Materiais para Construção Mecânica e Tratamento Térmico(EMC114)-Livro

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<p>Indaial – 2021</p><p>Materiais para Construção</p><p>MeCâniCa e trataMento</p><p>térMiCo</p><p>Prof. Henrique Gonçalves Pereira</p><p>1a Edição</p><p>Copyright © UNIASSELVI 2021</p><p>Elaboração:</p><p>Prof. Henrique Gonçalves Pereira</p><p>Revisão, Diagramação e Produção:</p><p>Centro Universitário Leonardo da Vinci – UNIASSELVI</p><p>Ficha catalográfica elaborada na fonte pela Biblioteca Dante Alighieri</p><p>UNIASSELVI – Indaial.</p><p>Impresso por:</p><p>P436m</p><p>Pereira, Henrique Gonçalves</p><p>Materiais para construção mecânica e tratamento térmico. /</p><p>Henrique Gonçalves Pereira. – Indaial: UNIASSELVI, 2021.</p><p>193 p.; il.</p><p>ISBN 978-65-5663-387-9</p><p>ISBN Digital 978-65-5663-388-6</p><p>1. Construção mecânica. - Brasil. 2. Tratamento térmico. – Brasil. II.</p><p>Centro Universitário Leonardo da Vinci.</p><p>CDD 620</p><p>apresentação</p><p>Olá, acadêmico, seja bem-vindo à disciplina de Materiais para</p><p>Construção Mecânica e Tratamento Térmico. Eu sou o professor Henrique,</p><p>escrevi este livro com muito carinho para que você possa agregar conhecimento</p><p>aos seus estudos no Curso de Engenharia.</p><p>Os materiais utilizados pela humanidade estão em constante</p><p>desenvolvimento e o conhecimento de suas propriedades é de fundamental</p><p>interesse ao engenheiro. No ramo da construção mecânica não é diferente,</p><p>é indispensável ser um profundo conhecedor das características do material</p><p>utilizado para que a peça não venha ter uma falha catastrófica em serviço.</p><p>Os tratamentos térmicos utilizados para as mais diferentes finalidades</p><p>têm o objetivo de incrementar as propriedades ao material utilizado, de</p><p>forma a conceder características novas para determinada aplicação.</p><p>Desta forma, este livro abordará os diferentes materiais utilizados</p><p>na construção mecânica, as propriedades e peculiaridades de cada um,</p><p>bem como os diferentes tratamentos térmicos existentes, que possibilitam</p><p>acrescentar características favoráveis à aplicação do material.</p><p>Na Unidade 1, traçaremos um paralelo da história da humanidade</p><p>com o desenvolvimento tecnológico dos materiais, veremos as diferentes</p><p>classificações de materiais existentes, suas características gerais, aplicações</p><p>mais comuns e suas limitações. Será nesta unidade que abordaremos</p><p>os materiais cerâmicos, poliméricos e compósitos, e ainda faremos uma</p><p>introdução aos materiais metálicos, analisando seu tipo de ligação,</p><p>características e estrutura atômica.</p><p>Para a segunda unidade, iremos mais a fundo no campo de materiais</p><p>metálicos, começaremos estudando os defeitos estruturais mais comuns</p><p>desses materiais. Discutiremos sobre os diagramas de equilibro, em especial o</p><p>diagrama Fe-C, seguiremos com os princípios de difusão em metais e sobre o</p><p>comportamento térmico e mecânico desses materiais.</p><p>Já na terceira unidade do livro, entraremos no assunto de tratamentos</p><p>térmicos. Falaremos sobre os fenômenos de encruamento, recuperação e</p><p>recristalização, muito comuns em matérias metálicas sujeitos a tratamentos</p><p>térmicos. A seguir, nessa mesma unidade, será comentado sobre os diferentes</p><p>tratamentos térmicos, como recozimento, normalização, têmpera e revenido,</p><p>além dos mais diversos tratamentos aplicados hoje na indústria.</p><p>Você já me conhece das outras disciplinas? Não? É calouro? Enfim, tanto para</p><p>você que está chegando agora à UNIASSELVI quanto para você que já é veterano, há novi-</p><p>dades em nosso material.</p><p>Na Educação a Distância, o livro impresso, entregue a todos os acadêmicos desde 2005, é</p><p>o material base da disciplina. A partir de 2017, nossos livros estão de visual novo, com um</p><p>formato mais prático, que cabe na bolsa e facilita a leitura.</p><p>O conteúdo continua na íntegra, mas a estrutura interna foi aperfeiçoada com nova diagra-</p><p>mação no texto, aproveitando ao máximo o espaço da página, o que também contribui</p><p>para diminuir a extração de árvores para produção de folhas de papel, por exemplo.</p><p>Assim, a UNIASSELVI, preocupando-se com o impacto de nossas ações sobre o ambiente,</p><p>apresenta também este livro no formato digital. Assim, você, acadêmico, tem a possibilida-</p><p>de de estudá-lo com versatilidade nas telas do celular, tablet ou computador.</p><p>Eu mesmo, UNI, ganhei um novo layout, você me verá frequentemente e surgirei para</p><p>apresentar dicas de vídeos e outras fontes de conhecimento que complementam o assun-</p><p>to em questão.</p><p>Todos esses ajustes foram pensados a partir de relatos que recebemos nas pesquisas</p><p>institucionais sobre os materiais impressos, para que você, nossa maior prioridade, possa</p><p>continuar seus estudos com um material de qualidade.</p><p>Aproveito o momento para convidá-lo para um bate-papo sobre o Exame Nacional de</p><p>Desempenho de Estudantes – ENADE.</p><p>Bons estudos!</p><p>NOTA</p><p>Espero que você possa aproveitar o conteúdo deste livro, ele foi</p><p>escrito de modo que sua jornada nesta disciplina seja prazerosa e rica em</p><p>conhecimento.</p><p>Desejo a você bons estudos!</p><p>Prof. Henrique Gonçalves Pereira</p><p>Olá, acadêmico! Iniciamos agora mais uma disciplina e com ela</p><p>um novo conhecimento.</p><p>Com o objetivo de enriquecer seu conhecimento, construímos, além do livro</p><p>que está em suas mãos, uma rica trilha de aprendizagem, por meio dela você</p><p>terá contato com o vídeo da disciplina, o objeto de aprendizagem, materiais complemen-</p><p>tares, entre outros, todos pensados e construídos na intenção de auxiliar seu crescimento.</p><p>Acesse o QR Code, que levará ao AVA, e veja as novidades que preparamos para seu estudo.</p><p>Conte conosco, estaremos juntos nesta caminhada!</p><p>LEMBRETE</p><p>suMário</p><p>UNIDADE 1 — MATERIAIS PARA CONSTRUÇÃO MECÂNICA ............................................ 1</p><p>TÓPICO 1 — CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS PARA CONSTRUÇÃO MECÂNICA .......... 3</p><p>1 INTRODUÇÃO .................................................................................................................................... 3</p><p>2 CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS ............................................................................................. 4</p><p>3 MATERIAIS METÁLICOS ................................................................................................................ 5</p><p>RESUMO DO TÓPICO 1....................................................................................................................... 8</p><p>AUTOATIVIDADE ................................................................................................................................ 9</p><p>TÓPICO 2 — MATERIAIS CERÂMICOS, VIDROS E VITROCERÂMICOS ......................... 11</p><p>1 INTRODUÇÃO .................................................................................................................................. 11</p><p>2 MATERIAIS CERÂMICOS .............................................................................................................. 11</p><p>3 CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS CERÂMICOS................................................................. 12</p><p>4 ESTRUTURA DOS MATERIAIS CERÂMICOS ......................................................................... 13</p><p>4.1 VIDROS .......................................................................................................................................... 13</p><p>4.2 VITROCERÂMICOS ..................................................................................................................... 14</p><p>4.3 CERÂMICAS REFRATÁRIAS ..................................................................................................... 15</p><p>4.4 CERÂMICAS ABRASIVAS .......................................................................................................... 16</p><p>RESUMO DO TÓPICO 2..................................................................................................................... 18</p><p>AUTOATIVIDADE .............................................................................................................................. 19</p><p>TÓPICO 3 — MATERIAIS POLIMÉRICOS E COMPÓSITOS ................................................... 21</p><p>1 INTRODUÇÃO .................................................................................................................................. 21</p><p>2 MATERIAIS POLIMÉRICOS ..........................................................................................................</p><p>com folhas tipo agulha e sementes expostas, já madeiras duras provêm</p><p>de plantas decíduas, que perdem suas folhas anualmente e possuem sementes</p><p>cobertas (SHACKELFORD, 2008). A Figura 22 apresenta uma representação</p><p>esquemática da microestrutura de uma madeira mole.</p><p>TÓPICO 3 — MATERIAIS POLIMÉRICOS E COMPÓSITOS</p><p>35</p><p>FIGURA 22 – (A) FIGURA ESQUEMÁTICA DA MICROESTRUTURA DE UMA MADEIRA MOLE.</p><p>AS CARACTERÍSTICAS ESTRUTURAIS SÃO: TT, FACE DA SEÇÃO TRANSVERSAL; RR, FACE</p><p>RADIAL; TG, FACE TANGENCIAL; AR, ANEL ANUAL; S, MADEIRA PRECOCE (PRIMAVERA); SM,</p><p>MADEIRA TARDIA (VERÃO); WR, RAIO DA MADEIRA; FWR, RAIO FUSIFORME DA MADEIRA;</p><p>VRD, DUTO VERTICAL DE RESINA; HRD, DUTO HORIZONTAL DE RESINA; BP, PONTUAÇÕES</p><p>AREOLADAS; SP, PONTUAÇÕES SIMPLES; E TR, TRAQUEÍDES. (B) MICROGRAFIA ELETRÔNICA</p><p>DE VARREDURA MOSTRANDO A MICROESTRUTURA DO PINHO-DO-SUL (A 45X)</p><p>FONTE: Adaptada de Shackelford (2008, p. 320)</p><p>A microestrutura de uma madeira é semelhante à de um compósito</p><p>sintético, cuja madeira apresenta algumas células radiais e outras longitudinais,</p><p>em que as paredes da célula são compostas por celulose. Nas madeiras, são essas</p><p>células que fazem o papem da fibra de vidro que vimos anteriormente, sendo</p><p>responsável pela resistência mecânica do compósito. Essas células estão imersas</p><p>em uma matriz de lignina e hemicelulose, cuja lignina é um polímero em rede de</p><p>fenol-propano e a hemicelulose é a celulose polimérica (SHACKELFORD, 2008).</p><p>A Figura 23 demonstra a macroestrutura da madeira.</p><p>FIGURA 23 – MACROESTRUTURA DA MADEIRA</p><p>FONTE: Adaptada de Shackelford (2008, p. 320)</p><p>Analisando ao Figura 23, é fácil observar que a madeira, assim como nas</p><p>fibras de vidro longitudinais, apresenta uma anisotropia em sua macroestrutura,</p><p>dessa forma, a resistência mecânica máxima de um compósito de madeira está</p><p>orientado conforme o eixo de suas fibras longas e longitudinais. Vale destacar que</p><p>as propriedades mecânicas da madeira sofrem influência do nível de umidade</p><p>atmosférica.</p><p>36</p><p>UNIDADE 1 — MATERIAIS PARA CONSTRUÇÃO MECÂNICA</p><p>3.3 COMPÓSITOS AVANÇADOS</p><p>Os chamados compósitos avançados incluem os materiais que possuem</p><p>um reforço diferente da fibra de vidro tradicional, tendo avançado muito após a</p><p>Segunda Guerra Mundial e com corrida espacial dos anos 1960. Para compósitos</p><p>de matriz polimérica, podemos citar os materiais produzidos com reforços de fibra</p><p>de carbono e com poliparafenileno tereftalamida P (PPD-T), também conhecido</p><p>comercial como Kevlar. As fibras de carbono possuem diâmetros que variam entre</p><p>4 a 10 μm (SHACKELFORD, 2008).</p><p>Os polímeros termofixos são os mais tradicionais usado como matriz, como</p><p>epóxis e poliésteres. Shackelford (2008) destaca que os polímeros reforçados com</p><p>fibras de C e Kevlar são utilizados em aplicações de vasos de pressão. As matrizes</p><p>de PEEK e PPS, por apresentarem resistência a altas temperaturas, são comumente</p><p>utilizadas em aplicações aeroespaciais, com o reforço de fibra de C.</p><p>Claro que, apesar de bastante usual, não existem apenas compósitos de</p><p>matriz polimérica. A Tabela 7 apresenta alguns sistemas de matriz/reforço de alguns</p><p>compósitos avançados.</p><p>TABELA 7 – COMPOSIÇÃO DE FIBRAS DE VIDRO COMUNS</p><p>Tipo Fibra/Matriz</p><p>Matriz polimérica</p><p>Para-aramida (Kevlar)/epóxi</p><p>Para-aramida (Kevlar)/poliéster</p><p>C (grafite)/epóxi</p><p>C (grafite)/poliéster</p><p>C (grafite)/poliéter-éter-cetona (PEEK)</p><p>C (grafite)/sulfeto de polifenileno (PPS)</p><p>Matriz metálica</p><p>B/Al</p><p>C/Al</p><p>Al₂O₃/Al</p><p>Quer mais um exemplo de material compósito estrutural natural e extremamente</p><p>importante? Uma dica é um material composto por cerca 43% em peso de um material</p><p>cerâmico chamado hidroxiapatita e 36% em peso de colágeno, que é um polímero natural,</p><p>além de líquidos viscosos. Bom, talvez agora você já tenha adivinhado! Se não, vai mais uma</p><p>dica, faz parte do corpo humano! Acho que agora ficou fácil, não é?! Isso mesmo, o osso natural</p><p>é um compósito e este material é considerado um dos principais materiais de construção da</p><p>natureza devido as suas propriedades mecânicas adequadas aliadas à sua capacidade de se</p><p>reparar e remodelar.</p><p>INTERESSANTE</p><p>TÓPICO 3 — MATERIAIS POLIMÉRICOS E COMPÓSITOS</p><p>37</p><p>Al₂O₃/Mg</p><p>SiC/Al</p><p>SiC/Ti (ligas)</p><p>Matriz cerâmica</p><p>Nb/MoSi₂</p><p>C/C</p><p>C/SiC</p><p>SiC/Al₂O₃</p><p>SiC/SiC</p><p>SiC/Si₃N₄</p><p>SiC/Li–Al–silicato (vitrocerâmica)</p><p>FONTE: Adaptada de Shackelford (2008, p. 318)</p><p>Os compósitos de matriz metálica são utilizados em aplicações que as</p><p>condições de temperatura, condutividade e esforço mecânico são demandadas, e</p><p>as matrizes de polímero não conseguiriam desempenhar sua função. Shackelford</p><p>(2008) cita o exemplo da matriz metálica de alumínio, que quando reforçada com</p><p>boro, é utilizada em ônibus espacial e ao ser reforçada com carbono, é utilizada</p><p>no telescópio Hubble.</p><p>Não menos importantes, os compósitos de matriz cerâmica são utilizados</p><p>em aplicação que se exigem uma resistência superior a elevadas temperaturas,</p><p>como o compósito carbono-carbono, que possui alto módulo de elasticidade e alta</p><p>resistência mecânica. Esse material está utilizado em aplicações espaciais como</p><p>blindagens protetivas para veículos de reentrada e também em automóveis de</p><p>alto desempenho, como materiais resistentes à fricção (SHACKELFORD, 2008).</p><p>3.4 COMPÓSITOS AGREGADOS</p><p>Outro tipo de material compósito que é importante mencionar, são dos</p><p>compósitos agregados. Afinal, nem todos os compósitos são produzidos com</p><p>reforço de fibras, alguns compósitos são reforçados com partículas, esse é o caso</p><p>dos compósitos agregados, em que podemos citar o concreto como exemplo. A</p><p>Figura 24 mostra a macroestrutura do concreto.</p><p>FIGURA 24 – MACROESTRUTURA DE CONCRETO</p><p>FONTE: Mehta e Monteiro (1994, p. 22)</p><p>38</p><p>UNIDADE 1 — MATERIAIS PARA CONSTRUÇÃO MECÂNICA</p><p>O concreto é produzido por dois particulados distintos, a brita, que é</p><p>denominada o agregado grosso, e areia, que é o agregado fino, tudo isso envolto</p><p>em uma matriz de aluminossilicato de cálcio, que é o famoso cimento. Esse cimento,</p><p>para o concreto moderno, é o cimento Portland. A matriz é formada pela adição</p><p>de água ao pó de cimento e essa reação de hidratação complexa é que endurece</p><p>o cimento e produz a ligação química da matriz com as partículas agregadas</p><p>(SHACKELFORD, 2008).</p><p>39</p><p>RESUMO DO TÓPICO 3</p><p>Neste tópico, você aprendeu que:</p><p>• Os materiais poliméricos são macromoléculas que se repetem em uma longa</p><p>cadeia polimérica.</p><p>• As propriedades de um polímero aumentam de acordo com o acréscimo de</p><p>sua massa molar.</p><p>• As ligações químicas em uma cadeia polimérica são fortes do tipo covalente</p><p>enquanto as ligações entre cadeias são ligações fracas.</p><p>• Polímeros podem ser tanto naturais como sintéticos e podem ser classificados de</p><p>diversas formas, tanto pela estrutura química, quanto ao modo de preparação,</p><p>quanto ao comportamento mecânico e quanto ao desempenho mecânico.</p><p>• Materiais compósitos são uma mescla de dois tipos de materiais diferentes.</p><p>• A madeira e o osso natural são exemplos de materiais compósito estruturais</p><p>produzidos pela natureza.</p><p>• Compósitos são formados por uma matriz e um reforço, que pode ser muitas</p><p>vezes fibroso ou particulado.</p><p>• As matrizes podem ser tanto de origem polimérica, metálica ou cerâmica.</p><p>40</p><p>1 Você aprendeu que os materiais evoluíram com a humanidade ao passar</p><p>dos anos, devido aos avanços tecnológicos. Hoje, é comum apresentá-los</p><p>em quatro grandes classes. Sobre a classificação dos tipos de materiais e as</p><p>suas principais propriedades, associe os itens, utilizando o código a seguir:</p><p>I- Cerâmico.</p><p>II- Metálico.</p><p>III- Polimérico.</p><p>IV- Compósito</p><p>( ) Excelente condutor térmico e elétrico.</p><p>( ) Ótimo isolante térmico e resistente à altas temperaturas.</p><p>( ) Material dúctil porém não resistente à altas temperaturas.</p><p>( ) Material frágil e inerte quimicamente.</p><p>( ) Material resistente mecanicamente e deformável plasticamente.</p><p>( ) Material que possui em sua composição mais de um tipo de material.</p><p>( ) O aumento de sua massa molecular provoca aumento em suas</p><p>propriedades.</p><p>( ) Normalmente reforçado por fibras ou materiais particulados.</p><p>Assinale a alternativa que apresenta a sequência CORRETA:</p><p>a) ( ) I – II – II – III – I – III – IV – IV.</p><p>b) ( ) II – I – III – I – II – IV – III – IV.</p><p>c) ( ) II – I – III – I – III – IV – IV – II.</p><p>d) ( ) I – II – II – III – IV – III – IV – I.</p><p>2 Materiais poliméricos são muito versáteis, muitos autores costumam dizer</p><p>que, futuramente, ficaremos conhecidos como a idade do plástico, pela</p><p>grande utilização desse tipo de material. Os plásticos são uma classificação</p><p>dentro dos materiais poliméricos, eles são subdivididos em termoplásticos</p><p>e termorrígidos. Explique a diferenças entre essas classes e cite exemplos.</p><p>3 Por que materiais compósitos orientados com fibras longas são considerados</p><p>anisotrópicos? Cite um exemplo de um compósito anisotrópico.</p><p>4 Os materiais compósitos compreendem outra importante classe dentro dos</p><p>materiais. Com base nos materiais compósitos, analise as sentenças a seguir:</p><p>I- Um material compósito é considerado um material multifásico que é</p><p>projetado para combinar as propriedades das fases que o constituem.</p><p>II- As propriedades mecânicas dos compósitos dependem muito das</p><p>propriedades das matrizes.</p><p>III- As propriedades mecânicas não são influenciadas pelos comprimentos</p><p>das fibras que o compõem.</p><p>AUTOATIVIDADE</p><p>41</p><p>Assinale a alternativa CORRETA:</p><p>a) ( ) Somente a sentença I está correta.</p><p>b) ( ) Somente a sentença II está correta.</p><p>c) ( ) Somente a sentença III está correta.</p><p>d) ( ) As sentenças I e II estão corretas.</p><p>42</p><p>43</p><p>TÓPICO 4 —</p><p>UNIDADE 1</p><p>ESTRUTURA DOS MATERIAIS METÁLICOS</p><p>1 INTRODUÇÃO</p><p>No estudo dos materiais que são utilizados em aplicações mecânicas,</p><p>com certeza os materiais metálicos merecem destaque. É verdade que todas as</p><p>classes de materiais possuem sua relevância em aplicações distintas, mas ainda</p><p>assim, os materiais metálicos dominam o segmento de aplicações que exigem</p><p>boas propriedades mecânicas.</p><p>No Tópico 1, fizemos um apanhado sobre materiais metálicos, falamos sobre</p><p>suas propriedades e seu tipo de ligação, as ligações metálicas. As ligações entre os</p><p>elementos metálicos ou de um elemento metálico e outro não metálico formam</p><p>uma estrutura cristalina, cujos átomos estão ordenados em reticulo cristalino.</p><p>Neste tópico, começaremos a desvendar a estrutura dos materiais</p><p>metálicos e falaremos sobre os defeitos desses materiais.</p><p>2 ESTRUTURA CRISTALINA</p><p>Os materiais existentes na natureza podem ser classificados de acordo com</p><p>a ordenação espacial dos átomos e íons, que podem ser: organizado e repetitivo ou</p><p>não. Aqueles que possuem ordenação de longo alcance e com repetição do conjunto</p><p>de células unitárias, diz-se que são materiais cristalinos e o contrário, materiais</p><p>amorfos ou não cristalinos. A célula unitária representa a menor unidade de</p><p>arranjo atômico no espaço capaz de representar um sólido cristalino tridimensional</p><p>(SANTOS, 2008).</p><p>Os materiais metálicos se organizam dessa forma, através de uma célula</p><p>unitária que se repete ao longo de uma rede cristalina. A Figura 25 demonstra</p><p>o modelo de esferas rígidas para uma célula unitária, rede cristalina e para um</p><p>sistema amorfo.</p><p>44</p><p>UNIDADE 1 — MATERIAIS PARA CONSTRUÇÃO MECÂNICA</p><p>FIGURA 25 – (A) MODELO DE CÉLULA UNITÁRIA ATRAVÉS DE ESFERAS RÍGIDAS; (B) CÉLULA</p><p>UNITÁRIA COM ESFERAS REDUZIDAS; (C) CONJUNTO DE CÉLULAS UNITÁRIAS FORMANDO</p><p>UMA REDE CRISTALINA; (D) MODELO ATÔMICO CRISTALINO DO DIÓXIDO DE SILÍCIO; (E)</p><p>MODELO ATÔMICO AMORFO DO DIÓXIDO DE SILÍCIO</p><p>FONTE: Adaptada de Callister Jr. e Rethwisch (2016)</p><p>As Figuras 25 (a) e (b) apresentam justamente a representação de uma</p><p>célula unitária, as Figuras 25 (c) e (d) representam uma rede cristalina, ou seja,</p><p>um conjunto de células unitárias com repetição e ordenação a longo alcance. A</p><p>Figura 25 (e) faz menção ao mesmo material da Figura 25 (d), só que os átomos</p><p>estão de dispostos de maneira desorganizada, ou seja, não apresentam repetição e</p><p>ordenação a longo alcance, então trata-se de um material amorfo.</p><p>Lembra que comentamos no tópico anterior sobre a anisotropia dos materiais</p><p>compósitos com fibras longas? Pois os cristais também apresentam anisotropia em</p><p>várias propriedades. Padilha (2000) destaca que essas propriedades que dependem</p><p>da orientação cristalina são: constantes elásticas, constantes ópticas, condutividade</p><p>elétrica, condutividade térmica, dilatação térmica e até a reatividade química de</p><p>suas superfícies.</p><p>Dessa forma, substâncias amorfas, por não apresentarem orientação</p><p>cristalina de longo alcance, são isotrópicas.</p><p>Vale destacar que os cristais encontrados na natureza se formaram em condições</p><p>muito específicas de solidificação durante um intervalo de tempo significativo. Já os</p><p>cristais produzidos de maneira sintética são usualmente bem menores.</p><p>Na maioria dos casos, a microestrutura dos materiais cristalinos é constituída</p><p>de fases cristalinas e também de defeitos cristalinos, como contornos de grãos,</p><p>contornos de maclas, defeitos de empilhamento, interfaces, discordâncias e defeitos</p><p>puntiformes. O conhecimento dessa estrutura, da composição, da natureza, quantidade</p><p>e distribuição dos defeitos cristalinos são de extrema valia para o entendimento e, até</p><p>para a previsão das propriedades dos materiais (PADILHA, 2000).</p><p>TÓPICO 4 — ESTRUTURA DOS MATERIAIS METÁLICOS</p><p>45</p><p>Existem sete sistemas cristalinos, são eles: cúbico, tetragonal, ortorrômbico,</p><p>monoclínico, triclínico, romboédrico ou trigonal, e hexagonal. A Tabela 8 demonstra</p><p>as características desses sete sistemas.</p><p>TABELA 8 – SISTEMAS CRISTALINOS</p><p>Nome Relações</p><p>Axiais</p><p>Ângulo entre os</p><p>eixos</p><p>Geometria da Célula</p><p>Unitária</p><p>Cúbico a = b = c α = β = γ = 90°</p><p>Hexagonal a = b ≠ c α = β = 90°, γ = 120°</p><p>Tetragonal a = b ≠ c α = β = γ = 90°</p><p>Romboédrico</p><p>(Trigonal) a = b = c α = β = γ ≠ 90°</p><p>Ortorrômbico a ≠ b ≠ c α = β = γ = 90°</p><p>Monoclínico a ≠ b ≠ c α = γ = 90° ≠ β</p><p>Triclínico a ≠ b ≠ c α ≠ β ≠ γ ≠ 90°</p><p>FONTE: Adaptada de Callister Jr. e Rethwisch (2016, p. 57)</p><p>46</p><p>UNIDADE 1 — MATERIAIS PARA CONSTRUÇÃO MECÂNICA</p><p>Os comprimentos das arestas, identificado como a, b e c são denominados</p><p>parâmetros de rede. Os outros parâmetros de rede na imagem, α, β e γ, são os</p><p>ângulos internos entro os eixos, onde α é o ângulo entre os eixos b e c.</p><p>A partir desses sete sistemas cristalinos, há outras ramificações conhecidas</p><p>como rede de Bravais, totalizando 14 tipos de arranjos cristalinos. Esses 14 tipos</p><p>de arranjos cristalinos estão exemplificados na imagem a seguir.</p><p>FIGURA 26 – REDES CRISTALINAS (BRAVAIS)</p><p>FONTE: Adaptada de Shackelford (2008, p. 47)</p><p>Analisando a figura anterior e traçando um paralelo com a Tabela 8, é possível</p><p>perceber que tanto a estrutura Cúbica Simples (CS), Cúbica de Corpo Centrado</p><p>(CCC) e Cúbica de Face Centrada (CFC), fazem parte do mesmo sistema cristalino,</p><p>o sistema cúbico. Assim como ocorre no sistema cúbico, o sistema ortorrômbico</p><p>apresenta arranjos cristalinos diferentes, quatro no total. O mesmo ocorre para os</p><p>sistemas tetragonal e monoclínico, com dois arranjos diferentes cada.</p><p>3 ESTRUTURA DOS MATERIAIS METÁLICOS</p><p>Dentre as 14 estruturas cristalinas, três delas são mais comuns em materiais</p><p>metálicos e estudaremos mais a fundo, porém antes de analisar cada uma, vamos</p><p>enumerar as características de uma célula unitária.</p><p>• Número de coordenação: refere-se à quantidade de átomos que pode ser</p><p>ligado aos átomos vizinhos, corresponde aos vértices e faces da célula;</p><p>• Números de átomos inteiros na célula unitária (N): leva em consideração o</p><p>total de átomos ao ser isolado uma célula unitária.</p><p>TÓPICO 4 — ESTRUTURA DOS MATERIAIS METÁLICOS</p><p>47</p><p>• Parâmetro de rede (a): é a distância entre os raios atômicos dentro de uma</p><p>mesma célula unitária.</p><p>• Volume da célula unitária (V): relaciona-se com o espaço ocupado pelo átomo</p><p>dentro de uma célula unitária, está relacionado com o parâmetro de rede (a).</p><p>• Fator de empacotamento atômico (FEA): corresponde à quantidade máxima</p><p>de átomos que uma célula unitária pode suportar, por isso o cálculo é baseado</p><p>na soma dos volumes dos átomos dividido pela</p><p>soma do volume da célula</p><p>unitária e multiplicado pela quantidade de átomos inteiros dentre da célula,</p><p>conforme Equação 1.</p><p>Além dos parâmetros citados anteriormente, as densidades planar e linear</p><p>podem ser consideradas no estudo das estruturas cristalinas. As direções e planos</p><p>cristalográficos equivalentes possuem as mesmas densidades lineares e planares,</p><p>respectivamente, e são consideradas importantes para o escorregamento dos</p><p>planos e direções mais compactos em deformações plásticas.</p><p>A densidade planar é o próprio fator de empacotamento atômico e as</p><p>esferas em um plano cristalográfico depende dos índices do plano, assim como a</p><p>estrutura cristalina. Para uma dada estrutura cristalina, os planos que possuem</p><p>empacotamento atômicos idênticos, porém tem índices de Miller diferentes,</p><p>pertencem a uma mesma família.</p><p>Densidade planar (DP): razão da área cristalográfica planar total que está</p><p>ocupada pelos átomos, Equação 2.</p><p>O cálculo da densidade planar pode ser observado no exemplo a seguir,</p><p>para uma célula CFC, conforme Figura 27.</p><p>FIGURA 27 – PLANO (110) DE UMA CÉLULA CFC</p><p>FONTE: Adaptada de Callister Jr. e Rethwisch (2016, p. 72)</p><p>(1)</p><p>(2)</p><p>48</p><p>UNIDADE 1 — MATERIAIS PARA CONSTRUÇÃO MECÂNICA</p><p>O plano (110) possui ½ átomo da face superior e ½ átomo da face inferior,</p><p>e possui nos vértices ¼ de 4 átomos, assim ½ + ½ + 4*(¼) totalizam 2 átomos no</p><p>plano em questão, como pode ser visto na Figura 27 b). Assim a Densidade Planar</p><p>(DP) fica:</p><p>Densidade linear (DL): fração do comprimento da linha que é interceptada</p><p>pelo centro dos átomos interceptados pelo vetor direção, Equação 3.