, dobradiças, engrenagens, válvula de

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regulagem de assento. Processos: injeção, extrusão, termoformagem, usinagem, outros. Fornecedor: Bayer Polímeros, Pepasa, Quimpetrol, Rhodia, Du Pont. Propriedades mecânicas Ductilidade: 0,6 – 0,65 % Coeficiente de Poisson: 0,38 – 0,42 Coeficiente de atrito: 0,2 – 0,3 Dureza: 100 - 120 MPa Módulo de cisalhamento: 0,58 – 0,79 GPa Módulo de elasticidade: 2,2 – 2,8 GPa Resistência ao impacto: 32 - 53 (J/m; notação Izod) Limite elástico: 38 - 40 MPa Tenacidade a ruptura: 2,3 – 2,5 MPa.m1/2 Tensão de Compressão: 40 - 45 MPa Tensão de ruptura por tração: 40 – 42 MPa Propriedades térmicas Calor específico: 1.400 - 1.600 J/kg.K Dilatação térmica: 95 - 105 (10-6/K) Condutividade térmica: 0,22 – 0,26 W/m.K Temperatura de transição vítrea: 320 - 330 K Temperatura Máxima de Serviço: 370 - 420 K Temperatura Mínima de Serviço: 225 - 230 K Propriedades físicas Absorção de água: 1,4 – 1,6 % Densidade: 1,13 – 1,15 gf/cm3 Índice de refração: 1,53 Flamabilidade: regular Constante dielétrica: 3,6 – 3,8 (106 F/m) Resistividade: 3,16 - 10 (1010 ohm.m) NYLON 66 - (NH-(CH2)6-NH-CO(CH2)4CO)n - Aplicações: tecidos, mancais, engrenagens, carenagens. Processos: injeção, extrusão, usinagem, outros. Propriedades mecânicas Ductilidade: 0,6 – 2 % Coeficiente de Poisson: 0,38 – 0,42 Coeficiente de atrito: 0,2 – 0,3 Dureza: 140 - 160 MPa Módulo de cisalhamento: 0,39 – 0,46 GPa Módulo de elasticidade: 2 – 2,8 GPa) Resistência ao impacto: 43 - 53 (J/m; notação Izod) Limite elástico: 56 - 58 MPa Tenacidade a ruptura: 1,5 - 2 MPa.m1/2 Tensão de compressão: 58 - 62 MPa Tensão de ruptura por tração: 70 - 86 MPa

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Propriedades térmicas Calor específico: 1.400 – 1.600 J/kg.K Dilatação térmica: 80 - 95 (10-6/K) Condutividade térmica: 0,2 – 0,25 W/m.K Temperatura de transição vítrea: 360 - 365 K Temperatura máxima de serviço: 380 - 450 K Temperatura mínima de serviço: 235 - 240 K Propriedades físicas Absorção de água: 0,8 – 1,6 % Densidade: 1,13 – 1,15 gf/cm3 Flamabilidade: regular Constante dielétrica: 3,3 – 3,6 (10-6 F/m) Resistividade: 6,31 - 20 (1010 ohm.m) NYLON 11 - (NH-(CH2)10CO)n - Propriedades mecânicas Ductilidade: 3,1 – 3,2 % Coeficiente de Poisson: 0,38 – 0,42 Coeficiente de atrito: 0,2 – 0,3 Dureza: 120 - 150 MPa Módulo de cisalhamento: 0,32 – 0,34 GPa Módulo de elasticidade: 0,9 – 0,95 GPa Resistência ao impacto: 50 - 90 (J/m; notação Izod) Limite elástico: 49 - 51 MPa Tenacidade a ruptura: 1 – 1,5 MPa.m1/2 Tensão de compressão: 51- 58 MPa Tensão de ruptura por tração: 51- 53 MPa Propriedades térmicas Calor específico: 1.650 – 1.700 J/kg.K Dilatação térmica: 95 - 120 (10-6/K) Condutividade térmica: 0,25 – 0,29 W/m.K Temperatura de transição vítrea: 330 - 350 K Temperatura máxima de serviço: 350 - 400 K Temperatura mínima de serviço: 220 - 225 K Propriedades físicas Absorção de água: 0,3 – 0,4 % Densidade: 1,03 – 1,05 gf/cm3 Flamabilidade: regular Constante dielétrica: 3 – 3,6 (106 F/m) Resistividade: 6.,31 – 12,6 (1011 ohm.m)

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12.3.17 – POLIÉSTERES E POLIURETANOS Polieter-eter-cetona (PEEK) - (O-C6H4-O-C6H4-CO-C6H4)n - Aplicações: conectores elétricos, ventiladores, impelidores, componentes de reatores nucleares, células de combustível, dispositivos para quimioterapia, ferramentas de cirurgia, revestimento de fios. Processos: injeção, usinagem, outros. Taxa de reciclagem: 0,2 – 0,3. Fornecedor: Autotravi. Poliester sulfona (PES) - (C6H4-SO2-C6H4-O-C6H4-C(CH3)2-C6H4-O)n - Aplicações: componentes elétricos, placas de circuitos impressos, componentes médicos e agrícolas, suportes para lâmpadas fotográficas, equipamentos de laboratório, tanques de esterilização, instrumentos para medições, corpos de válvula, isoladores. Processos: injeção, extrusão, outros. Taxa de reciclagem: 0,1 – 0,15. Fornecedor: Ensinger, BASF. Poliester rígido - (OOC- C6H4-COO-C6H10)n - Aplicações: cubas, assentos. Processos: injeção, usinagem, outros. Poliuretano flexível – PU - (CO-NH-R-NH-CO-O-R-O)n - Aplicações: esquadrias, molduras, chapas, revestimentos, filmes, estofamento de automóveis, em móveis, isolamento térmico de roupas impermeáveis, isolamento em refrigeradores industriais e domésticos, polias, correias. Processos: injeção, extrusão, moldagem química, outros. Fornecedor: Bayer, Resana, Brasppoly, bolltrade, Poly-urethane, Petropol. (PEEK) (PES) Poliester

rígido (PU)

Propriedades mecânicas Ductilidade (%) 0,045 –

0,048 0,3 – 0,8 0,04 – 0,06 3,8 – 7,2

Coeficiente de Poisson 0,38 – 0,43 0,38 – 0,42 0,4 – 0,45 0,49 – 0,498 Coeficiente de atrito 0,18 – 0,2 0,25 – 0,3 0,3 – 0,5 Dureza (MPa) 100 - 120 200 - 240 60 - 140 Módulo de cisalhamento (GPa)

1,2 – 1,4 0,8 – 1,0 0,9 – 1,6 0,007 – 0,08

Módulo de elasticidade (GPa)

3,7 – 3,9 2,4 – 2,9 2,5 – 4,4 0,002 – 0,03

Resistência ao impacto (J/m)

85 - 90 82 - 86 45 - 70

Limite elástico (MPa) 55 - 60 60 - 70 40 - 60 25 - 51 Tenacidade a ruptura (MPa.m1/2)

2,3 – 2,5 1,3 – 2,0 0,5 – 0,9 0,2 – 0,4

Tensão de compressão (MPa)

80 - 120 90 - 100 45 - 100 50 - 100

Tensão de ruptura por tração (MPa)

70 - 100 70 - 85 40 - 60 25 - 51

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Propriedades térmicas Calor específico (J/kg.K) 1.500 -

1600 1.240 – 1.260 1.200 – 1.280 1.650 - 1.700

Dilatação térmica (10-6/K)

50 - 60 53 - 58 80 - 150 150 - 165

Condutividade térmica (W/m.K)

0,23 – 0,26 0,13 – 0,18 0,15 - 0.6 0,28 – 0,3

Temperatura de transição vítrea (GPa)

530 - 540 460 - 480 350 - 410 200 - 250

Temperatura máxima de serviço (K)

520 - 530 450 - 455 390 - 410 340 - 360

Temperatura mínima de serviço (K)

150 - 170 160 - 165 190 - 200 200 - 250

Propriedades físicas Absorção de água (%) 0,15 – 0,30 0,2 – 0,3 0,25 – 0,3 0,55 - 0,77 Densidade (gf/cm3) 1,29 – 1,32 1,3 – 1,38 1,14 – 1,46 1,02 - 1,25 Índice de refração 1,5 - 1,6 Flamabilidade regular regular regular muito ruim Constante dielétrica (106 F/m)

3,2 - 3.3 3,5 – 3,6 4,5 – 5,6 3,5 – 9,5

Resistividade 1,0 - 6,31 (1014

ohm.m)

3,16 – 12,6 (1014 ohm.m)

1,0 - 100 (1010 ohm.m)

0,1 - 1000 (1011 ohm.m)

12.4 - ELASTÔMEROS Elastômeros são polímeros que tem, como característica principal, a

propriedade de exibir elasticidade, ou seja, ao ser submetido a uma determinada tensão ou força, o mesmo apresenta um campo de deformação elástico bastante diferenciado dos outros materiais, que, após cessado a força ou tensão que a deformou, o material volta as suas dimensões nominais verificadas antes dos esforços.

Figura 12.26 – Comportamento ao ensaio de tração de polímeros.

0 6 12 18 24 300

20

40

60

80

100

Comportamento elástico

Comportamento frágil

Comportamento dúctil

Deformação (%)

Tens

ão d

e ru

ptur

a à

traçã

o (M

Pa)

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A figura acima mostra situações de comportamento de três polímeros à temperatura ambiente, onde um apresenta somente regime elástico de deformação, mas de comportamento frágil, um segundo apresenta regime elástico e plástico de deformação com comportamento dito dúctil e um terceiro, que é objeto de estudo nesta seção, apresentando regime elástico de deformação, na sua quase totalidade (elastômeros). Desta forma, os materiais poliméricos apresentam comportamento mecânico bastante variável, por exemplo, um material termoestável como o polimetacrilato de metila apresenta um comportamento tão frágil que se assemelha com materiais cerâmicos, entretanto, materiais termoplásticos parcialmente cristalinos apresentam comportamento dúcteis similares aos aços de baixo carbono e os elastômeros apresentam comportamento atípico. Todos relativos a ensaios de tração. Em virtude deste comportamento atípico à tração, os elastômeros são freqüentemente usados em máquinas e equipamento com objetivo de reduzir vibrações tanto acústica como mecânicas, além de, geralmente, serem ótimos isolantes elétricos. Os elastômeros têm sua origem do látex da seiva da seringueira (Hevea brasiliensis), planta da Amazônia que Charles Goodyear descobriu, por acaso em 1.839, ao deixar cair uma mistura de látex com enxofre sobre uma chapa quente de fogão, propriedades elásticas deste material. Era a descoberta da vulcanização. Com a invenção do automóvel, e por volta de 1.880, ingleses passaram a explorar a seringueira cultivando mudas da planta na Indonésia e em Filipinas. Os índios amazonenses já usavam o látex como elemento de vedação em canoas e em determinados jogos esportivos. A borracha é produto da polimerização do isopreno, cujo mero apresenta a

fórmula abaixo. A borracha é elástica, resistente à abrasão, eletricidade e à água, mas se altera na presença de luz, calor e a muitos óleos e solventes (gasolina, querosene, etc.). A vulcanização, que é um processo termoquímico por enxofre (2 a 4%) a temperatura em torno de 110 oC, realizado em autoclaves, torna-a mais elástica e insolúvel.

Figura 12.27 – Polisopreno. São muito poucos os produtos industrializados de borracha pura. Além de aditivos e cargas, as borrachas industriais podem conter 30, 60, 90% de polisopreno além de polímeros do tipo elastômeros sintéticos. O uso de aceleradores de vulcanização e de antioxidantes ajudou a melhorar as propriedades da borracha natural, mas as pesquisas em busca de borrachas sintéticas levaram a descoberta do neopreno (1.936) nos Estados Unidos da América e da Buna (1.931) na Alemanha. Dois tipos levaram importância: o buna-S (copolímero de estireno-butadieno) ou SBR e o buna-N

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(copolímero de butadieno-acrilonitrila). Os SBRs contêm cerca de 75% de butadieno e 25% de estireno e são as borrachas sintéticas mais comuns no mercado. As borrachas sintéticas têm as mesmas propriedades das borrachas naturais quanto a vulcanização, solubilidade em solventes, resistência à água, à eletricidade, mas apresentam melhor resistência a óleos, calor e luz.

Estireno-butadieno – SBR - (CH2-C(CH3)-C(CH3)-CH2)n - Aplicações: Pneus, bandas de recapagem, solados, mangueiras, correias, peças técnicas calandradas ou extrudadas, artigos médicos-hospitalares e peças para a indústria automotiva. Processos: vulcanização, injeção, outros.

Figura 12.28 – SBR. Propriedades mecânicas Ductilidade: 4,5 – 5 % Coeficiente de Poisson: 0,48 – 0,496 Coeficiente de Atrito: 0,3 – 0,6 Dureza: 12 - 21 MPa Módulo de cisalhamento: 0,0007 – 0,0033 GPa Módulo de elasticidade: 0,002 – 0,01 GPa Resistência ao impacto: Não se aplica Limite elástico: 12 - 21 MPa Tenacidade a ruptura: 0,1 – 0,3 MPa.m1/2 Tensão de compressão: 14,4 – 25,2 MPa Tensão de ruptura por tração: 12 - 21 MPa Propriedades térmicas Calor específico: 2.000 – 2.200 J/kg.K Dilatação térmica: 660 - 675 (10-6/K) Condutividade térmica: 0,143 – 1,48 W/m.K Temperatura de transição vítrea: 210 - 215 K Temperatura máxima de serviço: 383 - 393 K Temperatura mínima de serviço: 210 - 215 K Propriedades físicas Absorção de água: 0,07 – 0,09 % Densidade: 0,94 – 0,95 gf/cm3 Flamabilidade: muito ruim Constante dielétrica: 2,5 – 3 V/m Resistividade: 5,01 – 7,94 (1013 ohm.m) Copolímero de etileno propileno – EPDM - (CH2-CH2-CH(CH3))n - Aplicações: mancais, isolantes vibratórios. Processos: vulcanização, injeção, outros. Propriedades mecânicas

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Ductilidade: 1 - 7 % Coeficiente de Poisson: 0,48 – 0,495 Coeficiente de atrito: 0,3 – 0,6 Dureza: 3.4 - 24 MPa Módulo de cisalhamento: 0,0002 – 0,007 GPa Módulo de elasticidade: 0,0007 – 0,021 GPa Resistência ao impacto: Não se aplica Limite elástico: 3.,4 - 24 MPa Tenacidade a ruptura: 0,1 – 0,3 MPa.m1/2 Tensão de compressão: 4,08 – 28,8 MPa Tensão de ruptura por tração: 3,4 - 24 MPa Propriedades térmicas Calor específico: 2.000 – 2.200 J/kg.K Dilatação térmica: 550 - 590 (10-6/K) Condutividade térmica: 0,14 – 0,17 W/m.K Temperatura de transição vítrea: 198 - 223 K Temperatura máxima de serviço: 445 - 455 K Temperatura mínima de serviço: 206 - 226 K Propriedades físicas Absorção de água: 0,01 – 0,012 % Densidade: 0,86 – 0,87 gf/cm3 Flamabilidade: muito ruim Constante Dielétrica: 2,2 - 3 V/m Resistividade: 1,00 - 10 (1016 ohm.m) Copolímero de etileno acetato de vinil - EVA - (CH2)n-(CH2-CHR)n - Aplicações: Brinquedos flexíveis, viseiras, chinelos, filmes para revestimento, chapéus, mouse pads. Processos: injeção, extrusão, outros. Taxa de reciclagem: 0,02 – 0,04 Propriedades mecânicas Ductilidade:7,3 – 7,7 % Coeficiente de Poisson: 0,47 – 0,49 Coeficiente de atrito: 0,34 – 0,83 Dureza: 40 - 55 MPa Módulo de cisalhamento: 0,008 – 0,01 GPa Módulo de elasticidade: 0,02 – 0,03 GPa Resistência ao impacto: Não se aplica Limite elástico: 16 - 17 MPa Tenacidade a ruptura: 0,5 – 0,7 MPa.m1/2 Tensão de compressão: 20 - 30 MPa Tensão de ruptura por tração: 16 - 17 MPa Propriedades térmicas Calor específico: 2.000 – 2.200 J/kg.K Dilatação térmica: 160 - 190 (10-6/K) Condutividade térmica: 0,3 – 0,4 W/m.K Temperatura de transição vítrea: Temperatura máxima de serviço: 320 - 325 K Temperatura mínima de serviço: 150 - 200 K

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Propriedades físicas Absorção de água: 0,05 – 0,15 % Densidade: 0,945 – 0,955 gf/cm3 Flamabilidade: muito ruim Constante dielétrica: 2,9 – 2,95 Resistividade: 31,6 - 100 (1012 ohm.m) Isopreno - (CH2-C(CH3)-CH-CH2)n - Aplicações: pneus de carros, tubos internos, fechos, cintos, instalações anti-vibração, instalações elétricas, sapatos. Processos: vulcanização, injeção, outros. Propriedades mecânicas Ductilidade: 5 – 5,5 % Coeficiente de Poisson: 0,499 – 0,4995 Coeficiente de atrito: 0,3 – 0,6 Dureza: 23 - 25 MPa Módulo de cisalhamento: 0,0004 – 0,0006 GPa Módulo de elasticidade: 0,0017 – 0,002 GPa Resistência ao impacto: Não se aplica Limite elástico: 23 - 24 MPa Tenacidade a ruptura: 0,07 – 0,1 MPa.m1/2 Tensão de compressão: 23 - 25 MPa Tensão de ruptura por tração: 23 - 24 MPa Propriedades térmicas Calor específico: 1.800 – 2.500 J/kg.K Dilatação térmica: 150 - 450 (10-6/K) Condutividade térmica: 0,08 – 0,14 W/m.K Temperatura de transição vítrea: 190 - 195 K Temperatura máxima de serviço: 370 - 390 K Temperatura mínima de serviço: 220 - 230 K Propriedades físicas Absorção de água: 0,1 – 0,2 % Densidade: 0,93 – 0,94 gf/m3 Flamabilidade: muito ruim Constante dielétrica: 2,5 – 3 V/m Resistividade: 1 - 10 (107 ohm.m) Policloroprene – NEOPRENE - (CH2-CCl-CH2-CH2)n - Aplicações: Roupas impermeáveis de mergulho. Processos: injeção, outros. Propriedades mecânicas Ductilidade: 1 - 8 % Coeficiente de Poisson: 0,48 – 0,495 Coeficiente de atrito: 0,3 – 0,6 Dureza: 3.4 - 24 MPa Módulo de cisalhamento: 0,0002 – 0,007 GPa Módulo de elasticidade: 0,0007 – 0,002 GPa Resistência ao impacto: Não se aplica Limite elástico: 3,4 - 24 MPa Tenacidade a ruptura: 0,1 – 0,3 MPa.m1/2

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Tensão de compressão: 3,72 – 28,8 MPa Tensão de ruptura por tração: 3.4 - 24 MPa Propriedades térmicas Calor específico: 2.000 – 2.200 J/kg.K Dilatação térmica: 605 - 625 (10-6/K) Condutividade térmica: 0,1 – 0,12 W/m.K Temperatura de transição vítrea: 225 - 230 K Temperatura Máxima de Serviço: 375 - 385 K Temperatura Mínima de Serviço: 220 - 225 K Propriedades físicas Absorção de água: 0,1 – 0,2 % Densidade: 1,23 – 1,25 gf/cm3 Flamabilidade: muito ruim Constante dielétrica: 6,7 – 8 V/m Resistividade: 1,00 - 10000 (1011 ohm.m) 12.5 – POLÍMERO NATURAL - MADEIRA A madeira é um dos mais antigos materiais utilizados pelo homem que

possui como vantagens, dentre outras, o fato de ser relativamente leve e resistente, ser de fácil desdobro, apresentar uma estética agradável e possuir boas características isolantes. As principais desvantagens da madeira como material de fabricação é a instabilidade dimensional (a madeira incha, empena e racha conforme variações de umidade e temperatura ambiente), fragilidade no sentido contrário às fibras e é susceptível ao ataque de predadores.

Figura 12.29 – Uso da floresta.

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Atualmente o uso das madeiras naturais está bastante limitado em função da crescente conscientização ambiental. Com o surgimento do conceito de desenvolvimento sustentável (a partir de 1987), e chegada das normas da série ISO 14.000, a madeira proveniente das florestas nativas está sendo cada vez mais substituída por produtos de reflorestamento ou pelas chamadas madeiras transformadas. O quadro abaixo mostra alguns tipos de árvores utilizado na indústria moveleira. Madeira Características Propriedades Aplicações Balsa (Ochromae pyramidale)

- branco, creme, rosado ou acinzentado;

- textura e brilho acetinados;

- grã direita e fibra esponjosa.

- leve e porosa; - frágil e macia; - lasca facilmente; - fácil de trabalhar; - isolante térmico e

sonoro.

- aeromodelismo; - maquetes, decoração

teatral; - construção de balsa e

jangada, bóias e salva-vidas;

- forração de refrigeradores.

Pinus (Pinus elliot)

- amarelo claro; - aroma suave; - veios de manchas

escuras; - textura lisa e fina; - grã direita.

- porosa e macia; - baixa resistêcia; - rápido

crescimento; - fácil desdobro; - fácil de trabalhar; - média

durabilidade.

- móveis; - construção civil; - aglomerado; - compensado; - pasta celulósica; - artigos esportivos.

Pinheiro (Araucarie angustifclia)

- branco-amarelado ou tom rosado;

- veios avermelhados; - grão direita; - textura fina e uniforme; - superfície lisa; - cheiro pouco intenso.

- madeira leve; - baixa resistência

ao apodrecimento e ao ataque de cupins;

- tenra e fácil de trabalhar.

- forros, instrumentos musicais;

- pasta de celulose; - peças torneadas; - cabos de vassoura; - palitos de fósforo e de

sorvete. Pau-marfim (Baltouro-dendro riede-lianum)

- palha amarelado; - grã irregular; - textura fina e uniforme; - cheiro imperceptível e

gosto amargo; - compacta e de poros

fechados.

- resistência mecânica média;

- baixa resistência a organismos xilófagos;

- massa específica e dureza elevadas.

- móveis, laminado decorativo, peças torneadas;

- construção civil; - ferramentas (cabo); - metro para medição.

Cerejeira (Amburana cearensis)

- bege amarelado ou bege rosado;

- grã direita e irregular; - lustrosa e lisa ao tato; - cheiro acentuado; - gosto adocicado.

- massa específica elevada;

- dureza média; - boa durabilidade; - fácil de trabalhar; - retratilidade

baixa.

- móveis de luxo; - folhas decorativas; - cabos de machado; - bengalas, cachimbos; - instrumentos musicais.

Imbuia (Ocotea porosa)

- cor do pardo-claro amarelado ao pardo escuro;

- veios paralelos; - rica em desenhos;

- pesada e dura; - resistente ao

ataque de organismos xilófagos;

- esquadrias e portas; - marcenaria de luxo; - assoalhos, entalhes e

venezianas; - postes e dormentes;

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- pouco brilho; - textura fina; - grã ondulada.

- boa durabilidade; - fácil de trabalhar; - média resistência

mecânica; - alto polimento.

- coronhas de armas de fogo, peças torneadas e instrumentos musicais.

Mogno (Swietenia macro-phyfla)

- castanho avermelhado; - cheiro e gosto

imperceptíveis; - textura média e

uniforme; - veios em espiral, em

ondas ou em lágrimas; - alto brilho e grã direita.

- pesada, dura e compacta;

- consistência finíssima;

- resistência adequada ao apodrecimento e ao ataque de cupins;

- fácil de trabalhar.

- móveis, lambris, painéis, persianas;

- folhas decorativas e contraplacados;

- rodapés, divisórias, guarnições e forros;

- pisos e utensílios de cozinha.

Além destas, diversas outras espécies de madeiras naturais podem ser utilizadas para produtos diversos:

• Angelim: acabamentos internos, construções externas, esquadrias, folhas faqueadas, tacos e tábuas para assoalhos, vagões, carrocerias, dormentes, etc. É moderadamente permeável às soluções preservantes. E em ensaios de laboratório, demonstrou ser de alta resistência ao ataque de organismos xilófagos. Cerne de cor castanho-amarelado quando recém-polido, escurecendo para castanho-escuro-amarelado com exposição ao ar, diferenciado do albumo de cor branco-rosado, com aproximadamente 4,0 cm de largura.

• Angico (Peptadenia paniculata Betham): fabricaçãp de tabuados, mourões, vigas, cabos de ferramentas e outros. Tem baixa durabilidade, porém é bem permeável ao tratamento preservativo.

• Aroeira do Sertão ou Urundeúva (Astronium urundeuva): construções externas, como vigamentos de pontes, estacas, postes, esteios, mourões, dormentes; em construção civil, como vigas, caibros, ripas, tacos para assoalhos, peças torneadas. Alta resistência ao apodrecimento e ao ataque de cupins de madeira seca, tendo seus vasos excessivamente obstruídos por tilos e óleo-resina e fibras de lume extremamente reduzido. Em tratamentos severos sob pressão, demonstrou ter permeabilidade extremamente baixa às soluções preservantes. Cerne de cor bege-rosado ou castanho-claro, quando recém-cortado, escurecendo para castanho ou castanho-avermelhado-escuro; alburno diferenciado, branco levemente rosado.

• Cabriúva-parda (Myrocarpus frondosus): móveis, folhas faqueadas decorativas para painéis, lambris; em construção civil, como vigas, caibros, ripas, portas, janelas e marcos, tábuas e tacos para assoalhos, peças torneadas; em construções externas, como dormentes, cruzetas, postes, mourões, degraus de escada, etc.. Resistente ao ataque de organismos xilófagos, de baixa permeabilidade às soluções preservantes. Cerne de cor variável, do pardo-claro-rosado ao pardo-escuro-rosado ou acastanhado; alburno nitidamente diferenciado, branco-amarelado.

• Canela - Sassafrás (Ocotea pretiosa): fabricação de móveis, molduras, embalagens, embarcações, no acabamento interno, na construção civil, e outros.

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• Candeia ou Cambará (Moquinia polymorpha): construções externas, entalhes, esquadrias e peças torneadas. Alta resistência ao ataque de organismos xilófagos, pouco permeável a soluções preservantes. Cerne recém-polido apresenta-se amarelo-claro, escurecendo para bege-claro com manchas amareladas, tendendo para castanho-claro levemente rosado, uniforme; alburno destacado, branco-cinza.

• Cedro: indicada para partes internas de móveis finos, folhas faqueadas decorativas, embalagens decorativas, molduras para quadros, modelos de fundicão, obras de entalhe, artigos de escritório, instrumentos musicais, venezianas, rodapés, guarnicões, cordões, forros, lambris, em construcão naval como acabamentos internos decorativos, casco de embarcacões leves, cabos de vassouras, etc.. Resistência moderada ao ataque de organismos xilófagos, baixa permeabilidade às soluções preservantes. Cerne variando do bege-rosado-escuro ou castanho-claro-rosado, mais ou menos intenso, até o castanho avermelhado.

• Ipê-Roxo ou Ipê-Una (Tabeuia impetiginosa): acabamentos internos; artigos de esportes, bolas de bocha e boliche, cabos de ferramentas e implementos agrícolas, construções externas (estruturas, dormentes), cruzetas, esquadrias, lambris, peças torneadas, tacos e tábuas para assoalhos, vagões, carrocerias e instrumentos musicais, degraus de escada, e outros. Resistente ao ataque de organismos xilófagos. Cerne pardo acastanhado ou pardo-hava-claro, geralmente uniforme, às vezes com reflexos esverdeados. Demostrou ser impermeável às soluções preservantes.

• Jatobá (Hymenea stilbocarpa Hayne): utilizado na construção civil, carpintaria em geral, implementos agrícolas, construções externas, carrocerias, vagões, móveis, artigos de esporte, pisos e outros. Alburno espesso branco ligeiramente amarelado; cerne variável, desde o castanho- claro rosado ao castanho avermelhado, com tonalidade mais ou menos intensa.

• Peroba Rosa (Aspidosperma polyneuron): utilizada em construcão civil, como vigas, caibros, ripas, marcos de portas e janelas, venezianas, portas, portões, rodapés, molduras, tábuas e tacos para assoalhos, degraus de escadas, móveis pesados, carteiras escolares, folhas faqueadas, construcão de vagões, carrocerias, dormentes, fôrmas para calcados.

• Sucupira-parda ou Sucupira-preta (Bowdichia virgilioides): pode ser usada para folhas faqueadas decorativas, móveis de luxo, esquadrias, acabamentos internos, como tacos e tábuas para assoalhos e labris, em construções esxternas, como vigas, caibros, ripas, cruzetas, dormentes, pontes, etc. Resistente ao ataque de organismo xilófagos, mpermeável ou pouco permeável às soluções preservantes. Cerne variando de pardo-acastanhado ou castanho escuro, com numerosos e largos riscos mais claros, correspondendo às linhas vasculares envolvidas pelo parênquima axial, alburno nitidamente demarcado, branco levemente amarelado.

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12.5.1 - MADEIRAS TRANSFORMADAS

As madeiras transformadas são fabricadas através da alteração da estrutura fibrosa orientada do material, visando a correção das características negativas. Os tipos mais comuns são através da reaglomeração de madeira reduzida a fibras (chapadura), da reaglomeração de madeira reduzida a fragmentos, aparas, lascas, etc. (aglomerados), da aglomeração por colagem de finas lâminas desdobradas (laminados compensados) e da aglomeração de fibras de madeiras de média densidade (MDF). Os nomes de cortes podem variar de região para região, mas as medidas são consideradas padrões, principalmente em situações de corte para exportação.

