Tecnologia Dos Materiais - Formando

Formação Modular

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INSTITUTO DO EMPREG OE FORM AÇÃO PROFISSIO NAL

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Copyright, 1998Todos os direitos reservados

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Nenhuma parte desta publicação pode ser reproduzida ou transmitida por qualquer forma ou processosem o consentimento prévio, por escrito, do IEFP

Produção apoiada pelo Programa Operacional Formação Profissional e Emprego, co-financiado peloEstado Português, e pela União Europeia, através do FSE

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Coordenação Técnico-Pedagógica

Apoio Técnico-Pedagógico

Coordenação do Projecto

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MODULFORM - Formação Modular

Tecnologia dos Materiais

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IEFP - Instituto do Emprego e Formação ProfissionalDepartamento de Formação ProfissionalDirecção de Serviços de Recursos Formativos

CENFIM - Centro de Formação Profissional da IndústriaMetalúrgica e Metalomecânica

ISQ - Instituto de Soldadura e QualidadeDirecção de Formação

Paulo Peças

SAF - Sistemas Avançados de Formação, SA

ISQ / Cláudia Monteiro

OMNIBUS, LDA

SAF - Sistemas Avançados de Formação

Instituto do Emprego e Formação ProfissionalAv. José Malhoa, 11 1000 Lisboa

Portugal, Lisboa, Janeiro de 1998

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972-732-446-0

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TTTTTecnoloecnoloecnoloecnoloecnologia dos Magia dos Magia dos Magia dos Magia dos Materiaisteriaisteriaisteriaisteriais

Recurso a diapositivosou transparências

Recurso a software

Recurso a videograma

Actividades / Avaliação

Destaque

Índice

Objectivos

Resumo

Bibliografia

Caso de estudoou exemplo

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Índice GeralIEFP IEFP IEFP IEFP IEFP · ISQ ISQ ISQ ISQ ISQ

TTTTTecnoloecnoloecnoloecnoloecnologia dos Magia dos Magia dos Magia dos Magia dos Materiaisteriaisteriaisteriaisteriais IG . 1IG . 1IG . 1IG . 1IG . 1

ÍNDICE GERAL

I - INTRODUÇÃO AOS MATERIAIS

• Metais I.3

• Cerâmicos I.4

• Polímeros I.5

• Semi-condutores I.6

• Materiais compósitos I.7

• Relacionamento entre estrutura e propriedades I.8

• Propriedades I.8

• Estrutura I.10

• Processamento I.11

• Resumo I.12

• Actividades / Avaliação I.13

II - ESTRUTURA DOS MATERIAIS: FASES E COMPOSIÇÃO

• Diagrama de fases II.2

• Solubilidade e soluções II.3

• Diagramas binários II.5

• Diagramas eutécticos II.8

• Reacções peritécticas II.11

• Fases em polímeros orgânicos II.13

• Fases não cristalinas II.14

• A fase vítrea II.15

• Vidros óxidos II.16

• Polímeros vítreos II.18

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• Ligas ferro-carbono: Aços e ferros fundidos II.18

• Cerâmicos II.21

• Reacção monotéctica e decomposição espinodal II.22

• Sistemas multicompostos II.23

• Materiais compósitos II.24

• Compósitos de fibras II.24

• Compósitos laminados II.25

• Compósitos de partículas II.26

• Resumo II.27

• Actividades / Avaliação II.28

III - TRANSFORMAÇÕES DE FASE

• Transformações de fase III.2

• Transformações isotérmicas e polifórmicas III.2

• Transformações isotérmicas III.2

• Transformações polifórmicas III.5

• Mecanismos de endurecimento III.6

• Têmpera e revenido nos aços III.6

• Endurecimento por precipitação III.7

• Endurecimento por dispersão III.7

• Outros mecanismos de reforço III.7

• Tratamentos térmicos III.9

• Recozimento III.10

• Normalização III.13

• Patentagem III.14

• Resumo III.15

• Actividades / Avaliação III.16

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IV - PROPRIEDADES MECÂNICAS

• Tensão e deformação IV.2

• Deformação elástica IV.4

• Deformação plástica IV.6

• Deformação viscosa viscoelástica IV.6

• Carácter de escoamento plástico IV.7

• Ensaios Mecânicos IV.10

• Ensaios de dureza IV.10

• Ensaios de fadiga IV.13

• Ensaio de flexão transversal IV.13

• Desgaste, desbaste e maquinagem IV.14

• Resumo IV.17

• Actividades / Avaliação IV.18

V - COMPORTAMENTO ELÉCTRICO, MAGNÉTICO E ÓPTICODOS MATERIAIS

• Propriedades eléctricas e térmicas V.2

• Condutividade eléctrica V.3

• Supercondutividade V.5

• Propriedades térmicas V.5

• Propriedades magnéticas V.8

• Diamagnetismo e paramagnetismo V.8

• Ferromagnetismo V.9

• Propriedades ópticas V.9

• Materiais ópticos V.10

• Resumo V.12

• Actividades / Avaliação V.13

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VI - DETERIORAÇÃO DOS MATERIAIS

• Corrosão de metais e ligas VI.2

• Base electroquímica da corrosão VI.2

• Processos de corrosão VI.5

• Oito tipos de corrosão VI.8

• Os metais resistentes VI.9

• Deterioração de cerâmicos VI.10

• Reacção dos componentes VI.11

• Deterioração de polímeros VI.12

• Resumo VI.16

• Actividades / Avaliação VI.17

VII - MATERIAIS PARA A INDÚSTRIA

• Ligas ferrosas VII.3

• Designações VII.3

• Aços carbono VII.4

• Aços ligados VII.8

• Aços inoxidáveis VII.9

• Aços ferramenta VII.11

• Ferros fundidos VII.13

• Ligas não ferrosas VII.16

• Cobre e suas ligas VII.16

• Alumínio e suas ligas VII.17

• Materiais cerâmicos VII.19

• Propriedades dos materiais cerâmicos VII.22

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• Aplicações dos materiais cerâmicos avançados VII.26

• Electrónica VII.28

• Desgaste e corrosão VII.28

• Aplicações térmicas VII.29

• Combustíveis nucleares VII.30

• Vidros cerâmicos VII.30

• Maquinagem VII.31

• Motores e turbinas VII.31

• Resumo VII.33

• Actividades / Avaliação VII.34

BIBLIOGRAFIA B.1

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1IEFP IEFP IEFP IEFP IEFP · ISQ ISQ ISQ ISQ ISQ


Introdução aos Materiais

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3Introdução aos MateriaisIEFP IEFP IEFP IEFP IEFP · ISQ ISQ ISQ ISQ ISQ

TTTTTecnoloecnoloecnoloecnoloecnologia dos Magia dos Magia dos Magia dos Magia dos Materiaisteriaisteriaisteriaisteriais I . 1I . 1I . 1I . 1I . 1

OBJECTIVOS

No final desta unidade temática, o formando deverá ser capaz de:

• Explicar os objectivos e identificar os vários tipos de materiais disponíveisno mercado;

• Classificar de modo grosseiro as características de cada tipo de material;

• Distinguir os vários tipos de estrutura;

• Relacionar as propriedades com a estrutura.

TEMAS

• Metais

• Cerâmicos

• Polímeros

• Semi-condutores

• Materiais compósitos

• Relacionamento entre estrutura e propriedades

• Propriedades

• Estrutura

• Processamento

• Resumo

• Actividades / Avaliação

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Componente Científico-Tecnológica

Introdução aos MateriaisIEFP IEFP IEFP IEFP IEFP · ISQ ISQ ISQ ISQ ISQ


Actualmente, qualquer ramo de engenharia está, no seu dia-a-dia, envolvidocom materiais. A engenharia fabrica e processa materiais, projecta e constróicomponentes ou estruturas utilizando materiais, selecciona materiais, analisafalhas e defeitos nos materiais ou, simplesmente, confia que os materiais queutiliza tenham o desempenho esperado.

Para ter uma ideia da grande importância do estudo dos materiais basta tomaratenção ao ambiente que o rodeia. Que materiais encontra à sua volta? Betão,madeira, papel, aço, plástico? Veja como o seu “ambiente material” combinacom os dados da fig.I.1, que mostra como os materiais baratos tendem a serusados em grandes quantidades para a fabricação das coisas que nos rodeiam.Nesse aspecto económico, baseiam-se todas as utilizações dos materiais. 0painel de comandos de um automóvel, anteriormente feito de metal ou madeira,é no modelo actual, provavelmente, um plástico (barato). 0 especialista emmateriais deve levar em conta os muitos factores que determinam o custo finalde um dado componente ou artigo. Esse senso económico é uma parteindispensável da perícia que se desenvolve através de longa experiência e estudodetalhado de um campo particular da ciência dos materiais.

A maioria dos materiais é suficientemente complexa, de modo que nósaprendemos a usá-los mais por arte do que por ciência. 0 betão, um dosmateriais mais comuns nos nossos dias, tem uma composição químicalargamente variável e a sua estrutura é um composto de muitos constituintes.Felizmente, para aplicações típicas como as fundações de uma casa, oconstrutor precisa meramente de especificar uma mistura padrão como “receita”para ter a resistência à compressão exigida. Se as exigências de engenhariaforem maiores, como nas pontes de betão, o especialista em materiais precisaráde fazer uso de extensa literatura e códigos sobre tópicos, tais como reforçocom aço - “betão armado”. Para entender essa literatura ele necessitará deinformação básica sobre vários tópicos: a natureza dos constituintes do betão,o carácter de ligação entre eles, as propriedades das barras de aço e a prevençãoao ataque corrosivo no aço. Pelo facto duma base semelhante ser necessáriatambém para o uso efectivo de outros materiais, um dos maiores objectivosdeste guia é criar uma base ampla para o entendimento do comportamento dosmateriais.

Em contraste com o tradicional, muitos materiais contemporâneos são oresultado directo da pesquisa científica e do desenvolvimento tecnológico. Asíntese de moléculas orgânicas para formar plásticos resistentes é um exemplo.Os magnetos cerâmicos, cujas aplicações incluem o motor de uma máquinade barbear eléctrica, são um exemplo de um material cerâmico moderno“projectada com precisão molecular” - bem diferente da argila tradicional de umvaso ou de um prato. 0 semicondutor de silício de uma telefonia transistorizadaé um excelente exemplo de um material integrado com o funcionamento de umproduto.

Em geral, os materiais são classificados em três grandes grupos: cerâmicos ,metálicos e polímeros . No entanto, com o desenvolvimento da ciência etecnologia dos materiais surgiram mais dois grandes grupos de materiais cujascaracterísticas são tão díspares dos três grupos convencionais, que merecemum tratamento específico. São os materiais compósitos e os semi-condutores .

INTRODUÇÃO

Materiais

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Metais

METAIS

Fig. I.1a), b) - Dados típicos sobre a produção de vários materiais. Os materiais baratostendem a ser utilizados em grandes quantidades.

Os metais e ligas têm como características gerais comuns boa conductividadeeléctrica e térmica, resistência, tenacidade, ductilidade e enformabilidadeelevadas e boa resistência ao choque. Este grupo de materiais inclui, entreoutros, o aço, o alumínio, o magnésio, o zinco, o ferro fundido, o cobre, o titânioe o níquel. As características específicas destes materiais originam que sejamutilizados em estruturas e noutras aplicações onde exista a necessidade desuportar cargas permanentes elevadas. Os metais na sua forma pura são apenasusados ocasionalmente, utilizando-se frequentemente ligas que sãocombinações de metais, as quais possuem em geral uma panóplia depropriedades mais equilibrada. Na fig.I.2 está presente um exemplo em que seutilizam várias ligas de metais para diversas aplicações críticas.

Titânio

Produção anual (toneladas)

Custo (dólares por tonelada)

1

10

10

Cerâmico

Metálico

Polímero

Nylon

Alumínio

Vidro

Polietileno

Aço

Madeira (compósito natural)

TijolosBetão

103

2

103

104

105

107

109

1011

a)

b)

Classe dematerial

Componentes típicos Propriedades características gerais

Cerâmico Óxidos Duro, frági l, mau condutor térmico e eléctrico

Metálico Átomos metálicos Duro, dúctil, bom condutor térmico e eléctrico

PolímeroLongas cadeias de

componentes orgânicosVariável, geralmente elástico e dúctil

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Fig. I.2 - Motor de um avião. As secções de compressão da parte da frente operama baixas e médias temperaturas, sendo utilizadas ligas à base de titânio. A parte traseira,

onde se dá a combustão, opera a alta temperatura, sendo utilizadas superligas à basede níquel. A carcaça do motor (não apresentada na imagem) atinge baixas temperaturas,

utilizando-se neste caso alumínio e materiais compósitos pois pretende-se reduzir aomáximo o peso do motor.

Os materiais cerâmicos (fig. I.3), tais como tijolos, vidro, refractários e abrasivos

possuem, em geral, baixa condutividade térmica e eléctrica sendo, por

consequência, normalmente utilizados como isoladores. Os cerâmicos são

resistentes e duros, mas também frágeis. Actualmente, surgiram novas técnicas

que possibilitaram o desenvolvimento de cerâmicos para aplicações sujeitas a

carga conjuntamente com temperatura, como é o caso de motores e turbinas.

Estes materiais cerâmicos começam já a ter um mercado e indústria próprias,

sendo designados por cerâmicos avançados .

Os materiais cerâmicos possuem uma elevada resistência a alta temperatura

e em certos meios corrosivos, possuindo ainda propriedades ópticas e eléctricas

bastante específicas sendo utilizados em circuitos integrados, sistemas de

fibras-ópticas e numa grande variedade de sensores eléctricos e ópticos.

Cerâmicos

CERÂMICOS

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Fig. I.3 - Vários componentes cerâmicos complexos fabricados pelas novas tecnologiasde processamento de materiais cerâmicos.

Os materiais poliméricos incluem a borracha, plásticos e muitos tipos deadesivos. Podem ainda ser incluídos neste grupo os polímeros naturais deestrutura celular, como a cortiça (fig.I. 4). Os polímeros artificiais são fabricadosatravés da produção de longas estruturas moleculares de moléculas orgânicas,num processo conhecido como polimerização .

Fig. I.4 - Secções na cortiça (ampliação 300 x). À esquerda: secção perpendicular àsecção radial; à direita: secção paralela à direcção radial. A direcção radial é

perpendicular ao tronco da árvore.

Em geral, os polímeros possuem baixa condutividade térmica e eléctrica, baixaresistência, elevada ductilidade, não sendo indicados para aplicações atemperatura elevada. Os polímeros termoplásticos, nos quais as longas cadeiasmoleculares não estão ligadas rigidamente, possuem elevada ductilidade eenformabilidade; os polímeros termoendurecíveis possuem maior resistência,mas são, em geral, mais frágeis, devido às cadeias estarem extremamenteconstrangidas por ligações fortes (fig. I.5).

Polímeros

POLÍMEROS

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Fig. I.5 - A polimerização ocorre quando pequenas moléculas se combinam para produziruma grande molécula. À esquerda: estrutura de um polímero termoplástico; à direita:

estrutura de um polímero termoendurecível.

Os polímeros são utilizados em muitas aplicações, sendo uma das mais nobresem componentes electrónicos (fig. I.6)

Semicondutores

SEMICONDUTORES

Fig. I.6 - Os polímeros são utilizados numa grande variedade de componenteselectrónicos, como é o caso de vários componentes destas placas de computador.

Os semicondutores são, hoje em dia, materiais indispensáveis para aconstrução de componentes electrónicos. O silício, o germânio e compostostais como GaAs (arseneto de gálio), embora possuam baixa resistênciamecânica, são essenciais para aplicações de electrónica, computadores ecomunicações.

Estes materiais permitem que a sua condutividade eléctrica possa ser controlada,podendo ser utilizados em transístores, díodos e circuitos integrados (fig. I.7).Em certos sistemas, a informação é transmitida por luz através de fibras ópticas;os semicondutores, que permitem converter luz em sinais eléctricos, sãocomponentes essenciais destes sistemas.

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Fig. I.7 - Os microprocessadores dos computadores e outros componentes electrónicosbaseiam-se no comportamento eléctrico único dos materiais semicondutores.

Os materiais compósitos são constituídos por dois ou mais materiais,produzindo um material final com propriedades que não podem ser obtidas pornenhum dos materiais individuais. O betão, o aglomerado de madeira e a fibrade vidro são exemplos de materiais compósitos bastante simples. A cortiça ea madeira, que do ponto de vista de composição química podem serconsiderados polímeros naturais, podem também ser considerados materiaiscompósitos celulares, visto apresentarem comportamentos distintos emdiferentes direcções.

Com materiais compósitos é possível obter materiais leves, resistentes, dúcteis,resistentes a altas temperaturas ou com outras características que, de outraforma, não seriam possíveis obter. Um exemplo são as pontas de corte quesão de elevada dureza e resistentes ao choque, propriedades impossíveis deobter num só material simultaneamente. As indústrias automóvel, aeronáuticae aeroespacial utilizam materiais compósitos em grande escala (ver fig. I.8),tais como polímeros reforçados com fibras de carbono.

Fig. I.8 - Exemplos de veículos que utilizam bastantes materiais compósitos

Compósitos

MATERIAIS COMPÓSITOS

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Na produção de um componente pretende-se que este possua forma epropriedades adequadas, que permitam um bom desempenho no tempo devida esperado. Para cumprir estes objectivos, têm de ser considerados trêsaspectos fundamentais: a estrutura, o processamento e as propriedades domaterial. Quando se altera um destes três factores, pelo menos um dos outrostambém se altera. Deve-se, portanto, ter um conhecimento completo dasinterrelações entre estes três factores.

Propriedades

As propriedades dos materiais podem ser divididas em dois grandes grupos:propriedades físicas e propriedades mecânicas (quadro I.1).

Propriedades

RELACIONAMENTO ENTRE ESTRUTURA E PROPRIEDADES

Quadro I.1 - Propriedades dos materiais

O modo como o material reage perante a aplicação de uma força ou de umbinário é descrito pelas propriedades mecânicas. As propriedades mecânicasmais comuns são a resistência, a ductilidade e rigidez (módulo de elasticidade).No entanto, também é importante conhecer como o material se comporta quandoexposto a um choque violento e repentino (impacte), exposto continuamente auma força cíclica (fadiga), exposto a altas temperaturas (fluência) ou sujeito a

Propriedades mecânicas Propriedades físicas

Fluência• taxa de deformação• tensões críticas

Ductilidade• % elongação• % estricção

Fadiga• limite de encruamento• vida à fadiga

Dureza• resistência à indentação• taxa de desgaste

Impacte• energia absorvida• tenacidade• temperatura de transição

Resistência• módulo• tensão de cedência• tensão de ruptura

Química• corrosão• refinação

DensidadeElectricidade

• conductividade• dieléctrico (isolamento)• piezo ou ferroeléctrico

Magnetismo• diamagnético• paramagnético• ferromagnético

Óptica• absorção e cor• difracção• acção laser• fotocondução• reflexão,refracção e transmissão

Térmica• capacidade calorífica• condutividade térmica• expansão térmica

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condições de abrasão/erosão (desgaste). As propriedades mecânicas tambémdeterminam a facilidade com que um material pode ser enformado numa dadaforma.

As propriedades físicas, que incluem comportamento eléctrico, magnético,óptico, térmico, elástico e químico, dependem essencialmente da estrutura edo processo de fabrico. Pequenas alterações na composição química podemcausar alterações significativas na condutividade eléctrica, principalmente nosmateriais semicondutores.

As diferenças entre os materiais ao nível das propriedades físicas são bastantesignificativas. A fig. I.9 apresenta um gráfico que compara a densidade de váriosmateriais, donde se conclui que, em geral, os metais são os que apresentammaior densidade e os polímeros níveis mais inferiores.

Fig. I.9 - Distribuição das densidades de vários materiais

As propriedades mecânicas vão influenciar a selecção de um dado material,pois este tem de possuir uma resistência tal que suporte as cargas a que vaiestar sujeito. No entanto, como ilustra o gráfico qualitativo da fig.1.9, a resistênciade um dado material depende da temperatura a que está sujeito, sendo portantofundamental a consideração da temperatura de trabalho quando se efectua aselecção de um material para uma dada aplicação. Um dos exemplosinteressantes é a utilização de materiais cerâmicos, os quais, em geral,possuem baixa resistência em aplicações onde estão sujeitos a carga elevadae simultaneamente a alta temperatura. Como decorre do gráfico, estes materiaissão os que apresentam maior resistência a temperatura elevada.

30

3x104

104

103

102

WC

TiCZrC

Al O , MgO2 3

3 4Si N ,SiCRochasVidroCimento

Gelo

PlatinaTungsténioOuro

ChumboPrataCobre, NíquelFerro, AçoZinco

Alumínio

Berílio

Titânio

PTFE

PVCEpóxidosNylonPoliestirenoPolietilenoBorrachas

Espumaspoliméricas

Cermetes

PRFV

PRFC

Madeiras

Cerâmicos Metais Polímeros CompósitosDensidade (kg/m )3

PRFV: polímero reforçado a fibra de vidroPRFC: polímero reforçado a fibra de carbono

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Fig. I.10 - O aumento de temperatura origina a dimunuição de resistência do material

Estrutura

A estrutura de um material pode ser considerada a vários níveis, todosinfluenciando o desempenho do produto final (fig. I.11). Ao nível mais fino há aconsiderar a estrutura dos átomos que constituem o material. O arranjo doselectrões à volta do núcleo do átomo afecta significativamente o comportamentoeléctrico, magnético, térmico e óptico, podendo também influenciar a resistênciaà corrosão. Para além disso, o arranjo electrónico condiciona o modo de ligaçãodos átomos, permitindo determinar o tipo de material - metal, cerâmicosemicondutor ou polímero.

No nível seguinte, considera-se o arranjo espacial dos átomos. Os metais, ossemicondutores, alguns cerâmicos e alguns polímeros possuem um arranjoatómico bastante regular, ou seja, possuem estrutura cristalina. A estrutura docristal influencia as propriedades mecânicas do material.

Estrutura

Átomos e arranjo

Cerâmico

Superliga de níquel

Alumínio reforçadocom fibras

Alumínio

Polímero

Resistência

1000 2000 3000Temperatura (ºC)

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Fig. I.11- Quatro níveis de estrutura num material: (a) estrutura atómica; (b) estruturacristalina; (c) estrutura dos grãos (alumínio 100x); (d) estrutura multifase (perlite e ferrite

num aço arrefecido lentamente 1000x).

Na maioria dos metais, dos semicondutores, dos cerâmicos e em algunspolímeros, pode-se encontrar uma estrutura constituída por grãos. A dimensãoe forma dos grãos é de extrema importância. Para certas aplicações daelectrónica produzem-se, por vezes, materiais contendo apenas um grão ouum cristal simples.

Finalmente, na maioria dos materiais, está presente mais de uma fase, tendocada uma delas o seu próprio arranjo atómico e propriedades específicas. Ocontrolo do tipo, dimensão, distribuição e proporção de cada fase permitecontrolar as propriedades do material.

Processamento

No processamento de materiais pretende-se dar a forma do componentedesejado partindo de uma porção de material sem forma. Os metais podem serprocessados por vazamento de um metal líquido num molde de fundição, pelajunção de peças individuais de metal (soldadura, brasagem, soldobrasagem,colagem por adesivos), por enformação do metal sólido em formas úteisutilizando pressões elevadas (forjagem, extrusão, embutição, laminagem,dobragem), compactando pequenas partículas de metal numa massa sólida(metalurgia dos pós ou pulverometalurgia) ou removendo material (maquinagem).Do mesmo modo, os materiais cerâmicos podem obter forma através de técnicasde fundição, extrusão ou compactação, seguindo-se geralmente a operação desecagem e cozimento a elevada temperatura para que se extraiam os fluidos ese promova a ligação entre os vários constituintes. Os polímeros são produzidosgeralmente por injecção de uma pasta num molde. Muitas vezes, um materialé tratado termicamente a uma dada temperatura abaixo do seu ponto de fusão,com a finalidade de modificar a sua estrutura para que esta atinja uma formamais favorável. O tipo de processamento utilizado depende das propriedadesdo material, ou seja, da respectiva estrutura.

Grãos

Fase

Processamento

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O procedimento da selecção de um material, o processamento do materialnuma forma útil e a obtenção de determinadas propriedades envolve um processocomplicado que exige o conhecimento das relações existentes entre a estrutura,as propriedades e o processamento do material.

Os metais são materiais dúcteis, com conductividade eléctrica e térmicaelevadas, sendo usados em aplicações que exijam o suporte de cargas deníveis elevados e em aplicações eléctricas.

Os materiais cerâmicos apresentam normalmente baixa conductividade térmica,resistência mecânica elevada e elevada fragilidade, sendo por isso usados emaplicações que envolvam temperaturas muito elevadas sem suporte de carga.Os últimos desenvolvimentos da tecnologia permitiram obter materiais cerâmicosde composição química bastante controlada, o que permite a sua utilizaçãoem sistemas electrónicos e como ferramentas de corte.

Os materiais poliméricos têm propriedades em geral muito variadas, no entanto,como característica geral, têm baixa resistência mecânica, baixa condutibilidadetérmica e eléctrica e elevada elasticidade.

Os materiais compósitos são uma junção de vários materiais que, combinados,permitem obter um material cujas propriedades não seriam possíveis de obtercom nenhum dos materiais seus constituintes. Os materiais semicondutorestêm hoje em dia uma importância capital no mundo da informática, sendoconstituídos basicamente por materiais cerâmicos, também com estruturabastante controlada.

A estrutura de um dado material influencia definitivamente o seu desempenhonuma dada aplicação. A relação entre a estrutura, as propriedades e o processode fabrico permite obter materiais com características diferentes mudandoapenas um destes três factores.

RESUMO

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Componente Prática



1. Que factor económico explica o facto de, na nossa civilização, o betão sero material mais utilizado?

2. Quais os materiais a utilizar para fabricar chávenas de café? Quepropriedades específicas influenciam a escolha destes materiais?

3. Na selecção de um material para a asa de um avião, quais as propriedadesa ter em conta?

4. Perante a análise feita para a questão anterior, qual o material que numaprimeira análise cumpre os requisitos necessários para ser utilizado numaasa de avião?

5. A primeira etapa para o fabrico de filamentos de tungsténio é realizada porpulverometalurgia e não por fundição. Explique porquê.

6. O que distingue os cerâmicos dos outros materiais?

7. Quais as principais propriedades dos materiais?

8. O que é um material compósito?

9. Dê exemplos de materiais cerâmicos.

10. Em geral, quais são os tipos de materiais que apresentam maior densidade?

ACTIVIDADES / AVALIAÇÃO

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Estrutura dos Materiais: Fases e Composição

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3Estrutura dos Materiais: Fases e ComposiçõesIEFP IEFP IEFP IEFP IEFP · ISQ ISQ ISQ ISQ ISQ

TTTTTecnoloecnoloecnoloecnoloecnologia dos Magia dos Magia dos Magia dos Magia dos Materiaisteriaisteriaisteriaisteriais II . 1II . 1II . 1II . 1II . 1

OBJECTIVOS


• Definir os objectivos e a importância da utilização de um diagrama de fases;• Mencionar que tipo de informação se pode obter a partir de um diagrama de

fases;• Aplicar a Regra da Alavanca;• Nomear os tipos de transformações existentes;• Identificar e prever a fase presente a cada temperatura para cada liga;• Enumerar os tipos de fases possíveis em cada liga;• Identificar e descrever o que é um aço;• Explicar qual a importância da percentagem de carbono num aço;• Identificar e descrever o que é um ferro-fundido;• Identificar e descrever o que é um cerâmico;• Reconhecer a importância das fibras nos materiais compósitos.

TEMAS

• Diagrama de fases

• Solubilidade e soluções

• Diagramas binários

• Diagramas eutécticos

• Reacções peritécticas

• Fases em polímeros orgânicos

• Fases não-cristalinas

• A fase vítrea

• Vidros óxidos

• Polímeros vítreos

• Ligas ferro-carbono: Aços e ferros fundidos

• Cerâmicos

• Reacção monotéctica e decomposição espinodal

• Sistemas multicompostos

• Materiais compósitos

• Compósitos de fibras

• Compósitos laminados

• Compósitos de partículas

• Resumo


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Estrutura dos Materiais: Fases e ComposiçãoIEFP IEFP IEFP IEFP IEFP · ISQ ISQ ISQ ISQ ISQ


Existem várias aplicações industriais para os materiais puros, no entanto, éfrequente a utilização de ligas ou de misturas de materiais em diversasaplicações, particularmente naquelas em que é exigida resistência mecânica.Existem dois tipos de ligas - ligas monofásicas (apenas com uma fase) epolifásicas (com várias fases). Em primeiro lugar, convém definir o que seentende por fase, e discutir a regra das fases.

Fase - Uma fase possui as seguintes características: (a) o arranjo atómico ouestrutura é igual por toda a fase; (b) a composição química e as propriedadessão praticamente constantes em toda a fase e (c) existe uma interface definidaentre a fase e o meio circundante.

Por exemplo, quando se coloca um bloco de gelo numa câmara de vácuo(ausência de matéria) à temperatura ambiente, o gelo começa a fundir, epode também ocorrer alguma formação de vapor de água. Nestas condições,existem três fases presentes - H2O sólida, H2O líquida e H2O gasosa. Cadauma destas formas de água é um fase distinta, cada uma possui um arranjoatómico particular e propriedades diferentes, estando definida uma fronteiraentre cada fase. Neste caso particular, as fases têm todas a mesma composiçãoquímica, não sendo este facto suficiente para que se designe todo o sistemacomo uma única fase.

Regra das fases - A regra das fases (ou regra de Gibbs) descreve o estado domaterial, tendo a seguinte fórmula:

F = C - P + 2 (II.1)

Na regra das fases, C é o número de componentes no sistema, normalmenteelementos ou compostos; F é o número de graus de liberdade, ou o númerode variáveis que se poderão variar independentemente sem se alterar o númerode fases em equilíbrio (por ex.: temperatura, pressão ou composição); e P é onúmero de fases presentes. A constante 2 existente na equação indica quetanto a pressão como a temperatura podem variar.

Como exemplo de utilização de um diagrama de fases, considere-se o casodo magnésio puro. Na fig.II.1 está ilustrado um diagrama de fases de um sócomponente (diagrama unitário), no qual as linhas dividem as fases sólida,líquida e gasosa. Apesar de existir apenas um componente, podem existirvárias fases (uma, duas ou três) dependendo da temperatura e pressão:magnésio sólido, magnésio líquido, magnésio gasoso. A intersecção da linhaisobárica referente à pressão atmosférica (1 atmosfera), representada na figurapela linha a tracejado, intersecta as linhas de separação de fases nos pontoshabituais de temperatura de fusão e ebulição do magnésio. A pressões muitobaixas, pode haver sublimação do material, ou seja, quando o material éaquecido passa directamente a vapor sem fundir.

Fase

Regra das fases

DIAGRAMA DE FASES

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Suponha que as condições de vapor e temperatura são tais que se situem noponto A do diagrama de fases da fig. II.1, o qual indica que o magnésio estácompletamente líquido. Neste ponto, o número de componentes (C) é 1(magnésio) e o número de fases (P) é 1 (líquido). A regra das fases indicaque:

F = C - P + 2 = 1 -1 + 2 = 2 (II.2)

Fig. II.1 - Diagrama de fases de um só componente - magnésio

Existem dois graus de liberdade. Isto significa que, pelo menos dentro doslimites, uma variação da pressão ou da temperatura (ou de ambas) nãomodifica o número de fases ou a fase existente, mantendo-se, por isso, líquido.

O ponto B situa-se na zona de divisão entre as duas fases: a porção sólida ea porção líquida do diagrama. O número de componentes C continua a serum, mas o número de fases é 2 pelo que F=1, o que significa que existeapenas um grau de liberdade. Por exemplo, se a temperatura variar, a pressãotem de ser ajustada para que se mantenha a situação de coexistência dasduas fases.

No ponto C, existe coexistência das três fases. Daqui resulta que F=0, o quesignifica que não existe nenhum grau de liberdade; as três fases coexistemapenas se as duas variáveis (pressão e temperatura) foram fixadas. Esteponto é conhecido como ponto triplo .

Solubilidade e Soluções

Quando se combinam materiais diferentes ou quando se adicionam elementosde liga a um metal, produzem-se soluções. É importante o conhecimento daquantidade de material que se pode adicionar, sem que se produza uma segundafase, ou seja, ter dados sobre a solubilidade de um material no outro.

0 500 1000

Pressão

Sólido

Gasoso

Líquido

1 atm

Temperatura (ºC)

A

B

C

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Considerem-se dois copos: um com água e outro com álcool. A água é umafase e o álcool outra. Se água for colocada no copo de álcool e se misturar,produz-se uma fase. O copo contém uma solução de água e álcool que possuiuma estrutura, propriedades e composição únicas. Pode-se, portanto, considerarque o álcool e a água são solúveis um no outro. Para além disso, possuemsolubilidade ilimitada - quaisquer que seja a razão de água e álcool, produz-se sempre só uma fase. No caso de se misturar água e óleo, não existe qualquersolubilidade, pelo que são insolúveis - quaisquer que sejam as quantidadesestão sempres duas fases presentes iguais aos constituintes originais.

Entre a água e o sal ocorre um fenómeno diferente. Considerando um copode água vazio, ao colocar-se uma colher de sal, forma-se uma fase, constituídapor uma solução aquosa de água e sal (água salgada). Se se continuar aadicionar sal, a partir de um dado momento, a água já não dissolve mais sal,havendo precipitação de sal no fundo do copo. Resultam assim duas fases,água salgada e sal. Este tipo de solubilidade designa-se por solubilidadelimitada .

Do mesmo modo, quando se mistura cobre líquido com níquel, produz-seapenas uma fase líquida (fig. II.2). Se o líquido for arrefecido até à temperaturaambiente, forma-se uma só fase. Após solidificação, os átomos de níquel ecobre não se separam, estando aleatoriamente distribuídos nos pontos darede de uma estrutura cúbica de faces centradas. Dentro da fase sólida, aestrutura, as propriedades e a composição química são uniformes, nãoexistindo qualquer interface entre os átomos de níquel e cobre. Portanto, ocobre e o níquel possuem solubilidade ilimitada. A fase sólida denomina-sesolução sólida (fig. II.2).

Fig. II.2 - (a) O Cobre líquido e o Níquel líquido são completamente solúveis um no outro;(b) Liga sólida Cu-Ni apresentando solubilidade completa com os átomos de níquel

e cobre ocupando posições aleatórias na rede; (c) Nas ligas Cu-Zn contendo mais de30% de Zn, forma-se uma segunda fase devido à solubilidade limitada do Zinco no Cobre.

Solubilidade

Solução sólida

Solução sólidade Zn em Cu

Compostode Cu em Zn

Cu

Ni(a)

(b)

(c)

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Ao adicionar uma pequena quantidade de zinco líquido a cobre líquido, produz--se uma solução líquida. Quando a solução de Cobre-Zinco arrefece e solidifica,surge uma solução sólida com estrutura cúbica de faces centradas, com osátomos de zinco e cobre aleatoriamente distribuídos pelos pontos da rede.No entanto, se a solução líquida contém mais de 30% de zinco, o excesso deátomos de zinco combina-se com alguns átomos de cobre formando umcomposto, CuZn (fig. II.2). Neste caso, existem duas fases sólidas - uma soluçãosólida de cobre saturada em zinco (30%) e o composto CuZn. A solubilidadedo zinco no cobre é limitada.