</p><p>O cálculo da densidade linear pode ser observado no exemplo a seguir,</p><p>também para uma célula CFC, conforme Figura 28.</p><p>FIGURA 28 – DIREÇÃO [110] DE UMA CÉLULA CFC</p><p>FONTE: Callister Jr. e Rethwisch (2016, p. 75)</p><p>Na Figura 28 (b), é possível ver o plano em que o vetor direção [110],</p><p>cujo comprimento do vetor tem o tamanho de um raio do átomo X, atravessa</p><p>totalmente o raio Y (2 raios) e possui mais 1 raio do átomo Z, totalizando 4 raios de</p><p>comprimento (4R). Para o cálculo da quantidade de átomos, é preciso considerar</p><p>que cada um dos átomos dos vértices X e Z também é compartilhado com outra</p><p>célula unitária adjacente ao longo dessa direção [110], possuindo, então, metade</p><p>de cada átomo, enquanto o átomo y está totalmente dentro do vetor direção,</p><p>totalizando dessa forma 2 átomos. Assim a Densidade Linear (DL) fica:</p><p>(3)</p><p>TÓPICO 4 — ESTRUTURA DOS MATERIAIS METÁLICOS</p><p>49</p><p>Massa específica: densidade verdadeira ou massa específica teórica é</p><p>dada pela Equação 4.</p><p>Em que:</p><p>n = número de átomos associados a cada célula unitária;</p><p>A = peso atômico;</p><p>VC = volume da célula unitária;</p><p>NA = número de Avogadro (6,023 x 10²³).</p><p>Veja o exemplo: o cobre possui raio atômico de 0,128 ηm, uma estrutura</p><p>cristalina CFC e um peso atômico 63,5 g/mol. Calcule a sua massa específica.</p><p>4 ESTRUTURA CCC</p><p>A estrutura cristalina CCC é caracterizada por oito átomos nos vértices</p><p>e um único átomo centralizado na célula unitária. Dessa forma, essa estrutura</p><p>possui 1/8 de cada um dos átomos dos vértices e mais o átomo centralizado,</p><p>totalizando 2 átomos na célula unitária. Os átomos se tocam ao longo da diagonal</p><p>interna do cubo. A Figura 29 apresenta uma representação da célula unitária de</p><p>uma estrutura CCC.</p><p>FIGURA 29 – REPRESENTAÇÃO DE UMA CÉLULA UNITÁRIA CCC</p><p>FONTE: Shackelford (2008, p. 48)</p><p>(4)</p><p>50</p><p>UNIDADE 1 — MATERIAIS PARA CONSTRUÇÃO MECÂNICA</p><p>A Figura 29 apresenta a estrutura CCC para metais que exibem (a) o</p><p>arranjo de pontos de rede para uma célula unitária, (b) o empacotamento real</p><p>dos átomos (representados como esferas rígidas) dentro da célula unitária e (c)</p><p>a estrutura CCC repetitiva, equivalente a muitas células unitárias adjacentes. Na</p><p>Tabela 9, estão listadas as principais características dessas estruturas.</p><p>TABELA 9 – CARACTERÍSTICAS DAS CÉLULAS CCC</p><p>Parâmetros Resultados</p><p>Número de coordenação 8</p><p>Números de átomos inteiros na</p><p>célula unitária</p><p>Parâmetros de rede</p><p>Volume da célula unitária</p><p>Fator de empacotamento atômico</p><p>(FEA)</p><p>FONTE: Adaptada de Callister Jr. e Rethwisch (2016)</p><p>Como pode ser observado na tabela anterior, o fator de empacotamento</p><p>atômico dessas células é baixo, pois os planos de maior densidade atômica são os</p><p>pertencentes à família {110}.</p><p>Os metais CCC quando aquecidos são dúcteis o que permite a conformação</p><p>por deformação, tem elevada tenacidade, mas essa tenacidade diminui em baixas</p><p>temperaturas tornando-se frágeis e apresentando uma temperatura de transição</p><p>dúctil-frágil. Além disso, pode ser endurecido por solução sólida intersticial.</p><p>Alguns exemplos de materiais com essa estrutura cristalina são: ferro (α),</p><p>molibdênio e o nióbio.</p><p>5 ESTRUTURA CFC</p><p>A estrutura cristalina CFC é caracterizada por oito átomos nos vértices e</p><p>por seis átomos nas faces da célula unitária. Da mesma forma que na estrutura</p><p>CCC, os átomos dos vértices equivalem a 1/8 de átomo, pois são divididos entre 8</p><p>células unitárias adjacentes. Já os átomos das faces equivalem a ½ de átomo, pois</p><p>ele é dividido entre apenas duas células unitárias. Os átomos dessa estrutura se</p><p>tocam ao longo das diagonais das faces dos cubos. A Figura 30 apresenta uma</p><p>representação da célula unitária de uma estrutura CFC.</p><p>TÓPICO 4 — ESTRUTURA DOS MATERIAIS METÁLICOS</p><p>51</p><p>FIGURA 30 – REPRESENTAÇÃO DE UMA CÉLULA CFC</p><p>FONTE: Shackelford (2008, p. 48)</p><p>A estrutura CFC para metais, exibida na figura anterior, apresenta (a) o</p><p>arranjo de pontos de rede para uma célula unitária e (b) o empacotamento real</p><p>dos átomos (representados como esferas rígidas) dentro da célula unitária.</p><p>A estrutura CFC repetitiva, equivalente a muitas células unitárias</p><p>adjacentes, devido ao seu fator de empacotamento, apresenta planos mais</p><p>compactos que estão empilhados na sequência ABCABC. Essa representação é</p><p>possível observa na Figura 31.</p><p>FIGURA 31 – EMPILHAMENTO DE PLANOS COMPACTOS DA ESTRUTURA CFC</p><p>FONTE: Callister Jr. e Rethwisch (2016, p. 77)</p><p>A Tabela 10 mostra as principais características dessas estruturas. O fator</p><p>de empacotamento destas células é superior às células CCC.</p><p>52</p><p>UNIDADE 1 — MATERIAIS PARA CONSTRUÇÃO MECÂNICA</p><p>TABELA 10 – CARACTERÍSTICAS DAS CÉLULAS CFC</p><p>Parâmetros Resultados</p><p>Número de coordenação 12</p><p>Números de átomos inteiros na</p><p>célula unitária</p><p>Parâmetros de rede a = 2r√2</p><p>Volume da célula unitária VCFC = a³ = (2r√2)³ = 16r³ √2</p><p>Fator de empacotamento atômico</p><p>(FEA)</p><p>FONTE: Adaptada de Callister Jr. e Rethwisch (2016)</p><p>O valor do FEA de 0,74, maior que o 0,68 da estrutura CCC, é o valor mais</p><p>alto possível para preencher o espaço empilhando as esferas rígidas de mesmo</p><p>tamanho. Devido a isso, a estrutura CFC também é denominada de estrutura</p><p>Cúbica Compacta (CC) (SHACKELFORD, 2008).</p><p>Metais CFC são mais dúcteis no estado puro, quando deformados sofrem</p><p>encruamento (dificuldade das discordâncias de se movimentar) e tornam-se mais</p><p>macios quando recozidos, por isso podem ser facilmente conformados por deformação.</p><p>Em geral, possuem elevada tenacidade e conservam a ductilidade e tenacidade até o</p><p>zero absoluto, não apresentando uma transição de dúctil/frágil. Alguns de exemplos</p><p>de materiais com esta estrutura cristalina são: alumínio, ouro e o ferro (γ).</p><p>6 ESTRUTURA HC</p><p>A estrutura cristalina HC é caracterizada por átomos nos vértices, átomos</p><p>nas faces da célula unitária e três átomos no meio. Essa é uma estrutura mais</p><p>complicada. A Figura 32 apresenta uma ilustração desse tipo de estrutura. Existem</p><p>dois átomos associados a cada ponto da rede de Bravais, um átomo centralizado</p><p>dentro da célula unitária e diversos átomos fracionados nos cantos da célula</p><p>unitária (quatro 1/6 de átomo e quatro 1/12 de átomo, gerando um total de dois</p><p>átomos por célula unitária (SHACKELFORD, 2008).</p><p>TÓPICO 4 — ESTRUTURA DOS MATERIAIS METÁLICOS</p><p>53</p><p>FIGURA 32 – REPRESENTAÇÃO DE UMA CÉLULA HCC</p><p>FONTE: Shackelford (2008, p. 48)</p><p>A Figura 32, na estrutura HC para metais, mostra (a) o arranjo dos centros</p><p>dos átomos em relação aos pontos de rede</p><p>para uma célula unitária. Existem dois</p><p>átomos por ponto de rede (observe o exemplo destacado). (b) O empacotamento</p><p>real dos átomos dentro da célula unitária. Observe que o átomo no plano do meio</p><p>se estende além dos limites da célula unitária.</p><p>A estrutura HC repetitiva, equivalente a muitas células unitárias adjacentes</p><p>é demonstrada na Figura 33. A sequência do empilhamento atômico é do tipo</p><p>ABAB.</p><p>FIGURA 33 – SEQUÊNCIA DE EMPILHAMENTO DE PLANOS PARA A ESTRUTURA HC</p><p>FONTE: Callister Jr. e Rethwisch (2016)</p><p>A Tabela 11 mostra as principais características dessas estruturas.</p><p>54</p><p>UNIDADE 1 — MATERIAIS PARA CONSTRUÇÃO MECÂNICA</p><p>TABELA 11 – CARACTERÍSTICAS DAS CÉLULAS HC</p><p>Parâmetros Resultados</p><p>Número de coordenação 12</p><p>Números de átomos inteiros na</p><p>célula unitária</p><p>Parâmetros de rede a = 2r</p><p>Volume da célula unitária</p><p>Fator de empacotamento atômico</p><p>(FEA) FEA = 0,74</p><p>FONTE: Adaptada de Callister Jr. e Rethwisch (2016)</p><p>Ela apresenta FEA de 0,74, o mesmo da estrutura CFC. Conforme a Figura</p><p>33, ambas apresentam sequência de empilhamentos compactos, a diferença está</p><p>apenas na sequência desses empilhamentos.</p><p>No arranjo CFC, é tal que a quarta camada compacta se encontra</p><p>exatamente acima da primeira. Já na estrutura HC, a terceira camada se encontra</p><p>exatamente acima da primeira (SHACKELFORD, 2008). A comparação entre os</p><p>planos compactos de HC e CFC pode ser observada na Figura 34.</p><p>FIGURA 34 – COMPARAÇÃO ENTRE OS EMPILHAMENTOS DOS PLANOS COMPACTOS DAS</p><p>ESTRUTURAS CFC E HC</p><p>FONTE: Shackelford (2008, p. 49)</p><p>TÓPICO 4 — ESTRUTURA DOS MATERIAIS METÁLICOS</p><p>55</p><p>A conformação por deformação é viável, porém é limitada. Alguns exemplos</p><p>de materiais com essa estrutura cristalina são: cádmio, cobalto, zinco e o titânio (α).</p><p>Essa estrutura cristalina é menos dúctil que as estruturas cristalinas CCC</p><p>ou CFC e geralmente materiais com essas estruturas têm pouca viabilidade em</p><p>processos de conformação por deformação.</p><p>7 PONTOS, DIREÇÕES E PLANOS CRISTALOGRÁFICOS</p><p>Frequentemente é necessário identificar as direções e planos cristalográficos</p><p>específicos em cristais. As propriedades mecânicas são influenciadas pelos planos</p><p>e direções mais compactos. A deformação plástica o deslizamento dos planos</p><p>acontece através dos planos compactos e o maior módulo de elasticidade ocorre</p><p>nas direções mais compactas. Na Figura 35, há um exemplo de algumas direções</p><p>cristalográficas.</p><p>FIGURA 35 – EXEMPLO DE ALGUMAS DIREÇÕES CRISTALOGRÁFICAS</p><p>FONTE: Adaptada de Callister Jr. e Rethwisch (2016, p. 61).</p><p>Determinação das direções cristalográficas</p><p>• Os índices são determinados por u, v e w e apresentados dentro de colchetes</p><p>[uvw], não separados por vírgula e representa uma linha que vai da origem até</p><p>um ponto de coordenadas (u, v, w) que correspondem às projeções reduzidas</p><p>ao longo dos eixos x, y e z.</p><p>• A unidade é medida em termo do parâmetro de rede (a, b, c).</p><p>• Um vetor direção é adicionado da origem até os eixos cartesianos e paralelos.</p><p>• Se for considerado a direção contrária à origem considera-se negativo e é</p><p>representado como por exemplo a direção [110] neste caso há uma componente</p><p>na direção -x.</p><p>• Para células hexagonais há três eixos a1, a2 e a3 presentes no mesmo plano</p><p>basal e formam ângulos de 120° entre si.</p><p>• As coordenadas devem ser reduzidas ao menor conjunto de números inteiros.</p><p>56</p><p>UNIDADE 1 — MATERIAIS PARA CONSTRUÇÃO MECÂNICA</p><p>Exemplo: mostre a direção [110] dentro de uma célula cúbica, na Figura 36.</p><p>FIGURA 36 – DIREÇÃO [110]</p><p>FONTE: Adaptada de Callister Jr. e Rethwisch (2016, p. 63).</p><p>Exemplo: determinação dos índices para a direção mostrada na Figura 37,</p><p>resultado na Tabela 12.</p><p>FIGURA 37 – DETERMINAÇÃO DOS ÍNDICES</p><p>FONTE: Adaptada de Callister Jr. e Rethwisch (2016, p. 63)</p><p>TABELA 12 – DETERMINAÇÃO DOS ÍNDICES DA FIGURA 37</p><p>Projeções</p><p>x y z</p><p>½ a 1 b 0 c</p><p>Projeções em termos de (a, b e c) ½ 1 0</p><p>Redução a mínimos inteiros 1 2 0</p><p>Notação [120]</p><p>FONTE: Adaptada de Callister Jr. e Rethwisch (2016, p. 63)</p><p>Uma dica de resolução seria adotar o método PONTA-CAUDA da seta.</p><p>TÓPICO 4 — ESTRUTURA DOS MATERIAIS METÁLICOS</p><p>57</p><p>Vetor = Ponta ½ x 1y 0z</p><p>- Cauda: 0x 0y 0z</p><p>Projeções: ½x 1y 0z</p><p>Reduções (x2) 1x 2y 0z</p><p>Índice: [120]</p><p>Determinação dos planos cristalográficas</p><p>Os planos cristalográficos são determinados através dos índices de Miller</p><p>(h k l), com exceção dos sistemas hexagonais que leva quatro índices (h k i l)</p><p>chamado de sistema Miller-Bravais, na qual i = -(h + k). Callister e Rethwisch</p><p>(2016), destaca:</p><p>• O plano cristalográfico ou intercepta ou é paralelo a cada um dos três eixos.</p><p>• Os planos paralelos são equivalentes tendo todos os mesmos índices.</p><p>• Se o plano passa pela origem selecionada, outro plano paralelo deve ser</p><p>construído ou uma nova origem deve ser estabelecida no vértice de outra</p><p>célula unitária.</p><p>• Cálculo dos valores inversos, se necessário os números devem ser modificados</p><p>para o menor conjunto de número inteiros.</p><p>Exemplo: determine o plano (111) em uma célula cúbica (Figura 38) e o</p><p>plano formado pelas interseções 1/3 a, 2/3 b, 1c (Figura 39 – Tabela 13).</p><p>FIGURA 38 – EXEMPLO PLANO (111)</p><p>FONTE: Adaptada de Callister Jr. e Rethwisch (2016, p. 69)</p><p>58</p><p>UNIDADE 1 — MATERIAIS PARA CONSTRUÇÃO MECÂNICA</p><p>FIGURA 39 – EXEMPLO PLANO (632)</p><p>FONTE: Adaptado de Callister Jr. e Rethwisch (2016, p. 69)</p><p>TABELA 13 – DETERMINAÇÃO DOS ÍNDICES DA FIGURA 38</p><p>x y z</p><p>Interseção 1/3 2/3 1</p><p>Inversão 3 3/2 1</p><p>Redução 6 3 2</p><p>índice (632)</p><p>FONTE: Adaptada de Callister Jr. e Rethwisch (2016, p. 69)</p><p>Para as redes cristalinas hexagonais, os índices e Miller-Bravais são</p><p>representados pelos inversos das intersecções do plano considerado com os eixos a1,</p><p>a2, a3 e z do sistema de coordenadas, considerando-se os parâmetros de rede como</p><p>unitários, reduzidos ao menor conjunto de números inteiros obtido multiplicando-</p><p>se ou dividindo-se os índices por um mesmo número. Na Figura 40, há exemplos</p><p>de direções e planos destas células.</p><p>FIGURA 40 – ESTRUTURA CRISTALINA HEXAGONAL; (A) DIREÇÕES E (B) PLANOS</p><p>FONTE: Adaptada de Callister Jr. e Rethwisch (2016, p. 73)</p><p>TÓPICO 4 — ESTRUTURA DOS MATERIAIS METÁLICOS</p><p>59</p><p>8 POLIMORFISMO E ALOTROPIA</p><p>Você certamente percebeu que os materiais existentes na natureza apresentam</p><p>diferentes composições químicas, apresentando os mais diversos elementos</p><p>envolvidos nessas composições. Dessa forma, é de esperar que cada material com</p><p>composição química diferente apresente características diferentes, até aí tudo bem.</p><p>Seguindo nessa linha de pensamento, poderíamos então supor que materiais</p><p>que apresentam exatamente a mesma composição química deveriam apresentar as</p><p>mesmas características, bem, não é exatamente assim que ocorre.</p><p>Muitas vezes, os materiais podem apresentar a mesma composição química,</p><p>porém apresentam um arranjo estrutural diferente para essa composição, devido a esse</p><p>fenômeno, uma substância apresenta variações de arranjos cristalinos em diferentes</p><p>condições. O polimorfismo é considerado uma mudança estrutural em substâncias</p><p>compostas e a alotropia é um tipo de polimorfismo presente em elementos puros.</p><p>Vamos pegar o exemplo mais comum de todos, o carbono. Dependendo do</p><p>seu arranjo atômico, ele pode formar grafite, diamante ou fulereno. Dessa forma,</p><p>dizemos que o carbono apresenta três alótropos, esses materiais são apresentados na</p><p>Figura 41. O grafite é a forma mais estável, depois o diamante seguido do fulereno.</p><p>FIGURA 41 – FORMAS ALOTRÓPICAS DO CARBONO</p><p>FONTE: Adaptada de <https://www.infoescola.com/quimica/alotropia/>. Acesso em: 2 set. 2020.</p><p>Fulereno é um material formado por carbono (60 átomos formado por um</p><p>conjunto hexágono assemelhando-se a uma bola de futebol), tem aplicação na síntese</p><p>de outros componentes, principalmente na medicina como antivirais, antioxidante e</p><p>antimicrobiano. Essa forma alotrópica do carbono foi descoberta em 1985 e rendeu aos</p><p>pesquisadores o Prêmio Nobel de Química.</p><p>IMPORTANTE</p><p>60</p><p>UNIDADE 1 — MATERIAIS PARA CONSTRUÇÃO MECÂNICA</p><p>A estrutura alotrópica que irá prevalecer dependerá das condições</p><p>de</p><p>temperatura e pressão que o material está exposto. No exemplo do carbono, a grafita</p><p>é formada em condições ambiente de temperatura e pressão, já o diamante necessita</p><p>de pressões extremamente elevadas (CALLISTER JR.; RETHWISCH, 2016).</p><p>Assim como o carbono, muitos metais apresentam o fenômeno do</p><p>polimorfismo e o exemplo mais comum é o do próprio ferro. Se você estava</p><p>prestando atenção quando discutimos sobre as estruturas cristas CCC e CFC, já</p><p>percebeu que para as duas citamos o exemplo do ferro. O que ocorre que o Fe</p><p>puro apresenta uma estrutura CCC à temperatura ambiente, esse é denominado Fe</p><p>alfa (α), já para temperaturas superiores a 912 °C ele apresenta uma transformação</p><p>alotrópica, passando a apresentar estrutura CFC, este Fe gama (γ).</p><p>O Fe α existe de -273 a 912 °C, entre 768 e 912 °C, o ferro a deixa de ser</p><p>magnético e, algumas vezes, é chamado de Fe β, porém não apresenta mudança</p><p>de estrutura cristalina. O ferro γ existe de 912 a 1394 °C e o Fe δ existe de 1394</p><p>a 1539 °C, apresentando, novamente, estrutura CCC, esta estrutura mantém-se</p><p>estável até a temperatura de fusão do ferro.</p><p>Cerca de 40% dos elementos apresentam alótropos. A Tabela 14 apresenta</p><p>alguns metais e seus alótropos.</p><p>TABELA 14 – ALGUNS METAIS E SEUS ALÓTROPOS</p><p>Metal Estrutura na temperatura</p><p>ambiente Em outras temperaturas</p><p>Ca CFC CCC (> 447 °C)</p><p>Co HC CFC (> 1742 °C)</p><p>Fe CCC</p><p>CFC (912 °C – 1394 °C)</p><p>CCC (> 1394 °C)</p><p>Hf HC CFC (> 1742 °C)</p><p>Li CCC HC (< -193 °C)</p><p>Na CCC HC (< -233 °C)</p><p>Ti HC CCC (> 883 °C)</p><p>Zr HC CCC (> 872 °C)</p><p>FONTE: <http://www.fem.unicamp.br/~caram/estrutura.pdf>. Acesso em: 2 set. 2020.</p><p>Analisando a tabela anterior, é possível observar que o cálcio (Ca), com</p><p>estrutura CFC à temperatura e pressão ambiente, ao ser aquecido acima de 447</p><p>°C, transforma sua microestrutura para CCC. O mesmo ocorre com o cobalto</p><p>(Co), que em condições normais de temperatura e pressão possui estrutura HC,</p><p>e acima de 1742 °C tem sua estrutura alterada para CFC. Esse fenômeno pode ser</p><p>observado para os demais materiais listados na tabela.</p><p>TÓPICO 4 — ESTRUTURA DOS MATERIAIS METÁLICOS</p><p>61</p><p>Estudaremos mais sobre alótropos do ferro na próxima unidade, quando</p><p>abordarmos o diagrama de fases Fe – C. Esse assunto voltará a ser discutido</p><p>também na Unidade 3, quando estudarmos sobre tratamentos térmicos.</p><p>62</p><p>UNIDADE 1 — MATERIAIS PARA CONSTRUÇÃO MECÂNICA</p><p>ALOTROPIA E SUA IMPORTÂNCIA NA ENGENHARIA DE MATERIAIS</p><p>Olá, galera!</p><p>O tema de hoje é alotropia, ou seja, a capacidade de um elemento químico</p><p>formar diferentes substâncias simples. Essas substâncias, denominadas formas</p><p>alotrópicas, diferem-se entre si no que diz respeito a suas estruturas cristalinas</p><p>ou atomicidade e, por causa desses fatores que podem parecer apenas detalhes,</p><p>as características e propriedades das substâncias em questão podem ser tornar</p><p>completamente diferentes.</p><p>Um exemplo de elemento químico que sofre alotropia é o estanho: Ele</p><p>pode se organizar em uma estrutura tetragonal de corpo centrado (imagem à</p><p>esquerda), denominado estanho branco ou em uma estrutura cúbica semelhante</p><p>à do diamante (imagem à direita), caracterizando o estanho cinza.</p><p>FIGURA 1 – ESTRUTURAS CRISTALINAS DAS FORMAS ALOTRÓPICAS DO ESTANHO</p><p>FONTE: Adaptada de <http://qnesc.sbq.org.br/online/qnesc34_3/04-AQ-45-11.pdf>.</p><p>Acesso em: 4 set. 2020.</p><p>A transformação de estanho branco em cinza leva a uma expansão no</p><p>volume em aproximadamente 27%, culminando na desintegração do material.</p><p>Apesar de a temperatura de transição ser 13,2 °C, a transformação de forma</p><p>alotrópica acontece a uma taxa muito lenta em condições normais de temperatura,</p><p>então o fenômeno pode de certa forma ser desprezado. No entanto, a utilização</p><p>de estanho em regiões de frio extremo pode ter resultados dramáticos, caso sua</p><p>transformação alotrópica não seja lembrada, como aconteceu em 1812 na Rússia.</p><p>Naquele ano, houve um inverno bastante rigoroso, com um período longo de</p><p>temperaturas bastante baixas, assim, a taxa de transformação de estanho branco</p><p>em estanho cinza, mais estável em temperaturas abaixo de 13,2 °C do que a</p><p>primeira substância, foi rápida o suficiente para que seus efeitos pudessem ser</p><p>sentidos. As consequências? Durante o inverno daquele ano aconteciam as invasões</p><p>Napoleônicas na Rússia e exatamente no período em que os soldados deveriam</p><p>estar mais agasalhados, os botões de seus uniformes esfarelaram-se e desfizeram-</p><p>se em pedaços. Há historiadores que dizem que esse foi um dos principais motivos</p><p>LEITURA COMPLEMENTAR</p><p>TÓPICO 4 — ESTRUTURA DOS MATERIAIS METÁLICOS</p><p>63</p><p>a contribuir para a derrota de Napoleão Bonaparte. Além disso, alguns tubos de</p><p>órgãos de igrejas também foram destruídos por essa transformação. Devido a</p><p>esses casos, a transição alotrópica do estanho chegou a inclusive ser batizada como</p><p>“doença do estanho”.</p><p>FIGURA 2 – ESTANHO BRANCO (ACIMA) E ESTANHO CINZA (ABAIXO)</p><p>FONTE: Callister Jr. e Rethwisch (2016)</p><p>Outro elemento que possui alotropia é o ferro, o qual é o principal elemento</p><p>a compor o aço, um dos materiais mais utilizados no meio industrial, construção</p><p>civil e mais presentes no dia a dia dos engenheiros de materiais. Portanto, conhecer</p><p>as transformações alotrópicas do ferro e saber explorá-las é de extrema importância.</p><p>Primeiramente, as transformações alotrópicas do ferro ocorrem a</p><p>temperaturas muito superiores à temperatura ambiente (910 °C e 1400 °C), de</p><p>forma com que devam ser compreendidas não para evitar problemas, como no</p><p>caso do estanho, mas sim para compreender como processar o material de forma a</p><p>atingir as propriedades que lhe são requisitadas.</p><p>FIGURA 3 – FASES ALOTRÓPICAS DO FERRO E SUAS TEMPERATURAS DE ESTABILIDADE</p><p>FONTE: <http://www.cienciadosmateriais.org/index.php?acao=exibir&cap=16&top=232>.</p><p>Acesso em: 4 set. 2020.</p><p>64</p><p>UNIDADE 1 — MATERIAIS PARA CONSTRUÇÃO MECÂNICA</p><p>A partir da figura anterior, verifica-se que a temperaturas abaixo de 910 °C,</p><p>o ferro apresenta estrutura cristalina cúbica de corpo centrado (CCC), denominado</p><p>ferro α. Acima dessa temperatura, ocorre a transição para uma fase γ de estrutura</p><p>cúbica de faces centradas (CFC), alterando o comportamento do ferro. Continuando</p><p>o aquecimento do ferro γ, atinge-se uma temperatura (1400 °C) na qual ela deixa de</p><p>ser a fase mais estável termodinamicamente, dando lugar ao ferro δ, que é estável</p><p>até 1539 °C, temperatura na qual torna-se líquido. A transição mais estudada e de</p><p>maior importância é a de ferro α para γ. Analisando-se as características de cada</p><p>uma dessas fases, constatou-se que o ferro γ apresenta uma solubilidade muito</p><p>maior de carbono do que o α. A partir desse conhecimento, pensou-se em utilizar o</p><p>ferro γ para fazer aços com maiores teores de carbono, pois seria possível dissolver</p><p>esse elemento em quantidades superiores ao que seria possível em ferro α. Você</p><p>pode estar se perguntando, por que dissolver carbono no ferro γ se ao resfriar o</p><p>material à temperatura ambiente esse carbono não será mais solúvel na fase α e vai</p><p>se precipitar no ferro? Na verdade, esse resfriamento até a temperatura ambiente é</p><p>feito de maneira bastante rápida e, dessa forma, o carbono continua dissolvido na</p><p>matriz, pois não tem tempo de sair dos interstícios da rede composta por átomos de</p><p>ferro. O resultado é um aço com novas propriedades, por exemplo maior resistência</p><p>mecânica e dureza e que possui uma rede cúbica de corpo centrado distorcida pela</p><p>presença de uma quantidade excessiva de carbono, a chamada estrutura tetragonal</p><p>de corpo centrado (TCC). Esse aço é denominado de martensítico.</p><p>FIGURA 4 – ESTRUTURAS CRISTALINAS CCC, CFC E TCC, RESPECTIVAMENTE</p><p>FONTE: <https://www.docsity.com/pt/trat-termicos-revisado12/4837255/>. Acesso em: 4 set. 2020.</p><p>Outras propriedades que merecem destaque na austenita (ferro γ + carbono),</p><p>é que possui menor dureza com relação à ferrita (ferro α + carbono), apresenta</p><p>grande resistência ao desgaste, é magnética, e é o constituinte mais denso dos aços.</p><p>Caso deseje-se um material com alguma dessas características, é</p><p>possível fazer algo</p><p>para manter a austenita mais estável do que a ferrita à temperatura ambiente? Sim!</p><p>Por meio da adição de elementos de liga, por exemplo, os quais podem mudar</p><p>a temperatura de transição de fases para uma temperatura superior ou inferior</p><p>à original, favorecendo a formação de um tipo de fase ou de outro em uma</p><p>determinada temperatura. O próprio carbono dos aços abaixa essa temperatura de</p><p>transição α-γ de 910 °C para aproximadamente 723 °C.</p><p>TÓPICO 4 — ESTRUTURA DOS MATERIAIS METÁLICOS</p><p>65</p><p>A partir dos casos mencionados, verifica-se que um bom engenheiro de</p><p>materiais deve conhecer um pouco sobre a alotropia dos elementos químicos</p><p>com que trabalha para poder explorar suas propriedades ou prever possíveis</p><p>desastres. Os elementos estanho e ferro foram selecionados para esse post por</p><p>entender-se que teriam maior impacto no âmbito da engenharia de materiais,</p><p>no entanto elementos como carbono, enxofre, fósforo e oxigênio também sofrem</p><p>alotropia e fica como sugestão a leitura sobre esses casos.</p><p>FONTE: Adaptado de <https://engenheirodemateriais.com.br/2015/07/09/alotropia-e-sua-importancia-</p><p>na-engenharia-de-materiais/#more-72>. Acesso em: 4 set. 2020.</p><p>66</p><p>RESUMO DO TÓPICO 4</p><p>Neste tópico, você aprendeu que:</p><p>• Os materiais metálicos apresentam, no estado sólido, uma estrutura cristalina.</p><p>• Estruturas cristalinas possuem ordenação a longo alcance, apresentando</p><p>repetição do conjunto de células unitárias.</p><p>• Existem sete sistemas cristalinos, são eles: cúbico, tetragonal, ortorrômbico,</p><p>monoclínico, triclínico, romboédrico ou trigonal, e hexagonal.</p><p>• A partir desses sete sistemas cristalinos, há outras ramificações conhecidas</p><p>como rede de Bravais, totalizando 14 tipos de arranjos cristalinos.</p><p>• Os três arranjos mais comuns em materiais metálicos são o Cúbico de Corpo</p><p>Centrado (CCC), Cúbico de Face Centrada (CFC) e o Tetragonal Compacto (HC).</p><p>• As características mais importantes de uma célula unitária são o número</p><p>de coordenação, número de átomos inteiros, parâmetro de rede, volume da</p><p>célula, fator de empacotamento atômico, densidade planar, densidade linear</p><p>e massa específica.</p><p>• A estrutura cristalina CCC é caracterizada por oito átomos nos vértices e um</p><p>único átomo centralizado na célula unitária.</p><p>• Os metais CCC quando estão aquecidos são dúcteis o que permite a</p><p>conformação por deformação, tem elevada tenacidade, mas essa tenacidade</p><p>diminui em temperaturas mais baixas.</p><p>• A estrutura cristalina CFC é caracterizada por oito átomos nos vértices e por</p><p>seis átomo nas faces da célula unitária.</p><p>• Metais CFC são mais dúcteis no estado puro, quando deformados sofrem</p><p>encruamento (dificuldade das discordâncias de se movimentar) e tornam-se</p><p>mais macios quando recozidos.</p><p>• A estrutura cristalina HC é caracterizada por átomos nos vértices, átomos nas</p><p>faces da célula unitária e três átomos no meio.</p><p>• Essa estrutura cristalina é menos dúctil que as estruturas cristalinas CCC ou</p><p>CFC e, geralmente, materiais com essas estruturas têm pouca viabilidade em</p><p>processos de conformação por deformação.