Figura 12.30 – Cortes da madeira. Entre as vantagens da utilização das madeiras transformadas destacam-se: a homogeneidade de composição no caráter físico e mecânico, melhoria de propriedades como a retratilidade, peso específico, resistências ao cisalhamento e ao fendilhamento, etc., aproveitamento integral do material lenhoso contido nas árvores, possibilidade de obtenção de chapas de grandes dimensões e maior estabilidade dimensional. A madeira aglomerada são placas de madeira desfibradas e secas, cujas partículas são coladas entre si por meio de aglutinantes (à base de uréia e formol). É bastante indicado para a fabricação de móveis em geral, copas, cozinhas, armários, embutidos, etc. O MDF (Médium Density Fiberboard) é fabricado através de troncos selecionados que, após descascados, são fragmentados e desfibrados. As fibras são misturadas com resina de uréia-formaldeído, e são levadas por meio pneumático para uma máquina formadora, onde, na sequência, são prensados. O produto final apresenta peso específico na ordem de 700 a 750 kg/m3, com espessura que varia de 9 a 30 mm.

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12.5.2 - TRATAMENTO SUPERFICIAL Os tratamentos superficiais objetivam melhorar o aspecto do material utilizado e também protegê-lo contra possíveis agressões do meio que o cerca. Alguns tratamentos são mais específicos para determinadas espécies de madeiras naturais, outros são mais aconselhados para usos em madeiras transformadas. Logo, é aconselhável um estudo completo das características da madeira e do tipo de tratamento superficial que se pretende aplicar, antes da execução do trabalho propriamente dito. Inicia-se o preparo da madeira pelo lixamento, executado preferencialmente sempre no mesmo sentido, para evitar arranhões. As lixas devem ser usadas gradualmente, da mais grossa à mais fina. Durante o preparo da superfície deve-se observar a presença de defeitos, tais como:

• manchas de óleo ou graxa: podem ser removidas com nafta ou benzina; • fendas e/ou furos: podem ser eliminados através de massa corrida acrílica

(ou a óleo para madeiras), cimento de madeira, betume ou resina; e • depressões: utiliza-se uma estopa de algodão molhada em água quente,

que estufará as células da madeira. Completa-se a etapa de preparo da superfície com um novo lixamento, seguido pela remoção do pó (com escova fina) e aplicação de uma demão de selador. 12.5.3 - TIPOS DE ACABAMENTOS E REVESTIMENTOS PARA MADEIRA.

• polimento com cera: confere brilho e maciez, mas, é susceptível a manchas por contato com a pele e é pouco resistente ao calor. Seu principal uso são superfícies decorativas ou que não serão manuseadas.

• envernizamento: os vernizes formam uma película protetora transparente. Os mais comuns são goma-laca, nitrocelulose, poliuretano e poliéster.

O verniz goma-laca é indicado para reparar móveis antigos ou harmonizar uma peça com outras já existentes em um ambiente. Promove um acabamento liso e brilhante que, pode danificar-se em contato com líquidos ou com o calor. O verniz de nitrocelulose é o mais utilizado na indústria moveleira e seu acabamento pode ser incolor, tingido, brilhante ou fosco. Como qualidades apresenta um tempo curto de secagem, boa aderência, boa flexibilidade e resistência satisfatória para emprego em ambientes internos (é utilizado sobre uma demão de selador nitro). O verniz de poliuretano é usado em pisos, tetos, madeiras e móveis. Em contrapartida à baixa resistência à luz e a um longo tempo de secagem, apresenta grande durabilidade, boa flexibilidade, maior brilho, boa resistência física e química, resistência ao calor, a água, aos álcoois e a abrasão. É indicado para cozinhas e banheiros e tanto pode ser usado como verniz de cobertura quanto como selador.

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O verniz de poliéster forma uma película dura e transparente e apresenta uma elevada resistência química e física (atrito). Seu principal uso é a correção de riscos superficiais.

• laqueação: pintura aplicada com pistola, confere uma aparência lisa e espelhada na superfície, onde os veios da madeira ficam totalmente escondidos.

• óleos: a aplicação de óleos (linhaça, teca, peroba e cerejeira), proporciona bom acabamento, sendo mais apropriados para madeiras escuras. Os óleos formam um filme resistente e fosco (não encobrem a textura, mas escurecem a madeira). São resistentes à água e, com o uso contínuo, promovem um aumento na resistência ao choque.

• tingimento: aplicação do tingidor, à base de água ou solvente, sobre o substrato. Com a evaporação da parte líquida, o corante deposita-se na camada superior da madeira. O tingimento pode ser translúcido (permite a apreciação dos veios da madeira) ou opaco (os pigmentos bloqueiam a visualização dos veios). Os elementos pigmentados possuem as mesmas características dos vernizes.

• esmalte poliuretano: essas tintas formam películas estruturalmente duras e resistentes química, física e mecanicamente. Por isso, são indicados para o mobiliário de quartos de crianças e de cozinha. Permitem acabamento de alto brilho ou fosco e possuem boa aderência em madeiras resinosas (que não são boas para vernizes, do tipo poliéster e nitrocelulose).

• clareamento ou alvejamento: técnica para descolorir a madeira, sendo o alvejante mais usado o peróxido de hidrogênio misturado com amônia.

• pátina: é a denominação das texturas que apresentam efeitos de envelhecimento. Consiste basicamente em cobrir os veios naturais da madeira com tinta esmalte, PVA ou emborrachado automativo e com uma estopa embebida em solvente dá-se o efeito de “manchado”.

A operação consta dos seguintes passos:

1. Passar a lixa n0 60 sobre a peça até tirar todo o verniz e após, limpá-la com o pano;

2. Distribuir a massa corrida, com a espátula, sobre as imperfeições. Esperar secar por quatro horas. Para retirar os excessos e nivelar a madeira, usa-se a lixa n0 180. Após o lixamento, limpa-se a peça novamente;

3. Antes da pintura, visualiza-se as várias superfícies da peça e trabalha uma por vez, de cima para baixo. Com a ajuda do rolo, passa-se uma demão de tinta látex branca e espera-se secar por duas horas.

Figura 12.31 – Efeito pátina.

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4. Antes da pintura, visualiza-se as várias superfícies da peça e trabalha uma

por vez, de cima para baixo. Com a ajuda do rolo, passa-se uma demão de tinta látex branca e espera-se secar por duas horas. Se ainda houver imperfeições, deve-se repetir o procedimento com a massa corrida;

5. Quando a superfície estiver bem lisa, passa-se uma segunda demão de tinta branca, e espera-se mais duas horas;

6. Logo após, mergulha-se bem o rolo (lavado) na tinta da cor escolhida e, sem retirar o excesso, aplica-o sobre o móvel;

7. Com a tinta ainda fresca, passa-se a palha de aço de uma só vez, no mesmo sentido, tirando os excessos da tinta. Deve-se manter a mão firme, porque é a palha de aço que vai criar o efeito de “riscado” da pátina, deixando o branco aparecer. Espera-se secar por mais duas horas e trabalha-se cada uma das outras partes, riscando sempre no mesmo sentido;

8. Finalmente, com o móvel completamente seco, procede-se o acabamento, aplicando-se duas demãos de verniz.

• decapê: consiste na aplicação de dióxido

de titânio (pó branco). Quando essa superfície recebe uma pátina, formam-se relevos. A figura mostra o efeito de decapê em uma peça de madeira.

Figura 12.32 – Efeito decapê.

• satinê: ou pátina lavada, é usada para clarear a madeira, ressaltando seus veios. Porém, enquanto a pátina usa duas cores de tinta, o satinê é feito com apenas uma, bastante diluída. As madeiras cerejeira e marfim são as ideais para esse processo, desde que estejam em bom estado, sendo preferível as tonalidades mais claras. A figura mostra um móvel submetido a esse tipo de tratamento superficial.

A operação consta dos seguintes passos: 1. Trabalha-se toda a superfície com a lixa n0 60, até que

se retire completamente o verniz. Quanto mais lisa estiver a madeira, melhores serão os resultados obtidos. Com o pano, limpa-se bem a peça;

Figura 12.33 – Efeito satinê.

2. Trabalha-se toda a superfície com a lixa n0 60, até que se retire completamente o verniz. Quanto mais lisa estiver a madeira, melhores serão os resultados obtidos. Com o pano, limpa-se bem a peça;

3. Desliza-se a escova de aço, suavemente, no sentido dos veios da madeira. Repete-se esse procedimento até três vezes;

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4. Usa-se a lixa n0 180 para alisar a superfície, após, procede-se limpeza com pano. A tinta é preparada na seguinte proporção: seis partes de látex para quatro partes de água;

5. Para passar a tinta, deve-se usar uma boneca sobre uma mesa, fazendo-se movimentos circulares com um pouco de estopa até obter uma esfera do tamanho de uma bola de tênis;

6. A boneca é molhada na tinta e à seguir, passada na peça a ser trabalhada. Essa aplicação deve ser feita de uma só vez, num mesmo sentido e com firmeza. Espera-se secar por duas horas;

7. Com suavidade, passa-se a lixa n0 320, que serve para disfarçar irregularidades da tinta ou da madeira. Se a cor não estiver do agrado, pode-se clarear ainda mais, passando nova demão de tinta e seguindo os mesmos passos descritos anteriormente;

8. Finalizando, aplica-se a cera com uma nova bolinha de estopa (boneca). Esse procedimento deve ser repetido a cada seis meses, para efetuar a manutenção do móvel.

• estonado: também conhecido por pátina provençal, serve para madeiras

escuras. A principal característica é o contraste da tinta branca sobre um fundo escuro.

A operação consta dos seguintes passos:

1. Usa-se a lixa n0 180 para nivelar a superfície e tirar restos de verniz; 2. Para estonar madeiras claras, deve-se primeiro escurecê-las. Se estiver

trabalhando com madeira escura, deve-se ir direto para a etapa de diluição de tinta látex. Para escurecer a madeira, deve-se diluir toda a anilina em 1 litro de álcool;

3. Após fazer uma bolina com a estopa, passe toda a solução preparada na peça. Esse movimento deve ser feito de uma só vez e num único sentido, para evitar manchas. Deve-se passar quantas demãos se achar necessário, para que a madeira fique bem escura. Deve-se deixar secar durante três horas, pois a madeira escurecida com anilina precisa estar bem seca antes de receber tinta branca, ou aparecerão manchas;

4. Dilui-se a tinta látex e com o rolo, aplica-se três demãos. Quanto mais tinta for aplicada, mas fácil será o desgaste. O tempo de secagem é de uma hora para cada demão;

5. Utilizando-se da espátula, raspa-se a tinta em locais onde o desgaste ocorreria naturalmente (cantos, pequenas depressões na madeira, partes perto de puxadores, etc.). A espátula não permite um desgaste muito detalhado, mas o manejo é mais seguro do que a lâmina;

6. O móvel deve ser nivelado com a lixa n0 220, concentrando-se esse trabalho, nos pontos desgastados; e passa-se a cera incolor com outra bolinha de estopa.

• estêncil: basicamente é a pintura com moldes, conforme ilustra a figura. A operação consta dos seguintes passos:

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1. Lixa-se toda a peça, para remover o verniz e nivelar a superfície. Limpa-se com o pano;

2. Com a espátula, aplica-se a massa a óleo em toda a peça. Isso disfarça eventuais imperfeições e relevos. Espera-se secar;

3. Pinta-se a superfície que servirá de fundo para o estêncil e aplica-se uma demão de tinta branca fosca, com o rolo. Deixa-se secar por seis horas;

4. Usando o pincel chato, pinta-se o móvel com a primeira cor escolhida. O tempo de secagem é de seis horas;

5. Para empregar outras tintas, deve-se cobrir com fita crepe as áreas vizinhas já prontas. Deve-se esperar

em torno de seis horas, entre cada demão; Figura 12.34 – Efeito estêncil.

6. Numa folha de papel, desenha-se o que se deseja reproduzir no estêncil e coloca-se o acetato sobre o papel fazendo-se assim o contorno da figura com a caneta de reprojetor;

7. Sobre uma base de vidro, recorta-se o desenho do acetato com um estilete;

8. Com o pano embebido de álcool, limpa-se o acetato até que toda a tinta da caneta seja retirada. Usa-se uma régua para fazer as medidas necessárias, deixando o desenho nivelado;

9. Fixa-se o molde sobre o móvel com tinta crepe. Molha-se a esponja na tinta e pressiona-a levemente sobre o desenho. É importante que não se permita que a esponja fique com excesso de tinta, pois esta pode escorrer ou se acumular nas bordas do molde;

10. Com a esponja, fica-se “batendo” a tinta no desenho, até que se obtenha as nuances desejadas;

11. Pequenas falhas podem surgir, quando a tinta não completa todo o desenho. Essas devem ser corrigidas com um pincel fino;

12. Quando for realizado um desenho de várias cores, deve-se esperar a primeira cor secar completamente antes de prosseguir. A cada nova cor utilizada, deve-se lavar a máscara e cobrir, com fita crepe, os espaços que não serão pintados.

13. Enegrecimento: aplicado na madeira de carvalho, permite o escurecimento através da exposição à vapores de amoníaco.

• fórmica: são placas rígidas compostas por camadas de papel e resina,

prensadas a alta temperatura. Apresenta boa resistência química e mecânica. Sua superfície pode ser manchada por produtos químicos, como soda cáustica, água oxigenada e produtos de limpeza que contenham cloro.

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13 – CERÂMICOS 13.1 – INTRODUÇÃO O termo “cerâmica” vem da palavra grega keramikos, que significa “matéria-prima queimada”, dando a entender que as propriedades finais desejáveis desses materiais são normalmente atingidas através de um processo de tratamento térmico a alta temperatura. Os primeiros vestígios da utilização da cerâmica datam do início do Neolítico (entre 10.000 e 6.000 a.C.), na forma de potes para o armazenamento de grãos. Atualmente os materiais cerâmicos estão cada vez mais presentes no cotidiano e suas aplicações são as mais diversas. Para uso na construção, os materiais cerâmicos também estão entre os mais antigos, tanto na forma de blocos e telhas, quanto na de placas de revestimento. Atualmente, as possibilidades de emprego de materiais cerâmicos ampliaram-se muito, indo de utensílios domésticos como potes a utensílios industriais como a fibra ótica. A fabricação de revestimentos para a construção civil, tais como azulejos, ladrilhos, pastilhas e placas, é apenas uma das diversas atividades que têm como finalidade a produção de materiais cerâmicos.

Os cerâmicos são compostos entre os elementos metálicos e não-metálicos para os quais as ligações interatômicas ou são totalmente iônicas ou são predominantemente iônica com alguma natureza covalente. Eles são freqüentemente óxidos, nitretos e carbonetos. A grande variedade de materiais que se enquadra nesta classificação inclui cerâmicos que são compostos por minerais argilosos, cimento e vidro. Os cerâmicos podem ser classificados nas seguintes categorias: 1) Cerâmica convencional

• Cerâmica vermelha – Abrange as telhas e manilhas até objetos artesanais;

• Revestimentos cerâmicos - Compreendem a produção de materiais usados na construção civil para revestimento de paredes, pisos e bancadas, tais como azulejos, placas ou ladrilhos para piso e pastilhas;

• Cerâmica branca - Louças sanitárias e domésticas.

2) Cerâmica avançada • Isoladores elétricos, para transmissão e distribuição, e cerâmicas técnicas

como piezo elétrico, para fins diversos; • Materiais refratários e isolantes térmicos, muito utilizados na siderurgia,

fabricação de vidros e dos próprios revestimentos cerâmicos; • Vidros, que são utilizados em recipientes, janelas, lentes, telas de tv e

fibra de vidro; • Semicondutores e imãs; • Cerâmicas duras que podem ser matérias primas de motores a

combustão interna e de turbina, em chapas de blindagem, em embalagens de componentes eletrônicos e como ferramentas de corte.

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Os materiais cerâmicos são materiais inorgânicos, cuja estrutura, após queima em altas temperaturas, apresenta-se totalmente ou parcialmente cristalizados. A cristalização confere aos materiais cerâmicos propriedades físicas como a refratariedade, a condutividade térmica, a resistência ao choque térmico, a resistência ao ataque de produtos químicos, resistência à tração e à compressão e a dureza. Isso permite que os produtos de cerâmica sejam usados tanto para louça doméstica quanto para construção (material refratário de altos-fornos, ferramentas de corte em máquinas-ferramentas). Desta forma, cada vez mais a cerâmica vem substituindo peças de metais nos mais variados equipamentos. A Ciência dos Materiais tem desenvolvido materiais alternativos dos materiais tradicionais, a exemplo das superligas a base de níquel, com notáveis resistências mecânica e à oxidação em altas temperaturas, usada em turbinas de aviões. Entretanto, muitos materiais cerâmicos ainda têm suas aplicações limitadas devido a sua fragilidade.

Figura 13.1 – Peças de cerâmica. Tanto nos materiais cerâmicos quanto outros materiais é preciso estabelecer o fim que o produto vai ter para que se possa escolher de forma precisa a matéria prima. Para a fabricação de cerâmica convencional como louça doméstica, material sanitário, pisos e revestimentos ou material de laboratório para a indústria química, usa-se muito argila, caulim, quartzo e feldspato, misturados em diferentes proporções. Se for necessária a fabricação de um material refratário, as matérias primas utilizadas podem ser a argila refratária, caulim, diásporo, bauxita, cianita, silimanita, corindon, quartzito, etc nas proporções adequadas. Para cerâmicas de uso especial e com processamento de alta tecnologia, chamadas de cerâmicas avançadas, como telas de televisão, materiais magnéticos, materiais biocompatíveis, cerâmicas supercondutoras, cerâmicas piezo elétricas, lentes, fibra ótica, pastilhas de corte, a matéria prima é cuidadosamente selecionada e a composição destes no produto dependerá da sua aplicação e das propriedades desejadas, por exemplo, as fibras óticas contêm basicamente SiO2 e B2O3. Atualmente existe alguns de tipos de fibras óticas com composição mais intrínseca como o ZBLAN a base de zircônio, bário,

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lantânio, alumínio e sódio, o HZBLAN com háfnio e o BIZYT a base de bário, índio, zinco, itérbio e tório. As propriedades óticas têm maior importância neste campo. Quando se trata de pastilha de corte, a matéria prima poderá ter composição bem distinta do último como o nitreto cúbico de boro, a alumina, a zircônia ou carbeto de silício, todos com propriedades mecânicas de elevada dureza e resistência a abrasão para produzir, por exemplo, materiais para ferramentas de corte. Tanto a cerâmica convencional quanto a cerâmica avançada tem atingido grau de desenvolvimento na produção que poderia ser descrito cursos especiais para cada caso, mas o objeto deste estudo é apenas para dar uma visão geral de ambos os casos. 13.2 – CERÂMICA CONVENCIONAL 13.2.1 – CERÂMICA VERMELHA Podem-se apresentar três composições básicas que são: massa cerâmica, esmalte e engobe. A massa cerâmica é a que se apresenta geralmente em maior quantidade, onde pode ser de baixa porosidade (piso) ou de elevada porosidade (revestimento, tijolos isolantes térmicos). A massa cerâmica pode ser esmaltada ou não, que o caso de alguns tipos de vasos de flores e tijolos vermelhos. O esmalte é a composição vítrea que geralmente recobre a massa cerâmica conferindo um ótimo aspecto visual e impermeabilizante da massa. O esmalte é composto de vários óxidos na forma de pós que, após a queima, vitrifica-se. O engobe é uma composição intermediária da massa cerâmica e do esmalte que tem como finalidade facilitar a aderência entre os dois. Os produtos cerâmicos são obtidos pela composição destes ou não e sinterizados (queimados). A qualidade e defeito de um produto cerâmico depende muito do conhecimento das matérias primas de cada componente bem como das condições físico-químicas do processamento. 13.2.1.1 – Massa cerâmica As massas cerâmicas são misturas equilibradas de matérias primas plásticas e não plásticas, que cumprem uma série de exigências que as fazem útil e rentáveis para fabricação de produtos cerâmicos convencionais. As matérias primas utilizadas na preparação de massas cerâmicas geralmente não são substâncias puras.

Matérias primas plásticas As matérias primas plásticas são: argila, caolim, bentonita. Argilas - O termo argila se usa em linguagem comum num sentido muito amplo com o fim de simplificar definições muito complexas, ou seja, em geral, entende-se como argila um produto natural, não tratado previamente, formado por uma mistura de minerais argilosos (caolinita, cloritas, filitas, etc) com outros que não

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são argilosos como (quartzo, carbonatos, feldspatos óxidos e etc.). Desta forma, em uma argila onde há predominância de cal, denominará argila calcárea e, da mesma forma, para a argila caolinítica. As propriedades de cada argila estão de acordo com suas composições. Os minerais argilosos se dividem em 3 grupos conforme a tabela abaixo:

A Grupo caolinita Hidratados haloisita caolinita Não hidratados diquita nacritra

B Grupo da mica Hidratados montmorilonita Não hidratados talco pirofilita Parcialmente hidrat. filitas

C Grupo de clorita clorita haloisita Al2O3

.2SiO2.2H2O + 2H2O

caolinita Al2O3.2SiO2

.2H2O diquita nacritra montmorilonita montmorilonita (bentonita) talco 3MgO.4SiO2

.H2O pirofilita Al2O3

.4SiO2.H2O

filitas K2O.3Al2O3. 6SiO2 H2O

clorita clorita Caolim – O caolim é uma argila contendo elevado índice de caolinita, de baixa plasticidade e elevada refratariedade. Pode apresentar elevado conteúdo de sílica com granulometria grosseira além de apresentar outros minerais como illita e montmorillonita. Os principais óxidos do caolim são: SiO2 (54%), Al2O3 (33%), restante, Fe2O3, CaO, MgO, Na2O, K2O, TiO2. Bentonita – O principal mineral argiloso da bentonita é a montmorilonita, que absorve água com facilidade, dilatando sua estrutura até 4 ou 5 vezes seu volume a seco. É extremamente plástica, melhorando de forma significativa a plasticidade com a adição deste na massa cerâmica.

Matérias primas não plásticas As matérias primas não plásticas são: quartzo, feldspato, carbonato, talco. Quartzo – O quartzo é a forma predominante da sílica (SiO2) – Sílica contém 98% de SiO2 – ou seja, é a forma cristalina. Utiliza-se como carga na massa cerâmica, quando se tem o objetivo de diminuir a plasticidade da mesma. As argilas utilizadas para fabricação de pisos e revestimentos geralmente tem em torno de 20% de sílica.

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Feldspato – São minerais ígneos encontrados em rochas primárias em que aparecem junto com o quartzo e a mica. Trata-se de aluminosilicatos de metais alcalinos e alcalinos térreos, por exemplo, aluminosilicato de sódio, aluminosilicato de cálcio. O quadro abaixo mostra fórmulas moleculares teóricas de alguns tipos de feldspato mais comuns (minerais puros). Mineral Fórmula molecular Densidade

aparente (g/cm3) Dureza (Mohs0

Ortosa K2O.Al2O3.6SiO2 2,56 6

Albita Na2O.Al2O3.6SiO2 2,61/2,64 6/6,5

Anortita CaO.Al2O3.2SiO2 2,70/2,76 6/6,5

Celsiana BaO.Al2O3.2SiO2 3,37 >6

Petalita Li2O.Al2O3.8SiO2 2,41 6,5

Nefelina K2O.3Na2O.4Al2O3 9SiO2 O ponto de fusão dos feldspato oscila entre 1.110 a 1.530 oC. Estas temperaturas relativamente baixas são devido a presença dos metais alcalinos e alcalinos térreos. Carbonato cálcico e dolomita – Se utilizam em massas cerâmicas de produtos porosos em que é difícil introduzir argilas calcares como, por exemplo, massa branca para revestimentos, quando há dificuldade de se encontrar argilas de queima branca e alto conteúdo de carbonatos. A dolomita pode ser considerada como um carbonato duplo de cálcio e magnésio, que se apresentam em quantidades iguais. Mineral Fórmula molecular Carbonato cálcico

CaCO3

Dolomita CaO MgO.2CO2 Talco – O talco é um silicato de magnésio, podendo apresentar-se associado com impurezas como o ferro e cálcio e outros metais alcalinos. Adicionando-se talco na massa cerâmica aumenta-se a resistência a ácidos e reduz a expansão por umidade. Os principais óxidos que podem estar contidos no talco são: SiO2 (60%), MgO (32%) e restante de Al2O3, Fe2O3, CaO, Na2O, e etc. 13.2.1.2 – Esmaltes Em muitos produtos cerâmicos a massa é recoberta por uma película vítrea que também é denominado como vidrado que tem como função recobrir recobrir o material com uma camada uniforme e impermeável, realizando também funções de estética e decorativas. Se trata de vidros que tem diferentes composições de óxidos inclusive metais como ouro e prata (revestimentos de encomenda especial). Pode ter formas cristalinas ou não em sua composição. Os vidros são substâncias amorfas formadas por fusão e posteriormente esfriamento de silicatos desorientados. Os cristais são estruturas com orientação, na qual os elementos químicos constituintes estão arranjados de forma ordenada e

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repetitiva nas três dimensões, formando um conjunto de células unitárias. Portanto, a camada vítrea que cobre a massa cerâmica tem na realidade a estrutura de um líquido subresfriado que pode conter partículas cristalinas em suspensão, ou seja, esmalte = vidro + cristais. Há uma série de fatores determinantes da composição do esmalte que tem de se levar em conta na hora da escolha da matéria prima que são: - Capacidade de formar uma mistura que pode se dar por fusão um vidro

homogêneo a uma dada temperatura; - Interação adequada com a massa cerâmica; - Os coeficientes de dilatação térmica da massa cerâmica e esmalte devem ser

compatíveis a fim de evitar defeitos devido a forças de tração e de compressão entre ambos;

- A composição do esmalte deve estar de acordo com as propriedades desejadas.

De acordo com o descrito, a composição de um esmalte estará composta por fundentes (fritas) modificadores de propriedades (propriedades óticas, textura, etc.) e aditivos (modificadores de propriedades reológicas). 13.2.1.3 – Engobe A função do engobe é diferente do esmalte e também as suas propriedades. Em geral, um engobe deverá: - Cobrir e homogeneizar a superfície da massa; - Isolar da superfície da massa cerâmica a ação de partículas contaminantes e proporcionar uma superfície branca sobre a qual se aplicara o esmalte; - Ter opacidade adequada; - Regular a adaptação entre o esmalte e a massa cerâmica, atuando sobre seus coeficientes de dilatação térmica ou sobre sua refratariedade. Em geral, os engobes têm composições sensíveis formadas por um fundente (PbO, Zr2O3), elementos de carga (argila, feldspato, caolim, quartzo e silicato de zircônio). Os materiais argilosos são processados nas seguintes etapas: Mistura: matérias primas previamente tratadas e dosadas; misturadas de forma homogênea Moagem: o material é moído para reduzir o tamanho dos grãos Umidificação: o acréscimo de água para formar a massa cerâmica Conformação: onde as peças são produzidas por vários métodos: colagem, extrusão, prensagem ou injeção. Secagem: pode ser natural ou artificial, na qual grande parte da água livre é evaporada Queima: a temperatura é definida em função da composição química da mistura e na qual o aumento de temperatura causa as seguintes reações: desidratação, calcinação, oxidação e formação de silicatos.

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Figura 13.2 – Produção de cerâmica. O calor é muito importante para que o produto cerâmico tenha garantidas as propriedades que o caracterizam. 13.2.2 – CERÂMICA BRANCA

Este grupo é bastante diversificado, compreendendo materiais constituídos por um corpo branco e em geral recobertos por uma camada vítrea transparente e incolor e que eram assim agrupados pela cor branca da massa, necessária por razões estéticas e técnicas. Com o advento dos vidrados opacificados, muitos dos

produtos enquadrados neste grupo passaram a ser fabricados, sem prejuízo das características para uma dada aplicação, com matérias-primas com certo grau de impurezas, responsáveis pela coloração.

É mais adequado subdividir este grupo em:

• louça sanitária; • louça de mesa; • cerâmica artística

(decorativa e utilitária). • utensílios domésticos e

adornos.

Figura 13.3 - Louça sanitária.

A cerâmica branca é um segmento da cerâmica tradicional (ou de silicatos) bastante abrangente, caracterizada pela cor branca ou clara de queima de sua massa básica, em temperaturas superiores a 1.000 °C. A preparação de um

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produto cerâmico desta classe abrange, de maneira geral, as seguintes etapas: seleção das matérias primas, preparação, composição e homogeneização da massa cerâmica; formação dos corpos cerâmicos; secagem; queima; e acabamento. As matérias primas devem apresentar, isolada ou conjuntamente, materiais com a função física durante o processo de conformação das peças (agentes de ligação, suspensão e plasticidade); e função química no processo de queima (elementos estabilizadores, fundentes e inertes). Esses componentes podem ser agrupados em materiais plásticos e não-plásticos, ou idealmente, traduzidos por três matérias primas: argila, quartzo e feldspato.

A massa da cerâmica branca é composta, geralmente, por uma mistura de

argila plástica, caolim, quartzo e feldspato, na proporção de 25% para cada componente, podendo, porém variar dentro de faixas de acordo com a composição química desses materiais, para satisfazer a uma dada composição química prefixada para massa e finalmente para o corpo cerâmico. Essa massa é geralmente total ou parcialmente vitrificada e apresenta uma certa coloração escura indesejável, requerendo que seja coberta por um vidrado contendo um pigmento e com opacificantes (ZrSiO4), considerando os coeficientes de dilatação térmica da massa e do vidrado. Não há uma única massa-padrão com características que satisfaçam aos requisitos de todos os diferentes produtos da cerâmica branca. Os caolins, para cerâmica branca, queimam com cores claras a 1250 ºC. Quando ricos em ferro, manganês ou titânio, com cor escura a temperatura usual de queima é a 1450 ºC. Em geral, a faixa usual de queima para material sanitário compreende 1230 ºC a 1280 ºC.