Diagramas binários

De acordo com o referido, nos sistemas H2O-NaCl e Cu-Zn, as propriedadesde um material com dois componentes podem ser fortemente afectadas pelacomposição química (expressa como a quantidade relativa X de um doscomponentes). Para facilitar a leitura da influência desta variável nocomportamento do material, utilizam-se, em geral, sistemas bidimensionaisde temperatura-composição (TX), ficando a pressão constante a 1atm. Aanálise térmica (fig. II.3) é um método comum para a determinação experimentalde diagramas de fases. Se um componente puro, como o óxido de níquel(NiO), é colocado na câmara do forno de um equipamento de análise térmica,a temperatura da amostra irá inicialmente aumentar uniformemente. fig. II.3(a).O aumento da temperatura por unidade de tempo, dT/dt, é proporcional à taxade absorção de calor pela amostra, dq/dt,

dT 1 dq =dt Cp dt

onde Cp é a capacidade calorífica a pressão constante.

O aumento uniforme da temperatura continua até Tf, mas o calor absorvido éusado para fundir o componente sólido fornecendo o calor (latente) de fusão(DHf). O processo de fusão prossegue a temperatura constante por um tempot, de modo que:

dqt = ∆Hf

dt

No fim desse tempo o componente sólido mudou completamente para a faselíquida. O líquido começa então a aumentar de temperatura de acordo com aequação, completando assim a curva de aquecimento da fig. II.3(a).

A curva da fig. II.3(b) mostra a pequena mas significativa diferença nocomportamento de uma solução sólida de dois (ou mais) componentes. Oprocesso de fusão ocorre agora numa faixa de temperatura. A fusão começana temperatura solidus da liga e termina na temperatura liquidus. Quando osdados de uma série de ligas que cobrem uma faixa de composição sãocompilados, essas duas curvas de temperatura resultam na curva solidus (inícioda fusão com o aquecimento) e a curva liquidus (início da solidificação com oarrefecimento).

Calor Latente Fusão

Liquidus e Solidus

(II.3)

(II.4)

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Fig. II.3 - Curvas esquemáticas de aquecimento, tipicamente obtidas durante a análisetérmica de (a) um componente puro; (b) uma liga de solução sólida

O comportamento de uma solução sólida no aquecimento até à fusão, mostradana fig. II.3, é característico de um sistema especial de dois componentes, quemostra solubilidade completa mútua dos dois componentes na fase sólida (etambém nas fases líquida e vapor). Tomando o exemplo do sistema cerâmicoNiO-MgO (fig. II.4) como ilustração da maneira de ler o diagrama, comece-sepor escolher um sistema específico tal como l mol da liga X2. A liga é constituídapor 20% mol (percentagem molar) de MgO da liga X2. Para especificarcompletamente o estado S do sistema, devemos também escolher um valorda segunda variável - temperatura (T). Se o ponto S(X,T) ficar numa regiãomonofásica do diagrama, por ex.: S(X2,T3), então todo o material está namesma fase, que se define por:

Ponto: Liga de 20% mol de MgO à temperatura T3Fase: LíquidaComposições: 20% mol de MgOQuantidade: 1 mol

Uma representação esquemática conveniente dessa condição da fase ésimplesmente um círculo vazio, pois não seria vista nenhuma característicanum exame microscópico (hipotético).

Se a composição X2 for arrefecida lentamente a partir da temperatura T3, afase sólida a começará a formar-se quando a temperatura alcançar a curvaliquidus. A solidificação de uma liga em solução sólida difere daquela de umcomponente puro em dois aspectos importantes: a) a solidificação ocorre numafaixa de temperaturas ao invés de numa única temperatura de fusão(fig. II.3 b)); e b) a composição da fase sólida em equilíbrio com o líquido variadurante o curso da solidificação.

Regra da alavanca

Fase Líquida

Tempo de aquecimento

Temperatura

Componente líquido

Componente sólido

Temperatura de fusão

Solução líquida

Solução sólida

Sólido mais líquido

Temperatura líquidus

Temperatura sólidus

Temperatura

Tempo de aquecimento

(a) (b)

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Esse comportamento pode ser ilustrado tomando como exemplo o ponto

S(X2,T2). Como este ponto está na região de duas fases do diagrama, o sistema

consiste em duas fases: a fase líquida l e a fase sólida a. Os dois pontos

L(X1,T2) e a(X3,T2) que representam essas duas fases estão nas extremidades

da linha de união que passa pelo ponto S(X2,T2) do sistema. A análise de

fases, nesse caso, é dada por:

Ponto: Liga de 20% de MgO à temperatura T3

Fases: Solução sólida α LíquidaComposições: 36% mol de MgO (X

3) 15% mol de MgO (X

1)

Quantidades: (X2-X

1)/(X

3-X

1) = 0.24 mol 1.00 - 0.24 = 0.76 mol

As composições das fases X1 e X3 são simplesmente lidas no eixo das

composições, como indicado pelas linhas tracejadas verticais da fig.II.4, sendo

possível calcular as quantidades das duas fases através destas composições.

A quantidade de um dado componente (MgO, por exemplo) no sistema fica

dividida entre as duas fases; assim:

(MgO)s = (MgO)a + (MgO)L (II.5)

Cada uma dessas quantidades pode ser expressa como o produto XA da

composição X e a quantidade A do sistema ou da fase em questão, assim:

X2A

s = X

3A

α + X

1A

L (II.6)

A quantidade total do sistema divide-se entre as duas fases e temos a relação:

As = Aα + AL (II.7)

Porém, AL pode ser eliminado da equação, resultando a regra da alavanca:

Aα

X2 - X

1

As

X3- X

1

Isto é, a fracção Aα/As da fase α no sistema é a porção X2-X1 da linha de união

oposta à fase α, dividida pelo comprimento total da linha de união X3-X1.

Solubilidade

Regra da Alavanca

Regra da Alavanca

(II.8)

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Fig. II.4 - Diagrama temperatura vs. composição (diagrama de fases) para P = 1 atm,do sistema NiO-MgO, que forma uma série de soluções sólidas. Este diagrama defasesmostra a natureza da região bifásica (líquido e sólido). São mostradas três

ilustrações esquemáticas de possíveis microestruturas.

Se se escolher As como sendo l mol., então a fracção Aα/As é numericamenteigual a Aα, a quantidade de fase α. A finalidade da microestrutura esquemáticapresente na fig. II.4 para a análise de fases é mostrar uma possível distribuiçãoda quantidade da fase α. A escolha do número e forma dos grãos α é arbitrária.Esse esquema ilustra um ponto importante em equilíbrio multifásico, isto é, asquantidades físicas são as fases L(X1,T2) e α(X3,T2), mas não o sistemaS(X2,T2). X2 representa a composição química global do sistema.

Diagramas eutécticos

A reacção eutéctica representa o comportamento que se verifica frequentementeem sistemas cerâmicos e metálicos; como exemplo, considere-se o sistemaPrata-Cobre (fig. II.5).

A nova característica é a linha (a temperatura constante) de equilíbrio das trêsfases que envolve a fase líquida e as duas fases sólidas α e β. A fase α é umasolução sólida rica em prata. Para ligas que têm composições abaixo de 14%atómica de Cu ou acima de 95% atómica de Cu, as análises de fases sãosemelhantes àquelas descritas na secção anterior. Isto é, para temperaturasentre as curvas liquidus e solidus, a solução líquida muda para a solução sólida

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α (ou β); quando a temperatura solvus é alcançada, a fase β começa a formar--se nos grãos da fase α. O termo limite da solução sólida descreve fases comoα e β, que se estendem somente sobre uma porção da faixa de composição dodiagrama de fases.

Reacção Eutéctica

Fig. II.5 - Diagrama de fases para o sistema Ag-Cu (P=1 atm). A fase líquida deste sistemasofre uma reacção eutéctica quando alcança 779ºC.

A reacção eutéctica ocorre para uma liga (como a liga 60% atómica de Cu),cuja composição passa pela linha de equilíbrio das três fases. O comportamentona temperatura eutéctica pode ser explicado usando a regra das fases, poispara as três fases (p) de um sistema de dois componentes (c) tem-se que:

F = C + 2 - P = 2 +2 -3 = 1 (II.9)

O diagrama de fases ordinário é isobárico (a pressão constante), usualmente a1atm. Em consequência, esse grau de liberdade foi usado, e F=0, e um sistematrifásico é invariante. Como nem a temperatura nem qualquer das composiçõesquímicas X das três fases podem variar (sem perda de uma das fases), asfases são representadas pelos três pontos a temperatura constante, isto é,uma linha horizontal. As fases são α (14% atómica de Cu), líquido (40% atómicade Cu) e β (95% atómica de Cu). A reacção eutéctica descreve a porção doprocesso de solidificação na qual uma das fases, o líquido, muda para asoutras duas. Essa reacção pode ser escrita: L → α + β

Para ver como a reacção eutéctica ocorre no comportamento global dasolidificação, considere-se o arrefecimento da liga de 60% atómica de Cu nacondição líquida. À medida que a liga arrefece, formam-se alguns cristais(primários) da fase β por solidificação do tipo da solução sólida na faixa detemperatura, a partir da curva liquidus até à linha eutéctica.

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A análise de fases a 780ºC, que fica logo acima da temperatura eutéctica, édada por:

Ponto: Liga de 60% atómica de Cu a 780ºCFases: Solução sólida β LíquidoComposições: ≈ 95%atómica Cu ≈ 40%atómica CuQuantidades: (60-40)/(95-40) = 0,36 mol 1,00 - 0,36=0,64 mol

A fase líquida tem agora a composição eutéctica (40% atómica Cu) e ao alcançara temperatura eutéctica pode sofrer a reacção da equação anterior. Ao completara reacção (digamos a 778ºC), todo o líquido eutéctico mudou para uma misturafina das fases α e β, o microconstituinte eutéctico. A quantidade dessemicroconstituinte é 0,64 mol, a mesma que a quantidade de líquido logo acimada temperatura eutéctica. Se a liga solidificada for arrefecida lentamente (emcondições de equilíbrio) até temperaturas mais baixas, tanto a fase α como βmudarão de composição ao longo da linha solvus. A 300ºC, por exemplo, aanálise de fases é dada por:

Ponto: Liga de 60% atómica de Cu a 300ºCFases: α βComposições: 1% atómica Cu ≈100% atómica CuQuantidades: 0,4 mol 0,6 mol

A fotomicrografia correspondente na fig. II.5 mostra dois microconstituintes, afase β primária e a eutéctica. As pequenas partículas de fase α e β que formamo microconstituinte eutéctico são geralmente chamadas α e β secundárias,mas são idênticas em composição e estrutura às fases primárias.

Considere-se um material bastante utilizado para a realização de uniões dedois fios eléctricos: a solda de estanho. Esta liga é constituída por 50%Sn-50%Pb, e é representativa de como uma reacção eutéctica é aplicada na prática.A liga contendo 60% em peso de Sn é preferida para algumas aplicações,porque funde a temperatura mais baixa (temperatura liquidus é 190ºC– fig. II.6); embora a liga eutéctica (62/48) possua uma temperatura de fusãomais baixa, o alto preço do estanho torna esta liga um pouco mais cara. A ligacontendo somente 40% em peso de Sn, embora um pouco mais barata, tem adesvantagem de possuir uma temperatura liquidus mais elevada (240ºC) e deproduzir menos microconstituinte eutéctico (necessário por causa da resistênciamecânica). Assim, a liga 50/50 é uma escolha prática, baseada tanto no custocomo no desempenho.

Reacção Eutéctica

Aplicação Eutécticos

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Fig. II.6 - Diagrama de fase Pb-Sn

Reacções peritécticas

Três fases podem sofrer várias reacções a temperatura constante. Embora areacção eutéctica L→α+β seja a mais comum, outra reacção importante é aperitéctica:

L + β → α (II.10)

O comportamento de uma liga cuja solidificação seja efectuada por essa reacçãoé ilustrado esquematicamente para duas ligas Prata-Platina na fig. II.7. A liga2, ao arrefecer a partir da região líquida, começa a formar a solução sólida β. A1 186ºC essa liga é constituída por fase líquida e fase β (35%). Durante oarrefecimento pela horizontal peritéctica, a 1 185ºC, a liga sofre a reacção etorna-se inteiramente fase α (se o equilíbrio for alcançado). A sequência dedesenhos da fig. II.7, que ilustra esse comportamento da solidificação, incluium deles mostrando um estágio intermediário: a fase α, de início formadanecessariamente na interface original entre as fases líquida e β, engloba osgrãos β.

Uma reacção posterior entre as fases líquida e β fica agora difícil: assim,raramente é alcançado o equilíbrio nas reacções peritécticas. É óbvio que, emgeral, uma liga não tem exactamente a composição peritéctica (liga 2), mastem alguma composição que passa pela horizontal peritéctica (liga 1).

Consideremos 1 mol da liga 1, contendo 26% de Pt. Ao ser arrefecida até1 340ºC, inicia-se a solidificação desta liga, formando-se a solução sólida β,com o conteúdo inicial de 84% atomica de Pt. Se considerarmos que o equilíbrioé mantido durante o arrefecimento, a análise de fases a uma temperaturaimediatamente superior à temperatura peritéctica é dada por:

Ponto: Liga de 26% atómica de Pt a 1 186ºCFases: Líquido βComposições: 20% atómica Pt 77% atómica PtQuantidades: (77-26)/(77-20) = 0,89 mol 1,00 - 0,89 = 0,11 mol

Reacção Peritéctica

Reacção Peritéctica

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Fig. II.7 - Diagrama de fases Prata-Platina, utilizado para ilustrar o carácter das reacçõesperitécticas. A parte inferior do diagrama foi simplificada omitindo várias reacções no

estado sólido.

Ao arrefecer abaixo da temperatura peritéctica, toda a fase b reagirá comouma porção da fase líquida (se for mantido o equilíbrio), e a liga consistirá emlíquido mais fase a. Uma análise típica das fases nessa região aos 1100ºC édada por:

Ponto: Liga de 26% atómica de Pt a 1100ºCFases: Líquido αComposições: 10% atómica Pt 34% atómica PtQuantidades: (34-26)/(34-10) = 0.33 mol 1,00 - 0,33 = 0,67 mol

As microestruturas correspondentes às análises de fases efectuadas estãodesenhadas na fig. II.7. De facto, a segunda microestrutura conteria uma faseβ englobada pela fase α, como se ilustra para a liga 2.

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Fases em Polímeros Orgânicos

A maioria das fases consideradas nas secções anteriores são aglomeraçõesde unidades simples, moléculas como o MgO ou mesmo átomos individuaiscomo o cobre ou a prata. Em contraste, as moléculas individuais que formamuma fase líquida ou sólida num polímero orgânico podem consistir emaproximadamente 104 monómeros. Um exemplo é a molécula de cadeia longade polietileno. Entretanto, as moléculas individuais não são idênticas, masvariam de peso molecular (tipicamente numa faixa duma ordem de grandeza),em configuração e, frequentemente, em características estruturais tais comoramificações da cadeia principal. Assim, um homopolímero como o polietilenoé análogo a um sistema cerâmico ou metálico multicomponente (ao invés dumsistema dum componente como o cobre). A natureza multicomponente de umpolímero é a base do seu fraccionamento em porções (fracções) que têm váriospesos moleculares médios. Se um polímero for dissolvido num solventeadequado, a fracção com o maior peso molecular irá precipitar-se primeiro, apartir da solução, à medida que a temperatura diminuir gradualmente ou seadicionar um não-solvente. O fraccionamento é somente um exemplo de efeitodas diferenças de peso molecular sobre as propriedades de um dado polímero.

Uma característica dominante de estruturas poliméricas, às vezes mesmo noestado fundido, é a dificuldade de alcançarem o equilíbrio. Factores cinéticossão usualmente decisivos para determinarem as estruturas reais, de modo queo diagrama de fases usuais tem pouca utilidade. A imiscibilidade no estadosólido é, virtualmente, característica de todos os homopolímeros.Consequentemente, a “liga” dos homopolímeros é alcançada por meio de misturamecânica. A imiscibilidade explica o fenómeno da separação de fases observadaem alguns sistemas de polímeros. Por exemplo, se dois tipos de homopolímerosforem misturados, eles tenderão a separar-se na temperatura elevada doprocesso de moldagem ou fundição em duas fases puras. A fase menor éusualmente disforme, mas, às vezes, ocorre como esferas relativamentegrandes. A separação de fases pode ser conseguida numa escala mais finapelo uso de blocos de copolímeros (e com as úteis “moléculas de união”conectando fortemente as duas fases). A técnica de bloco de copolimerizaçãopermite que secções alternadas de uma cadeia simples sejam construídas apartir de dois monómeros diferentes, com muitos monómeros em cada secção.A molécula usada para fabricar o Kraton 101 consiste em três blocos, umaregião central de polibutadieno com um peso molecular de 55 000, e doisblocos terminais de poliestireno, cada um com peso molecular de 11 000.

A separação de fases nesse polímero ocorre somente até produzir pequenosdomínios esféricos de poliestireno embebidos na matriz de polibutadieno, umavez que os dois blocos imiscíveis de polímeros de cada cadeia estão conectadosentre si. A interface de fases contém as secções da molécula do polímero ondeos blocos de polímero se juntam. Pelo facto de o poliestireno ser um vidrorígido a menos de 100ºC, abaixo dessa temperatura os domínios vítreos ancoramefectivamente as cadeias de polibutadieno e, assim, evitam o escoamento,mas permitem deformação elástica. Se a relação dos pesos moleculares dosdois componentes for mais próxima da unidade, a separação de fases levará auma estrutura do tipo de camadas ou de barras.

Moléculas Poliméricas

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Gases e líquidos . Embora as fases sólidas sejam de importância primordialno uso final da maioria dos materiais, as fases gasosa e líquida sãofrequentemente de interesse, especialmente em conexão com reacções queenvolvam uma fase sólida. Por exemplo, a liga (“dopagem”) de semicondutorese a criação de camadas superficiais especiais em vários materiais pode serfeita de modo eficiente por um método que usa fase de vapor. A fase vapor étambém um dos caminhos possíveis para o transporte de material no processode mudança de forma de um sólido e é especialmente importante em formaçõesgeológicas de gelo.

Muitos cálculos a respeito de gases envolvem meramente as leis do gás ideal;

contudo, a pressões acima de ≈l02atm, são exigidas correcções adequadas

para o comportamento não-ideal e para a transição para a fase líquida. Para

além disso, a temperaturas bem altas, devem-se considerar dois processos

adicionais. O primeiro processo, característico de gases moleculares como o

hidrogénio (H2), é a dissociação em átomos neutros. Em temperaturas ainda

maiores, o segundo processo, a ionização, ocorre e converte o gás que

anteriormente era isolante num plasma condutor eléctrico, isso devido aos iões

e electrões que são produzidos. Em pesquisas de energia nuclear, os plasmas

são úteis como fontes de calor devido ao seu alto conteúdo térmico, e também

devido ao facto de os átomos ionizados de um plasma sofrerem reacções

químicas com especial facilidade.

As muitas maneiras pelas quais os líquidos são empregues em Ciência dos

Materiais - como matéria-prima, produto intermediário, agente para transferência

de calor - são evidentes a partir da classificação dos líquidos fornecida no

quadro II.1. A grande variedade de aplicações resulta das características

específicas dos vários líquidos. Estas características podem ser julgadas

qualitativamente a partir da natureza da ligação do sólido correspondente. Por

exemplo, os líquidos metálicos e iónicos são ambos condutores eléctricos

(embora por meio de mecanismos diferentes), ao passo que os demais líquidos

são não-condutores. A difracção de raios X mostra que a estrutura dum líquido,

determinada próximo do seu ponto de congelamento, tem alguma semelhança

com uma estrutura cristalina em regiões locais. O número de átomos vizinhos

mais próximos é aproximadamente 10% menor que no sólido, existindo uma

quantidade de “espaço vazio” correspondente.

FASES NÃO-CRISTALINAS

Gases e Líquidos

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Quadro II.1 - Classificação dos líquidos

A fase vítrea

Quando um líquido é arrefecido até à sua temperatura de congelamento,usualmente o processo de cristalização converte-o num sólido cristalino(fig. II.8). Alguns líquidos não cristalizam ao serem arrefecidos para baixastemperaturas, por possuírem configurações moleculares complexas ou decinética lenta; não obstante, formam uma estrutura rígida conhecida comoestrutura vítrea .

Em materiais para os quais a cristalização é possível, dois factores principaisdeterminam se um dado líquido irá cristalizar ou formar um vidro durante oarrefecimento. Primeiro, se a taxa de arrefecimento for suficientemente alta,em princípio, qualquer líquido poderá ser convertido em vidro. Segundo, se a“base” na estrutura cristalina é de difícil produção a partir da estrutura líquida, acristalização será lenta, e a formação dos vidros será favorecida.

Os metais, os cerâmicos e os polímeros exibem comportamentosqualitativamente diferentes com respeito a este fenómeno. Nos cristaismetálicos, a base contém poucos átomos, geralmente só um, e, portanto, aregra é a fácil cristalização. Vidros metálicos podem ser produzidos somentepor técnicas especiais como arrefecimento splat ou recozimento nalaminagem de gotas de ligas líquidas adequadas. Os vidros metálicos sãoobjecto de pesquisa actual com vista a aplicações futuras, dadas as suaspropriedades não usuais. Devido ao facto de os cristais cerâmicos seremusualmente mais complexos que cristais metálicos, a formação de vidro écomum em materiais cerâmicos, embora geralmente acompanhada tambémpela cristalização. Valores elevados de viscosidade originam a formação deestruturas vítreas, enquanto que um cerâmico que fundido seja fluido facilita orearranjo de átomos na estrutura cristalina.

Classificação dos Líquidos

Fase Vítrea

Vidros Metálicos

Tipo Exemplos Uso típico

Monoatómico Hélio, Árgon, Azoto Fins criogénicos (baixa temperatura)

MolecularBenzeno, tetracloreto decarbono

Benzeno como solvente parasubstâncias orgânicas

Molecularassociado

Amónia, Água Soluções aquosas de sais inorgânicos

Iónico Carbonato de LítioCélulas combustíveis , processoelectrolítico para alumínio

Polimérico Polímeros orgânicos, Silicone

Metálico Ferro, Sódio Fabrico de aços

Próteses, produtos de beleza, vestuário

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Fig. II.8 - Alterações de volume num líquido durante a cristalização ou na transiçãopara o estado vítreo

A cristalização de polímeros de cadeia longa deve superar duas dificuldadesestruturais: a) as bases simples raramente são possíveis, e b) o rearranjoadequado dos segmentos de cadeia existentes é conseguido somente peladifusão lenta de troços completos de uma cadeia, sem romper e reformar ligações(em contraste com o comportamento de metais e cerâmicos, onde um dadoátomo pode transferir uma ligação dum vizinho para outro com certa facilidade).A formação de estruturas vítreas é a regra na maioria dos polímeros, e acristalização tem um papel secundário.

Podemos entender o processo da formação de estruturas vítreas a partir dumlíquido ordinário estável (no canto superior direito da fig. II.8). Consideremosque o líquido não cristaliza no arrefecimento ao passar de Tf, mas que se tornaum líquido metaestável e diminui gradualmente em volume quando oarrefecimento continua.

À temperatura de transição vítrea Tg (cujo valor exacto depende da taxa dearrefecimento), as unidades estruturais do material não têm tempo de sereorganizar como um líquido, e o material rígido resultante possui estruturavítrea. O valor experimental obtido para Tg depende da escala de tempo daexperiência. Durante o longo tempo de arrefecimento lento, por exemplo, asunidades estruturais têm mais tempo para se reorganizar e, assim, Tg é menor.

Vidros óxidos

Os objectos de vidro que se vêem diariamente são feitos principalmente desílica (SiO2). A estrutura e ligação desse tipo de vidro são semelhantes, porém,àquelas da SiO2 e dos silicatos. O arranjo estrutural do vidro, de SiO2 puro, égrandemente modificado. Exemplos de tais modificadores de estrutura são

Cristalização de Polímeros

Vidros Óxidos

Faixa de transformação

vítrea

Líquidometaestável

Líquidoestável

Processo decristalização

Líquido+

cristaisComportamentodurante

arrefecimento rápido

Comportamentodurante

arrefecimento lento

Fase vítrea

Cristais

Temperatura detransição vítrea

fusão

Tg Tf

Temperatura de

Temperatura

Volume

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Na2O, K2O, K2O, Li2O, CaO.MgO e PbO. Com o aumento da quantidade domodificador, o número médio de ligações Oxigénio-Sílico que formam umaponte entre dois átomos de sílicio diminui como se segue:

Relação O/Si no vidro Ligações O/Si de ponte por átomo de silício

2 42,5 33 2

Duas ligações de ponte por átomo de silício poderiam corresponder, por exemplo,a uma estrutura de cadeia linear, e qualquer aumento posterior na quantidadede modificador reduziria o comprimento da cadeia. O efeito principal de ummodificador é baixar a temperatura de fusão e de trabalho, diminuindo aviscosidade.

As composições e propriedades de vidros típicos estão listadas no quadro II.2.O vidro de cal de soda, além da vantagem de ser feito com matéria-primabarata, tem também a conveniência prática das baixas temperaturas de trabalho.

Quadro II.2 - Vidros óxidos típicos

A maioria das operações de conformação de vidros (estampagem, desenho,etc.) começa à temperatura correspondente ao ponto de trabalho, mas podecontinuar enquanto o vidro arrefece. No ponto de amolecimento, um vidro podeainda deformar-se por causa do seu próprio peso. No ponto de recozimento, astensões podem ser removidas em tempo convenientemente curto (algunsminutos). A partir do ponto de deformação (ou em temperaturas mais baixas),um vidro pode ser arrefecido rapidamente sem introduzir tensões residuaispermanentes e perigosas.

TipoComposição, %peso

Propriedades ou usosSiO2 Na2O K2O Al 2O3 Outro

Vidro de cal de soda 72 14 - 1 9CaO Vidro de janela

Vidro de sílica 99,5 - - - 0,4 MgO Altas tmperaturas, baixocoeficiente de expansão

Vidro de sílica 96% 96,3 < 0.2 < 0,2 0,4 3B2O3 Comparável ao anterior

Borosilicato 80,5 3,8 0,5 2,2 13B 2O3 Resist. ao calor e a produtosquímicos

Cristal 54 1 8 - 37PbO Alto índice de refracção

Vidro de superfícieendurecida

55 16 2 19 4TiO2

2CaO

Vidro temperado;Automóveis

Pyrex 56 - - 20 15MgO Utensílios de cozinha

4TiO2

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A resistência do vidro pode ser aumentada por reforço superficial, no qual acomposição da superfície é mudada por meio de troca de iões. O artigo acabadoé fabricado a partir dum vidro cuja estrutura contém um catião pequeno, comoo do lítio. Depois, o artigo é colocado num banho de sal fundido que contém umcatião grande (sódio ou potássio) e é tratado por poucas horas numa temperaturaabaixo do ponto de deformação. Durante esse tempo, o ião grande substitui opequeno numa camada superficial de cerca de 0,1mm de espessura. Como astensões de tracção são a causa de falhas em vidros, o vidro reforçado pelasuperfície exibe um valor de resistência à tracção bastante aceitável.

Polímeros vítreos

As propriedades dos polímeros podem ser utilmente modificadas, combinandodois (ou mais) monómeros diferentes numa cadeia polimérica longa. Um métodode produzir tais copolímeros é a polimerização por adição na presença dosdois monómeros. Por exemplo, se monómeros do estireno e monómeros dobutadieno estiveram presentes na relação 1:3, a polimerização resulta numcopolímero contendo cerca de 25% de monómeros do estireno distribuídos aoacaso com monómeros de butadieno. Esse polímero é conhecido como SBR(borracha-estireno-butadieno) e é a fonte de borracha sintética para usos taiscomo em pneus. Se a relação de monómeros é invertida durante apolimerização, o copolímero resultante tem uma composição bem diferente e éum material duro com significativa fragilidade.

É verdade que o aço duma lâmina de faca é endurecido de modo que elafique afiada durante o uso, mas o mesmo aço era macio quando a lâmina dafaca estava a tomar forma no processo de forjamento. Assim, o aço é ummaterial especialmente útil porque é macio e trabalhável nalgumas condições,mas pode-se tornar duro e resistente por um tratamento térmico antes do seuuso.

Quantos dos objectos de aço comuns foram tratados termicamente? Pode-sefazer facilmente um teste de dureza por riscagens. Uma lata, um armáriometálico ou a chapa de um automóvel são constituídos por chapa que não terásido endurecida. Use a ponta duma lâmina de faca para fazer um pequenorisco na lata. Verá que riscará facilmente. Uma lâmina de barbear ou de serra,que estará endurecida, quase não será afectada pela faca. Como base paracompreender vários processos de endurecer metais, incluindo o endurecimentodo aço, consideraremos agora aspectos da falta de equilíbrio nos diagramasde fase.

Qual é a razão para que o ferro seja o metal mais usado? A resposta é simples:ele tem o menor custo. As formas mais baratas do ferro são os ferros fundidos,fabricados na sua fundição local refundindo o produto do alto forno (ferrogusa) e vazando-o na forma desejada. A estrutura de ferro fundido branco,que contém 3% em peso de C mais elementos de liga, pode ser facilmenteinterpretada usando-se o diagrama de fases Ferro-Carbono, fig. II.9.

Propriedade do Vidro

Polímeros Vítreos

LIGAS FERRO-CARBONO: AÇOS E FERROS FUNDIDOS

Aço

Ferro Fundido

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Por causa da grande quantidade de carboneto de ferro, o ferro fundido branco émuito duro, mas também é frágil. Nas zonas das peças onde a dureza énecessária para se ter resistência ao desgaste, procura-se formar pequenasregiões de ferro fundido branco em peças constituídas por outros tipos de ferrofundido. O uso principal do ferro branco, porém, é na produção de ferro fundidomaleável. O aquecimento prolongado do ferro fundido branco por volta de 850ºCproduz a reacção:

Fe3C (cementite)→ 3Fe + C (grafite)

Se o ferro fundido for então arrefecido lentamente até à temperatura ambiente,mesmo a cementite da perlite se grafitiza. A estrutura final do ferro fundidomaleável resultante, fig. II.9, consiste em partículas de grafite numa matriz defase x. A reacção da equação anterior mostra um aspecto surpreendente dasligas Ferro-Carbono.

Ferro Fundido Branco

Ferro Fundido Maleável

Fig. II.9 - Diagrama de fases ferro-carbono e fotomicrografias queilustram o comportamento sem equilíbrio de um aço eutectóide (0.8% C) e de ferros

fundidos típicos

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A grafite é uma fase estável: a cementite é somente metaestável. Não obstante,na maioria dos aços, e mesmo em muitos tipos de ferro fundido, a Fe

3C tem

estabilidade suficiente para existir por milénios a temperaturas moderadas.

O ferro fundido cinzento difere do ferro fundido branco por ter um teor um poucomaior de carbono (e também silício, um elemento de liga que promove agrafitização). Se o ferro líquido se solidificar de modo relativamente lento, serãoproduzidos flocos de grafite em vez da fase Fe3C. A microestrutura mostradana fig. II.9 resulta quando a matriz de fase γ se transforma em perlite (constituídapor lamelas paralelas de fase α e cementite). O ferro fundido cinzento temresistência relativamente baixa porque poderão ocorrer fissuras ao longo dosflocos de grafite de baixa resistência. São obtidas resistência e ductilidadebastante superiores se a grafite formar nódulos durante a solidificação (comoresultado da inoculação com adições adequadas de elementos de liga logoantes de vazá-lo). A microestrutura dum ferro fundido nodular típico está patentena fig. II.9.

O aço difere do ferro fundido por conter menos de 2% em peso de C;consequentemente, não ocorre nenhuma reacção eutéctica durante asolidificação do aço. Este é usado de modo limitado na forma de fundidos, masa maioria dos aços é empregue na condição trabalhada, como chapas ou barraspreviamente laminadas a quente a partir dos lingotes originais (vazados a partirdos fornos de fusão de aços).

A reacção eutectóide pode ser descrita de modo especialmente fácil para umaço com a composição eutectóide, ou seja, 0,8% em peso de C. A 900ºC(acima da horizontal eutectóide), esse aço consiste em grãos de fase γ(austenite), fig. II.9. Durante o arrefecimento lento (por exemplo, dentro do forno),ao passar pela horizontal eutectóide, a fase γ sofre a reacção eutectóide

γ → α + Fe3C (II.11)

e decompõe-se em perlite grossa, uma mistura de lamelas de ferrite (clara) ecementite (escura).

Por outro lado, se o arrefecimento ocorrer mais rapidamente (no ar), a fase γarrefece a uma temperatura mais baixa antes de se decompor em perlite. Essaperlite tem um espaçamento lamelar menor e é mais dura. Poderá ocorrer umareacção completamente diferente se um aço aquecido (até à fase γ) formergulhado em água. Ocorrerá uma transformação sem difusão próximo datemperatura ambiente e a produção de microconstituinte muito duro, amartensite.

Quando a liga líquida de 3% de peso em C alcança cerca de 1 250ºC, asolidificação começa com a formação de fase γ (austenite), que é uma soluçãosólida do carbono em ferro γ CFC. Logo acima da temperatura eutéctica, aanálise de fases é dada por:

Ponto: Liga de 3% em peso de C a 1150ºCFases: Austenite (γ) Líquido (L)Composições: 2% em peso de C 4,3% em peso de CQuantidades: (4,3-3,0)/(4,3-2,0) =0,57 1,00 - 0,57 = 0,43

Ferro Fundido Cinzento

Aços

Reacção Eutectóide

Dendrites

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A fase γ forma-se em dendrites (em forma de árvore), o que determina a formairregular do constituinte escuro da fotomicrografia. Durante o arrefecimentoposterior, o líquido sofre a reacção eutéctica e forma uma mistura de cementitee austenite; a austenite adicional soma-se às dendrites já formadas, em vez deformar um constituinte eutéctico separado com a cementite. Um eutécticodeste tipo é designado por eutéctico divorciado; a cementite aparece como umconstituinte branco entre as dendrites.

O estágio final da formação estrutural de um ferro fundido branco é a reacçãoeutectóide. Logo acima da temperatura eutectóide, a análise de fases é dadapor:

Ponto: Liga de 3% em peso de C a 750ºCFases: Austenite (γ) Cementite (Fe3C)Composições: 0,8% em peso de C 6,7% em peso de CQuantidades: (6,7-3,0)/(6,7-0,8) =0,63 1,00 - 0,63 = 0,37

A cementite não é afectada durante o arrefecimento, mas a austenite sofre atransformação eutectóide e transforma-se em perlite, a qual consiste numamistura íntima de quase 88% de ferrite e 12% de cementite. A perlite é omicroconstituinte escuro na estrutura do ferro fundido branco.