</p><p>• Muitas vezes os materiais podem apresentar a mesma composição química,</p><p>porém apresentam um arranjo estrutural diferente para essa composição.</p><p>67</p><p>Ficou alguma dúvida? Construímos uma trilha de aprendizagem</p><p>pensando em facilitar sua compreensão. Acesse o QR Code, que levará ao</p><p>AVA, e veja as novidades que preparamos para seu estudo.</p><p>CHAMADA</p><p>• O polimorfismo é considerado uma mudança estrutural em substâncias compostas</p><p>e a alotropia é um tipo de polimorfismo presente em elementos puros.</p><p>• Grafite, diamante ou fulereno são alótropos do carbono.</p><p>• Assim como o carbono, muitos metais apresentam o fenômeno do polimorfismo</p><p>e o exemplo mais comum é o do próprio ferro.</p><p>68</p><p>1 Os materiais existentes na natureza podem ser classificados de acordo com a</p><p>ordenação espacial dos átomos e íons, que podem ser: organizado e repetitivo</p><p>ou não. Aqueles que possuem ordenação de longo alcance, e com repetição</p><p>do conjunto de células unitárias, diz-se que são materiais cristalinos e o</p><p>contrário materiais amorfos ou não cristalinos. De acordo com os sistemas</p><p>cristalinos, classifique V para as sentenças verdadeiras e F para as falsas.</p><p>( ) No sistema cúbico, a relação entre os três eixos axiais é de igualdade.</p><p>( ) O sistema tetragonal apresenta igualdade entre duas arestas e igualdade</p><p>entre os três ângulos internos entre os eixos.</p><p>( ) Existem seis sistemas cristalinos, são eles: cúbico, tetragonal, monoclínico,</p><p>triclínico, romboédrico ou trigonal, e hexagonal.</p><p>( ) O sistema hexagonal apresenta igualdade entre duas arestas e seus três</p><p>ângulos internos são diferentes.</p><p>( ) No sistema romboédrico, apesar de apresentar igual entre os três ângulos</p><p>internos, entre os eixos possui diferença nos comprimentos entre suas</p><p>arestas.</p><p>Assinale a alternativa que apresenta a sequência CORRETA:</p><p>a) ( ) F – V – V – F – F.</p><p>b) ( ) V – F – F – F – V.</p><p>c) ( ) V – V – F – F – V.</p><p>d) ( ) V – V – F – F – F.</p><p>2 O nióbio possui um raio atômico de 0,1430 nm e uma densidade de 8,57</p><p>g/cm³. Com base nas informações, determine se ele possui uma estrutura</p><p>cristalina CFC ou CCC.</p><p>3 Calcule a densidade teórica do Fe(CFC) e Fe(CCC), e assinale a alternativa</p><p>CORRETA: (Dados: NA = 6,023 x 10²³ átomo/mol, rFe= 0,124 nm; MFe = 55,85</p><p>g/mol).</p><p>a) ( ) Fe(CFC) ≈ 8,597 kg/m³; Fe(CCC) ≈ 7,897 kg/m³.</p><p>b) ( ) Fe(CFC) ≈ 8,597 g/cm³; Fe(CCC) ≈ 7,8978 g/cm³.</p><p>c) ( ) Fe(CFC) ≈ 7,898 g/cm³; Fe(CCC) ≈ 8,597 g/cm³.</p><p>d) ( ) Fe(CFC) ≈ 7,898 kg/m³; Fe(CCC) ≈ 8,597 kg/m³.</p><p>4 No interior de uma célula cúbica, esboce as seguintes direções:</p><p>a) [101].</p><p>b) [211].</p><p>c) [102].</p><p>d) [313].</p><p>AUTOATIVIDADE</p><p>69</p><p>e) [111].</p><p>f) [212].</p><p>g) [312].</p><p>h) [301].</p><p>5 A figura a seguir mostra uma célula unitária para um metal hipotético.</p><p>FONTE: Callister e Rethwisch (2016, p. 73)</p><p>a) A qual sistema cristalino essa célula pertence?</p><p>b) Como essa estrutura cristalina seria chamada?</p><p>c) Calcule a massa específica do material, dado o seu peso atômico de 141 g/mol.</p><p>6 Quais são os índices para os dois planos desenhados no esboço a seguir?</p><p>FONTE: Callister e Rethwisch (2016, p. 56)</p><p>70</p><p>REFERÊNCIAS</p><p>ASHBY, M. F. Materials selection in mechanical design. 3. ed. Oxford: Elsevier,</p><p>2005.</p><p>BECERRA, A. F. P. Caracterização de PEAD antes e após envelhecimento em</p><p>diferentes meios e condições. 2015. 223 f. Dissertação de Mestrado – Pontifícia</p><p>Universidade Católica do Rio de Janeiro, Departamento de Engenharia Química</p><p>e de Materiais, 2015.</p><p>CALLISTER JR., W. D.; RETHWISCH, D. G. Ciência e engenharia de materiais:</p><p>uma introdução. 9. ed. São Paulo: LTC, 2016.</p><p>CANEVAROLO JR., S. V. Ciência dos polímeros: um texto básico para tecnólogos</p><p>e engenheiros. 3. ed. São Paulo: Artliber, 2013.</p><p>CANEVAROLO JR., S. V. Ciência dos polímeros: um texto básico para tecnólogos</p><p>e engenheiros. 2. ed. São Paulo: Artliber, 2006.</p><p>EVANS, S. L.; GREGSON, P. J. Composite technology in load-bearing orthopaedic</p><p>implants. Biomaterials, v. 19, n. 15, p. 1329-1342, 1998.</p><p>GONÇALVES, F. J. F.; MARTINS, M. Módulo II: tecnologia dos materiais I.</p><p>Araranguá: Centro Federal de Educação Tecnológica de Santa Catarina. 2008.</p><p>KETTERMANN, V. PEEK: O polímero de alta performance. 2016. Disponível</p><p>em: http://engenheirodemateriais.com.br/2016/05/04/peek-o-polimero-de-alta-</p><p>performance/. Acesso em: 5 ago. 2020.</p><p>MEHTA, P. K.; MONTEIRO, P. J. M. Concreto: estrutura, propriedades e materiais.</p><p>São Paulo: PINI, 1994.</p><p>PADILHA, A. F. Materiais de engenharia: microestrutura e propriedades. Hemus,</p><p>2000.</p><p>SANTOS, F. S. F. D. et al. Modificação da superfície do poli (éter-éter-cetona).</p><p>Matéria, Rio de Janeiro, v. 22, n. 4, 2017.</p><p>SANTOS, R. G. Transformações de fases em materiais metálicos. Campinas:</p><p>UNICAMP, 2006.</p><p>SHACKELFORD, J. F. Introdução à ciência dos materiais. 6. ed. São Paulo: Pearson</p><p>Education do Brasil, 2008.</p><p>71</p><p>SILVA, A. C.; AVANZI, C. Mecânica: tecnologia dos materiais e industrial. São</p><p>Paulo: Fundação Padre Anchieta, 2011.</p><p>SOPHIATI, D. G.; HEUER,</p><p>J. W. Pré-história. Indaial: Uniasselvi, 2013. 188 p.</p><p>SUZUKI, K. C. Investigação do uso de polietileno de ultra alto peso molecular</p><p>como matriz em compósitos reforçados com fibras de vidro. 2009. 26 f. Trabalho</p><p>de Conclusão de Curso (Bacharel em Engenharia de Materiais) – Universidade</p><p>Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2009.</p><p>72</p><p>73</p><p>UNIDADE 2 —</p><p>LIGAS METÁLICAS E MATERIAIS</p><p>CRISTALINOS</p><p>OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM</p><p>PLANO DE ESTUDOS</p><p>A partir do estudo desta unidade, você deverá ser capaz de:</p><p>• inteirar-se dos defeitos presentes em materiais cristalinos e suas implicações;</p><p>• aprender o movimento atômico e os parâmetros envolvido no processo</p><p>de difusão no estado sólido;</p><p>• conhecer a importância do diagrama de fases;</p><p>• compreender como é feito o cálculo das proporções e composições das fases</p><p>presentes em uma microestrutura.</p><p>Esta unidade está dividida em três tópicos. No decorrer da unidade,</p><p>você encontrará autoatividades com o objetivo de reforçar o conteúdo</p><p>apresentado.</p><p>TÓPICO 1 – DEFEITOS DOS MATERIAIS METÁLICOS</p><p>TÓPICO 2 – PRINCÍPIOS DE DIFUSÃO</p><p>TÓPICO 3 – DIAGRAMAS DE EQUILÍBRIO</p><p>Preparado para ampliar seus conhecimentos? Respire e vamos</p><p>em frente! Procure um ambiente que facilite a concentração, assim absorverá</p><p>melhor as informações.</p><p>CHAMADA</p><p>74</p><p>75</p><p>UNIDADE 2</p><p>1 INTRODUÇÃO</p><p>Na Unidade 1, nós estudamos a importância das diversas classes de</p><p>materiais existentes e, no final da unidade, abordamos as estruturas cristalinas</p><p>presentes em materiais metálicos.</p><p>Neste tópico, daremos continuidade ao estudo das estruturas cristalinas,</p><p>porém diferente da unidade anterior, em que abordamos as estruturas cristalinas</p><p>perfeitas. Agora, abordaremos as imperfeições presentes nos metais.</p><p>2 IMPERFEIÇÕES EM METAIS</p><p>A verdade é que não existe um material sólido cristalino perfeito, pois</p><p>todo o material macroscópico apresentará certa quantidade de defeitos em sua</p><p>estrutura, assim como não existe nenhum material totalmente puro, ou seja,</p><p>sempre há um grau de impureza química.</p><p>Para entendermos melhor as imperfeições nos metais, iremos dividi-las</p><p>em quatro grupos distintos: imperfeição química, defeitos pontuais, imperfeições</p><p>lineares ou discordâncias e defeitos planares.</p><p>2.1 VIBRAÇÕES ATÔMICAS</p><p>Ao analisarmos um material sólido do ponto de vista atômico, é possível</p><p>perceber que todos os seus átomos estão vibrando em torno de sua posição no</p><p>reticulado cristalino. Essas vibrações podem ser consideradas defeitos da rede</p><p>cristalina e são consequência da energia vibracional desses átomos, que está</p><p>relacionada diretamente com a temperatura, ou seja, quanto maior a temperatura,</p><p>maior será a energia média vibracional dos átomos.</p><p>Para se ter uma ideia, quando, na temperatura ambiente, a frequência média</p><p>de vibração é na ordem de 1013 vibrações por segundo, porém sua amplitude</p><p>chega há apenas milésimos de nanômetros. A importância desse movimento</p><p>vibracional dos átomos pode ser vista no processo de fusão dos metais, pois nessa</p><p>temperatura as vibrações são suficientemente fortes para romper as ligações e</p><p>fundir o material (CALLISTER JR.; RETHWISCH, 2016).</p><p>TÓPICO 1 —</p><p>DEFEITOS DOS MATERIAIS METÁLICOS</p><p>UNIDADE 2 — LIGAS METÁLICAS E MATERIAIS CRISTALINOS</p><p>76</p><p>2.2 IMPERFEIÇÃO QUÍMICA</p><p>Como comentamos, não existe material com 100% de pureza, sempre</p><p>há certo nível de impureza, mesmo em materiais altamente controlados nesse</p><p>quesito. Outro ponto importante de destacar, quando estamos lidando com</p><p>materiais metálicos, estamos lidando com uma solução, exatamente isso, materiais</p><p>metálicos ou ligas metálicas são soluções no estado sólido. Isso quer dizer que há</p><p>inúmeros elementos dissolvidos dentro dessa solução sólida. A Figura 1 apresenta</p><p>um exemplo de uma solução sólida.</p><p>FIGURA 1 – VISTA DO PLANO DE UMA SOLUÇÃO SÓLIDA SUBSTITUCIONAL DE NÍQUEL EM COBRE</p><p>FONTE: Adaptada de Shackelford (2008, p. 81)</p><p>Na Figura 1, é possível observar que o cobre (Cu) atua como solvente</p><p>e o níquel (Ni) é o soluto, ou seja, há certa concentração de átomos de níquel</p><p>dissolvido dentro do cobre. Essa solução sólida é denominada solução sólida</p><p>substitucional, pois os átomos de Ni ocupam o lugar dos átomos de cobre nos</p><p>sítios atômicos da estrutura CFC.</p><p>Essa configuração só irá ocorrer quando os átomos presentes na solução sólida</p><p>possuem tamanhos semelhantes, ou seja, possuem raios atômicos próximos. Para</p><p>que possa ocorrer uma mistura completa, os átomos envolvidos na mistura precisam</p><p>seguir as Regras de Hume-Rothery. Shackelford (2008) destaca as quatro regras:</p><p>1. Possuir menos de 15% de diferença entre raios atômicos.</p><p>2. Possuir a mesma estrutura cristalina.</p><p>3. Possuir eletronegatividades semelhantes (a capacidade de o átomo atrair um</p><p>elétron).</p><p>4. Possuir a mesma valência.</p><p>Para que a mistura seja completa, todas as regras precisam ser obedecidas,</p><p>caso contrário, ocorrerá apenas uma solubilidade parcial.</p><p>TÓPICO 1 — DEFEITOS DOS MATERIAIS METÁLICOS</p><p>77</p><p>Agora vamos verificar se o Cu e o Ni se enquadram nas regras de Regras</p><p>de Hume-Rothery. Analisando os raios atômicos do cobre e do níquel que são</p><p>0,128 nm e 0,125 nm, podemos perceber que são valores semelhantes e estão</p><p>dentro dos 15% estipulados. O cálculo fica da seguinte forma:</p><p>Ambos possuem estrutura CFC e possuem eletronegatividade de 1,9 para</p><p>o Ni e 1,8 para o Cu. Por fim, suas valências são as mesmas, +1.</p><p>Como eles satisfazem as quatro regras estabelecidas por Hume-Rothery,</p><p>podemos afirmar que esses elementos são capazes de promover uma mistura</p><p>completa, pois são completamente solúveis entre si em todas as proporções.</p><p>Assim como podemos ter uma solução sólida substicional intencional</p><p>de elementos semelhantes entre si, esses elementos podem aparecer como uma</p><p>impureza, atuando como átomo de impureza substitucional, conforme Figura 2.</p><p>FIGURA 2 – REPRESENTAÇÃO BIDIMENSIONAL DE ÁTOMOS DE IMPUREZA SUBSTITUCIONAL E</p><p>INTERSTICIAL</p><p>FONTE: Callister Jr. e Rethwisch (2016, p. 99)</p><p>Na Figura 2, é possível ver que além do átomo de impureza substitucional,</p><p>temos ainda um átomo de impureza menor, denominado átomo de impureza</p><p>intersticial. Esse átomo advém de um outro tipo de solução sólida, a solução</p><p>sólida intersticial.</p><p>Soluções sólidas intersticiais possuem esse nome, pois, nesse caso, os</p><p>sítios ocupados são nos interstícios da rede cristalina e são ocupados por átomos</p><p>menores que os átomos da rede cristalina. Um exemplo bastante comum é a</p><p>solução de Fe-C, cujo C, que é um átomo bem menor que o Fe, ocupa os interstícios</p><p>da estrutura do Fe α. Essa solução intersticial pode ser vista na Figura 3.</p><p>UNIDADE 2 — LIGAS METÁLICAS E MATERIAIS CRISTALINOS</p><p>78</p><p>FIGURA 3 – SOLUÇÃO SÓLIDA INTERSTICIAL DO CARBONO NO FERRO α.</p><p>FONTE: Shackelford (2008, p. 81)</p><p>Como é possível observar, o átomo de C é bem menor e ocupa um pequeno</p><p>espaço na estrutura CCC do Fe α. Mesmo que essa solução intersticial de C em Fe</p><p>seja mais estável que uma solução substitucional, devido à diferença de tamanho</p><p>entre os átomos, essa estrutura intersticial produz uma tensão considerável</p><p>na estrutura cristalina, possuindo solubilidade máxima de 0,1% de C em Fe α</p><p>(SHACKELFORD, 2008).</p><p>2.3 DEFEITOS PONTUAIS</p><p>Os defeitos pontuais têm a extensão de um ponto na rede cristalina e</p><p>são associadas com vazios, átomos intersticiais e átomos substitucionais. Esses</p><p>defeitos existem nos materiais independentemente das impurezas químicas.</p><p>Os vazios ou vacâncias são considerados defeitos pontuais e são caracterizados</p><p>por falta de átomos em posições normais da rede e exercem um papel importante nos</p><p>movimentos atômicos por difusão. As vacâncias podem ocorrer independentemente</p><p>de fatores químicos, por exemplo, o movimento dos átomos por efeito da vibração</p><p>térmica a uma temperatura maior que o zero absoluto. Desta forma, o número de</p><p>vazios (Nl) aumenta com a temperatura, conforme a equação a seguir.</p><p>Em que:</p><p>N – Número de posições atômicas.</p><p>Ql – Energia de ativação.</p><p>k – Constante dos gases.</p><p>T – Temperatura.</p><p>Para ilustrar a utilização dessa equação, vamos analisar</p><p>o exemplo a</p><p>seguir.</p><p>Exemplo 1 (CALLISTER JR.; RETHWISCH, 2016):</p><p>A energia necessária para a formação de uma lacuna no cobre (Cu) é de</p><p>0,9 eV/átomo. Calcule o número de lacunas por m³ de cobre a 1000 °C. O Cu</p><p>possui peso atômico de 63,5 g/mol e massa específica de 8,4 g/cm³.</p><p>(1)</p><p>TÓPICO 1 — DEFEITOS DOS MATERIAIS METÁLICOS</p><p>79</p><p>Solução:</p><p>O primeiro passo é a determinação do número de posições atômicas por</p><p>m³ (N), através da massa específica (ρ), do número de Avogadro (NA) e do peso</p><p>atômico (A), conforme Equação 2.</p><p>Substituindo os valores para o Cu, temos:</p><p>Substituindo o valor de N na equação 1, temos:</p><p>2.4 DISCORDÂNCIAS</p><p>Também denominadas defeitos lineares, elas possuem a extensão de uma</p><p>linha dentro da rede cristalina e podem ser classificadas em discordâncias em</p><p>cunha, discordâncias em hélice ou discordâncias mistas, porém, antes de falarmos</p><p>dos três tipos de discordâncias, é importante falar do Vetor de Burges.</p><p>O vetor de Burges é o responsável por expressar a magnitude e a direção da</p><p>distorção da rede cristalina. A deformação permanente da maioria dos materiais</p><p>cristalinos ocorre justamente pelo movimento de discordâncias e o vetor de</p><p>Burges foi desenvolvido para explicar esse tipo de deformação (CALLISTER JR.;</p><p>RETHWISCH, 2016). Agora vejamos as três classificações de discordâncias:</p><p>• Discordância em cunha ou aresta: o movimento da linha de discordância é</p><p>paralelo ao plano de deslizamento e é caracterizado por um plano extra de</p><p>átomos inserido na estrutura cristalina; é perpendicular ao vetor de Burges</p><p>(Figura 4). O plano extra é representado pelo símbolo ┴ (SANTOS, 2006).</p><p>(2)</p><p>UNIDADE 2 — LIGAS METÁLICAS E MATERIAIS CRISTALINOS</p><p>80</p><p>FIGURA 4 – EXEMPLO DE DISCORDÂNCIA DO TIPO ARESTA</p><p>FONTE: Adaptada de Callister Jr. e Rethwisch (2016, p. 103)</p><p>• Discordância em hélice ou espiral: são caracterizadas por um distúrbio que,</p><p>durante o crescimento da estrutura cristalina, provoca a deposição dos átomos</p><p>de forma helicoidal em torno de um eixo, como visto na Figura 5. O movimento</p><p>da discordância é perpendicular ao da força de cisalhamento e é paralela ao</p><p>vetor de Burges (SANTOS, 2006).</p><p>FIGURA 5 – EXEMPLO DE DISCORDÂNCIA DO TIPO HÉLICE</p><p>FONTE: Adaptada de Callister Jr. e Rethwisch (2016, p. 104)</p><p>• Discordâncias mistas: Seria a mistura dos dois tipos de discordâncias citados</p><p>anteriormente, esse tipo de discordância pode ser observado na Figura 6.</p><p>TÓPICO 1 — DEFEITOS DOS MATERIAIS METÁLICOS</p><p>81</p><p>FIGURA 6 – EXEMPLO DE DISCORDÂNCIA DO TIPO MISTA</p><p>FONTE: Adaptada de Callister Jr. e Rethwisch (2016, p. 105)</p><p>2.5 DEFEITOS PLANARES</p><p>Os defeitos planares também são denominados defeitos superficiais, por</p><p>apresentarem extensão de uma superfície. Compreendem contornos entre os</p><p>grãos (materiais policristalinos), maclas e falha de empilhamento. A superfície de</p><p>um material é considerada como defeito, pois os átomos desta região têm baixo</p><p>número de vizinhos (SANTOS, 2006).</p><p>• Contornos de grão: os materiais policristalinos são a maioria das ligas</p><p>empregadas comercialmente e são formados por um conjunto de grãos, sendo</p><p>delimitados entre si, formando um contorno que pode ser de baixo ou alto</p><p>ângulo quando relacionado com os grãos adjacentes.</p><p>O tamanho e a quantidade dos grãos afetam diretamente nas propriedades</p><p>mecânicas dos materiais, estruturas refinadas, com grãos pequenos apresentam</p><p>maiores tenacidades enquanto materiais que possuem grãos maiores tem baixa</p><p>resistência mecânica. O contorno de grão, nesses casos, atua como barreiras para o</p><p>movimento das discordâncias, portanto, quanto menor o tamanho dos grãos maior</p><p>é a quantidade de barreiras e mais resistente será o material. A Figura 7 mostra de</p><p>forma esquemática um conjunto de grãos e a formação dos contornos de grãos.</p><p>FIGURA 7 – FORMAÇÃO DE GRÃOS PARA UM MATERIAL POLICRISTALINO</p><p>UNIDADE 2 — LIGAS METÁLICAS E MATERIAIS CRISTALINOS</p><p>82</p><p>FONTE: Adaptada de Callister Jr. e Rethwisch (2016, p. 79)</p><p>A figura anterior apresenta diagramas esquemáticos das várias etapas na</p><p>solidificação de um material policristalino. As grades quadradas representam a rede</p><p>cristalina composta de várias células unitárias, já os pequenos núcleos de cristalito</p><p>são mostrados na Figura 7-a, o crescimento dos cristalitos é mostrado na Figura 7-b,</p><p>bem como a obstrução de alguns grãos adjacentes uns aos outros. Na Figura 7-c,</p><p>após a conclusão da solidificação, os grãos com formas irregulares estão formados.</p><p>A Figura 7-d demonstra a estrutura do grão como apareceria ao microscópio, em</p><p>que as linhas escuras são os limites do grão (CALLISTER JR.; RETHWISCH, 2016).</p><p>• Defeito de falha de empilhamento: ocorre quando durante a deposição dos</p><p>planos atômicos, na formação da estrutura cristalina, um plano é depositado</p><p>fora da posição sequencial normal. Esse defeito pode ocorrer em estruturas</p><p>CFC, quando no empilhamento dos planos ABC-ABC-ABC ocorre uma</p><p>interrupção ABC-AB-ABC. Esse defeito está ilustrado na Figura 8.</p><p>FIGURA 8 – EXEMPLO DE EMPILHAMENTO ENCONTRADO EM METAIS CFC</p><p>FONTE: Adaptada de <https://bit.ly/2NeZjFa>. Acesso em: 19 out. 2020.</p><p>• Contorno de Maclas: o defeito de maclas é um tipo especial de contorno de</p><p>grão, que pode ocorrer após o tratamento térmico de recozimento para metais</p><p>CFC ou em graus elevados de deformação para estruturas HC ou CCC. A</p><p>Figura 9 apresenta um contorno de macla para um reticulado cúbico simples.</p><p>TÓPICO 1 — DEFEITOS DOS MATERIAIS METÁLICOS</p><p>83</p><p>FIGURA 9 – ARRANJO DOS ÁTOMOS EM TORNO DE UMA MACLA NO RETICULADO CS</p><p>FONTE: Padilha (2000, p. 192)</p><p>Embora os dois tipos de maclas mencionados sejam cristalograficamente</p><p>idênticos na mesma estrutura, as maclas de recozimento, formadas em altas</p><p>temperaturas, apresentam contornos retilíneos, enquanto as maclas de deformação,</p><p>formadas durante a deformação a frio, apresentam contornos lenticulares (PADILHA,</p><p>2000). A Figura 10 ilustra essa diferença.</p><p>FIGURA 10 – GRÃOS MACLADOS: (A) E (B) APRESENTAM MACLAS DE RECOZIMENTO</p><p>TÍPICAS EM MATERIAIS COM ESTRUTURA CFC;(C) APRESENTA MACLA DE DEFORMAÇÃO EM</p><p>MATERIAIS COM ESTRUTURA HC</p><p>FONTE: Padilha (2000, p. 192)</p><p>Dessa forma, a maclação mecânica (maclas de deformação) é uma maneira</p><p>alternativa de deformação plástica. Como esse modo de deformação plástica exige</p><p>o movimento coordenado de muitos átomos, embora os deslocamentos sejam</p><p>pequenos, ele ocorre principalmente em situações em que a deformação plástica por</p><p>deslizamento de planos é muito difícil (PADILHA, 2000).</p><p>Como mencionado, a maclação mecânica ocorre em metais HC, isso se dá em</p><p>virtude do baixo número de sistemas de escorregamentos nesse tipo de estrutura. Para</p><p>metais CCC, a maclação mecânica ocorre quando deformados abaixo da temperatura</p><p>ambiente ou com altas velocidades de deformação. Em metais e ligas CFC, esse</p><p>mecanismo de deformação plástica não tem muita relevância. Em suma, a maclação</p><p>mecânica não envolve o fenômeno de difusão, apenas exige o movimento coordenado</p><p>de átomos e este movimento ocorre para pequenos deslocamentos (PADILHA, 2000).</p><p>UNIDADE 2 — LIGAS METÁLICAS E MATERIAIS CRISTALINOS</p><p>84</p><p>Estudaremos o fenômeno de difusão mais à frente nesta unidade. Este será o</p><p>tema do Tópico 2.</p><p>ESTUDOS FU</p><p>TUROS</p><p>85</p><p>Neste tópico, você aprendeu que:</p><p>• Não existe um material sólido cristalino perfeito, pois todo o material</p><p>macroscópico irá apresentar certa quantidade de defeitos em sua estrutura.</p><p>• Ligas metálicas são soluções no estado sólido.</p><p>• Solução sólida substitucional é quando os átomos do soluto ocupam o lugar</p><p>dos átomos de solvente nos sítios atômicos da estrutura cristalina.</p><p>• Para ocorrer uma mistura completa, os átomos envolvidos na mistura</p><p>precisam seguir as Regras de Hume-Rothery.</p><p>• Em soluções sólidas intersticiais, os sítios ocupados estão nos interstícios da</p><p>rede cristalina e são ocupados por átomos menores que os átomos da rede</p><p>cristalina.</p><p>• Defeitos pontuais têm a extensão de um ponto na rede cristalina e são</p><p>associadas com vazios, átomos intersticiais e átomos substitucionais.</p><p>• Defeitos pontuais</p><p>existem nos materiais independentemente das impurezas</p><p>químicas.</p><p>• O número de vazios no material aumenta exponencialmente com a</p><p>temperatura.</p><p>• Discordâncias possuem a extensão de uma linha dentro da rede cristalina e</p><p>podem ser classificadas em discordâncias em cunha, discordâncias em hélice</p><p>ou discordâncias mistas.</p><p>• Defeitos planares compreendem contornos entre os grãos (materiais policristalinos),</p><p>maclas e falha de empilhamento.</p><p>RESUMO DO TÓPICO 1</p><p>86</p><p>1 Neste tópico, nós estudamos os diversos tipos de defeitos que ocorrem em</p><p>materiais cristalinos. De acordo com os defeitos cristalinos, classifique V</p><p>para as sentenças verdadeiras e F para as falsas:</p><p>( ) As soluções sólidas intersticiais ocasionam uma distorção no reticulado</p><p>do cristal.</p><p>( ) É no contorno de grão que ocorre a transição entre cristais com diferentes</p><p>orientações cristalinas.</p><p>( ) Discordâncias são defeitos lineares responsáveis pela deformação</p><p>permanente em materiais cristalinos.</p><p>( ) Materiais que apresentam impureza química são materiais apresentam</p><p>solução sólida intersticial.</p><p>Assinale a alternativa que apresenta a sequência CORRETA:</p><p>a) ( ) F – V – V – F.</p><p>b) ( ) V – F – F – V.</p><p>c) ( ) V – V – V – F.</p><p>d) ( ) F – V – V – V.</p><p>2 O que é vac��ncia? É possível obter um material macroscópico sem vacâncias</p><p>a temperatura ambiente? Por quê?</p><p>3 Quando estamos lidando com materiais metálicos, estamos lidando com</p><p>uma solução. Neste sentido, explique o que é solução sólida? Quais os tipos</p><p>de solução sólida?</p><p>4 Os defeitos pontuais têm a extensão de um ponto na rede cristalina. Neste</p><p>sentido, explique o que é defeito intersticial? O que ele causa?</p><p>5 Com relação aos defeitos pontuais, diga o que faz uma solução sólida ser</p><p>completa ou parcial? Cite um exemplo de solução sólida completa.</p><p>6 Calcule o número de vacâncias em equilíbrio por centímetro cúbico e o</p><p>número de vacâncias por átomo de Fe a 25 °C e a 1084 °C (Ql = 83,6 kJ/mol;</p><p>a₀ = 2,87x10⁻⁸ cm)?</p><p>7 O ferro possui uma densidade medida de 7,87 Mg/m³. Sabendo que o</p><p>parâmetro de rede do Fe CCC é 2,866 A. Calcule a porcentagem de vacâncias</p><p>no ferro puro e assinale a resposta correta (Dados: AFe = 55,85g/mol).</p><p>a) ( ) % Vacâncias = 0,1%.</p><p>b) ( ) % Vacâncias = 0,01%.</p><p>c) ( ) % Vacâncias = 1%.</p><p>d) ( ) % Vacâncias = 10%.</p><p>AUTOATIVIDADE</p><p>87</p><p>8 Os defeitos em um material sólido podem ser classificados das mais</p><p>variadas formas. Neste sentido, o que são defeitos lineares e quais são</p><p>eles?</p><p>9 Podemos classificar os defeitos em um sólido cristalino de vários jeitos,</p><p>dentre eles temos os defeitos planares. Neste contexto, explique o que é</p><p>contorno de grão e como são formados?</p><p>10 Dentre os conceitos estudados até aqui, falamos do conceito de anisotropia.</p><p>Neste sentido, por que os materiais anisotrópicos podem ser considerados</p><p>isotrópicos?</p><p>88</p><p>89</p><p>UNIDADE 2</p><p>1 INTRODUÇÃO</p><p>No tópico anterior, nós falamos dos defeitos que ocorrem em materiais</p><p>cristalinos. Muitos desses defeitos estão relacionados ao movimento dos átomos dentro</p><p>da estrutura cristalina nos materiais, como é o caso das vacâncias, que apresentam</p><p>um aumento exponencial quanto maior for a temperatura em escala absoluta.</p><p>Neste tópico, falaremos desse movimento atômico, que ocorre no reticulado</p><p>cristalino. O fenômeno é conhecido como difusão no estado sólido. Veremos</p><p>que esse processo de difusão está relacionado ao número de defeitos presentes, à</p><p>temperatura e até mesmo à composição química do meio em que o material está</p><p>exposto.</p><p>Por que estudar difusão? Callister Jr. e Rethwisch (2016) trazem a seguinte</p><p>resposta: os processos que envolvem difusão são normalmente conduzidos a</p><p>altas temperaturas e muitas vezes queremos introduzir átomos de impureza em</p><p>determinados materiais para obter as propriedades desejadas, como é o caso dos</p><p>semicondutores de silício. Um processo semelhante é o tratamento térmico dos</p><p>aços, que busca o aprimoramento de suas propriedades mecânicas, envolvendo</p><p>o fenômeno de difusão. Assim é necessário o conhecimento das relações dos</p><p>parâmetros de difusão, que envolvem o tempo e a temperatura.</p><p>Desse modo, você pode observar a importância da difusão em metais e</p><p>ligas metálicas, pois ela é a responsável por promover as reações que ocorrem no</p><p>estado sólido.</p><p>2 MECANISMOS DE DIFUSÃO</p><p>A difusão, de um ponto de vista atômico, consiste basicamente do</p><p>movimento dos átomos de uma posição para outra. É comum dizer que a difusão</p><p>é o mecanismo onde a matéria é transportada através da matéria. Esse movimento</p><p>é constante, porém para que ele ocorra, Callister Jr. e Rethwisch (2016) definem</p><p>duas condições básicas:</p><p>(i) É preciso que haja um sítio atômico adjacente vazio; e</p><p>(ii) O átomo precisa ter energia suficiente para quebrar suas ligações atômicas e</p><p>se movimentar na rede cristalina, causando deformação no reticulado.