Os materiais argilosos são processados nas seguintes etapas: Mistura: matérias primas previamente tratadas e dosadas; misturadas de forma homogênea Moagem: para que se reduza o tamanho das partículas da matéria-prima da argila é necessário que se faça um procedimento de moagem ou trituração. Esse processo é seguido por um peneiramento ou uma classificação por granulometria que produz um produto pulverizado que possui uma faixa desejada de tamanho de partículas. Umidificação: os materiais pulverizados devem ser completamente misturados com água e, talvez, outros ingredientes para dar as características de escoamento que são compatíveis com a técnica particular de moldagem.o material é moído para reduzir o tamanho dos grãos. Conformação: os minerais à base de argila, quando misturados com água, se tornam altamente plásticos e flexíveis, e podem ser moldados sem que ocorram trincas; entretanto, eles possuem limites de escoamento extremamente baixos. A consistência (razão água-argila) da massa hidroplástica deve dar um limite de resistência suficiente para permitir que uma peça conformada mantenha a sua forma durante o manuseio e a secagem. Os processos podem ser: colagem, extrusão, prensagem ou injeção. Secagem: uma peça cerâmica que tenha sido moldada retém uma porosidade significativa e também possui uma resistência que é insuficiente para a maioria das aplicações práticas. Além do mais, ela pode conter ainda algum líquido (por exemplo, água), que foi adicionado para auxiliar na operação de conformação. Esse líquido é removido em um processo de secagem; a densidade e a resistência são melhoradas com a secagem e a queima.

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Queima: uma peça que tenha sido conformado e que esteja seco, mas que não tenha sido queimada é conhecido por cru. As técnicas de secagem e queima são críticas no sentido de que defeitos como contração de volume de forma irregular torna a peça inútil. A temperatura de queima depende da composição e das propriedades desejadas para a peça acabada. Durante a operação de queima, a densidade e a resistência mecânica devido à diminuição da porosidade. A temperatura é definida em função da composição química da mistura, variando, geralmente, entre 900 °C e 1400 °C. As seguintes reações ocorrem através da queima: desidratação, calcinação, oxidação e formação de silicatos.

Quando materiais à base de argila são aquecidos a temperaturas mais elevadas, ocorrem algumas reações consideravelmente complexas. Uma dessas reações é a vitrificação, a formação gradual de um vidro líquido que flui para dentro e preenche parte do volume dos poros. O grau de vitrificação depende da temperatura e do tempo de queima, bem como da composição química da peça. A temperatura na qual a fase líquida se forma é reduzida pela adição de agentes fundentes, como o feldspato. Essa fase fluída escoa ao redor das partículas não fundidas que permanecem no meio e preenche os poros, como resultado de forças de tensão superficial; uma contração de volume

também acompanha esse processo. Com o resfriamento, essa fase fundida forma uma matriz vítrea que resulta em um corpo denso e resistente. Dessa forma uma matriz vítrea que resulta em um corpo denso e resistente. Os tijolos de construção são queimados normalmente a uma temperatura de aproximadamente 900 °C, e são relativamente porosos. Por outro lado, a queima de uma porcelana altamente vitrificada, que está no limiar de ser oticamente translúcida, ocorre em temperaturas muito mais altas.

Figura 13.4 – Forno túnel para queima de peças cerâmicos.

13.2.2.1 - Processamento

A técnica de conformação hidroplástica mais comum é a extrusão, onde uma massa cerâmica plástica rígida é forçada através de um orifício de uma matriz que possui a geometria de seção reta desejada; ela é semelhante à extrusão de metais. Tijolos, tubos, blocos cerâmicos e azulejos são todos geralmente fabricados utilizando uma técnica de conformação hidroplástica. Normalmente, a cerâmica plástica é forçada através de uma matriz por meio de uma rosca sem fim acionada por um motor, e o ar é freqüentemente removido em uma câmara a vácuo, para melhorar a densidade da peça. As colunas ocas no interior da peça extrudada (por exemplo, o tijolo de construção) são formadas pela introdução de inserções colocadas dentro do molde. Um outro processo de modelação usado para composições à base de argila é a moldagem por suspensão. Neste processo, a barbotina (mistura líquida de argilas) é derramada dentro de um molde poroso (em geral de gesso), a água da suspensão é absorvida no interior do molde, deixando para trás uma camada sobre a parede do molde, cuja espessura irá depender do tempo. Esse processo

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pode ser continuado até que a totalidade da cavidade do molde se torne resistente mecanicamente. A natureza da suspensão é extremamente importante; ela precisa possuir uma gravidade específica alta, e ainda assim precisa ser muito fluida. Essas características dependem da razão sólido-água, bem como de outros agentes que são adicionados. As propriedades do molde também influenciam a qualidade da modelação. Normalmente o gesso-de-paris, que é econômico, relativamente fácil de ser fabricado em formas intrincadas e reutilizáveis, é usado como material de molde. A maioria dos moldes é composta por peças múltiplas, que devem ser montadas antes da queima. As formas cerâmicas consideravelmente complexas que podem ser produzidas por este método incluem louças sanitárias, objetos de arte e peças de laboratórios científicos, tais como tubos cerâmicos.

A prensagem “a seco” é um outro importante método de conformação de produtos cerâmicos e é realizado através da prensagem de pós da matéria prima. Os pós são produzidos através da atomização ou pulverização de barbotina em contra corrente a um fluxo de ar aquecido e que circula em uma torre. No final do percurso encontra-se o pó de cerâmica (matéria prima plástica), que posteriormente e transportado para matrizes de prensagem. Após a conformação a peça entra num sistema contínuo de secagem e queima. 13.3 – CERÂMICA AVANÇADA Pode-se dizer que esta expressão define produtos cerâmicos manufaturados a partir de matérias primas puras, normalmente sintéticas e conformadas por processos especiais, sinterizadas em condições rigidamente controladas a fim de apresentarem propriedades superiores. Abaixo está alguns exemplos de cerâmicas avançadas para perceber a abrangência desses materiais: 1) Óxido de ferro; carbonato de bário e de estrôncio; titanato de bário. Aplicação: cerâmicas elétricas e magnéticas. Propriedades: magnetismo, dieletricidade, piezoeletricidade, semi-condutividade. Produtos: capacitores, geradores de faísca, semicondutores, ímãs, varistores, termistores. 2) Alumina; zircônia. Aplicação: cerâmicas químicas e eletroquímicas. Propriedades: capacidade de adsorsão; resistência a corrosão; catálise. Produtos: suportes de catalisadores; sensores de gases; eletrólitos sólidos. 3) Alumina; vidro de sílica. Aplicação: cerâmicas óticas. Propriedades: condensação ótica; translucidez; fluorescência; condução de luz. Produtos: lâmpada de descarga elétrica de vapor de sódio; memórias óticas; cabos óticos; polarizadores. 4) Alumina; zircônia. Aplicação: cerâmicas térmicas. Propriedades: condutividade térmica; isolação térmica; refratariedade; absorção de calor. Produtos: radiadores de infravermelho; isolantes térmicos; refratários. 5) Alumina. Aplicação: cerâmicas biológicas. Propriedades: biocompatibilidade Produtos: implantes para substituir dentes, ossos, juntas.

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6) Zircônia; alumina; carbeto de boro. Aplicação: cerâmicas nucleares. Propriedades: resistência a corrosão; às altas temperaturas e à radiação; refratariedade. Produtos: Materiais para blindagem; revestimento de reatores. 7) Carbeto de boro; carbeto de silício; nitreto de silício; alumina; zircônia Aplicação: cerâmicas abrasivas e termomecânicas. Propriedades: alta resistência mecânica e à abrasão; baixa expansão térmica; alta resistência ao choque térmico; capacidade de lubrificação; elevado ponto de fusão; elevada condutividade térmica. Produto: ferramentas de corte; esferas e cilindros para moagem; bicos de maçaricos; acendedores para caldeiras; pás de turbinas para altas velocidades; anéis de vedação de bombas d’água; rotores. Cerâmicas abrasivas - As ferramentas de corte feitas de materiais abrasivos são usadas para trabalhar todos os materiais e metais, desde os mais macios até os mais duros. Os abrasivos da qual são fabricadas podem ser usados sob a forma de pós, grãos soltos, rebolos, barras e placas de diferentes formas e dimensões. Nas operações executadas com o auxílio desses materiais, o atrito do abrasivo com a peça retira quantidades variadas de material, dependendo do resultado que se quer obter. Grãos mais grossos retiram mais material, por outro lado, quanto mais fino for o grão do abrasivo, mais fino e polido será o acabamento obtido. O corindon, é um óxido de alumínio (Al2O3) com 90% de pureza, é o abrasivo natural mais utilizado. A presença de impurezas piora suas propriedades. O diamante, por sua vez, é o mais duro dos abrasivos naturais, sendo usado para afiar ferramentas desgastadas. O uso dos diamantes artificiais também é cada vez mais comum para o mesmo tipo de aplicação. Os abrasivos sintéticos também são de origem cerâmica. São eles: o eletrocorindon (normal e branco), com até 95% de óxido de alumínio, obtido por fusão elétrica a partir da alumina pura; o carboneto de silício (SiC), geralmente chamado de carborundum e formado por uma combinação química de silício com carbono obtida a temperaturas entre 2.200 oC e 2.300 oC. O carbeto de boro com até 95% de carbeto de boro cristalino. Esses abrasivos são usados principalmente para afiar ferramentas de corte ou polir e dar acabamento final a estampos, matrizes e gabaritos. Todos os abrasivos sintéticos são processados a quente e saem do forno em forma de pedaços maciços, que são depois moídos em grãos com arestas ou cantos agudos. São esses cantos que dão ao material abrasivo sua capacidade de cortar outros materiais. O tamanho de cada grão determina a classificação da capacidade de corte do abrasivo, seja ele natural ou sintético Para formar ferramentas do tipo rebolo abrasivo, os grãos abrasivos podem ser unidos por meio de um material aglomerante na forma de uma liga cerâmica, uma resina ou um metal. O rebolo é usada na retificação cilíndrica em superfície plana e paralela; na eliminação de rebarbas e na afiação de ferramentas. Outras ferramentas de corte possuem pontas feitas com óxido de alumínio que podem ser unidas por meio de um processo de prensagem a frio seguido de sinterização ou por uma única operação de prensagem a quente. Essas ferramentas tem alta resistência ao desgaste e a deformação em temperaturas altas. Por isso, essas ferramentas podem cortar durante mais tempo, com velocidades de corte maiores.

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Compósitos - Um dos meios mais eficaz pelos quais materiais frágeis podem ser tenacificados é através da dispersão de metais na matriz cerâmica, resultando os denominados compósitos. A resistência à propagação de trincas em materiais frágeis pode ser fortemente influenciada pela microestrutura e pelo uso de vários reforços de inclusões na matriz. Um compósito é um material multifásico produzido artificialmente. As fases constituintes podem ser quimicamente dissimilares e são separados por uma interface distinta. Os cermetos são exemplos de compósitos cerâmica-metal. Eles são manufaturados principalmente pela mistura de componentes, compactação e sinterização. A fase dominante em % de volume atua como matriz, a outra, como fase dispersante. Muitas das propriedades mecânicas são fortemente dependentes da microestrutura, especialmente quando eles são diferenciados da fase única. Nestas últimas décadas houve um grande avanço no desenvolvimento de materiais cerâmicos ou compósitos para produção de tambores e disco de freio, além de pastilhas de metal duro e cerâmicos para ferramentas de corte. Esses materiais apresentam elevada dureza, resistência ao desgaste, à deformação plástica e elevada estabilidade química. São usadas na indústria metal-mecânica, principalmente para a usinagem em alta velocidade de aços carbono, ferro fundido cinzento, superligas de ferro fundido especial e aços de alta resistência. Assim, será descrito abaixo a evolução destes materiais: - Metais duros - O tungstênio é o metal de mais alto ponto de fusão: 3.387 oC,

de mais alta resistência a tração: 4.200 MPa, de mais baixo coeficiente de dilatação térmica linear: 4,4.10-6 oC-1, peso específico de 19,3 kgf/dm3. Como o aumento do rendimento luminoso das lâmpadas incandescentes depende da elevação de temperatura do filamento, desde cedo os fabricantes de lâmpadas pesquisaram a possibilidade de aplicação do tungstênio na fabricação dos filamentos. A dificuldade de fusão do tungstênio, pela inexistência de cadinhos que possam suportar a temperatura de 3.400 oC, levou a técnica da sinterização e ao desenvolvimento da chamada “metalurgia do pó”. Os estudos desenvolvidos inicialmente pela Osram, na Alemanha, para a fabricação de filamentos de tungstênio para lâmpadas incandescentes, foram cedidos a Krupp para o estudo da aplicação do carboneto de tungstênio na usinagem de metais. Em 1.927 a Krupp fez sucesso com o seu produto "Widia", nome comercial tomado em linguagem popular como sinônimo de metal duro e que provém da contração das palavras alemãs " wie diamant", isto é, " como diamante".

Em sua composição original participa somente o carboneto de tungstênio, tendo como ligante o cobalto. Uma composição típica é a seguinte: 81% de tungstênio, 6% de carbono e 13% de cobalto. A técnica de fabricação dos metais duros pode ser descrita, de modo bastante sintético, como segue: 1. O minério do qual se parte para obtenção do carboneto de tungstênio é

geralmente a Scheelita, assim chamada em homenagem ao químico sueco K. W. Scheele. Trata-se quimicamente do tungstato de cálcio (CaWO4), do qual existem quantidades apreciáveis no nordeste brasileiro. Através de uma série de operações químicas é o mesmo reduzido a trióxido de tungstênio (WO3).

2. O tungstênio é obtido em estado extremamente puro e dividido em partículas, pela redução do trióxido de tungstênio pelo hidrogênio.

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3. O tungstênio é misturado com carbono puro (grafite) e a mistura é levada a um forno, onde, em condições apropriadas de temperatura, se obtém o carboneto de tungstênio.

4. O carboneto é, em seguida, moído e misturado com pó muito puro e fino de cobalto. O conjunto é perfeitamente misturado num moinho de bolas.

5. A mistura é, em seguida, comprimida a frio, em matrizes, obtendo-se peças já com a forma desejada (pastilhas), com resistência suficiente para serem manipulados. As pressões usadas são da ordem de 400 MPa.

Figura 13.5 - Microscopia eletrônica de varredura de cermetos e metal duro. 6. As pastilhas são levadas a um forno de pré-sinterização com atmosfera de

hidrogênio. A uma temperatura em torno de 900oC se dá uma sinterização parcial do cobalto, adquirindo o produto uma consistência e dureza suficientes para a sua manipulação nas operações subsequentes, sem quebra.

7. Resfriado o produto, este é cortado e levado à forma final por meio de rebolos apropriados, sem maior dificuldade, pois as peças não possuem ainda nenhuma dureza. Esta operação deve levar as pecas à formas precisas, pois qualquer operação posterior à sinterização resulta difícil e onerosa. Deve-se contar, ainda, com a retração na operação final de sinterização. Este processo é utilizado na fabricação de peças de forma especial ou pastilhas de pequeno consumo.

8. As peças pré-sinterizadas e usinadas, assim como as pastilhas prensadas, são levadas para o forno de sinterização que trabalha sobre vácuo ou em atmosfera de hidrogênio. A temperatura varia de 1.350 a 1.600 oC, dependendo da composição do material e do tipo de forno. Na sinterização, uma liga eutética de cobalto se funde e introduz-se, pela ação de capilaridade, entre as partículas de carboneto, envolvendo e dissolvendo algumas destas partículas. No decorrer da sinterização, há uma contração linear de 15 a 22%, dependendo teor de cobalto e da pressão com que o material foi prensado nas matrizes.

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O metal duro apresenta uma altíssima resistência à compressão, dureza 76

a 78 Rockwell C, mantendo elevada dureza até cerca de 1.000 °C, coeficiente de dilatação térmica cerca de metade da do aço, densidade da ordem de 14 kgf/dm3, notável resistência à compressão de cerca de 3.500 N/mm2, módulo de elasticidade E = 620.000 N/mm2, elevada condutibilidade térmica (8 a 20 vezes a do aço).

As ferramentas de carboneto de tungstênio foram empregadas a princípio com extraordinário sucesso na usinagem de ferro fundido e materiais não ferrosos, mas com resultados medíocres na maioria das operações com aço. Verificou-se que a causa principal do insucesso residia no forte atrito que se estabelece entre a ferramenta de metal duro e o cavaco de aço. Isto faz com que o cavaco escorregue com grande pressão e sob elevada resistência, com forte formação de calor. Na ferramenta forma-se rapidamente uma cratera, levando o gume de corte ao esfacelamento. Também ocorrem problemas de difusão e de dissolução, que solucionar este problema foram feitos vários desenvolvimentos no metal duro, dando origem a uma série de tipos de ferramentas, cada uma indicada para uma dada aplicação. - Metais duros com carbonetos combinados - Muitos anos após a introdução

dos metais duros, verificou-se que o atrito entre o carboneto e o cavaco era fortemente reduzido pela adição de carboneto de titânio e de tântalo na composição original. Estes carbonetos apresentam maior dureza do que o de tungstênio. Atualmente são usados como componentes dos metais duros:

1. WC - O carboneto de tungstênio é solúvel no cobalto, o que resulta a alta resistência das ligações internas e dos cantos dos metais duros de puro WC-Co. O WC tem alta resistência à abrasão, mas a utilização na usinagem de aço é limitada pela tendência de difusão do carbono e de dissolução no cobalto e no ferro.

2. TiC - Os carbonetos de titânio têm pouca tendência à difusão. Disto resulta a alta resistência dos metais duros que tem TiC na sua composição. Reduz-se, porém em paralelo, a resistência das ligações internas e dos cantos. TiC forma um carboneto misto com WC. Metais duros com alto teor de TiC são frágeis. São utilizados na usinagem de aços com altas velocidades de corte.

3. TaC - Em pequenas percentagens, o carboneto de tântalo atua no sentido de diminuir o tamanho dos grãos, melhorando assim a tenacidade e a resistência dos cantos.

4. NbC - O carboneto de nióbio tem efeito semelhante ao TaC. Ambos os carbonetos ocorrem no metal duro como cristais mistos Ta-Nb-C.

Devido à adição dos carbonetos combinados, os metais duros foram

aperfeiçoados para cada aplicação específica, e foi necessário classificá-los conforme o tipo de trabalho a ser feito. Os metais duros são divididos em três grupos de aplicação P, M e K. Cada classe possui uma composição química diferente e tipos específicos de material a usinar. A seleção de pastilhas será visto em capítulo posterior.

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Grupo principal de usinagem P (Classe azul) Indicado para a usinagem de aço, aço fundido e ferro fundido maleável,

nodular ou ligado, de cavaco comprido. Além de WC, tem percentagens mais ou menos elevadas de TiC ( até 35%) e TaC ( até 7%), apresentando um atrito baixo com cavacos de materiais dúcteis.

Grupo principal de usinagem M (Classe amarela) Para usinagem de aço, aço fundido, aço ao Mn, ferros fundidos ligados,

aços inoxidáveis austeníticos, ferros fundido maleável e nodular e aços de corte livre, ou seja, par uso universal em condições satisfatórias. Constituem tipos intermediários entre o grupo P e K.

Grupo principal de usinagem K (Classe vermelha) Para usinagem de ferros fundido comum e coquilhado, ferro fundidos

maleáveis de cavaco curto, aços temperados, não ferrosos, não metálicos e madeira. Os metais duros deste grupo se compõem quase que exclusivamente de WC e de Co, como elemento ligante. Pequenas percentagens de VC, TiC, TaC e NbC são acrescentadas as vezes para melhorar certas características.

Em cada grupo, os metais duros são fabricados em diversos graus, correspondendo a uma dureza decrescente e uma tenacidade crescente e vice-versa. Os tipos mais duros são usados em usinagens de acabamento (altas velocidades e cortes leves), enquanto que os tipos mais tenazes e menos duros, em virtude de teores mais altos de cobalto, são usados em cortes pesados de desbaste, em velocidades mais baixas ou em condições desfavoráveis de usinagem (vibrações, cortes interrompidos, máquinas velhas etc.). Os tipos mais duros, em geral exigem ângulos de saída negativos. - Metais duros de múltiplas faixas de aplicação - Partindo de matérias primas

com mais alto grau de pureza e com controle mais rigoroso do processo de sinterização, foi possível obter pastilhas de metal duro de elevada resistência à flexão com mínima perda de dureza. Os cuidados se referem especialmente à granulometria mais fina e uniforme, à distribuição mais perfeita dos carbonetos e a melhoria da solubilidade dos carbonetos no metal de ligação. Pode-se assim produzir pastilhas que cobrem mais faixas de aplicação, reduzindo assim o número de tipos necessários nas diversas operações de usinagem. Existem inclusive propostas para eliminar da norma o grupo de aplicação K.

- Metais duros com uma camada de revestimento - Com objetivo de melhor

explorar as vantagens de cada um dos carbonetos componentes, desenvolveu-se os metais duros revestidos. Eles se compõem de uma base de metal duro relativamente tenaz, sobre a qual se aplica uma ou mais camadas finas, duras, resistentes à abrasão e de fina granulometria, de um material composto de carbonetos (por exemplo: TiC, HfC, ZrC), de nitretos (TiN, HfN, Zr2O3), de carbonitretos (TiCN) ou de óxidos (Al2O3). Estes

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revestimentos permitem um aumento substancial da vida das ferramentas. Em condições adequadas este aumento corresponde a um múltiplo de tempo de vida das ferramentas de metal duro convencional. O revestimento é hoje mais freqüentemente aplicado pelo processo de deposição química de vapor (CVD). A figura abaixo mostra como são estas camadas em uma pastilha de metal duro (GC4025 - Sandvic). Neste tipo de pastilha a camada total de revestimento não ultrapassa a 10 µm de espessura.

Figura 13.6 - Revestimento de TiN em uma pastilha de metal duro. - Cerâmica - As ferramentas de cerâmica de óxido de alumínio extremamente

puro como de misturas de óxido de alumínio com carbonetos metálicos têm adquirido importância crescente em máquinas automáticas de alta velocidade, para usinagem de peças de aço e ferro fundido. Em condições adequadas, é possível usar velocidades de corte 4 a 5 vezes maiores do que aquelas empregadas com metal duro, o que representa uma vantagem na redução do tempo efetivo de corte.

- Cerâmicas brancas - Durante muitos anos as pastilhas cerâmicas não

tiveram o sucesso industrial esperado. Isto se deve, em parte, ao fato de que as cerâmicas exigem máquinas-ferramentas de elevada velocidade, grande potência e extrema rigidez. Além disto, a alta velocidade de corte implica em um fluxo intenso de cavacos muito quentes, tornando imprescindível uma proteção adequada ao operador. O componente principal da cerâmica de corte é o Al2O3. O material de partida apresenta sob a forma de um pó finíssimo, cujas partículas estão compreendidas entre 1 e 10 µm. As peças se obtém prensando fortemente a matéria prima que pode ser Al2O3 com 99,98% de pureza, ou então, em composição de 89 a 99% de Al2O3 e o restante de óxido de silício, de magnésio, de cromo ou de níquel ou, ainda, outros componentes. A qualidade de uma ferramenta de cerâmica depende de sua baixa porosidade associada a tamanhos de grãos pequenos

A cerâmica, como ferramenta de corte, tem as seguintes características:

1. Alta dureza a quente, que se mantém até cerca de 1.600 °C, permitindo altas velocidades de corte (5 a 10 vezes superiores a do metal duro convencional);

2. Elevada estabilidade química do óxido de alumínio, que se mantém até uma temperatura próxima do seu ponto de fusão (2.050 °C);

3. Altíssima resistência a compressão; 4. Baixo coeficiente de atrito; 5. Nenhuma afinidade química com o aço, não formando gume postiço.

Estas duas últimas qualidades asseguram um excelente acabamento superficial. O menor desgaste da ferramenta, assegura também melhor precisão dimensional das peças. Como problemas da usinagem com cerâmica, pode-se citar:

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1. Grande fragilidade; 2. Condutibilidade térmica muito baixa.

A fixação das pastilhas cerâmicas tem sido feita por colagem (Araldite,

Epoxy) ou por grampos. Este último modo é o mais freqüente. As pastilhas podem ser reafiadas por rebolos de diamante, porém, a tendência é a utilização das assim chamadas pastilhas "descartáveis". Estas, de forma quadrada ou triangular, apresentam 8 ou 6 gumes afiados de fábrica, que são usados sucessivamente por giro da pastilha em seu suporte. Depois de usados todos os gumes, a pastilha é jogada fora. As ferramentas de cerâmica têm sido utilizadas com sucesso no acabamento e desbaste de ferro fundido com dureza Brinell superior a 180 kgf/mm2 e o ferro fundido coquilhado com dureza Brinell até 500 kgf/mm2, inclusive para aço temperado com uma dureza até 60 HRC. Também são próprias para a usinagem de materiais que apresentam forte efeito abrasivo, como plástico, grafite, ebonite. Na realidade quase todos os materiais podem ser usinados com cerâmica. As poucas exceções são: 1. Alumínio, que reage quimicamente com Al2O3. 2. Ligas de titânio, com alta percentagem de níquel e materiais resistentes ao

calor, devido a tendência a reações químicas. 3. Magnésio, berílio e zircônio, que são inflamáveis na temperatura de trabalho

da cerâmica.

A pastilha de cerâmica de corte tem as seguintes propriedades: Cor (cerâmica pura) branca Peso específico (gf/cm3) 3,7 a 4,1 Dureza (HRA) 90 a 95 Resistência à compressão (N/mm2) 3.500 Resistência à flexão (N/mm2) 150 a 400 Temperatura de amolecimento (°C) 1.800 Coeficiente de dilatação térmica linear (°C-1) 0,8.10-6 - Cerâmicas mistas - Ao lado das pastilhas cerâmicas acima descritas, estão

sendo utilizadas ferramentas de corte com menos de 90% de Al2O3, porém com adições de óxidos e carbonetos metálicos, especialmente de carboneto de titânio e também carboneto de tungstênio. Estes materiais são denominados CERMETOS (cerâmica + metal) na literatura anglo-americana, que são compósitos. São obtidos por prensagem a quente, o que produz uma estrutura de partida mais compacta do que no caso da cerâmica pura. São em geral de cor preta. Na sinterização, a presença de carbonetos de titânio e outros óxidos, inibe o crescimento dos grãos. Isto confere aos cermetos elevada dureza, maior tenacidade, resistência ao desgaste do gume e à formação de crateras. Ao contrário dos materiais cerâmicos, os cermets são condutores elétricos, têm razoável condutividade térmica e são menos frágeis. Têm um peso específico de 5 a 6 gf/cm3. São menos sujeitos à trincas térmicas do que as cerâmicas puras. São usados na usinagem de ferro fundido com dureza Brinell maior que 235 HB e aços com dureza de 34 a 66 HRC.

- Cerâmicas à base de nitreto de silício - Em 1.981, foi introduzido um novo

tipo de cerâmica de corte, denominada SIALON que contém nitreto de silício (Si3N4), além do Al2O3 e de uma fase TiC. Sua dureza a quente é ainda melhor

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que a das cerâmicas mistas. A resistência a choques térmicos aproxima-se da dos carbonetos. O SIALON, sob a forma de pastilhas pretas, está superando as outras cerâmicas na usinagem em alta velocidade de ferro fundido e ligas de níquel.

- Diamantes naturais (monocristalinos) - Os diamantes naturais são obtidos

com a extração mineral e classificam-se em Carbonos, Ballos e Borts. Os Carbonos ou diamantes negros são diamantes aparentemente "amorfos", que por aquecimento, perdem a sua dureza e, por isto são empregados apenas para aplicações especiais, como ferramentas para retificar rebolos, pontas de brocas para minas, assim como para trabalhar fibras, borracha e plásticos. Os Ballos são diamantes claros, de crescimento irregular, especialmente duros em virtude de sua estrutura. Pelo fato de serem redondos, não encontram aplicação na fabricação de ferramentas de corte e de rebolos. Os Borts, especialmente o africano, é claro. Seu valor depende da qualidade e do número de bordos naturais de trabalho que oferece, se bem que hoje dá-se mais importância à dureza. Isto porque, em lugar de bordos naturais, prefere-se gumes lapidados no diamante com ângulos apropriados. Os Borts são diamantes mono-cristalinos. Sua característica principal é a sua anisotropia, isto é, suas propriedades mecânicas (dureza, resistência, módulo de elasticidade) variam com a direção. Eles têm também quatro direções preferenciais de clivagem. Conclui-se daí, que para tanto a preparação do diamante por lapidação como para a sua montagem num porta-ferramenta, deve-se conhecer a disposição da estrutura cristalina. Enquanto que a lapidação deve ocorrer sempre na direção de mínima dureza, a montagem do monocristal no porta ferramenta deve ser feita de modo que a força de usinagem seja orientada na direção de máxima dureza. Ferramentas de diamante monocristalino são especialmente indicadas na usinagem de metais leves como bronze, latão, cobre, ligas de estanho, borracha dura e mole, bem como vidro, plástico e pedras. O campo de aplicação são principalmente as operações de usinagem fina, onde são feitas grandes exigências de precisão dimensional e qualidade superficial.