O método de produzir cerâmicos comuns (tijolos, placas, etc.) difere bastantedaquele usado para os materiais metálicos. O ferro, por exemplo, é reduzido apartir do seu minério (Fe2O3 mais impurezas) e é fundido numa operação noalto forno; e a maioria das impurezas, como SiO2 e Al2O3, fica no resíduo deescória. Um tijolo cerâmico, por outro lado, é feito a partir de argilas retiradasda terra e que contêm quantidades variáveis de impurezas. É adicionada águaà argila para produzir plasticidade para a operação de enformação; outrasmatérias-primas podem ser adicionadas para fins específicos, tais comopromover a formação duma fase vítrea. Depois de enformado e seco, o tijolo éaquecido (queimado) num forno (mufla) a uma alta temperatura. Os principaisgrãos cristalinos, como os de Al2O3, não se fundem, mas ficam ligados pelafase vítrea que se forma durante a queima. Outras mudanças importantes sãoa formação de poros e a transformação de várias fases cristalinas por meio dereacções de estado sólido.

Como já vimos para os sistemas em solução sólida NiO-MgO, os diagramasde fases são úteis para interpretar a estrutura dos cerâmicos. Também, duasreacções adicionais - a monotéctica e a espinoidal - são importantes para ocomportamento de muitos cerâmicos. Outras complexidades são a presençadas fases sólidas vítrea e cristalina, a ocorrência de estruturas sem equilíbrio ea existência duma dada composição em diferentes formas cristalinas(polimorfismo). Nesta secção, consideraremos vários desses aspectos emsistemas de cerâmicos típicos.

Cementite

CERÂMICOS

Polimorfismos

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Reacção monotéctica e decomposição espinoidal

O vidro comum é baseado na sílica, mas contém tipicamente vários

comportamentos adicionais. A relação de fases em tais vidros de muitos

componentes é, em geral, do tipo mostrado pelo diagrama mais simples de

dois componentes para o sistema SiO2-CaO. A porção desse diagrama com a

fase intermédia CaO.SiO2(CaSiO3) é fornecida na fig. II.10. A principal

característica é a reacção monotéctica:

L’ → α + L’’ (II.12)

A existência de duas composições líquidas L’ e L’’ requer um comportamento

não usual na região líquida do diagrama; a continuidade da fase líquida usual é

interrompida por um “hiato” no qual coexistem duas fases líquidas - um hiato de

miscibilidade. Ignorando por um momento as linhas tracejadas do diagrama,

consideremos as mudanças que ocorrem durante o arrefecimento de várias

composições nesse sistema sob condições de equilíbrio. As quatro

composições indicadas no diagrama são exemplos dos quatro tipos

qualitativamente diferentes de comportamento. As composições 3 e 4 não

passam pela horizontal monotéctica, elas só experimentam a solidificação do

tipo eutéctico, discutida anteriormente para o sistema Ag-Cu.

Os materiais cerâmicos estão frequentemente num estado de não-equilíbrio.

Para explicar as estruturas metaestáveis análogas àquelas que ocorrem no

vidro, linhas adicionais (tracejadas) foram adicionadas ao diagrama da fig. II.10.

Primeiro, o hiato de miscibilidade foi estendido pelas linhas de equilíbrio

metaestável, até temperaturas abaixo da horizontal monotéctica. Essa

construção reflecte o facto de que o processo de formação duma fase sólida

pode prosseguir de forma tão lenta que as fases líquidas (ou vítreas) podem

continuar a existir em temperaturas baixas com arrefecimento ordinário.

Reacção Monotéctica

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Fig. II.10 - Diagrama de fases do sistema SiO2 - CaSiO3, ilustrando um hiato demiscibilidade e as curvas espinodais. O diagrama foi simplificado pela omissão das

mudanças polimórficas das fases sólidas

O par mais interno de linhas tracejadas da figura supramencionada, chamadascurvas espinodais , inclui uma faixa de composição dentro da qual pode ocorrerum tipo especial de reacção, a decomposição espinoidal. Essa reacção fazcom que uma fase uniforme (como uma solução líquida) se separe num arranjode minúsculas regiões de aproximadamente 100Å, que apresentamcomposições diferentes. A separação de fases desse tipo ocorre na cerâmicavítrea listada no quadro II.2. Depois que o objecto de vidro foi enformado damaneira usual a temperatura elevada, a decomposição espinoidal ocorreespontaneamente durante o arrefecimento. As minúsculas regiões de faseresultantes incluem um tipo que é rico em TiO2. Aquecer o vidro a umatemperatura moderada produzirá microcristais ricos em TiO2, embebidos numamatriz vítrea. Quando a temperatura é aumentada, a matriz cristaliza-se nosmicrocristais. A estrutura final da cerâmica vítrea tem, então, granulação fina equase completamente cristalina.

Decomposição Espinoidal

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Sistemas multicompostos

Muitos materiais cerâmicos úteis (refractários, porcelanas, etc.) e ligas

metálicas (aço inoxidável, alumínio endurecível por envelhecimento, etc.) não

contêm apenas dois componentes importantes, mas três ou mais. Os princípios

que usamos para equilíbrio em sistemas de dois componentes aplicam-se

também a esses sistemas multicompostos, mas são observadas dificuldades

de dois tipos no uso prático desses princípios. Primeiro, a dificuldade de

determinar os dados para um sistema multicomposto de n componentes

aumenta grandemente quando n aumenta, e, portanto, existem relativamente

poucos diagramas ternários e muito poucos com maior número de componentes.

Segundo, a visualização de equilíbrio com vários componentes envolve espaço

multidimensional e torna-se cada vez mais difícil quando n passa de 3.

Materiais que possuem combinações especialmente úteis de propriedades

(peso, resistência mecânica e tenacidade) são frequentemente uma mistura

de dois ou mais constituintes bem diferentes. Um dos constituintes, ainda que

leve e resistente, pode ser muito frágil para ser usado sozinho. Outro constituinte

pode ser duro e dúctil, porém, apresentar resistência insuficiente. Quando

combinados adequadamente num material compósito, esses dois constituintes

podem formar um material com excelentes propriedades. Diariamente, servimo-

nos de muitos materiais compostos: osso, madeira e concreto são alguns

exemplos. Combinações simples de metais, cerâmicos e polímeros fornecem

correntemente novos materiais para extraordinárias exigências dos veículos

destinados à exploração do espaço extraterrestre ou da plataforma oceânica.

Ao discutir os vários aspectos do amplo assunto dos materiais compósitos,

podemos distinguir convenientemente três modos de combinação de dois

constituintes: compósitos de fibra, compósitos laminados e compósitos de

partículas.

Compósitos de fibras

A resistência dos materiais típicos aumenta grandemente se ao material é

dada forma duma fibra fina. No caso do vidro ou do polímero nylon (quadro II.3)

o aumento, ao passar duma barra ordinária para uma fibra, é mais que um

factor de 10.

MATERIAIS COMPÓSITOS

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Quadro II.3 - Características das fibras

A vantagem na resistência duma fibra é especialmente importante em materiaisque, como o boro e a grafite, têm grande rigidez elástica. Quando incorporadanum material compósito com uma matriz dúctil, essa fibra suporta a maiorparte da carga e é protegida contra fractura pela matriz circundante. Um exemploé o composto Borsic-Alumínio, onde a fibra de boro tem alta resistência erigidez com baixo peso, ao passo que a liga matriz alumínio confere ao compostoductilidade e tenacidade. Um comprimento contínuo da fibra de boro éinicialmente preparado por deposição da quantidade de boro sobre um fio detungsténio de 10 µm. À fibra aplica-se então uma camada fina de carboneto desilício (SiC) para completar a produção de fibras Borsic. Finalmente, fibrasBorsic alinhadas de modo adequado são embebidas por uma liga de alumínioao seu redor. Durante o uso em temperaturas elevadas, a cobertura de carbonetode silício retarda as reacções indesejáveis entre o boro e o alumínio.

Uma estrutura de fibra semelhante, mas em escala mais fina, pode ser produzidanuma liga eutéctica, fazendo com que a fase mais resistente tome a forma debarras longas dentro da fase dúctil. O procedimento usado para esse fim é asolidificação unidireccional, na qual se faz solidificar lentamente a liga líquidanuma direcção especificada (por exemplo, ao longo do comprimento dumalâmina de turbina de motor de avião a jacto). Os plásticos são mais resistentes,inclusive à distorção em temperaturas moderadas, quando reforçados comlongas fibras de vidro (material compósito largamente usado nos cascos debarcos e em mobília moldada).

O osso e madeira (de base polímérica) são compósitos de fibra que ocorremnaturalmente em biomateriais. O osso obtém a sua resistência a partir dumamatriz do mineral duro apatite (fosfato de cálcio) e a sua tenacidade a partir defibras curtas da proteína colágeno.

Devido à importância da madeira como material estrutural, é um bom exemplopara ilustrar uma propriedade universal dos compósitos de fibra a anisotropia -variação duma dada propriedade em função da direcção em que é medida. Seum pedaço de madeira for carregado em tracção na direcção longitudinal dasfibras, a resistência é cerca de 10 vezes maior que para o carregamento na

Fibras

Estrutura da fibra

Compósitos Naturais

MaterialTamanho

( µm)Resistência(107 N/m2)

Rigidez(1010 N/m2)

Densidade(103 kg/m 3)

Boro 100 300 45 2,4

Grafite 5 200 100 0,2

Vidro 10104(barra)

2007

88

2,52,5

Nylon 10104(barra)

707

0.30.3

1,11,1

Aço 25 300 20 1,9

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direcção radial. A rigidez elástica mostra uma anisotropia semelhante. Aexplicação desse comportamento está na natureza fibrosa da madeira, a qualpode ser vista de modo especialmente claro quando se corta uma tábua deuma árvore. As longas células tubulares são as células traqueóides, as quaissão compostas de longos polímeros fibrosos de celulose ligados por uma resinanatural, a lignina. As células traqueóides que se formam na Primavera (madeiraprimitiva) podem diferir em tamanho ou estrutura daquelas que se formam emposteriores estações do ano (madeira tardia). Essa diferença é visível na formade anéis. As células traqueóides longitudinais são intertorcidas com raios(medulares) - células orientadas radialmente. Naturalmente, a estrutura celularé mais capaz de suportar uma carga longitudinal de que uma carga transversal.

Compósitos laminados

Quando são necessárias boas propriedades em todas as direcções dum objectoplano, camadas finas dum material podem ser ligadas com um segundo materialpara formar um compósito laminado. Um exemplo bem conhecido é o aglomeradode madeira, no qual as camadas de madeira são empilhadas de modo que adirecção longitudinal fique em ângulos rectos em camadas adjacentes. Depoisde colado com um polímero termoendurecível, o composto resultante tempropriedades isotrópicas no plano da placa do aglomerado.

Quando um tecido (algodão, papel, mantas de fibra de vidro para fornos, asbestos,etc.) é usado como uma única camada, uma técnica semelhante de ligaçãoproduz os plásticos laminados. Estes têm a rigidez dum plástico e excelenteresistência por causa do reforço dado ao tecido. Outros tipos de compósitoslaminados empregam somente uma camada de um segundo material matrizou criam mesmo um novo efeito. Um exemplo desse comportamento é a tirabimetálica, resultado da junção de duas chapas de metais que mostramdiferentes expansões térmicas. Esse tipo de material compósito é a partefundamental do controlador de temperatura do forno caseiro. Quando atemperatura aumenta, a maior expansão de um dos metais faz com que a tiravenha reflectir elasticamente e a quebrar o contacto eléctrico.

Um material compósito visto em muitas cozinhas é o aço inoxidável revestidocom cobre (material utilizado, por exemplo, nas frigideiras). Uma simples camadade cobre no fundo de uma panela de aço inoxidável é suficiente para distribuir ocalor da chama de modo mais uniforme, por causa da alta condutividade térmicado cobre.

Compósitos de partículas

Já se considerou um exemplo desse tipo comum de material compósito noqual as partículas duras de poliestireno agem para reforçar a matriz de butadieno.A borracha dos pneus dos automóveis é, também, um desses compósitos.Neste caso, as partículas finas de negro fumo servem como fase reforçadora, eaumentam a resistência da borracha ao rasgamento e ao desgaste.

Os carbonetos de silício, permitem que os carbonetos duros (mas frágeis)sejam usados como ferramentas de corte, porque a matriz de cobalto (≈10%)confere a rigidez adequada a esse compósito. O compósito de partícula mais

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comum é o betão, que consiste em partículas grossas (cascalho ou pedramoída), partículas finas (areia) e a matriz de cimento (usualmente derivada decimento Portland). Os três constituintes sólidos são bem misturados com umaquantidade mínima de água necessária para obter a fluidez adequada. Depoisde o betão ser aplicado e consolidado, o constituinte de cimento “cura” porreacção com a água (hidratação). Essa reacção, que também ligas as partículasde reforço, já terá começado após algumas horas, mas requer semanas, oumesmo meses, para alcançar a resistência máxima.

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Os diagramas de fases são uma ferramenta indispensável para o técnico ou oengenheiro que lida com materiais. Este tipo de diagrama fornece informaçãofundamental sobre os domínios de solubilidade dos constituintes da liga, avárias temperaturas. Sabendo as características de cada fase, é possívelprever o comportamento do material quando solicitado numa aplicaçãoespecífica.

Os diagramas da fases permitem identificar eventuais transformações queuma dada liga pode sofrer, possibilitando uma utilização mais consistentedos materiais disponíveis.

Existem vários tipos de transformação, cada um originando propriedadesdiferentes nas ligas: transformação eutéctica, peritéctica e monotéctica. Nocaso das ligas ferro-carbono, surgem dois tipos de ligas fundamentais: osaços e os ferros fundidos. Os aços apresentam uma percentagem de carbonoem peso inferior a 2%, não sofrendo, por isso, a transformação eutéctica. Poroutro lado, tanto os ferros fundidos como os aços sofrem uma reacçãoeutectóide.

Os diagramas de fase apresentam as fases constituintes de uma dada liga auma dada temperatura, no caso de a liga ter arrefecido desde o estado líquidoem condições de equilíbrio. No caso de arrefecimentos mais rápidos, osdiagramas de fase também são úteis pois podem dar uma ideia docomportamento do material assim processado.

RESUMO

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Componente Prática



1. Embora o magnésio seja um material bastante leve, não é normalmenteutilizado em veículos espaciais. Porquê?

2. Por que razão o diagrama de um só componente apresentado na fig. II.1tem a designação de diagrama de fases ?

3. Se, na fig. II.1, P=1atm e T=800ºC, quantos graus de liberdade se podemutilizar mantendo o magnésio na fase sólida?

4. Indique duas diferenças entre o modo de solidificação de uma liga e deum componente puro.

5. Determine a temperatura liquidus, solidus e o intervalo de solidificação paraa liga 40% de MgO (fig. II.4).

6. Para a mesma liga do exercício solicitado no ponto 5, indique as fasespresentes a 2 600ºC, 2 300ºC e 1 800ºC.

7. Determine os graus de liberdade na liga do exercício solicitado no ponto5, às temperaturas de 2 600ºC, 2 300ºC e 1 800ºC.

8. Qual a composção eutéctica da fig. II.5 (em %atomica de Cu)? Essacomposição do líquido ocorre durante a solidificação de uma liga de80% atómica de Cu?

9. O polietileno não pode ser tratado como um componente do mesmomodo que o cobre. Porquê?

10. Em termos de estrutura, a fase líquida é mais semelhante à fase gasosaou a uma estrutura cristalina?

11. Que alteração ocorre na curva de volume vs. temperatura (durante oarrefecimento) na temperatura de transição vítrea Tg?

12. Qual o papel do Na2O e do CaO no vidro de cal de soda apresentado no

quadro II.2?

13. Qual a diferença entre polímeros termoplásticos e termoendurecíveis?

14. Em geral, o mesmo material pode ser utlizado como refractário e comoabrasivo. Quais as duas características comuns aos refractários e aosabrasivos?

15. Porque é que os diagramas de fase são também designados pordiagramas de equilíbrio?


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Componente Prática



16. Por que é que a falta de equilíbrio é mais provável de ocorrer em reacçõesque envolvem fases sólidas do que em fases líquidas?

17. Qual a distinção fundamental entre ferro fundido e aço?

18. Explique porque é que uma chapa de madeira se quebra mais facilmentenuma direcção?

19. Que porção de um material compósito contribui mais para aresistência mecânica: a matriz ou o material de reforço?

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Transformações de Fase

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3Transformações de FaseIEFP IEFP IEFP IEFP IEFP · ISQ ISQ ISQ ISQ ISQ

TTTTTecnoloecnoloecnoloecnoloecnologia dos Magia dos Magia dos Magia dos Magia dos Materiaisteriaisteriaisteriaisteriais III . 1III . 1III . 1III . 1III . 1

OBJECTIVOS


• Definir os objectivos e a importância das transformações de fase;

• Explicar os fenómenos de solidificação;

• Ler um diagrama TTT;

• Estabelecer a diferença entre transformações isotérmicas e polimórficas;

• Identificar as condições para um material ser tratável termicamente;

• Explicar o objectivo de uma têmpera;

• Explicar o objectivo de endurecimento por precipitação;

• Explicar o objectivo de um endurecimento por dispersão;

• Enumerar e caracterizar os vários tipos de tratamentos térmicos e os camposde aplicação;

• Estabelecer a diferença entre os vários tipos de recozimento.

TEMAS

• Transformações de fase

• Transformações isotérmicas e polifórmicas

• Transformações isotérmicas

• Transformações polifórmicas

• Mecanismos de endurecimento

• Têmpera e revenido nos aços

• Endurecimento por precipitação

• Endurecimento por dispersão

• Outros mecanismos de reforço

• Tratamentos térmicos

• Recozimento

• Normalização

• Patentagem

• Resumo


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Transformações de FaseIEFP IEFP IEFP IEFP IEFP · ISQ ISQ ISQ ISQ ISQ


A maioria dos materiais é sujeito a uma ou mais transformações de fase nocurso de fabrico. Por exemplo, o aço é fabricado no estado líquido e sofre umatransformação para o estado sólido ao arrefecer até à temperatura ambiente.Um tratamento térmico envolvendo a formação de uma estrutura cristalinadiferente pode ser efectuado com a finalidade de se aumentar a resistência,através de uma transformação de fase no estado sólido.

Um aspecto importante das transformações de fase é a sua ocorrênciaindesejada durante a utilização dos materiais. Apenas um número muitoreduzido de materiais é utilizado em condições de equilíbrio e, portanto, podemocorrer transformações de fase de vários tipos com velocidade apreciável,caminhando para o equilíbrio. As transformações de fase indesejáveis sãoespecialmente prováveis de ocorrer a altas temperaturas ou em ambientescorrosivos.

Dos muitos exemplos que ocorrem diariamente, consideremos a situação deretirar uma garrafa de refrigerante do congelador. Inicialmente, o líquido não sealtera, mas após uns momentos inicia-se a formação de cristais de gelo que seespalham rapidamente pelo líquido. O resultado final é uma mistura saborosade gelo aromatizado e líquido enriquecido. Este exemplo de uma reacção líquido-sólido ilustra três aspectos importantes das transformações de fase:

• existência de uma “força motriz” que incentivou a reacção do líquido, poiseste estava abaixo do seu ponto de solidificação;

• a reacção de solidificação foi impedida por uma barreira de formação inicial(nucleação) de minúsculos cristais (núcleos) de gelo. A pequena agitaçãoajudou a ultrapassar essa barreira;

• uma vez que a nucleação foi alcançada com sucesso, os núcleos cresceramrapidamente e formaram a massa final de gelo.

Pode-se então concluir que existe a necessidade de uma força motriz paraque se efectue qualquer transformação de fase.

Transformações isotérmicas

Consideremos o exemplo dos aços para melhor se ilustrar este tipo detransformações. Como se referiu, um aço pode ser endurecido por tratamentotérmico. Se a fase estável austenite de um aço eutectóide (0.8% C) for arrefecidalogo abaixo da temperatura de transformação em equilíbrio, ocorre umatransformação com difusão. Nesta transformação, o processo de crescimentoenvolve a reorganização da fase inicial em fases bem diferentes (ferrite ecementite).

TRANSFORMAÇÕES DE FASE

Congelação

TRANSFORMAÇÕES ISOTÉRMICAS E POLIMÓRFICAS

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A transformação da austenite num dado aço pode ser resumidaconvenientemente no diagrama TTT (tempo-temperatura-transformação) desseaço. O diagrama de um aço típico é ilustrado na fig. III.1(c). As curvas isotérmicasda fig. III.1(a) fornecem dados para construir um diagrama TTT. São utilizadasamostras de pequena dimensão, aquecidas por forma a se ter austeniteuniformemente na amostra, pelo que são mantidas a 850ºC. As amostras são,então, arrefecidas numa fracção de segundo até à temperatura de transformaçãoisotérmica (400ºC, no caso da figura). Após vários tempos de transformação,as amostras individuais são temperadas em água, polidas e examinadas aomicroscópio, para determinação da percentagem de transformação ocorrida.Os tempos de início (3s) e fim (300s) da transformação são, então, lançadosem gráfico ao longo da horizontal de 400ºC da fig. III.1(c), para ajudar a formaras curvas de início e fim que compõem todo o diagrama TTT.

O diagrama TTT consiste em duas áreas, correspondentes a tratamentos deaustenite arrefecida instantaneamente até uma temperatura onde a austenite émetaestável. Acima da temperatura Ms, a austenite sofre uma transformaçãocom difusão para uma ou duas fases estáveis, a ferrite e a cementite. Existemvárias regiões de transformação, como se ilustra na fig. III.1(c), mas umacaracterística comum é a curva de transformação isotérmica. Abaixo datemperatura Ms, a austenite transforma-se, sem difusão, para formar martensite.A quantidade de transformação aumenta com o sobrearrefecimento abaixo deMs (fig. III.1b), mas, numa dada temperatura, a quantidade característica datransformação fica completa em cerca de 10-6s. Por exemplo, quando aaustenite é temperada de 850ºC para 300ºC, forma-se 50% de martensite duranteo arrefecimento entre a temperatura Ms e 300ºC. Se a amostra for mantida aessa temperatura, não se forma virtualmente nenhuma martensite adicional.

Se o conteúdo de carbono num aço for inferior ao valor eutectóide (0,8%C),ocorre uma reacção proeuctóide quando a austenite for arrefecida a cerca de900ºC. No aço de 0.4% em peso de C (aço hipoeutectóide) da fig. III.1(c), areacção proeutectóide produz a fase ferrite. Para conteúdos de carbono maioresque 0,8% (aços hipereutectóides), a cementite pode-se formar durante oarrefecimento como uma camada frágil nos contornos de grão da austeniteoriginal.

Quando se temperam ferramentas de alto teor em carbono (brocas, facas,etc.), deve-se evitar a reacção proeutectóide. No tratamento térmico dos aços“hipo”, a ferrite proeutectóide pode formar uma rede de contornos indesejáveisse a taxa de arrefecimento for muito baixa.

A transformação isotérmica da austenite em temperaturas na faixa de cerca de350ºC a 550ºC produz o microconstituinte bainite. Tal como a perlite, a bainiteé uma mistura de ferrite e cementite, mas, ao contrário do crescimentocooperativo das duas fases que ocorre na perlite, o crescimento é iniciado pelaformação de placas de ferrite. A cementite forma-se, então, paralelamente àsplacas de ferrite ou no interior delas.

Diagrama ATT

Martensite

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ponente Científico-Tecnológica

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Fig. III.1 - Curvas experimentais típicas de (a) transformação isotérmica,(b) transformação no arrefecimento utilizada para a construção do (c) diagrama TTT

de uma aço

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Como se ilustra no digrama TTT da fig. III.1(c), a dureza de um dado aço aumentaà medida que o produto de transformação se forma a temperaturassucessivamente mais baixas. Uma causa importante desse comportamento,para além da diminuição dos espaçamentos entre as regiões de cementite, é oaumento correspondente da densidade de deslocações originadas por temposde solidificação extremamente curtos.

Transformações polimórficas

Um exemplo de transformações polimórficas (muitas formas) é o ferro, o qual éferro g (CFC) acima de 910ºC, mas é ferro a (CCC) abaixo dessa temperatura.Este polimorfismo no ferro leva, nas ligas Ferro-Carbono, a transformaçõesúteis da austenite nas várias estruturas que envolvem a solução sólida a (perlite,bainite e martensite). Outros exemplos importantes de metais polimórficos sãoo urânio, o titânio e o zircónio. Embora o polimorfismo seja relativamente raronos metais, é comum em compostos cerâmicos. Por exemplo, a sílica existeem sete formas diferentes.

Outro exemplo importante de cerâmico é a zircónia. Este óxido tem um elevadoponto de fusão (2 700ºC), e é quimicamente inerte, sendo por isso um materialatractivo para aplicações em cadinhos, permutadores de calor e bocais devazamento de metal fundido. Entre a temperatura de fusão e 2 370ºC, a zircóniatem uma estrutura cúbica, entre 2 370ºC e 1 100ºC tem uma estrutura tetragonale tem uma estrutura monoclínica abaixo de 1 100ºC. A transformação entre aestrutura tetragonal e monoclínica é realizada sem difusão (como a damartensite). Quando a forma monoclínica da zircónia é aquecida logo acima de1 100ºC, inicia-se a transformação para a forma tetragonal. A extensão datransformação aumenta quando a temperatura aumenta até cerca de 1 200ºC,passando a zircónia completamente para a forma tetragonal. De modosemelhante, se a zircónia tetragonal for arrefecida abaixo de 1 100ºC, atransformação para a forma monoclínica ocorre na faixa de temperatura até900ºC, quase independentemente da taxa de arrefecimento. Assim, um refractáriofeito de zircónia sofre uma transformação monoclínica-tetragonal cada vez quea sua temperatura passar de 1 100ºC, tanto no aquecimento como noarrefecimento. As duas formas polimórficas diferem em volume 7,5% e, portanto,a transformação repetida pode pôr em causa a estabilidade estrutural de umdado componente.

A solução deste problema envolve a estabilização da fase cúbica da altatemperatura pela adição de MgO ou CaO. O efeito destas adições é criar umagrande região de solução sólida cúbica, estendendo-se a temperatura bastantebaixa, até 1 400ºC. Embora a fase cúbica seja instável a temperaturas maisbaixas, podendo eventualmente transformar-se, essa transformação ocorre comdifusão necessitando de um certo tempo. Seriam necessárias cerca de10 horas, mesmo à temperatura que origina um tempo de transformação menor.Os refractários comerciais de zircónia estabilizada contêm cerca de 10%molde CaO e consistem em ambas as fases, cúbica e monoclínica, à temperaturaambiente. A fase cúbica tem suficiente estabilidade para se desprezar aocorrência de transformação em serviço normal. A presença da fase monoclínicaaumenta a resistência ao choque térmico.

Bainite

Transformações Polifórmica

Fase Monoclínica

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Em virtude da resistência adequada ser uma exigência primária da maioria dos

materiais, são utilizados vários métodos para aumentar a resistência dos metais,

polímeros e cerâmicos. O método mais comum é utilizar elementos de liga.

Um exemplo no caso dos metais, é a adição de zinco ao cobre para formar

latão. A presença de 30% em peso de zinco na solução sólida aumenta a

resistência à tracção do cobre em cerca de 50%. Outro método de endurecimento

muito utilizado é a deformação plástica permanente, como, por exemplo, a

laminagem e a trefilagem. A resistência de muitos materiais, incluindo a dos

compósitos, depende do pequeno tamanho das partículas ou fibras que reforçam

a matriz.Uma grande vantagem do aumento de resistência através de uma

transformação de fase relativamente a outros métodos, é o facto de que pode

ser aplicado a um objecto inteiro. Por exemplo, um eixo de um automóvel pode

ser maquinado no forma desejada enquanto o aço está macio. O tratamento

térmico posterior pode então fazer o aço sofrer as transformações de fase que

o endurecem e reforçam, enquanto que o eixo retém a sua forma original.

Têmpera e revenido nos aços

O tratamento térmico nos aços, com a finalidade de aumentar a resistência,

consiste habitualmente em duas operações. A primeira é a têmpera e a segunda

é o revenido. Na primeira fase, o aço é aquecido até formar austenite e depois

é arrefecido rapidamente formando-se martensite. Na segunda fase, a martensite

formada é tornada mais dúctil, sendo aquecida a uma temperatura relativamente

baixa.

O ferro puro, não contendo carbono, não pode ser temperado por tratamento

térmico. Com o aumento do conteúdo em carbono, a martensite obtida através

de uma têmpera adequada aumenta a dureza, como ilustra a fig. III.2.

O conteúdo em carbono de um aço também determina a temperatura necessária

para produzir a fase austenítica. Um aço com 0,4% de C em peso, se for

aquecido logo acima de 733ºC, contém apenas 50% de austenite. Para obter

100% de austenite durante um tempo de aquecimento convenientemente curto,

deve-se utilizar uma temperatura de cerca de 830ºC. Por outro lado, com aços

de alto teor de carbono, a austenitização pode ser realizada a temperaturas um

pouco acima da temperatura eutectóide. Essas temperaturas mais baixas têm

a vantagem de manter um tamanho de grão pequeno da austenite e, também,

reduzir a possibilidade de empenos e fissuras durante a têmpera do componente.

Endurecimento

MECANISMOS DE ENDURECIMENTO

Têmpera

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Fig. III.2 - Dados para ligas Ferro-Carbono mostrando o efeito do conteúdo de carbonona dureza da martensite e na temperatura para produzir a fase austenítica

O objectivo do tratamento térmico de revenido é diminuir a fragilidade damartensite e, também, aliviar o nível de tensões residuais internas produzidaspela contracção desigual da peça durante a têmpera. O revenido consistesimplesmente em tratar termicamente o aço temperado a temperaturas entre100ºC e 700ºC, durante cerca de 1 hora, por cada 25,4 mm de secção, edepois arrefecer lentamente. Por exemplo, o revenido a 200ºC modificacompletamente a martensite conferindo-lhe alguma ductilidade, mantendo quaseo mesmo nível de dureza. O revenido a 400ºC decompõe a martensite numamistura de partículas finas de cementite, numa matriz de ferro CCC. Estetratamento diminui significativamente a dureza, mas confere boa ductilidade.

Endurecimento por precipitação

Embora tanto o endurecimento do aço como o endurecimento por precipitaçãoenvolvam habitualmente dois tratamentos térmicos, os dois tipos deendurecimento são substancialmente diferentes.

O primeiro tratamento térmico para o endurecimento por precipitação, otratamento de solubilização, deixa a liga relativamente macia. Neste tratamento,o material é aquecido até uma temperatura alta para a dissolução de um oumais elementos de liga e é, depois, temperado, para que estes elementos semantenham em solução sólida. Esta situação contrasta com a de um aço emque os elementos, neste estado, conferem maior resistência ao material.

O material solubilizado é, então, aquecido – tratamento de precipitação – o quepermite que uma fase rica no elemento (ou nos elementos) de liga precipite apartir da solução sólida em condições controladas. Essa transformaçãoendurece o material. No caso dos aços, o revenido tende a conferir maiorductilidade ao material.

Revenido

Precipitação

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Duralumínio

A precipitação é um exemplo de transformação com difusão, e é capaz deendurecer qualquer metal ou cerâmico adequadamente ligado. Voltando ao casodos aços, o endurecimento martensítico dos aços é actualmente o único casoem que o material endurece por transformação sem difusão.

Um material em que é utilizado este tratamento de endurecimento porprecipitação é nas ligas de alumínio. O alumínio, quando ligado com elementostais como o cobre, silício e manganês, presta-se a este tratamento, resultandoligas com elevada resistência. As ligas Al-Cu constituem os duralumínios, cujaresistência é incrivelmente superior à do alumínio simples, que é utilizado, porexemplo, nos caixilhos das janelas. Estes materiais, também denominadosligas leves , têm aplicações onde a resistência é um factor preponderante, talcomo nas jantes dos automóveis.

Endurecimento por dispersão

O endurecimento por dispersão de metais e cerâmicos é produzido por pequenaspartículas de uma segunda fase, se o espaçamento entre partículas for, apenas,cerca de 100 Å. Ocorre então uma competição entre dois mecanismos para omovimento de uma deslocação ao longo do plano de escorregamento, contendopartículas da fase dispersa.

Quando o espaçamento entre partículas é grande, a deslocação pode-se arquearentre as partículas vizinhas, deixa de ser linha e passa a ser um anel em voltade cada partícula. A tensão de corte necessária a esse processo age contra atensão da linha de deslocação e é proporcional ao inverso da distância.

Quando o espaçamento entre partículas é suficientemente pequeno, a tensãonecessária para passar entre as partículas do modo descrito é maior do queaquela necessária para as cortar. A distribuição das partículas finas, que provocao endurecimento por dispersão, pode ser produzida por meio de precipitaçãoou aquelas podem ser misturadas mecanicamente com a matriz para formarum composto. Exemplo do último tipo são os pós de alumínio sinterizados eníquel com óxido de tório disperso (TD), que são constituídos, respectivamente,por partículas de alumina finas em alumínio e de óxido de tório.

Outros mecanismos de reforço

Existem diagramas de fases especiais que levam ao endurecimento peladecomposição espinodal e por meio de transformações ordem-desordem. Adecomposição espinodal dos vidros inorgânicos é um exemplo (fig. II.10). Umprocesso de endurecimento importante envolve a conversão de uma estruturavítrea para uma estrutura predominantemente cristalina (vitro-cerâmica: pyrex)por meio de um tratamento térmico adequado. Para esse fim, são necessáriasduas fases. Deve existir uma fase, em menor escala, com uma forte tendênciapara a cristalização, sob a forma de uma fina dispersão sobre a fase principal,que é uma fase relativamente estável. A separação de fases desse tipo podeocorrer de diversas maneiras, mas a decomposição espinodal parece ser ummecanismo especialmente efectivo. No pyrex ilustrado no quadro II.7, a faseem menor escala é um vidro rico em ThO2. Depois de conformar o vidro naforma pretendida, aquece-se a peça para que se dê a nucleação da fase emmenor escala, mas não na fase principal. Um aumento posterior da temperaturaproduz a cristalização da fase principal na imensidão de núcleos existentes, eresulta uma estrutura final de granulação fina e quase completamente cristalina.

Dispersão

Ordem-desordem

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O tratamento termomecânico é o uso combinado de trabalho mecânico e

tratamento térmico para produzir estruturas de alta resistência impossíveis de

obter por outro tipo de operação isolada. Um exemplo é o fio de aço patenteado,

feito por meio de trefilagem a frio de um aço que tenha sido tratado termicamente

para ter uma estrutura de perlite fina.

Para além da têmpera e revenido, existem tratamentos térmicos aplicados aos

aços, cuja finalidade não é o endurecimento, mas a homogeneização da

composição química e estrutura ou, ainda, o refinamento do grão. Estes

tratamentos térmicos baseiam-se em transformações de fase, sendo

fundamental para a sua realização uma análise cuidada do diagrama de fases

Ferro-Carbono e das curvas TTT do aço em causa. Um aspecto importante nos

tratamentos térmicos é a nomenclatura utilizada relativamente a temperaturas

e linhas do referido diagrama, e que é a seguinte:

A1 - temperatura de transformação austenite <=> perlite

A3 - temperatura de transformação de ferro a <=> ferro g

A4 - temperatura de transformação do ferro g <=> ferro d

Ac1 - temperatura a que se inicia a transformação da perlite em

austenite eutectóide, no aquecimento

Ac3 - temperatura em que termina a transformação da ferrite em

austenite, no aquecimento

Accm - temperatura a que se completa a solução da cementite na

austenite, no aquecimento

Actuando na composição química e na velocidade de arrefecimento, a partir da

fase austenítica podem obter-se as diversas microestruturas que deverão ser

seleccionadas de acordo com a utilização pretendida para o aço. Essas

microestruturas podem ser obtidas por tratamento térmico que pode ser simples

ou complexo, isto é, consistir numa operação ou série de operações durante

a(s) qual(is) se sujeita o material a um ou mais ciclos térmicos.