</p><p>TÓPICO 2 —</p><p>PRINCÍPIOS DE DIFUSÃO</p><p>90</p><p>UNIDADE 2 — LIGAS METÁLICAS E MATERIAIS CRISTALINOS</p><p>Essa energia mencionada é natureza vibracional e, conforme vimos no</p><p>tópico anterior, é função da temperatura, que é responsável por executar esse</p><p>movimento atômico. Os átomos em um cristal só estão estáticos, ou seja, não</p><p>possuem energia vibracional quando estão na temperatura zero da escala absoluta.</p><p>Para qualquer temperatura diferente de zero, a vibrações térmicas irão permitir</p><p>movimento atômico.</p><p>Um mecanismo de difusão que pode ocorrer é troca de lugar com átomo</p><p>vizinho. Análogo a isso há também a possibilidade do mecanismo do anel. Esses</p><p>dois mecanismos podem ser observados na Figura 11.</p><p>FIGURA 11 – DIFUSÃO COM ÁTOMO VIZINHO E DIFUSÃO ATRAVÉS DO MECANISMO DO ANEL</p><p>FONTE: Padilha (2000, p. 123)</p><p>Os dois mecanismos apresentado anteriormente exigem um movimento</p><p>simultâneo dos átomos vizinhos. A seguir, veremos dois modelos propostos para</p><p>a difusão nos materiais metálicos que independem desse movimento simultâneo.</p><p>2.1 DIFUSÃO POR LACUNAS</p><p>A difusão por lacunas, lustrada na Figura 12, ocorre quando existe uma</p><p>lacuna adjacente na rede cristalina ao átomo envolvido no processo de difusão. Esse</p><p>processo se intensifica em altas temperaturas, pois como vimos no tópico anterior,</p><p>o número de lacunas aumento exponencialmente quanto maior for a temperatura.</p><p>TÓPICO 2 — PRINCÍPIOS DE DIFUSÃO</p><p>91</p><p>FIGURA 12 – DIFUSÃO DE UM ÁTOMO QUE OCUPA UMA POSIÇÃO NORMAL NA REDE CRISTALINA</p><p>FONTE: Adaptada de Callister Jr. e Rethwisch (2016, p. 130)</p><p>Para um átomo que esteja adjacente à lacuna se mover, é necessária uma</p><p>energia de ativação suficiente para romper sua ligação e mover-se em direção à</p><p>lacuna, distorcendo a rede cristalina.</p><p>O movimento atômico pode ser tanto de um átomo substicional, ou seja,</p><p>uma impureza da rede cristalina, quanto de um átomo chamado hospedeiro.</p><p>Quando ocorre o movimento de um átomo de impureza, é chamado de interdifusão,</p><p>e quando ocorre a migração do átomo hospedeiro, é chamado de autodifusão.</p><p>Desse modo, a energia de ativação total para a autodifusão de um metal</p><p>puro será igual à soma da energia de ativação para mover a lacuna com a energia</p><p>de formação de uma lacuna.</p><p>2.2 DIFUSÃO INTERSTICIAL</p><p>Na difusão intersticial, em contraponto com o que acontece na difusão</p><p>substitucional, ocorre o movimento atômico de um átomo localizado nos</p><p>interstícios da rede cristalina. Como é de se esperar, esse movimento ocorre por</p><p>interdifusão para átomos de menor diâmetro, como hidrogênio e o carbono, que</p><p>costumam ocupar estes sítios. A Figura 13 ilustra esse movimento atômico.</p><p>FIGURA 13 – MOVIMENTO DE UM ÁTOMO INTERSTICIAL</p><p>FONTE: Adaptada de Callister Jr. e Rethwisch (2016, p. 130)</p><p>92</p><p>UNIDADE 2 — LIGAS METÁLICAS E MATERIAIS CRISTALINOS</p><p>É valido comentar que esse movimento intersticial, para a maioria das</p><p>ligas metálicas, ocorre mais rapidamente que a difusão por lacunas. Isso se dá,</p><p>pois, normalmente, há mais posições intersticiais vazias, bem como os átomos</p><p>envolvidos nesse processo podem ser considerados mais móveis (CALLISTER JR.;</p><p>RETHWISCH, 2016).</p><p>3 EQUAÇÕES DE DIFUSÃO</p><p>O médico alemão Adolf Eugen Fick, em</p><p>1855, tratou de modo matemático</p><p>o fenômeno de difusão e propôs o que ficariam conhecidas como as duas leis de</p><p>Fick (PADILHA, 2000).</p><p>O fluxo (J) de matéria difundido, por unidade área e por unidade de</p><p>tempo, pode ocorrer para um estado que chamamos de regime estacionário, ou</p><p>seja, onde o gradiente de concentração na placa não se altera em função do tempo.</p><p>Dessa forma podemos escrever a seguinte equação para o fluxo:</p><p>Em que:</p><p>J – fluxo, em kg/m²s;</p><p>M – é a massa, em kg;</p><p>A – é a área, em m²;</p><p>t – é o tempo, dado em segundos (s).</p><p>A Equação 3 também pode ser escrita na sua forma diferencial, da seguinte</p><p>forma:</p><p>Padilha (2000) demonstra um exemplo onde ocorre a difusão de um gás</p><p>atravessando uma placa metálica, de modo estacionário. Na Figura 14, podemos</p><p>ver gás hidrogênio atravessando uma placa metálica de paládio, que tem estrutura</p><p>CFC. Como citamos anteriormente, o H é um átomo muito pequeno (raio atômico</p><p>de 0,46 Å) e se difunde com certa facilidade através da estrutura CFC do paládio,</p><p>atravessando a placa. Esse mecanismo é utilizado de forma a purificar o gás</p><p>hidrogênio, fazendo com que moléculas maiores fiquem retidas e não consigam</p><p>atravessar a placa de paládio.</p><p>(3)</p><p>(4)</p><p>TÓPICO 2 — PRINCÍPIOS DE DIFUSÃO</p><p>93</p><p>FIGURA 14 – A) DIFUSÃO EM ESTADO ESTACIONÁRIO ATRAVÉS DE UMA PLACA. B) PERFIL</p><p>LINEAR DE CONCENTRAÇÃO NA PLACA</p><p>FONTE: Adaptada de Callister Jr. e Rethwisch (2016, p. 131)</p><p>Em sua primeira lei (Equação 5), Flick define o fluxo Jx através de uma</p><p>placa como:</p><p>Em que:</p><p>D – é a constante de proporcionalidade, denominada coeficiente de</p><p>difusão, dada em m²/s;</p><p>– é o gradiente de concentração.</p><p>A equação do gradiente de concentração, para este caso é dada por:</p><p>Em muitos casos, ocorre a variação da concentração em função do tempo.</p><p>Para esses casos, cujas condições estacionárias não são respeitadas, temos o que</p><p>chamamos de estado transitório ou então regime não estacionário. Para esse</p><p>regime, temos a seguinte equação para o gradiente de concentração:</p><p>Ao considerarmos o coeficiente de difusão D, independente da composição,</p><p>podemos reescrever a Equação 7 para obter a segunda lei Fick, conforme a Equação 8:</p><p>Na Figura 15, nós podemos ver diferentes perfis de concentração para</p><p>condições não estacionárias.</p><p>(5)</p><p>(6)</p><p>(7)</p><p>(8)</p><p>94</p><p>UNIDADE 2 — LIGAS METÁLICAS E MATERIAIS CRISTALINOS</p><p>FIGURA 15 – DIFERENTES PERFIS DE CONCENTRAÇÃO PARA CONDIÇÕES NÃO ESTACIONÁRIAS,</p><p>DE ACORDO COM A SEGUNDA LEI DE FICK</p><p>FONTE: Adaptada de Shackelford (2015, p. 135)</p><p>Para obtermos soluções para a equação diferencial da segunda lei de Fick,</p><p>discutiremos o caso de difusão em um sólido semi-infinito, cuja concentração da</p><p>superfície é mantida constante, de acordo com as seguintes hipóteses (CALLISTER</p><p>JR.; RETHWISCH, 2016):</p><p>1. Todos os átomos do soluto, antes do início da difusão, estão distribuídos de</p><p>maneira uniforme no sólido, com concentração C₀.</p><p>2. Na superfície do sólido, o valor da posição x é zero, e aumenta conforme a</p><p>distância no interior do sólido.</p><p>3. O tempo zero é aquele imediatamente anterior ao início da difusão.</p><p>Seguindo essas condições, podemos escrever a Equação 9:</p><p>Em que:</p><p>Cx – é a concentração na profundidade x após o tempo t.</p><p>C₀ – é a concentração em x = ∞.</p><p>Cs – é a concentração constante na superfície do sólido.</p><p>– é a função erro de Gauss.</p><p>A função erro de Gauss é definida como:</p><p>Em que é a variável z.</p><p>(9)</p><p>(10)</p><p>TÓPICO 2 — PRINCÍPIOS DE DIFUSÃO</p><p>95</p><p>A partir do momento que conhecemos C0 e Cs, o coeficiente de difusão D</p><p>(que é uma função da temperatura) Cx será uma função de . Como exemplo,</p><p>para dobrar a espessura da camada cementada, o tempo necessário será 4 vezes</p><p>maior (PADILHA, 2000).</p><p>Não se preocupe, os valores da função de erro de Gauss são tabelados,</p><p>conforme Tabela 1.</p><p>TABELA 1 – VALORES PARA FUNÇÃO ERRO DE GAUSS</p><p>z erf(z) z erf(z) z erf(z)</p><p>0 0 0,55 0,5633 1.3 0,9340</p><p>0,025 0,0282 0,60 0,6039 1.4 0,9523</p><p>0,05 0,0564 0,65 0,6420 1.5 0,96611</p><p>0,10 0,1125 0,70 0,6778 1.6 0,9763</p><p>0,15 0,1680 0,75 0,7112 1,7 0,9838</p><p>0,20 0,2227 0,80 0,7421 1,8 0,9891</p><p>0,25 0,2763 0,85 0,7707 1,9 0,9928</p><p>0,30 0,3286 0,90 0,7969 2,0 0,9953</p><p>0,35 0,3794 0,95 0,8209 2,2 0,9981</p><p>0,40 0,4284 1,0 0,8427 2,4 0,9993</p><p>0,45 0,4755 1,1 0,8802 2,6 0,9998</p><p>0,50 0,5205 1,2 0,9103 2,8 0,9999</p><p>FONTE: Callister Jr. e Rethwisch (2016, p. 133)</p><p>Com base na segunda lei para sólidos semi-infinitos (Equação 9), alguns</p><p>cálculos de difusão são facilitados. Essa relação pode ser observada na Figura 16.</p><p>Fique esperto, mais à frente, neste tópico, estudaremos os fatores que</p><p>influenciam coeficiente de difusão D!</p><p>ESTUDOS FU</p><p>TUROS</p><p>96</p><p>UNIDADE 2 — LIGAS METÁLICAS E MATERIAIS CRISTALINOS</p><p>FIGURA 16 – PERFIL DE CONCENTRAÇÕES COM BASE NA EQUAÇÃO 9</p><p>FONTE: Callister Jr. e Rethwisch (2016, p. 133)</p><p>Façamos dois exemplos para ilustrar a aplicação da primeira e segunda</p><p>lei, respectivamente.</p><p>Exemplo 2 (CALLISTER JR. E RETHWISCH, 2016):</p><p>Uma placa de ferro está exposta a 700 °C a uma atmosfera carbonetante (rica</p><p>em carbono) em um de seus lados e a uma atmosfera descarbonetante (deficiente</p><p>em carbono) no outro lado. Se uma condição de regime estacionário é atingida,</p><p>calcule o fluxo de difusão do carbono através da placa, dado que as concentrações</p><p>de carbono nas posições a 5 e a 10 mm abaixo da superfície carbonetante são 1,2</p><p>e 0,8 kg/m³, respectivamente. Considere um coeficiente de difusão de 3.10⁻¹¹ m²/s</p><p>nessa temperatura.</p><p>Solução:</p><p>Aplicando a primeira lei para determinar o fluxo difusional, temos:</p><p>Exemplo 3 (CALLISTER JR. E RETHWISCH, 2016):</p><p>Para algumas aplicações, torna-se necessário endurecer a superfície</p><p>do aço a níveis superiores aos que existem em seu interior. Uma das maneiras</p><p>de se conseguir isso é através de um aumento na concentração de carbono na</p><p>superfície do material, através do processo denominado carbonetação. A peça</p><p>de aço é exposta, sob uma temperatura elevada, a uma atmosfera rica em um</p><p>hidrocarboneto gasoso, tal como o metano (CH₄).</p><p>TÓPICO 2 — PRINCÍPIOS DE DIFUSÃO</p><p>97</p><p>Considere uma dessas ligas contendo uma concentração inicial uniforme</p><p>de carbono de 0,25%p e que deve ser tratada a 950 °C. Se a concentração de</p><p>carbono na superfície for repentinamente elevada e mantida em 1,20%p, quanto</p><p>tempo será necessário para atingir um teor de carbono de 0,80%p em uma posição</p><p>localizada a 0,5 mm abaixo da superfície? O coeficiente de difusão para o carbono</p><p>no ferro sob essa temperatura é de 1,6x10⁻¹¹ m²/s; considere a peça de aço como</p><p>semi-infinita.</p><p>Solução:</p><p>Retirando os dados do problema, temos:</p><p>C₀ = 0,25%p C;</p><p>Cs = 1,20%p C;</p><p>Cx = 0,80%p C;</p><p>x = 5 x 10-4 m; e</p><p>D = 1,6 x 10-11 m²/s.</p><p>Aplicando a Equação 9:</p><p>Para determinarmos o valor de z, recorremos à Tabela 1.</p><p>z erf(z)</p><p>0,35 0,3794</p><p>z (?) 0,4210</p><p>0,40 0,4284</p><p>Perceba que será necessário fazer uma interpolação, pois o valor de z é</p><p>intermediário entre 0,35 e 0,40. Dessa forma:</p><p>Logo,</p><p>z = 0,392</p><p>Como , temos:</p><p>98</p><p>UNIDADE 2 — LIGAS METÁLICAS E MATERIAIS CRISTALINOS</p><p>Solucionando t:</p><p>4 FATORES QUE INFLUENCIAM A DIFUSÃO</p><p>Sabemos que alguns fatores influenciam o coeficiente de difusão D, a</p><p>seguir apresentaremos a dependência de D ao material envolvido no processo de</p><p>difusão e à temperatura.</p><p>4.1 ESPÉCIE EM DIFUSÃO</p><p>A magnitude de D apresenta taxa de difusão dos átomos, dessa forma,</p><p>a espécie em difusão e o material hospedeiro irão influenciar este coeficiente de</p><p>difusão. A Tabela 2 apresenta os dados de difusão para alguns materiais.</p><p>TABELA 2 – DADOS DE DIFUSÃO</p><p>Espécie</p><p>em</p><p>difusão</p><p>Metal</p><p>Hospedeiro D0 (m²/s)</p><p>Energia de ativação Qd Valores Calculados</p><p>kJ/mol eV/atom T (°C) D (m²/s)</p><p>Fe Fe-α (CCC) 2,8 x 10⁻⁴ 251 2,60 500</p><p>900</p><p>3,0 x 10⁻²¹</p><p>1,8 x 10⁻¹⁵</p><p>Fe Fe-γ (CFC) 5,0 x 10⁻⁵ 284 2,94 900</p><p>1100</p><p>1,1 x 10⁻¹⁷</p><p>7,8 x 10⁻¹⁶</p><p>C Fe-α 6,2 x 10⁻⁷ 80 0,83 500</p><p>900</p><p>2,4 x 10⁻¹²</p><p>1,7 x 10⁻¹⁰</p><p>C Fe-γ 2,3 x 10⁻⁵ 148 1,53 900</p><p>1100</p><p>5,9 x 10⁻¹²</p><p>5,3 x 10⁻¹¹</p><p>Cu Cu 7,8 x 10⁻⁵ 211 2,19 500 4,2 x 10⁻¹⁹</p><p>Zn Cu 2,4 x 10⁻⁵ 189 1,96 500 4,0 x 10⁻¹⁸</p><p>Al Al 2,3 x 10⁻⁴ 144 1,49 500 4,2 x 10⁻¹⁴</p><p>Cu Al 6,5</p><p>21</p><p>2.1 ESTRUTURA MOLECULAR DOS POLÍMEROS .................................................................... 23</p><p>2.2 TIPOS DE CADEIAS .................................................................................................................... 24</p><p>2.3 CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS POLIMÉRICOS ............................................................ 26</p><p>2.4 CLASSIFICAÇÃO QUANTO À ESTRUTURA QUÍMICA ..................................................... 26</p><p>2.5 CLASSIFICAÇÃO QUANTO AO COMPORTAMENTO MECÂNICO ............................... 28</p><p>2.6 CLASSIFICAÇÃO QUANTO AO DESEMPENHO MECÂNICO ......................................... 30</p><p>3 MATERIAIS COMPÓSITOS ........................................................................................................... 31</p><p>3.1 COMPÓSITOS REFORÇADOS COM FIBRA ........................................................................... 32</p><p>3.2 MADEIRA – COMPÓSITO NATURAL ..................................................................................... 34</p><p>3.3 COMPÓSITOS AVANÇADOS .................................................................................................... 36</p><p>3.4 COMPÓSITOS AGREGADOS .................................................................................................... 37</p><p>RESUMO DO TÓPICO 3..................................................................................................................... 39</p><p>AUTOATIVIDADE .............................................................................................................................. 40</p><p>TÓPICO 4 — ESTRUTURA DOS MATERIAIS METÁLICOS .................................................... 43</p><p>1 INTRODUÇÃO .................................................................................................................................. 43</p><p>2 ESTRUTURA CRISTALINA ............................................................................................................ 43</p><p>3 ESTRUTURA DOS MATERIAIS METÁLICOS .......................................................................... 46</p><p>4 ESTRUTURA CCC ............................................................................................................................. 49</p><p>5 ESTRUTURA CFC ............................................................................................................................. 50</p><p>6 ESTRUTURA HC ............................................................................................................................... 52</p><p>7 PONTOS, DIREÇÕES E PLANOS CRISTALOGRÁFICOS ..................................................... 55</p><p>8 POLIMORFISMO E ALOTROPIA ................................................................................................. 59</p><p>LEITURA COMPLEMENTAR ............................................................................................................ 62</p><p>RESUMO DO TÓPICO 4..................................................................................................................... 66</p><p>AUTOATIVIDADE .............................................................................................................................. 68</p><p>REFERÊNCIAS ...................................................................................................................................... 70</p><p>UNIDADE 2 — LIGAS METÁLICAS E MATERIAIS CRISTALINOS ...................................... 73</p><p>TÓPICO 1 — DEFEITOS DOS MATERIAIS METÁLICOS ........................................................ 75</p><p>1 INTRODUÇÃO .................................................................................................................................. 75</p><p>2 IMPERFEIÇÕES EM METAIS ......................................................................................................... 75</p><p>2.1 VIBRAÇÕES ATÔMICAS ............................................................................................................ 75</p><p>2.2 IMPERFEIÇÃO QUÍMICA .......................................................................................................... 76</p><p>2.3 DEFEITOS PONTUAIS ................................................................................................................ 78</p><p>2.4 DISCORDÂNCIAS ....................................................................................................................... 79</p><p>2.5 DEFEITOS PLANARES ................................................................................................................ 81</p><p>RESUMO DO TÓPICO 1..................................................................................................................... 85</p><p>AUTOATIVIDADE .............................................................................................................................. 86</p><p>TÓPICO 2 — PRINCÍPIOS DE DIFUSÃO ...................................................................................... 89</p><p>1 INTRODUÇÃO .................................................................................................................................. 89</p><p>2 MECANISMOS DE DIFUSÃO ....................................................................................................... 89</p><p>2.1 DIFUSÃO POR LACUNAS ......................................................................................................... 90</p><p>2.2 DIFUSÃO INTERSTICIAL .......................................................................................................... 91</p><p>3 EQUAÇÕES DE DIFUSÃO .............................................................................................................. 92</p><p>4 FATORES QUE INFLUENCIAM A DIFUSÃO ............................................................................ 98</p><p>4.1 ESPÉCIE EM DIFUSÃO ............................................................................................................... 98</p><p>4.2 TEMPERATURA ........................................................................................................................... 99</p><p>LEITURA COMPLEMENTAR .......................................................................................................... 100</p><p>RESUMO DO TÓPICO 2................................................................................................................... 105</p><p>AUTOATIVIDADE ............................................................................................................................ 106</p><p>TÓPICO 3 — DIAGRAMAS DE EQUILÍBRIO ............................................................................ 107</p><p>1 INTRODUÇÃO ................................................................................................................................ 107</p><p>2 FASES ................................................................................................................................................. 107</p><p>3 DIAGRAMA DE FASES BINÁRIO .............................................................................................. 109</p><p>4 FASES PRESENTES, COMPOSIÇÃO E PROPORÇÃO ......................................................... 111</p><p>4.1 FASES PRESENTES, COMPOSIÇÃO E PROPORÇÃO DE REGIÕES BIFÁSICAS .......... 111</p><p>4.2 FASES PRESENTES, COMPOSIÇÃO E PROPORÇÃO DE REGIÕES BIFÁSICAS .......... 111</p><p>5 FORMAÇÃO DA MICROESTRUTURA EM UMA LIGA ISOMORFA ............................... 113</p><p>6 DIAGRAMAS EUTÉTICOS BINÁRIOS .................................................................................... 116</p><p>7 REAÇÕES IMPORTANTES NO DIAGRAMA DE FASES ..................................................... 119</p><p>8 SISTEMA FERRO-CARBONO ..................................................................................................... 120</p><p>8.1 ESTRUTURAS HIPOEUTEOIDES, EUTETOIDES E HIPEREUTETOIDES ....................... 123</p><p>RESUMO DO TÓPICO 3................................................................................................................... 127</p><p>AUTOATIVIDADE ............................................................................................................................ 129</p><p>REFERÊNCIAS ....................................................................................................................................</p><p>x 10⁻⁵ 136 1,41 500 4,1 x 10⁻¹⁴</p><p>Mg Al 1,2 x 10⁻⁴ 131 1,35 500 1,9 x 10⁻¹³</p><p>Cu Ni 2,7 x 10⁻⁵ 256 2,65 500 1,3 x 10⁻²²</p><p>FONTE: Callister Jr. e Rethwisch (2016, p. 136)</p><p>TÓPICO 2 — PRINCÍPIOS DE DIFUSÃO</p><p>99</p><p>Exemplificando alguns dados encontrados na Tabela 2, ao analisarmos</p><p>os valores calculados de D na autodifusão do Fe-α em relação à interdifusão de</p><p>carbono no próprio Fe-α, há uma mesma temperatura de 500 °C, vemos uma</p><p>nítida diferença, de 2,4 x 10⁻¹² para a interdifusão de carbono contra 3,0 x 10⁻²¹ para</p><p>interdifusão de Fe na estrutura CCC. Essa afirmação corrobora com o comentado</p><p>anteriormente, quando discutimos que mecanismo de difusão por lacunas é</p><p>mais lento que a difusão intersticial, nesse caso, a autodifusão de Fe se dá através</p><p>de lacunas enquanto a interdifusão de carbono ocorre por difusão intersticial</p><p>(CALLISTER JR.; RETHWISCH, 2016).</p><p>4.2 TEMPERATURA</p><p>A essa altura já foi possível perceber que o coeficiente de difusão D sofre</p><p>temperatura uma significativa influência da temperatura. Essa influência, assim</p><p>como no surgimento de vacâncias se dá e uma ordem exponencial dada pela</p><p>Equação 11:</p><p>Em que:</p><p>D₀ – Constante pré-exponencial que independe da temperatura, dado em</p><p>m²/s;</p><p>Qd – Energia de ativação para difusão, dada em J/mol ou eV/átomo;</p><p>R – Constante dos gases, dada em 8,314 J/mol.K ou 8,62 .10⁻⁵ eV/átomo.K</p><p>ou 1,38 .10⁻²³ J/átomo.K.</p><p>T – Temperatura, em K.</p><p>Callister Jr. e Rethwisch (2016) citam o exemplo da autodifusão do Fe-α,</p><p>em que, ao elevar a temperatura em de 500 °C para 900 °C, ocorre um aumento</p><p>significativo no coeficiente de difusão D, na ordem de 6 grandezas (de 3,0 x 10⁻²¹</p><p>para 1,8 x 10⁻¹⁵ m²/s). Esses valores podem ser observados na Tabela 2, listada</p><p>anteriormente.</p><p>(11)</p><p>100</p><p>UNIDADE 2 — LIGAS METÁLICAS E MATERIAIS CRISTALINOS</p><p>Olá estudante! Você já ouviu falar no processo de Soldagem por Difusão?</p><p>Isso mesmo, um processo de união de materiais que irá utilizar o fenômeno de</p><p>difusão! A seguir, deixamos a matéria do site Infosolda para que você fique por</p><p>dentro deste assunto que envolve o fenômeno estudado neste tópico.</p><p>SOLDAGEM POR DIFUSÃO</p><p>Características do processo</p><p>A soldagem por difusão é um processo que liga materiais por meio de</p><p>aplicação simultânea de pressão e calor. Quando ocorre deformação plástica</p><p>por ação de calor, as camadas de átomos que compõem a estrutura cristalina do</p><p>metal vibram e se movimentam em várias direções, ocupando lugares diferentes</p><p>nos planos cristalinos; a essa movimentação dá-se o nome de difusão. Uma</p><p>temperatura definida é aplicada na região de soldagem ou em toda a peça, durante</p><p>certo tempo, resultando em uma deformação plástica localizada. O contato entre</p><p>as superfícies provoca difusão dos átomos, que se movimentam pelo interior das</p><p>superfícies, promovendo a ligação perfeita das partes.</p><p>A operação pode ser feita no vácuo, sob proteção de gás ou fluido e, de</p><p>preferência, sem material de adição. O processo por difusão é utilizado para</p><p>unir materiais com composição química semelhante ou materiais dissimilares,</p><p>predominantemente os metálicos, e foi desenvolvido originalmente para ser</p><p>aplicado na construção de peças para a indústria aeronáutica e espacial; hoje em</p><p>dia, outras áreas já fazem uso desta tecnologia.</p><p>Aplicação</p><p>A soldagem por difusão é aplicada preferencialmente nas situações em</p><p>que a união por processos de soldagem convencionais, notadamente os processos</p><p>por fusão a arco elétrico, não é possível. Como exemplos, podem-se destacar a</p><p>soldagem de secções transversais com revestimentos anticorrosivos e a união de</p><p>materiais diferentes e metalurgicamente incompatíveis, como o aço e o alumínio.</p><p>A soldagem por difusão confere alta qualidade à junta, podendo alcançar valores</p><p>de resistência mecânica semelhantes aos do material de base.</p><p>Vantagens</p><p>As vantagens do processo de soldagem por difusão são várias; o processo</p><p>não modifica o estado do material; permite montagens de grandes superfícies e</p><p>montagens complexas, próximas ao estágio final; apresenta menores deformações,</p><p>quando comparado à soldagem por fusão; trabalha com juntas múltiplas em uma</p><p>só operação e permite união de metais e materiais considerados não soldáveis</p><p>LEITURA COMPLEMENTAR</p><p>TÓPICO 2 — PRINCÍPIOS DE DIFUSÃO</p><p>101</p><p>ou de difícil soldabilidade por fusão, como cerâmicas e ligas refratárias, além</p><p>da união de metais dissimilares sob o aspecto metalúrgico, a exemplo dos aços</p><p>austeníticos com liga de alumínio.</p><p>A grande maioria dos metais pode ser soldada por difusão; um quadro</p><p>permite visualizar as combinações mais comuns entre metais. Algumas dessas</p><p>combinações não foram examinadas ou ainda não existem resultados de testes</p><p>realizados.</p><p>FONTE: <https://infosolda.com.br/wp-content/uploads/imagens-artigos/Processos/difusao/</p><p>difusao0.jpg>. Acesso em: 9 fev. 2021.</p><p>Desvantagens</p><p>As desvantagens da soldagem por difusão são o custo do investimento</p><p>inicial e o fato de que o processo não é aplicável na produção em grande escala.</p><p>A união entre os materiais segue uma sequência que inicia com a colocação</p><p>das peças em contato.</p><p>Na primeira etapa (1), pode-se verificar a rugosidade superficial, pois</p><p>alguns pontos não se tocam. Na segunda etapa (2), a superfície recebe aplicação</p><p>de pressão e aumento de temperatura, o que provoca aumento da área de contato</p><p>e deformações plásticas. Na terceira etapa (3), a temperatura e a pressão, que</p><p>podem estar aliadas a uma atmosfera protetora, permanecem por um certo</p><p>tempo, favorecendo a difusão atômica entre as superfícies. No estágio final (4),</p><p>são eliminadas praticamente todas as descontinuidades encontradas no processo</p><p>inicial e a soldagem é completada.</p><p>102</p><p>UNIDADE 2 — LIGAS METÁLICAS E MATERIAIS CRISTALINOS</p><p>FONTE: <https://infosolda.com.br/wp-content/uploads/imagens-artigos/Processos/difusao/</p><p>difusao.jpg>. Acesso em: 9 fev. 2021.</p><p>Parâmetros de soldagem</p><p>Os parâmetros de soldagem que devem ser considerados são a temperatura,</p><p>a pressão, o tempo de soldagem ou contato entre as peças, a deformação das</p><p>superfícies de contato, a qualidade superficial (rugosidade superficial e condições</p><p>de limpeza) e a atmosfera protetora.</p><p>Temperatura</p><p>O processo de geração do calor é feito por energia elétrica que pode ser</p><p>na forma de indução, resistência ou alta frequência. As temperaturas de processo</p><p>ficam abaixo da linha “solidus” ou acima da temperatura de recristalização da</p><p>liga, em média 0,7 Ts (em Kelvin).