A usinagem de aço e ferro fundido não é possível, em virtude da

afinidade do ferro com o carbono. O diamante, na zona de contato com a peça de aço, em virtude da alta temperatura, transforma-se em grafite e reage com o ferro. Isto leva a um rápido desgaste do gume. O diamante permite obter uma elevada precisão dimensional e acabamento brilhante que iguala-se a um apurado polimento. A velocidade de corte praticamente não tem limite superior. Velocidades de 2.000 m/min já foram experimentadas com sucesso. Não se recomendam velocidades inferiores a 100 rpm. Os avanços usualmente de 0,02 mm/rot a 0,06 mm/rot e as profundidades de corte de 0,01 ate 0,2 mm. - Diamante policristalino - Em 1.973 foi apresentado pela primeira vez uma

ferramenta com uma camada de diamante sintético policristalino. A matéria prima são partículas muito finas de diamantes sintéticos, de granulação muito definida para obter-se o máximo de homogeneidade e densidade. A camada de diamante policristalino é produzida pela sinterização das partículas de diamante com cobalto num processo de alta pressão (6.000 a 7.000 MPa) e alta temperatura (1.400 a 2.000 oC). A camada de aproximadamente 0,5 mm de espessura, ou é aplicada diretamente sobre uma pastilha de metal duro

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pré-sinterizado ou então é ligada ao metal duro através de uma fina camada intermediária de um metal de baixo módulo de elasticidade.

A camada de diamante tem caráter isotrópico em virtude da distribuição

irregular dos grãos de diamante. Não atinge nunca a dureza do diamante monocristalino na direção de máxima dureza. As pastilhas com uma camada de diamante policristalino podem ser soldadas em cabos ou fixadas mecanicamente em porta-ferramentas padronizados, pois tem a forma e as dimensões iguais as das pastilhas comerciais de metal duro. As ferramentas de diamante policristalino podem ser usadas na usinagem de metais leves, cobre, latão, bronze, estanho, diversos plásticos, asbesto, fibras reforçadas de vidro, carbono ou outros materiais, exceto materiais ferrosos e duralumínio. - Nitreto de boro cúbico cristalino (CBN) Depois do diamante, os cristais

cúbicos de nitreto de boro são o material mais duro que se conhece. Trata-se de um material sintético, obtido pela reação de halogênietos de boro com amoníaco. Como no carbono, existe uma forma macia, de estrutura cristalina hexagonal, igual ao do grafite e uma forma dura, tetragonal, de estrutura idêntica ao do diamante. Nitreto de boro foi obtido pela primeira vez em 1.957, pela transformação de nitreto de boro de estrutura hexagonal em estrutura tetragonal, sob pressões de 5.000 a 9.000 MPa e temperaturas de 1.500 a 1.900 °C, na presença de um catalisador (lítio). O CBN é quimicamente bem mais estável do que o diamante, especialmente contra oxidação. Sob pressão atmosférica, o CBN é estável até 2.000 °C, enquanto no diamante já ocorre grafitização a 900 °C.

As pastilhas de CBN são executadas de forma análoga as de diamante

policristalino. Umas camada de 0,5 mm de espessura de partículas de nitreto de boro são sinterizadas num processo de alta pressão e alta temperatura, com a presença de uma fase ligante, efetivando-se simultaneamente a fixação sobre uma base de metal duro. Distinguem-se pastilhas que devem ser soldadas num cabo e retificadas com rebolo de diamante e pastilhas de fixação mecânica, que podem ser usadas com porta-ferramentas convencionais. As ferramentas de CBN são empregadas preferencialmente na usinagem dos aços duros (45 a 65 HRC), mesmo em condições difíceis, aço rápido, ligas resistentes a altas temperaturas na base de níquel e cobalto. Além disso, servem para a usinagem de revestimentos duros, com altas percentagens de carbonetos de tungstênio ou Cr-Ni, aplicados por soldagem de deposição ou jato de material liquefeito por chama. São usadas velocidades de corte de 50 a 200 m/min, avanços de 0,1 a 0,3 mm, profundidade menor ou igual a 2,5 mm.

Devido sua elevada resistência ao impacto, podem ser usadas em cortes severos, interrompidos e na remoção de cascas tenazes, abrasivas e irregulares de peças fundidas e forjadas e peças de ferro fundido coquilhado. As ferramentas de CBN servem para cortes interrompidos bem como par usinagem de desbaste, de acabamento e usinagem fina. Rugosidades inferiores a 1 µm são obtidos, dispensando a retificação.

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14 – ENSAIOS DE MATERIAIS 14.1 – INTRODUÇÃO A nova tendência de matérias-primas e o desenvolvimento dos processos de fabricação determinaram à criação de métodos padronizados de produção, e ao mesmo tempo, desenvolveram-se processos e métodos de controle de qualidade dos produtos. Entende-se que o controle de qualidade precisa começar pela matéria prima e deve ocorrer durante todo o processo de produção, incluindo a inspeção e os ensaios finais nos produtos acabados. Todos os materiais têm propriedades distintas. A começar pela Tabela Periódica, onde cada elemento químico tem um número e massa atômica própria. O uso correto do material depende do profundo conhecimento dele e das implicações tecnológicas de sua obtenção, por exemplo, metais, semicondutores, cerâmicos, plásticos, compósitos. Todos esses materiais podem ser encontrados tanto em uma cama quanto em uma aeronave. Os materiais acima descritos podem ser agrupados em dois grupos e quatro subgrupos: materiais metálicos; materiais não-metálicos. MATERIAIS METÁLICOS NÃO-METÁLICOS Ferrosos Não-ferrosos Naturais Sintéticos Aços Alumínio Madeira Vidro Ferros fundidos Cobre Asbesto Cerâmica Zinco Couro Plástico Magnésio Semicondutor

(C, Ge, Si,...) Semicondutor (GaAs, GaAsP, CdS,...)

Chumbo Borracha Borracha Tungstênio Compósito Alguns dos materiais do quadro acima são duros e frágeis, outros são moles e dúcteis. Uns tem elevado ponto de fusão, outros tem baixo e alguns nem apresentam ponto de fusão definido, ou seja, os materiais apresentam propriedades físicas e químicas distintas. Propriedades físicas: podem ser agrupadas, a esta propriedade, as propriedades mecânicas, térmicas, elétricas, magnéticas e óticas; Às vezes é comum encontrar a propriedade mecânica de um material distinta da propriedade física. Propriedades químicas: podem ser agrupadas, a esta propriedade, as propriedades de atividade, difusividade, resistência a oxidação, resistência à corrosão.

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As propriedades mecânicas aparecem quando o material está sujeito a esforços de natureza mecânica, isto é, propriedades que determinam a maior ou menor capacidade de resistir ou transmitir esforços que lhe são aplicados. Essa capacidade é necessária durante o processo de fabricação, como também durante a sua utilização. Em termos de indústria mecânica, a propriedade mecânica é considerada uma das mais importantes para a escolha da matéria-prima. As propriedades mecânicas que se tem maior interesse são: resistência à tração e compressão, dureza, ductilidade, fragilidade, elasticidade, plasticidade, tenacidade, maleabilidade. Resistência à tração e compressão: é a resistência que o material oferece à esforços de tração ou de compressão até a sua ruptura. Esta resistência é medida através de ensaios de tração ou de compressão na máquina universal de ensaio; Dureza: é a resistência que o material oferece à penetração, à deformação plástica permanente e, ou ao desgaste. Esta propriedade tem definições metalúrgicas, mineralógicas e mecânicas. Esta resistência é medida através de ensaios de dureza;

Figura 14.1 - Equipamentos de ensaios mecânicos. a) Máquina de ensaio universal; b) Durômetro.

Ductilidade: é a capacidade que um material tem de se deformar sem rompimento, quando for submetido a pressão estática; Fragilidade: é a capacidade que um material apresenta de romper-se quando for submetido a impacto. Em geral, os materiais duros são também frágeis; Elasticidade: é a capacidade que um material tem de se deformar, quando submetido a um esforço, e recuperar sua forma original, quando for cessado o esforço que o deformou;

a) b)

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Plasticidade: é a capacidade que um material tem de se deformar, quando submetido a um esforço, e manter-se deformado após cessado o esforço que o deformou; Tenacidade: é a capacidade que um material tem de absorver energia até a sua ruptura, quando o mesmo for submetido à esforços estáticos ou dinâmicos. Os materiais dúcteis apresentam maior tenacidade que os materiais frágeis. O ferro fundido e o vidro são dois materiais frágeis, entretanto, os ferros fundidos apresentam maior tenacidade que os vidros; Maleabilidade: é a capacidade que um material tem de se transformar em lâminas quando submetidos a esforços estáticos. Os ensaios mecânicos dos materiais são procedimentos padronizados mediante normas técnicas que compreendem testes, cálculos, gráficos para a determinação de propriedades mecânicas. As normas técnicas mais utilizadas pelos laboratórios de ensaios vem das seguintes instituições: ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas); ASTM (American Society for Testing and Materials); DIN (Deuches Institut für Normung); AFNOR (Association Française de Normalisation); BSI (British Standards Institution); ASME (American Society of Mechanical Engineer); ISO (International Organization for Standardization); JIS (Japanese Industrial Standards); SAE (Society of Automotive Engineers). Realizar um ensaio consiste em submeter um objeto já fabricado ou um material que vai ser processado industrialmente a situações que simulam esforços nas condições reais de uso, chegando a limites extremos de solicitação. Os ensaios mecânicos padronizados são realizados em laboratórios equipados adequadamente para levantamento de dados, entretanto, alguns ensaios não padronizados para uma análise prévia, pode ser feita em oficina como o ensaio por lima (verificação de dureza por meio do corte de cavaco), ensaio em esmeril (verificação do teor de carbono em um aço através da análise da centelha); ensaio de tombamento (verificação da resistência ao impacto). Existem vários critérios para classificar os ensaios mecânicos. A classificação mais utilizada é a que separa em dois grupos: Ensaios destrutivos: são aqueles que ocorrem mediante a destruição do corpo de prova ou peça ou que deixam algum sinal, mesmo que estes não fiquem inutilizados. Estes ensaios são: Tração, Compressão, Cisalhamento, Dobramento, Flexão, Embutimento, Torção, Dureza, Fluência, Fadiga, Impacto. Ensaios não destrutivos: são aqueles que após sua realização não deixam nenhuma marca ou sinal e, por conseqüência, nunca inutilizam a peça ou corpo de prova. Por esta razão, podem ser usados para detectar falhas em produtos acabados ou semi-acabados. Estes ensaios são: Líquido Penetrante, Partículas Magnéticas, Ultra-som e Radiografia Industrial. 14.2 - ENSAIO DE TRAÇÃO O ensaio de tração consiste em submeter uma peça ou corpo de prova a um esforço que tende alongá-lo até a ruptura, desta forma, é possível conhecer como os materiais reagem aos esforços ou cargas de tração, que são lidos na própria máquina de ensaio ou através de um computador acoplado que registra

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as cargas e as deformações ocorridas, e quais os limites de tração que suportam. Através deste ensaio, pode-se determinar a tenacidade de um material. Pode-se afirmar que uma peça está submetida a esforços de tração,

quando uma carga normal “F” (tem a direção do eixo da peça), atuar sobre a área de secção transversal da peça. Quando a carga atuar no sentido dirigido para o exterior da peça, a peça está tracionada.

Figura 14.2 - Peça tracionada. Esta tensão é também denominada de tensão normal de tração. A carga normal “F”, que atua na peça, origina nesta, uma tensão normal “σ” (sigma), que é determinada através da relação entre a intensidade da carga aplicada “F”, e a área de seção transversal da peça “A”. onde: σ - tensão normal [ N/mm2; MPa; ...] F - força normal ou axial [N; kN; ...] A - área da secção transversal da peça [m2; mm2; ...] No Sistema Internacional, a força é expressa em newtons (N), a área em metros quadrados (m2). A tensão (σ) será expressa, então, em N/m2, unidade que é denominada pascal (Pa). Na prática, o pascal torna-se uma medida muito pequena para tensão, então usa-se múltiplos desta unidade, que são o quilopascal (kPa), megapascal (MPa) e o gigapascal (GPa). 1 Pa 1 N/m2

1 MPa 1 N/mm2

1 GPa 103 MPa 1 MPa 0,102 kgf/mm2

A aplicação de uma força axial de tração em um corpo de prova produz

uma deformação neste corpo, embora muitas vezes não perceptível a olho. Esta deformação é seguida de um aumento no seu comprimento com diminuição da área da secção transversal, conforme ilustra a figura ao lado.

Figura 14.3 - Corpo de prova de ensaio de tração. a) antes do ensaio; b) após o ensaio.

A

F F

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Antes do ensaio são medidas a área de seção transversal “A0” do CP e a distância “L0” entre dois pontos marcados neste. No ensaio de tração, o CP é submetido a uma carga normal “F”. À medida que este carregamento aumenta, pode-se medir o aumento na distância entre os pontos marcados, o alongamento, e a redução da área na secção transversal, a estricção, até a ruptura do material. O alongamento, cuja expressão matemática é ∆ = −L Lf 0 , é geralmente confundido com a deformação. A deformação

longitudinal de um material é definida como: ε =−L LL

f 0

0.

onde: ε - deformação [mm/mm; mm/m; % ] Lo - comprimento inicial do CP [mm, cm, ...] Lf - comprimento final do CP [mm, cm, ...] Embora a deformação é uma razão do alongamento com o comprimento inicial, sendo portanto adimensional, é muito comum entre técnicos a unidade mm/m pois dá uma idéia rápida do alongamento de um corpo com 1 metro de comprimento. Há dois tipos de deformação que ocorrem quando um material é submetido a um esforço: a elástica e a plástica. A deformação elástica não é permanente. Uma vez cessados os esforços, o material volta a sua forma original. Esta afirmação tem caráter macroscópico, visto que ocorrem discordâncias irreversíveis após a aplicação de uma carga; A deformação plástica é permanente. Cessado os esforços, o material não volta a sua forma original. 14.2.1 - DIAGRAMA TENSÃO - DEFORMAÇÃO Durante o ensaio de tração, as máquinas de ensaio realizam a relação F x ∆ (força x alongamento) na qual ocorre variação da carga aplicada e conseqüentemente o alongamento (Lf - L0) do corpo de prova e se considerar que a área da seção transversal é invariável, pode-se fazer a razão da força pela área

da secção transversal inicial (F

A0) e do alongamento pelo comprimento inicial

(L L

Lf 0

0

−), resultando o diagrama tensão - deformação (σ x ε). A0 é área de

secção transversal inicial [mm2, cm2, ...] O diagrama tensão - deformação varia muito de material para material, e ainda, para um mesmo material podem ocorrer resultados diferentes devido a variação de temperatura do corpo de prova e da velocidade da carga aplicada, e principalmente pela anisotropia. Entre os diagramas σ x ε de vários grupos de materiais é possível, no entanto, distinguir algumas características comuns; elas nos levam a dividir os materiais em duas importantes categorias, que são os materiais dúteis e os materiais frágeis. Os materiais dúcteis, como o aço, alumínio, cobre, bronze, latão, níquel e outros, são caracterizados por apresentarem escoamento à temperaturas

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normais. O corpo de prova é submetido a carregamento crescente, e com isso seu comprimento aumenta, de início lenta e proporcionalmente ao carregamento. Desse modo, a parte inicial do diagrama é uma linha reta com grande coeficiente angular. Entretanto, quando é atingido um valor crítico de tensão (tensão de escoamento - σE), o corpo de prova sofre uma grande deformação com pouco aumento da carga aplicada. Quando o carregamento atinge um certo valor máximo, o diâmetro do CP começa a diminuir, devido a perda de resistência local. A esse fenômeno é dado o nome de estricção:

Figura 14.4 - Comportamento dos materiais através do diagrama σx ε.

Ψ =−

⋅A A

Af 0

0100

onde: ψ - estricção [%] A0 - área de secção transversal inicial [mm2, cm2, ...] Af - área da secção transversal final [mm2, cm2, ...] Após ter começado a estricção, um carregamento mais baixo é o suficiente para a deformação do corpo de prova, até a sua ruptura. A tensão σE correspondente ao início do escoamento é chamada de tensão de escoamento do

material; a tensão σR correspondente a carga máxima aplicada ao material é conhecida como tensão de resistência, e a tensão σr correspondente ao ponto de ruptura é chamada tensão de ruptura.

Figura 14.5 - Material dúctil. a) diagrama σ x ε; b) aspecto da fratura. Materiais frágeis, como ferro fundido, vidro e pedra, são caracterizados por uma ruptura que ocorre sem nenhuma mudança sensível no modo de deformação do material. Então para os materiais frágeis não existe diferença entre tensão de resistência e tensão de ruptura. Figura 14.6 - Material frágil. a) diagrama σ x ε; b) aspecto da fratura.

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Além disso, a deformação até a ruptura é muito menor nos materiais frágeis do que nos materiais dúcteis. Não há estricção nos materiais frágeis e a ruptura se dá em uma superfície perpendicular ao carregamento. 14.2.2 - PROPRIEDADES MECÂNICAS AVALIADAS

A figura ao lado que representa um diagrama tensão - deformação de um material com inclusões não-metálicas (Fe3C, AlSi, ...) em aços e algumas ligas de alumínio, mostra algumas propriedades significantes que são:

Figura 14.7 - diagrama σ x ε para ligas do tipo aço baixo carbono. σp - Tensão Limite de Proporcionalidade: Representa o valor máximo da tensão, abaixo do qual o material obedece a lei de Hooke. σE – Tensão Limite de Escoamento: A partir deste ponto aumentam as deformações sem que se altere, praticamente, o valor da tensão. Quando se atinge o limite de escoamento, diz-se que o material passa a escoar-se. σR - Tensão Limite de Resistência: A tensão correspondente a este ponto recebe o nome de limite de resistência ou resistência a tração, pois corresponde a máxima tensão atingida no ensaio de tração. σr - Tensão de Ruptura: A tensão correspondente a este ponto recebe o nome de limite de ruptura; é a que corresponde a ruptura do corpo de prova. Região Elástica: O trecho da curva tensão - deformação, compreendido entre a origem e o limite de proporcionalidade, recebe o nome de região elástica. Região Plástica: Chama-se região plástica o trecho compreendido entre o limite de proporcionalidade e o ponto correspondente a ruptura do material. A tenacidade e o módulo de elasticidade longitudinal, geralmente representada pela letra “E”, são duas outras propriedades mecânicas que podem ser tiradas deste diagrama através de cálculos. A tenacidade pode ser determinada através da área da curva de tensão - deformação com a abcissa (deformação), enquanto que o módulo de elasticidade longitudinal é determinado através de: E tg= α . O módulo de elasticidade longitudinal só é válido para a região que obedece a Lei de Hooke, ou seja, no regime elástico.

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Lei de Hooke No trecho inicial do diagrama da figura acima, a tensão “σ” é diretamente

proporcional à deformação “ε” e pode-se escrever: E =σε

. Essa relação é

conhecida como Lei de Hooke, e se deve ao matemático inglês Robert Hooke (1.635-1.703). O coeficiente “E” é chamado módulo de elasticidade longitudinal, ou módulo de Young (cientista inglês, 1.773-1.829), que é determinado pela força de atração entre átomos dos materiais, isto é, quando maior a atração entre átomos, maior o seu módulo de elasticidade. Exemplos: Eaço = 2,1 x 104 kgf/mm2, Ealumínio = 0,7 x 104 kgf/mm2, etc. Esta propriedade também é anisotrópica, pois depende do material ser monocristalino, direção de crescimento do cristal, material, e no caso de policristalino, a orientação e tamanho dos cristais (grãos). A tabela abaixo mostra o módulo de elasticidade longitudinal de alguns materiais de engenharia.

Metal Módulo de Elasticidade Longitudinal (kgf/mm2)

Liga Módulo de Elasticidade Longitudinal(kgf/mm2)

Ferro, níquel, cobalto 21.000 Aços-carbono e aços-liga 21.000 Molibdênio, tungstênio 35.000 Aços inoxidáveis austeníticos 19.600 Cobre 11.900 Ferro Fundido Nodular 14.000 Alumínio 7.000 Bronzes e latões 7.700 - 11.900Magnésio 4.550 Bronzes de manganês e ao

silício 10.500

Zinco 9.800 Bronzes de alumínio 8.400 - 13.300Zircônio 10.150 Ligas de alumínio 7.000 - 7.450 Estanho 4.200 Monel 13.000 -

18.200 Berílio 25.700 Hastelloy 18.900 -

21.500 Ósmio 56.000 Invar (níquel-ferro) 14.000 Titânio 10.000 Inconel 16.000 Chumbo 1.750 Illium 18.700 Ródio 29.750 Ligas de titânio 11.200 -

12.100 Nióbio 10.500 Ligas de magnésio 4.550 Ouro, prata 7.850 Ligas de estanho 5.100 - 5.400 Platina 18.800 Ligas de chumbo 1.400 - 2.950

Sendo E =σε

e σ ε= ⋅E e também que σ =FA

e ε =−L LL

f 0

0, pode-se tirar

a seguinte expressão para cálculos de alongamento no regime elástico:

∆ =⋅⋅

F LA

0

0 E. O alongamento será positivo, quando a carga aplicada tracionar a

peça, e será negativo quando a carga aplicada comprimir a peça.

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Figura 14.8 - Alongamentos na tração e na compressão. A lei de Hooke, em toda a sua amplitude, abrange também a deformação

transversal que, em caso de CP cilíndrico, é dado por: ε t =−D D

Df 0

0, onde “D” é a

medida nominal do diâmetro do corpo de prova submetida a ação de carga

normal. O coeficiente de Poisson (ν) é determinado pela relação νεε

=t.

Observe que o coeficiente de poisson terá um valor negativo tanto para a tração quanto para a compressão em virtude dos sinais contrários da deformação longitudinal e deformação transversal. A curva de tensão - deformação descrita acima é chamada de curva de engenharia, onde pode-se tirar valores apropriados até o momento em que se atinge a carga máxima. Tendo em vista que a área da secção transversal diminui à medida que amplia-se a carga no corpo de prova, e que a partir do momento que se atinge a carga máxima, começa ocorrer fratura no sentido de dentro para fora, a área da secção transversal começa a reduzir-se de forma brusca. Como a tensão é a razão entre força e área da secção transversal, ocorre na realidade um aumento de tensão que obedece uma função logarítima. A figura abaixo representa esta consideração da determinação da curva real de tensão.

A tensão real, σreal , é definida por:

σ real =FA

, onde “F” e “A” são as forças e

áreas da secção transversal em cada instante. Da mesma forma, pode-se definir a deformação longitudinal real a cada

instante dado por: ε real L

L d= =

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟∫

LL

LL0 00

ln .

Supondo que a deformação ao longo do corpo de prova seja uniforme e admitindo-se volume constante pode-se demonstrar que: ( )ε εreal = ln 1+ ; ( )σ σ εreal = +1 .

Figura 14.9 - Curvas de tensões reais e de engenharia.

ε

σ Curva real

Curva de engenharia

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14.2.3 - CORPOS DE PROVA O ensaio de tração é feito em corpos de prova com características

especificadas de acordo com normas técnicas. Geralmente utilizam-se corpos de prova de seção circular ou de seção retangular. Estas condições dependem dos acessórios da máquina de ensaio de tração e também dependem da forma e tamanho do produto acabado do qual foram retirados, como mostram as figuras a seguir.

Figura 14.9 - Máquina de ensaio e registrador. A parte útil do corpo de prova, identificada no desenho anterior por L0, é a região onde são feitas as medidas das propriedades mecânicas do material. As cabeças são as regiões extremas, que servem para fixar o corpo de prova à

máquina de modo que a força de tração atuante seja axial. Devem ter seção maior do que a parte útil para que a ruptura do corpo de prova não ocorra nelas. Suas dimensões e formas dependem do tipo de fixação à máquina. Os tipos de fixação mais comuns são: cunha, rosca, flange.

Figura 14.10 - Corpos de prova. Entre as cabeças e a parte útil há um raio de concordância para evitar que a ruptura ocorra fora da parte útil do corpo de prova. O comprimento da parte útil dos corpos de prova utilizados nos ensaios de tração deve corresponder a 5 vezes o diâmetro da seção da parte útil. Sempre que possível um corpo de prova deve ter 10 mm de diâmetro e 50 mm de comprimento inicial. Não sendo possível a retirada de um corpo de prova deste tipo, deve-se adotar um corpo com dimensões proporcionais a essas medidas. Corpos de prova com seção retangular são geralmente retirados de placas, chapas ou lâminas. Suas

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dimensões e tolerâncias de usinagem são normalizadas pela ISO/ R377 enquanto não existir norma brasileira correspondente. A norma brasileira (NBR - 6152, dez./1980) somente indica que os corpos de prova devem apresentar bom acabamento de superfície e ausência de trincas.

Figura 14.11 - Tipos de fixação. Em materiais soldados, podem ser retirados corpos de prova com a solda no meio ou no sentido longitudinal da solda, figura abaixo. Os ensaios dos corpos de prova soldados normalmente determinam apenas o limite de resistência à tração. Ao efetuar o ensaio de tração de um corpo de prova com solda, tensiona-se simultaneamente dois materiais de propriedades diferentes (metal de base e metal de solda). Os valores obtidos no ensaio não representam as propriedades nem de um nem de outro material, pois umas são afetadas pelas outras. O limite de resistência à tração também é afetado por esta interação, mas é determinado mesmo assim para finalidades práticas.

Para preparar o corpo de prova para o ensaio de tração deve-se medir o diâmetro do corpo de prova em vários pontos na parte útil, utilizando um micrômetro, e calcular a média. Por fim, deve-se traçar as divisões no comprimento útil. Em um corpo de prova de 50 mm de comprimento, as marcações devem ser feitas de 5 em 5 mm.

Figura 14.12 - Preparação de corpo de prova. Após o ensaio, junta-se da melhor forma possível, as duas partes do corpo de prova. Procura-se o risco mais próximo da ruptura e conta-se a metade das divisões (n/2) para cada lado. Mede-se então o comprimento final, que corresponde à distância entre os dois externos dessa contagem. Este é o método para determinar o comprimento final quando a ruptura ocorre no centro da parte útil do corpo de prova.

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Quando a ruptura ocorre fora do centro, de modo a não permitir a

contagem de n/2 divisões de cada lado, deve-se adotar o seguinte procedimento normalizado: • Toma-se o risco

mais próximo da

ruptura.

• Conta-se n/2 divisões de um dos lados. Figura 14.13 - Ruptura do corpo de prova no centro.

• Acrescentam-se ao comprimento do lado oposto quantas divisões forem

necessárias para

completar as n/2

divisões.

A medida de Lf será a somatória de L’+ L”, conforme mostra a figura a seguir.

Figura 14.14 - Ruptura do corpo de prova fora de centro. 14.2.3.1 - Limite de escoamento: valores convencionais

O limite de escoamento é, em algumas situações, alternativo ao limite elástico, pois também delimita o início da deformação permanente (um pouco acima). Ele é obtido verificando-se a para-da do ponteiro na escala da força durante o ensaio e o patamar formado no gráfico exibido pela máquina. Com esse dado é possível calcular o limite de escoamento do material. Entretanto, vários metais não apresentam escoamento, e mesmo nas ligas em que ocorre ele não pode ser observado, na maioria dos casos, porque acontece muito rápido e não é possível detectá-lo.

Figura 14.15 - Determinação do limite de escoamento.

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Por essas razões, foram convencionados alguns valores para determinar este limite. O valor convencionado (n) corresponde a um alongamento percentual. Os valores de uso mais freqüente são: • n = 0,2%, para metais e ligas metálicas em geral; • n = 0,1%, para aços ou ligas não ferrosas mais duras; • n = 0,01%. para aços-mola e ferros fundidos. Graficamente, o limite de escoamento dos materiais citados pode ser determinado pelo traçado de uma linha paralela ao trecho reto do diagrama tensão-deformação, a partir do ponto “n”. Quando essa linha interceptar a curva, o limite de escoamento estará determinado, como mostra a figura abaixo. 14.3 - ENSAIO DE COMPRESSÃO O ensaio de compressão consiste em submeter uma peça ou corpo de prova a um esforço que tende a encurtá-lo até a ruptura, desta forma, é possível conhecer como os materiais reagem aos esforços ou cargas de compressão. O ensaio de compressão é o mais indicado para avaliar essas características, principalmente quando se trata de materiais frágeis, como ferro fundido, madeira, pedra e concreto. É também recomendado para produtos acabados, como molas e tubos. Não se costuma utilizar ensaios de compressão para os metais, em virtude que a resistência compressão é aproximadamente igual a da tração. Nos ensaios de compressão, os corpos de prova são submetidos a uma força axial para dentro, distribuída de modo uniforme em toda a seção transversal do corpo de prova. Do mesmo modo que o ensaio de tração, o ensaio de compressão pode ser executado na máquina universal de ensaios, com a adaptação de duas placas lisas — uma fixa e outra móvel. E entre elas que o corpo de prova é apoiado e

mantido firme durante a compressão. As relações matemáticas para a tração valem também para a compressão, isso significa que um corpo submetido a compressão também sofre uma deformação elástica seguido de uma deformação plástica. Nos ensaios de compressão, a lei de Hooke também vale para a fase elástica da deformação, e é possível determinar o módulo de elasticidade para diferentes

materiais. Figura 14.16 - Esquema da compressão.

F

A

F

Fσ =

FA

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14.3.1 - LIMITAÇÕES DO ENSAIO DE COMPRESSÃO O ensaio de compressão não é muito utilizado para os metais em razão das dificuldades para medir as propriedades avaliadas neste tipo de ensaio. Os valores numéricos são de difícil verificação, podendo levar a erros. Um problema que sempre ocorre no ensaio de compressão é o atrito entre o corpo de prova e as placas da máquina de ensaio. A deformação lateral do corpo de prova é barrada pelo atrito entre as superfícies do corpo de prova e da máquina. Para diminuir esse problema, é necessário revestir as faces superior e inferior do corpo de prova com materiais de baixo atrito (parafina, teflon etc). Outro problema é a possível ocorrência de

flambagem, isto é, encurvamento do corpo de prova. Isso decorre da instabilidade na compressão do metal dúctil. Dependendo das formas de fixação do corpo de prova, há diversas possibilidades de encurvamento, conforme mostra a figura ao lado.