Um tratamento térmico envolve condições iniciais como velocidade de

aquecimento, temperatura atingida e manutenção desta, e condições que vão

decidir a estrutura final como velocidade de arrefecimento, temperatura a que

se processa a transformação pretendida e eventuais aquecimentos posteriores(fig. III.3).

Tratamento Termomecânico

TRATAMENTOS TÉRMICOS

Temperaturas Típicas

Tipos de Tratamentos

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Fig. III.3 - Esquema das condições de arrefecimento para diferentes tratamentos térmicos:1) recozimento anisotérmico; 2) recozimento isotérmico; 3) têmpera martensítica;

4) têmpera por etapas; 5) têmpera isotérmica bainítica

Recozimento

Este tratamento tem por fim restituir ao aço as características que foramalteradas por tratamento mecânico ou térmico anterior, regularizar as estruturasbrutas de fusão, obter estruturas favoráveis à maquinagem ou deformação afrio, atenuar heterogeneidades ou, ainda, eliminar ou reduzir tensões internas.

Define-se recozimento como o tratamento térmico que consiste noaquecimento e manutenção a determinada temperatura, seguido dearrefecimento lento, através do domínio de transformação perlítica.

Para que um recozimento seja correctamente efectuado, torna-se necessárioatender aos seguintes factores:

1. Aquecimento - A temperatura a atingir depende do tipo de recozimento aefectuar e da composição química do aço, particularmente do teor emcarbono. Quando se realiza um recozimento com austenitização completaé necessário que a peça seja austenitizada em toda a secção. Seintroduzirmos a peça à temperatura de austenitização para que ela fiqueaustenitizada sem problemas, será necessário que ela tenha pequenasdimensões. Contudo, se a peça é de grandes dimensões e de perfilcomplicado, este processo pode conduzir a estados de tensões perigosos,

Recozimento

Aquecimento

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no interior da peça, devidos à diferença de dilatação entre o centro e aperiferia da peça. Estas dilatações são consequência das diferenças detemperatura, pois a periferia atinge a temperatura do forno rapidamenteem relação ao centro, verificando-se a transformação da perlite emaustenite, em primeiro lugar, na periferia, e só posteriormente no centro.Estas variações de volume criam na peça um estado de tensão, que étanto maior quanto maior for o teor em carbono do aço, ou seja, quantomaior é a transformação perlite-austenite.

2. Estado da superfície do aço - Influencia também o tempo de duração doaquecimento. Assim, se um aço apresenta superfícies brilhantes, a duraçãodo aquecimento é duas a três vezes maior do que se tratar de superfíciesrugosas.

3. Tempo de permanência à temperatura escolhida - O tempo deve ser osuficiente para que toda a estrutura inicial se transforme e dê uma soluçãosólida de austenite homogénea. Essa permanência não deve ser demasiadapara evitar um crescimento de grão indesejável ou mesmo a queima domaterial, nem deve ser reduzida, pois a não-transformação da estruturainicial prejudicará os tratamentos posteriores e a estrutura final. Estesprocessos envolvem mecanismos de difusão, pelo que necessitam de umcerto tempo de manutenção. A duração deste estágio varia com a massadas peças, com a temperatura do tratamento, com o tipo de aço e com oestado inicial e final do material. O tempo de manutenção pode ser encurtado,desde de que, para tal, se utilizem fornos de sais em que a transmissão decalor se faz de um modo mais eficaz do que no caso de se utilizar fornos demufla.

4. Atmosfera do forno - A fim de evitar oxidações excessivas das superfíciesdas peças, ou mesmo descarburação do aço, torna-se necessário trabalharnuma atmosfera controlada ou protectora, ou sob vácuo, impedindo-se oacesso do oxigénio às peças introduzindo-as em caixas com um materialprotector (carvão, ferro fundido, cal).

5. Arrefecimento - O arrefecimento deve ser lento, de modo a permitir umatransformação na estrutura final, gradual e completa. Para isso, deixa-searrefecer as peças dentro do forno ou colocam-se em cal em pó, areiabem seca ou cinza, ou qualquer outro meio que assegure um arrefecimentolento. Este deve ser tanto mais lento quanto maior for o teor em carbono.Todavia, depois da transformação completa, cuja temperatura para avelocidade de arrefecimento considerada pode ser obtida do diagrama dearrefecimento contínuo, a peça pode arrefecer mais rapidamente, ou mesmoao ar. Na prática, o arrefecimento mais conveniente consegue-se fechandoas unidades de alimentação do forno e abrindo a porta até que se possamanusear o aço. Se se utilizar um forno contínuo, o aço é submetidogradualmente a regiões de temperatura cada vez mais baixas, podendomesmo, no final, ser mergulhado em água, desde que as peças não sejamde elevada espessura, pois neste caso podem-se criar tensões internas.

Existem vários tipos de recozimento, que variam essencialmente nos tempose temperaturas a que se sujeita o material, embora as propriedades finais do

Tempo de Recozimento

Atmosfera

Arrefecimento

Tipos de Recozimento

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aço sejam completamente distintas. Existem três grandes grupos de tipos derecozimento, que a seguir se indicam, assim como as suas característicasprincipais.

O Grupo I consiste nos recozimentos com homogeneização completa, sendoa temperatura atingida no aquecimento superior a Ac3 ou a Acm, para que sedê a austenitização completa. Dentro deste grupo, existem três sub-tipos derecozimentos: homogeneização, crescimento de grão e isotérmico.

O recozimento de homogeneização, também chamado de difusão, tem por fimmelhorar as propriedades das peças tratadas, à custa duma melhor distribuiçãoem toda a massa dos componentes químicos ou dos constituintes estruturais.No recozimento de crescimento de grão, pretende-se dar ao material maiorductilidade, para que possa ser mais facilmente deformável. O aumento dotamanho de grão resulta dum aquecimento a temperatura elevada, desde queultrapasse a temperatura de coalescência, dependendo do tempo depermanência a essa temperatura. O consequente aumento de tamanho degrão varia com o tipo de aço. No recozimento isotérmico, pretende-se reduzirnotavelmente o tempo de ciclo de recozimento, por um lado e, por outro, obtermicroestruturas melhor definidas devido a um melhor controlo da distânciainterlamelar da perlite.

No Grupo II englobam-se os recozimentos com austenitização incompleta, sendoa temperatura atingida entre Ac1 e Ac3. Neste grupo existem trêssub-tipos de recozimento: globulização, afinação de grão e isotérmico comaustenitização incompleta.

O processo de globulização baseia-se fundamentalmente num mecanismo dedifusão controlada, que provoca o arredondamento e o crescimento dos grãos,já que não existe a austenitização completa. Este tipo de estrutura globulizadaé útil nos aços para ferramentas (0,6 - 1,4% de carbono) e nos aços ligados,em que é necessário melhorar a sua maquinabilidade. Enquanto que osaços-carbono necessitam de globulização total (a presença duma pequenaporção de estrutura lamelar influencia drasticamente a maquinabilidade), osaços de baixo teor em elementos de liga necessitam apenas de umaglobulização parcial (50% de estrutura lamelar, 50% de estrutura globulizada).No recozimento de regeneração ou de afinação do grão, o aquecimento faz-seum pouco acima de Ac1, sem manutenção prolongada, seguindo-se umarrefecimento a velocidade conveniente, a fim de afinar ou regularizar o grão doaço. O grão final será tanto mais fino quanto o aquecimento e arrefecimento sesucederem mais rapidamente. Este tipo de recozimento permite aumentarsignificativamente a resistência de um aço sem diminuir a tenacidade (a têmperaaumenta a resistência mas torna o aço frágil).

O terceiro Grupo engloba os recozimentos subcríticos, nos quais a temperaturaatingida é inferior a Ac1. Dentro deste grupo destacam-se os recozimentos derestauração ou recuperação, de recristalização e de desgaseificação. Emboranos recozimentos subcríticos o aquecimento seja realizado a uma temperaturaabaixo da zona crítica, seguido de arrefecimento a velocidade conveniente, sãotambém considerados recozimentos, visto que a estrutura final é sempre maisestável.

Globulização

Recuperação

Homogeneização

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O recozimento de recuperação ou de restauração tem como objectivo recuperar,pelos menos parcialmente, as propriedades físicas ou mecânicas sem modificar,aparentemente, a estrutura. Se as tensões no material não forem muito elevadas,o recozimento de restauração é suficiente para as eliminar, senão totalmentepelo menos parcialmente, reduzindo assim a possibilidade de rotura do material(alívio de tensões). Este tratamento é normalmente aplicado a aços deformadosa frio, que contêm elevados níveis de tensões residuais devido ao trabalhomecânico neles exercido. No entanto, quando a deformação plástica sofridapelo material, durante o trabalho a frio, é elevada, o tratamento de restauraçãonão é suficiente para que o material readquira as suas propriedades anteriores.Neste caso, submete-se o material, também ou somente, a um tratamento derecozimento de recristalização. Este tratamento conduz o material a uma novaestrutura sem mudança de fase, obtendo-se uma melhoria da ductilidade euma perda de resistência. Neste recozimento formam-se novos grãos à custados grãos deformados e a sua dimensão, após tratamento, varia com o tamanhode grão original e com a quantidade de trabalho a frio realizado antes dorecozimento. O recozimento de desgaseificação consiste no aquecimento econservação a uma temperatura inferior a Ac1, conveniente para que se libertemos gases contidos no metal, em especial o hidrogénio, através do aumento dasua velocidade de difusão.

Apesar desta classificação atrás apresentada, existem termos técnicos comunsque completam a designação de recozimento , indicando o aspecto dasuperfície , sendo importante referi-los:

• recozimento branco (brilhante): é efectuado em atmosfera controlada, demodo que a superfície se apresenta isenta de óxidos ou apenas com levecoloração;

• recozimento negro : as condições ambientais levam a criar ou conservar,na superfície, óxidos negros e aderentes;

• recozimento azul : é feito a temperatura e ambiente tais que uma superfíciepolida se apresente no final recoberta de uma película de óxido aderentede aspecto azulado e brilhante;

• recozimento em caixa : operação feita num compartimento ou reservatóriofechado em condições de minimização de oxidação.

• recozimento duplo : quando se pretende obter um material com muitobaixa dureza, fazem-se dois recozimentos: o primeiro, em geral, deregeneração e o segundo subcrítico.

Normalização

Este tratamento consiste no aquecimento de peças a temperaturas de 25 a50°C acima da temperatura crítica de transformação Ac3 para os açoshipoeutectóides, seguindo-se o arrefecimento ao ar, após adequada manutençãoda temperatura durante um certo tempo (fig. III.3). Com a normalizaçãopretende-se alcançar uma estrutura homogénea e um grão fino, além daeliminação de irregularidades estruturais provocadas por tratamentos mecânicosa quente, e a eliminação de tensões residuais. A anisotropia devido à textura éconsideravelmente reduzida, assegurando uma melhor reproductibilidade daspropriedades.

Desgaseificação

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Nas peças grandes, a normalização substitui por vezes o recozimento, paraevitar que o arrefecimento muito lento dentro do forno dê lugar a um grãodemasiado grosso. A microestrutura final dos aços não-ligados é constituídapor perlite lamelar muito fina e grãos mais regulares do que os recozimentosde difusão. As características mecânicas são, portanto, superiores às dorecozimento.

Para alguns aços ligados, este tratamento permite uma estrutura de têmpera;são os chamados “aços de autotêmpera”, o que quer dizer que a velocidadede arrefecimento ao ar é demasiado rápida para se obter uma estrutura dodomínio perlítico. Nestes casos, a estrutura ferrito-perlítica só se conseguecom uma velocidade muito mais lenta (arrefecimento dentro do forno) ou porrecozimento isotérmico.

Patentagem

O tratamento conhecido sob o nome de “patentagem” não é mais que umrecozimento isotérmico em que a temperatura do banho para esse fim é decerca de 530°C, para um aço de 0,7% de carbono. Obtém-se uma microestruturaeutectóide, cuja perlite é muito fina e praticamente irresolúvel ao microscópioóptico.

Este tratamento térmico aproveita as notáveis características de ductilidade etenacidade das estruturas perlíticas finas. Consiste tipicamente numaaustenitização completa, seguida de arrefecimento em banho de sais a umatemperatura que garanta a transformação completa da austenite numa perlitemuito fina.

A resistência mecânica do aço, em geral aço-carbono ou carbono-manganês,de composição aproximadamente eutectóide, após este tratamento, não é aindacomparável à obtida por têmpera e revenido, mas o material tem uma óptimaductilidade.

Normalização

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O fenómeno de solidificação de um material é constituído por três passosfundamentais: a formação do embrião, a nucleação e a solidificação propriamentedita.

As ligas solidificam de modo distinto dos materiais puros. Devido à existênciado sobrearrefecimento constitucional, as ligas solidificam sob a forma decolunas e dendrites.

O controlo e conhecimento das transformações isotérmicas permitem obter aspropriedades finais pretendidas para um dado material, através de tratamentotérmico. Um dado material pode ser processado no estado bastante dúctil e,após se obter a forma final da peça, efectua-se um tratamento de endurecimento,o qual pode ser uma têmpera e revenido (nos aços) ou um tratamento desolubilização e precipitação (no caso dos duralumínios).

Os tratamentos térmicos dos aços (tratáveis termicamente) permitem a obtençãode um aço com as propriedades mais diversas. Os tratamentos térmicos derecozimento, normalização e patentagem são os mais utilizados industrialmente.

RESUMO

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Componente Prática



1. Quais os três factores que controlam um processo típico de transformaçãode fase?

2. Dê um exemplo mostrando que uma mudança polimórfica num materialpuro está relacionada a uma transformação de fases de uma liga baseadanesse material.

3. Indique pelo menos quatro métodos de aumentar a resistência de váriosmateriais.

4. Qual a principal finalidade de um tratamento de revenido de um açotemperado?

5. Cite três mecanismos de reforço de materiais (excepto a têmpera e aprecipitação).

6. Qual a grande diferença entre um tratamento térmico de recozimento eum tratamento de normalização?

7. Em que se baseiam os tratamentos térmicos? Todos os materiais sãotratáveis termicamente?

8. Qual a informação que se pode obter de um diagrama TTT?

9. O que entende por martensite?

10. O que distingue a martensite da bainite?

11. O que entende por transformação polimórfica?

12. Quais as consequências de um tratamento de têmpera?

13. Se um aço está exposto a temperatura elevada durante muito tempo, qualo tratamento térmico a efectuar para reabilitar este aço?

14. Ao aumentar a percentagem de carbono num aço, quais as consequênciasem termos de têmpera?

15. Que tipos de recozimento existem?

16. Quanto à superfície como se podem classificar os recozimentos de umaço?


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Propriedades Mecânicas

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3Propriedades MecânicasIEFP IEFP IEFP IEFP IEFP · ISQ ISQ ISQ ISQ ISQ

TTTTTecnoloecnoloecnoloecnoloecnologia dos Magia dos Magia dos Magia dos Magia dos Materiaisteriaisteriaisteriaisteriais IV . 1IV . 1IV . 1IV . 1IV . 1

OBJECTIVOS


• Explicar os objectivos e a importância do conhecimento das propriedadesmecânicas dos materiais;

• Definir o conceito de tensão e aplicá-lo à selecção de um material;

• Identificar deformação elástica, plástica e viscoelástica;

• Explicar a importância de tensão de cedência e tensão de rotura;

• Explicar o signifcado prático de módulo de Young;

• Desenhar a curva típica de deformação de um aço, de um cerâmico e deplástico;

• Distinguir o comportamento mecânico de um aço macio e um açotemperado, e relacioná-lo com as propriedades mecânicas;

• Explicar o significado de coeficiente de encruamento;

• Identificar o ensaio mecânico mais adequado para a selecção de ummaterial numa aplicação específica;

• Estabelecer a relação entre propriedades mecânicas e resistência aodesgaste.

TEMAS

• Tensão e deformação

• Deformação elástica

• Deformação plástica

• Deformação viscosa e viscoelástica

• Carácter de escoamento plástico

• Ensaios Mecânicos

• Ensaios de dureza

• Ensaios de fadiga

• Ensaio de flexão transversal

• Desgaste, desbaste e maquinagem

• Resumo


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Propriedades MecânicasIEFP IEFP IEFP IEFP IEFP · ISQ ISQ ISQ ISQ ISQ


As propriedades mecânicas de um material influenciam determinantemente asua aptidão para uma dada aplicação. Para melhor se compreender o quesignifica resistência mecânica, é útil o conhecimento dos fenómenos dedeformação dos materiais.

A não-deformação dos materiais parece descrever mais precisamente ocomportamento de objectos materiais úteis, como uma cadeira, uma mesa e opiso sobre estes objectos. De facto, esses objectos robustos deformam-se umpouco à medida que são usados, mas essa deformação não é notada; cadaum sofre uma deformação elástica. Pode-se demonstrar facilmente ascaracterísticas essenciais da deformação elástica usando uma fita elásticacomum. Enrola-se uma fita de borracha num gancho suspendendo na outraextremidade um peso (talvez uma chávena) que faça a fita esticar-semoderadamente. Se o comprimento da fita de borracha for de 100 mm antes docarregamento e depois da chávena pendurada for de 150 mm, a deformaçãoelástica é:

variação do comprimento ∆L 150 - 100 = = = 0,5 (50%)

comprimento original Lo 100

Se o peso das chávenas for duplicado (duas chávenas), a deformação é odobro da anterior, ou seja, 100% em vez de 50%. Isto é, a deformação éproporcional ao peso (força aplicada). Quando se remover a força, adeformação desaparecerá e a fita de borracha retornará ao comprimento inicial.Esta experiência simples evidencia duas características principais dadeformação elástica: a) a deformação é proporcional à tensão aplicada (forçapor unidade de área), e b) a tensão é recuperada quando a tensão é removida.A curva tensão versus a deformação para a borracha da fig. IV.1 mostra ocomportamento elástico até uma deformação de cerca de 300%.

Pode-se realizar uma experiência semelhante com um pedaço de aço comuma área da secção praticamente igual à da fita de borracha. (abrindo umclips de aço apenas na dobra central, tem-se uma amostra de aço com umgancho na extremidade). O peso de uma chávena provoca novamente umadeformação elástica, mas essa deformação é tão pequena (menos de 1 µm)que o olho humano não detectará. Deformações semelhantes e extremamentepequenas ocorrem durante o uso corriqueiro da maioria dos materiaisestruturais. A curva tensão versus deformação da fig. IV.1 para o aço mostracomportamento elástico somente até uma deformação de 0,1%. A tensãocorrespondente é, no entanto, bastante grande e corresponde à colocaçãode 5 kg no clips.

Embora os equipamentos e as estruturas sejam, na sua maioria, projectadaspara operar dentro da faixa de comportamento elástico, as tensões podem,acidentalmente, elevar-se a valores muito altos (como numa colisão deautomóvel). A deformação elástica pode ser seguida directamente pela fractura,

TENSÃO E DEFORMAÇÃO

Deformação

Tensão

Resistência

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como é mostrado pela curva tensão versus deformação para Al2O3 na fig. IV.1,representativa de materiais cerâmicos à temperatura ambiente. Do ponto devista da segurança da operação, um comportamento mais desejável é adeformação plástica, ilustrada na fig. IV.1 pela deformação extensiva do açoantes da fractura. A deformação plástica (como um pára-choques amachucadodum automóvel) é permanente, ao contrário da deformação elástica, não sendorecuperável quando a tensão que provocou a deformação é removida.

Fig. IV.1 - Curvas de tensão de tracção vs. deformação, ilustrando quatro tipos decomportamento durante a deformação: (a) elástica; (b) plásticas (antecedida de elástica);

(c) elastomérica e (d) viscoelástica.

Os materiais poliméricos exibem muitos tipos de comportamento pós-elástico ,dependendo da sua composição e estrutura. Uma borracha reticulada, porexemplo, desvia da proporcionalidade entre tensão e deformação acima deuma deformação de 300%. A deformação nessa faixa é denominadaelastomérica . Quando a tensão é removida, as deformações muito grandesenvolvidas são totalmente recuperadas, porque as largas moléculas de polímerosão reticuladas. Na ausência de ligações cruzadas, as cadeias podem deslizarumas em relação às outras e produzir deformação plástica. Os dados para opolimetilimetacrilato (Lucite) ilustram a deformação típica de um polímero amorfo.A curva tensão versus deformação seria significativamente diferente se avelocidade de carregamento fosse apreciavelmente mais rápida ou mais lenta.Essa é uma característica do comportamento viscoelástico, o qual envolvevários mecanismos, mas tem como característica uma dependência pronunciadada velocidade de carregamento e, também, da temperatura.

Comportamento Elástico

Fractura

200 400 6000 800

5 10 150 25200

5

10

15

20

25 x 107

0

0,5

1,0

1,5 x 107

(a) Al2O

3

(b) Aço macio

Deformação plástica

Deformação elástica

(c) Borrachanatural cruzada

(leia ↑→)

(d) Polimetil-metacrilato(ensaiado a122º C)

Deformação nominal ( ∆L/Lo) x 100, em %

Deformação nominal ( ∆L/Lo) x 100, em % (escala para borracha)

Tens

ão n

omin

al F

/Ao,

N/m

2

Tens

ão n

omin

al (

F/A

o,N

/m2 (

esca

la p

ara

borr

acha

)

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Existem dois conceitos fundamentais na deformação elástica dos materiais: adefinição de tensão e a definição de deformação.

A causa física da deformação é sempre uma força F. Para tratamentosquantitativos, o seguinte conceito de tensão tem várias vantagens:

σ (tensão) = F/A (IV.1)

Não é somente a área A da amostra que se tem em conta, mas também astensões, que podem representar adequadamente a “condição de solicitação”que existe nos vários locais do material. Esta definição de tensão permitecomparar características dos materiais independentemente da geometria edimensão. Por exemplo, se um varão de aço de 100 mm2 de secção solicitadopelos extremos suporta uma força de 100 kg, então um varão do mesmo materialcom uma secção de 1 000 mm2 suporta 1 000 kg.

Embora tensão e deformação ocorram simultaneamente, os dois conceitossão diferentes: tensão é força por unidade de área e deformação édeslocamento. Mais exactamente, a deformação mede o deslocamento depontos de um corpo em relação aos pontos vizinhos. Se toda a amostra semover (deslocar) ao longo de uma mesa ou se um disco girar, não se produzqualquer variação na distância entre pontos do corpo; esses movimentos sãoconhecidos como “movimentos do corpo rígido”. Os movimentos globais dospontos dum corpo podem ser decompostos em a) movimentos do corpo rígidoe b) deslocamentos que dão lugar a mudanças de forma e dimensões.

Muitos materiais tecnicamente importantes a temperaturas usuais (metais,cerâmicas, polímeros cristalinos, madeira) comportam-se elasticamente comtensões aplicadas relativamente pequenas. A deformação elástica é simples,porque a dependência do tempo é desprezível e a influência da temperaturaestá parcialmente incluído nas constantes que descrevem o comportamentodum dado material.

A lei de Hooke descreve quantitativamente a relação linear entre ascaracterísticas de tensão e deformação da deformação elástica. A forma bemconhecida da lei de Hooke é σ = Eε para deformação à tracção (e àcompressão); a constante de proporcionalidade E é conhecida como módulode Young. Pelo facto de se pretender, em geral, calcular a deformação, essaequação é normalmente escrita como:

ε = σ/E (IV.2)

Tensão

Deformação Elástica

Lei de Hooke

DEFORMAÇÃO ELÁSTICA

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Para aplicações em aeronaves espaciais, onde a leveza é importante, o factorde projecto apropriado envolve a densidade:

Módulo de Young ERigidez específica = = = N.m/kg

densidade ρ

Com respeito a esse factor, o boro é superior ao aço numa relação de190/25≈ 8, de acordo com os dados do quadro IV.1.

Isso significa que a um elemento estrutural pode ser dada a resistência desejada

à deformação elástica (rigidez) somente com um oitavo de peso de boro, em

comparação a um projecto semelhante de aço. O compósito Borsic-Alumínio

toma vantagem da alta rigidez específica do boro. Os compósitos que empregam

grafite ou alumina em fibra oferecem uma vantagem ainda maior.

Quadro IV.1 - Propriedades elásticas de materiais representativos,à temperatura ambiente

Rigidez

Materiais Módulo de Young Rigidez específica

1010 N/m2 106 N.m/kg

GrafiteAluminaBoroCarboneto de TungsténioPyrexVidro de SílicaLigas de AlumínioAçoTungsténioMadeira: longitudinal radial tangencialLigas de CobreNylonPolietileno

100230456510872041

10.070.06120,30,04

5 000580190463932262521

1611

133

0,4

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Em contraste com a simplicidade da deformação elástica, a deformação plásticaocorre de vários modos distintos. No entanto, o resultado final é sempre adeformação permanente. Um exemplo típico é a enformação duma peça dacarroçaria dum automóvel, como o tecto. Nesse processo, uma potente bombahidráulica dobra uma chapa plana de aço sobre os contornos duma forma maciçade aço adequada, chamada “matriz”. Quando a pressão é removida, a chapade aço retém essencialmente a forma que foi dada pela matriz. Consegue-se omesmo tipo de deformação plástica quando se dobra e se deformapermanentemente um clips de aço. Pode-se observar um tipo bem diferente dedeformação plástica esticando um pedaço de película de polietileno, porexemplo, ou de embrulho plástico de alimentos. Sob deformação pequena emomentânea, a película comporta-se elasticamente, mas se se mantiver amesma força por um tempo mais longo, ver-se-á a película plástica aumentarde tamanho. A deformação dum clips depende somente da tensão aplicada; adeformação dum plástico típico depende da velocidade e da duração da aplicaçãoda força, assim como da tensão. Para entender essa diferença básica decomportamento, deve-se considerar primeiro a deformação dependente dotempo.

Deformação Viscosa e Viscoelástica

Tomando como exemplo o caso do vidro, tem-se que este material possui umescoamento viscoso, sendo a taxa de deformação proporcional à tensãoaplicada. A equação seguinte relaciona a tensão aplicada σ com a taxa dedeformação dε/dt, para o escoamento viscoso newtoniano,

dε/dt = σ/η (IV.3)

onde η é o coeficiente de viscosidade. Essa equação, com valores adequadosde η, descreve a deformação duma larga variedade de materiais. Esta equaçãoaplica-se, é claro, a virtualmente todos os líquidos, incluindo os metais líquidos,vidro líquido e polímeros fundidos típicos. No entanto, aplica-se também aosmateriais sólidos sob certas condições, como de seguida se descreve.

O comportamento viscoso dum polímero é significativamente diferente daqueleobservado no vidro, por causa das diferenças na estrutura. O vidro de sílicatem a estrutura onde cada átomo está fortemente ligado na sua posição. Asligações individuais são ocasionalmente rompidas por energia térmica; napresença duma tensão aplicada, as ligações reformam-se com vizinhosdiferentes, permitindo com isso a ocorrência de deformação permanente. Numpolímero, contudo, o processo termicamente activado não é o rompimentoduma ligação forte da cadeia, mas apenas a alteração do ângulo entre átomosde carbono da cadeia (deformação elástica) e o deslize de uma cadeia emrelação aos seus vizinhos (deformação permanente). Consequentemente,quando uma tensão é aplicada a um polímero amorfo, a taxa de deformaçãoresultante tem tanto uma componente elástica como uma viscosa.

Comportamento Plástico

DEFORMAÇÃO PLÁSTICA

Deformação Plástica

Comportamento Viscoso

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Mesmo os materiais cristalinos, como o aço, podem deformar-se de maneiraviscosa, mas apenas sob pequena tensão a temperaturas altas, próximas doponto de fusão. Uma tensão muito baixa para produzir o escorregamento entreplanos atómicos é capaz de influenciar na maneira como ocorre o movimentode deslocações, causando assim a lenta deformação conhecida como fluência .A fluência obedece à lei do escoamento viscoso e a taxa de deformação éproporcional à tensão durante a maior parte da deformação por fluência.

No ensaio de tracção simples de um pedaço de embrulho plástico, adeformação de muitos polímeros está numa larga região de transição entre ocomportamento perfeitamente elástico e o idealmente viscoso. Emtemperaturas acima da transição vítrea Tg, a componente viscosa torna-semais importante, e numa certa faixa de temperatura o termo “deformaçãoelástica” escreve bem o efeito combinado dos dois mecanismos paradeterminar o comportamento observado. O comportamento viscoelástico éparticularmente evidente nos polímeros amorfos, e, portanto, o tratamentoseguinte focaliza principalmente esses materiais.

Se a um material elástico é dada uma deformação instantânea ε e (após umtempo arbitrário) a tensão no material deformado for medida, a relação entrea tensão e a deformação é dada pelo módulo de Young. Este resultado éindependente do tempo. Quando o mesmo tipo de experiência é realizadocom um polímero vítreo logo acima da sua temperatura de transição vítrea, omódulo M(t) correspondente deve ser escrito como:

M(t) = σ(t)/ε (IV.4)

À medida que o tempo de ensaio aumenta, M(t) diminui gradualmente porque atensão σ diminui quando o polímero altera gradualmente a sua estrutura internaem resposta à deformação constante ε.

Carácter de Escoamento Plástico

Como ilustra a fig. IV.1, o comportamento global da deformação dum material éfornecido convenientemente pela sua curva de tensão versus deformação. Osmateriais cerâmicos à temperatura ambiente, como a alumina, em geral mostramdeformação plástica desprezável. Para aqueles materiais (metais e polímeros)que experimentam considerável escoamento plástico, os dois valores seguintesde tensão são importantes: a tensão de cedência - a tensão com a qual começaa deformação plástica - e a resistência à tracção - a tensão nominal máximaque uma amostra pode suportar antes da fractura. A tensão de cedência éespecialmente significativa porque os equipamentos e estruturas devem, nasua maioria, operar na faixa elástica, e, portanto, a tensão com que a deformaçãoplástica ocorre em primeiro lugar é um factor importante de projecto. Geralmentea definição mais usada para a tensão de cedência é a tensão de cedência de0,2% de deformação plástica, ilustrada na curva de tensão versus deformaçãodo aço temperado da fig. IV.2 a).

Tensão / Temperatura

Deformação Instantânea

Tensão de Cedência

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É traçada uma linha recta paralela à porção elástica da curva, mas dela

deslocada por 0,2% ao longo do eixo das deformações. A tensão de cedência

é, então, definida como a tensão na qual a curva tensão versus deformação

cruza a linha paralela à elástica pela origem, mas deslocada de 0,2%. Nalguns

metais (como o aço macio, fig. IV.1) e em muitos polímeros (cristalinos,

especialmente) a tensão diminui quando começa a deformação plástica,

fig. IV.2 b).

Resistência à Tracção

Estricção

Fig. IV.2 - Curvas tensão vs. deformação ilustrando o significado da tensão de cedência

e resistência à tracção para dois tipos de comportamento à deformação

A resistência à tracção, como a tensão de cedência, aparece de modo diferente

na curva tensão versus deformação para os dois tipos de material mostrados

na fig. IV.2. Ela ocorre no fim da curva para a maioria dos materiais, mas

coincide com a maior tensão nominal (força dividida pela área inicial) para os

materiais que exibem o fenómeno de estricção ilustrado na fig. IV.3. Em ambos

os casos, a resistência à tracção representa a maior tensão nominal que um

material é capaz de suportar antes da fractura. Devido à importância dos

materiais metálicos para estruturas maciçamente solicitadas, o método analítico

ilustrado na fig. IV.3 é geralmente usado para aproximar a sua deformação

plástica.

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Fig. IV.3 - Ilustração esquemática das características de um comportamento plástico

No quadro IV.2 estão representadas as propriedades mecânicas de algunsmateriais. As constantes K e n são relativas à deformação plástica uniforme. Ocoeficiente n mede o aumento de resistência do material resultante dadeformação aplicada. A resistência aumenta devido ao ancoramento dasdeslocações nas fronteiras de grão e nas impurezas do material. Como énecessária uma energia superior para continuar o movimento das deslocações,a resistência do material aumenta, ficando encruado .

Encruamento

Material Tensão decedência

Constante K Coeficiente deencruamento

10 7 N/m2 105 N/m2

Aço macio recozidoAço com 0,6%C temperado e recozidoAço ligado laminado a frioAço inoxidávelCobre, recozidoLatão (70%Cu e 30%Zn)Alumínio recozidoLiga de Alumínio endurecida por precipitação

2152656068431

5012711012832901870

0,280,150,140,450,540,490,200,16

Quadro IV.2 - Valores de tensão de cedência, constante K e coeficientede encruamento para metais e ligas representativas

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A resistência e a ductilidade de um dado material industrial variam bastante,dependendo dos detalhes da sua composição e tratamento. Os dados referentesa ensaios de tracção mostrados no quadro IV.3 podem servir de exemplo. Emborao nylon em forma de fibras extrudidas tenha alta resistência à tracção, estematerial não-extrudido tem resistência inferior a um décimo, mas alonga-semais de 300% antes da fractura. De modo semelhante, a resistência dum açonão-temperado é apenas cerca dum terço daquela do aço temperado, emboraa sua ductilidade seja maior por um factor de cerca de 5. Variações menosdrásticas das propriedades ocorrem de lote para lote em materiais usados emoperações de produção em massa, sendo empregados vários testesespecializados para verificar se um dado lote está adequado para a fabricaçãoe para o subsequente uso. Por exemplo, uma chapa de aço que vai ser usadana carroçaria dum automóvel pode sofrer um teste de estampagem quandoum punção faz a chapa adquirir uma forma côncava. A severidade daestampagem é de tal forma determinada que um aço impróprio à operaçãoindustrial de enformação apresenta fissuras durante o ensaio.

ENSAIOS MECÂNICOS

Quadro IV.3 - Resistência e ductilidade de materiais representativos,à temperatura ambiente

Ensaios de Dureza

Uma vez que um dado tipo de material tenha sido caracterizado adequadamentee a sua performance num processo de enformação tenha si determinada, oensaio de dureza pode servir como um controlo conveniente e barato para aprodução rotineira. Um instrumento típico (fig. IV.4) usa uma carga conhecidapara forçar um penetrador numa área plana e lisa do material a ser ensaiado.