</p><p>A temperatura promove um rompimento das camadas de óxido, causando</p><p>interferência na estrutura cristalina do material e contribuindo para uma</p><p>orientação favorável dos íons necessários para a difusão. As temperaturas podem</p><p>atingir 1000 °C ou mais, favorecendo a ligação entre inoxidáveis ou refratários.</p><p>No entanto, uma temperatura de processo alta demais leva ao aumento do grão</p><p>e, por conseguinte, à queda das propriedades mecânicas.</p><p>Pressão</p><p>A pressão de soldagem, que pode ser aplicada por processo hidráulico,</p><p>pneumático ou mecânico, fica pouco abaixo do limite de escoamento na</p><p>temperatura de soldagem. Em conjunto com o calor, serve para provocar uma</p><p>deformação plástica nas superfícies rugosas, que faz aumentar o contato das</p><p>superfícies e possibilita a união dos materiais.</p><p>TÓPICO 2 — PRINCÍPIOS DE DIFUSÃO</p><p>103</p><p>Tempo de soldagem</p><p>O tempo de soldagem pode variar de 10 minutos até várias horas. Existe</p><p>uma relação inversa entre tempo e temperatura: quando a temperatura de</p><p>soldagem aumenta, o tempo de soldagem diminui, e vice-versa.</p><p>Estado das superfícies</p><p>As exigências quanto ao estado de superfície na união, no que diz respeito</p><p>à qualidade da superfície (Rj = 1 até 6|im), são desvantagens do processo.</p><p>Limpeza das superfícies</p><p>A limpeza das superfícies de união, após uma usinagem fina, é feita por</p><p>decapagem química. Gorduras e óleos são removidos com álcool, acetona ou</p><p>tricloretileno, com ação de ultrassom.</p><p>Atmosfera de proteção</p><p>Para a soldagem de materiais metálicos, pode-se usar vácuo como</p><p>atmosfera de proteção, a qual deve ser mantida durante o processo de união, de</p><p>baixa a média, entre 103 e 10″6 Torr. Além do vácuo, pode se trabalhar também</p><p>com gás de proteção, seja argônio ou hélio, ou banho de sal (BaCI2).</p><p>Equipamento</p><p>Vários equipamentos podem ser utilizados para a soldagem por difusão,</p><p>dependendo da aplicação específica da soldagem. A exigência maior é que exista</p><p>um controle rigoroso da temperatura e da pressão aplicadas. Existem quatro</p><p>tipos de equipamento: o de pressão isostática elevada, as prensas, o equipamento</p><p>de soldagem por resistência e equipamentos especializados.</p><p>O equipamento de pressão isostática elevada apresenta uma autoclave,</p><p>isto é, um aparelho que funciona por meio de pressão e temperatura; na verdade,</p><p>o equipamento proporciona uma prensagem a quente, utilizando um gás inerte</p><p>como fluido.</p><p>A autoclave permite a aplicação de pressões acima de 150.000 psi e</p><p>temperaturas superiores a 1649 °C. O aparelho tem um sistema interno de</p><p>refrigeração para manter baixa a temperatura da parede e um isolamento de</p><p>alumina ou sílica para reduzir as perdas de calor. Para controlar a temperatura,</p><p>existem termopares colocados ao longo do forno; para pressurizar o gás usa-se</p><p>um compressor. Esse tipo de equipamento permite fazer uniões entre peças de</p><p>geometrias complexas e é capaz de soldar, ao mesmo tempo, grandes quantidades</p><p>de peças relativamente pequenas. No entanto, as desvantagens são os custos e as</p><p>dimensões do equipamento.</p><p>104</p><p>UNIDADE 2 — LIGAS METÁLICAS E MATERIAIS CRISTALINOS</p><p>FONTE: < https://infosolda.com.br/wp-content/uploads/imagens-artigos/Processos/difusao/</p><p>difusao1.jpg>. Acesso em: 9 fev. 2021.</p><p>Prensas</p><p>O método mais comum para soldar por difusão é o que utiliza prensas</p><p>hidráulicas ou mecânicas. As prensas utilizadas na soldagem por difusão não são</p><p>normalizadas devido à grande variedade de tais máquinas. Como atmosfera protetora,</p><p>alguns tipos de prensa utilizam vácuo ou gás inerte; para o aquecimento, podem-</p><p>se encontrar prensas que trabalham com filamentos entrelaçados de tungstênio, ou</p><p>também indução e auto resistência. Embora seja o método mais comum, o emprego</p><p>de prensas na soldagem de peças de grandes dimensões é limitado.</p><p>De modo geral, os equipamentos utilizados na soldagem por resistência</p><p>podem ser empregados na soldagem por difusão sem que seja preciso modificá-los.</p><p>Assim como na soldagem por resistência, os eletrodos devem conduzir eletricidade</p><p>e apresentar elevada resistência às temperaturas de união. É possível fazer uma</p><p>modificação no processo, que consiste em introduzir um dispositivo de controle</p><p>da atmosfera de gás inerte ou de vácuo. Esse equipamento proporciona grande</p><p>velocidade de execução das juntas. No entanto, somente podem ser soldadas</p><p>pequenas áreas, pois a preparação de grandes áreas demanda tempo e muitas</p><p>operações.</p><p>FONTE: Soldagem por difusão. Infosolda, Osasco, 22 fev. 2013. Disponível em: https://infosolda.</p><p>com.br/biblioteca-digital/livros-senai/processos/196-soldagem-por-difusao. Acesso em: 6 nov. 2020.</p><p>105</p><p>RESUMO DO TÓPICO 2</p><p>Neste tópico, você aprendeu que:</p><p>• A difusão de um ponto de vista atômico, consiste basicamente do movimento</p><p>dos átomos de uma posição para outra.</p><p>• Átomos em um cristal só estão estáticos quando estão na temperatura zero da</p><p>escala absoluta.</p><p>• A difusão por lacunas ocorre somente quando existe uma lacuna adjacente na</p><p>rede cristalina ao átomo.</p><p>• Na difusão intersticial ocorre o movimento atômico de um átomo localizado</p><p>nos interstícios da rede cristalina.</p><p>• Podemos tratar de modo matemático o fenômeno de difusão através das leis</p><p>de Fick.</p><p>• Regime estacionário é quando o gradiente de concentração na placa não se</p><p>altera em função do tempo.</p><p>• Em muitos casos, ocorre a variação da concentração em função do tempo, em</p><p>que as condições estacionárias não são respeitadas, temos o que chamamos de</p><p>estado transitório, ou então regime não estacionário.</p><p>• Inúmeros fatores influenciam o coeficiente de difusão D, principalmente a</p><p>temperatura e a espécie em difusão.</p><p>106</p><p>1 O estudo do fenômeno de difusão no estado sólido que ocorre nos materiais</p><p>é de fundamental interesse nos mais diversos ramos da engenharia. Sobre o</p><p>fenômeno de difusão, assinale a alternativa CORRETA:</p><p>a) ( ) Costuma-se dizer que a difusão ocorre esporadicamente, sendo</p><p>denominada como o mecanismo onde a matéria é transportada através</p><p>da matéria, através de um movimento constante.</p><p>b) ( ) Atomicamente falando, a difusão consiste basicamente do movimento</p><p>dos átomos de um sítio para outro.</p><p>c) ( ) Acima de uma temperatura considerada crítica, a difusão deixa de</p><p>ocorrer para os materiais.</p><p>d) ( ) A difusão é um movimento que ocorre de maneira constante dentro</p><p>dos materiais, esse movimento cessa em temperaturas abaixo de 0 °C.</p><p>2 Como funciona a difusão por vacância? Quais tipos existem?</p><p>3 Como ocorre a difusão intersticial? Cite exemplos.</p><p>4 Comente sobre alguns fatores que favorecem a difusão.</p><p>5 O coeficiente de difusão D sofre uma significativa influência com alteração</p><p>da temperatura. Essa influência, assim como no surgimento de vacâncias se</p><p>dá em uma ordem exponencial. Calcule o coeficiente de difusão para o Mg</p><p>no Al a 550 °C, e assinale a alternativa CORRETA: (Dados: D₀ = 1,2 x 10⁻⁴</p><p>m²/s; Qd = 131 kJ/mol).</p><p>a) ( ) 5,8x10⁻¹³m²/s.</p><p>b) ( ) 8,4x10⁻¹²m²/s.</p><p>c) ( ) 3,6x10⁻¹³m²/s.</p><p>d) ( ) 1,1x10⁻¹³m²/s.</p><p>6 Calcule o número de quilogramas de hidrogênio que passa a cada hora</p><p>através de uma lâmina de paládio com 6 mm de espessura, que possui uma</p><p>área de 0,25 m² e está a 600 °C. Considere um coeficiente de difusão de</p><p>1,7x10⁻⁸ m²/s, concentrações de hidrogênio à alta e à baixa pressão de 2,0</p><p>e 0,4 kg de hidrogênio por metro cúbico de paládio e que as condições de</p><p>regime estacionário foram atingidas.</p><p>7 Determine o tempo de carbonetação necessário para atingir uma</p><p>concentração de carbono de 0,30%p em uma posição a 4 mm da superfície</p><p>de uma liga ferro-carbono contendo inicialmente 0,10%p C. A concentração</p><p>na superfície deve ser mantida em 0,90%p C e o tratamento conduzido a</p><p>1100 ºC. Utilize os dados de difusão para o Fe-γ da Tabela 2.</p><p>AUTOATIVIDADE</p><p>107</p><p>UNIDADE 2</p><p>1 INTRODUÇÃO</p><p>Até agora falamos sobre os defeitos presentes em materiais cristalinos e</p><p>também sobre as características do processo de transporte da matéria no estado</p><p>sólido. Os fenômenos envolvidos nesses processos possibilitam o surgimento de</p><p>diversas fases no material.</p><p>O entendimento dessas fases que estarão presentes poderá nos predizer</p><p>diversas propriedades que estarão presentes naquele material, afinal existe uma</p><p>forte ligação entre as propriedades mecânicas dos materiais e a microestrutura</p><p>presente.</p><p>Afinal, o que são fases? Quais são sua importância? De que forma prever</p><p>e entender as fases presentes nos materiais? Essas e outras perguntas serão</p><p>respondidas ao longo deste tópico!</p><p>2 FASES</p><p>Callister Jr. e Rethwisch (2016) definem o conceito de fase como sendo</p><p>“uma porção homogênea de um sistema que possui as características físicas e</p><p>químicas uniformes”. Nesse conceito, podemos interpretar a palavra sistema</p><p>como um material puro ou uma mistura de dois ou mais elementos (solução).</p><p>Esse conceito nos diz que a fase é a menor porção desse sistema que apresenta</p><p>todas as propriedades, tais como ponto fusão, resistência mecânica, dureza etc.</p><p>No Tópico 1, vimos o conceito de solução sólida, esse conceito será muito</p><p>importante para estudarmos o comportamento das fases presentes nos materiais</p><p>cristalinos neste tópico. Para entendermos melhor o que é uma fase, observe o</p><p>diagrama (Figura 17) a seguir:</p><p>TÓPICO 3 —</p><p>DIAGRAMAS DE EQUILÍBRIO</p><p>108</p><p>UNIDADE 2 — LIGAS METÁLICAS E MATERIAIS CRISTALINOS</p><p>FIGURA 17 – SISTEMA BINÁRIO DE AÇÚCAR + ÁGUA</p><p>FONTE: Callister Jr. e Rethwisch (2016, p. 275)</p><p>Ao analisarmos o sistema binário, composto de água e açúcar, podemos</p><p>retirar algumas informações importantes para o nosso estudo, repare que na parte</p><p>debaixo do diagrama está a composição do açúcar crescente da esquerda para a</p><p>direita, na extrema esquerda do diagrama temos 0%p de açúcar</p><p>e na extrema</p><p>direita temos 100%p de açúcar na composição. O contrário pode ser analisado</p><p>para água, que é decrescente da esquerda para a direita, isso quer dizer que na</p><p>extrema esquerda temos 100%p de água e na estrema direita temos 0%p de água.</p><p>Não apenas isso podemos tirar da figura anterior, vemos que no interior</p><p>do diagrama está escrito “Solução líquida (xarope)”, pois bem, essa é uma solução</p><p>líquida que apresenta mistura de açúcar + água.</p><p>Agora, vamos pegar um ponto arbitrário, 40%p de açúcar e 60%p de água</p><p>a 20 °C. Percebemos que nesse ponto temos solução líquida “xarope”, esse xarope</p><p>é uma fase, composta de açúcar (40%p) + água (60%p).</p><p>Percebemos ainda que essa solução existe para qualquer ponto do</p><p>diagrama atrás da linha vermelha, que representa o limite de solubilidade. Após</p><p>essa linha, passamos a ter um sistema composto por duas fases, ainda temos a fase</p><p>líquida xarope, porém, agora surge uma segunda fase, uma fase sólida composta</p><p>apenas de açúcar. Dizemos então que para qualquer composição à direita do</p><p>limite de solubilidade, teremos duas fases presentes, uma líquida (xarope) e outra</p><p>sólida (açúcar). O estudo desses sistemas se dá nas condições de equilíbrio, cujo</p><p>equilibro entre as fases depende de uma série de condições ao longo do tempo. O</p><p>equilíbrio é descrito em termos da energia livre, uma grandeza termodinâmica,</p><p>que é função da energia interna e da entropia de um sistema.</p><p>TÓPICO 3 — DIAGRAMAS DE EQUILÍBRIO</p><p>109</p><p>Para ilustrar uma condição de equilíbrio, pegamos o exemplo anterior, da</p><p>mistura água + açúcar. Imagine, você possui uma mistura de composição 70% de</p><p>açúcar e 30% água a 25 °C, nessa condição, você terá a presença de duas fases,</p><p>xarope e açúcar sólido, que estarão em equilíbrio. Agora, se você receber energia</p><p>até que a temperatura do sistema atinja 90 °C, o limite de solubilidade a esta</p><p>temperatura será deslocado e, nas condições de equilíbrio, você terá a presença</p><p>apenas de uma fase, o xarope, isso quer dizer que com o passar do tempo, parte</p><p>daquele açúcar sólido que estava presenta na temperatura de 25 °C irá se dissolver,</p><p>até que reste apenas xarope para essa composição a temperatura de 90 °C.</p><p>3 DIAGRAMA DE FASES BINÁRIO</p><p>O estudo dos diagramas de fases de uma substância pura frequentemente</p><p>se dá em termos da temperatura e pressão envolvidas, porém, quando temos</p><p>duas ou mais substâncias, esse diagrama será em termos da temperatura (ou</p><p>pressão) e a composição das substâncias. Sobre o estudo dos diagramas binários</p><p>(composto por duas substâncias), nós o estudaremos em termos da temperatura</p><p>x composição, à pressão ambiente.</p><p>O limite de solubilidade é a concentração de átomos de um soluto que pode</p><p>se dissolver no solvente, a determinada temperatura. Isso ocorre para muitos sistemas de</p><p>ligas, onde adição em excesso desse soluto irá resultar na formação de um outro composto</p><p>(CALLISTER JR.; RETHWISCH, 2016).</p><p>IMPORTANTE</p><p>O estudo dos diagramas binários será muito importante, pois irá determinar as</p><p>fases presentes em diversas temperaturas, sendo muito útil quando estudarmos os diversos</p><p>tratamentos térmicos na Unidade 3.</p><p>ESTUDOS FU</p><p>TUROS</p><p>O diagrama da Figura 17 é um exemplo de diagrama binário, porém, neste</p><p>livro didático, nosso foco será no estudo de soluções sólidas.</p><p>Um diagrama simples de interpretar e que apresenta solução sólida é</p><p>o diagrama Ni-Cu. Você deve se lembrar de que, no Tópico 1, estudamos que</p><p>o níquel e o cobre apresentam solução sólida total à temperatura ambiente.</p><p>Podemos observar isso na Figura 18.</p><p>110</p><p>UNIDADE 2 — LIGAS METÁLICAS E MATERIAIS CRISTALINOS</p><p>FIGURA 18 – DIAGRAMA DE FASES CU-NI</p><p>FONTE: Callister Jr. e Rethwisch (2016, p. 279)</p><p>Esse diagrama é denominado isomorfo, em virtude da sua completa</p><p>solubilidade. Podemos perceber que não há uma linha vertical, como no caso do</p><p>diagrama água + açúcar, assim, o diagrama apresenta uma única fase sólida, a</p><p>temperatura ambiente, a fase α, para qualquer composição de Cu e Ni.</p><p>Outra característica importante neste diagrama é que ele apresenta duas</p><p>linhas, que são função da temperatura e composição da liga, a linha liquidus e a linha</p><p>solidus. Para qualquer temperatura, para uma determinada composição, acima da</p><p>linha liquidus teremos apenas uma fase, a fase líquida. Para qualquer temperatura,</p><p>para uma determinada composição, abaixo da linha solidus, teremos apenas uma</p><p>fase sólida, α.</p><p>O intervalo compreendido entre as temperaturas liquidus e solidus, as</p><p>fases sólida e líquida coexistirão, isso se dá pela diferença dos pontos de fusão</p><p>do cobre e do níquel. Veja que, quando temos apenas níquel, a temperatura de</p><p>fusão do sistema será de 1453 °C, essa temperatura irá decrescer à medida que</p><p>colocar mais cobre na composição, até chegarmos na composição de 100% cobre,</p><p>onde a temperatura de fusão será de 1085 °C. Para qualquer outra composição</p><p>no diagrama que não seja 100% Cu, ou 100% Ni, não haverá uma temperatura de</p><p>fusão, mas sim uma faixa de temperaturas de fusão.</p><p>TÓPICO 3 — DIAGRAMAS DE EQUILÍBRIO</p><p>111</p><p>4 FASES PRESENTES, COMPOSIÇÃO E PROPORÇÃO</p><p>A determinação das fases presentes em uma determinada temperatura e</p><p>composição no diagrama nós já fizemos quase que intuitivamente, o método para</p><p>avaliarmos esses valores será diferente dependendo se estivermos em uma região</p><p>com apenas uma fase (monofásica) ou se a região do diagrama apresentar duas</p><p>fases (bifásica).</p><p>4.1 FASES PRESENTES, COMPOSIÇÃO E PROPORÇÃO DE</p><p>REGIÕES BIFÁSICAS</p><p>No caso do ponto A na Figura 18, podemos determinar que a temperatura</p><p>do sistema está em 1100 °C, basta traçarmos uma reta que irá interceptar o eixo da</p><p>temperatura em °C na altura de 1100. A fase presente no ponto A é claramente α,</p><p>pois ele está na região onde existe apenas uma fase. A composição dessa fase α é</p><p>dada ao traçarmos uma linha vertical até o eixo da composição, que será de 60%p</p><p>Ni e 40%p Cu, e a proporção, como só existe uma fase presente, é de 100% α.</p><p>4.2 FASES PRESENTES, COMPOSIÇÃO E PROPORÇÃO DE</p><p>REGIÕES BIFÁSICAS</p><p>Agora avancemos um pouco mais no estudo do diagrama de fases, e</p><p>determinemos as fases presentes no ponto B, mas para isso vamos pegar uma</p><p>imagem mais aproximada do ponto B (Figura 19), para verificarmos também a</p><p>composição e a proporção das fases neste ponto.</p><p>FIGURA 19 – AMPLIAÇÃO DO DIAGRAMA CU-NI PARA O PONTO B</p><p>FONTE: Callister Jr. e Rethwisch (2016, p. 279)</p><p>112</p><p>UNIDADE 2 — LIGAS METÁLICAS E MATERIAIS CRISTALINOS</p><p>Ao estendermos uma linha horizontal até o eixo da temperatura, veremos</p><p>que estamos na temperatura de 1250 °C. Nesse ponto, também é possível observar</p><p>que temos duas fases presentes, α e líquido (L).</p><p>A composição inicial (C₀) da liga é de 35%p Ni, os outros 65%p são de Cu.</p><p>Para determinarmos a composição de cada fase, será feito de forma diferente de</p><p>uma região monofásica. Como possuímos duas fases presentes, é preciso traçar</p><p>uma linha horizontal que intercepte cada uma das fases, a qual chamamos de</p><p>linha de amarração. Para sabermos a composição da fase, nessa temperatura</p><p>específica, é precisa percorrer a linha de amarração até a fronteira de cada fase.</p><p>Vamos ver na prática.</p><p>Para a composição da fase α (Cα), percorremos a linha de amarração até</p><p>a linha solidus, pois a partir dela temos α puro, desse modo, podemos saber qual</p><p>é a composição de α a 1250 °C, basta traçarmos uma linha vertical até interceptar</p><p>o eixo da composição. Ao fazermos isso chegamos ao resultado de 42,5%p de Ni</p><p>e o restante, 57,5%p é de Cu.</p><p>A composição de L (CL) a 1250 °C é obtida ao percorrermos a linha de</p><p>amarração na direção contrária, indo até a linha liquidus, que é a fronteira com a</p><p>fase L, chegando lá, procedemos da mesma forma, traçamos uma linha vertical até</p><p>o eixo da composição e obtemos um resultado de 31,5%p de Ni e 68,5%p de Cu.</p><p>Há mais um valor que podemos retirar desse ponto, a proporção de cada</p><p>fase, ou seja, podemos verificar a %p de cada fase no diagrama, para isso usaremos</p><p>a regra da alavanca.</p><p>Para regra da alavanca, utilizaremos a linha de amarração que traçamos</p><p>entre as fronteiras de cada fase. Uma lustração pode ser observada na Figura 20.</p><p>FIGURA 20 – ILUSTRAÇÃO DA REGRA DA ALAVANCA PARA O PONTO B</p><p>FONTE: O autor</p><p>O cálculo da proporção, pela regra da alavanca, dá-se no caminho inverso</p><p>da composição, veja, para calcularmos a proporção de L (% L), precisamos</p><p>percorrer a linha de amarração até a fronteira com α, o valor dessa distância,</p><p>divido pela distância total da linha de amarração dará a % L.</p><p>TÓPICO 3 — DIAGRAMAS DE EQUILÍBRIO</p><p>113</p><p>Observemos a montagem do cálculo, conforme Equação 12:</p><p>Substituindo os valores de C₀, Cα e CL já calculados quando determinamos</p><p>a composição, obtemos:</p><p>Do mesmo modo, para calcular a proporção de α (% α), devemos percorrer</p><p>a linha até a fronteira com L, o valor dessa distância, divido pela distância total da</p><p>linha de amarração dará a % α. O cálculo se dá conforme Equação 13:</p><p>Substituindo os valores de C0 , Cα e CL obtemos:</p><p>Note que poderíamos obter o valor de % α simplesmente subtraindo o</p><p>resultado de % L de 100%, afinal a soma das proporções das 2 fases presentes</p><p>deve dar 100%.</p><p>Outra análise é que se observamos as Figuras 19 e 20, vemos claramente</p><p>que o ponto B está mais próximo da linha liquidus do que da linha solidus, então</p><p>é mais coerente que ele apresente uma maior proporção de fase líquida (L) do que</p><p>de fase sólida (α), o que de fato calculamos na prática.</p><p>5 FORMAÇÃO DA MICROESTRUTURA EM UMA LIGA ISOMORFA</p><p>Nosso objetivo, aqui, será tratar da formação de uma microestrutura</p><p>na condição de equilíbrio, isso ocorre para condições onde o aquecimento ou</p><p>resfriamento da liga é muito lento, nessas condições ideais, há tempo e energia</p><p>suficiente para formação das fases em equilíbrio.</p><p>A Figura 21 apresenta o resfriamento na condição de equilíbrio de uma</p><p>liga Cu-Ni, com composição 35%p Ni e 65%p Cu.</p><p>(12)</p><p>(13)</p><p>114</p><p>UNIDADE 2 — LIGAS METÁLICAS E MATERIAIS CRISTALINOS</p><p>FIGURA 21 – ILUSTRAÇÃO DO DESENVOLVIMENTO DA MICROESTRUTURA DURANTE A</p><p>SOLIDIFICAÇÃO DE UMA LIGA CU-NI NAS CONDIÇÕES DE EQUILÍBRIO</p><p>FONTE: Callister Jr. e Rethwisch (2016, p. 284)</p><p>Observando a figura, é possível ver que o ponto α está na região líquida</p><p>do diagrama, apresentando apenas uma fase com composição igual a 35%p Ni.</p><p>Prosseguindo no resfriamento da liga, durante o ponto b, no momento exatamente</p><p>após cruzarmos a linha liquidus, é que surgem as primeiras partículas de α, a essas</p><p>partículas damos o nome de primeiro sólido. A composição das fases presentes</p><p>durante a formação do primeiro sólido é de 35%p Ni para a L e 46%p Ni para α,</p><p>e a proporção das fases é quase que 100% L, pois temos pouquíssimas partículas</p><p>de α, que estão começando a se formar.</p><p>No ponto c do resfriamento, temos partículas maiores de α, nesse</p><p>ponto, temos uma composição de L de 32%p Ni e composição de α de 43%p Ni,</p><p>já a proporção das fases está mais equilibrada, utilizando a regra da alavanca</p><p>chegamos a valores de 72,73% de L e o restante, 27,27% de α.</p><p>O ponto d é momento que estamos cruzando a linha solidus, a esse ponto</p><p>damos o nome de último líquido. O líquido restante nesse ponto tem composição</p><p>de 24%p Ni e o α tem composição de 35%p Ni. A proporção das fases neste</p><p>momento é quase que 100% α, pois resta pouquíssimo líquido para se solidificar.</p><p>No último ponto da figura, o ponto e, já atingimos uma estrutura 100%</p><p>sólida, que apresenta apenas α com composição de 35% Ni.</p><p>TÓPICO 3 — DIAGRAMAS DE EQUILÍBRIO</p><p>115</p><p>É claro que nem sempre conseguimos condições ideias de resfriamento,</p><p>pois para que essas condições de equilíbrio aconteçam, estamos considerando</p><p>um resfriamento extremamente lento, para que haja tempo para a difusão</p><p>atômica ocorrer. Para condições diferentes do equilíbrio (Figura 22), outro tipo de</p><p>microestrutura irá se formar.</p><p>FIGURA 22 – ILUSTRAÇÃO DO DESENVOLVIMENTO DA MICROESTRUTURA DURANTE A</p><p>SOLIDIFICAÇÃO DE UMA LIGA CU-NI PARA CONDIÇÕES FORA DO EQUILÍBRIO</p><p>FONTE: Callister Jr. e Rethwisch (2016, p. 284)</p><p>Observando a figura, não percebemos mudanças nos pontos a’ e b’ para os</p><p>pontos a e b, da Figura 21. A partir do ponto c’ vemos a formação de sólidos com</p><p>diferentes composições e notamos ainda um deslocamento da linha de solidificação</p><p>para teores maiores de Ni. Isso ocorre a taxas maiores de resfriamento, pois não</p><p>houve a formação do primeiro sólido no ponto b’, porém houve tempo suficiente</p><p>para ocorrer a migração dos átomos desse primeiro sólido e promover a formação</p><p>de um outro sólido com composição homogênea, dessa forma o que ocorre que se</p><p>forma um sólido com concentração diferente do primeiro sólido, ao redor deste,</p><p>em virtude da solidificação do líquido.</p><p>Algo semelhante irá ocorrer no d’, dessa vez ainda não haverá um último</p><p>sólido nesse ponto, pois a linha de solidificação foi deslocada devido às maiores</p><p>taxas de resfriamento, e um novo sólido com composição diferente irá se formar</p><p>ao redor do primeiro e do segundo sólido formado. Isso irá ocorrer até o ponto e’,</p><p>onde teremos nosso último líquido. No ponto f’, podemos ver o resultado dessa</p><p>solidificação longe do equilíbrio, onde temos sólidos aprisionados no interior de</p><p>outros sólidos com composições diferentes.</p><p>116</p><p>UNIDADE 2 — LIGAS METÁLICAS E MATERIAIS CRISTALINOS</p><p>Vale destacar que a linha liquidus não se deslocou como a linha solidus,</p><p>isso ocorre devido às maiores taxas de difusão que ocorrem nos líquidos, em</p><p>detrimentos aos sólidos.</p><p>6 DIAGRAMAS EUTÉTICOS BINÁRIOS</p><p>O diagrama eutético binário ocorre para diversas ligas e diferentemente</p><p>do anterior, ele ocorre para misturas que não apresentam solução sólida total.</p><p>Na verdade, diagramas eutéticos apresentam três regiões sólidas distintas, uma</p><p>região com uma fase sólida, outra região com uma segunda fase sólida e uma</p><p>terceira região, intermediárias entre as duas primeiras, que apresentam as duas</p><p>fases simultaneamente.</p><p>Um ótimo exemplo de um diagrama eutético é o diagrama Cu-Ag</p><p>apresentado na Figura 23. Nesse diagrama são possíveis as três regiões sólidas</p><p>mencionadas anteriormente, representadas pelas regiões α, β e α + β. A fase α</p><p>é a fase rica em cobre enquanto a fase β é a fase rica em cobre. A Linha Solvus,</p><p>demonstrada no diagrama, representa o limite de solubilidade de prata na fase α,</p><p>de modo análogo, no outro lado do diagrama temos uma linha semelhante que</p><p>representa o limite de solubilidade de cobre em β. É possível ainda identificar a</p><p>linha liquidus, a qual acima dela temos apenas uma fase líquida, e a linha solidus,</p><p>pela qual não temos nenhum líquido, apenas o sólido α ao ultrapassá-la.</p><p>FIGURA 23 – DIAGRAMA DE FASES EUTÉTICO BINÁRIO PARA UMA LIGA CU-AG</p><p>FONTE: Callister Jr. e Rethwisch (2016, p. 287)</p><p>Outro destaque no diagrama eutético são as duas regiões que apresentam</p><p>fases sólida + líquido, uma para α + L e outra região para β + L. Você também</p><p>deve ter notado a linha horizontal, ligada pelos pontos BEG, apresenta suas</p><p>extremidades, nos pontos B e G, os limites máximos de solubilidade de prata em</p><p>α e de cobre em β, respectivamente. Essa linha é muito importante e no diagrama</p><p>eutético, vamos falar mais dela.</p><p>TÓPICO 3 — DIAGRAMAS DE EQUILÍBRIO</p><p>117</p><p>A linha BEG é uma isoterma a 779°. Essa temperatura é denominada eutética</p><p>(TE). Ela recebe esse nome, pois abaixo dela, durante o resfriamento, ocorre uma</p><p>importante reação, denominada reação eutética. Essa reação é caracterizada por</p><p>transformar todo o líquido restante em nas duas fases sólidas do diagrama. Para</p><p>essa reação, temos três possíveis cenários ilustrados na Figura 24.</p><p>FIGURA 24 – ILUSTRAÇÃO DOS POSSÍVEIS CENÁRIOS NO RESFRIAMENTO DO LÍQUIDO</p><p>EUTÉTICO</p><p>FONTE: Adaptada de Callister Jr. e Rethwisch (2016, p. 287)</p><p>O primeiro é o resfriamento de uma liga com composição eutética (CE).</p><p>Essa liga durante o seu resfriamento, quando atingir a temperatura de 779 °C, irá</p><p>passar exatamente pelo ponto E, denominado ponto eutético. Ele é de extrema</p><p>importância no diagrama eutético, pois é onde ocorre 100% da reação eutética, ou</p><p>seja, todo líquido irá se transformar em duas fases sólidas (α + β). Outro destaque</p><p>para esse é ponto, é que ele é o ponto que apresenta a menor temperatura de</p><p>fusão de todo diagrama, sendo muito útil quando queremos uma composição de</p><p>uma liga para aplicações que necessitem uma menor temperatura de fundição.