Figura 14.17 - Ensaio de compressão. a) normal; b) flambagem. A flambagem ocorre principalmente em corpos de prova com comprimento maior em relação ao diâmetro. Por esse motivo, dependendo do grau de ductilidade do material, é necessário limitar o comprimento dos corpos de prova, que devem ter de 3 a 8 vezes o valor de seu diâmetro. Em alguns materiais muito dúcteis esta relação pode chegar a 1:1 (um por um). Outro cuidado a ser tomado para evitar a flambagem é o de garantir o perfeito paralelismo entre as placas do equipamento utilizado no ensaio de compressão. Deve-se centrar o corpo de prova no equipamento de teste, para garantir que o esforço de compressão se distribua uniformemente. 14.3.2 - ENSAIO DE COMPRESSÃO EM MATERIAIS DÚCTEIS Nos materiais dúcteis a compressão vai provocando uma deformação

lateral apreciável. Essa deformação lateral prossegue com o ensaio até o corpo de prova se transformar num disco, sem que ocorra a ruptura.

Figura 14.18 - Ensaio de compressão em materiais dúcteis.

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Em virtude disto é que o ensaio de compressão de materiais dúcteis fornece apenas as propriedades mecânicas referentes à zona elástica. As propriedades mecânicas mais avaliadas por meio do ensaio são: limite de proporcionalidade, limite de escoamento e módulo de elasticidade. 14.3.3 - ENSAIO DE COMPRESSÃO DIAMETRAL Para materiais com elevado módulo de elasticidade, que é o caso de muitos materiais metálicos e cerâmicos, a teoria mais conhecida é a teoria das tensões de Hertz ou tensões de contato, amplamente utilizada no dimensionamento de elementos de máquinas, onde temos situações estabelecendo superfícies planas e curvas em contato, pressionadas umas contra outras, resultando um estado triaxial de tensões. Quando isto ocorre, o ponto ou linha de contato passa a ser efetivamente a área de contato, desenvolvendo-se nestas regiões tensões tridimensionais, como, por exemplo, tensões de contato

entre uma roda e um trilho, ou entre duas rodas dentadas. A figura abaixo mostra o esquema do método do Ensaio de Compressão Diametral que é baseado nas normas brasileiras ABNT MB-212/58 e NBR-7222/83.

Figura 14.19 - Esquema de esforços aplicados em um corpo de prova cilíndrico de dimensões D e L.

A medida da força de ruptura nos permite determinar a tensão limite de resistência à tração simples, ou seja, a tensão de tração de ruptura, de acordo

com a equação: σπ

=⋅

⋅ ⋅2 PD L

, onde: σ é a tensão limite de resistência à tração

simples [MPa], P é a carga de ruptura [N], D é o diâmetro [mm] do corpo de prova e L [mm] é a espessura do corpo de prova. As distribuições de tensões estão representadas na figura abaixo. Ensaios de achatamento de tubos — Consiste em colocar uma amostra de um

segmento de tubo deitada entre as placas da máquina de compressão e aplicar carga até achatar a amostra. O ensaio aplicado é o de compressão diametral. A distância final entre as placas, que varia conforme a dimensão do tubo, deve ser registrada. O resultado é avaliado pelo aparecimento ou não de fissuras, ou seja, rachaduras, sem levar em conta a carga aplicada. Este ensaio permite avaliar qualitativamente a ductilidade do material, do tubo e do cordão de solda do mesmo, pois quanto mais o tubo se deformar sem trincas, mais dúctil será o material.

Figura 14.20 - Representação esquemática da distribuição das tensões de compressão e de tração.

P P

PP

LD

P

P

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Ensaios em molas — Para determinar a constante elástica de uma mola, ou para verificar sua resistência, faz-se o ensaio de compressão. Para determinar a constante da mola, constrói-se um gráfico tensão-deformação, obtendo-se um coeficiente angular que é a constante da mola, ou seja, o módulo de elasticidade. Por outro lado, para verificar a resistência da mola, aplicam-se cargas predeterminadas e mede-se a altura da mola após cada carga.

Figura 14.21 - Ensaios em molas. Exercícios resolvidos 1) Um aço de baixo carbono (SAE 1010) tem como tensão de ruptura 40 Kgf/mm2.

Considerando que o corpo de prova tem diâmetro nominal de 10 mm, qual será a força de ruptura?

a) Dados: σr = 40 Kgf/mm2 D = 10 mm Fr = ? b) Fórmulas:

σ =FA

AD

=π 2

4

c) Solução:

[ ]A

D= =

⋅=

π π2 2

4 478 5

10 mm mm2,

σ σ= ⇔ = ⋅FA

F A

F A= ⋅ = ⋅σ 40Kgfmm

78,5 mm22

F = 3.140 Kgf

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2) Considerando que um corpo de prova de aço SAE 1070 tem um diâmetro

nominal de 15 mm e a força com que o material se rompeu foi de 16.570 Kgf. Qual é a tensão de tração de ruptura (em MPa) que este aço apresenta?

a) Dados: σr = ? D = 15 mm Fr = 16.570 Kgf b) Fórmulas:

σ =FA

AD

=π 2

4

c) Solução: [ ]

AD

= =⋅

=π π2 2

4 4176 625

15 mm mm2,

σ = = =FA

16570 Kgf176,625 mm

93 Kgfmm2 2,8

σ = =93 Kgfmm

920,3 MPa2,8

3) Calcule a deformação sofrida por um corpo de prova de 15 cm de comprimento e que após o ensaio de tração apresentou 16 cm de comprimento. a) Dados: lo = 15 cm lf = 16 cm ε = ? b) Fórmulas:

ε =−l l

l

f o

o

c) Solução:

ε =−l l

l

f o

o

ε =−

=−

= ⋅ −l l

l

f o

o

16 1515

6 67 10 2,

4) Uma liga de alumínio possui um Módulo de Elasticidade Longitudinal de 7.040 Kgf/mm2 e um limite de escoamento de 28 Kgf/mm2. Pede-se: • Qual a carga que pode ser suportado por um fio de 1,74 mm de diâmetro sem

que ocorra deformação permanente? a) Dados: σe = 28 Kgf/mm2

D = 1,74 mm

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Fe = 7.800 Kgf b) Fórmulas:

σ =FA

AD

=π 2

4

c) Solução: ( )

AD

=⋅

=⋅

=π π2 2

4 41,74 mm

2,377 mm2

σ σ= ⇒ = ⋅ = ⋅FA

F A 28Kgfmm

2,377 mm22

F A= ⋅ =σ 66,54 Kgf • Se uma carga de 44 kgf é suportada por um fio de 3,05 mm de diâmetro, qual

será a deformação? a) Dados: E = 7.040 Kgf/mm2

ε = ? σ = ? F = 44 Kgf D = 3,05 mm b) Fórmulas:

E =σε

AD

=π 2

4

σ =FA

σ ε= ⋅ E

c) Solução: ( )

AD

= =⋅

=π π2 2

4 43,05 mm

7,30 mm2

σ = = =FA

44 Kgf7,30 mm

6,02 Kgfmm2 2

EE

= ⇒ =σε

εσ

εσ

= = = ⋅ −

E

6,02 Kgfmm

7.040 Kgfmm

2

2

8 55 10 4,

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14.4 - ENSAIO DE FLEXÃO O ensaio de flexão é geralmente feito de modo a reproduzir, no laboratório, as condições da prática. Desse modo, é possível criar várias maneiras de se efetuar esse ensaio, desde que a peça possa ser adaptada diretamente em uma máquina comum. Muitas vezes, são feitos ensaios de flexão em produtos contendo partes soldadas ou unidas por qualquer tipo de junção, e a carga é aplicada próximo à extremidade de uma das partes até que haja inicio de ruptura na junção, ficando a outra extremidade presa por meio de dispositivos; assim, pode-se verificar até que esforço de flexão a peça pode sofrer sem se romper. 14.4.1 - SIGNIFICADO DE FLEXÃO Flexão é a solicitação que tende a modificar a direção do eixo geométrico de uma peça. A flexão de uma barra pode ser obtida nas seguintes condições:

• a barra pode ter suas duas extremidades engastadas;

• as duas apoiadas;

• uma engastada e outra apoiada;

• em balanço. Por outro lado, a carga defletora pode ser:

• concentrada ou distribuída;

• estar aplicada numa das extremidades;

• no meio ou em um ponto qualquer. Além disso, a barra pode ser vertical ou horizontal. Os casos mais simples são:

• flexão plana circular;

• flexão plana normal. Quando se tem uma barra de secção retangular de comprimento “L”, altura “a”, e largura “b” da secção normal, e no centro está aplicado uma força cortante “F”, conforme indica a figura. Os elementos internos da barra estarão sujeitos a um sistema de tensões de compressão e tração, mas há um plano em que não há tensão, ou seja, tensão resultante é zero. Este plano geralmente é denominado de linha neutra.

Figura 14.22 - Flexão em uma barra de secção retangular.

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A tensão fletora é dada pela

expressão matemática σ = ±⋅M c

If ,

onde: σ é a tensão fletora (tensão normal de compressão ou de tração); Mf é o momento fletor; I é o momento de inércia da secção transversal; c é a distância da linha neutra a fibra mais afastada. O sinal positivo e negativo corresponde as tensões de tração e de compressão respectivamente.

Figura 14.23 - Elemento da barra submetido à flexão. Na “linha neutra”, vista sob um plano, a tensão resultante é zero. A figura abaixo mostra o caso da flexão plana normal produzida por uma força “F” aplicada na extremidade livre de uma barra de balanço, com uma extremidade engastada. Figura 101 - Viga em balanço com engaste rígido sendo fletida por uma força F aplicada em sua extremidade.

Figura 14.24 - Viga em balanço com engaste rígido sendo fletida por uma força F aplicada em sua extremidade.

Em primeira deformação e dentro de um campo limitado de deformações, os corpos sólidos reais obedecem à lei de Hooke. As deformações perfeitamente elásticas em geral só ocorrem no início do processo. Com o tempo, o esforço e a deformação atingem valores assintóticos, podendo haver a ruptura do material, a fadiga do mesmo, ou a variação da sua tensão elástica, em que, após a aplicação sucessiva de esforços de tração ou compressão, permanece uma deformação residual; o efeito de esfoliação ou clivagem em placas em determinadas direções e em certos materiais cristalinos, como, por exemplo, a calcita e a mica. No dimensionamento das peças à flexão admitem-se apenas deformações elásticas. A tensão de trabalho é fixada pelo fator de segurança ou pela tensão admissível. A fórmula da tensão é aplicada nas secções onde pode haver ruptura do material, ou seja , nas regiões que se tem momento fletor máximo que produzirá tensões de compressão e de tração máximas, a qual poderá ser superior a tensão de resistência do material. O momento de inércia de uma secção retangular segundo

um sistema de eixo carteziano “YZ” é: I y =⋅a b3

12 (em relação ao eixo Y) e

Iz =⋅b a3

12 (em relação ao eixo Z). Para uma secção circular, o momento de inércia

em relação ao eixoY ou Z é: I =⋅π D4

64, onde “D” é o diâmetro da secção circular.

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14.4.2 - MÉTODO DO ENSAIO DE FLEXÃO

A resistência à flexão é definida como a tensão máxima de tração na ruptura e é denominado freqüentemente como módulo de ruptura, “MOR” , do inglês “modulus of rupture”. A resistência a flexão é determinada através de fórmulas acima descritas e envolve cálculos de resistência dos materiais para a determinação do momento fletor máximo.de quatro pontos.

Figura 14.25 - Método de flexão a quatro pontos. O ensaio flexão é feito, geralmente, com corpo de prova constituído por

uma barra de secção circular ou retangular para facilitar os cálculos, com um comprimento especificado. O ensaio consiste em apoiar o corpo de prova sob dois apoios distanciados entre si de uma distancia “L”, sendo a carga de dobramento ou de flexão aplicada no centro do corpo de prova a uma distância L/2 de cada apoio (método de ensaio a três pontos).

Figura 14.26 - Método de flexão a três pontos.

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A carga deve ser elevada lentamente até romper o corpo de prova. Desse ensaio, pode-se também retirar outras propriedades do material, como o módulo de ruptura “MOR” ou resistência ao dobramento, que é o valor máximo da tensão de tração ou compressão nas fibras extremas do corpo de prova durante o ensaio de flexão (ou torção). Se a ruptura ocorrer dentro da zona elástica do material, MOR representará, pois, a tensão máxima na fibra externa; caso ocorra na zona plástica, o valor obtido para MOR é maior que a tensão máxima realmente atingida, porque a expressão é determinada para uma distribuição linear (elástica) de tensão entre o eixo da barra e as fibras externas. O valor do módulo de ruptura também pode ser relacionado com o limite de resistência do material. 14.5 - ENSAIO DE DUREZA A propriedade mecânica denominada dureza é amplamente utilizada na especificação de materiais, nos estudos e pesquisas mecânicas e metalúrgicas e na comparação de diversos materiais. Entretanto, o conceito de dureza não tem um mesmo significado para todas as pessoas que tratam com essa propriedade. O conceito divergente da dureza depende da experiência de cada um ao estudar o assunto. Para um metalurgista, dureza significa a resistência à deformação plástica permanente; um engenheiro define a dureza como a resistência à penetração de um material duro no outro; para um projetista, a dureza é considerada uma base de medida para o conhecimento da resistência e do tratamento térmico ou mecânico de um metal e da sua resistência ao corte do metal; e para um mineralogista, a dureza é a resistência ao riscamento que um material pode fazer no outro. Assim, não é possível encontrar uma definição única de dureza que englobe todos os conceitos acima mencionados, mesmo porque para cada um desses significados de dureza, existem um ou mais tipos de medidas adequados. Sob esse ponto de vista, pode-se dividir o ensaio de dureza em três tipos principais, que dependem da maneira com que o ensaio é conduzido que são: por penetração; por choque e por riscamento. O riscamento é raramente usado para os metais, mas bastante utilizado em cerâmicos. Com esse tipo de medida de dureza, vários minerais e outros materiais são relacionados quanto à possibilidade de um riscar o outro. A escala de dureza mais antiga para esse tipo é a escala de Mohs (1.822), que consiste em uma tabela de 10 minerais padrões arranjados na ordem crescente da possibilidade de ser riscado pelo mineral seguinte. Assim, verifica-se que o talco (1) - tem dureza Mohs (isto é, pode ser riscado por todos os outros seguintes), seguindo-se a gipsita (2), calcita (3), fluorita (4), apatita (5), ortoclásio (6), quartzo (7), topázio (8), safira (9) e diamante (10). Desse modo, por exemplo, o quartzo risca o ortoclásio e é riscado pelo topázio. O cobre recozido tem dureza Mohs 3, pois ele risca a gipsita e é riscado pela fluorita; a martensita tem dureza Mohs aproximadamente igual a 7, e assim por diante.

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Escala de dureza Mohs.

1 talco Mg3H2Si4O12 2 gipsita CaSO4 .

2H2O 3 calcita CaCO3 4 fluorita CaF2 5 apatita CaF (PO4)3 6 ortoclásio KAISio4 7 quartzo Sio2 8 topázio A12F2SiO2 9 corinto A12 O3 10 diamante

C

Para os metais, essa escala não é conveniente, porque os seus intervalos não são propriamente espaçados para ele, principalmente na região de altas durezas e a maioria dos metais fica entre as durezas Mohs 4 e 8, sendo que pequenas diferenças de dureza não são precisamente acusadas por esse método. Esses métodos seriam úteis para a medição da dureza relativa de microconstituintes de uma liga metálica, mas não são métodos de medida precisa ou de boa reprodução, sendo mais usados no ramo da Mineralogia. A dureza por penetração é a mais utilizada e citada nas especificações técnicas. Serão vistos com mais detalhes as durezas por penetração Brinell, Rockwell, Vickers, Knoop e Meyer e a dureza por choque Shore (escleroscópica). 14.5.1 - DUREZA BRINELL A dureza por penetração, proposta por J. A. Brinell em 1.900, denominada dureza Brinell e simbolizada por HB, é o tipo de dureza mais usado até os dias de hoje na Engenharia. O ensaio de dureza Brinell consiste em comprimir lentamente uma esfera de aço, de diâmetro D, sobre a superfície plana, polida e limpa de um metal através de uma carga Q durante um tempo t. Essa compressão provocará uma impressão permanente no metal com o formato de uma calota esférica, com um diâmetro d, o qual é medido por intermédio de um micrômetro óptico (microscópio ou lupa graduados), depois de removida a carga. O valor de d deve ser tomado como média de duas leituras feitas a 90º uma da outra. A dureza Brinell é definida, em N/mm² (ou kgf/mm²), como o quociente entre a carga aplicada pela área de contato (área superficial), S, a qual é relacionada com os valores D e d, conforme a expressão:

)(

2. 22 dDDD

QpD

QSQHB

C −−===

ππ

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Sendo p a profundidade da impressão. A unidade N/mm² ou kgf/mm², que deveria ser sempre colocada após o valor de HB, pode ser omitida, uma vez que a dureza Brinell não é um conceito físico satisfatório, porque a equação que fornece a dureza Brinell não leva em

consideração o valor médio da pressão sobre toda a superfície da impressão, que é o que realmente deveria ser observado. A dureza Brinell não serve para peças que sofreram tratamento superficial (cementação, nitretação, etc.). Superfícies não planas não são propícias para o ensaio Brinell, pois acarreta erro na leitura do diâmetro, d. Em geral, admite-se o ensaio em uma superfície com o diâmetro 10 vezes o diâmetro da esfera utilizada.

Figura 14.27 - Ângulo φ nas impressões Brinell. 14.5.2 - DUREZA ROCKWELL

Outro tipo de dureza por penetração foi introduzido em 1.922 por Rockwell, que leva o seu nome e oferece algumas vantagens significantes que faz esse tipo de dureza ser de grade uso internacional.

Figura 14.28 - Penetradores de Dureza Rockwell. A dureza Rockwell, simbolizada por HR, elimina o tempo necessário para a medição de qualquer dimensão da impressão causada, pois o resultado é lido direta e automaticamente na máquina de ensaio, sendo, portanto, um ensaio mais rápido e livre de erros pessoais. Além disso, utilizando penetradores pequenos, a impressão pede muitas vezes não prejudicar a peça ensaiada e pode ser usada também para indicar diferenças pequenas de dureza numa mesma região de uma peça. A rapidez do ensaio torna-o próprio para usos em linhas de produção, para verificação de tratamentos térmicos ou superficiais e para laboratório. O ensaio é baseado na profundidade de penetração de uma ponta, subtraída da recuperação elástica devida à retirada de uma carga maior e da profundidade causada pela aplicação de uma carga menor. Os penetradores utilizados na dureza Rockwell são do tipo esférico (esfera de aço temperado) ou

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cônico (cone de diamante, também chamado de penetrador-Brale, tendo as arestas do cone 120º). Algumas máquinas analógicas já vêm providas das escalas justapostas que servem para todos os tipos de dureza Rockwell existentes e outras podem ser lidas em visor digital. Essas escalas de dureza Rockwell são arbitrárias, porém baseadas na profundidade da penetração e são designadas por letras (A, B, C, etc.), as quais devem sempre aparecer após a sigla HR para diferenciar e definir a dureza. O número de dureza obtido correspondente a um valor adimensional, ao contrário da dureza Brinell. Na tabela abaixo são dadas as escalas usadas com o tipo de penetrador, as cargas maiores e algumas aplicações de cada escala.

Escala de dureza Rockwell comum.

ESCALA CARGA (kgf) PENETRADOR LEITURA CAMPO DE

AMPLIÇÃO ROCKWELL A 60 Preta ROCKWELL C 150 Preta ROCKWELL D 100

Cone diamante 120°

Preta

Aço cementado ou temperado

ROCKWELL B 100 VermelhaROCKWELL F 60 VermelhaROCKWELL G 150

Esfera 1/16” Vermelha

ROCKWELL E 100 VermelhaROCKWELL H 60 VermelhaROCKWELL K 150

Esfera 1/8” Vermelha

Aço, ferro, bronze, latão, etc. até 240

Brinell

ROCKWELL L 60 VermelhaROCKWELL M 100 VermelhaROCKWELL N 150

Esfera 1/4” Vermelha

ROCKWELL R 60 VermelhaROCKWELL S 100 VermelhaROCKWELL V 150

Esfera 1/2” Vermelha

Metal plástico

Escala de dureza Rockwell superficial.

15 N 15 30 N 30 45 N 45

Cone de diamante Aço cementado ou temperado

15 T 15 30 T 30 45 T 45

Esfera 1/16” Aço, ferro e outros metais até 240 Brinell, chapas, etc.

A dureza Rockwell superficial emprega igualmente várias escalas independentes e é utilizada para ensaios de dureza em corpos de prova de pequena espessura, como lâminas, e para metais que sofreram algum tratamento superficial, como cemetação, nitretação, etc. As máquinas vêm com as várias

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escalas acompanhadas. No caso da dureza Rockwell superficial, a pré-carga é sempre de 3 kgf. Ao se fazer uma dureza num material desconhecido, deve-se primeiro tentar uma escala mais alta para evitar danificação do penetrador. Assim, por exemplo, usa-se antes a escala Rockwell C, HRC, para depois tentar as outras, caso o resultado caia fora do intervalo de dureza HRC. As escalas mais utilizadas são B, C, F, A, N e T. As demais só são empregadas em casos especiais. A escala C tem seu uso prático entre os números 20 e 70. Abaixo de 20, deve-se empregar a escala B para evitar erros; a dureza Rockwell B varia de aproximadamente 50 a 100, a escala F entre 73 e 116,5 e a escala A é a de maior amplitude de variações. 14.5.3 - DUREZA VICKERS Essa dureza foi introduzida em 1.925 por Smith e Standland, levando o nome Vickers, porque a Companhia Vickers-Armstrong Ltda fabricou as máquinas mais conhecidas para operar com esse tipo de dureza. O penetrador é uma pirâmide de diamante de base quadrada, com um ângulo de 136º entre as faces opostas. Como o penetrador é um diamante, ele é praticamente indeformável e como todas as impressões são semelhantes entre si, não importando o seu tamanho, a dureza Vickers (HV) é independente da carga, isto é, o número de dureza obtido é o mesmo qualquer que seja a carga usada para materiais homogêneos. Para esse tipo de dureza, a carga varia de 1 até 100 ou 120 kgf. A mudança da carga é necessária para se obter uma impressão regular, sem deformação no visor da máquina; isso depende, naturalmente, da dureza do material que se está ensaiando, como no caso da dureza Brinell. A forma da impressão é um losango regular, ou seja, quadrada, e pela média L das suas diagonais, tem-se, conforme a expressão seguinte, a dureza

Vickers: HV =carga

area da superficie piramidal, ou seja,

HVQsen

L=

2136

22 , que simplificado fica: HV

QL

=18544

2

,

Como Q é dado em kgf ou N e L em mm, a dimensão da dureza Vickers é N/mm² ou kgf/mm². Esse tipo de dureza fornece, assim, uma escala contínua de dureza (de HV = 5 até HV = 1 000 kgf/mm²) para cada carga usada. 14.5.4 - DUREZA SHORE Em 1.907, Shore propôs uma medida de dureza por choque que mede a altura do ressalto (rebote) de um peso que cai livremente até bater na superfície lisa e plana de um corpo de prova. Essa altura de ressalto mede a perda da energia cinética do peso, absorvida pelo corpo de prova. Esse método é conhecido por dureza escleroscópica ou dureza de Shore.

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14.6 - ENSAIO DE IMPACTO Os ensaios de impacto são utilizados a fim de descobrirmos o quanto um material resiste às cargas dinâmicas para que, em situações reais de uso, não ocorram fraturas nesse material, inviabilizando assim a utilização de determinados equipamentos. Para equipamentos que são submetidos a esforços de impacto, devem ser utilizados materiais capazes de absorver energia e dissipá-la, evitando assim sua ruptura. Através dos ensaios obtemos os valores de energia absorvida para cada material ensaiado, e assim determinamos a utilização ou não dos mesmos. Estes testes são usados para caracterizar a propensão e o grau de fragilidade de um polímero quando submetido à ação de esforços bruscos. Essa condição de trabalho empregada no corpo para que atinge o seu limite máximo de elasticidade é denominada resiliência. O ensaio de impacto caracteriza-se por submeter o corpo ensaiado a uma força brusca e repentina, que deve rompê-lo. É bem melhor saber quanto o material resiste a uma carga dinâmica numa situação de ensaio do que numa situação real de uso. A maioria dos ensaios mecânicos não avalia o comportamento dos materiais submetidos a esforços dinâmicos. No caso da fadiga, embora os esforços sejam dinâmicos, o ensaio correspondente leva mais em conta o fato de serem cíclicos. Porém a maioria das máquinas e equipamentos, quando em funcionamento, está submetida a esforços dinâmicos.

As fraturas produzidas por impacto podem ser frágeis ou dúcteis. As fraturas frágeis caracterizam-se pelo aspecto cristalino e as fraturas dúcteis apresentam aparência fibrosa. Os materiais frágeis rompem-se sem nenhuma deformação plástica, de forma brusca. Por isso, esses materiais não podem ser utilizados em aplicações nas quais sejam comuns esforços bruscos, como em eixos de máquinas, bielas etc.

Figura 14.29 - Aspectos da fratura . Para estas aplicações são desejáveis materiais que tenham capacidade de absorver energia e dissipá-la, para que a ruptura não aconteça, ou seja, materiais que apresentem tenacidade. Esta propriedade está relacionada com a fase plástica dos materiais e por isso se utilizam as ligas metálicas dúcteis neste tipo de aplicação. Porém, mesmo utilizando ligas dúcteis, com resistência suficiente para suportar uma determinada aplicação, verificou-se na prática que um material dúctil pode romper-se de forma frágil. Esta característica dos materiais ficou mais evidente durante a Segunda Guerra Mundial, quando os equipamentos bélicos foram levados a solicitações críticas de uso, despertando o interesse de pesquisa por este assunto. Os materiais dúcteis podem romper-se sem deformação plástica

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apreciável, ou seja, de maneira frágil, quando as condições abaixo estiverem presentes: • velocidade de aplicação da carga suficientemente alta; • trinca ou entalhe no material; • temperatura de uso do material suficientemente baixa. Alguns materiais são mais afetados pela velocidade alta do impacto, apresentando uma sensibilidade que é chamada sensibilidade à velocidade. Uma trinca promove concentração de tensões muito elevadas, o que faz com que a maior parte da energia produzida pela ação do golpe seja concentrada numa região localizada da peça, com a conseqüente formação da fratura frágil. A existência de uma trinca, por menor que seja, muda substancialmente o comportamento do material dúctil. Esta característica do material dúctil, de comportar-se como frágil devido à trinca, é freqüentemente chamada de sensibilidade ao entalhe. Com relação à temperatura, a mesma exerce um efeito muito acentuado na resistência dos metais ao choque, ao contrário do que ocorre na resistência estática. A energia absorvida por um corpo de prova varia sensivelmente com a temperatura do ensaio. Um corpo de prova a uma temperatura T1 pode absorver muito mais energia do que se estivesse a uma temperatura T2, bem menor que T1, ou pode absorver a mesma energia a uma temperatura T3, pouco menor que T2, ou seja, a existência de trincas no material, a baixa temperatura e a alta velocidade de carregamento constituem os fatores básicos para que ocorra uma fratura do tipo frágil nos materiais metálicos dúcteis. 14.6.1 - TEMPERATURA DE TRANSIÇÃO Ao ensaiar os metais ao impacto, verificou-se que há uma faixa de temperatura relativamente pequena na qual a energia absorvida pelo corpo de prova cai apreciavelmente. Esta faixa é denominada temperatura de transição. A temperatura de transição é aquela em que ocorre uma mudança no carácter da

ruptura do material, passando de dúctil a frágil ou vice-versa. Por exemplo, um dado aço absorve 17 joules de energia de impacto à temperatura ambiente (± 25 0C). Quando a temperatura desce a -23 0C, o valor de energia absorvida é pouco alterado, atingindo 16 joules. Este valor cai para 3 joules à temperatura de -26 0C. Como esta passagem, na maioria dos casos, não é repentina é usual define-se uma faixa de temperatura de transição.

Figura 14.30 - Temperatura de transição.

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A faixa de temperatura de transição compreende o intervalo de temperatura em que a fratura se apresenta com 70% de aspecto frágil (cristalina) e 30% de aspecto dúctil (fibrosa) e 70% de aspecto dúctil e 30% de aspecto frágil. O tamanho dessa faixa varia conforme o metal. A definição dessa faixa é importante porque só podemos utilizar um material numa faixa de temperatura em que não se manifeste a mudança brusca do carácter da ruptura. Pode-se representar a temperatura de transição graficamente. Indicando-se os valores de temperatura no eixo das abscissas e os valores de energia absorvida no eixo das ordenadas, é possível traçar a curva que mostra o comportamento do material quanto ao tipo de fratura (frágil ou dúctil). A temperatura T1 corresponde à fratura 70% dúctil e 30% frágil. A tempe-ratura T3 corresponde à fratura 30% dúctil e 70% frágil. E a temperatura T2 é o ponto no qual a fratura se apresenta 50% dúctil e 50% frágil. O intervalo de temperatura de transição corresponde ao intervalo entre T1 e T3. Os metais que têm estrutura cristalina CFC, como o cobre, alumínio, níquel, aço inoxidável austenítico etc., não apresentam temperatura de transição, ou seja, os valores de impacto não são influenciados pela temperatura. Por isso esses materiais são indicados para trabalhos em baixíssimas temperaturas, como tanques criogênicos. 14.6.1.1 - Fatores que influenciam a temperatura de transição O intervalo de transição é influenciado por certas características como: Tratamento térmico — Aços-carbono e de baixa liga são menos sujeitos à influência da temperatura quando submetidos a tratamento térmico que aumenta sua resistência; Tamanho de grãos — Tamanhos de grãos grosseiros tendem a elevar a temperatura de transição, de modo a produzir fratura frágil em temperaturas mais próximas à temperatura ambiente. Tamanhos de grãos finos abaixam a temperatura de transição; Encruamento — Materiais encruados, que sofreram quebra dos grãos que compõem sua estrutura, tendem a apresentar maior temperatura de transição; Impurezas — A presença de impurezas, que fragilizam a estrutura do material, tende a elevar a temperatura de transição; Elementos de liga — A adição de certos elementos de liga, como o níquel, por exemplo, tende a melhorar a resistência ao impacto, mesmo a temperaturas mais baixas; Processos de fabricação — Um mesmo aço, produzido por processos diferentes, possuirá temperaturas de transição diferentes; Retirada do corpo de prova — A forma de retirada dos corpos de prova interfere na posição das fibras do material. As normas internacionais geralmente especificam a posição da retirada dos corpos de prova, nos produtos siderúrgicos, pois a região de onde eles são retirados, bem como a posição do entalhe, têm fundamental importância sobre os valores obtidos no ensaio.