Quando a carga é removida após um tempo fixo, cerca de 10 segundos, omostrador indica o número de dureza correspondente à profundidade dapenetração do penetrador. Pelo uso duma carga apropriada e de um tipo própriode penetrador, pode ser obtida uma medida sensível de dureza para materiais

Material Tensão decedência

Elongação àfractura

Resistênciaespecífica

107 N/m2 % 10 3 N.m/kg

Fibras de nylonLigas de TitânioPlásticos reforçados com fibra de vidroAço TemperadoLigas de AlumínioAluminaPoliestirenoMadeira, longitudinal

9015060

200502071

4010351002

0,5

800320300250180806015

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que vão desde polímeros macios até cerâmicos duros. A técnica do ensaio demicrodureza permite um ensaio semelhante de microconstituintes individuaisvistos ao microscópio. Uma classificação de dureza usada principalmente paraminerais é a escala Mohs de dureza (quadro IV.4) - baseada na capacidadeque tem uma substância dura de riscar outra mais mole. Por exemplo, o vidrocomum riscará o ferro ou o cobre, mas uma lima de aço temperado pode serusada para riscar vidro.

Escala de Mohs

Quadro IV.4 - Escala de durezas de Mohs

Fig. IV.4 - Máquina de ensaios de dureza Rockwel

Mineral de referência Número de Mohs Exemplos típicos

Talco

Gipsite

Calcite

FluoriteApatite

FedspatoQuartzoTopázioCorundumDiamante

1

3

5

6 7 8 9 10

ChumboPolieti lenoPoliprolenoAlumínioUnhaCobreClips

Vidro de cal de sodaVidro de sílicaAço temperado

Carboneto de tungsténio

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Quadro IV.5 - Escala comparativa dos vários ensaios de dureza

Ensaios de fadiga

Uma condição comum de serviço (num eixo de automóvel, por exemplo) envolve

muitas repetições ou reversões da tensão aplicada. A deformação plástica

ocorre, então, apenas numa escala microscópica, mas leva eventualmente à

fractura por fadiga. O parâmetro apropriado de projecto, a resistência à fadiga,

é obtido a partir de ensaios que simulam as condições de serviço.

Fadiga

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Fig. IV.5 - Curva S-N típica obtida num ensaio de fadiga

Numa máquina típica de ensaios de fadiga, um corpo de prova especialmente

preparado é sujeito a repetições dum ciclo pré-estabelecido de solicitações,

com a tensão máxima alcançando um valor fixo S. O corpo de prova sofre

fractura após um número N de ciclos. Quando são traçados os pares de valores

(S,N), fig. IV.5, a curva para a maioria dos materiais aproxima-se a uma assíntota,

o limite de fadiga. Abaixo dessa tensão, um corpo de prova pode suportar um

número infinitamente grande de ciclos sem se romper. O limite de fadiga

determinado por ensaios de laboratório é geralmente menor do que a tensão de

cedência. Deve ser usado um valor ainda menor de tensão para fins de projecto

por causa do efeito adverso da rugosidade superficial, de riscos ou de pequena

corrosão da superfície.

Ensaio de flexão transversal

Para materiais frágeis, a preparação e o ensaio adequado de corpos de prova

de tracção são difíceis; mas é geralmente empregado um ensaio de flexão

mais simples, porém menos preciso. O material (como uma cerâmica estrutural

ou um carboneto sinterizado) é preparado na forma dum corpo de prova longo,

com secção circular ou rectangular. O corpo de prova é suportado em dois

pontos separados pela distância L e é carregado no centro ou próximo das

extremidades, como na fig. IV.6.

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Fig. IV.6 - Dois tipos de carregamento utilizados em ensaios de flexão de barras longasde materiais frágeis

Na fórmula:

σmax = M . c/I

M é o momento flector máximo, c é a distância do centro do corpo de prova àsfibras mais externas e I é o momento de inércia da secção . No carregamentode três pontos, a tensão máxima de tracção ocorre apenas nas fibras inferioresimediatamente abaixo da força aplicada. No carregamento de quatro pontos, atensão máxima de tracção ocorre nas fibras superiores em toda a extensãoentre os dois suportes. Em virtude da fractura tender a ocorrer na região detensão máxima de tracção, o ensaio de carregamento em quatro pontos requeruma área maior do corpo de prova e fornece resultados mais uniformes. Àmedida que a força aumenta gradualmente durante o ensaio de flexão, os dadossignificativos obtidos são a deflexão máxima antes da fractura e o valor de σmax

com o qual ocorre a fractura, conhecido como resistência à flexão ou módulode ruptura .

Desgaste, desbaste e maquinagem

Quando se escreve com um lápis, está-se a fazer bom uso do fenómeno dedesgaste. Em geral, desgaste é a perda de material a partir de superfíciesdeslizantes em contacto. Na sua maioria, os exemplos de desgaste sãoindesejáveis; por exemplo, o desgaste dos travões. Por outro lado, as lentes deóculos são desbastadas e polidas graças a processos de desgaste.

O tipo mais importante de desgaste em componentes comuns é o desgasteadesivo , em que pequenas áreas de contacto sofrem deformação plástica eformam uma soldadura momentânea entre os dois materiais. Quando a soldaduraé rompida pelo deslizamento, a fractura tende a ocorrer no material mais macio.Por essa razão, um material mais duro geralmente sofre menor desgaste queum material mais macio.

Flexão

Desgaste

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Exemplos de desgaste adesivo ocorrem nos travões de um automóvel. O eixode aço do motor eléctrico do frigorífico é sustentado em cada extremidade porum casquilho, que consiste num disco duma liga macia como o bronze (90%Cu-10%Sn), contendo um orifício central para o eixo de aço. Para reduzir o atrito eajudar a remover os produtos do processo de desgaste, a maioria dos eixos élubrificada com óleo. Os eixos dum frigorífico são excepcionais, pois neles háum fornecimento de óleo no metal poroso, especialmente preparado, do eixo;os eixos autolubrificantes desse tipo podem operar sem maior atenção à vidado motor.

Os rubis do relógio são um exemplo do uso dum material cerâmico (Al2O

3,

neste caso) como eixos para metais. Por causa da sua elevada dureza, a taxade desgaste dos eixos cerâmicos é baixa. Também, devido à dissemelhançade ligação nos metais e nas cerâmicas, a soldadura é minimizada, o atrito épequeno e a lubrificação pode ser desnecessária. Os rolamentos de esferas eroletes diferem dum casquilho porque usam o princípio do atrito por rolamento.A sua principal desvantagem é o alto custo inicial.

Os materiais poliméricos são empregados para resistir ao desgaste de váriasmaneiras. O nylon e o teflon são úteis como casquilhos porque são inertes amuitos produtos químicos. O teflon tem ainda a vantagem de ser capaz deoperar sem lubrificante líquido, isto porque tem, em certas condições, umcoeficiente de atrito menor que qualquer outro material. O teflon também éusado como uma mistura composta com pó de bronze.

O desgaste erosivo descreve o desgaste produzido por partículas carregadasnuma corrente líquida ou gasosa: o jacto de areia é um exemplo. Polímerosdo tipo borracha são a escolha comum em aplicações que envolvam essetipo de desgaste, pois são capazes de se deformar elasticamente com oimpacto. Outras escolhas são materiais extremamente duros como o carbonetode tungsténio ou alumina.

O desgaste abrasivo - produzido pela acção de corte de partículas duras - é abase das operações de desgaste, como aquelas usadas na fabricação de óculos.As partículas abrasivas podem ficar fixas, como numa pedra de esmeril, oulivres, como numa suspensão líquida. Em qualquer caso, o abrasivo deve sermais duro do que o material que está a ser desbastado e deve ser exercidauma força apreciável entre os dois materiais para produzir a acção de cortedesejada. O abrasivo mais comum é a Al2O3 nalguma forma como o esmeril,que é AL2O3 impuro reforçado por Fe2O3 em solução sólida. Como foi mostradono quadro IV.4, a alumina é muito mais dura do que ligas resistentes, como oaço temperado. O carboneto de silício (SiC) é ainda mais duro e é o abrasivopreferido para certas aplicações.

Quando factores económicos justificam o uso de materiais mais caros, oschamados superabrasivos podem ser usados. O nitreto de boro cúbico tem odobro da dureza do carboneto de silício. O diamante - o material mais duro quese conhece - pode ser usado de várias formas, incluindo o Compax - materialcomposto de diamantes manufacturados e de carboneto de tungsténio.

Desgaste erosivo

Desgaste abrasivo

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A maquinagem é a remoção de material a partir dum artigo manufacturado paraproduzir uma forma ou acabamento superficial. As operações mais conhecidasde maquinagem são aquelas executadas em metais, incluindo a fresagem, afuração e roscagem em máquinas especializadas. Num torno para metais, apeça a ser maquinada é girada e cortada pela ponta afiada da ferramenta. Se aferramenta não deve sofrer desgaste excessivo pela abrasão, a peça deve sermuito mais macia do que o material da ferramenta. Um aço temperado ésatisfatório para a maquinagem de aço macio, mas devem ser usados carbonetossinterizados para ligas relativamente duras. Os materiais cerâmicos paraferramenta, tipicamente baseados em alumina e carboneto de tungsténio,também são amplamente utilizados para maquinar metais.

Sabe-se que a maneira pela qual as aparas (material removido pormaquinagem) são produzidas durante o corte de metais depende de factoresvários, como a geometria da ferramenta. O carácter do material que está aser cortado é, naturalmente, de importância básica; as aparas descontínuasdesejáveis são facilmente obtidas de ligas com baixa ductilidade. Amaquinabilidade de materiais mais dúcteis pode ser melhorada com a adiçãode elementos de liga adequados (chumbo no latão, enxofre no aço) ou comuma deformação preliminar a frio. Métodos não convencionais de maquinagemempregam descarga eléctrica, dissolução química ou electroquímica, jactoabrasivo, feixe electrónico ou feixe de laser como mecanismos para remover osmateriais. Os métodos especiais são particularmente úteis para materiaiscerâmicos por causa do perigo de danificação das superfícies cerâmicas comoperações normais de maquinagem.

Maquinagem

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A deformação elástica ocorre devido à aplicação de baixos níveis de tensão aum material. Esta deformação é sempre recuperável e, em geral, ocorre antesda deformação plástica. Quando um material fractura antes de deformarplasticamente significa que possui um tipo de fractura frágil.

A deformação plástica é a deformação permanente dos materiais. Os metais epolímeros possuem, em geral, capacidade de se deformarem plasticamente,permitindo uma fácil enformação numa forma desejada. Os cerâmicos, os metaise polímeros vítreos não têm capacidade de se deformarem plasticamente,apresentando assim um comportamento frágil.

O comportamento mecânico de um material pode ser completamente previstoatravés da realização de ensaios mecânicos, tais como: ensaios de tracção,ensaios de dureza, ensaios de fadiga, ensaios de flexão e ensaios de desgaste.

RESUMO

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Componente Prática



1. Discuta a afirmação: o aço não é elástico, pois não pode ser esticadocomo a borracha.

2. É possível determinar a tensão dum corpo se não se souber a deformaçãocorrespondente?

3. As curvas de tensão vs. deformação, como as constantes da fig.VI.1, sãogeralmente determinadas pelo uso duma taxa de deformação 10-3 s-1. Se,por outro lado, fosse usado o valor l0-2, os resultados observadosexperimentalmente seriam apreciavelmente diferentes para a) módulo deYoung E, b) deformação plástica de aço e c) deformação plástica depolietileno?

4. O que é mais importante num tubo de aço utilizado num chassi de umabicicleta: a tensão de cedência ou a resistência à tracção?

5. O que indica o início da estricção num ensaio de tracção?

6. O valor de dureza de um material só é relacionado indirectamente com oseu comportamento à deformação. Porque que é que os ensaios de durezasão amplamente utilizados para controlo rotineiro dos metais a seremconformados, em vez do ensaio de tracção?

7. Que informações importantes sobre o material se podem obter de um ensaiode flexão?

8. Em que tipos de aplicações é necessário efectuar um ensaio de fadiga?

9. O que entende por fadiga de um material?

10. Dê exemplos de estruturas sujeitas a fadiga.

11. Qual a dependência das propriedades mecânicas com a temperatura?

12. No caso de ter de seleccionar um material para um utensílio de cozinhapara ir ao forno, quais as propriedades a ter em conta?

13. Na selecção de um material para um travão de um automóvel, quais aspropriedades a analisar?

14. Numa acção de desgaste, quais as propriedades mecânicas do materialque influenciam o fenómeno?


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Comportamento Eléctrico, Magnético e Óptico dos Materiais

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3Comportamento Eléctrico, Magnético e Óptico dos MateriaisIEFP IEFP IEFP IEFP IEFP · ISQ ISQ ISQ ISQ ISQ

TTTTTecnoloecnoloecnoloecnoloecnologia dos Magia dos Magia dos Magia dos Magia dos Materiaisteriaisteriaisteriaisteriais V . 1V . 1V . 1V . 1V . 1

OBJECTIVOS


• Explicar os objectivos e a importância do comportamento magnético,eléctrico e óptico dos materiais;

• Identificar as diferenças de comportamento dos vários tipos de materiais;

• Identificar as grandezas mensuráveis destas propriedades;

• Explicar a relação entre o valor da grandeza e o desempenho do material;

• Seleccionar um material para uma dada aplicação conhecendo o seucomportamento.

TEMAS

• Propriedades eléctricas e térmicas

• Condutividade eléctrica

• Supercondutividade

• Propriedades térmicas

• Propriedades magnéticas

• Diamagnetismo e paramagnetismo

• Ferromagnetismo

• Propriedades ópticas

• Materiais ópticos

• Resumo


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Comportamento Eléctrico, Magnético e Óptico dos MateriaisIEFP IEFP IEFP IEFP IEFP · ISQ ISQ ISQ ISQ ISQ


A maioria dos utensílios que contribuem para a vida moderna depende daspropriedades físicas dos materiais, sendo especialmente importantes aspropriedades eléctricas, magnéticas e ópticas.

Um bom exemplo é a torradeira do pão, uma vez que ilustra a utilidade dasmais diferentes propriedades eléctricas dos vários materiais. O potencialeléctrico de 220 V (volts), disponível na tomada da parede, é transmitidoeficientemente ao aquecedor da torradeira através de dois fios de cobre. Sefor colocado um voltímetro nas duas extremidades do elemento aquecedor,indicará a voltagem de 220 V. Esta diferença de potencial faz passar umacorrente eléctrica pelo elemento aquecedor, originando o seu aquecimentoaté chegar ao rubro, o que provoca o torrar das fatias de pão. A intensidadede corrente, I, em Amperes (A), é dada pela Lei de Ohm,

I = V/R (V.1)

onde V é a voltagem (ou diferença de potencial eléctrico) e R a resistência emohms.

Para calcular a corrente que passa pelo elemento aquecedor, é necessáriosaber qual a sua resistência, que depende da área da secção e do comprimentodo fio do material (Nichrome V: 80%Ni-20%Cr em peso) e, ainda, daresistividade (r):

R = ρ . Comprimento/área (V.2)

Um valor típico é R=16 W. A corrente correspondente pode, então, sercalculada com base na equação anterior, tendo-se que I=13.75 A. O calorproduzido por essa corrente (potência) é dado por:

VI = RI2 = 3025 J/s (ou Watts) (V.3)

A equação da resistividade explica porque é que se utilizam materiais diferentesnos cabos condutores e no elemento aquecedor. O Nichrome V tem umaresistividade moderada e está na forma de um fio fino, de modo a produzir aelevada resistência desejada. Este material é também bastante resistente aocalor, ou seja, é um material que pode ser operado a temperatura elevada semsofrer oxidação severa ou outro tipo de deterioração. O cobre tem baixaresistividade e, para além disso, a secção de fio escolhida é suficiente paratransportar a corrente necessária ao aquecimento do elemento aquecedor. Aresistência dos cabos condutores é de apenas 0.04 Ω.

PROPRIEDADES ELÉCTRICAS E TÉRMICAS

Lei de Ohm

Resistência

Efeito de Joule

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Os materiais isolantes têm resistividades extremamente elevadas, comparadasàs dos metais. Nos fios de cobre utiliza-se normalmente um isolamento deplástico (polímero), pois o fio de cobre trabalha à temperatura ambiente; nocaso do elemento aquecedor, o isolamento é feito de material resistente aocalor, como a mica ou outro cerâmico isolante, uma vez que o elementoaquecedor atinge temperaturas elevadas.

Condutividade eléctrica

As grandes diferenças de condutividade eléctrica, s, entre os vários tipos demateriais (fig. V.1) podem ser entendidas a partir da definição da condutividadedevida a uma dada partícula carregada electricamente (como um electrão):

σ = c q µ (V.4)

Na equação anterior, c é a concentração em partículas por m3, q é carga deuma partícula em Coulombs (C) e m é a mobilidade em m/s de uma partículasob uma força motriz eléctrica unitária (campo eléctrico E de -1V/m). O sinalnegativo aparece porque uma carga positiva move-se na direcção da voltagemdecrescente.

Isolantes

Condutividade Eléctrica

Fig. V.1 - Dados de materiais representativos de vários tipos mostrando a grande variaçãoda resistividade eléctrica com a temperatura. Os efeitos das temperaturas e das

impurezas também são diferentes para cada tipo de material

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O produto cqm é a quantidade de carga que passa pelo plano unitário dereferência, em cada segundo, quando a força motriz eléctrica for -1 V/m. Adensidade de corrente eléctrica é, então, cqu A/m2.

A equação anterior explica a grande variação de condutividade eléctrica (ouresistividade (r=1/s) exibida por classes diferentes de materiais. Em geral,predomina um dado tipo de partícula, como, nos metais, os electrões decondução, que dão a essa classe de materiais uma elevada condutividadecaracterística, ou seja, baixa resistividade. Os electrões também participamda condutividade dos semicondutores, mas a concentração relativamente baixados electrões nesses materiais é o principal factor que faz com que acondutividade seja muito menor. Em cristais iónicos, como a alumina, aconcentração de electrões de condução é tão baixa, que uma partículadiferente, um ião, se torna responsável pela condução. A mobilidade dos iõesé tão baixa, que a condução eléctrica quase não existe, sendo esses materiaisutilizados como isolantes.

A maioria dos electrões em substâncias não-metálicas comporta-se de modobem diferente dos electrões de condução num metal. Essas substâncias sãocaracterizadas pelas faixas de energia completamente preenchidas oucompletamente vazias. Os electrões de uma faixa preenchida não se podemmover para estados de maior energia, pois não existe nenhum estadodisponível. Este facto faz com que os electrões não possam adquirir umavelocidade final, não podendo, por isso, exibir condutividade do tipo metálico.Outros mecanismos de condução eléctrica passam a ser os únicos disponíveis,mas a condutividade é menor em várias ordens de grandeza.

Os semicondutores têm estrutura de faixas pouco usuais, sendo a característicaessencial o pequeno hiato de energia entre a faixa de valência e a faixa decondução. Como se explicou na unidade temática 2, os electrões e as lacunassão produzidos pela excitação térmica e provocam um aumento de condutividade(fig. V.1), como é o caso do Silício a cerca de 400 K. Abaixo desta temperatura,as impurezas residuais, mesmo no silício “puro”, contribuem para um efeitoextrínseco. Dois aspectos importantes dos semicondutores extrínsecos sãomostrados pelos dados do silício com fósforo (tipo n), na fig. V.1. À medida quea temperatura aumenta, desde cerca de 0 K, a condutividade aumenta devido àionização crescente dos electrões doados pelos átomos de fósforo. Depois determinada a ionização (perto da temperatura ambiente) a condutividade diminuiporque a mobilidade dos electrões diminui com o aumento de temperatura. Atemperatura suficientemente alta, 800 K, o comportamento intrínseco do silíciocomeça a dominar o processo de condução.

Vários polímeros orgânicos cobrem quase todo o espectro de condutividadeeléctrica, incluindo os isolantes, os semicondutores, os condutores iónicos,os condutores electrónicos e até os supercondutores. Os isolantes poliméricossão da maior importância técnica, e a condução à temperatura ambiente deve-se ao movimento dos iões de impurezas, sendo extremamente pequena nopolietileno, no poliestireno, etc. Na fig. V.1, são indicados valores típicos para opoliestireno-tereftalato. A mobilidade iónica aumenta rapidamente com o aumentoda temperatura, o que origina o aumento de condutividade. Estes polímerosobedecem à lei de Ohm, mas podem ocorrer desvios marcantes com alguns

Resistividade

Não Metais

Semicondutores

Polímeros

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materiais. No polipropileno, por exemplo, são produzidos portadores adicionaisde carga quando aumenta o campo eléctrico. Neste caso, a condutividadeaumenta com a intensidade de campo eléctrico.

Supercondutividade

A resistividade eléctrica de certos metais e compostos puros diminuirapidamente para zero quando a temperatura atinge valores muito baixos,temperatura crítica (Tc), perto do zero absoluto. Este fenómeno desupercondutividade, embora possuindo enorme potencial técnico, tem tidopouca aplicação devido a duas contrariedades. A primeira é o custo de manteros dispositivos em temperaturas da ordem dos 10 K. A segunda é o efeito decampo magnético.

Muitas aplicações potenciais dos supercondutores (tungsténio puro, liga deEstanho-Nióbio - Nb

3Sn) envolvem a sua capacidade de transportar correntes

eléctricas extremamente grandes. Essa capacidade é limitada pelo campomagnético gerado pela própria corrente e pela interacção da corrente com umcampo magnético aplicado. Os valores de corrente em que ocorrem mudançassignificativas no comportamento de um supercondutor dependem muito daconstituição do material. O endurecimento do material por precipitação, otrabalho a frio ou a irradiação com neutrões aumenta a corrente abaixo da qualo material se comporta como um supercondutor (corrente crítica). Aplicaçõesinteressantes de supercondutividade encontram-se em electromagnetos potentese na transmissão de electricidade a longa distância.

Propriedades térmicas

Quando um copo de vidro parte porque nele se introduz água muito quente,passa-se um fenómeno de dilatação térmica. Outras evidências comuns daspropriedades térmicas são o aquecimento preliminar de uma jarra de chá (demodo a que o seu calor específico não arrefeça a água em ebulição) e, ainda,a dificuldade de beber chá ou café quente por uma chávena de alumínio semqueimar os lábios (devido à elevada condutividade térmica, típica dos metais).Em seguida, será considerada a natureza dos vários fenómenos térmicos emdiferentes materiais.

Calor específico - O calor específico à pressão constante, Cp, é definido pelaequação:

δp = Cp δT (V.5)

a qual especifica a quantidade de calor dp necessária para aumentar 1 K atemperatura de 1 grama-mol de material. O calor adicionado provoca alteraçõesno material, tal como o aumento do número de defeitos de pontuais, sendo demaior importância o seu efeito nas vibrações da rede cristalina. A maioria dosmateriais sólidos tem vibrações de rede semelhantes à temperatura ambiente,tendo aproximadamente o mesmo valor de Cp, cerca de 3R, onde R é aconstante universal dos gases perfeitos (R=8,314 J/kg.mol). A temperaturas

Supercondutividade

Calor Específico

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extremamente baixas, o calor específico diminui gradualmente, aproximando--se de zero, quando a temperatura se aproxima de 0 K.

Condutividade térmica - Quando existe um gradiente de temperaturas dT/dxnum material, ocorre um fluxo térmico H (W/m2) de acordo com a Lei de Fourrier:

H = - k dT/dx (V.6)

onde k é a condutividade térmica. Como a energia térmica se manifesta sob aforma de vibrações da rede, o processo de condução consiste na transferênciade energia de vibração de uma região de temperatura mais alta (maior energia)para uma região de temperatura mais baixa. Quando as vibrações da rede sãorepresentadas por “partículas” (fonões), assume-se que essas partículas secomportam como os átomos de um gás e que obedecem à mesma equação decondutividade térmica, isto é:

k = υλC/3 (V.7)

onde C é o calor específico por unidade de volume, υ é a velocidade dos fonões

e λ é o comprimento de onda. Por exemplo, para um cristal não-metálico,

como o germânio, a condutividade aumenta inicialmente com a temperatura

até um máximo, e depois diminui porque as interacções entre fonões diminuem

o caminho médio livre dos fonões, continuamente, com o aumento de

temperatura. Os sólidos vítreos comportam-se de forma diferente, porque o

valor de λ é determinado pela desordem estrutural das moléculas;

consequentemente, λ é muito pequeno, sendo insensível a variações de

temperatura. Nesses materiais, k aumenta continuamente com o aumento de

temperatura; mas, à temperatura ambiente, a condutividade térmica é ainda

menor do que o valor de um sólido não-metálico cristalino em cerca de 10x.

(quadro V.1). Devido à condutividade térmica ser baixa nos gases, a presença

de bolhas de ar (como nos materiais porosos: espumas, cortiça, etc.) ajuda a

produzir propriedades térmicas isolantes.

Nos metais, os electrões de condução fornecem um mecanismo alternativo de

condução térmica, possuindo estes materiais valores distintos de condutividade

térmica. Os electrões adquirem a energia de um fonão de alta energia, levam-na

para uma zona mais fria da amostra, transferindo-a, assim, para a região de

mais baixa energia. Mesmo num bom condutor eléctrico como o cobre, os

fonões são responsáveis por parte da condutividade térmica. Num condutor

metálico de baixa condutividade, como um aço com bastantes elementos de

liga, as contribuições dos electrões e dos fonões são semelhantes.

Condutividade Térmica

Condutores Térmicos

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Quadro V.1 - Condutividade térmica e expansão térmica para alguns materiais àtemperatura ambiente

Expansão térmica - Com alguma falta de verdade, pode-se assumir que aalteração de comprimento de um material originada pela variação de temperaturaé, simplesmente, dada por:

∆l/l = α ∆T (V.8)

onde α é o coeficiente de expansão linear. Como mostram os dados doquadro V.1, vários materiais exibem expansões térmicas bastante diferentes.Um exemplo de aplicação útil dessa diferença é a fita bimetálica que activa otermóstato dos sistemas de aquecimento. Em geral, uma fita duma liga decobre e uma fita de Invar são unidas para formar uma fita bimetálica. Se umadas extremidades da fita for fixa, a outra curvar-se-á apreciavelmente devido àmaior expansão da liga de cobre quando a temperatura aumenta.

Quando dois materiais diferentes são unidos, as diferenças de coeficiente deexpansão térmico podem produzir tensões suficientemente grandes para provocara fractura. Um exemplo é a união de metal com vidro, como é o caso do fiometálico no interior de uma lâmpada. Se fosse utilizado cobre, a sua contracçãotérmica, que é maior que a do vidro, produziria tensões mecânicas tão altasdurante o arrefecimento na operação de fabrico da lâmpada, que o vidro separtiria. Algumas ligas especiais, como o Kovar, foram desenvolvidas paraaglutinar as características de expansão de vários vidros comerciais. Os dadosdo quadro V.1 mostram que o Kovar é especialmente adequado para a uniãocom o pyrex.

Expansão Térmica

Tensões Térmicas

Condutividade térmica Cef. Expansão Térmica

Material k, (W/m.K) α, (10-6 K -1)

CobreÓxido de Berílio (BeO)AlumínioGrafiteCarboneto de Tungsténio (WC)AçoNitreto de Boro (BN)Alumina (Al2O2)Vidro pyrexKovar (54%Fe, 29%Ni, 17%Co)Vidro de cal de sodaPolietilenoBorrachaEspuma de poliuretanoInvar (64%Fe, 36%Ni)

390250200150805028171,2150,80.30,1

0,0511

181025271287359

300670901

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O magnetismo é um fenómeno que resulta da corrente eléctrica. É extremamenteimportante na indústria (computadores e motores eléctricos), nastelecomunicações (telefone, rádio e televisão) e no lazer (gravadores, gira-discos,colunas, etc.).

O efeito magnético essencial pode ser bem visualizado numa bobina magnética(fio enrolado em hélice para transportar corrente eléctrica). Se a corrente passaruma bobina helicoidal, então a relação entre a corrente eléctrica e o campomagnético (no interior da bobina) é simples. A intensidade de campo magnético,H, é definida como o produto da corrente em amperes pelo número de voltaspor metro de bobina. Por exemplo, uma corrente de 10 A que passa por umabobina com 100 voltas gera um campo magnético de H = 103 A.voltas/m.

Diamagnetismo e paramagnetismo

Os efeitos magnéticos nos materiais originam-se nas correntes eléctricas muitopequenas, associadas com os electrões em orbitais atómicas. Em materiaisdiamagnéticos, fig. V.2, as numerosas correntes no interior de um átomocancelam-se, levando a um magnetismo nulo na ausência de um campomagnético externo. Nos materiais paramagnéticos, os átomos individuaispossuem momentos magnéticos, mas as suas orientações ao acaso resultamem magnetização nula para um grupo de átomos. A maioria dos materiais édiamagnética ou paramagnética, podendo ser considerada não-magnéticapara quase todas as aplicações.

Fig. V.2 - Ilustrações esquemáticas das origens atómicas dos quatro tiposde comportamento magnético, sem campo magnético externo presente

PROPRIEDADES MAGNÉTICAS

"Não-Magnetismo"

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Ferromagnetismo

A causa da grande magnetização em poucos materiais é o alinhamentoespontâneo dos momentos magnéticos atómicos. O ferromagnetismo, fig. V.2,corresponde ao alinhamento paralelo e o ferrimagnetismo corresponde aoalinhamento não-paralelo dos componentes opostos de um domínio. Se ocorrero cancelamento entre domínios vizinhos, a magnetização resultante pode sernula. Os materiais ferromagnéticos são o ferro, o níquel, o cobalto e algumasligas. A resposta destes materiais a um campo magnético é cerca de 109

vezes maior do que a das substâncias diamagnéticas e paramagnéticas.

As propriedades são bastante utilizadas em equipamentos de uso comum.Por exemplo, uma bateria solar em que a luz do sol incide sobre umsemicondutor e gera uma corrente eléctrica; num ecrã de televisão, os electrõesatingem uma camada de ZnS e produzem luz; a luz do sol ilumina um quartoatravés da janela. Os três exemplos são fenómenos de comportamento ópticode um material, definido como a interacção mútua de radiação electromagnéticae electrões. Embora se pense que os materiais “ópticos” são os vidros (ouplásticos) utilizados para transmitir luz visível, a faixa de espectroelectromagnético varre desde comprimentos de onda maiores do que 105 m(ondas rádio) até menores que 10-14 (raios X e raios g).

As ondas rádio de comprimento de onda longo são capazes de passar porportas e janelas com pouca perda de intensidade, porque os materiais deconstrução têm ligação covalente e iónica. Se um receptor de ondas rádio forcolocado numa sala construída apenas de metal, nenhuma onda alcançariao receptor: as ondas seriam absorvidas. Os electrões livres da ligação metálicapodem absorver os fotões de um sinal rádio, movendo-se para um estado deenergia um pouco superior. Esse processo reduz rapidamente a intensidadedas ondas rádio para zero. À medida que o comprimento de onda da radiaçãoelectromagnética diminui para o espectro visível (próximo de 10 -6m), a excitaçãoelectrónica continua a tornar os metais bons absorventes, pelo que sãoimpenetráveis à luz visível. Por outro lado, os isolantes eléctricos, como ovidro, são transparentes no espectro do visível, assim como na faixa rádio,mas absorvem numa faixa intermédia próxima de 10-5m, o espectroinfravermelho. Em virtude dos semicondutores possuírem hiatos da faixa deenergia de cerca de 1 eV, comportam-se opticamente como isolantes paracomprimentos de onda cujos fotões tenham energia inferior a 1 eV --comprimentos de onda na região do infravermelho, ou maior. No comprimentode onda de 10-6 m, estes materiais absorvem fortemente a radiação porqueos electrões são excitados da faixa de valência para a faixa de condução.

Os portadores adicionais de carga resultantes da fotoexcitação (luz) explicamo fenómeno da fotocondutividade. A energia térmica produz electrões decondução num semicondutor (mesmo que a amostra esteja no escuro). Comoos fotões de luz provocam transições electrónicas adicionais, uma amostrailuminada tem maior densidade de portadores de corrente e, portanto, maior

Ferromagnetismo

PROPRIEDADES ÓPTICAS

Radiação

Luz

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condutividade. O sulfato de cádmio, CdS, é um fotocondutor comercial típicoutilizado em dispositivos de medição de luz. O aumento do número de portadoresde carga é utilizado nas baterias solares de forma diferente: quando ocorre afotoexcitação, os electrões e lacunas adicionais são levados em direcçõesopostas para fora da camada esgotada e produzem uma corrente eléctrica.Deste modo, a energia da luz do sol é convertida directamente em energiaeléctrica.

A energia incidente num material, seja radiação electromagnética ou electrões,é reemitida por certos materiais. A luminescência é a reemissão de energiacom comprimentos de onda do espectro do visível ou próximo dele. Se a emissãoocorrer instantaneamente, o fenómeno é chamado de “fluorescência”. O exemploé o brilho da pintura fluorescente quando iluminada com luz negra na porçãoultravioleta do espectro. A fosforescência é a forma mais útil de luminescência,pois a radiação é emitida com atraso, cuja duração varia bastante de um fósforopara outro. A operação de um ecrã de televisão depende da excitação electrónicado fósforo sulfato de zinco, ZnS, adequadamente dopado com cobre.

Materiais ópticos

Muitas propriedades são desejáveis em materiais para dispositivos ópticos,mas a mais importante capacidade é a de transmitir luz. A transmitânciapercentual é definida como a percentagem de um feixe inicial de luz que semantém após passar através de 10 mm de um material. Como a transmitânciaestá inversamente relacionada com a absorção, varia também, significativamente,com o comprimento de onda (fig. V.3).

O vidro é o principal material óptico na faixa do visível, estando disponíveiscentenas de composições e qualidades. Algumas das principais vantagens dovidro são a resistência à deterioração, a aptidão para se obterem lentes e aestabilidade das propriedades ópticas. Um grande número de plásticos possuialta transmitância para aplicações ópticas, mas apresenta a desvantagem deterem várias instabilidades. Como são macios, riscam com facilidade, alteramas propriedades ópticas durante o uso e, também, são difíceis de maquinar. Noentanto, as lentes plásticas podem ser feitas por moldação, em vez de polimento.A vantagem dos plásticos está também no facto de não estilhaçarem e no seupeso, o que os torna ideais para óculos de protecção e segurança.

As minúsculas fibras de vidro podem servir para transmitir informação técnicapelas técnicas das fibras ópticas. A luz que entra numa extremidade da fibra étransmitida ao longo da mesma, com pouca perda, através da superfície. A luzsofre reflexão interna total na superfície cilíndrica. Uma fibra óptica pode serusada para transmitir sinais modelados de luz de maneira análoga à transmissãode sinais eléctricos por uma linha telefónica ou um cabo de TV.

Luminiscência

Transmitância

Vidro

Fibra de vidro

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Fig. V.3 - Comparação da transmitância para três tipos de materiais ópticos comerciais

O vidro deve ser substituído por outros materiais em instrumentos que

empreguem luz ultravioleta, porque a transmitância do vidro cai sensivelmente

para comprimentos de onda de cerca de 4 mm. Os monocristais de quartzo e

de fluoreto de cálcio permitem operação até um comprimento de onda

apreciavelmente menor, mas são caros e de difícil fabricação. As cerâmicas

policristalinas ordinárias são inadequadas para fins ópticos, porque o feixe de

luz é espalhado nas interfaces internas.

Os polímeros vítreos, que são opticamente isotrópicos e geralmente

transparentes, estão sujeitos a mudar ambas as propriedades. Se ocorrer

cristalização, a transmitância diminui radicalmente e o material passa a ser

opaco.