</p><p>A Figura 25 apresenta as microestruturas durante o resfriamento de uma liga de</p><p>composição eutética para o diagrama Pb-Sn.</p><p>As demais composições mostradas na Figura 24 não irão se solidificar</p><p>de uma vez (em uma única temperatura), mas irão se solidificar em uma faixa de</p><p>temperaturas. Veja o caso da composição C, a esquerda da composição eutética, ao</p><p>resfriar e atravessar a linha liquidus, parte do líquido irá se transformar em sólido</p><p>(α) e parte continuará líquido. Somente ao atingir a temperatura eutética, o líquido</p><p>restante, que ainda não se transformou em α, irá sofrer a reação eutética e se transformar</p><p>em α + β. A esse tipo de composição, à esquerda no ponto eutético, damos o nome</p><p>de composição hipoeutética. A Figura 26 apresenta as microestruturas durante o</p><p>resfriamento de uma liga de composição hipoeutética para o diagrama Pb-Sn.</p><p>118</p><p>UNIDADE 2 — LIGAS METÁLICAS E MATERIAIS CRISTALINOS</p><p>Já a composição hipereutética ocorre para composição à direita do ponto</p><p>eutético, como é o caso da composição C₃. Durante o resfriamento de C₃, ao</p><p>atravessar a linha liquidus, parte do líquido também irá se transformar em sólido,</p><p>porém se transformará em na fase rica em prata (β) e parte continuará líquido.</p><p>Somente ao atingir a temperatura eutética, o líquido restante, que ainda não se</p><p>transformou em β, irá sofrer a reação eutética e se transformar em α + β.</p><p>FIGURA 25 – MICROESTRUTURAS PRESENTES DURANTE O RESFRIAMENTO DE UMA LIGA</p><p>EUTÉTICA PB-SN</p><p>FONTE: Callister Jr. e Rethwisch (2016, p. 294)</p><p>FIGURA 26 – MICROESTRUTURAS PRESENTES DURANTE O RESFRIAMENTO DE UMA LIGA</p><p>HIPOEUTÉTICA PB-SN</p><p>FONTE: Callister Jr. e Rethwisch (2016, p. 296)</p><p>TÓPICO 3 — DIAGRAMAS DE EQUILÍBRIO</p><p>119</p><p>Como pudemos observar nas microestruturas ilustradas, teremos a formação</p><p>de um microconstituinte eutético, esse microconstituinte nada mais é do que uma</p><p>solução sólida constituída de camadas alternadas das fases sólidas α e β. A Figura</p><p>27 (a) apresenta uma micrografia apresentado essa microestrutura 100% eutética. Já</p><p>a Figura 27 (b) apresenta uma micrografia de uma microestrutura hipoeutética.</p><p>FIGURA 27 – (A) LIGA DE PB-SN DE COMPOSIÇÃO EUTÉTICA (61,9%P SN) E (B) LIGA PB-SN DE</p><p>COMPOSIÇÃO HIPOEUTÉTICA (50%P SN)</p><p>FONTE: Adaptada de Callister Jr. e Rethwisch (2016)</p><p>É possível observar na Figura 27 (a) uma composição 100% eutética, onde</p><p>toda a microestrutura está composta de lamelas intercaladas das fases α e β. Já na</p><p>Figura 27 (b), além do microconstituinte eutético, temos a formação de α primária,</p><p>rica em chumbo, que recebe esse nome, pois ele se formou durante o resfriamento</p><p>da liga após atravessar a linha liquidus e antes de atingir temperatura eutética.</p><p>7 REAÇÕES IMPORTANTES NO DIAGRAMA DE FASES</p><p>Além da reação eutética, há outras reações importantes que podem</p><p>aparecer em diagramas de fases binários, que precisamos ter conhecimento. Elas</p><p>estão listadas na Figura 28.</p><p>A reação eutética nós já conhecemos, é a transformação que durante o</p><p>resfriamento, uma fase líquida se transformará em duas fases sólidas, importante</p><p>salientar que o caminho contrário também válido, ou seja, quando no aquecimento,</p><p>duas fases sólidas transformam-se em uma fase líquida. O caminho contrário</p><p>(aquecimento) é válido para todas as reações listadas aqui, mas para efeitos de</p><p>explicação, iremos nos ater apenas no resfriamento da liga.</p><p>120</p><p>UNIDADE 2 — LIGAS METÁLICAS E MATERIAIS CRISTALINOS</p><p>FIGURA 28 – PRINCIPAIS REAÇÕES ENTRE TRÊS FASES EM DIAGRAMAS BINÁRIOS</p><p>EUTÉTICA L α + β</p><p>PERITÉTICA α + L β</p><p>MONOTÉTICA L1 L2 + α</p><p>EUTETOIDE γ α + β</p><p>PERITETOIDE α + β γ</p><p>FONTE: <https://slideplayer.com.br/slide/9229906/>. Acesso em: 14 nov. 2020.</p><p>A reação peritética ocorre quando no resfriamento da liga, duas fases, uma</p><p>sólida e outra líquida, transformam-se em uma outra fase sólida. Já quando no</p><p>resfriamento da liga, uma fase líquida transforma-se em duas fases, uma sólida e</p><p>outra fase líquida, damos o nome de reação monotética.</p><p>A reação eutetoide ocorre após uma fase sólida se transformar em outras</p><p>duas fases sólidas durante o resfriamento.</p><p>Por sim, a reação peritetoide irá ocorre quando no resfriamento, duas fases</p><p>sólidas transformam-se em uma outra fase sólida.</p><p>Todas as reações têm a sua importância no diagrama de fases, porém no</p><p>próximo subtópico estudaremos um importante diagrama dentro da engenharia,</p><p>o diagrama ferro carbono. Esse diagrama irá apresentar três das cinco reações</p><p>mencionadas anteriormente, a peritética, a eutetoide e a eutética.</p><p>8 SISTEMA FERRO-CARBONO</p><p>O diagrama Fe-C é provavelmente o sistema binário mais importante no</p><p>que diz respeito aos materiais de engenharia, afinal o aço e o ferro fundido são</p><p>soluções sólidas de ferro com carbono dissolvido em sua microestrutura.</p><p>Na Figura 29, é apresentado o diagrama Ferro-Carbeto de Ferro (Fe-Fe₃C).</p><p>O carbeto de ferro (Fe₃C) é um composto intermetálico de ferro que apresenta</p><p>solubilidade máxima de 6,7%p C, para composições de carbono maiores que 6,7%</p><p>até 100%, o carbono irá se apresentar na sua forma livre, como grafita.</p><p>TÓPICO 3 — DIAGRAMAS DE EQUILÍBRIO</p><p>121</p><p>FIGURA 29 – DIAGRAMA Fe-Fe3C</p><p>FONTE: Adaptada de Callister Jr. e Rethwisch (2016, p. 305)</p><p>Se você analisar, esse diagrama não é o diagrama Fe-C completo, pois não</p><p>apresenta até 100%, ele é chamado de diagrama de Fe-C metaestável, justamente</p><p>por apresentar um composto metaestável, o carbeto de ferro também denominado</p><p>como cementita.</p><p>Mecanicamente falando, materiais com alto teor de carbono em sua</p><p>microestrutura são inviáveis para diversas aplicações, por não apresentarem</p><p>propriedades mecânicas satisfatórias, como elevada fragilidade e baixa resistência</p><p>ao impacto. Em termos das ligas de ferro mais conhecidas temos os aços e os</p><p>ferros fundidos.</p><p>Callister Jr. e Rethwisch (2016) definem aços como ligas que apresentam</p><p>entre 0,008%p C e 2,14%p C, os ferros fundidos são ligas de Fe-C que apresentam</p><p>2,14%p C até 6,7%p C, no entanto, as ligas comerciais não apresentam normalmente</p><p>mais que 4,5%p C. Já para Chiaverini, (1988), ferros fundidos são ligas ternárias de</p><p>A cementita é considerada um composto metaestável, pois se aquecida na faixa</p><p>de 650 a 700 °C, por vários anos, ela irá gradualmente se decompor em ferrita e grafita (carbono</p><p>na forma livre). Por isso o diagrama Fe-Fe</p><p>3</p><p>C não é considerado um diagrama de equilíbrio,</p><p>porém se considerarmos que a taxa de decomposição da cementita é extremamente lenta e</p><p>o carbono presente no ferro estará na forma de cementita, o diagrama metaestável é válido</p><p>para nossas aplicações práticas (CALLISTER JR.; RETHWISCH, 2016).</p><p>IMPORTANTE</p><p>122</p><p>UNIDADE 2 — LIGAS METÁLICAS E MATERIAIS CRISTALINOS</p><p>ferro-carbono-silício, cuja quantidade de carbono presente normalmente ultrapassa</p><p>2% (limite de solubilidade de carbono na austenita), ocasionando carbono livre na</p><p>solução sólida na forma de lamelas ou veios de grafita (CHIAVERINI, 1988 apud</p><p>PEREIRA, 2019).</p><p>Temos algumas temperaturas importantes no diagrama, como as que</p><p>representam as transformações de fase do ferro puro. Já falamos das transformações</p><p>alotrópicas do ferro, porém no diagrama de fases elas estão mais visíveis. Na</p><p>linha vertical que representa 100% de Fe, vemos a primeira delas, temos Fe(α) a</p><p>temperatura ambiente e ao atingir a temperatura de 912 °C, ele se transforma em</p><p>Fe(γ), também denominado austenita. Vale lembrar que a ferrita apresenta estrutura</p><p>CCC enquanto a austenita apresenta uma estrutura cristalina CFC. Ao atingir a</p><p>temperatura de 1394 °C a austenita transforma-se em Fe(δ) e volta a apresentar</p><p>estrutura cúbica de corpo centrado. Finalmente em 1538 °C, o Fe(δ) atinge o seu</p><p>ponto de fusão e passa para o estado líquido.</p><p>Outros pontos e temperaturas importantes no diagrama dizem respeito</p><p>às reações envolvendo três fases que ocorrem no</p><p>diagrama. A reação peritética</p><p>ocorre a temperatura de 1493 °C, e o ponto peritético do diagrama está a essa</p><p>temperatura com uma composição de 0,25%p C.</p><p>Temos também a temperatura eutética do diagrama Fe-C, que é de 1147</p><p>°C, e o ponto eutético apresenta composição de 4,3%p C. Esse ponto é muito</p><p>importante para o estudo dos ferros fundidos, uma vez que é a menor temperatura</p><p>de fusão da liga Fe-C, além de não apresentar uma faixa de temperaturas e sim</p><p>uma temperatura específica de fusão, fazendo com que as propriedades durante o</p><p>resfriamento sejam mais facilmente controladas. Nessa mesma temperatura temos</p><p>o limite máximo de solubilidade do carbono na austenita, que é de 2,14%p C.</p><p>Outra temperatura diz respeito à temperatura eutetoide, que é de 727 °C,</p><p>em que a composição eutetoide é de 0,75%p C. Nesta mesma temperatura, temos</p><p>a solubilidade máxima de carbono na ferrita, que é de 0,022%p C, o que é bem</p><p>menor que a máxima solubilidade da austenita. Isso é compreensível devido às</p><p>estruturas diferentes que essas fases apresentam, pois na estrutura CCC da ferrita</p><p>há muito menos espaço para comportar átomos de carbono, o que não ocorrer na</p><p>estrutura CFC da ferrita, que apresenta mais sítios capazes de abrigar os átomos</p><p>intersticiais de carbono.</p><p>Após atingirmos o limite de solubilidade de carbono na ferritas, passamos</p><p>a ter a formação de cementita (Fe₃C). Diferente da ferrita, que apresenta baixa</p><p>resistência mecânica, alta ductilidade e elevada tenacidade, a cementita é um</p><p>composto extremamente duro e frágil. Dessa forma pequenos teores de cementita</p><p>no aço já são capazes de provocar um aumento substancial na resistência mecânica</p><p>dos mesmos, em detrimento de sua ductilidade.</p><p>TÓPICO 3 — DIAGRAMAS DE EQUILÍBRIO</p><p>123</p><p>8.1 ESTRUTURAS HIPOEUTEOIDES, EUTETOIDES E</p><p>HIPEREUTETOIDES</p><p>Assim como analisamos a reação eutética no diagrama Pb-Sn, iremos,</p><p>agora, analisar a reação eutetoide, que é muito importante para o diagrama Fe-</p><p>Fe3C, pois ela ocorrerá ao longo de praticamente todo o diagrama, e é de suma</p><p>importância para a definição das microestruturas presentes em aços.</p><p>Ao analisar novamente o diagrama da Figura 29, vimos que a isoterma</p><p>que representa a temperatura eutetoide está presente em praticamente todas as</p><p>composições, exceto para valores menores que 0,022%p C. Desse modo, podemos</p><p>prever uma que irá reação eutetoide para praticamente todas as composições</p><p>química de Fe-C. A reação eutetoide aço está descrita seguir.</p><p>Austenita(γ) Ferrita(α) + Cementita(Fe₃C)</p><p>Dessa forma, vamos analisar novamente os três possíveis cenários em que</p><p>essa reação pode ocorrer. À esquerda do ponto eutetoide, no ponto eutetoide e à</p><p>direita do ponto eutetoide.</p><p>Primeiramente, vamos analisar o comportamento de uma liga Fe-C de</p><p>composição eutetoide, conforme Figura 30.</p><p>FIGURA 30 – MICROESTRUTURAS PRESENTES DURANTE O RESFRIAMENTO DE UMA LIGA</p><p>COM COMPOSIÇÃO EUTÉTICA</p><p>FONTE: Callister Jr. e Rethwisch (2016, p. 308)</p><p>(14)</p><p>124</p><p>UNIDADE 2 — LIGAS METÁLICAS E MATERIAIS CRISTALINOS</p><p>Analisando o resfriamento de uma liga eutetoide é possível observar que ao</p><p>atravessarmos a temperatura de 727 °C, a austenita que era de 100% de austenita</p><p>irá sofre uma reação eutetoide, formando um microconstituinte eutetoide, formado</p><p>de duas fases, ferrita e cementita. Esse microconstituinte recebe o nome de perlita.</p><p>A Figura 31 apresenta o mecanismo de formação de perlita, em que a perlita</p><p>irá se formar a partir do interior do grão da austenita, criando lamelas intercaladas</p><p>de ferrita e cementita.</p><p>FIGURA 31 – REPRESENTAÇÃO DA FORMAÇÃO DA PERLITA</p><p>FONTE: Callister Jr. e Rethwisch (2016, p. 309)</p><p>É possível ainda observar na figura o mecanismo de difusão dos átomos</p><p>de carbono, que vão agir no sentido do crescimento da perlita dentro da austenita,</p><p>até que o grão inteiro, que antes era de austenita, transforme-se em perlita. Vale</p><p>destacar que a composição das fases nesse ponto, utilizando a linha de amarração</p><p>é de 6,7%p C da cementita e 0,022%p C para a ferrita. Você saberia dizer qual é a</p><p>proporção das fases na perlita? Vamos relembrar!</p><p>Pela regra da alavanca temos:</p><p>FIGURA 32 – PROPORÇÃO DAS FASES NA PERLITA</p><p>Fonte: O autor</p><p>TÓPICO 1 — DEFEITOS DOS MATERIAIS METÁLICOS</p><p>125</p><p>Desse modo, podemos observar que no ponto eutetoide, o material é</p><p>constituído por 100% de perlita, porém perlita é um microconstituinte e não uma</p><p>fase, pela regra da alavanca determinamos que as proporções das fases presentes</p><p>são de 11,05% de cementita e 88,95% de ferrita, o que é bastante plausível, uma</p><p>vez que estamos muito mais próximos da linha solvus da ferrita, do que da</p><p>solubilidade da cementita.</p><p>Vamos agora analisar ligas que estão à esquerda e à direita do ponto</p><p>eutetoide, e assim como quando analisamos a reação eutética, essas ligas receberão</p><p>o prefixo hipo para ligas à esquerda do ponto eutetoide e o prefixo hiper para</p><p>ligas à direita do ponto eutetoide.</p><p>As ligas hipoeuteoides são aquelas que apresentam valores de composição</p><p>de C entre 0,022%p C e 0,76%p C. Já as ligas hipereutetoides apresentaram valores</p><p>entre 0,76%p C e 6,70%p C. A Figura 33 apresenta as microestruturas presentes no</p><p>resfriamento dessas duas ligas.</p><p>FIGURA 33 – MICROESTRUTURAS PRESENTES DURANTE O RESFRIAMENTO DE UMA (A) LIGA</p><p>HIPOEUTÉTICA DE UMA LIGA (B) HIPEREUTÉTICA</p><p>FONTE: Adaptada de Callister Jr. e Rethwisch (2016)</p><p>É possível observar na Figura 33 (a) o resfriamento de uma liga hipoeutetoide,</p><p>cuja determinada temperatura (ponto c), a liga apresentava apenas austenita. Após</p><p>o atingir o ponto d, é possível observar que parte da austenita se transformou em</p><p>ferrita, essa ferrita que surge antes de atingirmos a temperatura eutetoide é chamada</p><p>de ferrita proeutetoide. Seguindo o resfriamento da liga, no ponto e temos as</p><p>mesmas fases presentes que no ponto d, porém a proporção de ferrita proeutetoide</p><p>cresceu. Ao atingir o ponto f, imediatamente após a temperatura eutetoide, toda</p><p>a austenita restante que ainda não havia se transformado, se transformou no</p><p>microconstituinte eutetoide (perlita), formado por duas fases, ferrita e cementita, e</p><p>a ferrita proeutetoide continua no sistema.</p><p>UNIDADE 2 — LIGAS METÁLICAS E MATERIAIS CRISTALINOS</p><p>126</p><p>Na Figura 33 (b), ocorre um fenômeno parecido, porém, aqui, a austenita irá</p><p>se transformar primeiro em cementita proeutetoide, para só então, transformar-se</p><p>em perlita ao atingir a temperatura eutetoide. Dessa forma, a estrutura resultante</p><p>após 727 °C será de Fe₃C proeutetoide + perlita.</p><p>A perlita, por ser uma microconstituinte lamelar composta de ferrita +</p><p>cementita apresenta características intermediárias entre as duas fases, aliando a dureza</p><p>e resistência mecânica da cementita com o ductibilidade e tenacidade da ferrita. Ao</p><p>passo que aumentamos a composição de carbono no material, as propriedades irão</p><p>sofrer alteração com o acréscimo de cementita na microestrutura. O comportamento</p><p>mecânico em função da %p C pode ser observado na Figura 34.</p><p>FIGURA 34 – EFEITOS DE ALGUMAS PROPRIEDADES MECÂNICAS EM FUNÇÃO DA</p><p>CONCENTRAÇÃO DE CARBONO EM ESTRUTURAS FORMAS POR PERLITA, FERRITA E CEMENTITA</p><p>FONTE: Adaptada de Callister Jr. e Rethwisch (2016, p. 352)</p><p>É possível ver que ao passo que adicionamos carbono à composição do aço,</p><p>aumentamos propriedades como resistência à tração, dureza e o limite de escoamento,</p><p>porém abrimos mão de propriedades como ductilidade e resistência ao impacto. Dessa</p><p>forma, conhecendo a microestrutura presente no material, podemos prever algumas</p><p>propriedades mecânicas desejadas.</p><p>127</p><p>RESUMO DO TÓPICO 3</p><p>Neste tópico, você aprendeu que:</p><p>• Fase é a porção homogênea de um sistema que possui as características físicas</p><p>e químicas uniformes.</p><p>• O equilibro entre as fases depende de uma série de condições ao longo do</p><p>tempo.</p><p>• O equilíbrio é descrito em termos da energia livre, uma grandeza</p><p>termodinâmica, que é função da energia interna e da entropia de um sistema.</p><p>• O estudo dos diagramas de fases de uma substância pura frequentemente se</p><p>dá em termos da temperatura e pressão.</p><p>• O estudo dos diagramas binários se dá em termos da temperatura x</p><p>composição, à pressão ambiente.</p><p>• Diagrama isomorfo ocorre em virtude da uma completa solubilidade, onde</p><p>apresenta uma única fase sólida à temperatura ambiente.</p><p>• O método para avaliar valores de composição e proporção de fases será</p><p>diferente dependendo se estivermos em uma região monofásica ou estivermos</p><p>em uma região bifásica.</p><p>• Para composição de uma fase em uma região monofásica, traçamos uma linha</p><p>vertical até o eixo da composição e temos seu valor, cuja proporção da fase</p><p>será sempre de 100%.</p><p>• Para determinar a composição de cada fase em uma região bifásica, é preciso</p><p>traçar uma linha horizontal que intercepte cada uma das fases, chamada linha</p><p>de amarração, a seguir percorre-se a linha de amarração até a fronteira de</p><p>cada fase e é traçada uma linha vertical até interceptar o eixo da composição.</p><p>• Para determinar a proporção de cada fase em uma região bifásica é necessário</p><p>utilizar a regra da alavanca.</p><p>• Que nem sempre conseguimos condições ideias de resfriamento, e muitas vezes as</p><p>microestruturas presentes serão diferentes daquelas esperadas para o equilíbrio.</p><p>• O diagrama eutético binário ocorre para diversas ligas em que apresentam</p><p>três regiões sólidas distintas.</p><p>• A reação eutética ocorre quando obtemos duas fases sólidas a partir de uma</p><p>fase líquida, durante o resfriamento.</p><p>128</p><p>Ficou alguma dúvida? Construímos uma trilha de aprendizagem</p><p>pensando em facilitar sua compreensão. Acesse o QR Code, que levará ao</p><p>AVA, e veja as novidades que preparamos para seu estudo.</p><p>CHAMADA</p><p>• Os diagramas binários podem apresentar cinco reações diferente envolvendo três</p><p>fases distintas, são elas: eutética, peritética, eutetoide, monotética e peritetoide.</p><p>• O diagrama mais comumente utilizado é o diagrama Fe-Fe₃C.</p><p>• A cementita, apesar de ser considerada um composto metaestável, possui</p><p>tempos extremamente longos de dissociação, o que nos permite trabalhar com</p><p>o diagrama metaestável.</p><p>• A reação no ponto eutetoide do aço nos gera um microconstituinte chamado</p><p>perlita, composto das fases ferrita e cementita.</p><p>• As propriedades mecânicas do aço irão variar conforme a composição de</p><p>carbono presente.</p><p>129</p><p>1 Ao observar o resfriamento de uma liga binária isomorfa fora das condições de</p><p>equilibro, podemos notar que as microestruturas encontradas serão diferentes</p><p>daquelas esperadas durante o equilíbrio. Disserte sobre o que ocorre com a</p><p>linha solidus e linha liquidus durante o resfriamento fora do equilíbrio.</p><p>2 O diagrama, além de apresentar as diversas fases existentes, também</p><p>demonstra a ocorrência de algumas reações. Neste contexto, quais são as cinco</p><p>principais reações encontradas no diagrama de fases? Como elas ocorrem?</p><p>3 No que se refere aos materiais comumente utilizados na construção</p><p>mecânica, julgue o item a seguir. A transformação da liga X (61,9% Pb –</p><p>38,1% Sn) do ponto 1 para o 2, a 183 °C, conforme ilustrada no diagrama</p><p>a seguir, é denominada reação eutética e resulta em uma microestrutura</p><p>laminar formada pelas fases sólidas α e β.</p><p>FONTE: Adaptado de <https://bit.ly/3a0MEii>. Acesso em: 9 fev. 2021.</p><p>FONTE: <https://bit.ly/3d3b7FL>. Acesso em: 9 fev. 2021.</p><p>a) ( ) Verdadeiro.</p><p>b) ( ) Falso.</p><p>4 O diagrama de fases é uma importante ferramenta quando se deseja obter</p><p>ou prever uma determinada proporção de uma solução no estado sólido.</p><p>A figura apresenta o diagrama de fases em condições de equilíbrio para o</p><p>cobre e o níquel.</p><p>AUTOATIVIDADE</p><p>130</p><p>FONTE: <https://bit.ly/36XQbvE>. Acesso em: 9 fev. 2021.</p><p>Considere uma liga cuja composição é de 35% (em peso) de níquel a 1240 °C.</p><p>A fração da fase líquida pode ser calculada, com o auxílio da figura, de acordo</p><p>com a seguinte expressão:</p><p>FONTE: Adaptada de <https://bit.ly/2MQdtgj>. Acesso em: 9 fev. 2021.</p><p>a) ( ) 35-29 / 40-29.</p><p>b) ( ) 40-35 /35-29.</p><p>c) ( ) 40-35 /40-29.</p><p>d) ( ) 40-29 /35-29.</p><p>5 O diagrama, além de apresentar as diversas fases existentes, também</p><p>demonstra a ocorrência de algumas reações, principalmente em alguns</p><p>pontos específicos. Quais são os três principais pontos encontrados no</p><p>diagrama Fe-C? Disserte sobre eles.</p><p>6 O diagrama de fases ferro carbono apresenta diferentes microestruturas, que</p><p>irão depender da sua composição e temperatura. Sendo assim, diferencie ferrita,</p><p>austenita, cementita, perlita, aço e ferro fundido, de acordo com o diagrama Fe-C.</p><p>7 Dentro do diagrama Fe-Fe₃C, temos um importante ponto denominado</p><p>eutetoide. Nesse contexto, defina aços eutetoide, hipoeutetoide,</p><p>hipereutetoide:</p><p>131</p><p>8 Considere uma liga binária de aço com 0,6%C que é aquecido até a</p><p>temperatura de 1200 °C, sendo resfriada lentamente, em condições de</p><p>equilíbrio. Considere o diagrama binário Fe-C no equilíbrio (Figura),</p><p>assinale a alternativa CORRETA:</p><p>FONTE: Adaptada de Callister Jr. e Rethwisch (2016, p. 272)</p><p>a) ( ) As fases presentes a 1200 °C são uma fase sólida (austenita) e outra fase</p><p>líquida.</p><p>b) ( ) As fases presentes a 724 °C são: uma fase sólida, a ferrita (α), com</p><p>composição de aproximadamente 0,022%C, e uma outra fase sólida, a</p><p>cementita (Fe₃C), com composição de 6,70%C.</p><p>c) ( ) A temperatura de início de solidificação dessa liga é aproximadamente</p><p>727 °C.</p><p>d) ( ) Se essa liga for aquecida a 1400 °C, ela estará totalmente no seu estado</p><p>fundido (apresentará apenas uma fase líquida).</p><p>9 De acordo com o diagrama de equilíbrio Fe-C (Figura da Questão 3), considere</p><p>um ferro fundido com 3,0 %C que é fundido a 1400 °C, sendo resfriado</p><p>lentamente, em condições de equilíbrio. Com base no exposto, analise as</p><p>sentenças a seguir:</p><p>I- A temperatura de início de solidificação dessa liga é aproximadamente</p><p>1280 °C.</p><p>II- A 1147 °C, a composição da austenita é 2,14% C, enquanto a composição</p><p>da fase líquida é de igual a composição do eutético (4,30% C).</p><p>III- A 1145 °C, as fases presentes são uma fase sólida, a ferrita e uma outra fase</p><p>sólida, a cementita (Fe₃C).</p><p>IV- As fases presentes a 723 °C são: uma fase sólida, a ferrita e uma outra fase</p><p>sólida, a cementita (Fe₃C).</p><p>132</p><p>Assinale a alternativa CORRETA:</p><p>a) ( ) Somente a sentença I está correta.</p><p>b) ( ) Somente a sentença II está correta.</p><p>c) ( ) Somente a sentença III está correta.</p><p>d) ( ) As sentenças I, II e IV estão corretas.</p><p>10 O diagrama de fases Fe-Fe3C (ferro – cementita) é a base dos estudos de</p><p>tratamentos térmicos para ligas ferrosas como os aços. A seguir, é apresentado</p><p>um diagrama ferro – cementita. Com base no diagrama de fases do Fe-Fe3C</p><p>apresentado, assinale a alternativa correta:</p><p>FONTE: Adaptada de <https://bit.ly/2MSu8Qr>. Acesso em: 9 fev. 2021.</p><p>FONTE: Adaptado de <https://bit.ly/3jBd2SQ>. Acesso em: 9 fev. 2021.</p><p>a) ( ) A região I corresponde a um sistema monofásico.</p><p>b) ( ) O diagrama apresenta uma transformação de fases denominada</p><p>eutetoide em 727 °C (1.340 ºF), com um sólido (y) decompondo-se em</p><p>dois outros sólidos (α + Fe₃C), no resfriamento.</p><p>c) ( ) A região II corresponde a um sistema bifásico composto por ferrita +</p><p>cementita.</p><p>d) ( ) A solubilidade máxima de carbono é superior na fase ferrita (CCC) em</p><p>relação à fase austenita (CFC).</p><p>11 Ligas de aço podem se afastar ou se aproximar do ponto eutetoide.</p><p>Quando mais próximo do ponto eutetoide, maior será a proporção de</p><p>perlita. Desse modo, calcule a proporção de perlita, ferrita proeutetoide e</p><p>cementita proeutetoide quando C₀ = 0,25% e C₁ = 1,15%, após a liga atingir</p><p>a temperatura eutetoide.</p><p>133</p><p>FONTE: Adaptada de Callister Jr. e Rethwisch (2016, p. 276)</p><p>134</p><p>REFERÊNCIAS</p><p>CALLISTER JR., W. D.; RETHWISCH, D. G. Ciência e engenharia de materiais:</p><p>uma introdução. 9. ed. São Paulo: LTC, 2016.</p><p>CHIAVERINI, V. Aços e ferros fundidos. 6. ed. São Paulo: ABM, 1988.</p><p>PADILHA, A. F. Materiais de engenharia: microestrutura e propriedades. São</p><p>Paulo: Hemus, 2000.</p><p>PEREIRA, H. G. Estudo da microestrutura e microdureza superficial pós-</p><p>tratamentos térmicos de têmpera e recozimento do fofo nodular ABNT FE 42012.</p><p>2019. Trabalho de Conclusão de Curso – Centro</p><p>Universitário Tupy, Pós-graduação</p><p>em Engenharia Metalúrgica com Ênfase em Fundição, 2019.</p><p>SANTOS, R. G. Transformações de fases em materiais metálicos. Campinas:</p><p>Editora da Unicamp, 2006.</p><p>SHACKELFORD, J. F. Introduction to materials science for engineers. 8. ed.</p><p>[S.l.]: Pearson, 2015.</p><p>SHACKELFORD, J. F. Introdução à ciência dos materiais. 6. ed. São Paulo: Pearson</p><p>Education do Brasil, 2008.</p><p>135</p><p>UNIDADE 3 —</p><p>TRATAMENTOS TÉRMICOS</p><p>OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM</p><p>PLANO DE ESTUDOS</p><p>A partir do estudo desta unidade, você deverá ser capaz de:</p><p>• aprender a cinética envolvida nas transformações de fase;</p><p>• conhecer os diagramas de tempo transformação e temperatura;</p><p>• reconhecer os diversos tratamentos térmicos aplicados na indústria;</p><p>• compreender os mecanismos de endurecimento envolvidos nos tratamentos</p><p>térmicos.</p><p>Esta unidade está dividida em três tópicos. No decorrer da unidade,</p><p>você encontrará autoatividades com o objetivo de reforçar o conteúdo</p><p>apresentado.</p><p>TÓPICO 1 – CINÉTICA DAS TRANSFORMAÇÕES DE FASES</p><p>TÓPICO 2 – DIAGRAMAS, TEMPO, TRANFORMAÇÃO E TEMPERATURA</p><p>TÓPICO 3 – TRATAMENTOS TÉRMICOS EM AÇOS</p><p>Preparado para ampliar seus conhecimentos? Respire e vamos</p><p>em frente! Procure um ambiente que facilite a concentração, assim absorverá</p><p>melhor as informações.</p><p>CHAMADA</p><p>136</p><p>137</p><p>UNIDADE 3</p><p>1 INTRODUÇÃO</p><p>Olá, acadêmico! Chegamos à última unidade do seu livro didático. Esta</p><p>unidade será dedicada inteiramente aos tratamentos térmicos realizados em</p><p>materiais metálicos.</p><p>Na unidade passada, estudamos o comportamento dos materiais quando</p><p>submetidos a mudanças de temperaturas, isso ficou bastante claro quando</p><p>estudamos o efeito de difusão em materiais sólidos e quando vimos os diagramas</p><p>de fases de alguns materiais.