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Submetidos ao ensaio de impacto, esses corpos apresentaram três curvas diferentes. No corpo de prova A., o entalhe está transversal às fibras do material. No corpo de prova C, o entalhe está no sentido da fibra, o que favorece o cisalhamento. A absorção de energia é a pior possível. O corpo de prova B também tem entalhe transversal. Neste caso, o entalhe atravessa o núcleo da chapa, cortando todas as fibras transversalmente. Como mostra a ilustração seguinte.

Figura 14.31 - Curvas de energia absorvida de um mesmo material. 14.6.1.2 - Resfriamento do corpo de prova Os corpos de prova retirados para ensaio de impacto devem ser resfriados, até que se atinja a temperatura desejada para o ensaio. As técnicas de resfriamento são determinadas em normas técnicas específicas. Um modo de obter o resfriamento consiste em mergulhar o corpo de prova num tanque contendo nitrogênio líquido, por aproximadamente 15 minutos. Tempo necessário para homogeneizar a temperatura em todo o corpo de prova. Outra forma de obter o resfriamento é por meio de uma mistura de álcool e gelo seco, que permite atingir temperaturas de até 70 °C negativos. O tempo máximo para romper o corpo de prova após o resfriamento é de 5 segundos. Devido à grande dispersão dos resultados dos ensaios, principalmente próximo à temperatura de transição, gerada pela dificuldade de obter corpos de prova rigorosamente iguais e pela falta de homogeneidade dos materiais, o ensaio de impacto comum não oferece resultados aplicáveis a projetos de engenharia estrutural. Para responder a essas necessidades práticas, foram desenvolvidos outros tipos de ensaio de impacto e outros equipamentos. O ensaio de impacto é um teste dinâmico em que um corpo de prova padronizado é golpeado e rompido por um pêndulo ou martelo em uma máquina de ensaios especialmente projetada e é medida a energia absorvida para romper o corpo de prova. Os valores da energia servem como guia útil para comparações qualitativas entre diferentes lotes do mesmo tipo de material. Apesar de simples e rápidos de serem executados, os testes exigem precisão tanto na aferição do equipamento (medidor de resistência ao impacto), quanto na capacitação da mão de obra técnica, na confecção do corpo de prova, principalmente no entalhe, um dos maiores causadores de problemas e distorções nos resultados. O choque ou

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impacto representa um esforço de natureza dinâmica, porque a carga é aplicada repentina e bruscamente. No impacto, não é só a força aplicada que conta. Outro fator é a velocidade de aplicação da força. Força associada com velocidade traduz-se em energia. O ensaio de impacto consiste em medir a quantidade de energia absorvida por uma amostra do material, quando submetido à ação de um esforço de choque de valor conhecido. Três máquinas são geralmente usadas para ensaiar materiais de engenharia: a máquina Charpy, a máquina Izod e a máquina Hatt-Tuner. A última é usada principalmente para ensaiar madeira. O método mais comum para ensaiar metais é o do golpe, desferido por um peso em oscilação. A máquina correspondente é o martelo pendular. O pêndulo é levado a uma certa posição, onde adquire uma energia inicial. Ao cair, ele encontra no seu percurso o corpo de prova, que se rompe. A sua trajetória continua até certa altura, que corresponde à posição final, onde o pêndulo apresenta uma energia final. A diferença entre as energias inicial e final corresponde à energia absorvida pelo material. De acordo com o Sistema Internacional de Unidades (SI), a unidade de energia adotada é o joule. Em máquinas mais antigas, a unidade de energia pode ser dada em kgfm, kgfcm ou kgfmm. A máquina é dotada de uma escala, que indica a posição do pêndulo, e é calibrada de modo a indicar a energia potencial.

No ensaio de impacto, a massa do martelo e a aceleração da gravidade são conhecidas. A altura inicial também é conhecida. A única variável desconhecida é a altura final, que é obtida pelo ensaio.

Figura 14.32 - Máquina de ensaio de impacto. O mostrador da máquina simplesmente registra a diferença entre a altura inicial e a altura final, após o rompimento do corpo de prova, numa escala relacionada com a unidade de medida de energia adotada. Para os ensaios em materiais poliméricos é comum o uso de equipamentos que funcionam por queda de dardo ou pêndulo de impacto, os quais são descritos abaixo: Queda de Dardo - determina a resistência das películas plásticas e avalia essa característica quando o material é atingido por um peso em queda livre. Durante o teste, o dardo é liberado por meio de um dispositivo eletromecânico quando a pressão negativa de fixação da amostra se apresenta a um determinado valor. Pêndulo de Impacto - é representada por uma sólida estrutura metálica fundida em corpo único, característica que possibilita sua ancoragem em uma base, também sólida, que evitará a perda de energia durante o ensaio. Nesta estrutura

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apoia-se o pêndulo propriamente dito, composto de uma haste tubular, onde, numa das extremidades, é fixado o martelo, detalhe dinamicamente calculado de modo a permitir que o centro de percussão coincida com o ponto de impacto no corpo de prova. Isso impede esforços no eixo de suspensão, que, por sua vez, fica apoiado em rolamentos especiais para eliminar atritos. O movimento de levantamento do pêndulo até sua posição de queda é feito manualmente por um conjunto de cremalheiras, articulando-se com um sistema de engate e desengate para sua liberação. A energia absorvida pela amostra durante o ensaio é indicada num mostrador em escala calibrada em joules e graus, que quantifica o deslocamento de um ponteiro indicador e outro de arraste, ligados simultaneamente ao movimento do pêndulo. O pêndulo de impacto segue dois tipos de configurações diferentes: Pêndulo de Impacto na Configuração Charpy - é usado em ensaios de impacto, no qual uma amostra é normalizada com um entalhe central em U ou V, feito para alocar sua ruptura produzida por uma condição triaxial de tensão. É submetido a uma flexão desencadeada pelo impacto de um martelo fixado na extremidade de um pêndulo. A energia que um corpo absorve para se deformar e quebrar é quantificada pela diferença entre a altura atingida pelo martelo antes e após o impacto. Desta forma, quanto menor for a energia absorvida pelo corpo de prova, tanto mais frágil será o comportamento do material ao impacto. Na configuração de Charpy o corpo de prova fica na posição horizontal. A máquina Charpy é disponível em pelo menos dois tamanhos. O tipo com uma capacidade de energia de 30 a 33 kgfm é usado para metais, e uma máquina de 50 kgfcm é geralmente usada para plásticos. Na máquina Charpy, o pêndulo consiste de um perfil I com um disco

pesado na extremidade. O pêndulo é suspenso em um eixo que gira sobre rolamentos e oscila entre dois suportes laterais rígidos, nos quais se fixa o suporte do corpo de prova.

Figura 14.33 - Ensaio Charpy e Izod. Esta amostra que é carregada como uma barra simples, é colocada horizontalmente entre duas bigornas de modo que a lâmina golpeie do lado oposto ao entalhe. O pêndulo é elevado até sua posição mais alta e seguro por um prendedor ajustado para dar altura de queda constante para todos os ensaios. Ele é então solto para permitir a queda e a ruptura do corpo de prova. No seu movimento de ascendência após a ruptura, o pêndulo empurra um indicador sobre uma escala que é usualmente graduada diretamente em kgfm.

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Pêndulo de Impacto na Configuração Izod - A técnica deste teste não diferencia do teste de resistência ao impacto na configuração Charpy. A diferença básica entre as duas configurações está na posição do corpo de prova, que neste caso é vertical, no tipo de pêndulo empregado, e no local onde se dá o impacto, no entalhe ou no seu lado oposto. A amostra é normalizada com um entalhe central em V. A máquina para ensaio de impacto Izod usualmente tem a capacidade de 16,5 kgfm. Ná máquina Izod, o corpo de prova é fixado para agir como uma viga vertical em balanço. Ele tem as dimensões de 10 mm por 10 mm na secção reta e 75 mm de comprimento e tem um entalhe padronizado de 45º e 2 mm de profundidade no meio do corpo de prova. O entalhe faz face ao pêndulo e o corpo de prova é então posicionado para que o entalhe seja visível acima do suporte fixador. Freqüentemente, a mesma máquina de impacto é projetada para permitir os testes Charpy e Izod, com possibilidade de trocar os suportes fixadores dos corpos de prova. A resistência ao impacto é avaliada pelos métodos ASTM D256, D746 e D2463, e geralmente é medida em joule.

Para ensaios em madeira, é utilizada a máquina Hatt-Turner. Aqui, a altura de queda é aumentada por estágios até que ocorra o rompimento. Um peso de queda com 22,7 kg é seguro por um eletromagneto que é alimentado por um motor.

Figura 14.34 - Corpos de prova Charpy e Izod. O peso cai entre colunas-guias verticais quando o circuito do magneto é aberto por um relé, o qual é acionado por um contato elétrico entre o magneto e uma polia móvel que pode ser ajustada para qualquer posição desejada ao longo da escala vertical sobre uma coluna-guia. O corpo de prova deve ter 5 x 5 x 75 cm. O mesmo é simplesmente apoiado sobre um vão de 70 cm tal que o peso caia exatamente no meio do vão. A primeira queda é da altura de 2,5 cm e as quedas subseqüentes são acrescidas de 2,5 cm, até que se alcance a altura de 25 cm, após o que são usados incrementos de 5,0 cm até que se consiga a ruptura completa, ou seja, alcançada uma deflexão de 15 cm.

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14.7 - ENSAIOS METALOGRÁFICOS

A metalografia surgiu praticamente com o trabalho de Henri Clifton Sorby

(1.826 – 1.908), tido como o precursor da moderna metalografia, quando em 1.863 observou pela primeira vez uma estrutura metálica ao microscópio. Desde então pode-se defini-la como o ramo da tecnologia que estuda e interpreta a estrutura interna dos metais e suas ligas, como também a relação entre as suas composições químicas, propriedades físicas e mecânicas. Para determinação de um microestrutura foram desenvolvidos ao longo dos anos muitos métodos de preparação de amostras, entretanto, a observação através de um microscópio continua sendo o mais importante. A metalografia envolve basicamente três estágios de preparação de um corpo de prova: a obtenção de uma seção plana e polida, o realce da microestrutura através de um ataque adequado e a posterior observação ao microscópio.

Desta forma, a metalografia é a ciência que estuda os metais e ligas

metálicas, quando nos mesmos obtivermos um superfície plana, lixada, polida, e por via de regra atacada por um reativo adequado, cuja imagem obtida será visualizada e interpretada. Através do ensaio metalográfico, pode-se determinar: • tipo, o tamanho, o local e a intensidade das descontinuidades; • Identificar o possível processo de fabricação da peça; • Identificar o tipo de tratamento térmico ou termoquímico; • Valor da camada carbonetada ou descarbonetada; • Zonas de alterações térmicas sofridas por soldagem; • Penetração do cordão de solda; • Tipos de inclusões, microconstituição; • Formas de grafita, tamanho do grão; • Outros;

A metalografia pode ser dividida em: ensaio metalográfico destrutivo e

ensaio metalográfico não destrutivo. A maioria dos ensaios metalográficos realizados são destrutivos, pois se retira amostras para análise do material ou peça solicitada. Mas, nem sempre isso é possível, devido as condições que não permitem retirar amostras da peça, ou que proíbam sua destruição, especialmente em peças de grande porte. Por este motivo, foram desenvolvidas técnicas para a realização do ensaio “in loco”, conservando-se as características de precisão do ensaio, ensaio metalográfico não destrutivo. Quanto ao grau de aplicação com que a imagem metalográfica é visualizada, a metalografia está classificada em: macrográfico; micrográfico.

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14.7.1 - ENSAIO METALOGRÁFICO MACROGRÁFICO

A macrografia consiste no estudo dos metais e suas ligas quando

obtivermos uma superfície, plana, lixada e atacada por um reativo adequado, cuja imagem obtida será visualizada e interpretada. Esta visualização se fará a olho nu ou com uma ampliação de no máximo dez vezes através de lupa. Alguns dos objetivos da macrografia são determinar do material ensaiado, o tipo, a forma, o tamanho, o local e a intensidade das continuidades; identificar o processo de fabricação da peça; zonas de alteração térmica provocadas por soldagem ou tratamento térmico, etc.

Figura 14.35 - Macrografia de uma peça de alumínio fundido com contornos de grãos revelado por ataque com HCl.

14.7.2 - ENSAIO METALOGRÁFICO MICROGRÁFICO

A micrografia consiste no estudo dos metais e suas ligas, quando

obtivermos nos mesmos uma superfície plana, lixada, polida, e atacada por um reativo adequando, onde a imagem obtida nessa superfície, será visualizada com um grau de ampliação superior a dez vezes, o que para tal, usa-se microscópio ótico ou microscópio eletrônico de varredura ou microscópio de tunelamento A micrografia têm por objetivos determinar do material ensaiado, o tipo de micro inclusão, a forma da grafita, o tipo de tratamento térmico ou termoquímico sofrido, bem como da granulação, a microconstituição do material, etc.

14.7.2.1 - Etapas metalográficas

Escolha da seção a ser cortada: Existem duas seções de corte: seção transversal e seção longitudinal. A escolha da seção a ser cortada depende dos objetivos do ensaio, por exemplo: o aspecto da seção longitudinal de barras com segregação depende da maneira pela qual o corte seciona esse defeito. Assim

sendo, não é prudente concluir que uma barra apresenta uma segregação maior do que outra,

conhecendo-se apenas sua seção longitudinal.

Figura 14.36 - Influencia da localização de um corte longitudinal axial sobre o aspecto de segregação.

a

a

b

b

a - a b - b

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Nota-se a diferença de aspecto em porcas cortadas transversal ou

longitudinalmente provenientes de barras com segregação central. Nas peças fundidas diretamente na sua forma definitiva, o corte é guiado apenas pela forma da peça, preferindo-se, contudo, com interesse de alguma parte em especial, ou que secione transversalmente as suas arestas ou cantos vivos para se apreciar a forma da estrutura dendrítica nesses pontos ou eventual existência de pequenas fissuras. Corte da amostra na seção escolhida: Vários meios de corte podem ser utilizados para a realização do corte da amostra na seção escolhida, o que mais se adapta para o ensaio metalográfico é o corte por abrasão a úmido. O corte por abrasão a úmido é feito com uma cortadeira de disco abrasivo, sob condições nas quais a amostra não sofrerá deterioração de sua estrutura. Os discos de corte consistem de um abrasivo, geralmente óxido de alumínio, carbeto de silício ou diamante com diferentes granulometrias, dispersos em meio de material sintético. O grão abrasivo e o meio de dispersão devem estar perfeitamente adaptados para que permitam um corte preciso, isento de qualquer tipo de defeito da superfície da amostra. Durante a operação de corte, deve-se tomar o máximo de cuidado para não danificar a estrutura da amostra por: encruamento, deformação, locais de excessivos aquecimento (a mais de 100 0C) em peças temperadas, pois estes fenômenos seriam mais tarde postos em evidência pelo ataque, adulterando-se as conclusões do ensaio. A máquina de corte por disco abrasivo, “cut-off” garante boa precisão do corte, possuindo um sistema de refrigeração e lubrificação garantindo que a temperatura da superfície não ultrapasse a 100 0C e a rugosidade superficial de corte seja reduzida. Montagem da amostra: A montagem do corpo de prova tem por objetivos: facilitar o manuseio de peças pequenas, evitar que as amostras danifiquem as lixas e o pano metalográfico, evitar a formação de vários planos durante que influenciam na observação ao microscópio, permitir que seja feito um estudo da periferia da amostra. A montagem do corpo de prova se divide em: fixação e embutimento. A fixação é feita através de placas metálicas fixadas com parafusos e porcas, e embutimento consiste em circundar a amostra com baquelite, ou resinas plásticas auto-polimerizáveis, as quais consistem geralmente de duas substâncias formando um líquido viscoso quando misturadas. Esta mistura é vertida dentro de um molde plástico onde se encontra a amostra, polimezando-se após um certo tempo. A reação de polimerização, é geralmente exotérmica atingindo temperaturas entre 50 a 120 0C, com um tempo de endurecimento que varia de 0,2 a 24h, dependendo do tipo de resina e do catalisador. (polimetacrilato de metila). Marcação para identificação: A marcação de amostra serve para identificação e pode ser feita com canetas especiais. Lixamento da amostra na seção cortada: O lixamento da amostra é necessário para diminuir o grau de rugosidade da superfície, melhorando com isso a qualidade da imagem obtida. A lixa é uma ferramenta de corte por abrasão, onde o abrasivo é uma substância de origem mineral, dura e resistente ao desgaste. Os abrasivos mais utilizados nas lixas são: óxido de alumínio, carbeto de silício, carbeto de boro e diamante. As lixas são classificadas de acordo com o tamanho

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dos grãos, segundo a norma ABNT MB-481. Na metalografia utilizamos o lixamento via úmido pois evita o entupimento da lixa e a água serve como refrigerante e lubrificante para o corte. Para a realização do lixamento metalográfico, geralmente são utilizadas dois tipos de lixadeiras: Lixadeira Metalográfica Manual Estacionária por Via Úmido, onde neste tipo de lixadeira o movimento de corte é realizado pelo operador; Lixadeira Metalográfica Manual Rotativa por Via Úmido, neste tipo de lixadeira o movimento de corte é realizado pelo operador e pelo movimento da lixa. Este tipo de lixadeira divide-se em dois tipos:

Se a amostra foi cortada com a serra de disco, inicia-se o lixamento com

lixa de grana 220. A verificação da rugosidade da superfície na prática é feita através do tato. A seqüência de lixas para o lixamento é 120 - 180 - 240 - 280 - 320 - 400 - 500 - 600 - 1.000.

Na lixadeira manual, ao mudar de lixa, deve-se virar a amostra 90° em relação aos riscos deixados pela lixa anterior, para aumentarmos o rendimento de corte. Na lixadeira rotativa de prato, o movimento de corte durante o lixamento, deve ser do centro para periferia e deve-se fazer um giro de 180° na amostra periodicamente, para evitar a formação de planos inclinados, causados pela não uniformidade da velocidade de corte. Polimento da amostra na seção lixada: O polimento se faz necessário para aumentar a nitidez da imagem, pois os riscos e a deformação superficial deixados pelo lixamento impedem a visualização correta da amostra no microscópio metalúrgico. O polimento pode ser feito através de politriz mecânica ou eletrolítica. A politriz mecânica possui um prato giratório sobre o qual, coloca-se o pano metalográfico (feltro) que serve de apoio para o abrasivo. Os abrasivos mais utilizados são: óxido de cromo (Cr2O3), geralmente em bastão; óxido de magnésio (MgO), encontra-se em bastão ou suspensão; óxido de alumínio (Al2O3 – alumina), encontra-se em pasta ou suspensão e diamante sintético ou natural, encontra-se em bastão, suspensão, pasta. O abrasivo varia de 5 à 0,25 µm e encontra-se na forma de pasta, suspensão em água destilada, aerossol, e bastão. Destes agentes polidores a alumina e o diamante são os mais utilizados para o polimento mecânico. O diamante se destaca como mais eficiente devido suas características de granulometria, dureza, forma dos grãos e poder de desbaste. O processo de polimento eletrolítico, permite obter por dissolução anódica de um metal em um eletrólito e uma superfície plana. Ataque com reativo adequado: A superfície da amostra, quando atacada por

reagentes específicos, sofre uma série de transformações eletroquímicas baseadas no processo de óxido – redução, cujo aumento do contraste se deve às diferenças do potencial eletroquímico. São formados células locais onde os constituintes quimicamente menos nobres atuam como ânodo, reagindo com o meio de ataque de maneira mais intensa que os mais nobres.

Figura 14.37 - Esquema de um metal policristalino atacado quimicamente e com feixes incidentes e de reflexão de luz.

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Para o ataque químico são usadas soluções alcoólicas de ácidos, bases e sais, bem como sais fundidos ou vapores. As condições de ataque tais como composição química, temperatura e tempo, podem ser variadas para atingir as mais diversas finalidades de contraste. O ataque químico ocorre principalmente em contornos de grãos por serem zonas de maior energia, têm uma reatividade química maior que o interior do grão o que permite por em evidência,. A figura abaixo mostra o esquema de um metal policristalino com os contornos de grão postos em evidência através de ataque químico. As linhas com seta mostram a incidência de feixe de luz com a respectiva reflexão.

Geralmente a preparação da amostra para o macroataque limita-se ao lixamento. Em alguns casos, porém, deve-se efetuar um pré-polimento. O microataque evidencia a estrutura íntima do material em estudo, devendo ser observada através de microscópio. A figura ao lado mostra uma micrografia de um aço onde aparece grãos perlíticos (ferrita + cementita).

Figura 14.38 - Micrografia da perlita. Após o ataque químico a amostra deve ser rigorosamente limpa, para

remover os resíduos do processo, através de lavagem em água destilada, álcool ou acetona, e posteriormente seca através de jato de ar quente. As técnicas mais comuns de ataque são descritas na tabela abaixo:

Técnica Descrição

Ataque por imersão A superfície da amostra é imersa na solução de ataque, é o método mais usado.

Ataque por gotejamento A solução de ataque é gotejada sobre a superfície

da amostra. Método usado com soluções reativas dispendiosas.

Ataque por lavagem

A superfície da amostra é enxaguada com a solução de ataque. Usado em casos de amostras muito grandes ou quando existe grande desprendimento de gás durante o ataque.

Ataque por esfregação

A solução de ataque, embebida em um chumaço de algodão ou pano, é esfregado sobre a superfície da amostra o que serve para remover as camadas oriundas da reação.

Ataque – polimento

O polimento é efetuado, estando a amostra imersa na solução de ataque, a fim de evitar a formação de camadas oriundas da reação química. Este processo é usado com o polimento mecano-eletrolítico

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Soluções mais usadas na macrografia de metais ferrosos Reativo Composição

Reativo de iodo Iodo sublimado – 10g Iodeto de potássio – 20g Água – 100 ml

Reativo de heyn Cloreto cuproamoniacal – 10g Água – 120 ml

Reativo de ácido clorídrico Ácido clorídrico – 50 ml

Água - 50 ml

Reativo de ácido sulfúrico Ácido sulfúrico – 20 ml

Água - 100 ml

Reativos de frey Ácido clorídrico – 120 ml Cloreto cúprico - 90 ml

Água - 100 ml

Reativo nital Ácido nítrico – 1 - 5% Álcool etílico – 99 - 95%

Soluções mais usadas na micrografia de metais ferrosos

Reativo Composição

Reativo nital Ácido nítrico – 1 - 5% Álcool etílico – 99 - 95%

Reativo de ácido pícrico Ácido pícrico – 4% Álcool etílico - 96%

Reativo picrato de sódio Ácido pícrico – 2 ml Soda a 36o - 25 g Água – 100 ml

O reativo de nital e de ácido pícrico não ataca a ferrita e nem a cementita, mas delineia os contornos de grãos e colore escuro a perlita. A perlita escurece porque o reativo ataca a linha de contato entre a ferrita e as lamelas de cementita. O reativo de picrato de sódio colore a cementita, os carbonetos complexos dos aços-ligas e a esteadita dos ferros fundidos. Interpretação depois do ataque: o quadro abaixo mostra algumas interpretações costumeiras.

Aspectos Significação provável

Pontinhos pretos mais ou menos agrupados numa secção. Porosidade, em aço moldado.

Linhas com ramificações e pequenas áreas escuras próximas ao centro de peças laminadas vistas em seção transversal.

Restos de vazio, (quando sua forma tem certa simetria podem provir da ruptura durante o forjamento ou laminação).

Linhas pretas aparentemente contínuas internas oriundas da periferia.

Trincas ou inclusões grandes alinhadas.

Pontos ou bastonetes pretos dispostos irregularmente na secção transversal de peças laminadas ou forjadas, moles.

a) No ferro pudlado são as escórias maiores.

b) No ferro de pacote são

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defeitos de caldeamento ou partículas de escória dos pedações de ferro pudlado que contiver.

Pontinhos escuros distribuídos com certa regularidade por toda a secção exceto junto à periferia, material mole.

Ferro fundido maleabilizado.

Pequeninas áreas cinzentas arredondadas distribuídas uniformemente pela secção, geralmente menos numerosas junto a periferia, material duro.

Ferro fundido mesclado.

Linhas escuras orientadas longitudinalmente

a) No aço, restos de vazio. b) No ferro pudlado, escórias

grandes. c) No ferro de pacote, defeitos de

caldeamento

Com reativo de iodo

Dificuldade grande em atacar a superfície.

a) Aço de teor de carbono muito baixo e bastante puro (pouco enxofre e fósforo).

b) Aço rico em carbono e temperado em água.

c) Aço liga (inoxidável). Escurecimento rápido da superfície

com o depósito preto pulverilento. Aparecimento de regiões de

tonalidades diferentes com a separação nítida (excluída a segregação, as alterações de origem técnica, cementação e descarbonetação).

Material temperado e revenido ou temperado grandemente.

a) Materiais vários caldeados. b) Solda: emendas restaurações.

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Recomendações práticas para o manuseio de produtos químicos

O manuseio de produtos químicos sempre requer cuidados especiais. Praticamente todos os produtos químicos, e também alguns metais, são perigosos para o organismo humano, mesmo quando impuros. Os efeitos podem ser internos, causado por inalação ou ingestão, ou externos, como distúrbios nos olhos ou na pele. Por este motivo, basicamente para a preparação dos reagentes usados no ataque metalográfico, devem ser observadas as medidas de segurança que se aplicam a qualquer laboratório químico. Algumas medidas de segurança de maior importância: • Todos os recipientes devem ser rotulados correta e visivelmente; • Nunca despejar um produto químico, quando concentrado, diretamente no

esgoto; • Todas as substâncias críticas devem ser guardadas em ambientes

refrigerados, à prova de fogo e não exposto à luz; • No manuseio de substâncias cáusticas (ácidos, bases, peróxidos, sais

fundidos e soluções salinas), os olhos, a pele e roupa devem ser protegidos por óculos, luvas e uniformes adequados. Também vapores dessas substâncias sempre venenosos, devendo-se por isso trabalhar em ambiente muito arejado. Em caso de emanação de gases venenosos, é imprescindível o uso de máscaras adequadas;

• As soluções de substâncias ativas devem ser preparadas da seguinte maneira: sempre colocar em primeiro lugar a água e em seguida, cuidadosamente, o produto químico;

• Substâncias combustíveis e explosivas (benzol, acetona, éter, nitratos, etc) não podem ser aquecidas nem ser manipuladas na proximidade do fogo aberto;

• No trabalho com materiais tóxicos como berílio suas respectivas ligas, devem-se usar luvas especiais.

• Ácido perclórico. Em concentração acima de 60% é facilmente combustível e explosivo. Isto ocorre nas presença de materiais orgânicos ou metais facilmente oxidáveis como por exemplo o Bi. Em conseqüência devem ser evitadas concentrações elevadas e o aquecimento.

• Ácido fosfórico. As misturas desta substância com álcool podem provocar a formação de dimetilsulfato, inodoro e insípido porem extremamente tóxico. Quando absorvido pela pele ou inalado, mesmo com a máscara, pode causar conseqüências letais.

• Ácido fluorídrico. Não é somente um veneno para a pele e o aparelho respiratório, mas também um corrosivo energético para o vidro. A amostra atacada por este reativo pode danificar as lentes focais da objetiva do microscópio. Após o ataque com reativos à base de ácido fluorídico, limpar perfeitamente a amostra pelo menos 15 minutos antes de levá-la para observação microscópica.

• Óxido de cromo. As misturas de óxido de cromo VI com materiais orgânicos são explosivas. Misturar com cuidado e não armazenar.

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14.8 - PROPRIEDADES TÉRMICAS As propriedades térmicas determinam o comportamento dos materiais quando são submetidos a variações de temperatura. Isto acontece tanto no processo de obtenção do material quanto na utilização. Ex. As velocidades de corte elevadas da ferramenta de corte geram aumento da temperatura, e por isso, elas precisam ser resistentes a temperaturas elevadas.

• Ponto de fusão: é a temperatura na qual um material muda de estado sólido para o estado líquido. O processo inverso é a temperatura de solidificação;

• Ponto de ebulição ou de vaporização: é a temperatura na qual um material muda de estado líquido para o estado gasoso. O processo inverso é a temperatura de liquidificação ou condensação;

• Dilatação térmica: é a propriedade que os materiais tem de aumentarem ou diminuírem de dimensões com a temperatura.