O apelo estético de materiais coloridos leva à coloração artificial extensiva,

para não mencionar os acabamentos superficiais fornecidos por pinturas e

revestimentos óxidos coloridos. Alguns materiais como o cobre (vermelho) e o

sulfato de cádmio (amarelo) possuem uma cor intrínseca devido aos seus

espectros de absorção característicos. Outros materiais recebem coloração

uniforme através de dois mecanismos: uma impureza solúvel ou uma tintura

finamente dispersa.

Polímeros Vítreos

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O comportamento físico dos materiais é descrito pelas propriedades térmicas,eléctricas, magnéticas e ópticas. A maioria destas propriedades é determinadapela estrutura atómica, arranjo atómico e estrutura cristalina.

A conductividade eléctrica é especialmente sensível à ligação e estruturaatómica e ao modo de processamento do material. Os metais possuem umaelevada conductividade, a qual diminui com o aumento de temperatura oucom a introdução de elementos de liga e imperfeições na rede. Ossemicondutores e os isoladores possuem baixa conductividade devido à suanatureza iónica ou covalente. No entanto, a sua condutividade pode aumentara temperaturas elevadas, através da introdução do tipo certo de imperfeições.

As propriedades magnéticas estão relacionadas com a capacidade de ummaterial reter a magnetização. Existem três tipos de materiais, os quais reagemde modo distinto a um campo magnético imposto: ferromagnéticos,diamagnéticos e paramagnéticos.

As propriedades térmicas e ópticas de um material dependem das interacçõesentre radiação ou energia e a estrutura ou arranjo atómico. É possívelinfluenciar estas propriedades modificando os arranjos atómicos, por alteraçãoda composição ou processando o material.

RESUMO

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Componente Prática



1. Comente a seguinte afirmação: “A lei de Ohm só é valida para os condutoresmetálicos”.

2. Qual o mecanismo da condução eléctrica num isolante como a alumina?E num semicondutor como o silício?

3. A que se devem as enormes diferenças de condutividade eléctrica nosmateriais?

4. Quais os dois factores que fazem o café quente arrefecer maisrapidamente numa chávena de parede fina do que numa chávena deparede grossa?

5. Qual a diferença entre um material diamagnético e um ferromagnético,quando submetidos a um campo magnético?

6. Indique três fenómenos que não envolvam o espectro do visível.

7. Explique o significado da Lei de Ohm.

8. Qual a importância do efeito de Joule?

9. Explique resistividade. Quais os materiais com maiores resistividadeseléctricas e térmicas?


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Deterioração dos Materiais

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3Deterioração dos MateriaisIEFP IEFP IEFP IEFP IEFP · ISQ ISQ ISQ ISQ ISQ

TTTTTecnoloecnoloecnoloecnoloecnologia dos Magia dos Magia dos Magia dos Magia dos Materiaisteriaisteriaisteriaisteriais VI . 1VI . 1VI . 1VI . 1VI . 1

OBJECTIVOS


• Explicar os objectivos e identificar a importância da deterioração dosmateriais no momento da selecção;

• Identificar os metais mais susceptíveis à corrosão;

• Identificar os materiais resistentes à corrosão;

• Explicar o fenómeno da corrosão;

• Mencionar os vários tipos de corrosão;

• Caracterizar os mecanismos de deterioração dos cerâmicos;

• Explicar os mecanismos de deterioração dos polímeros;

• Enunciar medidas para diminuição da deterioração dos materiais.

TEMAS

• Corrosão de metais e ligas

• Base electroquímica da corrosão

• Processos de Corrosão

• Oito tipos de corrosão

• Os metais resistentes

• Deterioração de cerâmicos

• Reacção dos componentes

• Deterioração de polímeros

• Resumo


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Deterioração dos MateriaisIEFP IEFP IEFP IEFP IEFP · ISQ ISQ ISQ ISQ ISQ


A deterioração dos materiais é um fenómeno sempre presente no nosso dia--a-dia. Este problema afecta grandemente as economias dos países, pois exigeelevados custos de manutenção, reparação e, eventualmente, de substituição.Exemplos típicos de deterioração de materiais são: a ferrugem que aparecenos automóveis (apesar das pinturas protectoras), os componentes de madeiradas casas (embora sejam pintadas e envernizadas), e mesmo os passeios decimento sofrem deterioração tendo de ser substituídos, pois começam aaparecer fendas. A deterioração dos materiais pode ser combatida com maiseficácia se forem conhecidos os mecanismos pelos quais ela se desenvolve.Estes mecanismos são, em geral, reacções químicas e podem ser classificadosem três tipos de reacções:

• reacções químicas locais, característica dos polímeros e cerâmicos;• reacções electroquímicas em ambiente líquido (corrosão);• reacções electroquímicas a alta temperatura (oxidação a altas

temperaturas).

Uma reacção electroquímica difere duma reacção química normal pelo factode passar uma corrente eléctrica, numa distância considerável, no sistemaque sofre reacção.

Pode-se facilmente encontrar muitos exemplos de corrosão, bastando, paraisso, examinar um automóvel, uma bicicleta ou outros objectos metálicostípicos, expostos ao tempo. As gigantescas colunas de aço duma plataformaoceânica de prospecção de petróleo sofrem corrosão em três áreas diferentes;a porção inteiramente imersa na água do mar, a porção exposta à atmosfera ea porção crítica na zona intermediária das ondas, que fica periodicamente emcontacto com a água do mar. A escolha da protecção à corrosão para cadauma dessas três áreas (protecção catódica, pintura e cobertura de sacrifício,respectivamente) depende do fluxo de corrente eléctrica no metal, que é acausa da corrosão.

Base Electroquímica da Corrosão

Os efeitos eléctricos associados com as reacções químicas afectam o dia-a-dia de muitas maneiras, inclusive os processos biológicos, a operação debaterias, a produção de electricidade com células de combustível e a corrosãodos metais. Quando a corrosão ocorre, o metal que está a ser atacado é parteduma célula electroquímica. Considere-se a fig. VI.1, a qual representa umacélula electroquímica composta por:

• um ânodo (o ferro);• um cátodo (digamos, o cobre);• uma solução condutora envolvendo tanto o ânodo como o cátodo;• um fio (ou outro condutor externo) ligando o ânodo e o eléctrodo.

CORROSÃO DE METAIS E LIGAS

Célula Electolítica

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O resultado essencial da operação da célula (como uma bateria) é o fluxo deelectrões através do fio, a partir do ânodo para o cátodo. Os electrões, e-, têmorigem na reacção química no ânodo:

Fe → Fe++ +2e- (VI.1)

Reacção Anódica

Fig. VI.1 - Ilustração esquemática dos dois processos que ocorrem nos eléctrodos de umacélula electroquímica e que estão envolvidos na corrosão do ferro numa solução ácida

Essa reacção também representa a corrosão do ferro metálico (Fe) para umaforma oxidada (Fe++). Tanto numa bateria como num processo de corrosão oselectrões devem ser removidos por uma reacção química no cátodo. Na corrosãodo ferro por uma solução ácida, a reacção catódica envolve iões dehidrogénio (H+) na solução

2H+ + 2e- → H2 (VI.2)

e produz bolhas de hidrogénio gasoso.

Considere-se a experiência hipotética em que um pedaço de ferro é colocadoem água e ocorre somente a reacção da equação anterior. Como os electrõesnão podem ser conduzidos para longe do eléctrodo, é estabelecido um potencialeléctrico entre o interior do metal e o seio da solução. O potencial do eléctrodoE da reacção de eléctrodo Fe/Fe++ (ou meia célula) pode ser medidorelativamente a um eléctrodo de referência como o eléctrodo de referência Padrãode Hidrogénio. O valor presente no quadro VI.1, Eº=0,440 V, é o potencial

Potencial Padrão

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padrão do eléctrodo para a concentração unitária dos iões Fe++ em solução

(l mol/litro). Para outras concentrações, c, o potencial do eléctrodo é dado pela

equação de Nernst:

E = Eº + (0,0592/z) log c (VI.3)

onde z é a valência do ião em questão (z=2 para Fe++).

Como exemplo do uso desta equação, pode-se calcular o potencial do eléctrodo

de ferro em contacto com uma solução contendo 10-3 mol de iões de Fe++ por

litro:

E = Eº + (0,0592/2) log (10-3)=-0,440+ (0,0296)(-3) =-0,529 V (VI.4)

Lembrando que o valor de Eº=0,440 V é para l mol de Fe++, conclui-se que a

mudança para -0,529V reflecte a maior tendência do ferro para formar iões de

Fe++ numa solução cuja concentração é de, somente, 10-3. Os potenciais

padrões de eléctrodo de vários metais podem ser arranjados na sua ordem de

potencial crescente, para formar a série electromotriz mostrada no

quadro VI.1.

Para ilustrar o significado da posição relativa de dois metais na série, considere-

-se a relação do ferro para o cobre e para o zinco. Quando o potencial de ferro

é mantido a -0,440V, os iões Fe++ numa solução aquosa à concentração unitária

estão em equilíbrio. Se esse pedaço de ferro for ligado electricamente a um

eléctrodo Cu/Cu++, o potencial do ferro tenderá a aumentar. Pode-se imaginar

que os iões Fe++ se movem na direcção gradiente decrescente do potencial,

para fora do metal, para a solução; esse é o processo de oxidação ou corrosão.

Por outro lado, se o potencial do ferro for diminuído por ligação a um eléctrodo

Zn/Zn++, os iões existentes de Fe++ tenderão a ser reduzidos para ferro, e este

será protegido. Semelhante à série electromotriz é a ordenação qualitativa de

metais e ligas numa série galvânica. Um membro mais alto desta série

usualmente tende a estabelecer um gradiente de potencial que causaria a

corrosão num membro inferior. Uma dada série galvânica é determinada para

uma solução corrosiva particular; a série do quadro VI.1 é para a água do mar.

Potencial

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Quadro VI.1 - Membros representativos de uma série electromotriz e da série galvânica

Processos de corrosão

Como exemplo duma situação prática de corrosão considere-se um tubo de

aço que transporta água de beber. Os produtos de corrosão são iões de ferro e

compostos de ferro, tais como os hidróxidos e os óxidos. A velocidade de

corrosão (massa de metal perdido por unidade de tempo) depende de muitos

factores, incluindo as composições químicas do ferro e da água, a temperatura,

o caudal de água e qualquer potencial externo aplicado ao ferro.

Séries Galvânicae Electromotriz

Velocidade de Corrosão

Cada vezmais catódico

(protegido)

Cada vezmais

anódico(corroído)

Série electromotriz

Série galgânicana água do marElectrodo

metal/ião metálico

Pot. Padrãoa 25 ºC, Eº

(V)

Au/Au3+

Pt/Pt++

Ag/Ag+

Cu/Cu++

H2/H+

Pb/Pb++

Sn/Sn++

Ni/Ni++

Co/Co++

Cd/Cd++

Fe/Fe++

Cr/Cr3+

Zn/Zn++

Al/Al3+

Mg/Mg++

Na/Na+

K/K+

+ 1,498+ 1,2

+ 0,987+ 0,3370,000

- 0,126- 0,136- 0,250- 0,277- 0,403- 0,440- 0,744- 0,763- 1,662- 2,363- 2,714- 2,925

PlatinaOuro

TitânioPrata

Aço inoxidávelAço inoxidável de alto crómio

InconelNíquelMonelBronzeCobre

EstanhoChumbo

AçoLigas de Alumínio

CádmioAlumínio

ZincoLigas de Magnésio

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Fig. VI.2 - Ilustração dos eléctrodos envolvidos na corrosão do zinco em duas condiçõesexperimentais diferentes

A ligação entre a corrosão ordinária e as reacções do eléctrodo é demonstradana fig. VI.2 para a corrosão de zinco numa solução ácida (como cerca del molar de HCl). Do quadro VI.1 sabe-se que o potencial padrão do eléctrodoZn/Zn++ relativo ao eléctrodo H2/H+ é -0,763V. Entretanto, se esses doiseléctrodos forem ligados (fig.VI.2), os electrões vão passar pelo fio de ligação epermitir que o zinco corroa com a produção de iões Zn++ (reacção anódica),enquanto os iões H+ são reduzidos a H2 no eléctrodo de hidrogénio (reacçãocatódica). A mesma reacção global

Zn +2H+→ Zn++ +H2 (VI.5)

ocorre quando o zinco é imerso numa solução ácida (fig. VI.2). A reacção anódicaocorre em certas áreas da superfície do zinco (ânodos locais), a reacçãocatódica ocorre em cátodos locais, e os electrões passam pelo zinco entre osânodos e cátodos locais. As localizações dos ânodos e cátodos mudam como tempo e, assim, o zinco corrói homogeneamente na sua superfície.

Duas características da reacção catódica que envolvem o oxigénio dissolvidolevam a um tipo importante de comportamento de corrosão denominadocorrosão diferencial ou corrosão em local restrito , ou, ainda, corrosãoem fenda . As moléculas de oxigénio possuem pequena solubilidade e baixataxa de difusão em soluções aquosas. Devido a este facto, se uma porção desolução estiver dentro de uma fenda (fig. VI.3), essa porção é deficitária emoxigénio. O metal no interior da fenda fica favorecido para a reacção anódica(produzindo iões M+), pois o metal adjacente ao seio da solução pode ainda

Reacção Catódica

Oxigénio

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sofrer a reacção catódica que envolve oxigénio. Para compensar as cargaspositivas em excesso na fenda, os aniões Cl- (ou semelhantes) migram para afenda. A hidrólise subsequente

M+ + H2O → MOH + H+ (VI.6)

também aumenta a acidez da solução. Então, os iões Cl- e H+ aumentam avelocidade de corrosão no interior da fenda.

Quando certos metais não-semelhantes, por exemplo o cobre e o ferro, estãoem contacto na presença de uma solução aquosa, forma-se uma célulagalvânica. Os potenciais relativos dos eléctrodos (quadro VI.1) poderiam levarà corrosão severa do ferro, mas, em muitas condições, a velocidade decorrosão do ferro é, de facto, controlada pela taxa de difusão do oxigénioatravés da solução. Por exemplo, a união de um grande pedaço de cobre auma placa de ferro imersa em água quase não afecta a velocidade de corrosãodo ferro. O cobre serve como uma área catódica para a redução do oxigénio,mas muitas áreas locais do ferro também servem. O resultado é bem diferentese a placa de cobre for grande comparada à do ferro. Em virtude da reacçãocatódica ocorrer agora numa grande área, pode ser removida uma grandecorrente de electrões do ferro, permitindo assim que ocorra a corrosão do ferromuito rapidamente.

Corrosão Diferencial

Fig. VI.3 - Ilustração esquemática da natureza da corrosão diferencial, que envolve oesgotamento do oxigénio da solução corrosiva.

Um componente ou estrutura bem projectado evita células galvânicas destetipo, ou pela escolha adequada dos metais em contacto, ou ainda peloisolamento dos metais em contacto. Exemplo dos efeitos nocivos e benéficosdas células galvânicas são ilustrados na fig. VI.4. Como o estanho fica acimado ferro na série electromotriz, a corrosão deste é acelerada em qualquer orifício

Protecção

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de um aço estanhado. Por outro lado, o zinco é anódico com respeito ao ferroe, assim, o aço é protegido nos defeitos de uma chapa zincada (galvanizada).

Fig. VI.4 - Comparação dos efeitos das células galvânicas formadas em perfuraçõesde aços estanhados e galvanizados

Oito tipos de corrosão

A corrosão, na maioria dos metais e ligas em serviço, fica entre oito categorias,que a seguir se descrevem sucintamente:

1. Ataque corrosivo uniforme - controlado de modo relativamente fácil pelamelhor escolha do material.

2. Corrosão galvânica - depende tanto dos dois metais em contacto comodo meio corrosivo. O quadro VI.1 mostra que a série galvânica na água domar difere bastante da série electromotriz. A acção galvânica pode ser utilizadapara se obterem benefícios, como no caso dos cátodos de sacrifício demagnésio, os quais são enterrados próximos de tubos de aço e são a elesligados electricamente para evitar a corrosão nos tubos de aço.

3. Corrosão diferencial - a fig. VI.3 dá um exemplo deste tipo de corrosão,que ocorre em fendas, por exemplo, em zonas rebitadas ou unidas porparafusos.

4. Corrosão por picadas - é um tipo especialmente sério de corrosão, porqueum tubo ou um reservatório pode desenvolver furos devidos a esta corrosão,mesmo quando o ataque uniforme é pequeno. Este tipo de corrosão deve--se, em geral, à não-homogeneidade de composição química de um metal.

5. Corrosão intergranular - ocorre quando a composição química noscontornos de um grão é bem diferente daquela no interior dos grãos. Se um

Tipos de Corrosão

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aço inoxidável for aquecido na faixa do 500ºC a 800ºC, o carboneto decrómio precipita-se preferencialmente nos limites de grão, diminuindo, assim,o teor de crómio nas regiões dos grãos adjacentes ao limite de grão. Comoo crómio é o responsável pela resistência deste aço à corrosão, estas zonasficam sensíveis à corrosão.

6. Eliminação selectiva - remoção de um elemento de liga numa soluçãosólida. O elemento vulnerável pode ser o alumínio, o ferro, o cobalto ou ocrómio em várias ligas, mas o exemplo mais típico é a perda de zinco dolatão.

7. Corrosão por erosão - refere-se à aceleração da corrosão pela abrasãosimultânea por líquidos em movimento. O ataque pelo choque directo podeser especialmente severo, sendo exemplos típicos os casos dos cotovelosem tubuladuras que transportam líquidos ou vapores.

8. Corrosão sob tensão - origina a fissuração de um material quando sujeitoa tracção e em ambiente corrosivo. Em geral, forma-se uma rede de pequenasfissuras, reduzindo drasticamente a resistência mecânica de um metal.

Os metais resistentes

Vários elementos de liga, inclusive o alumínio e o silício, aumentam a resistênciado ferro à oxidação e à corrosão, mas é o crómio que tem a maior influência. Ocrómio melhora a resistência à oxidação e também a resistência à corrosãoaquosa na maioria dos meios (com a excepção das soluções de cloreto eácidos fortes não-oxidantes). O diagrama de fases Ferro-Crómio(fig. VI.5) mostra que ocorre uma alteração significativa de estrutura quando oferro contém mais de 13% de peso em crómio, e fica além do anel austenítico.As ligas são ferríticas, fase α, em todas as temperaturas sem que soframqualquer transformação, austenite em ferrite, o que origina um endurecimentomartensítico. Dependendo dos teores de crómio e em carbono. Os aços comcrómio podem ser endurecidos por tratamento térmico, como os aços de liga,resultando os aços inoxidáveis martensíticos, ou podem ser não-endurecíveispossuindo uma elevada resistência à corrosão devido ao seu teor em crómio(aços inoxidáveis ferríticos). Estes aços apesar de possuírem uma elevadaresistência à corrosão, têm baixa ductilidade, comportando-se como frágeis àtemperatura ambiente. Este comportamento deve-se principalmente àprecipitação de uma fase frágil quando o teor de crómio é muito elevado, fase σ.

Quando se adiciona níquel a um aço com uma quantidade de crómio suficiente(18% em peso) para ter uma boa resistência à corrosão, esta é ainda melhorada,mudando o aço de ferrítico para austenítico se o teor de níquel for superior a6,5% em peso. Uma vez que a austenite se forme a altas temperaturas, mantém--se durante o arrefecimento lento até à temperatura ambiente. Os açosausteníticos do tipo 18-8 (18% de crómio e 8% de níquel em peso) possuemuma excelente combinação de resistência à corrosão e ductilidade.

Metais Resistentes

Crómio

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Outros metais diferentes do aço são geralmente seleccionados para uma dadaaplicação devido à sua resistência elevada à corrosão. O alumínio e suas ligassão largamente utilizados nos seguintes ambientes:

• Atmosfera: superfícies externas de aeronaves e em arquitectura;• Água doce: tanques de armazenamento, tubos e barcos;• Água do mar: cascos de navios, bóias e tubos;• Alimentício: utensílios de cozinha, latas e embalagens diversas;• Produtos químicos: tanques de armazenamento, equipamento de

processamento químico.

As ligas de alumínio conseguem melhor resistência à corrosão devido àpresença de uma camada superficial de óxido de alumínio (alumina), a qualinibe o processo de corrosão visto este óxido ser bastante estável. Estefenómeno é idêntico ao dos aços inoxidáveis, sendo nestes materiais o óxidosuperficial formado por óxidos de crómio.

Meios Corrosivos

Alumínio

Fig.VI.5 - Aspectos importantes das ligas de ferro resistentes à corrosão

Os materiais não-metálicos são geralmente mais resistentes à deterioraçãoque o metal mais comum – o ferro. Em particular, eles são imunes à corrosãoelectroquímica, a qual causa a deterioração das peças de ferro ou aço. Porexemplo, o betão é atacado quimicamente pela água do solo e em especialpela água do mar. Se a água alcançar as barras de aço que servem de reforço,a corrosão do ferro pode acelerar a deterioração do betão. O trabalho deprodutos plásticos é geralmente prejudicado pelo inchamento e fissuraçãopronunciados na presença de líquidos orgânicos.

DETERIORAÇÃO DE CERÂMICOS

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Reacção dos componentes

O vidro é um exemplo de material monofásico e homogéneo, mas alguns dosseus componentes são especialmente susceptíveis ao ataque químico. Osóxidos alcalinos Na2O e K2O presentes em vidros baratos não ficam totalmenteincorporados na estrutura da sílica; por outro lado, um ião alcalino cria umalacuna na estrutura formando uma só ligação com um ião de oxigénio. Quandoa água está em contacto com a superfície do vidro, os átomos alcalinosadjacentes à superfície sofrem a seguinte reacção:

Estrutura-Si-O-Na + H2O → Estrutura Si-OH + Na+ + OH-

Em muitas condições de serviço, o ião OH- é removido do sistema reagente;por exemplo, pela chuva contra um vidro ou pela neutralização de uma bebidaácida numa garrafa. A reacção seguinte requer, então, a difusão lenta dosiões alcalinos do interior para a superfície do vidro e, assim, a taxa de ataquedo vidro diminui gradualmente. Com adições de CaO, MgO e alumina, épossível aumentar a resistência à dissolução dos iões alcalinos de um vidro.

A dissolução dos iões alcalinos pode ser seguida de ataque químico daestrutura básica de silicato, a qual é um tipo mais sério de deterioração. Osiões hidróxido produzidos pela reacção da equação anterior podem-se manterem contacto com o vidro por causa da poeira ou porque se formou um poucode humidade entre duas peças de vidro num armazém pouco ventilado. Aligação Silício-Oxigénio pode, então, ser quebrada pela reacção:

Estrutura-Si-O-Si + OH- → Estrutura-Si-OH + Si + O-

Este tipo de reacção cria um superfície baça abaixo de um camada desílicagel. Uma solução alcalina também pode fornecer iões OH- necessários aessa reacção. As garrafas de vidro são atacadas durante um armazenamentolongo de soluções moderadamente alcalinas, aparecendo eventualmenteflocos de sílica-gel na solução. Com adições de óxido de zircónio é possívelmelhorar a resistência do vidro a esse tipo de deterioração. O vidro é estávelna maioria dos ácidos, mas a estrutura de silicato é fortemente atacada pelaácido hidrofluorídrico e pelo ácido fosfórico quente concentrado.

A maioria dos materiais cerâmicos é constituída por mais do que uma fase,tendo cada uma as suas próprias propriedades químicas. O betão é umcerâmico multifásico, sendo a sua deterioração de interesse especial, poisestá sempre exposto a ambientes nocivos: estradas, portos, produtos químicos,etc. Tanto as reacções de ataque externo como as de ataque interno podemcausar a deterioração do betão. Em ambos os casos, a resistência dependeda composição química do agregado (areia, cascalho,etc.) e do cimento(Portland, alumina, etc.). Para resistir ao ataque externo, o betão deve serimpermeável a soluções reactivas, dependendo esta propriedade do processode fabrico do betão. O ataque químico da superfície é realizado por iões sulfatospresentes nos solos, na água e na água do mar.

Ataque Químico

Reacções Superficiais

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As reacções internas ocorrem, por vezes, entre o agregado e o cimento ouentre o reforço e o cimento. Os agregados de sílex ou de rocha vulcânicapodem reagir com o Na2O do cimento para formar um silicato que fissura obetão. Se tiverem de ser usados agregados reactivos, o teor alcalino do cimentodeve ser inferior a 0,6%. As barras de aço utilizadas como reforço do betãosão inicialmente protegidas da corrosão por um ambiente alcalino (pH=12) seo betão vizinho tiver sido feito com cimento Portland ou outro cimento alcalino.No entanto, com o tempo, a humidade é capaz de penetrar na camadaprotectora do betão, em geral alguns centímetros de espessura. O dióxido decarbono dissolvido na humidade reage com a cal livre do betão e diminui ovalor de pH. Quando o aço corrói, os óxidos fracturam o betão e aceleram oprocesso de deterioração.

Os refractários cerâmicos operam em fornos e outros dispositivos de altatemperatura entre 1 000ºC e 3 000ºC. Em virtude da reactividade químicaaumentar com a temperatura, mesmo refractários estáveis como aqueles àbase de alumina ou de óxido de magnésio (MgO) podem sofrer reacções nosambientes de altas temperaturas de operação. Nos fornos de fabricação deaço, por exemplo, as escórias ricas em SiO2 (componente ácido) atacam asuperfície dos refractários básicos de MgO, formando um composto que élíquido nas temperaturas em questão. Os refractários não-óxidos, como ocarboneto de tântalo (TaC) e o nitreto de titânio (TiN), mantêm a sua resistênciaaté temperaturas excepcionalmente altas, mas têm a desvantagem de reagircom o oxigénio acima de cerca de l 000ºC. Por essa razão, os refractáriosnão-óxidos são geralmente usados numa atmosfera protectora.

Os materiais poliméricos são como os cerâmicos no tocante à susceptibilidadea reacções químicas dos seus componentes separados e à desintegração daestrutura principal – as moléculas das cadeias longas, neste caso. Em virtudedos polímeros comerciais serem quimicamente complexos, a sua deterioraçãosó é parcialmente entendida, mas sabe-se que a cisão (quebra) das cadeiasdo polímero é da maior importância. A deterioração é usualmente investigadaobservando-se as variações das propriedades mecânicas e eléctricas durantea exposição a um ambiente específico. Por exemplo, a fig. VI.6 mostra que aexposição prolongada ao ar livre produz efeitos bem diferentes sobre aspropriedades mecânicas de dois plásticos comuns.

Um ponto inicial conveniente para o estudo da cisão é a degradação térmicaproduzida pelo aquecimento. As energias de ligação relativasC-F > C-H > C-Cl explicam qualitativamente a estabilidade térmica dos listadosno quadro VI.2. O tipo de degradação térmica ilustrado pelo comportamento dopolimetil-metacrilato envolve a produção do monómero. Essa reacção começano fim duma cadeia do polímero, é repetida até que toda a cadeia do polímeroseja consumida. O polietileno comporta-se de modo bem diferente: ocorre acisão duma cadeia ao acaso ao longo do comprimento do polímero. O resultadoé uma redução rápida no comprimento médio da cadeia e as correspondentesmudanças nas propriedades do polímero.

Reacções Internas

Refractários

DETERIORAÇÃO DE POLÍMEROS

Ataque Químico

Degradação Térmica

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Fig. VI.6 - Redução da resistência mecânica e da ductilidade do polietileno de elevadadensidade e do polimeti-metacrilato injectado, durante exposição prolongada ao ar livre.

Dois factores agindo em conjunto, o oxigénio e a luz ultravioleta (da luz do sol,

por exemplo), fazem os polímeros deteriorarem-se à temperatura ambiente. A

luz ultravioleta (ou outra radiação de alta energia) pode romper as ligações de

maneira semelhante à energia térmica. Na ausência do oxigénio (ou outros

reagentes) esse tipo de reacção leva à degradação relativamente lenta do

polímero, mas a presença do oxigénio permite degradação acelerada. A taxa

de deterioração oxidante dos polímeros pode ser bastante reduzida, incorporando

antioxidantes (aminas ou fenóis, por exemplo) ao polímero.

Oxigénio e Luz do Sol

Polimetil-metacrilato

100

80

60

40

20

06 12

Polietileno

Resistência

Deformação

Tempo de exposição, meses

Per

cent

agem

do

valo

r ini

cial

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Quadro VI.2 - Degradação térmica dos polímeros

Alguns polímeros (a borracha sintética ou natural, em particular) contêm carbonosduplamente ligados e regularmente espaçados especialmente susceptíveis aoataque pelo ozono, O3. Embora os produtos de cisão possam causar reacçõesadicionais, se a amostra do polímero não estiver sob tensão, forma-se umacamada de produtos de reacção sobre a superfície, evitando que o interior daamostra se deteriore. Entretanto, a maioria dos polímeros do tipo da borracha(elastómeros) está sujeita a tensões em uso e, nessas condições, as reacçõesde deterioração causam a formação de entalhes profundos e a eventual ruptura.Várias adições à composição química dos elastómeros diminuem efectivamentea taxa de ataque pelo ozono, e os antiozonizantes, como as diaminas primárias,agem de modo semelhante aos antioxidantes.

Circunstâncias há em que a degradação dos polímeros é desejável. Por exemplo,quando vasilhames plásticos vazios ou brinquedos são parte do lixo, a acçãode vários mecanismos (incluindo o ataque por microrganismos do solo) tende adecompor o polímero em compostos que enriquecem o solo. Esse processo échamado biodegradação .

Ozono

Biodegradação

PolímeroUnidade

monômeraPercentagem de monômero

em produtos voláteis T30* ºC K350** %/min

Politetrafluoretileno(p. ex., Teflon)

F F

C = C

F F

100 509 5,2 x 10-6

Polietileno

H H

C = C

H H

Desprezível 414 0,004

Polimetil-metacrilato(p. ex., Lucite)

H CH3

C = C

H COOCH3

100 327 5,2

Cloreto de polivinila

H Cl

C = C

H H

Desprezível 260 170

* Temperatura em que um polímero perde metade do seu peso durante 30 minutos de aquecimentoem vácuo.** Taxa de volatilização em 350 ºC, em perda percentual de peso por minuto.

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O plástico original é um material translúcido e resistente, mas durante váriosmeses no solo o vasilhame desintegra-se e oferece toda a liberdade para odesenvolvimento das raízes da árvore. Um exemplo espectacular de degradaçãodo polímero é a abrasão e queima duma cobertura polimérica de sacrifício nocone do nariz duma nave espacial, durante a reentrada na atmosfera terrestre.Quando um material que serve para abrasão e queima é sujeito a altastemperaturas, decompõe-se; a absorção do calor de vaporização durante aevolução de produtos gasosos da decomposição dissipa o calor do atrito e agepara resfriar o material restante. Para além disso, forma-se uma camada isolantede resíduo carbonizado sobre a superfície aquecida.

Tratamentos adequados da superfície de cerâmicas ou polímeros podemmelhorar propriedades como a sua resistência à deterioração, sem afectar osseus comportamentos internos mecânicos ou físicos. Por exemplo, cerâmicosusados em aplicações eléctricas podem receber um verniz rico em iões debário. Esse verniz reduz a perda de iões de sódio e evita a formação dumelectrólito condutor sobre a superfície.

A superfície dos polímeros pode sofrer uma variedade de tratamentos químicos(com oxigénio, ácidos, bases ou halogénios) para a melhoria de numerosaspropriedades. A oxidação de alguns polímeros melhora a sua capacidade dereter palavras ou desenhos impressos nas suas superfícies, isto é, ascaracterísticas adesivas são melhoradas. Um efeito típico do tratamento dopolietileno com flúor (gás) é a melhoria da resistência ao ataque químico.

Tratamentos

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A deterioração de um material pelo fenómeno de corrosão é um processo químicodeterminado pela solubilidade mútua dos materiais, ou pela tendência de ummaterial fornecer electrões numa célula electroquímica. Este processo ocorrequase exclusivamente em metais A composição e homogeneidade química domaterial são de extrema importância. Existem materiais cuja resistência ameios corrosivos específicos é bastante aceitável, pelo que devem serseleccionados para aplicações que envolvam tais atmosferas. Em projecto decomponentes, é importante evitar situações que provoquem a corrosãodiferencial, e seleccionar revestimentos que protejam efectivamente o materialbase contra a corrosão. Em certas situações, torna-se necessário recorrer amateriais de sacrifício.

Nos materiais poliméricos, existe o problema da quebra das longas cadeiasorgânicas, quer por reagentes químicos, quer por influência de radiaçãoelectromagnética.

Nos compostos cerâmicos, é a deterioração química que mais afecta o material.No entanto, os cerâmicos possuem, em geral, boa resistência a ambientesquimicamente activos.

RESUMO

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Componente Prática



1. Quais os três principais mecanismos de deterioração dos materiais?

2. Em princípio, uma bateria poderia ser carregada pela corrosão do ferro?

3. Uma placa de cobre submersa em água é presa ao aço por parafusosde aço. De acordo com a série galvânica, que metal tende a corroer-semais rapidamente, o cobre ou o aço?

4. Para proteger um dado metal da corrosão, deve-se promover umareacção catódica ou anódica na superfície?

5. Qual é o elemento de liga mais importante para conceder resistência àcorrosão ao ferro?

6. Para minimizar a deterioração de um utensílio doméstico, que materialutilizaria: o poliestireno ou um aço ordinário?

7. Considere um copo de vidro com água. A água está a atacar o vidro?

8. Indique três condições em que pode ocorrer a cisão das cadeias de umpolímero.


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Materiais para a Indústria

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3Materiais para a IndústriaIEFP IEFP IEFP IEFP IEFP · ISQ ISQ ISQ ISQ ISQ

TTTTTecnoloecnoloecnoloecnoloecnologia dos Magia dos Magia dos Magia dos Magia dos Materiaisteriaisteriaisteriaisteriais VII . 1VII . 1VII . 1VII . 1VII . 1

OBJECTIVOS


• Explicar os objectivos e as razões que levam um material a ser aplicadonum dado componente;

• Identificar o tipo de aço através da designação;

• Identificar as aplicações de cada tipo de aço;

• Reconhecer a importância do carbono nos aços;

• Explicar a importância, em termos de aplicações, das impurezas nos açoscarbono;

• Explicar a importância em termos de aplicações dos elementos de liga nosaços;

• Caracterizar os vários tipos de aços inoxidáveis;

• Identificar as aplicações de cada tipo de aço inoxidável;

• Identificar os vários tipos e aplicações dos aços-ferramenta;

• Identificar os tipos e aplicações dos ferros fundidos;

• Identificar os vários tipos de ligas de cobre e de alumínio e suas aplicações;

• Explicar as diferenças entre cerâmicos tradicinais e cerâmicos avançados;

• Identificar aplicações dos cerâmicos avançados.