</p><p>Antes de iniciarmos nossos estudos dos diversos tratamentos térmicos em</p><p>metais, devemos abordar alguns conceitos muito importantes que envolvem a</p><p>cinética das transformações de fase, e esses conceitos são o foco deste tópico.</p><p>2 INTRODUÇÃO AOS TRATAMENTOS TÉRMICOS</p><p>Quando abordamos os diagramas de fases, na unidade anterior,</p><p>estabelecemos uma condição muito importante, que são diagramas de equilíbrio.</p><p>Isso quer dizer que são diagramas dependentes unicamente da temperatura e da</p><p>composição química, considerando assim tempos suficientes para que todas as</p><p>condições de equilíbrio sejam alcançadas. No entanto, nós sabemos que os processos</p><p>reais ocorrem em tempos finitos, e que normalmente o fator tempo é crucial para</p><p>estabelecermos o resultado das transformações de fases.</p><p>Neste ponto, fica claro que a possibilidade de novas microestruturas, que</p><p>não aparecem nos diagramas de equilíbrios, poderá surgir quando levarmos</p><p>em consideração tempos menores ou quase nulos, para sua formação e é neste</p><p>momento que surgem os tratamentos térmicos.</p><p>Tratamentos térmicos são práticas extremamente comuns na indústria,</p><p>sendo utilizados nas mais diversas ligas disponíveis, a fim de adicionar propriedades</p><p>desejadas ao material, sem sequer fazer alteração na sua estrutura química.</p><p>Assim, Chiaverini (2008) lista os principais objetivos ao realizar tratamentos</p><p>térmicos em materiais metálicos:</p><p>TÓPICO 1 —</p><p>CINÉTICA DAS TRANSFORMAÇÕES DE FASES</p><p>UNIDADE 3 — TRATAMENTOS TÉRMICOS</p><p>138</p><p>• alívio de tensões internas;</p><p>• aumento ou diminuição da dureza;</p><p>• aumento da resistência mecânica;</p><p>• melhora da ductilidade;</p><p>• melhora da usinabilidade;</p><p>• melhora da resistência ao desgaste;</p><p>• melhora da resistência à corrosão;</p><p>• melhora da resistência ao calor;</p><p>• modificação das propriedades elétricas e magnéticas.</p><p>Podemos listar as etapas de um tratamento térmico, de forma bastante</p><p>simplória. São elas: aquecimento, manutenção da temperatura e a etapa de</p><p>resfriamento. O gráfico na Figura 1 ilustra essa etapa:</p><p>FIGURA 1 – ILUSTRAÇÃO GRÁFICA DAS ETAPAS DE UM TRATAMENTO TÉRMICO</p><p>FONTE: <http://www.pmt.usp.br/pmt2402/TRATAMENTO%20T%C3%89RMICO%20DE%20</p><p>A%C3%87OS.pdf>. Acesso em: 8 dez. 2020.</p><p>Como observado na figura anterior, após o aquecimento é preciso que</p><p>ocorra uma permanência na temperatura, de forma que toda a peça se homogeneíze,</p><p>alcançando a temperatura e a fase desejada, para só então passar para etapa de</p><p>resfriamento. Esse patamar na temperatura desejada é conhecido também como</p><p>encharque.</p><p>3 AQUECIMENTO</p><p>Alguns fatores devem ser considerados durante o aquecimento de uma</p><p>liga metálica, sobretudo, uma liga que tenha sido deformada a frio. As ligas</p><p>metálicas, durante o aquecimento irão passar por três etapas distintas:</p><p>• Recuperação; recristalização; e crescimento de grão. Os três processos estão</p><p>demonstrados na Figura 2.</p><p>TÓPICO 1 — CINÉTICA DAS TRANSFORMAÇÕES DE FASES</p><p>139</p><p>FIGURA 2 – INFLUÊNCIA DA TEMPERATURA NAS PROPRIEDADES MECÂNICAS E TAMANHO DE</p><p>GRÃO DURANTE O AQUECIMENTO EM UMA LIGA DE LATÃO</p><p>FONTE: Adaptada de Callister Jr. e Rethwisch (2016, p. 218)</p><p>Ligas que sofreram deformações possuem um alto grau de tensões internas,</p><p>principalmente devido ao acúmulo de discordâncias durante o processo de</p><p>deformação a frio. Dessa forma, será na etapa de recuperação que essa liga liberará</p><p>grande parte das tensões internas acumuladas. Isso se dá, pois, durante a recuperação,</p><p>com o aumento da temperatura, ocorrerá a movimentação das discordâncias</p><p>acumuladas. Devido a essa movimentação, o material deformado perderá boa parte</p><p>das tensões internas provenientes do processo de deformação a frio.</p><p>Durante a etapa de recristalização, ocorrerá a formação de novos grãos.</p><p>Esse conjunto de novos grãos são livres de deformações e irão substituir os grãos</p><p>antigos. Nessa etapa, podemos observar um decréscimo na dureza e um aumento</p><p>da ductilidade do material.</p><p>A 3ª etapa do aquecimento é o crescimento de grão. Aqui ocorre um</p><p>aumento do tamanho médio de grão, dessa forma, grãos maiores tomam o lugar</p><p>de grãos menores, ocasionando uma diminuição nos contornos de grão. As três</p><p>etapas podem ser visualizadas nas micrografias da Figura 3.</p><p>UNIDADE 3 — TRATAMENTOS TÉRMICOS</p><p>140</p><p>FIGURA 3 – MICROGRAFIA DURANTE OS ESTÁGIOS DURANTE O AQUECIMENTO DE UMA LIGA</p><p>DE LATÃO</p><p>FONTE: Adaptada de Callister Jr. e Rethwisch (2016, p. 217)</p><p>Nas Figuras 3 (a) e (b), temos os grãos de uma liga de latão com cerca de</p><p>33% de trabalho a frio, antes do aquecimento. Na sequência, as Figuras 3 (c) e (d),</p><p>mostram, respectivamente, a liga durante o processo de recristalização e após a</p><p>recristalização completa. Já para as Figuras 3 (e) e (f), a liga está sofrendo o processo</p><p>de crescimento de grão, onde grãos maiores acabam englobando grãos menores.</p><p>Observando o que foi comentado até aqui, já é possível perceber que</p><p>podemos mudar algumas propriedades mecânicas do nosso material mediante</p><p>modificação da estrutura simplesmente atingindo a temperatura correta de</p><p>aquecimento e dando tempo suficiente ao processo. Alguns cuidados devem ser</p><p>tomados durante o aquecimento de ligas metálicas, vamos a eles!</p><p>3.1 TEMPERATURA DE AQUECIMENTO</p><p>A temperatura de aquecimento, conforme vimos quando discutimos os</p><p>diagramas de fases, dependerá da composição liga. Quando falamos em aços,</p><p>estamos interessados em atingir o campo austenítico, também conhecido como</p><p>zona crítica.</p><p>Quanto mais acima na zona crítica estivermos, maior será a garantia</p><p>de homogeneização da fase austenítica. Esse aumento da temperatura também</p><p>favorece ao maior tamanho de grão austenítico. Vale lembrar que quanto maior</p><p>TÓPICO 1 — CINÉTICA DAS TRANSFORMAÇÕES DE FASES</p><p>141</p><p>for o tamanho de grão, menor serão os contornos de grãos do material. Com a</p><p>redução do contorno de grão, algumas propriedades, muitas vezes desejadas, são</p><p>perdidas, assim como a resistência mecânica do material.</p><p>Outro ponto importante quando falamos de aquecimento é a temperatura</p><p>de recristalização. Nessa temperatura, ocorre a recristalização completa de um</p><p>material durante o intervalo de uma hora. Essa temperatura está normalmente</p><p>situada entre 1/3 e 1/2 da temperatura bruta de fusão (Tf) do metal ou liga</p><p>metálica. Muitos fatores irão influenciar a temperatura de recristalização,</p><p>dentre</p><p>eles podemos citar o tempo de aquecimento, a quantidade de trabalho a frio que</p><p>foi realizada anteriormente ao aquecimento e os elementos liga.</p><p>Quanto maior for o trabalho a frio executado previamente, menor será a</p><p>temperatura de recristalização. Isso pode ser observado na Figura 4, onde temos</p><p>a influência do trabalho a frio na temperatura de recristalização para a peça ferro</p><p>(α) e para o ferro (γ).</p><p>FIGURA 4 – INFLUÊNCIA DO TRABALHO A FRIO NA TEMPERATURA DE RECRISTALIZAÇÃO DO</p><p>FERRO (Α) E PARA O FERRO (Γ)</p><p>FONTE: Adaptada de Totten (2006, p. 732)</p><p>Para tempos maiores de aquecimento, menor será a temperatura de</p><p>recristalização necessária. Para observar esse fato, podemos analisar o diagrama</p><p>isotérmico de tempo-temperatura-recristalização apresentado na Figura 5.</p><p>Para metais puros, costuma-se dizer que a temperatura de recristalização é 0,4 Tf,</p><p>já para alguma ligas comerciais, ela pode chegar até 0,7 Tf. (CALLISTER JR.; RETHWISCH, 2016).</p><p>IMPORTANTE</p><p>UNIDADE 3 — TRATAMENTOS TÉRMICOS</p><p>142</p><p>FIGURA 5 – DIAGRAMA ISOTÉRMICO DE TEMPO-TEMPERATURA-RECRISTALIZAÇÃO</p><p>FONTE: Adaptada de Totten (2006, p. 732)</p><p>O terceiro ponto a ser analisado será a composição da liga. Elementos</p><p>de liga costumam afetar de forma distinta a temperatura de recristalização do</p><p>material. De modo geral, pode-se dizer que elementos de liga costumam aumentar</p><p>a temperatura de recristalização, como no caso da adição de 0,05% de Prata (Ag)</p><p>no Cobre (Cu) aumentando a temperatura de recristalização de 140 °C para 340 °C.</p><p>Outro ponto que se deve analisar é que a precipitação de partículas de segunda fase</p><p>costuma favorecer a formação de núcleos de recristalização no material.</p><p>3.2 TEMPO DE PERMANÊNCIA</p><p>Ao falarmos do tempo de permanência, também conhecido como encharque,</p><p>podemos citar que sua influência é bastante semelhante à temperatura máxima de</p><p>aquecimento, isso quer dizer que tanto o tempo como a temperatura devem ser</p><p>suficientes para que ocorra o aquecimento completo da peça, de modo uniforme,</p><p>por toda sua seção.</p><p>Claro, assim como ocorre na temperatura máxima, o tempo de permanência</p><p>deve ser o necessário, pois tempos muito longos levarão ao crescimento excessivo</p><p>do tamanho de grãos que, na maioria das vezes, é indesejado, pois leva à redução</p><p>da resistência mecânica do material. Outro ponto é que o tempo excessivo nessa</p><p>temperatura irá levar a maiores chances de deterioração do material, através da</p><p>exposição a uma atmosfera oxidante a elevadas temperaturas, por exemplo.</p><p>Para esse segundo ponto, uma solução seria a utilização de atmosferas</p><p>que evitem a degradação do material, que chamados de atmosferas protetoras.</p><p>TÓPICO 1 — CINÉTICA DAS TRANSFORMAÇÕES DE FASES</p><p>143</p><p>4 RESFRIAMENTO</p><p>Podemos considerar o resfriamento como o fator mais importante do</p><p>processo de tratamento térmico. Importante salientar que esse fator está diretamente</p><p>ligado ao meio utilizado, ou seja, a intensidade do resfriamento será maior ou</p><p>menor dependendo do meio escolhido para o resfriamento. Os meios mais comuns</p><p>de resfriamentos estão descritos no Quadro 1:</p><p>QUADRO 1 – MEIOS COMUMENTE EMPREGADOS PARA RESFRIAMENTO</p><p>Meio utilizado Velocidade de resfriamento</p><p>Salmoura (Solução aquosa com sal)</p><p>V</p><p>el</p><p>oc</p><p>id</p><p>ad</p><p>eÁgua</p><p>Óleo (várias viscosidades)</p><p>Ar soprado</p><p>Ar</p><p>Forno</p><p>FONTE: O autor</p><p>Muitas vezes, resfriamentos mais brandos, que irão levar a peça a pequenas</p><p>alterações microestruturais, podem não ser suficientes para o que se pretende com</p><p>o tratamento térmico. Em contrapartida, resfriamentos muito drásticos, ou seja,</p><p>muito rápidos, irão acarretar um acúmulo de tensões internas na peça devido às</p><p>fortes alterações microestruturais. Esse acúmulo de tensões irá elevar a dureza da</p><p>peça que sofreu o tratamento, mas também irá resultar em uma maior fragilidade</p><p>da mesma peça.</p><p>Veja que, pelo Quadro 1, resfriamentos drásticos são obtidos para meios lí-</p><p>quidos, como salmoura, água ou óleos. Um resfriamento moderado pode ser obtido</p><p>através de ar soprado ou no próprio ar, a temperatura ambiente, fora do forno. Já</p><p>resfriamentos lentos são obtidos aos desligarmos o forno na temperatura de enchar-</p><p>que e esperarmos longos períodos até que a peça alcance a temperatura ambiente.</p><p>Falaremos muito mais sobre o efeito da velocidade de resfriamento na</p><p>microestrutura nesta unidade, começando no próximo tópico, por um importante diagrama,</p><p>o de transformação-tempo-temperatura!</p><p>ESTUDOS FU</p><p>TUROS</p><p>144</p><p>Neste tópico, você aprendeu que:</p><p>• As etapas dos tratamentos térmicos são aquecimento, encharque e resfriamento.</p><p>• Durante o aquecimento de uma liga metálica ocorrem os fenômenos de</p><p>recuperação, recristalização e crescimento de grão.</p><p>• A temperatura de aquecimento e o tempo de permanência devem ser observados</p><p>para uma correta homogeneidade da peça.</p><p>• A temperatura de recristalização é cerca de 40% da temperatura bruta de fusão</p><p>para metais puros, e pode chegar a 70% de Tf para algumas ligas comerciais.</p><p>• O grau de deformação a frio anterior ao tratamento térmico irá influenciar na</p><p>temperatura de recristalização.</p><p>• Os diferentes meios irão influenciar na velocidade de resfriamento,</p><p>consequentemente na microestrutura da peça.</p><p>• Dentre os meios mais comuns temos a salmoura, a água, o óleo, o ar soprado, o</p><p>ar e resfriamento no próprio forno.</p><p>RESUMO DO TÓPICO 1</p><p>145</p><p>1 Durante o aquecimento de uma liga metálica alguns processos são ativados</p><p>termicamente. Com base nesses processos, assinale a alternativa CORRETA:</p><p>a) ( ) Durante o processo de crescimento de grão, ocorre um aumento dos</p><p>contornos de grão do material.</p><p>b) ( ) Durante a recuperação, ocorre a formação de um novo conjunto de</p><p>grãos livre de deformações.</p><p>c) ( ) No aquecimento rápido podem ocorrer fissuras devido à formação de</p><p>martensita.</p><p>d) ( ) Na recuperação, parte da energia interna de deformação é liberada em</p><p>virtude do movimento das discordâncias.</p><p>2 Em aços que foram tratados mecanicamente, ocorrem três processos distintos</p><p>durante o aquecimento, dentre eles está o fenômeno de recristalização. Com</p><p>base na temperatura de recristalização, assinale a alternativa CORRETA:</p><p>a) ( ) Quanto mais acima da temperatura de recristalização ou crítica, menor</p><p>será a segurança na obtenção das modificações de fase desejadas.</p><p>b) ( ) A quantidade de trabalho a frio afeta significativamente a temperatura</p><p>de recristalização, quanto maior o percentual de trabalho a frio, menor</p><p>será a temperatura de recristalização.</p><p>c) ( ) Tipicamente, ela se situa entre 1/3 e 1/2 da temperatura absoluta de</p><p>fusão de um metal ou liga, e quanto maior a quantidade de elementos</p><p>de liga, menor será a temperatura de recristalização.</p><p>d) ( ) Muitos fatores influem para a temperatura de recristalização; dentre</p><p>eles podemos citar a velocidade de resfriamento.</p><p>3 Nos aços, a velocidade de resfriamento pelo ponto eutetoide influencia</p><p>fortemente no grau de separação das fases cementita e ferrita. Quais são os</p><p>meios de resfriamento mais comuns? Classifique-os em ordem crescente de</p><p>velocidade de resfriamento.</p><p>AUTOATIVIDADE</p><p>146</p><p>147</p><p>UNIDADE 3</p><p>1 INTRODUÇÃO</p><p>Como vimos na unidade passada, apesar de bastante útil, os diagramas de</p><p>equilíbrio não levam em conta uma importante variável, o tempo, sendo crucial para</p><p>se prever a microestrutura obtida nos mais diversos tratamentos térmicos.</p><p>Para isso, um importante aliado é o Diagrama Transformação-Tempo-</p><p>Temperatura, também conhecido como Diagrama TTT ou diagramas de transformação</p><p>isotérmica.</p><p>2 DIAGRAMAS TRANSFORMAÇÃO-TEMPO-TEMPERATURA</p><p>O estudo dos diagramas TTT nos possibilitará prever as transformações</p><p>que irão ocorrer ao longo do tempo em função da temperatura. A seguir, na</p><p>Figura 6, é mostrado o diagrama TTT para um aço de composição eutetoide.</p><p>FIGURA 6 – DIAGRAMA TTT PARA UMA LIGA FERROSA DE COMPOSIÇÃO EUTETOIDE</p><p>FONTE: Callister Jr. e Rethwisch (2016, p. 310)</p><p>Na figura anterior, o eixo vertical é a escala de temperatura em Celsius, enquanto</p><p>o eixo horizontal é a escala logarítmica de tempo. As letras no diagrama representam</p><p>as</p><p>transformações, a letra A é a austenita, a letra P representa a Perlita, a letra é a Bainita e</p><p>a letra M é a Martensita. Essas duas últimas, abordaremos logo em seguida.</p><p>TÓPICO 2 —</p><p>DIAGRAMAS, TEMPO, TRANFORMAÇÃO E TEMPERATURA</p><p>148</p><p>UNIDADE 3 — TRATAMENTOS TÉRMICOS</p><p>A linha azul contínua no diagrama (mais à esquerda) representa o início</p><p>da transformação da austenita, enquanto a linha vermelha (mais à direita)</p><p>representa o final da transformação da austenita. A linha pontilhada representa</p><p>uma transformação de 50%. A Figura 7, a seguir, demonstra a transformação da</p><p>austenita em perlita através de uma isotérmica.</p><p>FIGURA 7 – ILUSTRAÇÃO DE UMA TRANSFORMAÇÃO ISOTÉRMICA DE UM AÇO EUTETOIDE</p><p>FONTE: Adaptada de Callister Jr. e Rethwisch (2016, p. 304)</p><p>Na figura anterior, a temperatura é mantida constante, em 675 °C, até que</p><p>toda a austenita seja transformada em perlita. Através da velocidade de resfriamento</p><p>correta, bem como aplicando os patamares de temperaturas adequados, podemos</p><p>prever a microestrutura que será obtida.</p><p>Vejamos um exemplo, tomando como base o diagrama TTT do aço eutetoide</p><p>apresentado anteriormente na Figura 6, e façamos um experimento que nos sejam</p><p>dadas três curvas diferentes de resfriamento, para obtenção de microestruturas</p><p>distintas. Podemos observar o resultado dessa experiência na Figura 8.</p><p>TÓPICO 2 — DIAGRAMAS, TEMPO, TRANFORMAÇÃO E TEMPERATURA</p><p>149</p><p>FIGURA 8 – CURVAS DE RESFRIAMENTO NO AÇO EUTETOIDE</p><p>FONTE: O autor</p><p>Analisando a curva pontilhada em azul, é possível observar um resfriamento</p><p>lento até aproximadamente 590 °C, com um patamar de temperatura, dando-se</p><p>tempo suficiente para que ocorra toda a transformação da austenita em perlita. A</p><p>curva seguinte, tracejada em amarelo, é possível observar um resfriamento mais</p><p>rápido, e um novo patamar de temperatura, dessa vez próximo a 460 °C e após</p><p>passado tempo suficiente, toda a austenita está transformada em bainita. A terceira</p><p>curva, contínua em laranja, apresenta o resfriamento mais brusco das três, onde a</p><p>austenita irá passar por uma transformação martensítica.</p><p>3 MICROESTRUTURAS DO DIAGRAMA TTT</p><p>A austenita e a perlita nós já conhecemos, é claro, mas você já ouviu falar</p><p>de esferoidita? E o que seria bainita e martensita que comentamos anteriormente?</p><p>Vamos falar um pouco mais sobre isso!</p><p>3.1 PERLITA</p><p>A perlita, nossa velha conhecida, é um microconstituinte eutetoide do aço.</p><p>Quando estamos falando de tratamentos térmicos, podemos classificar a perlita</p><p>de duas formas: perlita fina e perlita grossa. Callister Jr. e Rethwisch (2016) citam</p><p>que a proporção da largura de ferrita (α) para cementita (Fe₃C) é 8:1, porém esse</p><p>fator será dependente da temperatura de transformação da perlita. Logo abaixo</p><p>da temperatura eutetoide, através de um resfriamento muito lento, iremos obter</p><p>perlita grossa, essa estrutura possui uma resistência mecânica menor, porém</p><p>apresenta maior ductilidade. Essa estrutura mais grosseira ocorre devido à maior</p><p>taxa de difusão em temperaturas mais altas, o carbono acaba se difundindo mais</p><p>na estrutura, promovendo a formação de lamelas mais grosseiras de cementita.</p><p>150</p><p>UNIDADE 3 — TRATAMENTOS TÉRMICOS</p><p>Para resfriamentos não tão lentos e/ou patamares de temperaturas</p><p>inferiores, a estrutura da perlita começa a ficar mais refinada, pois em temperaturas</p><p>menores, o movimento de difusão do carbono ficará mais restrito, formando assim</p><p>perlita fina. A Figura 9 apresenta uma micrografia desses dois tipos de perlita.</p><p>FIGURA 9 – (A) PERLITA GROSSEIRA E (B) UMA ESTRUTURA DE PERLITA FINA</p><p>FONTE: Callister Jr. e Rethwisch (2016, p. 306)</p><p>As partes escuras são as cementitas, enquanto as partes claras são as ferritas.</p><p>Podemos notar que na Figura 9 (a), as lamelas de cementita são mais grossas,</p><p>enquanto na Figura 9 (b), essas lamelas já estão em uma estrutura mais refinada.</p><p>3.2 BAINITA</p><p>Ao passo que a temperatura vai diminuindo, temos a formação de um</p><p>novo microconstituinte, logo abaixo da temperatura de formação de perlita fina.</p><p>É a bainita, e como acontece na formação da perlita, a bainita apresenta uma</p><p>microestrutura com duas fases, a ferrita e cementita, porém os arranjos dessas fases</p><p>se dão de forma diferente. No entanto, a bainita apresenta uma formação ainda</p><p>mais fina de partículas de cementita e ferrita, em contraste com a estrutura lamelar</p><p>da perlita. A seguir, na Figura 10, é possível observar a bainita em uma micrografia.</p><p>TÓPICO 2 — DIAGRAMAS, TEMPO, TRANFORMAÇÃO E TEMPERATURA</p><p>151</p><p>FIGURA 10 – MICROGRAFIA ELETRÔNICA DE TRANSMISSÃO DA ESTRUTURA DA BAINITA,</p><p>ENVOLTA POR UMA FASE MARTENSÍTICA</p><p>FONTE: Callister Jr. e Rethwisch (2016, p. 307)</p><p>Na micrografia da Figura 10, é possível observar que a bainita possui uma</p><p>morfologia de folha, esse é o caso da bainita superior, formada logo abaixo da</p><p>perlita fina. É possível observar ainda as fases constituintes, que são partículas</p><p>alongadas de cementita, na forma de agulhas envoltas por uma matriz ferrítica.</p><p>Assim como na perlita, podemos subdividir a bainita, com base na sua</p><p>temperatura de formação. Para temperaturas menores, uma microestrutura de</p><p>bainita um pouco diferente irá se formar, é o que chamamos de bainita inferior.</p><p>Vale destacar que a nomenclatura inferior e superior não é com base nas suas</p><p>propriedades mecânicas, mas sim com base na sua posição no diagrama TTT, já que</p><p>a bainita superior está localizada acima (maiores temperaturas) da bainita inferior</p><p>(menores temperaturas). A Figura 11 apresenta uma micrografia da bainita inferior.</p><p>FIGURA 11 – MICROGRAFIA DA BAINITA INFERIOR ENVOLTA POR MARTENSITA COM</p><p>AMPLIAÇÃO DE UM PLACA BAINITICA</p><p>FONTE: Adaptada de: <https://slideplayer.com.br/slide/1734052/>. Acesso em: 15 dez. 2020.</p><p>152</p><p>UNIDADE 3 — TRATAMENTOS TÉRMICOS</p><p>Diferente da bainita superior, a bainita inferior se apresenta em placas</p><p>mais finas composta por uma matriz ferrítica e por agulhas de cementita. Na</p><p>figura anterior, também é possível observar uma estrutura martensítica em volta</p><p>das placas de bainita. A bainita inferior, devido a sua estrutura mais refinada,</p><p>apresenta maior dureza que a bainita superior e ambas apresentam maior dureza</p><p>que a perlita.</p><p>Em aços eutetoides, a bainita superior se forma logo abaixo do joelho da</p><p>curva de transformação, em um intervalor de temperaturas de 540 °C a 300 °C, já</p><p>bainita inferior é formada em temperaturas de 300 °C a 200 °C.</p><p>3.3 ESFEROIDITA</p><p>A esferoidita é a um microconstituinte onde nódulos de cementita estão</p><p>dispostos em uma matriz ferrítica. Isto só é possível através de um longo patamar</p><p>de aquecimento.</p><p>Basicamente, se um aço com estrutura perlítica ou estrutura bainítica</p><p>for aquecido a temperaturas próximas da eutetoide, por um longo período, por</p><p>exemplo, acerca de 700 °C durante cerca de 18 a 24 horas, será dado tempo e energia</p><p>suficiente para o coalescimento da cementita em forma de nódulos, surgindo um</p><p>novo microconstituinte, a esferoidita. A Figura 12 mostra a estrutura da esferoidita.</p><p>FIGURA 12 – MICROGRAFIA DE UM AÇO EUTETOIDE APRESENTANDO CEMENTITA GLOBULIZADA</p><p>FONTE: Callister Jr. e Rethwisch (2016, p. 308)</p><p>Essa estrutura globular da cementita dará ganhos significativos de</p><p>ductilidade, no entanto, a perda de dureza também será notável. A Figura 13</p><p>apresenta justamente a comparação dessas propriedades, com base na composição</p><p>de carbono, da esferoidita, perlita fina e perlita grossa.</p><p>TÓPICO 2 — DIAGRAMAS, TEMPO, TRANFORMAÇÃO E TEMPERATURA</p><p>153</p><p>FIGURA 13 – COMPARAÇÃO DA DUREZA E DA DUCTIBILIDADE DOS MICROCONSTITUINTES</p><p>ESFEROIDITA, PERLITA FINA E PERLITA GROSSA, EM FUNÇÃO DO TEOR DE CARBONO</p><p>FONTE: Callister Jr. e Rethwisch (2016, p. 306)</p><p>É possível observar no gráfico da esquerda, que a estrutura refinada da perlita</p><p>possui a maior dureza dentre os três microconstituintes, enquanto a perlita grossa</p><p>possui um comportamento intermediário e a esferoidita apresenta a menor dureza.</p><p>Já no gráfico da direita, o comportamento se inverte, ao analisarmos a ductibilidade</p><p>dos microconstituintes, em que a esferoidita,</p><p>134</p><p>UNIDADE 3 — TRATAMENTOS TÉRMICOS ............................................................................ 135</p><p>TÓPICO 1 — CINÉTICA DAS TRANSFORMAÇÕES DE FASES ........................................... 137</p><p>1 INTRODUÇÃO ................................................................................................................................ 137</p><p>2 INTRODUÇÃO AOS TRATAMENTOS TÉRMICOS .............................................................. 137</p><p>3 AQUECIMENTO.............................................................................................................................. 138</p><p>3.1 TEMPERATURA DE AQUECIMENTO................................................................................... 140</p><p>3.2 TEMPO DE PERMANÊNCIA ................................................................................................... 142</p><p>4 RESFRIAMENTO ............................................................................................................................ 143</p><p>RESUMO DO TÓPICO 1................................................................................................................... 144</p><p>AUTOATIVIDADE ............................................................................................................................ 145</p><p>TÓPICO 2 — DIAGRAMAS, TEMPO, TRANFORMAÇÃO E TEMPERATURA ................... 147</p><p>1 INTRODUÇÃO ................................................................................................................................ 147</p><p>2 DIAGRAMAS TRANSFORMAÇÃO-TEMPO-TEMPERATURA ......................................... 147</p><p>3 MICROESTRUTURAS DO DIAGRAMA TTT ......................................................................... 149</p><p>3.1 PERLITA ....................................................................................................................................... 149</p><p>3.2 BAINITA ...................................................................................................................................... 150</p><p>3.3 ESFEROIDITA ............................................................................................................................. 152</p><p>3.4 MARTENSITA ............................................................................................................................. 153</p><p>4 RESFRIAMENTO CONTÍNUO .................................................................................................... 155</p><p>5 FATORES QUE AFETAM A POSIÇÃO DA CURVA TTT NOS AÇOS ................................ 158</p><p>RESUMO DO TÓPICO 2................................................................................................................... 161</p><p>AUTOATIVIDADE ............................................................................................................................ 162</p><p>TÓPICO 3 — TRATAMENTOS TÉRMICOS EM AÇOS ............................................................ 165</p><p>1 INTRODUÇÃO ................................................................................................................................ 165</p><p>2 RECOZIMENTO .............................................................................................................................. 165</p><p>2.1 RECOZIMENTO TOTAL OU PLENO ..................................................................................... 165</p><p>2.2 RECOZIMENTO EM CAIXA .................................................................................................... 167</p><p>2.3 RECOZIMENTO PARA ALÍVIO DE TENSÕES .................................................................... 167</p><p>2.4 RECOZIMENTO SUBCRÍTICO OU ESFEROIDIZAÇÃO .................................................... 168</p><p>3 NORMALIZAÇÃO .......................................................................................................................... 