Na ausência de transformações de fase, a maioria dos sólidos aumentam

de dimensões com o aumento da temperatura durante o aquecimento e contraem com a diminuição de temperatura. O coeficiente de dilatação térmica linear (αL) é definido pela seguinte expressão:

( )α Lf i

i f i

l l

l T T=

Onde li é o comprimento inicial, lf é o comprimento final, Tf é a temperatura final e Ti é a temperatura inicial. Para materiais em que a dilatação térmica é isotrópica, pode-se demonstrar que: α αS L≅ ⋅2 , onde αS é a dilatação térmica superficial, e α αV L≅ ⋅3 , onde αV é a dilatação térmica volumétrica. Muitos materiais cristalinos, tais como a alumina, titânia, quartzo, calcita e grafite, apresentam anisotropia quanto a dilatação térmica. O grafite apresenta um caso de anisotropia extremo, cujo coeficiente de dilatação térmica é 27 vezes mais baixo no plano basal do que na direção perpendicular a ele.

• Condutividade térmica: é a propriedade que os materiais tem de

conduzirem calor. Esta propriedade é análoga ao da difusividade nos sólidos

14.9 - PROPRIEDADES ELÉTRICAS As propriedades elétricas estão, geralmente, associadas com a condutibilidade elétrica, que a capacidade de conduzir eletricidade, e a resistividade elétrica, que é a capacidade de oferecer resistência à condução de eletricidade. A cerâmica, em geral, são maus condutores de eletricidade, entretanto, há cerâmicas supercondutoras. Por volta de 1.820, os físicos já podiam produzir e detectar correntes elétrica. Eles podiam também medir as diferenças de potenciais que causavam e

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quantificar a resistência elétrica dos materiais condutores. Em 1.827, o físico alemão Georg Simon Ohm (1.787-1.854) formulou a lei que relaciona a diferença de potencial (V), a resistência elétrica (R) e a corrente elétrica (i).

V R i= ⋅ A diferença de potencial é medida em volts (V) ou em J/C, a corrente é medida em ampères (A) ou em C/s e a resistência elétrica é medida em ohms (Ω) ou em V/A. O valor de R depende do material, da geometria e do polimorfismo (monocristal, policristal, amorfo) e é para muitos materiais independente da corrente elétrica. A resistividade elétrica (ρ) é uma propriedade do material e está relacionada com a resistência elétrica da seguinte maneira:

ρ = ⋅RAl

Onde A é a área da secção reta perpendicular à direção da corrente elétrica; l é a distância entre dois pontos em que a diferença de potencial é medida e R a resistência elétrica. A unidade de resistividade elétrica é Ωm. A condutividade elétrica (σ) indica a facilidade com que um material conduz corrente elétrica e é o inverso da resistividade.

σρ

=1

A unidade de condutividade elétrica é (Ωm)-1. A condutividade elétrica é, dentre as propriedades dos materiais, a que apresenta valores mais característicos e distantes, por exemplo, a condutividade elétrica de um condutor como a prata ou ouro, é mais de 20 ordens de grandeza maior que a condutividade de um isolante, como o polietileno. A tabela abaixo mostra a resistividade elétrica de alguns materiais. Material Resistividade elétrica (Ωcm) a 20 oC

Condutores Ouro 1,6 x 10-6

Prata 1,7 x10-6 Cobre 1,8 x 10-6 ReO3 2 x 10-6 CrO2 3 x 10-6 Alumínio 3 x 10-6 Tungstênio 5,6 x 10-6 Níquel 6,8 x 10-6 Ferro 13 x 10-6

Semicondutores Silício 2 x 10-5

Fe3O4 10-2

B4C 0,5 SiC 10 Germânio 40

Isolantes Borracha vulcanizada (Buna-S) Butadieno + estireno

1014

Nylon 1014

PTFE (teflon) 1016 PS (polistireno) 1018

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Al2O3 > 1014 SiO2 > 1014 Si3N4 > 1014 MgO > 1014 A condutividade elétrica de um material depende do número de condutores ou de portadores de cargas como cátions, ânions, elétrons ou vazios “eletron holes” por unidade de volume (n), da carga (q) de cada condutor e sua mobilidade (m). Tanto o número de condutores (n) como a sua mobilidade (m) dependem da temperatura. A condução iônica é de importância secundária nos sólidos em temperaturas moderadas, entretanto tem importância a temperaturas elevadas. A condução iônica tem um papel importante nos líquidos.

σ = ⋅ ⋅n q m Nos metais, a condutividade elétrica é explicada, quase exclusivamente, pela nuvem de elétrons livres, visto que, quando se aplica um campo elétrico em um metal, esses elétrons, ou pelo menos os de energia máxima, dirigem-se ao polo positivo, produzindo uma corrente de certa intensidade. Na sílica, por exemplo, os elétrons de valência que fazem a ligação entre os átomos de silício e os de oxigênio não têm mobilidade dos elétrons de uma ligação metálica e, por isso, a sua condutividade é muito fraca, em torno de 10-24 (Ωcm)-1, enquanto que no cobre é de 64,5.104 (Ωcm)-1 a 0 oC. A condutividade elétrica será tanto maior quanto maior for a mobilidade dos elétrons, ou seja, maior o seu livre percurso médio o qual aumenta rapidamente quando a temperatura diminui (maior que 106 vezes a distância interatômica a baixas temperaturas). Para o cobre e a prata pura o livre percurso médio dos elétrons à temperatura ambiente é de cerca de 100 distâncias interatômicas. Assim, esta propriedade variável com os elementos é, em geral, mais elevada nos metais com menor número de elétrons de valência como o sódio, potássio, ouro, prata e cobre e depende, para um dado elemento, da temperatura. Ou seja, das vibrações térmicas dos íons e dos defeitos nos cristais ou grãos (lacunas, átomos intersticiais, átomos substitucionais, discordâncias, maclas e contornos de grãos) que provocam a difusão da corrente elétrica, diminuindo o livre percurso médio. Como conseqüência disto, o metal oferece uma certa resistência a passagem da corrente elétrica denominado de resistividade elétrica ( ρ). Desta forma, a resistividade elétrica depende da temperatura - ρT - visto que a amplitude das vibrações térmicas é influenciada pela temperatura e, por outro lado, dos defeitos existentes na estrutura que são independentes da temperatura, mas sim no modo em que foi produzido o metal - ρD . Segundo Matthiessen, a resistividade de um metal é dada pela equação abaixo:

ρ ρ ρ= +T D Esta lei não é aplicável aos materiais semicondutores em que a resistividade devido a defeitos - ρD - diminui quando a temperatura se eleva, mas é freqüentemente utilizada para o estudo de defeitos pontuais e para determinação de pequenas quantidades de impurezas nos semicondutores que são matérias primas para fabricação de dispositivos opto-eletrônicos.

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O aumento da resistividade com a temperatura é considerado uma das propriedades mais características dos metais. Para temperaturas superiores a 100K (-173,15 oC), a resistividade é proporcional a temperatura absoluta T, mas para baixas temperaturas a variação torna-se proporcional a T5 e tende-se anular para 0K, restando unicamente a resistividade devido a defeitos nos metais, que na teoria é possível extingüí-los. Assim, para um metal puro e uma distribuição atômica perfeita ( ρD = 0) a resistência tende a zero com a diminuição da temperatura, conforme mostra a figura abaixo.

Figura 14.39 - Curva de resistividade elétrica em função da temperatura. O fenômeno da supercondutividade que se observa em certos metais como o chumbo, o estanho, o mercúrio, o nióbio e suas ligas, como por exemplo, NbTi, Nb3Sn que se dá em temperaturas baixas deve-se a diminuição de defeitos. Entretanto, é sabido que estes metais e ligas são más condutoras de eletricidade a temperatura ambiente, mas, a temperaturas inferiores a 20K (-253,15 oC) a resistividade anula-se bruscamente, tornando-se ótimos condutores. Há, atualmente, várias ligas sendo estudados a supercondutividade como: UPd2Al3, NdBa2Cu3O7, YBa2Cu3O7, etc. 14.10 - PROPRIEDADES MAGNÉTICAS Forças magnéticas aparecem quando partículas eletricamente carregadas se movimentam. É conveniente raciocinar em termos de campo magnético e linhas de força (imaginárias) podem ser tracejadas indicando a distribuição do campo magnético. Outro conceito importante é o conceito de dipolo magnético. Os dipolos magnéticos são análogos aos dipolos elétricos e podem ser imaginados como pequenas barras compostas de polo norte e polo sul. A figura abaixo mostra um esquema dos momentos magnéticos de um corpo sólido. O momento magnético do corpo é a soma dos momentos magnéticos das unidades elementares que o constituem.

ρT

ρD

ρ αT

ρ αT5

Tf

0100

Res

istiv

idad

e ( Ω

mm

)

Temperatura (K)

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Figura 14.40 - Esquema de momentos magnéticos em um cristal e em uma célula unitária. A propriedade mais característica de qualquer material magnético é o seu momento magnético, quantidade mensurável, designado pelo símbolo “µ”. Quando consideramos os efeitos magnéticos provenientes de átomos e elétrons reunidos, como em um cristal, torna-se conveniente pensar em termos de momento magnético por unidade de volume, cujo símbolo é “M”. Na maioria dos materiais, M é zero na ausência de campo magnético, entretanto, se esses materiais são colocadas em um campo magnético, então vale a expressão:

M H= ⋅χ Onde χ é a susceptibilidade magnética por unidade de volume e H é a intensidade do campo magnético. Pode-se usar a mesma unidade para M e H. O campo magnético H é medido em termos do fluxo magnético no vácuo Bo (Wb/m2):

B Ho o= ⋅µ Onde µo é a permeabilidade magnética no vácuo (4π10-7H/m). Wb significa weber, H significa henry e a unidade de fluxo magnético - B - no S.I. é o Tesla. Vários parâmetros podem ser utilizados para descrever as propriedades magnéticas de um material. Um deles é a susceptibilidade magnética acima descrito; o outro parâmetro importante é permeabilidade magnética relativa:

µµ

µro

=

As permeabilidades µ e µr medem a facilidade com que um campo magnético B pode ser introduzido em um material sob ação de um campo

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magnético externo H. A tabela abaixo mostra valores de permeabilidade magnética relativa (µr) para alguns materiais. Material Permeabilidade magnética relativa Ferro (0,1% de impurezas) 0,5 x 103

Aço ao silício (4,25% Si) 1,5 x 103 Aço ao silício (3,25% Si) com grãos orientados 2,0 x 103 Ferrita cerâmica (Mn, Zn) Fe2O4) 1,5 x 103 Ferrita cerâmica (Mn, Zn) Fe2O4) 0,3 x 103 A permeabilidade magnética e a susceptibilidade magnética podem ser correlacionadas através da expressão:

χ µ= −r 1 Do mesmo modo que os materiais diferem na sua resposta a um campo elétrico, eles também diferem substancialmente quando expostos a um campo magnético. Os efeitos magnéticos nos materiais originam-se nas pequenas correntes elétricas associadas ou a elétrons em órbitas atômicas ou a spins de elétrons. Os materiais, quanto ao seu comportamento magnético, podem ser classificados em: diamagnéticos, paramagnéticos, ferromagnéticos, antiferromagnéticos e ferrimagnéticos.

• Diamagnéticos: é uma forma muito fraca de magnetismo, que só persiste enquanto houver um campo magnético externo aplicado. Na ausência de campo magnético, os átomos de um material diamagnético têm momento nulo. A magnitude do momento magnético induzido pelo campo externo é extremamente pequena e sua direção é oposta à direção do campo aplicado. A susceptibilidade magnética χ, a qual não varia com a temperatura, é negativa e está na ordem de -10-6 a -10-5;

A figura ao lado mostra um

esquema da configuração de dipolos de um material diamagnético e a tabela que segue mostra a susceptibilidade magnética de alguns materiais.

a) b) Figura 14.41 - Esquema da configuração de dipolo magnético de um material diamagnético.

a) Na ausência de um campo magnético; b) Na presença de um campo magnético.

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Material Susceptibilidade

magnética Material Susceptibilidade

magnética Al2O3 -1,81 x 10-5 Silício -0,11 x 10-6 Cobre -0,096 x 10-6 Prata -0,18 x 10-6 Ouro -0,14 x 10-6 NaCl -1,41 x 10-5 Mercúrio -0,17 x 10-6 Zinco -0,18 x 10-6 Chumbo -0,13 x 10-6 Cádmio -0,31 x 10-6 Índio -0,56 x 10-6 Antimônio -1,1 x 10-6

• Paramagnéticos: é também uma forma muito fraca de magnetismo, mas neste caso os átomos de um material paramagnético têm momento magnético, cuja orientação ao acaso, resulta em magnetização nula. Os dipolos podem ser alinhados na direção do campo magnético aplicado. A susceptibilidade magnética χ, a qual diminui com o aumento da temperatura, é pequena e positiva e está na ordem de +10-5 a +10-3;

A figura ao lado mostra um

esquema da configuração de dipolos de um material paramagnético e a tabela que segue mostra a susceptibilidade magnética de alguns materiais.

a) b) Figura 14.42 - Esquema da configuração de dipolo magnético de um material

paramagnético. a) Na ausência de um campo magnético; b) Na presença de um campo magnético.

Material Susceptibilidade

magnética Material Susceptibilidade

magnética Césio 0,22 x 10-6 Tungstênio 0,32 x 10-6 Potássio 0,53 x 10-6 Magnésio 0,54 x 10-6 Alumínio 0,61 x 10-6 Tório 0,66 x 10-6 Sódio 0,70 x 10-6 Platina 1,04 x 10-6 Zircônio 1,3 x 10-6 Molibdênio 1,8 x 10-6 Nióbio 2,2 x 10-6 Titânio 3,0 x 10-6

• Ferromagnéticos: quando a susceptibilidade magnética χ for positiva e elevada, o material é classificado como ferromagnético. Além disto, os materiais ferromagnéticos se magnetizam espontaneamente e podem reter um momento magnético permanente. Quando o campo magnético H é removido desses materiais, M não cai a zero. Quanto melhor for a orientação dos momentos magnéticos, melhor será os efeitos magnéticos. É o caso do ferro α, cobalto, níquel e gadolíneo. Algumas ligas e compostos de manganês, tais como MnBi, e Cu2MnAl, também apresentam ferromagnetismo. Eles apresentam temperatura crítica, denominada

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temperatura de Curie (θc), acima da qual perdem o ferromagnetismo e tornam-se paramagnéticos.

A figura abaixo mostra um esquema da configuração

de dipolos de um material ferroamagnético e a tabela que segue mostra a temperatura de Curie para alguns materiais ferromagnéticos

Figura 14.43 - Esquema da configuração de dipolo magnético de um material ferromagnético na ausência de um campo magnético.

Material Temperatura de Curie Material Temperatura de Curie Ferro α 770 oC Gadolíneo 20 oC Níquel 358 oC SmCo5 720 oC Cobalto 1130 oC Nd2Fe14B 312 oC A susceptibilidade magnética dos materiais ferromagnéticos diminui com o aumento da temperatura segundo a lei de Curie-Weiss:

χθ

=−C

T

Onde C é uma constante, T a temperatura em graus Kelvin e θc é aproximadamente θc.

• Antiferromagnéticos: alguns materiais apresentam o comportamento antiferromagnético. O MnO é um material cerâmico com ligação iônica e a

sua estrutura cristalina é CFC. O momento magnético associado aos íons O2- é zero. Os íons Mn2+ apresentam momento magnético permanente, mas estão arranjados na estrutura de modo que os íons adjacentes têm momentos opostos ou antiparalelos. O material como um todo não apresenta momento magnético. A figura abaixo ilustra os momentos magnéticos do MnO. Vários compostos de metais de transição apresentam comportamento antiferromagnético: MnO, CoO, NiO, Cr2O3, MnS, MnSe e CuCl2.

Figura 14.44 - Esquema de momentos magnéticos do MnO.

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Estes materiais apresentam temperatura crítica, denominada de temperatura de Néel (θn). A susceptibilidade dos materiais antiferromagnéticos é da mesma ordem de grandeza da dos materiais paramagnéticos e diminui com o aumento da temperatura.

χθ

=±C

T

Onde C é uma constante, T a temperatura em graus Kelvin e θ é diferente de θn.

• ferrimagnéticos: alguns outros materiais cerâmicos também apresentam forte magnetização permanente, denominada de ferrimagnetismo. Estes

materiais são denominados de ferritas (não confundir com a fase ferro α do ferro, de estrutura CCC). As características macroscópicas do ferromagnetismo e do ferrimagnetismos são parecidas. As ferritas podem ser representadas por Mfe2O4, onde M deve ser um elemento metálico. O Fe3O4, que foi a primeira ferrita conhecida, pode ser escrita como Fe2+O2- (Fe3+)2(O2-)3 . Na estrutura cúbica da magnetita o cátion Fe2+ ocupa interstícios octaédricos e o cátion Fe3+

ocupa interstícios tetraédricos. Figura 14.45 - Esquema dos momentos magnéticos da ferrita. O ânion O2- é magneticamente neutro. A resultante dos momentos magnéticos dos dois tipos de íons de ferro não se anula e o material apresenta magnetismo permanente. O íon M2+ pode ser, além do ferro, o Ni, o Mn, o Cu, e o Mg. A figura abaixo ilustra os momentos magnéticos de ferrita. Estes materiais também apresentam temperatura crítica de Curie (θc). A susceptibilidade dos materiais ferrimagnéticos é da mesma ordem de grandeza da dos materiais ferromagnéticos e diminui com o aumento da temperatura.

χθ

=±C

T

Onde C é uma constante, T a temperatura em graus Kelvin e θ é diferente de θc.

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14.10.1 - MATERIAIS MAGNÉTICOS MOLES E DUROS As propriedades magnéticas de um material são determinadas pela sua estrutura eletrônica, pela sua estrutura cristalina e por seus domínios magnéticos. O conceito de domínio magnético foi introduzido por Weiss (1.907) para explicar o comportamento dos materiais ferromagnéticos. Ele postulou que um material ferromagnético é dividido em domínios, dentro das quais a magnetização é igual ao valor da saturação. A magnetização de diferentes domínios varia com a direção, de modo que a magnetização de um material ferromagnético pode ser pequena ou até mesmo nula. Atinge-se o valor de saturação quando os domínios são alinhados pela aplicação de um campo magnético externo. Em termos de aplicações, os materiais magnéticos podem ser divididos em dois grupos,

denominados de materiais moles, tendo baixa coercividade (Hc), baixa remanescência (Br), combinado com elevada permeabilidade magnética (µ) e saturação magnética. Em outras palavras, materiais magnéticos moles significa ser facilmente magnetizado e desmagnetizado; materiais duros ou permanentes deve ser resistente a desmagnetização, exibindo elevada coercividade e elevada remanescência e o produto H x B deve ser máximo. A figura abaixo mostra as curvas de magnetização e ciclos de histerese típicos de materiais magnéticos moles e duros.

Figura 14.46 - Curva de histerese de materiais magnéticos moles (interno) e duros (externo). Um material magnético mole opera na presença de um campo magnético. Este comportamento é útil em aplicações que envolvem mudanças contínuas na direção de magnetização, por exemplo, geradores de c.a., motores elétricos de c.a. e transformadores de c.a. Para estas aplicações são necessários materiais magnéticos moles como Fe, Fe-Si (aço ao silício), Fe-P, Fe-P-Si), Fe-Ni, Fe-Co, e Fe-Co-V (supermalloy). Um material magnético duro tem sua magnetização durante a fabricação e deve retê-la depois que o campo magnético externo, usado para magnetizá-la, for removido. Os materiais magnéticos duros apresentam um ciclo de histerese elevado. Geradores de c.c, alternadores, fones de ouvido e alto-falantes necessitam de materiais magnéticos duros como SmCo5, Sm2Co17 e NdFeB. O desenvolvimento de materiais magnéticos mais eficientes tem sido contínuo, sendo estes últimos produzidos a partir de 1970 pela metalurgia do pó.

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14.11 - PROPRIEDADES ÓTICAS Quando um feixe de luz encontra uma interface entre dois meios, por

exemplo, do ar para dentro de uma substância sólida, ele sofre reflexão e refração. Além disto, parte da radiação da luz pode ser absorvida pelo meio em que se propaga. Em outras palavras, ao se iluminar uma amostra, com intensidade Io, pode-se notar que parte desta intensidade é refletida nas interfaces, parte é absorvida pela amostra e outra parte emerge do outro lado (transmitido), conforme mostra a figura abaixo.

Figura 14.47 - Esquema da incidência de um feixe luz que encontra interfaces entre dois meios.

Pela conservação de energia, a intensidade do feixe incidente Io para a superfície do meio sólido deve ser igual a soma das intensidades transmitidas, absorvidas e refletidas, respectivamente, It, Ia, e Ir, dada pela equação abaixo:

I I I Io t a r= + + (W/m2) Equação 24

14.11.1 - REFLETIVIDADE, TRANSMITÂNCIA E ABSORÇÃO. A perda linear por absorção de um meio pode ser expressa pela lei de Beer-Lambert [:

I I eol= ⋅ − α

Onde Io, é a intensidade do feixe incidente, l a espessura da amostra e α o coeficiente de absorção por unidade de comprimento. O coeficiente de absorção α não pode ser obtido diretamente de um único experimento de transmitância. Assim, a reflexão na frente e na saída da superfície devem ser levadas em conta. Para um feixe incidente normal, a intensidade de

um feixe refletido pela frente da superfície é dado pela refletividade RII

r

o= e a

transmitância é dado por TII

t

o= , onde Io é a intensidade do feixe incidente, It é a

intensidade do feixe transmitido e Ir é a intensidade do feixe refletido. A absorção

pode ser expressa por AII

a

o= onde, Ia é a intensidade do feixe absorvido.

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A intensidade do feixe transmitido pode ser expressa pela equação:

I I I It o r a= − −

( )I I R et ol= ⋅ − ⋅ −1 2 α

Logo, se a intensidade do feixe refletido for igual a intensidade do feixe incidente (Ir = Io ), a transmitância será nula (It = 0). Se intensidade do feixe refletido for aproximadamente igual a zero, ou zero (Ir ≅ 0), pode-se expressar a intensidade do feixe transmitido pela equação:

I I et o

l= ⋅ −α

Onde α é o coeficiente de absorção (mm-1) que varia com o comprimento de onda da radiação incidente, e l é a espessura do material na qual atravessa o feixe.

Às vezes, é mais conveniente evitar medições de refletância, quando as espessuras do meio são muito finas ou transparentes (em vidros).

Transmitância de uma amostra A figura abaixo mostra o esquema de uma análise de transmitância por um feixe incidente em uma amostra de vidro.

IoAI I et o

lA A

= ⋅ −α

Figura 14.48 - Esquema de uma análise de transmitância por um feixe incidente normal a

superfície de uma amostra de vidro.

A figura ao lado mostra um típico espectrômetro com compartimento aberto onde se posicionam amostras para a incidência de feixes de luz para a obtenção de dados de absorção e transmitância.

Figura 14.49 - Detalhe do compartimento aberto [ 1 ] de um espectrômetro.

TII

eAt

o

lA

A

= = −α

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A figura que segue mostra o resultado de transmitância em função do comprimento de onda de uma lâmina de vidro denominado BLC1. O ruído que

aparece entre 180 nm e 280 nm é devido a absorção do ultravioleta pela lâmina de vidro que suporta a amostra. Pode-se observar que a transmitância para a amostra BLC1 é de aproximadamente 100%, com algumas flutuações, para o intervalo de comprimento de onda de 280 nm a 850 nm.

Figura 14.50 - Curvas de transmitância da amostra BLC1. Espectro com irradiação do ultravioleta.

A figura que segue mostra a curva de transmitância em função do comprimento de onda de uma amostra de vidro dopado com cristais de PbS de tamanho nanométrico, denominado de STW4. Pode-se observar que a transmitância reduz com a diminuição do comprimento de onda que é devido a absorção dos cristais de PbS.

Figura 14.51 - Espectro de transmitância de uma amostra de vidro dopado. Os materiais metálicos são inteiramente opacos no espectro da luz visível, isto é, toda radiação de luz é absorvida ou refletida ou ambas, mas são transparentes para ondas eletromagnéticas de pequeno comprimento de onda como raio-X e raio-γ. Estas propriedades dos metais atribuem-se a capacidade dos elétrons livres de absorverem energia dos fótons e de poderem reemitir, quando o elétron, excitado pelo impacto de uma radiação, cai em um nível mais baixo de energia. Deste modo, um feixe luminoso que incide sobre a superfície de um metal, é quase inteiramente refletido, dando lugar ao brilho metálico.

100 200 300 400 500 600 700 800 900

94

96

98

100

102

104

106

108 BLC1

Tran

smitâ

ncia

(%)

Comprimento de onda (nm)

200 300 400 500 600 700 800 900 10000

20

40

60

80

100 STW4

Tran

smitâ

ncia

(%)

Comprimento de onda (nm)

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Materiais isolantes podem ser transparentes e alguns materiais

semicondutores são transparentes e outros são opacos. Um material homogêneo e transparente, como o vidro, é caracterizado por uma constante, o índice de refração (n ≥ 1), que indica que a velocidade de propagação da luz naquele meio (c) é menor que a velocidade de propagação da luz no vácuo (co = 3 x 10 8 m/s). Assim,

c = cn

o

Cristais com estrutura cúbica são isotrópicos, onde o índice de refração independe da direção de propagação e da polarização da luz. Cristais com outras estrutura são anisotrópicos e seus índices de refração são função da orientação e da polarização. O quadro abaixo mostra os índices de refração de vários materiais. Material Índice médio de refração

Sílica 1,46

Soda-lime 1,51

Pyrex 1,47

Dense optical flint glass 1,65

Corundum (Al2O3) 1,76

Periclase (MgO) 1,74

Quartzo (SiO2) 1,55

Spinel (MgAl2O4) 1,72

Politetrafluoretileno 1,35

Polietileno 1,51

Polistireno 1,60

Polimetilmetacrilato 1,49

Polipropileno 1,49

Heptano 1,38

Etanol 1,36

Do exposto acima, pode-se concluir que a radiação eletromagnética pode ser tratada de dois modos: clássico (ondulatório) e quântico (fótons). Para analisar determinados fenômenos, a abordagem clássica é mais conveniente e em outras situações é preferível a abordagem quântica. Einstein, em 1905, utilizou os conceitos da teoria quântica, proposta por Planck em 1900, e propôs que um feixe de luz consiste de pequenos pacotes de energia, conhecidos como quanta de luz ou fótons. A energia de um fóton pode assumir determinados valores definidos pela relação:

E hh co= ⋅ =

⋅ν

λ

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Onde h é a constante de Planck (h = 6,63.10 -34 J.s), ν é a freqüência da onda, co é a velocidade da luz e λ é o comprimento de onda.

Alguns materiais são capazes de absorver energia e reemitir luz visível em um fenômeno chamado luminescência. Ao absorver energia, um elétron pode ir para um estado excitado. Esta energia pode ser fornecida por meio de fótons com energia maior do que a energia de banda proibida do material. Processos não radioativos fazem com que o elétron vá para o nível mais baixo da banda de condução se 1,8 eV < hv < 3,1 eV, de onde podem retornar à banda de valência com emissão de um fóton. A energia absorvida pode ser suprida como energia mais elevada de radiação eletromagnética tal como luz ultravioleta, ou outras fontes como calor, energia mecânica ou energia química.

A luminescência é classificada de acordo com a grandeza do tempo entre o evento de absorção e reemissão. Se a reemissão ocorre para tempos menores que um segundo, o fenômeno é chamado de fluorescência; e para tempos maiores, fosforescente. Os semicondutores lasers são um bom exemplo para mostrar como as propriedades óticas e elétricas são, de fato, intimamente relacionadas. Quando se olha para um semicondutor, nota-se que eles usualmente apresentam uma coloração, amarelo claro para CdS, laranja para ZnSe, vermelho para Cu2O ou preto metálico para GaAs de acordo com o valor de energia da banda proibida. Um exemplo simplificado de um experimento de absorção, para determinar as propriedades óticas e indiretamente a energia de banda proibida, é representado esquematicamente na abaixo. Luz monocromática

de intensidade Io é incidida sobre a amostra. Um detector mede a intensidade transmitida It , fig. a). Variando o comprimento de onda de Io, obtém-se o espectro de absorção mostrado na fig. b). A absorção, fig. b) é típica de um semicondutor do tipo GaAs.

Figura 14.52 - a) Esquema de um experimento de transmissão. A) transmissão de um feixe de laser através de um semicondutor.; b) Um espectro típico de absorção do semicondutor GaAs.

A linha característica do espectro de absorção na figura acima (b) é uma manifestação direta da interação coulombiana originadas da atração entre elétron e buraco, o qual conduz à formação de um estado de fronteira do par elétron-buraco, o éxciton. Estes éxcitons, podem ser descritos similarmente como os átomos de hidrogênio, onde o próton é substituído por uma partícula com carga +e e com massa efetiva do buraco. O coeficiente de absorção e o índice de refração têm um comportamento não linear com a intensidade da luz excitante.

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Do ponto de vista clássico, a radiação eletromagnética pode ser considerada como sendo ondas com dois componentes perpendiculares entre si e ambos perpendiculares à direção de propagação. Portanto, uma onda eletromagnética pode ser representada em um sistema cartesiano com três eixos ortogonais entre si: um eixo representa o campo elétrico (E); outro representa o campo magnético (P) e o terceiro eixo representa a direção de propagação. Luz, calor, ondas de radar, ondas de rádio e raio-X são formas de radiações eletromagnéticas. Todos os corpos emitem radiações eletromagnéticas devido ao movimento de seus átomos e moléculas. Este tipo de radiação é denominada radiação térmica e é uma mistura de comprimentos de onda. A figura abaixo representa o espectro de radiações eletromagnéticas.