TEMAS

• Ligas ferrosas• Designações• Aços carbonos• Aços ligados• Aços inoxidáveis• Aços ferramenta• Ferros fundidos

• Ligas não ferrosas• Cobre e suas ligas• Alumínio e suas ligas

• Materiais cerâmicos• Propriedades dos materiais cerâmicos• Aplicações dos materiais cerâmicos avançados

• Electrónica

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3Materiais para a IndústriaIEFP IEFP IEFP IEFP IEFP · ISQ ISQ ISQ ISQ ISQ


• Desgaste e corrosão• Aplicações térmicas• Combustíveis nucleares• Vidros cerâmicos• Maquinagem• Motores e turbinas

• Resumo• Actividades / Avaliação

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Materiais para a IndústriaIEFP IEFP IEFP IEFP IEFP · ISQ ISQ ISQ ISQ ISQ


Embora exista um número elevado de materiais para aplicações industriais,as propriedades mecânicas de cada um podem ser previstas e controladasatravés da compreensão dos mecanismos de ligação atómica, de arranjoatómico e de endurecimento, os quais foram discutidos nas unidades temáticasanteriores.

Os metais e ligas são normalmente divididos em dois grupos: os ferrosos e osnão-ferrosos. As ligas ferrosas, que são baseadas principalmente em ligasferro-carbono, incluem os aços-carbono, os aços ligados e os aços-ferramenta,os aços inoxidáveis e os ferros fundidos. Estes grupos de ligas têm uma grandevariedade de características e aplicações. Todos os mecanismos deendurecimento apresentados nas unidades temáticas anteriores aplicam-sea alguns destes materiais.

O diagrama de fases Fe-Fe3C (ferro-cementite) é a base para a compreensãodas características das ligas ferrosas (ver fig. VII.9). Apenas para relembraralguns conceitos, existem três tipos de soluções sólidas nestas ligas: a ferritedelta (δ), a austenite (γ) e a ferrite alfa (α); e um composto intermetálico:cementite ou carboneto de ferro (Fe3C). Para além disso, existe a possibilidadede formação de uma fase metaestável, a martensite, se a velocidade dearrefecimento for muito rápida.

As ligas ferro-carbono apresentam três reacções entre fases: eutéctica,peritéctica e eutectóide. No entanto, é a percentagem de carbono que definea diferença entre um aço e um ferro fundido: ligas com percentagens decarbono superiores a 2,11% são ferros fundidos; se a percentagem é inferior,são aços.

Designações

Existem várias designações que classificam os aços, por forma a que apenascom um número ou um conjunto de caracteres seja possível identificar o açoem questão. Uma das designações mais utililizadas é o sistema AISI (AmericanIron and Steel Institute), que, tal como todos os outros sistemas, classifica osaços através da sua composição química, já que esta é determinante para assuas características mecânicas.

A classificação é constituída por 4 ou 5 dígitos, em que o primeiro indica o tipode aço: 1 indica aço carbono; 2 indica aço ao níquel; 3 indica aço ao níquel-crómio; etc. No caso de ser um aço de baixa liga, o segundo dígito indica apercentagem aproximada do elemento de liga predominante. Os últimos doisou três dígitos indicam a percentagem média em carbono, dividida por 100.Portanto, o número 2520 indica que é um aço ao níquel, com aproximadamente5% de níquel e 0,20% de carbono.

INTRODUÇÃO

LIGAS FERROSAS

Fases das ligas

Dígitos

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Os algarismos base para os vários aços carbono e aços ligados e as percentagensaproximadas dos elementos de liga mais significativos são os seguintes:

• 10xx Aços carbono;• 11xx Aços carbono com muito enxofre e pouco fósforo;• 12xx Aços carbono com muito enxofre e muito fósforo;• 13xx Manganês 1,73;• 23xx Níquel 3,50;• 25xx Níquel 5,00;• 31xx Níquel 1,25, crómio 0,60;• 33xx Níquel 3,50, crómio 1,50;• 40xx Molibdénio 0,20 ou 0,25;• 41xx Crómio 0,50, 0,80, 0,95, molibdénio 0,12, 0,20 ou 0,30;• 43xx Níquel 1,83, crómio 0,50 ou 0,80, molibdénio 0,25;• 44xx Molibdénio 0,53;• 46xx Níquel 0,85 ou 1,83, molibdénio 0,20 ou 0,25;• 47xx Níquel 1,05, crómio 0,45, molibdénio 0,20 ou 0,35;• 48xx Níquel 3,50, molibdénio 0,25;• 50xx Crómio 0,40;• 51xx Crómio 0,80 a 1,00;• 5xxxx Carbono 1,04, crómio 1,03 ou 1,45;• 61xx Crómio 0,60 ou 0,95, vanádio 0,13;• 86xx Níquel 0,55, crómio 0,50 e molibdénio 0,20;• 87xx Níquel 0,55, crómio 0,50 e molibdénio 0,25;• 88xx Níquel 0,55, crómio 0,50 e molibdénio 0,35;• 92xx Silício 2,00;• 93xx Níquel 3,25, crómio 1,20, molibdénio 0,12;• 98xx Níquel 1,00, crómio 0,80, molibdénio 0,25;• 93xx Níquel 0,45, crómio 0,40, molibdénio 0,12, boro 0,0005.

Nos quadros VII.1 e VII.2 estão indicadas algumas das ligas normalizadas deaços carbono e aços ligados.

Por razões da vida prática industrial, os aços são, por vezes, classificadosgrosseiramente dentro de três intervalos, que consideram apenas o teor emcarbono:

• Aços de baixo carbono: até 0,25% de carbono;• Aços de médio carbono: entre 0,25 e 0,55 % de carbono;• Aços de alto carbono: entre 0,55 e 2% de carbono.

Aços carbono

Neste tipo de aços, é o carbono o elemento mais importante. Como facilmentese pode reconhecer do diagrama de fases ferro-carbono, existem variaçõesimportantes na microestrutura consoante a percentagem de carbono da liga.A fig.VII.1 ilustra a variação das propriedades mecânicas com a percentagemem carbono.

Designação AISI

Tipos de aço

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Quadro VII.1 - Aços ligados mais representativos

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Quadro VII.2 - Aços carbono mais representativos

Apesar da grande importância do carbono, pode-se ver pelo quadro VII.1 que osaços carbono comerciais contêm pequenas quantidades de outros elementosna sua composição normal.

O enxofre é mantido abaixo dos 0,05% nos aços comerciais. O enxofre combina-se com o ferro para formar FeS, que têm baixo ponto de fusão, concentrando-se estes compostos nos limites de grão. Quando um aço é forjado ou laminadoa temperaturas elevadas, torna-se frágil, já que a presença destes filmes líquidosdiminui a coesão entre os grãos aumentando a susceptibilidade ao aparecimentode fendas. Na presença de manganês, o enxofre tende a formar o compostoMnS, que é um composto de temperatura de fusão mais elevado, que se distribuina forma de inclusões por toda a estrutura, evitando a fragilização do aço. Aquantidade de manganês recomendada é de cerca de 6 a 8 vezes a de enxofre.

Aços carbono

Teor em carbono

Enxofre

Aços Carbono

AISI NO.* % C % Mn % P max % S max SAE NO.

C1010C1015C1020C1025C1030

C1035C1040C1045C1050C1055

C1060C1065C1070C1075C1080

C1085C1090C1095

0,08 - 0,130,13 - 0,180,18 - 0,230,22 - 0,280,28 - 0,34

0,32 - 0,380,37 - 0,440,43 - 0,500,48 - 0,550,50 - 60,0

0,55 - 0,650,60 - 0,700,65 - 0,750,70 - 0,800,75 - 0,88

0,80 - 0,930,85 - 0,980,90 - 1,03

0,30 - 0,600,30 - 0,600,30 - 0,600,30 - 0,600,60 - 0,90

0,60 - 0,900,60 - 0,900,60 - 0,900,60 - 0,900,60 - 0,90

0,60 - 0,900,60 - 0,900,50 - 0,800,60 - 0,900,60 - 0,90

0,70 -1,000,60 - 0,900,30 - 0,50

0,040,040,040,040,04

0,040,040,040,040,04

0,040,040,040,040,04

0,040,040,04

0,050,050,050,050,05

0,050,050,050,050,05

0,050,050,050,050,05

0,050,050,05

10101015102010251030

10351040104510501055

10601065107010751080

108510901095

Aços Carbono para maquinagem

AISI NO.* % C % Mn % P max % S max SAE NO.

B1112B1113C1110C1113C1115

C1120C1137C1141C1212C1213C12L14

0,13 max0,13 max0,08 - 0,130,10 - 0,160,13 - 0,18

0,18 - 0,230,32 - 0,390,37 - 0,450,13 max0,13 max0,15 max

0,70 - 1,000,70 -1,000,30 - 0,601,00 - 1,300,60 - 0,90

0,70 - 1,001,35 - 1,651,35 - 1,650,70 - 1,000,70 - 1,000,80 - 1,20

0,07 - 0,120,07 - 0,120,040,040,04

0,040,040,040,07 - 0,120,07 - 0,120,04 - 0,09

0,16 - 0,230,24 - 0,330,08 - 0,130,24 - 0,330,08 - 0,13

0,08 - 0,130,08 - 0,130,08 - 0,130,16 - 0,230,24 - 0,330,25 - 0,35

11121113

1115

11201137114111121113

12L14

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Nos aços carbono para maquinagem, a percentagem de enxofre é maior: cercade 0,08 a 0,35%. A adequação destes aços à maquinagem deve-se à presençade enxofre, já que a presença de sulfuretos de ferro permite que os pequenospedaços de material removido se quebrem mais facilmente, diminuindo odesgaste da ferramenta de maquinagem. Manganês

Fig.VII.1 - Variação das propriedades mecânicas com a percentagem em carbono

Nos aços comerciais, o manganês está presente com valores entre 0,03 e 1%.A principal função deste elemento é a que se descreveu anteriormente.

A percentagem de fósforo é, em geral, mantida abaixo dos 0,04%. Estapequena quantidade tende a dissolver-se na ferrite, aumentando ligeiramentea resistência e a dureza. Em alguns aços com níveis de fósforo entre 0,07 e0,12, as características de maquinagem são melhoradas. Quando o fósforoestá presente em maiores quantidades, a ductilidade baixa significativamente,aumentando assim a susceptibilidade do aço à fissuração quando trabalhadoa frio.

O silício é outro elemento presente, com valores entre 0,05 e 0,3%. O silíciodissolve-se na ferrite, aumentado a resistência do aço, sem diminuirsignificativamente a ductilidade.

Os aços carbono apresentam propriedades muito satisfatórias quando assolicitações em serviço não são muito severas. São utilizados com bastantesucesso à temperatura ambiente e são muito sensíveis à corrosão, mas

Fósforo

Silício

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apresentam índices de dureza médios. Além disso, com o aumento datemperatura, estes aços diminuem as suas propriedades mecânicas. A maioriadas limitações dos aços carbono pode ser ultrapassada utilizando aços ligados.

Aços ligados

Um aço ligado pode ser definido como um aço cujas propriedades são originadaspor elementos de liga diferentes do carbono. Portanto, o objectivo de adicionarelementos é para se atingir uma ou várias das seguintes características:

• Aumento da temperabilidade;• Aumento de resistência à temperatura ambiente;• Aumento das características mecânicas a baixa e alta temperatura;• Aumentar a tenacidade sem aumentar a dureza ou a resistência;• Aumentar a resistência ao desgaste;• Aumentar a resistência à corrosão;• Melhorar as características magnéticas.

Os elementos de liga podem ser divididos em dois grupos: os que se dissolvemna ferrite e os que promovem a formação de carbonetos. Qualquer elementodissolvido na ferrite aumenta a dureza e a resistência. No entanto, devido à suadimensão, cada elemento tem um contributo diferente para esta propriedade(fig. VII.2).

Elementos de liga

Tipos de elementos

Fig.VII.2 - Efeito dos elementos de liga dissolvidos na ferrite

220

200

180

160

140

120

100

80

600 2 4 6 8 10 12

% do elemento no ferro alfa

Dureza Brimel

Silí

cio

Man

ganê

s

Níquel

Vanádio

Tungsténio

Crómio

Molibdênio

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Os carbonetos formados pela presença dos elementos de liga são, em geral,compostos duros e frágeis, aumentando a dureza e a resistência do aço aodesgaste. No entanto, a ductilidade e tenacidade diminuem significativamente.Os níveis de dureza e resistência ao desgaste nas ligas ricas em carbonetossão, em larga escala, determinados pela quantidade, dimensão e distribuiçãodas partículas duras. Estes factores são, por seu lado, controlados pelacomposição química, processo de fabrico e tratamento térmico.

De seguida apresentam-se as principais áreas de aplicação dos vários gruposde ligas:

• Aços ao níquel (2xxx): aumento da tenacidade, ductilidade e resistênciaà fadiga; utilizado em peças grandes para forjagem, pernos, rodasdentadas, etc;

• Aços ao crómio (5xxx): boa resistência ao desgaste, aumento daresistência à corrosão, aumento da tenacidade; utilizado em molas,pernos, veios de motores, eixos, rolamentos e peças de impacto;

• Aços ao cromo-níquel (3xxx): caraterísticas entre os 2xxx e 5xxx;utilizado em pistons, aplicações de carga elevada, caixas dos aviões edos automóveis, veios, pistons, etc;

• Aços ao manganês (31xx): aumenta a resistência e dureza; peças paraforjagem, rodas dentadas e eixos;

• Aços ao molibdénio (4xxx): aumenta a dureza e resistência atemperaturas elevadas; tanques sob pressão, tubagens paratemperaturas elevadas, molas de alta temperatura, partes estruturaisdos aviões, eixos dos automóveis, trem de aterragem, etc;

• Aços ao silício (92xx): aumenta a resistência ao desgaste e modificapropriedades magnéticas; componentes eléctricos, molas de desgaste,punções, etc.

Aços inoxidáveis

Os aços inoxidáveis são seleccionados pela sua excelente resistência àcorrosão. Todos os aços inoxidáveis contêm, no mínimo, 12% de crómio, queorigina a formação de uma fina camada superficial de óxido de crómio, quandoo aço está exposto ao oxigénio. Este óxido é bastante estável e inibe ofenómeno da corrosão.

Existem três categorias de aços inoxidáveis, apresentando-se no quadro VII.3alguns exemplos. Como se pode ver pela fig. VII.3, à medida que aumenta apercentagem de crómio, o intervalo de temperatura em que existe a faseaustenítica diminui, até que, para teores em cobre superiores a 12%, não seforma a fase austenítica. Assim, para teores elevados de cobre, a ferrite estápresente a todas as temperaturas, pelo que se considera o crómio como umelemento estabilizador da ferrite.

Aplicações aços - liga

Inoxibilidade

Tipos de inoxidáveis

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Os aços inoxidáveis ferríticos com percentagens de crómio entre 12 e 30% eteores de carbono inferiores a 0.12% apresentam boa resistência e ductilidademoderada, devido à presença de átomos de crómio da rede da ferrite(endurecimento por solução sólida). Quando os teores de crómio ou de carbonosão elevados, a precipitação de carbonetos origina um endurecimento porprecipitação, mas fragiliza a liga. Este aços apresentam excelente resistênciaà corrosão, embora tenham baixa ductilidade. São, por isso, utilizados emcomponentes submetidos a condições de corrosão extrema.

Os aços inoxidáveis martensíticos apresentam teores de crómio inferiores a17%, para que seja possível formar martensite a partir do arrefecimento rápidoda austenite. A martensite temperada apresenta elevada resistência e dureza.O baixo teor de crómio permite que se possam variar o teor de carbono entre0,1 e 1%, originando martensites com diversos graus de dureza. O baixo teorde crómio também origina uma diminuição da resistência à corrosãocomparativamente aos aços inoxidáveis ferríticos. No entanto, a combinaçãode dureza e resistência elevadas, para além de boa resistência à corrosão,torna este aço atractivo para aplicações como facas e outros utensílios decozinha, rolamentos, válvulas, etc.

Martensíticos

Ferríticos Austeníticos

α + L

1539º C α + L

1505º C

α

L

1400º C

2000

1800

1600

1400

1200

1000

600Fe 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

850º C α + σ

820º C

α + σ σ

1800º C

Crómio (p %)

910º C

γ

α + γ

Tem

pera

tura

(º

C)

Fig. VII.3 - Diagrama de equilíbrio Fe-Cr

O níquel é o elemento que surge nos aços inoxidáveis austeníticos e quediferencia estes aços dos restantes. O níquel é um elemento estabilizador daaustenite e, se o teor de carbono é inferior a 0,03%, o aço apresenta apenasuma fase à temperatura ambiente: a austenite. Devido à presença desta fase(e percentagens de crómio acima dos 12%), este aço combina boa ductilidadecom boa resistência à corrosão. É o mais utilizado dos aços inoxidáveis, tendocomo casos mais comuns os reservatórios sob pressão e à pressão atmosféricade líquidos corrosivos, carcaças de equipamentos ao ar livre, coberturas decomboios, pontes, antenas, etc.

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Quadro VII.3 - Composição e propriedades de alguns aços inoxidáveis

Aços-ferramenta

Qualquer aço que seja utilizado como ferramenta pode ser designado por“aço-ferramenta”. No entanto, este termo restringe-se habitualmente a açosespeciais de elevada qualidade, utilizados em ferramentas de corte, moldes eprocessos de enformação.

Existem vários métodos de classificar os aços-ferramenta. Um dos métodosé o meio de têmpera utilizado para obter o endurecimento do aço: água, óleoe ar. A composição química é outro modo de classificação: açoscarbono-ferramenta, aços-ferramenta de baixa liga, etc. Por último, existe ométodo baseado na aplicação do aço: aços para trabalho a quente, açosresistentes ao choque, aços rápidos e aços para trabalho a frio. A classificaçãoAISI inclui o método de têmpera, aplicação e características especiais paracertas indústrias. Os aços foram agrupados em sete tipos, correspondendo acada um uma letra:

• Tipo W: Têmpera em água;• Tipo S: Resistente ao choque;• Tipo O: Têmpera em óleo (trabalho a frio);

Classificação

Aço %C %Cr % Ni Outros ResistênciaTensão de Cedência Enlongamento

Austeníticos kpsi kpsi %

201 0,15 17 4.5 6%Mn 95 45 40

304 0,08 19 9 - 75 30 30

304L 0,03 19 10 -2%Mn 75 30 30

316 0,08 17 12 Ti(5x%C) 75 30 30

321 0,08 18 11 Nb(10x%C) 85 35 55

347 0,08 18 11 90 35 50

Ferríticos -

430 0,12 17 - - 65 30 22

442 0,12 20 - 75 40 20

Martensíticos 0,60%Mo

416 0,15 13 - - 180 140 18

431 0,20 16 2 0,75%Mo 200 150 16

440C 1,00 17 - 285 275 2

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• Tipo A: Têmpera ao ar; média liga (trabalho a frio);• Tipo D: Carbono e crómio elevados (trabalho a frio);• Tipo H: Trabalho a quente;• Tipo T: Aços rápidos (à base de tungsténio);• Tipo M: Aços rápidos (à base de molibdénio);• Tipo P: Aços para moldes;• Tipo L: Aço especial (baixa liga);• Tipo F: Aço especial (à base de carbonetos de tungsténio).

Os aços do grupo W são essencialmente aços carbono temperados, emboraalguns deles apresentem pequenas percentagens de crómio e vanádio paraaumentar a temperabilidade e a resistência ao desgaste. O teor de carbonovaria entre 0,60 e 1,4%. Estes aços podem ser subdivididos em três tipos:

• Percentagem de carbono entre 0,60 e 0,75%: para aplicações onde atenacidade é o factor principal – martelos, quebra-cimento, aplicadoresde rebites e matrizes para pequenas séries;

• Percentagem de carbono entre 0,75 e 0,95%: para aplicações onde atenacidade também é importante – punções, matrizes e lâminas de corte;

• Percentagem de carbono entre 0,95 e 1,40%: para aplicações onde aresistência à abrasão e a manutenção da ponta de corte (afiamento)são importantes – ferramentas de corte de madeira, perfiradores eferramentas de dobragem.

Os aços do grupo S são desenvolvidos para aquelas aplicações onde atenacidade e a capacidade de absorver choques sucessivos são factoresimperativos. Têm um teor de carbono baixo (0,45 a 0,65%), tendo como principaiselementos de liga o silício, o crómio, o tungsténio e, por vezes, o molibdénio.Estes aços apresentam uma dureza média a alta temperatura, boamaquinabilidade e boa resistência ao desgaste. São utilizados para o fabricode ferramentas de enformação, punções, ferramentas pneumáticas e lâminasde corte.

Os aços do grupo O, para trabalho a frio, contêm manganês e pequenasquantidades de crómio e tungsténio. São aços resistentes à deformação e àdescarburização com o aumento da temperatura; a tenacidade e a dureza aelevada temperatura são médias. São utilizados para matrizes de enformaçãoa frio, ferramentas de enformação e guias de extrusão.

Os aços do grupo A apresentam, em geral, maiores teores em elementos deliga: 1%C; 5%Cr; 3%Mn e 1%Mo. Os elementos de liga conferem maiortemperabilidade e maiores níveis de dureza a baixa temperatura. Estes açostêm elevada resistência à deformação, resistência ao desgaste, apresentandotenacidade e dureza médias a alta temperatura. Estes aços são utilizadospara matrizes, dobragem e ferramentas de vibração.

Aplicações do grupo W

Aplicações do grupo S

Aplicações do grupo O

Aplicações do grupo A

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Os aços para trabalho a frio do grupo D contêm 2,25% de carbono e 12% decrómio, podendo também conter molibdénio, vanádio e cobalto. Apresentamexcelente resistência ao desgaste e à deformação. São usados em matrizes epunções de furação, matrizes para trefilagem e padrões.

Os aços-ferramenta do grupo H apresentam uma elevada dureza a altatemperatura, pelo que são utilizados para moldes de plásticos, matrizes deforjagem e extrusão a quente, matrizes para fundição. Os elementos presentessão o crómio, o molibdénio e o tungsténio, sendo a soma das suaspercentagens superior a 5%.

Os aços rápidos (grupos T e M) estão entre os aços-ferramenta mais ligados(com teores mais elevados em elementos de liga). Contêm, em geral, grandespercentagens de tungsténio ou molibdénio, conjuntamente com crómio,vanádio e, algumas vezes, cobalto. A percentagem de carbono varia entre0,7 e 1,5%. Apresentam, em geral, alta temperatura e boa resistência aochoque. As aplicações principais são em ferramentas de corte, mas tambémem matrizes de extrusão, ferramentas para combustão e punções.

Os aços para moldes (grupo P) têm como principais elementos de liga o crómioe o níquel, e alumínio e molibdénio como aditivos. Em geral, apresentam baixadureza quando recozidos. No entanto, antes de serem utilizados como moldes,são temperados superficialmente, o que origina um molde com elevada durezasuperficial para resistir ao desgaste e um interior capaz de absorver asdilatações e contrações dos ciclos térmicos da moldação.

Ferros fundidos

Tal como os aços, os ferros fundidos são ligas de ferro e carbono. Em relaçãoaos aços, os ferros fundidos têm teores de carbono muito superiores, entre 2a 6,67%. Porque estes níveis de carbono tornam o ferro fundido muito frágil,os ferros fundidos comerciais têm percentagens de carbono entre 2,5 e 4%.

A ductilidade de um ferro fundido é muito baixa, não podendo ser laminado,enformado ou trabalhado a baixa temperatura; na realidade, a maioria dosferros fundidos não é maleável a nenhuma temperatura. No entanto, sãolíquidos a temperaturas muito mais baixas que os aços (fig. VII.4), pelo quepodem ser vazados (termo utilizado em fundição que significa derramar metalfundido num molde) em formas complicadas e, seguidamente, maquinadospontualmente. Como o processo de fundição é o único que pode ser utilizadonestas ligas, assumiram o nome de ferros fundidos .

Embora os ferros fundidos comuns sejam frágeis e possuam menor resistênciaque os aços, são significativamente mais baratos, a temperatura de fusão éinferior, e têm ainda outras propriedades importantes. Para além disso,controlando a composição química e os tratamentos térmicos, é possível obterferros fundidos com propriedades bastante diferentes.

Aplicações do grupo D

Aplicações do grupo H

Aplicações aços rápidos

Aplicações grupo P

Composição

Vantagens

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Fig. VII.4 - Diagrama de fases Fe - C

O melhor método de classificar os ferros fundidos é através da sua estruturametalográfica. Existem quatro variáveis que conduzem a quatro tipos de ferrosfundidos: teor em carbono, teor em impurezas e elementos de liga, velocidadede arrefecimento e o tratamento térmico após vazamento. O carbono existentepode estar combinado com o ferro na forma de cementite ou pode existir comocarbono livre na forma de grafite. A forma e distribuição das partículas de carbonolivre influencia radicalmente as propriedades físicas do ferro fundido. Os tiposde ferro fundido são os seguintes:

• Ferro Fundido Branco : todo o carbono está combinado na forma decementite;

• Ferro Fundido Maleável : a maioria ou a totalidade do carbono nãoestá combinada, formando partículas redondas irregulares a que se dá onome de “carbono revenido”. Estes precipitados são obtidos portratamento térmico do ferro fundido branco;

• Ferro Fundido Cinzento : a maioria do carbono encontra-senão-combinado, formando flocos de grafite;

• Ferro Fundido Nodular : devido a adições de ligas especiais, o carbonoencontra-se não-combinado, formando esferóides de grafite. Esta estruturaé diferente da do ferro fundido maleável, visto que a estrutura é obtidalogo após solidificação e as partículas de carbono têm formas maisarredondadas.

Classificação

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As propriedades dos vários ferros fundidos estão presentes no quadro VII.4.Nesta tabela, é também possível identificar os campos de aplicação de cadatipo de ferro fundido. A presença de diferentes fases à temperatura ambientedeve-se, essencialmente, ao tipo de tratamento térmico aplicado à liga apóssolidificação.

Para além do baixo custo, os ferros fundidos, em geral, exibem outraspropriedades que os elegem em muitas aplicações. Apesar de serem materiaisfrágeis, os ferros fundidos têm uma elevada resistência ao desgaste,principalmente o ferro fundido branco. Esta situação leva a que este ferrofundido seja bastante utilizado em travões de locomotivas de comboios e emoutros componentes em que a situação de abrasão é muito severa. Outrapropriedade interessante dos ferros fundidos é a capacidade de amortecimento,a qual é muito maior num ferro fundido que num aço. Isto deve-se ao facto dapresença da grafite, sendo o ferro fundido cinzento aquele que maior capacidadeapresenta devido à forma das partículas de grafite. Isto leva a que o ferro fundidoseja também utilizado em blocos de motor, carcaças de turbina e aplicaçõessimilares.

Aplicações

Quadro VII.4 - Propriedades e aplicações dos ferros fundidos

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Os materiais metálicos podem ser divididos em dois grandes grupos: osferrosos e os não-ferrosos. Enquanto que os materiais ferrosos são à base deferro, os não-ferrosos têm um elemento (que não o ferro) como principalconstituinte. Os metais não-ferrosos mais importantes são o cobre, o alumínioe as suas respectivas ligas.

Cobre e suas ligas

As propriedades mais importantes do cobre são a condutividade térmica eeléctrica bastante elevada, boa resistência à corrosão, facilidade em sermaquinado, boa resistência mecânica e uma cor agradável. Muitas destapropriedades são alteradas, para melhor ou para pior, pela adição de elementosde liga. Grande parte do cobre utilizado nos condutores eléctricos contémcerca de 99,9% de pureza, sendo designado por “cobre electrolítico”. Porvezes, também é utilizado o cobre de elevada condutividade (isento deoxigénio-OFHC). O cobre electrolítico também é utilizado para telhados,goteiras, radiadores de automóveis, válvulas, reservatórios de líquidosindustriais e destilarias. Este metal tem percentagens de oxigénio na ordemde 0,02 a 0,05%, o qual se combina com o cobre formando o composto óxidode cobre, que aumenta a resistência mecânica. O cobre livre de oxigénio éutilizado em tubagens electrolíticas ou aplicações similares, sendo possíveluni-lo ao vidro.

Grande percentagem do cobre consumido aparece sob a forma de liga. Estasligas dividem-se em três grandes grupos: latões, bronzes e cuproníquel.

Os latões são ligas de cobre e zinco, apresentando, por vezes, pequenaspercentagens de chumbo, estanho ou alumínio. As variações em composiçãooriginam a modificação da cor, resistência, ductilidade, resistência à corrosãoou combinações destas propriedades. Os latões comerciais podem serdivididos em dois grupos: latões para trabalho a frio e latões para trabalho aquente.

Os latões para trabalho a frio contêm no máximo 36% de zinco, apresentandoboa resistência à corrosão, e a sua cor varia com a percentagem de cobre:latões amarelos (20 a 36% de Zn) e latões vermelhos (5 a 20% de Zn). Oslatões amarelos combinam boa resistência com elevada ductilidade, sendoindicados para serem trabalhados a frio. O latão amarelo mais utilizado é olatão para cartuchos (70%Cu-30%Zn) e o “latão amarelo” (nome comercial)com 65%Cu e 35% de Zn. As aplicações típicas destes latões são na indústriaautomóvel (radiadores, reservatórios e reflectores de luz), eléctricas (reflectorespara as lâmpadas de flash, casquilhos, protecções de parafusos), na indústriados computadores (anilhas, rebites, parafusos, molas) e, obviamente, no fabricode munições. Adicionando 0,5 a 3% de chumbo, a liga melhora a sua capacidadede ser maquinada, sendo utilizada em parafusos de alto grau de maquinagem,placas para gravação, chaves e componentes para fechaduras, engrenagens ecomponentes de relógios. A adição de alumínio ao latão amarelo (76%Cu, 22%Zn-2%Al) aumenta significativamente a resistência à corrosão, sendo esta liga

LIGAS NÃO-FERROSAS

Tipos de cobre

Latões

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utilizada em componentes eléctricos e electrónicos para barcos. Os latõesvermelhos possuem melhor resistência à corrosão que os amarelos, sendo asligas mais comuns o latão dourado (95%Cu-5%Zn: boa resistência mecânica;é utilizado em medalhas, moedas, emblemas e peças com elevado grau depolimento), o bronze comercial (90%Cu-10%Zn: é utilizado para objectos debijuteria, caixas para baton, hardware marítimo, parafusos e rebites). O “latãovermelho” (85%Cu-15%Zn) é utilizado para contactos eléctricos, componentesde hardware, condensadores, tubos de permutadores de calor e corpos deradiadores.

Os latões para trabalho a quente contém 54 a 62% de cobre, tendo acaractrística de serem bastante dúcteis a alta temperatura. A liga mais utilizadaé o metal muntz (60%Cu-40%Zn), o qual é utilizado em forma de chapa paraaplicações em navios, em cabeças de condensadores, componentesperfurados e aplicações de arquitectura.

O termo “bronze” foi originalmente utilizado nas ligas cobre-estanho; no entanto,hoje em dia, é utilizado para qualquer liga de cobre contendo até 12% doelemento de liga principal, à excepção das ligas cobre-zinco. Os bronzes deestanho são caracterizados por terem elevada resistência e tenacidade, boaresistência à corrosão e baixo coeficiente de fricção. São bastante utilizadosem diafragmas, fecho de máquinas de lavar, molas e pinos. Os bronzes desilício são as ligas de cobre mais fortes; as suas prorpriedades mecânicassão comparáveis às do aço carbono e a resistência à corrosão é similar à docobre. São utilizados em reservatórios de pressão, construções marítimas elinhas de pressão hidráulica. Os bronzes de alumínio possuem boaspropriedades para serem trabalhados a frio, boa resistência, combinado comboa resistência à corrosão. São utilizados em tunos de condensação, formastrabalhadas a frio, reservatórios resistentes à corrosão e em aplicaçõesmarítimas. Finalmente, os bronzes de berílio combinam excelenteformabilidade com elevada tensão de cedência, sendo utilizados em aplicaçõesonde se combina a necessidade de resistência à corrosão, resistência mecânicae condutividade eléctrica (diafragmas, pontes de contacto, instrumentoscirúrgicos, parafusos, dispositivos anti-faísca).

Outro grande grupo das ligas de cobre são os cupro-níqueis, os quais contêm,no máximo, 30% de níquel. Estas ligas exibem elevada resitência à corrosão,à fadiga e à erosão. São utilizados em condensadores, destiladores,evaporadores e em permutadores de calor para navios e centrais térmicas.

Alumínio e suas ligas

A principal característica do alumínio é a baixa densidade, que é cerca de umterço da do aço ou do cobre. Algumas ligas de alumínio apresentam valoresmais elevados de razão entre resistência e peso do que os aços de elevadaresistência. O alumínio apresenta, em geral, elevada ductilidade, elevadaresistência à corrosão e elevadas condutividades eléctrica e térmica. Oalumínio muito puro é utilizado para reflectores fotográficos, devido ao seuelevado grau de reflectividade.

Metal muntz

Bronzes

Cupro-níquel

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As características não-magnéticas do alumínio levam a que seja utilizado comoisolador de sistemas eléctricos. Embora a conductividade eléctrica seja cercade 62% da do cobre, o seu baixo peso torna-o indicado para condutor deelectricidade em muitas aplicações industriais.

O alumínio é facilmente trabalhável e maquinável. Pode ser laminado paraqualquer espessura, estampado, martelado, forjado e extrudido para quasetodas as formas que se possam conceber.

O alumínio comercial puro, liga 1 100 (mais de 99% de Al), é utilizado emaplicações onde é importante a fácil enformação e boa resistência à corrosão,e não é necessária resistência elevada. Tem sido extensivamente utilizadoem utensílios de cozinha, componentes arquitectónicos, embalagem de comidae alimentos e conjuntos soldados.

A classificação da AAA (America Aluminium Association) é a mais utilizada,sendo as ligas de alumínio classificadas com a ajuda de quatro dígitos. Oprimeiro dígito indica qual o elemento de liga principal:

• Ligas 1xxx: Alumínio em teores superiores a 99%;• Ligas 2xxx: Cobre;• Ligas 3xxx: Manganês;• Ligas 4xxx: Silício;• Ligas 5xxx: Magnésio;• Ligas 6xxx: Magnésio e Silício;• Ligas 7xxx: Zinco.

O segundo dígito indica modificações da liga original ou limites de pureza; osúltimos dois dígitos servem para identificar as diferentes ligas de alumínio emcada grupo.

No grupo 2, as ligas mais utilizadas são a 2 017, 2 024 e 2 218. A liga 2 017 éum duralumínio e é endurecida por tratamento térmico, contendo 4% de cobre;é a liga mais utilizada em rebites de aviões. A liga 2 024 contém 4,5% de cobree 1,5% de magnésio, apresenta os níveis de resistência mais elevados destegrupo, sendo utilizada, por isso, em rebites de alta resistência para aviões,estruturas de aviões, componentes de hardware e parafusos. A liga2 218 (2% de níquel) é utilizada em aplicações em que é necessário suportartemperaturas elevadas, tais como cilindros de forjagem e pistons.

Nas ligas do grupo 3, é a liga 3 003 a mais utilizada, apresentando boaformabilidade, elevada resistência à corrosão e boa soldabilidade. Étipicamente utilizada em utensílios para manusear comida e produtos químicos,equipamento de armazenagem de gasolina, óleo e em tubagens.

As ligas de alumínio com silício apresentam baixo coeficiente de expansão esão aptas ao forjamento. A liga 4 032 é das mais utilizadas, tendo comoaplicação típica as cabeças dos pistons dos automóveis.