Figura 14.53 - Espectros de radiação eletromagnética. A luz ocupa uma região muito estreita do espectro de radiações eletromagnéticas, com comprimento de onda que vão de 0,4 µm a 0,7 µm. O branco é uma mistura de todas as cores. Em adição às propriedades óticas, é interessante investigar a resposta de semicondutores sob excitações de pulsos curtos. Nas últimas décadas tem sido feito progressos significantes na produção de pulsos óticos da ordem de femtosegundo (1 fs = 10-15 s) através de laser (light amplification by stimulated emission of radiation).

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14.12 - PROPRIEDADES QUÍMICAS 14.12.1 - RESISTÊNCIA A CORROSÃO

Muitos metais encontram-se na natureza de forma combinada e principalmente com o oxigênio, por exemplo, o alumínio é encontrado na bauxita que contém alumina (Al2O3). Os metais e suas ligas tendem a reagir com o meio durante a sua utilização. A corrosão metálica é um processo eletroquímico, por exemplo, um metal M de valência n pode-se oxidar segundo a reação:

M M nen→ ++ −

Onde “e- “representa um elétron. O local onde ocorre a reação de oxidação é denominado de ânodo. Os elétrons produzidos pela reação anódica, geralmente, participam de reações de redução. O local onde a reação de redução ocorre é denominado de cátodo. As reações que ocorrem no ânodo e no cátodo são denominadas de meia reação ou semi-reação. A corrosão de um metal, como o zinco, pode ser representada pela soma de duas meias reações:

Zn Zn 2e2H 2e H (g)

Zn 2H Zn H (g)

2

12

1 22

→ +

+ →+ → +

+ −

+ −

+ +

Os metais apresentam diferentes propensões a corrosão. Como o processo de ionização de um metal cria um potencial elétrico, denominado de potencial de eletrodo, a propensão à corrosão pode ser avaliada por este potencial. Os potenciais de eletrodo são medidos em relação ao hidrogênio. O potencial de eletrodo depende da natureza e da concentração de solução em que o metal está imerso. O quadro abaixo mostra potenciais de eletrodo de vários metais. Semi-reação, Solução ácida Potencial de eletrodo

(em V para 1 mol/l) a 25 oC

Mn 2e Mn2+ −+ → -1,190

Cr e Cr3 2+ − ++ → -0,420

Eu e Eu3 2+ − ++ → -0,350

Ni 2e Ni2+ −+ → -0,236

Pb 2e Pb2+ −+ → -0,126

2H 2e H1+ −+ → 2 ( )g 0,000

Cu 2e Cu2+ −+ → +0,337

Fe e Fe3 2+ − ++ → +0,777

Ag e Ag1+ −+ → +0,799

Au e Au3+ −+ →3 +1,498

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Um fenômeno muito importante no estudo da corrosão é a passivação, causada por uma película muito fina de óxido na superfície do metal ou liga, a qual dificulta o processo de oxidação. Os casos mais conhecidos de passivação são provavelmente do alumínio e do aço inoxidável.

Figura 14.54 - Esquema dos tipos de corrosão. A corrosão pode ser classificadas em vários tipos, de acordo com a maneira com que ela ocorre. A figura abaixo mostra os esquemas dos tipos de corrosão. Um mesmo tipo de material pode sofrer diferentes tipos de corrosão, conforme o meio e as condições em que ele está exposto. Os materiais cerâmicos são muito estáveis quimicamente. São praticamente inertes na maioria dos meios orgânicos e inorgânicos, em água, assim como em ácidos e bases fracos. Os vidros são muitos resistentes aos ácidos. Apesar disto eles são susceptíveis aos ácidos fluorídricos e por algumas bases. Os refratários utilizados em fornos também sofrem o ataque químico causado por gases oriundos da fusão de metal. 14.12.2 - RESISTÊNCIA À DEGRADAÇÃO

Alguns materiais são bastante estáveis em meios líquidos como água, ácidos, bases ou atmosferas agressivas em relação aos metais, por exemplo, plásticos do tipo polietileno absorvem água, polistireno são solúveis em benzeno, tolueno. Em geral, os termofixos são mais resistentes ao ataque de solventes orgânicos que os termoplásticos. Nem sempre a degradação se da por completo, podendo, no entanto ser parcial com difusão de líquido ou soluto entre suas moléculas, diminuindo inclusive sua resistência mecânica.

Outra forma de degradação é causada pela difusão de oxigênio entre as

cadeias das macromoléculas, promovendo ligações cruzadas. Esta reação, denominada envelhecimento, é acelerada pela radiação ultravioleta ou pela luz solar intensa (muito comum no polietileno e borrachas). A oxidação dos pneus pode ser suprimida pela adição de pequenas quantidades de carvão ou de substâncias antioxidantes, como aminas aromáticas e derivados de fenóis.

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15 – NOÇÕES DE RECICLAGEM DE MATERIAIS

Figura 15.1 – Símbolo da reciclagem. 15.1 - INTRODUÇÃO Quando é abordado o assunto de reciclagem, é importante diferenciar duas normas mundiais que tratam do assunto de reciclagem de uma forma direta ou indiretamente. Estas duas normas são: - ISO 9000 - GARANTIA E GESTÃO DA QUALIDADE – que estabelece

requisitos para sistemas de qualidade que favorece interação com o mercado internacional, na qual tem preocupação com o meio ambiente e procura redigir vínculos de legislação ambiental para satisfação da comunidade e melhoria da imagem da empresa.

- ISO 14000 - GESTÃO AMBIENTAL – que estabelece ações de correção ou

minimização de efeitos ambientais dos processos produtivos, redução de custos via melhoria contínua [consumo de água, energia, reciclagem de resíduos] onde se preocupa com a demanda, produção e preço de um produto com o consumo de energia.

Outro aspecto que é importante ressaltar é o entendimento entre reciclagem e reaproveitamento. Dois termos que geralmente vem sendo confundido. A reciclagem é um reaproveitamento de uma matéria prima ou produto industrializado ou final, entretanto, o reaproveitamento não significa

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reciclagem, isto é, na reciclagem, a matéria prima ou produto final é novamente reprocessado, enquanto que o reaproveitamento não significa o reprocessamento. Exemplo. Um retalho de tecido de algodão, ao ser usado na fabricação de uma colcha por meio de costura, é reaproveitado. Caso fosse feito a reciclagem, o tecido deveria ser transformado novamente em fios para posteriormente fazer a fabricação da colcha. Isto significa que a reciclagem pode consumir muita energia. Em determinados casos, como as latas de alumínio, a reciclagem traz economia de energia, porque para fabricar a lata de alumínio novamente, basta fundir a lata usada que envolve menos energia do que a transformação do minério (alumina) em alumínio. O quadro abaixo mostra a energia necessária para produção de alguns materiais. Energia necessária para a produção de alguns materiais (PADILHA, 1997.). Material Energia (GJ/tonelada) Aço bruto 10-47 Ferro fundido 58-360 Alumínio 83-330 Bronze 97 Cobre 72-118 Chumbo 28-54 Cimento 4-8 Concreto reforçado 8-14 Cerâmica tradicional (tijolos) 3-6 Vidro plano 14-20 Fibra de vidro 43-64 Polipropileno 108-113 Poliestireno 96-140 Polietileno 80-120 PVC 67-92 Papel 59 Preço de alguns materiais de engenharia. (PADILHA, 1997.). Material Preço (US$/tonelada) Diamante industrial de alta qualidade 500.000.000 Platina 16.500.000 Ouro 14.500.000 Tungstênio 9.500 Titânio 8.300 Latão (60%Cu - 40%Zn) 3.750 Alumínio 2.400 Aço inoxidável 2.700 Aço doce 350 Carboneto de silício (cerâmica avançada) 27.500 Carboneto de silicio (abrasivos) 1.400 Carboneto de silício (refratários) 750 Vidro 750 Borracha sintética 1.400 Borracha natural 870

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Polietileno 1.100 PVC 1.000 Fibra de vidro 1.500 Fibra de carbono 45.000 Resina epoxídica 6.000 Madeira compensada dura 1.650 Madeira dura estrutural 530 Madeira mole estrutural 350 Vigas de concreto reforçado 330 Cimento 70 Sillício monocristalino (Wafers) 10.000.000 Silício metalúrgico 1.300 Os materiais poliméricos têm tido muita preocupação quanto a reciclagem e reaproveitamento em virtude da grande utilização após 1.950 e devido ao custo e poluição que os mesmos envolvem. Os termoplásticos podem ser repetidamente conformados mecanicamente desde que reaquecidos, portanto, são recicláveis. É o caso do polietileno (PE), policloreto de vinila (PVC), polipropileno (PP), poliestireno (PS). Os termoestáveis. São conformáveis plasticamente apenas em um estágio intermediário de sua fabricação. Não são recicláveis, mas podem ser reaproveitados. É o caso do baquelite, resinas epo-xídicas, poliésteres, poliuretanos. Desta forma, os materiais plásticos e elastômeros pode ser reaproveitado de três maneiras: 1. Reaproveitamento energético - queimado liberando muita energia térmica; 2. Reciclagem –"reprocessados" por aquecimento e a matéria prima pode então

ser utilizada novamente na indústria petroquímica; 3. Reaproveitamento mecânico - no Brasil, é a mais utilizada; o material é

picado e utilizado novamente como material aditivo em determinados produtos.

Para facilitar a separação dos materiais plásticos para a reciclagem e reaproveitamento, os mesmos são identificados pelas siglas para diferenciar cada tipo. Alguns exemplos dos tipos mais utilizados: PEAD - (polietileno de alta densidade) - frascos de shampoo e maquiagem, baldes, utensílios domésticos. PEBD - (polietileno de baixa densidade) - plástico "filme" - sacos plásticos de lixo, brinquedos. São finos e bastante flexíveis. PS – (poliestireno) - copos plásticos; sacos de batata. PET - (polietileno tereftalado) - garrafas de refrigerante, sucos e óleo de cozinha, Essas embalagens são transparentes e fabricadas em diversas cores. PVC - (policloreto de vinila) - tubos e conexões de encanamento; alguns frascos de detergente, pastas para material escolar, calçados. É mais rígido, porém resistente. PP - (poliproprileno) - plásticos "filme" de proteção de alimentos, peças de automóveis. OUTROS – Utilizados em eletrodomésticos, aparelhos telefônicos, revestimentos diversos, pisos, etc... Além de diminuir os impactos de poluição e diminuição de custos em muitos casos, a reciclagem cria novos empregos em centros de reciclagem.

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16 - EXERCÍCIOS PROPOSTOS

1. Explique o comportamento de materiais dúteis e frágeis utilizando diagrama σ x ε.

2. Mostre esquematicamente os estágios na formação taça-cone e explique resumidamente.

3. Por que se deve garantir o paralelismo entre as placas da máquina de ensaio e limitar o comprimento dos corpos de prova nos ensaios de compressão?

4. O que é tenacidade? 5. Por quê se faz ensaios de materiais? 6. Cite 4 tipos de ensaios destrutivos! 7. O que é Módulo de Elasticidade Longitudinal? 8. O Que é limite de escoamento? 9. O que é deformação plástica? 10. Como se mede a tenacidade em um diagrama σ x ε? 11. O que é flambagem? 12. Um aço de médio carbono que apresenta o Módulo de Elasticidade

Longitudinal de 21.000 Kgf/mm2 e Tensão de escoamento de 31,5 Kgf/mm2, qual é a máxima deformação que o material pode apresentar obedecendo o regime elástico?

Resposta: ε = 0,15% 13. Qual é a tensão limite de resistência à compressão de um material que tem

400 mm2 de área da seção transversal e se rompeu com uma carga de 760 KN?

Resposta: σ = 1.900 MPa 14. Uma barra de alumínio de possui uma secção transversal quadrada com

60 mm de lado, o seu comprimento é de 0,8m. A carga axial aplicada na barra é de 30 kN. Determine o seu alongamento. Eal = 0,7x105 Mpa.

Resposta: ∆ = 0,095mm 15. Para que se faz ensaio de flexão? 16. Que propriedades pode ser avaliadas no ensaio de flexão? 17. Um corpo de prova de 30 mm de diâmetro e 600 mm de comprimento foi

submetido a um ensaio de flexão a três pontos, apresentando uma flexa de 2 mm sob uma carga de 360 N. Determine:

a) A tensão de flexão; b) O módulo de elasticidade longitudinal. Resposta: σF = 20,38Mpa e E = 20.382,16MPa 18. Na realização de um ensaio de dureza, utilizou-se o ensaio Brinell. A esfera

utilizada foi de 2,5 mm de diâmetro e a carga de 62,5 Kgf. O diâmetro da impressão medida no microscópio foi de 1,3 mm. Qual é a dureza da amostra?

Resposta: HB = 43,7 kgf/mm2 ou 43,7HB

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19. Cite uma das definições de dureza (preferência do ponto de vista da metalurgia).

20. Quais as vantagens do ensaio de dureza Rockwell sobre o ensaio de dureza Brinell?

21. Na realização de um ensaio de dureza, utilizou-se o ensaio Brinell. A esfera utilizada foi de 2,5 mm de diâmetro e a carga de 187,5 Kgf. O diâmetro da impressão medida no microscópio foi de 0,997 mm. Qual é a dureza da amostra?

Resposta: 230HB

22. Uma empresa comprou um lote de chapas de alumínio de 6 mm, cuja

especificação de dureza foi de 85 HB. Qual é a carga necessária para o

ensaio se utilizar um penetrador de 10 mm de diâmetro? É possível fazer

ensaio de dureza Brinell com diâmetro do penetrador de 10 mm?

Dados: a) Espessura mínima deve ser igual a 17 vezes a profundidade da calota. Resposta: F = 1.000kgf. Espessura mínima é de 6,37 mm, portanto, não é possível fazer o ensaio de dureza Brinell com penetrador de 10 mm de diâmetro. 23. Interprete a seguinte representação de dureza Brinell: 120HB 5/250/15

24. Uma empresa comprou um lote de chapas de aço carbono com a seguinte

especificação:

a) Espessura da chapa: 4 mm; b) Dureza Brinell: 180 HB c) Verificar se estas chapas podem ser submetidas ao ensaio de dureza Brinell utilizando diâmetro do penetrador de 5 mm, ou seja, qual é a espessura mínima das chapas de aço para um penetrador de 5 mm. Resposta: F = 750kgf. Espessura mínima é de 4,51 mm, portanto, não é possível fazer o ensaio de dureza Brinell com penetrador de 5 mm de diâmetro. 25. Uma empresa comprou um lote de chapas de aço carbono com as

seguintes especificações:

a) Espessura: 4,5 mm b) Dureza Brinell: 100 HB c) Essas chapas devem ser submetidas a ensaio de dureza brinell e a empresa dispõe de um penetrador de 2,5 mm de diâmetro. Qual é a espessura mínima da chapa para a utilização de um penetrador com 2,5 mm de diâmetro? Resposta: F = 187,5kgf. Espessura mínima é de 4,0 mm, portanto, é possível fazer o ensaio de dureza Brinell com penetrador de 2,5 mm de diâmetro.

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17 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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2. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. Determinação da resistência à tração por compressão diametral de corpos de prova cilíndricos. NBR-7222, 1983.

3. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. Resistência à tração simples de argamassas e concreto por compressão diametral de corpos de prova cilíndricos. MB-212. 1958.

4. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. Metalografia, tratamentos térmicos e termoquímicos das ligas ferrocarbono - terminologia. NBR - 8653. 1998.

5. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. Determinação das propriedades mecânicas à tração de materiais metálicos. NBR-6152, 1960.

6. BATISTA, V. J. Caracterização da tenacidade de materiais cerâmicos de pequenas dimensões. Porto Alegre, UFRGS: PPGEMM, 1993. Dissertação (Mestrado em Engenharia).

7. BLASS, A. Processamento de polímeros. Florianópolis: Editora da UFSC, 1988, 313p.

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10. CHIAVERINI, V. Aços e ferros fundidos. São Paulo: ABM, 1988, 6a ed, 576p.

11. CHIAVERINI, V. Tecnologia mecânica: estrutura e propriedades das ligas metálicas. São Paulo: Makron Books do Brasil Editora Ltda. 2a. ed., v. 1, 2, 3, 1994.

12. COLPAERT, H. Metalografia dos produtos siderúrgicos comuns. São Paulo: Ed. Edgard Blücher Ltda, 1974.

13. da Fonseca, M, R. Química integral. São Paulo: Ed. FTD S.A., 1993. 14. DE SEABRA, A. V. Metalurgia geral. Lisboa: Gráfica Laboratório Nacional

de Engenharia Civil, v1. 503p, 1981. 15. DIETER, G. E. Metalurgia mecânica. R. J: Ed. Guanabara dois. 2a edição,

1981. 16. FAZANO, C. A. T. Z. A prática metalográfica. São Paulo: Editora Hemus

Ltda. 1a edição, 1980. 17. FREIRE, J. M. Introdução às máquinas-ferramentas. Rio de Janeiro: Ed.

Interciência Ltda. 2a. ed. v2. 1989.

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19. GULIAÉV, A. P. Metalografia. Moscou: Editora Mir, v.1, 1978,368p. 20. LOSEKANN, C. R. Crescimento de monocristais de cobre pela técnica

Czochralski e projeto de câmara Czochralski para crescimento de compostos semicondutor III-V. Porto Alegre, UFRGS: PPGEMM, 1992. 139p. Dissertação (Mestrado em Engenharia).

21. LOSEKANN, C. R. Preparação de nanopartículas semicondutoras PbS e estudo das propriedades óticas não-lineares. Florianópolis, UFSC: CPGEM, 1999. 177p. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica).

22. MCLELLAN, G.; SHAND, E. Glass engineering handbook. NY: McGraw-Hill Book Company, 3a ed., 1984.

23. NOVIKOV, I. Teoria dos tratamentos térmicos dos metais. Rio de Janeiro. Ed. UFRJ, 1994.

24. OHNO, A. Solidificação dos metais. São Paulo: Livraria Ciência e Tecnologia Ltda, 1988, 185p.

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26. PEREIRA, Rubens Lima. Tratamentos térmicos dos metais. São Carlos, Escola de engenharia, 1960.

27. REED-HILl, R. E. Princípios de metalurgia-física. Rio de Janeiro: Editora Guanabara Dois S.A., 1982, 776p.

28. RENAU, R. G. Pastas y vidriados: en la fabricación de pavimentos y revestimientos cerámicos. Castellón: Faenza Editrice Ibérica S.L., 1994.

29. ROTHERY, W. H. Estrutura das ligas de ferro. São Paulo: Editora Edgard Blücher Ltda, 1968.

30. RÜHLE, M.; Evans, A. G. High toughness ceramics and ceramic composites. Progress in Materials Science. Oxford.

31. SANTOS, Pérsio de Souza. Ciência e tecnologia de argilas. São Paulo. Ed. Edgard Blücher Ltda. 2a ed. 1992.

32. SOUZA, S. A. Ensaios mecânicos de materiais metálicos. São Paulo: Ed. Edgard Blücher Ltda. 5a edição, 1982.

33. STEMMER, C. E. Ferramentas de corte I. Florianópolis: Ed. da UFSC, 2001.

34. THÜMMLER, F.; OBERACKER, R. Introduction to powder metallurgy. The Institute of Materials, London, 1993.

35. TELECURSO 2000 profissionalizante. Mecânica: materiais. Ed. Globo S.A. São Paulo, 1995.

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38. www.abceram.org.br/asp/abc_53c.htm 39. http://www.centraldaceramica.com.br/Central/web/informa/dicas/considerac

oes_gerais.htm 40. http://www.deq.eng.ufba.br/polimeros/ensaios.html 41. http://bibvirt.futuro.usp.br/acervo/matdidat/tc2000/tecnico/ensaios/ensaios.h

tml 42. http://www.ndsm.ufrgs.br

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ANEXOS

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Reagentes químicos para metalografia

MATERIAL REVELAÇÃO REAGENTES COMPOSIÇÃO OBSERVAÇÃO TEMPO DE ATAQUE

Aços ao carbono

Aços ao carbono Nital 1-5 ml HNO3 concentrado 100 ml de álcool etílico ou álcool metílico ou amílico

A porcentagem de ácido nítrico varia em função da seletividade do ataque. Ataque por imersão a frio

De alguns segundos até 1 minuto dependendo do teor de carbono do aço

Aços ligados Para todos os tipos de aços: -normalizados; -recozidos; -temperado; -temperado e revenido; -esferodizado; -austemperado

Picral 4 g de ácido pícrico 100 ml de álcool etílico ou álcool metílico

O taque não revela o contorno dos grãos de ferrita. Pode-se utilizar também concentrações mais diluídas. Ataque por imersão a frio.

De alguns segundos até 1 minuto dependendo do tratamento térmico recebido pelo aço.

Aços grafitizados

Estruturas austeníticas sem a presença das linhas de deformação

Ácido nítrico e fluorídrico

5 ml de HNO3 1 ml de HF 48% 44 ml de água destilada

Ataque por imersão com a solução fria

De 5 a 10 segundos

Ferros fundidos

Camadas nitretadas de ácidos inoxidáveis

Marble 4 g de CuSO4 20 ml de HCI 20 ml de água destilada

Ataque por imersão a frio

10 segundos

Estrutura do

alumínio e suas ligas

Ácido fluorídrico

0,5 ml de HF concentrado 99,5 ml de H2O destilada

Atacar por umedecimento com auxílio de algodão embebido no reagente

15 segundos

Indicado na revelação de FeAl3

Ácido sulfúrico 10 ml de H2SO4 concentrado 90 ml de H2O destilada

Atacar por imersão em solução aquecida entre 60 e 70°C

De 5 até 10 segundos

Alumínio e suas ligas

Faseα do FeAl3 Ácido nítrico 25 ml de HNO3 concentrado 75 ml de água destilada

Atacar por imersão em solução aquecida a 70°C

40 segundos

Estrutura do duralumínio e alclad

Keller 10 ml de HF concentrado 15 ml de HCI concentrado 25 ml de HNO3 concentrado 50 ml de água destilada

Atacar por imersão a frio. Remover o ataque por lavagem com água morna corrente

De 10 a 20 segundos

Estrutura do alumínio e suas ligas

Vilella 1 parte de HNO3 concentrado 2 partes de HF concentrado 3 partes de glicerina

Atacar a frio por imersão

10 segundos

Magnésio e Contorno dos Ácido cítrico 5 g de ácido Atacar por De 5 a 10

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suas ligas grãos do magnésio

cítrico 95 ml de água destilada

umedecimento e enxaguar em água morna

segundos

Chumbo e suas ligas

Estrutura das ligas anti-fricção

Ácido oxálico 2% de solução aquosa

Atacar por umedecimento

De 2 a 5 segundos

Remove a camada deformada da estrutura do chumbo polido

Molibdato de amônio

100 g de ácido molibdênico 140 g de NH4OH (d=0,9) 240 ml de água destilada Filtrar e adicionar: 60 ml de HNO3

Atacar por umedecimento seguido de lavagem em água corrente

Ataques sucessivos de 3 segundos

Estrutura do

cobre, ligas de cobre, particularmente as ligas com manganês, níquel e bronze

Cromato de potássio

2 g de K2CR2O7 8 ml de H2SO4 4 ml de NaCl saturado 100 ml de água destilada

O NaCl pode ser substituído por uma gota de HCl para cada 25 ml de solução

Ataques de 5 segundos com polimentos alternados

Estrutura de bronze, bronze- alumínio, cobre e latão. Escurece a fase beta do latão

Cloreto férrico 5 partes de FeCl3 50 partes de HCl 100 partes de água destilada

Atacar por imersão ou umedecimento

De 10 a 40 segundos

Cobre Indicado na revelação da estrutura do cobre e suas ligas

Hidróxido de amônio

Solução diluída em água

Ataque por imersão a frio

De alguns até 20 segundos

Estrutura do cobre, bronzes e latões

Persulfato de amônio

10 g de (NH4) S2O8 90 ml de água destilada

Ataque a frio por umedecimento ou a quente por imersão em solução fervente

A frio: de 10 a 20 segundos A quente: 40 segundos

Estrutura do cobre, latões e bronzes

Ácido crômico CrO3 saturado em solução aquosa

Atacar por imersão a frio ou umedecimento

1 minuto

Estrutura das

ligas de estanho com cádmio

Nital 2 a 5 ml de HNO3 concentrado 95 a 98 ml de álcool etílico

Atacar por imersão a frio

De 15 segundos a alguns minutos

Estanho e suas ligas

Estrutura de ligas de estanho

Cromato de potássio

Solução diluída em dicromato de potássio levemente acidificada

Atacar por imersão a frio

De 20 a 30 segundos

Indicado para deposições de estanho no aço

Persulfato de amônio

5 ml de (NH4) S2O8 95 ml de H2O destilada

Atacar por imersão a frio

30 segundos

Prata e suas ligas

Indicado para as ligas de prata

Ácidos crômico e sulfúrico

0,2% de H2CrO4 e 0,2% de H2SO4

Atacar por imersão a frio

1 minuto

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em sol.aquosa Indicado para

estruturas de prata

Hidróxido de amônio

5 partes de NH4OH 1 a 3 partes de H2O2

Atacar por imersão a frio

De 2 a 3 minutos

Estrutura de

ligas de níquel e zinco

Cianeto de potássio

5 g de KCN 95 ml de H2O destilada 3 gotas de H2O2

Atacar por imersão a frio

De 20 até 30 segundos

Níquel e suas ligas

Indicado para estruturas de inconel

Ácidos sulfúrico e clorídrico

5 ml de H2SO4 25 ml de HCI 30 ml de água destilada

Atacar por imersão a frio

De 2 a 5 minutos

Para as estruturas de níquel com elevado teor de zinco

Hidróxido de amônio

85 ml de NH4OH 15 ml de H2O2

Atacar por imersão a frio

De 30 segundos até 2 minutos

Ouro Estrutura de

ouro e platina Água régia 5 ml de HNO3

15 ml de HCI Atacar por imersão a quente

De 1 até 3 minutos

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1 2 3 4

5

6

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8

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13 14

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16

17

18s 2 He

1 1 H Hélio

Hidrogênio 4,003

1,008 p

2 3 Li 4 Be 5 B 2 6 C 7 N 8 O 9 F 10 Ne Lítio Berílio Boro Carbono Nitrogênio Oxigênio Flúor Neônio

6,941 9,012 d 10,811 12,011 14,007 15,999 18,998 201,8

3 11 Na 12 Mg 3 21 Sc 22 Ti 23 V 24 Cr 25 Mn 26 Fe 27 Co 28 Ni 29 Cu 30 Zn 3 13 Al 14 Si 15 P 16 S 17 Cl 18 Ar Sódio Magnésio Escândio Titânio Vanádio Cromo Manganês Ferro Cobalto Niquel Cobre Zinco Alumínio Silício Fósforo Enxofre Cloro Argônio

22,99 24,305 44,956 47,88 50,996 51,996 54,938 55,847 58,933 58,693 63,546 65,39 26,982 28,086 30,974 32,066 35,453 39,943

4 19 K 20 Ca 4 39 Y 40 Zr 41 Nb 42 Mo 43 Tc 44 Ru 45 Rh 46 Pd 47 Ag 48 Cd 4 31 Ga 32 Ge 33 As 34 Se 35 Br 36 Kr Potássio Cálcio Ítrio Zircônio Nióbio Molibdênio Tecnésio Rutênio Ródio Paládio Prata Cádmio Gálio Germânio Arsênio Selênio Bromo Criptônio

39,098 40,078 88,906 91,224 92,906 95,94 (97,91) 101,07 102,906 106,42 107,869 112,411 69,72 72,61 74,92 78,96 79,9 83,8

5 37 Rb 38 Sr 5 71 Lu 72 Hf 73 Ta 74 W 75 Re 76 Os 77 Ir 78 Pt 79 Au 80 Hg 5 49 In 50 Sn 51 Sb 52 Te 53 I 54 Xe Rubídio Estrôncio Lutécio Háfnio Tântalo Tungstênio Rênio Ósmio Irídio Platina Ouro Mercúrio Índio Estanho Antimônio Telúrio Iodo Xenônio

85,468 87,62 174,967 178,49 180,958 183,84 186,207 190,23 192,22 195,08 196,967 200,59 114,82 118,71 121,76 127,76 125,9 131,29

6 55 Cs 56 Ba 6 103 Lr 104 Db 105 Jl 106 Rf 107 Bh 108 Hn 109 Mt 6 81Tl 82 Pb 83 Bi 84 Po 85 At 86 Rn Césio Bário Laurêncio Dúbnio Joliótio Ruterfórdio Bóhrio Hânio Meitnérnio Tálio Chumbo Bismuto Polônio Astato Radônio

132,905 137,33 (262,11) (262,11) (262,11) (263,12) (262,12) (265,13) (266,14) 204,38 237,2 208,98 (208,98) (209,99) (222,02)

7 87 Fr 88 Ra Frâncio Rádio

(223,02) (226,03)

f

4 57 La 58 Ce 59 Pr 60 Nd 61 Pm 62 Sm 63 Eu 64 Gd 65 Tb 66 Dy 67 Ho 68 Er 69 Tm 70 Yb Lantônio Cério Praseodímio Neodímio Promécio Samário Európio Gadolínio Térbio Disprósio Hólmio Érbio Túlio Itérbio 138,906 140,115 140,908 144,24 (144,91) 150,36 151,965 157,25 158,925 162,5 164,93 167,26 168,934 173,04

5 89 Ac 90 Th 91 Pa 92 U 93 Np 94 Pu 95 Am 96 Cm 97 Bk 98 Cf 99 Es 100 Fm 101 Md 102 No Actínio Tório Practínio Urânio Neptúnio Plutônio Amerício Cúrio Berquélio Califórnio Einstênio Férmio Mendelévio Nobélio 227,028 232,038 231,036 238,029 (237,05) (244,06) (243,06) (247,07) (247,07) (251,08) (252,08) (257,10) (258,10) (259,10)

Tabela Periódica dos Elementos