Propriedades

Alumínio puro

Classificação

Dígitos

Grupo 2

Grupo 3

Grupo 4

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As ligas do grupo 5xxx apresentam boa soldabilidade, boa resistência à corrosãoe resistência moderada. A liga 5 005 (0,8% Mg) é utilizada para extrusões emforma complicada; a liga 5 050 (1,2% Mg) é utilizada nas tubagens de óleo egasolina dos automóveis; a liga 5 052 (2,5% Mg) é utilizada em tubagens deóleo e combustível de aviões; a liga 5 083 (4% Mg) é utilizada em componentesmarítimos e estruturas soldadas.

As ligas de alumínio com silício e magnésio são caracterizadas por excelenteresistência à corrosão e resistência média, pelo que são utilizadas emcomponentes não submetidos a esforços nos trens de aterragem dos aviões,canoas, mobiliário, tubos de aspiradores e aplicações arquitectónicas.

As ligas do grupo 7 são muito susceptíveis à corrosão sob tensão. No entanto,adicionando elementos de liga e com tratamento térmico apropriado, esteproblema é minimizado. As ligas comerciais 7 075, 7 079 e 7 178, com adiçõesde zinco, magnésio e cobre são as que permitem obter as resistências maiselevadas entre todas as ligas de alumínio. São, muitas vezes, apelidadas de“duralumínios” e são usadas em jantes de automóveis e componentesestruturais de aviões.

De um modo geral, considera-se que o campo dos materiais cerâmicos abrangeos compostos inorgânicos e não-metálicos, de que são exemplo os óxidos,silicatos, carbonetos, nitretos, etc. Este campo inclui materiais com tecnologiastão distintas como as porcelanas, o carboneto de silício, o vidro e o cimento.

Na Europa, tem-se adoptado um critério de classificação para os materiaiscerâmicos, que considera dois grandes grupos: os cerâmicos tradicionais eos cerâmicos avançados.

Tradicionalmente, os cerâmicos têm sido materiais obtidos por cozedura, aaltas temperaturas, de matérias-primas naturais sob a forma de pastas,constituídas principalmente por silicatos de alumínio hidratados (argilas) eutilizadas sem grandes tratamentos de purificação.

Modernamente, o campo dos cerâmicos foi substancialmente alargado paraincluir não só os silicatos naturais, como também materiais produzidossinteticamente e com composição bem definida, de que são exemplo os óxidospuros, os magnetos cerâmicos, os combustíveis nucleares, etc. Estesmateriais, constituintes do grupo dos cerâmicos avançados, são obtidos atravésde operações não muito diferentes das usadas na produção de cerâmicostradicionais. Distinguem-se substancialmente destes pelo maior controlo nafabricação, por usarem matérias-primas sintéticas de elevada pureza sob aforma de pó e pelo seu volume de produção ser bastante inferior ao doscerâmicos tradicionais (conquanto o seu valor seja muito elevado).

O aparecimento destes novos materiais tem possibilitado apreciáveis avançostecnológicos, devido ao facto de apresentarem determinados conjuntos depropriedades até então não reunidas noutros materiais.

Grupo 5

Grupo 6

Grupo 7

MATERIAIS CERÂMICOS

Classificação

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As microestruturas apresentadas pelos cerâmicos tradicionais e cerâmicosavançados diferem substancialmente. Os primeiros são, em geral, polifásicos,pelo que as suas propriedades dependem largamente das proporções dasdiferentes fases, assim como da sua forma e distribuição. Pelo contrário, oscerâmicos avançados são monofásicos ou predominantemente monofásicos(a segunda fase não excede, em geral, os 5%), donde as propriedades sãodeterminadas pela sua densidade e textura, assim como pelo tamanho e formados grãos da fase predominante.

Os cerâmicos avançados apresentam um conjunto único de propriedadesfuncionais, que os tornam insubstituíveis na grande maioria das aplicações.Apresentam em geral:

• Baixa densidade;• Elevada resistência, a todas as temperaturas;• Elevado módulo de elasticidade;• Elevada dureza, resistência ao desgaste e abrasão;• Elevada resistência à corrosão;• Elevada refractariedade;• Baixo coeficiente de expansão térmica;• Propriedades eléctricas e magnéticas diversas.

Os avanços tecnológicos recentes, aliados à necessidade de uma maiseficiente utilização dos recursos naturais, incluindo a energia, têm vindo a imporaos materiais solicitações termomecânicas cada vez maiores. Potencialmente,os cerâmicos avançados apresentam-se como os materiais capazes deresponder a esse tipo de solicitações; por outro lado, porque as suascomposições se baseiam em matérias-primas abundantes e largamentedispersas no planeta, não são materiais difíceis de produzir.

Existem, contudo, ainda, diversos problemas por resolver, tanto ao nível daengenharia dos materiais em si, como ao nível das tecnologias de fabrico, nosentido de obter materiais com boas propriedades mecânicas numa vastagama de temperaturas, elevada fiabilidade e boa reproductibilidade de fabrico.Paralelamente, a utilização de tecnologias mais económicas possibilitará oalargamento da gama de utilizações, que, actualmente, apresenta ainda grandeslimitações devido ao elevado preço dos materiais.

Os cerâmicos avançados são presentemente baseados na alumina, zircónia,nitretos, carboneto de silício e nos sialons (Si,Al,O e N). A principal aplicaçãodestes materiais situa-se no domínio das ferramentas de corte, peças dedesgaste, componentes refractários e na indústria da electrónica. Têm-sedesenvolvido importantes trabalhos de investigação, entre os quais osrealizados no chamado “motor cerâmico” são do conhecimento geral.

Os materiais cerâmicos podem ser classificados como se ilustra noquadro VII.5.

Propriedades

Cerâmicos avançados

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Quadro VII.5 - Classificação dos materiais cerâmicos

Exemplos

Tradicionais

Barros

Brancos(composições

triaxiais)

Porosos Faianças

Não porosos Porcelanas

CoradosPorosos

Cerâmicas de construçãoLoiça barro vermelho

Não porosos Grés

Refractários

ÁcidosSílica

Sílico-aluminosaAlumina

Básicos

MagnesitesDolomites

CromomagnesiteMagnesocromite

NeutrosCromite

Forsterite

AbrasivosCarboneto de silício

Alumina

Especiais

Óxidos purosCarboneto de silícioAlumina

Carbonetos e nitretosCarbonetos de tungsténio e

hárnioNitretos de alumínio e silício

Combustíveis nuclearesDióxido de urânio

Carboneto de urânio

Cerâmicosmagnéticos

Macios Espinelas

Duros Magnetoplumbites

Electrocerâmicos

PiezoeléctricosFerroeléctricos

Perovskites-titanato debário, PLZT

Isoladores Alumina

Semicondutores Semicondutores

Vidros cerâmicos Pirocerâmicos

Tijolos refractários utilizadosno revestimento de fornos

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Propriedades dos materiais cerâmicos

Os cerâmicos avançados possuem características que os distinguem dos outrosmateriais. No quadro VII.6 apresentam-se as propriedades dos cerâmicosavançados mais utilizados actualmente.

Quadro VII.6 - Comparação entre os cerâmicos avançados mais utilizados

Comparativamente aos metais, os cerâmicos avançados possuemcaracterísticas peculiares para apliçações como componentes estruturais, jáque têm uma elevada resistência a alta temperatura.

Materiais Unidades Carbonetode silício

Nitretode silício

Titanato dealumínio

Mulite Cordiérite Zircónia--Mulite

Cor Preto Cinzento Branco Branco Creme Amarelo

Densidade aparenteDensidade teóricaPorosidade aberta

103 kg m3

103 kg m-3

%vol

3,10 a 3,153,21

0

>3,183,28

0

3 a 3,253,55

8 a 15

>3,073,15

0

2,502,54

0

3,233,8015

Coeficiente de dilatação linear20 / 500ºC

2o / 1 000ºC20 / 1 400ºC

Condutividade térmica a20ºC

500ºC1 000ºC

Calor específico a100ºC500ºC

1 000ºC

10-6 ºC-1

10-6 ºC-1

10-6 ºC-1

Wm-1 ºC-1

Wm-1 ºC-1

Wm-1 ºC-1

Jkg-1 ºC-1

Jkg-1 ºC-1

Jkg-1 ºC-1

44,64,9

1706535

901 2301 285

2,433

202020

720

-0,2 a 0,10,8 a 1,32 a 2,4

3,41,751,1

880

4,84,95

4,44,65

900

1,51,72

2,52,62,8

880

5,866

3,53,63,8

730

Dureza vickers (carga de 50kg)Resistência mecânica a (flexão

em três pontos)20ºC

500ºC1 000ºC

Resistência à compressãoMódulo de Weibull

Módulo de Young a 20ºCMódulo de Poisson a 20ºCTenacidade de KjC a 20ºC

kg mm-2

MpaMpaMpaMpa

-Gpa

-MN m-3/2

2 400

450430430

2 10012

4200,164,1

1 600

500450300

1 90019

2900,265,4

505050

200

700,24

1 200

230200200700

2200,283,8

900

200170170350

1200,24

2100,25

Resistividade eléctrica W m 550 >1013 >1013 >1013 >1013 >1013

Temperatura limite de utlizaçãoem ar

em atmosfera neutraºCºC

1 4501 800

1 200 1 500

1 5001 500

1 4501 450

1 200 1 200

1 450 1 450

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Uma distribuição possível das áreas de aplicação dos cerâmicos avançadosem comparação com os metais é apresentada na fig. VII.5. À temperaturaambiente, os metais estão a ser substituídos em algumas aplicações restritaspor zircónia estabilizada. O campo de aplicação dos nitretos e carbonetos desilício está a aumentar em várias indústrias, tais como siderurgias e fundiçõesde não-ferrosos, indústria química e indústria automóvel. De referir que os metaisnão podem ser utilizados a temperatura superior a 1 100oC sem arrefecimento,sendo os cerâmicos avançados os únicos materiais que respondem a este tipode aplicação estrutural.

Como se referiu, os cerâmicos avançados para aplicações estruturais sãomateriais normalmente sujeitos a elevadas temperaturas e cargas. Estas cargasoriginam tensões multiaxiais elevadas, que variam com o tempo. No caso deaplicações a alta temperatura, as tensões mecânicas são sobrepostas pelastensões térmicas, enquanto as propriedades do material se vão alterando coma temperatura e o tempo. Os problemas que advêm desta complexidade decargas elevadas são difíceis de resolver. Esta é uma das razões que leva a quea introdução da tecnologia dos cerâmicos avançados seja mais lenta do que sepoderia esperar à partida, pela análise das pontencialidades destes materiais.Para além disso, ainda não se exploraram muitas das aplicações possíveisdestes materiais, devido ao facto do comportamento dos materiais frágeis estarmuito menos desenvolvido do que o dos metais e ligas.

A maioria dos componentes de materiais cerâmicos avançados utilizadospresentemente são monolíticos. Os óxidos cerâmicos mais importantes são aAl2O3 e ZrO2, e Al2TiO5 para aplicações especiais, enquanto que os não--óxidos são o Si3N4 e o SiC. As propriedades de alguns destes materiais têmsido melhoradas nas últimas décadas, apresentando-se, na tabela 2, algumasdas suas propriedades mecânicas. Nesta tabela, cada fórmula químicarepresenta um grupo de materiais, dependendo as suas propriedades mecânicase microestruturais da composição, do processo de compactação, da porosidade,entre outras características.

Tipos e propriedades

Aplicações

Fig. VII.5 - Mapa de aplicação de materiais sobre várias condições de temperaturae tensão

SiC A ser desenvolvido Alta

Temperatura

Baixa

Baixa Alta

TemperaturaAmbiente

Tensão

1 200 ºC

43NSi43NSi,SiC

2ZrOeMetal

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Tem-se conseguido um aumento significativo da resistência, através dodesenvolvimento de materiais compósitos, nomeadamente cerâmicos com matrizde Al2O3 e ZrO2 reforçados com whiskers de SiC, e compósitos reforçadoscom fibras de C-C e SiC-SiC. Os cerâmicos reforçados com whiskers apresentamresistência e tenacidade mais elevadas comparativamente aos monolíticos,embora apenas a baixa temperatura. Quando o reforço é realizado através defibras, o aumento de tenacidade é bastante grande, resultando umcomportamento não catastrófico à fractura. Estes materiais estão, no entanto,numa fase mais atrasada de desenvolvimento e são bastante caros, emboratenham, em princípio, maior potencial que os monolíticos.

Compósitos

Fig. VII.6 - Resistência vs. temperatura para vários materiais cerâmicose superligas metálicas

O quadro VII.7 indica os valores de resistência para vários cerâmicos avançados.Estes valores são valores médios obtidos através dos vários fabricantes. Paramuitas aplicações, a resistência a temperatura elevada é mais importante quea resistência à temperatura ambiente. Na maioria dos cerâmicos avançados, aresistência diminui com o aumento da temperatura. No quadro VII.8 compara--se a variação da resistência com a temperatura para vários materiais cerâmicose metálicos.

Comparação

Temperatura ( C)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 200 400 600 800 1000 1200 1400o

Resistência (MPa)

Superliga - CAST IN 100 *

Superliga - INCONEL 713LC *Si N Prensado a quente **3 4

SiC Sinterizado **

SiC Sinterizado com reacção **

Si N Ligação com reacção **

Superliga CAST X-40 *

3 4

* Ensaio de tracção uniaxial** Resistência à flexão em 4-pontos

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aValores de pico; bParcialmente estabilizado; cWhiskers; dFibra; eReforçado numadirecção; fReforçado em duas direcções

Quadro VII.7 - Propriedades dos cerâmicos avançados monolíticos e reforçados maisutilizados

Material ou matriz(vol%)

Densida-de teórica

(g/cm3)

Módulode Young

(GPa)

Resistênciaà dobragem

(MPa)

Tenacidade àfractura (K

Ic)

(MPam1/2)

MonolíticosSi

3N

4SiC

Al2O

3Al

2TiO

5

Monolítico oureforçado

ZrO2

ReforçadoAl2O3-SiC, 20-

30c

C-C, 30d,e

SiC-SiC, 45 d,f

Vidro-SiC, 30-65d,e

3,193,213,983,77

5,56

3,61,92,92,6

160-300300-400

40013

205b

40070

250-270120-140

250-1 000400-800

400 (1 000) a

40

600-900(1 500)a, b

8501 000580

600-900

2-83

3-4-

3-9

8,5-

12-1810-35

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Quadro VII.8 - Resistências típicas à temperatura ambiente de vários materiais cerâmicos

Aplicações dos materiais cerâmicos avançados

Como se ilustrou no quadro VII.5, os cerâmicos tradicionais têm aplicaçõesbem definidas e conhecidas de todos. Por esta razão se dará destaque àsaplicações dos cerâmicos avançados.

De um modo geral, os cerâmicos avançados mais utilizados estão referenciadosno quadro VII.7. Esta tabela indica as propriedades necessárias para uma dadaaplicação. De seguida, apresentam-se as principais aplicações industriais doscerâmicos avançados.

Material Módulo à ruptura(MPa)

Tracção(MPa)

Safira (cristal simples de Al2O3)Al2O3 (0-2% de porosidade)Al2O3 sinterizada (<5% de

porosidade)Al2O3 para porcelana (90 a 95%de

alumina)BeO sinterizadoMgO sinterizado

ZrO2 estabilizada sinterizadaMulite sinterizadaSi3N4 sinterizado

SiN4 por ligação reactivaSiC prensado a quente

SiC sinterizadoSiC sinterização reactiva

SiC ligadoSiO2

Vidro pyrexVidro cerâmico

Vidro cerâmico maquinadoBN prensado a quente

B4C prensado a quenteTiC prensado a quente

WC sinterizadoTijolo argiloso

Tijolo de magnesiteTijolo isolador

Tijolo isolador para 1 450ºCTijolo isolador para 1 700ºC

Grafite

620350-580200-350275-350172-275

100138-240

175620-965414-580200-350621-825450-520240-450

1411069245100

48-100310-350275-450790-825

5.228

0,281,42

28

-200-310

-172-24090-133

-138100

350-580-

100-200----

69-----

240-275------

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Quadro VII.9 - Classificação dos cerâmicos avançados em relação à função quedesempenham

Classificação / funçãoFunção Propriedades Aplicações Materiais

Térmica RefractariedadeCapacidade térmica

Condutividade térmica

Revestimentos de fornosRegeneradores de calorDissipadores de calor

SiC, TiC, B4C,TiB2, ZrB2,Si3N4, BaS,CeS, BeO,MgO, ZrO2,

Al2O3

Nuclear RefractariedadeResistência mecânica a

alta temperaturaResistência a radiações

Combustível nuclearRevestimento de

combustíveisMaterial de controloMaterial moderador

UO2, UO2-PuO2, UO, US,ThS, SiC, C,B4O, Al2O3

Óptica Índice de refracçãoFluorescênciaTranslucência

Condução óptica

Diodos laserLED

Janelas ópticasCabos de transmissão

óptica

Al2O3, MgO,Y2O3,

SiO2,ZrO2,TiO2, Y2O3-ThO2, ZnS,

CdS

ElectroMagnética

Isolante térmicoCondução eléctricaSemicondutividadePiezoelectricidade

DieléctricosMagnetismo

Substratos para C.I. eC.H.

Resistência aoaquecimento

VaristoresSensores

Ignitores, filtrosElementos de memória

Ferrite, PZT,SiC, BaTiO3,

CaTiO3,SrTiO3, ZnO,

B4C, TiC, SiC,BeO, Al2O3

BiologiaQuímica

Compatibilidadebiológica

Resistência à corrosão

Implantes cirúrgicosSuportes de

catalisadoresPermutadores de calorEquipamentos químicos

SiO2, Zeolite,MgO, BaTiO3,

CaTiO3,SrTiO3, BaS,

CeS, TiB2,ZrB2, ZnO,SnO2, FeO3,

Al2O3, Apatite

Mecânica Elevada resistênciaResistência ao desgasteBaixa expansão térmicaAlto coeficiente de atrito

Ferramentas e suportesAbrasivos

Lâminas de turbinaLubrificantes sólidos

Instrumentos de precisão

Si3N4, ZrO2,SiC, TiB2,

ZrB2, TiC, WC,B4C, TiN,

Al2O3, BN, C

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Electrónica

A maior fatia do mercado mundial dos cerâmicos avançados pertence à indústriada electrónica, sendo estes produtos indispensáveis ao desenvolvimentoconstante da electrónica moderna. As diversas classes de produtos que integrameste vasto grupo são descritas em seguida.

Isoladores - Baseados em porcelanas, cordierite, esteatite e alumina.Encontram aplicação em isoladores de linhas de transporte, velas de ignição e,numa fase avançada, são usados como substratos de circuitos híbridos eintegrados.

Dieléctricos - Baseados em titanatos de bário modificados com a estruturacristalina das perovesquites, apresentam elevada constante dieléctrica eencontram vasta utilização nos condensadores cerâmicos simples emulticamada.

Piezoeléctricos e ferroeléctricos - São compostos semelhantes aosanteriores; funcionam como conversores de energia eléctrica em mecânica evice-versa. Como exemplo de piezoeléctricos existe o quartzo, o titanato debário, o titanato de chumbo e o titanato zirconato de chumbo e lantânio (PLZT).Os titanatos de bário e chumbo são usados preferencialmente consoante agama de temperaturas requerida. Os materias designados por PLZT são duros,não-porosos, quimicamente inertes e não-sensíveis à humidade do ar ou outrascondições atmosféricas. Mecanicamente, são extremamente tenazes, sendocapazes de suportar forças muito elevadas. Os cerâmicos piezoeléctricos têmuma vasta gama de aplicações, desde os isqueiros (ignitores) até aostransdutores utilizados nos microfones, altifalantes, giradiscos, rádio, televisãoe telecomunicações, geradores de faísca (ignitores), sondas de ultra-sons,sensores de pressão, filtros, etc.

Semicondutores - São materiais que apresentam condutividade eléctrica emdeterminadas condições de temperatura, campo eléctrico e atmosfera.Encontram aplicações variadas como resistências de aquecimentoauto-limitadoras de temperatura, varistores, electrólitos sólidos, componentesde segurança contra picos de corrente, sensores diversos (gases, temperatura,etc.); dos isoladores mais utilizados destacam-se a alumina, a zircóniaestabilizada, o di-silicieto de molibdénio (MoSi2) e o SiC.

Magnéticos não-permanentes - Os cerâmicos derivados das espinelas(óxidos) de ferro, contendo óxidos de Fe, Mn, Ni, Mg entre outros, comvariadíssimos campos de utilização na electrónica de consumo e industrial.

Magnéticos permanentes (ímans cerâmicos) - Materiais baseados emferratos de bário e estrôncio. Encontram aplicação em quase todos os domínios,desde o doméstico e recreativo à electrónica de precisão.

Desgaste e corrosão

Para além da electrónica, os cerâmicos avançados têm tido outras aplicações,tendo como base as propriedades de elevada dureza, resistência ao desgastee resistência à corrosão. A alumina tem sido utilizada na forma de anéisvedantes (O-rings) em reservatórios de água quente e fria, e para vedar válvulas

Electrónica

Desgaste e corrosão

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de bombas e equipamento de transporte de líquidos abrasivos e corrosivos.Devido à sua superfície ter uma rugosidade inferior a 0,6 µm, possuem umbaixo coeficiente de atrito. Estes anéis, assim como bocais de B4C e SiC paraequipamento de projecção de areia, são objecto de produção em massa. Ocarboneto de silício e outros não-óxidos e óxidos de cerâmicos avançadossão, também, muito utilizados para revestimento interno de condutas detransporte de abrasivos pastosos ou secos.

Os campos de aplicação dos rolamentos e dos casquilhos de protecção deveios têm apresentado um acentuado crescimento, destacando-se o nitreto desilício completamente densificado, o qual permite melhorar as propriedades deresistência à fricção destes componentes. Os rolamentos cerâmicos dão apossibilidade de operação a temperaturas elevadas (superiores a 800oC) e emcondições de ambiente severo. Uma vantagem interessante relativa à utilizaçãode rolamentos cerâmicos é a sua capacidade de tolerar a ausência delubrificação. Como aplicações recentes, podem-se referir os componentes(esferas e cones-tampão) das grandes válvulas utilizadas nas instalações deliquefação de carvão e de dessulfuração de gás. Outros produtos de grandeinteresse são facas, tesouras e lâminas de zircónia de elevada tenacidade,produzidas no Japão (Jaguar e Solingen) e na Alemanha. Estes produtos sãoutilizados como utensílios de cozinha, corte de cabelo, artesanato e, também,a nível industrial.

A magnésia (MgO) e a zircónia (ZrO2) são óxidos simples com vastos camposde aplicação. Devido às suas elevadas temperaturas de fusão (respectivamente2800oC e 2750oC) e grande estabilidade química, são usados como refractáriospara a fusão de metais reactivos, particularmente em trabalhos laboratoriais.

Aplicações térmicas

O volume de produção de componentes estruturais resistentes ao calor ébastante inferior ao de componentes resistentes ao desgaste e à corrosão. Umproduto importante são componentes de SiC para fornos, que têm a vantagemde ocupar muito menos espaço que os componentes de materiais tradicionais.O mercado destes componentes de SiC, tais como queimadores de gás e óleoe permutadores de calor, está em crescimento, sendo a Alemanha o país demaior produção (Hoechst-Ceram Tec e Selb). Outro produto comercial sãoevaporadores de TiB2 (produto da empresa alemã Elektroschmelzwer Kempten)e anéis de BN utilizados em equipamento de fundição. A indústria da soldadurae do aço duro representa um mercado potencial futuro para aplicações de Si3N4,devido à elevada resistência deste material ao choque térmico. Nos permutadoresde calor industriais, os cerâmicos avançados permitem operar a temperaturasmais elevadas (1 300--1 350oC) do que as ligas metálicas, resultando naeconomia de energia durante a recuperação do calor. Os materiais maisutilizados nestes equipamentos são o SiC e o Si3N4.

Recentemente, tem-se desenvolvido um grande interesse na produção de óxidospuros (alumina e magnésia) isentos de porosidade e com tamanho de grãocontrolado, o que os torna transparentes. São utilizados como visores em fornosde alta temperatura e, por serem permeáveis às radiações electromagnéticas,são aplicados no fabrico de componentes para foguetões teleguiados.

Aplicações térmicas

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Finalmente, é de referir a utilização de óxidos mistos tais como a espinela dealumínio-magnésio (MgO.Al2O3) que, devido ao seu elevado ponto de fusão, éconsiderada um refractário especial.

Combustíveis nucleares

A utilização de compostos de urânio de natureza cerâmica como materialcombustível foi iniciada com a segunda geração de reactores nucleares -reactores arrefecidos e moderados a água. O objectivo a atingir era possibilitara operação do reactor a temperaturas mais elevadas. De entre os várioscompostos potencialmente utilizáveis como combustíveis nucleares,prestou-se especial atenção ao dióxido de urânio, ao dióxido de plutónio, e aocarboneto de urânio que são, presentemente, usados em quase todos osreactores nucleares em funcionamento.

O dióxido de urânio é, geralmente, utilizado na forma de pastilhas cilíndricascom cerca de 10 mm de diâmetro, empilhadas e envolvidas por uma bainhaestanque. As condições de funcionamento de um reactor são tais que segeram elevados gradientes térmicos (cerca de 2 200oC no eixo e cerca de600oC na periferia das pastilhas).

Mais recentemente e para utilização nos reactores a alta temperatura, com oobjectivo de minimizar o referido gradiente térmico, usam-se pequenas esferasde dióxido ou de carboneto de urânio, envolvidas por uma bainha de outrosmateriais cerâmicos, que se destina a reter os produtos de fissão. Algunsmateriais utilizados para estas bainhas são a alumina, o carboneto de silício eo carbono pirolítico.

Vidros cerâmicos

Os vidros cerâmicos, além de poderem ser moldados mantendo-se translúcidosa muito altas temperaturas, são isentos de poros e têm resistências mecânicasmuito elevadas. Existem três grupos de vidros cerâmicos que podem suportartemperaturas na gama dos 1 300oC a 1 700oC. O primeiro é o grupo devidros cerâmicos de mulite (2SiO2.3Al2O3), que é caracterizado por sertransparente a temperaturas até 1 200oC, por possuir excelentes propriedadesdieléctricas, boa resistência mecânica e estabilidade química. O segundo é ogrupo dos “hexacelsian”, que inclui os vidros cerâmicos de maiorrefractariedade. Baseados no sistema bário-feldspato, trabalham atemperaturas de 1 700oC, sendo alguns deles translúcidos a estastemperaturas. O terceiro grupo compreende os vidros cerâmicos do sistemaBaO-Al2O3-SiO2-TiO2, que não podem ser usados acima de 1 400oC. Sãomateriais com baixo coeficiente de dilatação, têm boas propriedades dieléctricase considerável resistência mecânica. São opacos, mas têm a vantagem deterem um ponto de fusão (1 650oC) mais baixo que os dois primeiros grupos(~1 800oC), o que facilita o processo de manufactura das peças.

Maquinagem

Cerca de 90% do mercado de maquinagem de metais é constituído por açosrápidos e cermetes (compósito de metal e cerâmico, por ex. WC). Os cerâmicos

Nuclear

Vidros

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avançados que competem com estas ferramentas são, principalmente, Al2O3,Al2O3-ZrO2, Si3N4, sialons, Al2O3 reforçada com whiskers, diamantepolicristalino e NB. Uma das principais vantagens na utilização de ferramentasem material cerâmico é o facto de não utilizarem materiais estratégicos, comoas ferramentas tradicionais que, na sua maioria, são à base de W e Co. Asferramentas de alumina, simples e reforçada, já são utilizadas há quatrodécadas, enquanto que os outros produtos têm um desenvolvimento maisrecente. Os sialons e o Si3N4 têm sido utilizados desde os anos 70 notorneamento de ferros fundidos e superligas de níquel, com um grande aumentode produtividade, cerca de 200%. Na fig. VII.7 indica-se a evolução da tenacidadede algumas ferramentas cerâmicas, desde 1 957.

As excelentes propriedades das ferramentas em materiais cerâmicosavançados não têm um campo de aplicação tão vasto como seria de esperar.Estas ferramentas, actualmente, são sobretudo utilizadas para operações demaquinagem especiais, na indústria automóvel e aeronáutica.

Maquinagem

Tenacidade

Fig. VII.7 - Evolução da tenacidade das ferramentas cerâmicas

Motores e turbinas

Os esforços desenvolvidos nos últimos dez anos para introduzir componentescerâmicos em velas de ignição, assim como em motores diesel, têm comoobjectivo melhorar as características deste tipo de motores. Este esforço nãotem sido em vão, pois a aplicação de componentes cerâmicos tem crescido abom ritmo. Um dos exemplos são os carregadores catalíticos de cordierite naforma de favo-de-abelha, que são bastante utilizados em automóveis commotores a gasolina, com velas de ignição (os princpais fabricantes destesprodutos são duas firmas alemãs: Hoechst-Ceram Tec e Selb). Estas tubagenssão, também, muito usadas na indústria química. No motor turbo do Porcshe944, são utilizados tubos de Al2TiO5, material com cerca de 3 mm de espessura,que reduzem o fluxo de calor com cerca de 7 kW desde a porta de exaustãopara o sistema de arrefecimento, reduzindo em cerca de 13% as necessidades

0

2

4

6

8

10

1957 1972 1976 1981 1985

Tenacidade à fractura (MPam )1/2

Al2O3

Al2O3/TiCAl2O3/ZrO2

Si3N4/Y2O3

Al2O3/SiCw

Motores

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de arrefecimento. No Japão, a Toyota introduziu, na época de 80, turbochargersde Si3N4, tendo iniciado a produção em massa com cerca de 10 000 peças pormês. Em 1 988, a produção já tinha aumentado para 150 000 peças.

A Isuzu, a Toyota e a Mazda introduziram câmaras de combustão de Si3N4 esialon em motores diesel. Com esta inovação, conseguiram um aumento depotência de cerca de 10%, sem aumento do consumo de combustível. Atemperatura de operação é bastante mais elevada, comparada com a queocorre numa câmara metálica, podendo, assim, reduzir a emissão departículas. A Mitsubishi substituiu componentes metálicos dos seus automóveispor peças de Si3N4.

Na Alemanha e, de modo mais geral, na Europa, a introdução de componentescerâmicos nos automóveis de passageiros e tractores, especialmente emzonas de temperatura elevada, não está ainda muito desenvolvida, embora oesforço de investigação e desenvolvimento seja considerável. Um motor de20 kW, sem lubrificação, constituído em larga medida por cerâmicos, está aser desenvolvido em conjunto pela Ficht-Motor e pela Hoechst-Ceram Tec. Aturbina a gás cerâmica e, particularmente, o “motor cerâmico” são, sem dúvida,os projectos que representam um desafio maior para a utilização da altatecnologia dos cerâmicos avançados na indústria. Os benefícios esperadossão as elevadas temperaturas admitidas pela turbina, mais de 1 350oC, acapacidade de utilização de misturas de combustível e a potencial reduçãode poluição do ambiente. A maioria dos especialistas concorda que acomercialização de um veículo com turbina cerâmica a gás (de potência entre100 e 300 kW) é um projecto a longo prazo, não devendo estar concluídoantes do ano 2 000 ou mesmo 2015. A Daimler-Benz (Alemanha) conseguiuresultados encorajadores com um motor de 110 kW, cujo rotor é de Si3N4monolítico, que opera a cerca de 1 250oC, a mais de 63 000 rpm. O tempo devida em serviço corresponde a cerca de 22 000 km em cidade e estrada. Osestatores e os rotores são os componentes com geometria mais complexa.Quando tiverem sucesso em condições de serviço reais, o desenvolvimentodas outras partes estáticas será de mais fácil realização. Os resultados obtidosnos últimos 15 anos demonstram, em princípio, a fiabilidade técnica de umveículo com turbina a gás.

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As ligas de ferro representam mais de metade das aplicações dos materiais.Devido às suas características metalúrgicas, é possivel obter um metal comcaracterísticas completamente diferentes, alterando apenas a composiçãoquímica, o modo de processamento e/ou o tratamento térmico final.

Os aços, os ferros fundidos, as ligas de cobre e as ligas de alumínio são osmetais mais predominantes, constatando-se que as aplicações das ligas dealumínio têm aumentado drasticamente nos últimos anos. Isto deve-se ao factode estas ligas combinarem níveis de resistência altos com baixo peso, tendoaplicabilidade nos inúmeros componentes e estruturas que se fabricam hojeem dia e que, em geral, se pretendem o mais leves possível.

Os materiais cerâmicos apresentam também um grande leque de aplicações,nomeadamente os cerâmicos avançados que, devido à tecnologia de fabrico,permitem um controlo preciso das suas propriedades.

RESUMO

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Componente Prática



1. Explique o significado da designação AISI para os aços.

2. Qual o elemento principal na classificação dos aços-carbono? Justifique.

3. Qual a importância do teor em carbono nas propriedades do aços-carbono?

4. Qual a importância das impurezas nos aços-carbono? Identifique-as.

5. Quais as razões que levam a adicionar elementos de liga aos aços?

6. Qual a nomenclatura utilizada nos aços ligados?

7. Identifique uma aplicação típica de cada grupo de aço ligado.

8. Indique o que distingue os aços inox dos outros.

9. Qual a importância do crómio nos aços inoxidáveis?

10. O que é um aço-ferramenta?

11. Como é feita a classificação dos aços-ferramenta?

12. O que são ferros fundidos?

13. Que tipos de ferros fundidos existem?

14. Quais as diferenças entre os vários ferros fundidos?

15. Quais as aplicações dos diferentes ferros fundidos?

16. Quais as principais diferenças entre os vários tipos de ligas de cobre?

17. Identifique uma aplicação para cada tipo de liga de cobre.

18. O que entende por duralínio?

19. Qual o critério de classificação dos alumínios?

20. Quais as principais propriedades das ligas de alumínio?

21. Que tipos de materiais cerâmicos existem?

22. O que entende por cerâmico avançado?

23. Indique 5 aplicações para cerâmicos avançados.

24. Quais as vantagens dos cerâmicos avançados em relação aos tradicionais?


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An.

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.T.0

3BibliografiaIEFP IEFP IEFP IEFP IEFP · ISQ ISQ ISQ ISQ ISQ

TTTTTecnoloecnoloecnoloecnoloecnologia dos Magia dos Magia dos Magia dos Magia dos Materiaisteriaisteriaisteriaisteriais B . 1B . 1B . 1B . 1B . 1

BIBLIOGRAFIA

American Society for Metals: “Metals Handbook”; Volume 1, 2, 3 & 4; AmericanSociety for Metals, 1980.

ASKELAND Donald R., “The Science and Engineering of Materials”; PWS--KENT Publishing Company, Second Edition, 1989.

AVNER, Sidney H., “Introduction to Physical Metallurgy”; Mcgraw-Hill InternationalBook Company, 1974.

COTTREL, Alan H., “Introdução à Metalurgia”; Fundação Calouste Gulbenkian,1976.

CRANE, Charles, F.A.A. “Selection and Use of Engineering Materials”;Butterworth-Heinemann; 1989.

GUY, A.G., “Ciência dos Materiais”; Editora da Universidade de São Paulo--McGraw-Hill International Book Company, 1976.

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