169</p><p>4 TÊMPERA .......................................................................................................................................... 171</p><p>4.1 FATORES IMPORTANTES ........................................................................................................ 171</p><p>4.2 ENSAIO JOMINY ....................................................................................................................... 172</p><p>5 REVENIDO ....................................................................................................................................... 174</p><p>5.1 FRAGILIDADE AO REVENIDO .............................................................................................. 177</p><p>6 MARTÊMPERA ................................................................................................................................ 178</p><p>7 AUSTÊMPERA ................................................................................................................................. 179</p><p>8 PATENTEAMENTO ........................................................................................................................ 180</p><p>9 ENDURECIMENTO POR PRECIPITAÇÃO .............................................................................. 181</p><p>9.1 TRATAMENTO TÉRMICO DE SOLUBILIZAÇÃO ............................................................... 182</p><p>9.2 TRATAMENTO TÉRMICO DE PRECIPITAÇÃO .................................................................. 182</p><p>LEITURA COMPLEMENTAR .......................................................................................................... 185</p><p>RESUMO DO TÓPICO 3................................................................................................................... 188</p><p>AUTOATIVIDADE ............................................................................................................................ 190</p><p>REFERÊNCIAS .................................................................................................................................... 193</p><p>1</p><p>UNIDADE 1 —</p><p>MATERIAIS PARA CONSTRUÇÃO</p><p>MECÂNICA</p><p>OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM</p><p>PLANO DE ESTUDOS</p><p>A partir do estudo desta unidade, você deverá ser capaz de:</p><p>• entender importâncias dos materiais na evolução da humanidade;</p><p>• conhecer as classificações de materiais existentes;</p><p>• apreender sobre as características e propriedades dos materiais de</p><p>construção mecânica;</p><p>• reconhecer a estrutura cristalina dos materiais metálicos.</p><p>Esta unidade está dividida em quatro tópicos. No decorrer da</p><p>unidade, você encontrará autoatividades com o objetivo de reforçar o conteúdo</p><p>apresentado.</p><p>TÓPICO 1 – CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS PARA CONSTRUÇÃO</p><p>MECÂNICA</p><p>TÓPICO 2 – MATERIAIS CERÂMICOS, VIDROS E VITROCERÂMICOS</p><p>TÓPICO 3 – MATERIAIS POLIMÉRICOS E COMPÓSITOS</p><p>TÓPICO 4 – ESTRUTURA DOS MATERIAIS METÁLICOS</p><p>Preparado para ampliar seus conhecimentos? Respire e vamos</p><p>em frente! Procure um ambiente que facilite a concentração, assim absorverá</p><p>melhor as informações.</p><p>CHAMADA</p><p>2</p><p>3</p><p>TÓPICO 1 —</p><p>UNIDADE 1</p><p>CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS PARA</p><p>CONSTRUÇÃO MECÂNICA</p><p>1 INTRODUÇÃO</p><p>A História humana está intrinsicamente ligada ao desenvolvimento e</p><p>avanço dos materiais de sua época. As eras passadas de civilizações mais antigas</p><p>estão relacionadas aos tipos de materiais utilizados. A Figura 1 demonstra a</p><p>evolução dos materiais utilizados com o passar das eras.</p><p>FIGURA 1 – EVOLUÇÃO DOS MATERIAIS DE ACORDO COM O PERÍODO DA HISTÓRIA</p><p>FONTE: Adaptada de Gonçalves e Martins (2008, p. 3)</p><p>A pré-história, por exemplo, está dividida em Idade da Pedra Lascada</p><p>(Paleolítico), Idade da Pedra Polida (Neolítico) e Idade dos Metais (Ferro, Cobre e</p><p>Bronze). Assim, desde o surgimento do Homo Habilis (homem habilidoso), acerca de</p><p>2,4 milhões de anos, o homem passou a produzir instrumentos a partir de diversos</p><p>materiais, o diferenciando dos outros animais (SOPHIATI; HEUER, 2013).</p><p>Como vimos, a evolução da humanidade como sociedade está ligada aos</p><p>materiais, e é natural que o engenheiro, como um dos principais vetores dessa</p><p>evolução, conheça a fundo os principais conceitos e aplicações dos mais diversos</p><p>tipos de materiais.</p><p>Neste tópico, abordaremos os principais materiais</p><p>em função da sua cementita globulizada,</p><p>apresenta a maior ductibilidade dentre os três, seguidos por perlita grossa e perlita</p><p>fina. É possível também observar um acréscimo na dureza conforma maior for o teor</p><p>de carbono e um decréscimo na ductibilidade, pelo mesmo motivo.</p><p>3.4 MARTENSITA</p><p>Até agora, nós falamos sobre três microconstituintes, a perlita, a bainita</p><p>e a cementita. Agora vamos falar de uma fase metaestável que não aparece</p><p>no diagrama de fases no equilíbrio, porém se você perguntar para qualquer</p><p>engenheiro que lida com aços tratados termicamente, ele irá reconhecer sua</p><p>importância, estamos falando da martensita.</p><p>A martensita é uma fase que não aparece nos diagramas do equilíbrio</p><p>justamente por se tratar de uma fase metaestável, isso quer dizer que ele só fica estável</p><p>sob determinadas condições. No entanto, utilizando o tratamento correto, essa fase</p><p>se tornará estável na temperatura ambiente, desde que não sofra novo aquecimento.</p><p>154</p><p>UNIDADE 3 — TRATAMENTOS TÉRMICOS</p><p>Essa fase se forma através do rápido resfriamento da austenita, sem que</p><p>seja possível ocorrer a difusão do carbono. Se você se lembrar, a austenita (γ) possui</p><p>estrutura cristalina CFC, já a martensita possui estrutura cristalina tetragonal de</p><p>corpo centrado (TCC). Como essa transformação ocorre sem difusão (de modo</p><p>instantâneo), não há tempo suficiente para o carbono que estava no reticulado</p><p>CFC da austenita, rearranjar-se na estrutura HC da martensita. A seguir, na Figura</p><p>14, vemos uma ilustração do tratamento que leva à formação da martensita.</p><p>FIGURA 14 – TRANSFORMAÇÃO MARTENSÍTICA DO FERRO</p><p>FONTE: Adaptada de <http://www.pmt.usp.br/pmt2402/TRATAMENTO%20T%C3%89RMICO%20</p><p>DE%20A%C3%87OS.pdf>. Acesso em: 8 dez. 2020.</p><p>A estrutura tetragonal da martensita, como se fosse um cubo alongado, possui</p><p>os átomos de carbono como impurezas intersticiais. A velocidade de transformação</p><p>da martensita é próxima da velocidade do som e acontece imediatamente quando</p><p>sua temperatura é atingida.</p><p>Sua morfologia pode se dar de duas formas: em placas ou agulhas. Essa</p><p>morfologia pode ser visualizada na figura a seguir.</p><p>Reforçando, tanto a perlita, como a bainita e a esferoidita são microconstituintes</p><p>formados de duas fases, sendo essas fases a ferrita e a cementita. Já a martensita, assim</p><p>como a ferrita, cementita, e austenita são fases e não microconstituintes!</p><p>INTERESSANTE</p><p>TÓPICO 2 — DIAGRAMAS, TEMPO, TRANFORMAÇÃO E TEMPERATURA</p><p>155</p><p>FIGURA 15 – MORFOLOGIAS DA MARTENSITA (A) EM PLACAS E (B) EM AGULHAS</p><p>FONTE: Callister Jr. e Rethwisch (2016, p. 309)</p><p>Diferente da bainita e da perlita, a diferença entre as morfologias são</p><p>em função da temperatura, até porque estamos falando de uma transformação</p><p>adifusional e atérmica (ocorre instantaneamente, sem difusão e sem variação de</p><p>temperatura), mas sim em função da concentração de carbono.</p><p>No caso da martensita em placas, Figura 15 (a), ela ocorre para concentrações</p><p>superiores há 0,6%p C, já a martensita em agulhas irá ocorrer para concentrações</p><p>menores que 0,6%p C, nesse caso, estamos falando de ripas longas e finas, como</p><p>se fossem lâminas, e devido à estrutura extremamente refinada, são necessárias</p><p>técnicas de micrografia eletrônica e análise da microestrutura. As partes escuras</p><p>são de martensita, já as partes claras são de austenita que não se transformou</p><p>durante o resfriamento, esta austenita é denominada austenita retida.</p><p>4 RESFRIAMENTO CONTÍNUO</p><p>Até agora estávamos tratando de diagramas isotérmicos, quando</p><p>mantemos a temperatura constante durante a transformação, porém, na prática,</p><p>a maioria dos casos ocorrem com resfriamentos contínuos. Para esse tipo de</p><p>resfriamento, o tempo necessário para o início de uma transformação, bem como</p><p>o seu término, são retardados, ou seja, as curvas devem ser deslocadas para</p><p>tempos maiores e para temperaturas menores. Essas curvas recebem o nome de</p><p>Transformações a Resfriamento Contínuo, ou curvas TRC.</p><p>As curvas TRC (Transformações a Resfriamento Contínuo), também são</p><p>comumente encontradas na literatura como curvas CCT, devido a sua nomenclatura em</p><p>inglês, Continuous Cooling Transformations.</p><p>NOTA</p><p>156</p><p>UNIDADE 3 — TRATAMENTOS TÉRMICOS</p><p>Esse deslocamento da curva, para o resfriamento contínuo pode ser</p><p>observado na Figura 16.</p><p>FIGURA 16 – SUPERPOSIÇÃO DOS DIAGRAMAS ISOTÉRMICOS E DE RESFRIAMENTO CONTÍNUO</p><p>PARA UM AÇO DE COMPOSIÇÃO EUTETOIDE</p><p>FONTE: Callister Jr. e Rethwisch (2016, p. 313)</p><p>Em tracejado, é possível observar as linhas e início e término para um</p><p>diagrama isotérmico, já as linhas sólidas representam o início e término da</p><p>transformação para um diagrama de resfriamento contínuo, deslocado para</p><p>tempos maiores e temperaturas menores.</p><p>Outra diferença que podemos notar é que não há linha contínua abaixo</p><p>do “joelho”, isso se deve ao fato que é impossível alcançar uma transformação</p><p>abaixo do joelho, sem que se mantenha a temperatura constante. Dessa forma,</p><p>podemos ver que, nesse diagrama, não temos a bainita representada, isso se deve</p><p>ao fato de que para um aço eutetoide, é impossível a obtenção da bainita sem</p><p>um patamar de temperatura, abaixo do “joelho”. Duas curvas com resfriamentos</p><p>contínuos podem ser observadas na Figura 17, a seguir.</p><p>TÓPICO 2 — DIAGRAMAS, TEMPO, TRANFORMAÇÃO E TEMPERATURA</p><p>157</p><p>FIGURA 17 – CURVAS DE RESFRIAMENTO CONTÍNUO EM UM AÇO EUTETOIDE</p><p>FONTE: Callister Jr. e Rethwisch (2016, p. 314)</p><p>Analisando o diagrama, é possível observar duas curvas distintas, a mais à</p><p>direita (azul), representa um resfriamento contínuo mais lento, cuja microestrutura</p><p>apresentada será a perlita fina. Já a curva mais à esquerda (vermelha), representa</p><p>um resfriamento contínuo mais veloz, cujo produto é perlita fina.</p><p>Podemos observar que pela natureza da curva de resfriamento contínuo,</p><p>não é possível obter uma estrutura diferente da perlita atravessando a linha de</p><p>transformação completa mais à direita (verde). Caso tivéssemos um resfriamento</p><p>contínuo mais rápido ainda, o qual atravessa a linha pontilhada A-B, a austenita</p><p>que ainda não tivesse se transformado em perlita se transformaria em martensita</p><p>ou permaneceria retida nela.</p><p>Um ponto importante a se destacar é o efeito do tamanho que a seção da</p><p>peça tem no resfriamento dela. Nesse ponto, é natural pensarmos que dependendo</p><p>da espessura da peça, teremos resfriamentos diferentes entre a superfície e o</p><p>centro da peça, e está correto. Por isso é importante prevermos quais serão as</p><p>propriedades mecânicas (qual será a microestrutura) tanto no interior quanto na</p><p>superfície peça analisada. A Figura 18 ilustra esse comportamento.</p><p>158</p><p>UNIDADE 3 — TRATAMENTOS TÉRMICOS</p><p>FIGURA 18 – EFEITO DA VELOCIDADE DE RESFRIAMENTO NA TRANSFORMAÇÃO DA AUSTENITA</p><p>NA SUPERFÍCIE E NO CENTRO DE UMA PEÇA</p><p>FONTE: Chiaverini (1998, p. 51)</p><p>Para o primeiro gráfico (Figura 18), cujo resfriamento ocorre em água,</p><p>a superfície da peça irá apresentar uma estrutura martensítica, como dureza</p><p>máxima, já o interior, parte da austenita terá se transformado em martensita e</p><p>outra parte em perlita. No gráfico do meio, com resfriamento em óleo, será obtido</p><p>para sua superfície martensita mais perlita e o seu interior apenas perlita. Com o</p><p>resfriamento em ar, no último gráfico, a estrutura esperada será de perlita fina em</p><p>sua superfície e perlita mais grosseira em seu interior.</p><p>Com isso é possível observar, que dependendo da espessura da peça, o seu</p><p>centro poderá apresentar uma microestrutura bem diferente da sua superfície,</p><p>o que acarretará propriedades mecânicas distintas, como dureza, resistência</p><p>mecânica e ductilidade.</p><p>É possível observar ainda que o meio influencia no distanciamento das</p><p>curvas, para meios que propiciam resfriamentos mais bruscos, como o caso da</p><p>água, as curvas do interior e do centro estão mais próximas. Já para meios com</p><p>resfriamentos mais brandos, essas curvas tendem a se afastar mais, como é o caso</p><p>do resfriamento ao ar.</p><p>Agora que falamos dos diagramas TTT e TRC, vamos falar sobre os fatores</p><p>que deslocam ou modificam as curvas desses</p><p>diagramas.</p><p>5 FATORES QUE AFETAM A POSIÇÃO DA CURVA TTT NOS AÇOS</p><p>Dentre os fatores que afetam a posição das curvas TTT, podemos citar três</p><p>principais:</p><p>• teor de carbono;</p><p>• tamanho de grão austenítico;</p><p>• elementos de liga (composição química);</p><p>TÓPICO 2 — DIAGRAMAS, TEMPO, TRANFORMAÇÃO E TEMPERATURA</p><p>159</p><p>O teor de carbono mais alto age no sentido de deslocar as curvas TTT para</p><p>a direita, ou seja, ele dificulta a formação da martensita. Para teores de carbono</p><p>menores que a composição eutetoide, torna-se praticamente impossível a obtenção</p><p>de uma estrutura completamente martensítica. A Figura 19 demonstra esse</p><p>comportamento.</p><p>FIGURA 19 – DIAGRAMAS TTT DOS AÇOS AISI ABNT 1020 E 1050</p><p>FONTE: <https://bit.ly/3dMkSZ5>. Acesso em: 15 dez. 2020.</p><p>O aço AISI ABNT 1020, que possui 0,2%p C, possui sua curva TTT</p><p>deslocada para a esquerda, de tal modo que para qualquer resfriamento com</p><p>intervalo de tempo, não teremos uma estrutura completamente martensítica,</p><p>pois parte da austenita já terá se transformado em ferrita + cementita. Já o aço</p><p>que possui 0,5%p C (AISI ABNT 1050), é possível, ainda que para tempos muito</p><p>pequenos, a obtenção de uma estrutura completamente martensítica, pelo menos</p><p>na superfície do aço, pois a curva está levemente deslocada para a direita.</p><p>O tamanho do grão austenítico é outro fator importante a ser levado em</p><p>consideração, pois quanto maior for o tamanho do grão austenítica, mais para a</p><p>direita a curva estará deslocada. Desse modo, dizemos que um grande tamanho</p><p>de grão favorece a formação de martensita.</p><p>Isso ocorre, pois quanto maior o tamanho de grão, menor será o contorno</p><p>de grão. Sabemos que os contornos de grão favorecem a difusão, e que a formação</p><p>da perlita, diferente da formação da austenita, necessita de difusão para ocorrer.</p><p>Dessa forma, quanto menor forem os contornos dos grãos, pior será a difusão no</p><p>estado sólido do material, dificultando a formação de perlita.</p><p>É importante destacar que o tamanho de grão também irá afetar outras</p><p>propriedades mecânicas, e que grãos muito grandes irão reduzir a tenacidade,</p><p>além de aumentar as tensões residuais na peça, favorecendo o aparecimento de</p><p>trincas e fissuras na peça.</p><p>160</p><p>UNIDADE 3 — TRATAMENTOS TÉRMICOS</p><p>Os elementos de liga atuam de forma um pouco mais complexa, e quanto</p><p>maior for a presença desses elementos, mais complexa e mais numerosas serão as</p><p>transformações envolvidas.</p><p>De modo geral, podemos dizer que os elementos de liga favorecem a</p><p>formação de martensita, deslocando a curva para a direita, além de também</p><p>favorecerem o aparecimento do “joelho” responsável pela formação da bainita,</p><p>podendo assim se obter esse microconstituinte através de resfriamentos contínuos.</p><p>Desse modo, em determinados aços, dependendo dos elementos de liga disponíveis,</p><p>podemos ter a formação de martensita para tempo tão longos, que podemos obtê-la</p><p>resfriando ao ar, chamamos esses aços de aços temperados ao ar.</p><p>Claro, há exceções, o cobalto (Co) é uma dela. A presença de Co desloca as</p><p>curvas para a esquerda, favorecendo a formação de perlita. A Figura 20 ilustra o</p><p>efeito de alguns elementos de liga nos diagramas TTT nos aços.</p><p>FIGURA 20 – DIAGRAMA TTT DO AÇO AISI 1335 (À ESQUERDA) E DO AÇO AISI 4340 (À DIREITA)</p><p>FONTE: Adaptada de Chiaverini (1998, p. 55-56)</p><p>Podemos observar que ambos os aços possuem teores muito próximos</p><p>de carbono (0,35%p C para o aço 1335 contra 0,42%p C para o aço AISI 4340), no</p><p>entanto, a maior presença de elementos de liga no aço AISI 4340 acaba deslocando</p><p>a curva para direita, além de apresentar um joelho deslocado para a formação de</p><p>bainita mesmo para resfriamentos contínuos.</p><p>161</p><p>RESUMO DO TÓPICO 2</p><p>Neste tópico, você aprendeu que:</p><p>• Diagramas de fase no equilíbrio não podem ser utilizados para prever</p><p>microestruturas provenientes de tratamentos térmicos.</p><p>• Diagramas Transformação-Tempo-Temperatura (TTT) e Transformação a</p><p>Resfriamento Contínuo (TRC) são utilizados para prever a estrutura final em</p><p>tratamentos térmicos.</p><p>• Existem outras fases e microconstituintes que não apareciam nos diagramas</p><p>de equilíbrio, mas irão se formar dependendo o tratamento térmico utilizado.</p><p>• Os microconstituintes bainita e esferoidita são compostos pelas fases ferrita e</p><p>cementita, e irão surgir de acordo com o tratamento térmico específico.</p><p>• A martensita é uma fase metaestável muito dura, que ocorre através de uma</p><p>transformação adifusional e atérmica, em que o reticulado CFC da austenita</p><p>se transforma em martensita TCC, na velocidade do som.</p><p>• O centro da peça e a sua superfície irão resfriar de modo diferente, onde</p><p>podemos ter diferentes microestruturas.</p><p>• O teor de carbono, o tamanho de grão austeníticos e a composição química</p><p>irão afetar a forma e a posição das curvas TTT.</p><p>162</p><p>1 Uma maneira conveniente de representar a dependência de transformações</p><p>de fase, com relação ao tempo e à temperatura, é por meio dos diagramas de</p><p>transformação isotérmica ou diagramas transformação-tempo-temperatura.</p><p>Sobre os diagramas TTT, analise a figura a seguir e assinale a alternativa</p><p>CORRETA:</p><p>FONTE: Callister Jr. e Rethwisch (2016, p. 310)</p><p>a) ( ) Os eixos vertical e horizontal representam a transformação e o logaritmo</p><p>do tempo, respectivamente.</p><p>b) ( ) As duas curvas contínuas traçadas representam o tempo necessário a</p><p>cada temperatura para o início da transformação e para a conclusão da</p><p>transformação.</p><p>c) ( ) A curva tracejada corresponde ao início da transformação.</p><p>d) ( ) Neste diagrama é possível obter bainita, por resfriamento contínuo.</p><p>2 À medida que a temperatura de transformação é reduzida após a formação</p><p>de perlita fina, um novo microconstituinte é formado: a bainita. Com relação</p><p>à bainita, analise as sentenças a seguir:</p><p>I- Como ocorre na perlita, a microestrutura da bainita consiste nas fases</p><p>ferrita e austenita, mas os arranjos são diferentes.</p><p>II- No diagrama de transformação isotérmica, a bainita se forma abaixo do</p><p>“joelho”, enquanto a perlita se forma acima.</p><p>III- Sua morfologia varia da forma de pena com um carboneto de muito fino</p><p>(bainita superior), até um microconstituinte em forma de agulhas (bainita</p><p>inferior).</p><p>Assinale a alternativa CORRETA:</p><p>a) ( ) Somente a sentença I está correta.</p><p>b) ( ) Somente a sentença II está correta.</p><p>c) ( ) Somente a sentença IIII está correta.</p><p>d) ( ) As sentenças II e III estão corretas.</p><p>AUTOATIVIDADE</p><p>163</p><p>3 À medida que aplicamos diferentes tempos de aquecimentos e resfriamentos,</p><p>novas microestruturas surgem, sendo que algumas não estavam descritas nos</p><p>diagramas de fases do equilíbrio. Sobre a formação dessas microestruturas,</p><p>associe os itens, utilizando o código a seguir:</p><p>I- Martensita.</p><p>II- Perlita.</p><p>III- Bainita.</p><p>IV- Esferoidita.</p><p>( ) Ocorre quando um aço, com microestruturas perlítica ou bainítica,</p><p>for aquecido até uma temperatura abaixo da temperatura eutetoide e</p><p>mantido durante um tempo suficientemente longo.</p><p>( ) Se forma quando o resfriamento for rápido o suficiente de forma a evitar</p><p>a difusão do carbono, ficando o mesmo retido em solução.</p><p>( ) No diagrama de transformação isotérmica, se forma abaixo do “joelho”</p><p>enquanto a perlita se forma acima.</p><p>( ) É o microconstituinte eutetoide formado por resfriamento lento a partir</p><p>de uma temperatura superior a temperatura eutetoide.</p><p>Assinale a alternativa que apresenta a sequência CORRETA:</p><p>a) ( ) I – III – II – IV.</p><p>b) ( ) IV – I – III – II.</p><p>c) ( ) IV – III – II – I.</p><p>d) ( ) III – IV – I – II.</p><p>4 Uma fase muito importante, que não aparece no diagrama de fases Fe-C</p><p>é a martensita. Com base nisso, responda, o que é martensita? Descreva</p><p>a transformação martensítica. O que gera a diferença da morfologia entre</p><p>placas e ripas?</p><p>5 Na unidade anterior, estudamos diagramas de fases no equilíbrio, porém,</p><p>para o estudo dos tratamentos térmicos, apresentamos dois diagramas</p><p>diferente, o diagrama TTT e o diagrama TRC (CCT). O que é um diagrama</p><p>TTT, e quais são as diferenças para os diagramas TRC?</p><p>6 As curvas Transformações a Resfriamento Contínuo,</p><p>ou curvas TRC,</p><p>descrevem os casos em que ocorrem o resfriamento contínuo nas mais</p><p>diversas ligas tratadas termicamente. Analise as curvas no diagrama a seguir</p><p>e responda quais são os microconstituintes esperados para os diferentes</p><p>resfriamentos?</p><p>164</p><p>FONTE: Adaptada de Chiaverini (1998, p. 56)</p><p>165</p><p>UNIDADE 3</p><p>1 INTRODUÇÃO</p><p>No tópico anterior, nós vimos os mecanismos de transformações de fases</p><p>que ocorrem nas etapas de um tratamento térmico, vimos ainda as diferentes</p><p>microestruturas possíveis de se obter no resfriamento após o tratamento térmico</p><p>de um aço.</p><p>Neste tópico, falaremos dos diferentes tratamentos térmicos em aços</p><p>e seus principais objetivos, com base na microestrutura desejada, já estudada</p><p>anteriormente. Os principais tratamentos térmicos em aços são:</p><p>• Recozimento.</p><p>• Normalização.</p><p>• Têmpera.</p><p>• Revenido.</p><p>• Martêmpera.</p><p>• Austêmpera.</p><p>Veremos mais sobre cada um deles a seguir.</p><p>2 RECOZIMENTO</p><p>O tratamento térmico de recozimento consiste em expor o material ou peça</p><p>por um longo período a uma elevada temperatura, seguido de um resfriamento</p><p>lento. O recozimento é um tratamento térmico que possui os seguintes objetivos:</p><p>• Fazer com que o material fique mais macio, dúctil e tenaz.</p><p>• Produzir uma microestrutura específica.</p><p>O alívio de tensões se dará na etapa de recuperação do aquecimento,</p><p>já os dois próximos objetivos acontecerão durante a recristalização, através do</p><p>surgimento dos novos grãos livres de imperfeições de conformações mecânicas</p><p>prévias. Existem diferentes tipos de recozimento, falaremos de quatro deles.</p><p>2.1 RECOZIMENTO TOTAL OU PLENO</p><p>No recozimento total ou pleno, o objetivo é atingir a temperatura acima</p><p>da temperatura de recristalização, também conhecida como zona crítica nos aços,</p><p>seguido de um resfriamento lento dentro do forno.</p><p>TÓPICO 3 —</p><p>TRATAMENTOS TÉRMICOS EM AÇOS</p><p>166</p><p>UNIDADE 3 — TRATAMENTOS TÉRMICOS</p><p>A temperatura para o recozimento pleno é normalmente de 15 a 40 °C</p><p>acima a linha A3, do diagrama de fases, para aços abaixo da composição eutetoide</p><p>e 15 a 40 °C acima da linha A1 para aços com composição superior a eutetoide.</p><p>Esse tratamento térmico é comumente empregado em aços médio e baixo</p><p>carbono, que serão posteriormente usinados (CALLISTER JR.; RETHWISCH,</p><p>2016). Pode ser ainda aplicado entre passes de laminação ou trefilação a frio</p><p>para minimizar o encruamento ou entre passes de solda em aços propensos a</p><p>trincas de soldabilidade. A Figura 21 demonstra a faixa de aquecimento para o</p><p>recozimento pleno.</p><p>FIGURA 21 – FAIXA DE TEMPERATURA EM AÇOS PARA OS TRATAMENTOS TÉRMICOS DE</p><p>NORMALIZAÇÃO E RECOZIMENTO PLENO</p><p>FONTE: Callister Jr. e Rethwisch (2016, p. 361)</p><p>Importante destacar que o tratamento de recozimento não se limita apenas</p><p>a aços médio e baixo carbono, mas também a muitas ligas não ferrosas. Entre</p><p>elas podemos citar o cobre e suas ligas, ligas de alumínio, ligas de magnésio, de</p><p>níquel, titânio, entre outras.</p><p>A curva de resfriamento contínuo do aço eutetoide está ilustrada no</p><p>diagrama da Figura 22. O produto do recozimento pleno de um aço eutetoide</p><p>resfriado no forno é a perlita grosseira.</p><p>TÓPICO 3 — TRATAMENTOS TÉRMICOS EM AÇOS</p><p>167</p><p>FIGURA 22 – DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DO RECOZIMENTO PLENO DE UM AÇO EUTETOIDE</p><p>FONTE: Chiaverini (1998, p. 90)</p><p>2.2 RECOZIMENTO EM CAIXA</p><p>O recozimento em caixa é um tipo de recozimento realizado sob condições</p><p>de atmosferas protetoras. Esse tipo de recozimento tem o objetivo de além de</p><p>aliviar os efeitos do trabalho a frio, também proteger o aço contra atmosferas de</p><p>oxidação, que podem vir a degradar o material.</p><p>2.3 RECOZIMENTO PARA ALÍVIO DE TENSÕES</p><p>Neste tipo de recozimento, o objetivo é o alívio das tensões provenientes</p><p>dos processos de solidificação de peças fundidas ou daquelas produzidas durante</p><p>a conformação mecânica, corte, soldagem ou usinagem.</p><p>No recozimento, para o alívio de tensões, não é necessário atingir a</p><p>temperatura de recristalização do material, e se aplica as mais diversas ligas,</p><p>ferrosas e não ferrosas. A Figura 23 ilustra as faixas temperaturas típicas para os</p><p>aços no processo de alívio de tensões.</p><p>FIGURA 23 – FAIXAS DE TEMPERATURA PARA ALÍVIO DE TENSÕES E ESFEROIDIZAÇÃO</p><p>FONTE: Adaptada de Totten (2006, p. 692)</p><p>168</p><p>UNIDADE 3 — TRATAMENTOS TÉRMICOS</p><p>Os elementos de liga influenciarão na temperatura de recozimento para o</p><p>alívio de tensões, em aços baixa liga, os valores típicos ficam entre 595 a 675 °C, já</p><p>aços alta liga, os valores podem ficar entre 900 a 1065 °C.</p><p>O tempo também é um fator importante a ser levado em conta no processo de</p><p>alívio de tensões, a Figura 24 traz a relação entre tempo e temperatura no processo de</p><p>alívio de tensões do aço.</p><p>FIGURA 24 – RELAÇÃO ENTRE TEMPO E TEMPERATURA NO ALÍVIO DE TENSÕES RESIDUAIS NO AÇO</p><p>FONTE: ASM (1991, s.p.)</p><p>Importante analisar que quanto maior for a temperatura de alívio de tensões,</p><p>menor será o tempo necessário de permanência. As três curvas ao centro da Figura</p><p>24 indicam três tempos de permanência diferente, de 1, 4 e 6 horas. Vimos que, para</p><p>um completo alívio de tensões, um tempo de 6 horas a temperatura de 700 °C foi</p><p>necessário, no entanto, nessa mesma temperatura, valores muito próximos podem</p><p>ser atingidos com 4 horas. Outro ponto é em uma temperatura de 350 °C, em um</p><p>período de 6 horas, se obtém apenas 50% do alívio de tensões, esse mesmo valor</p><p>pode ser atingido em 1 hora se elevarmos a temperatura para 400 °C.</p><p>Como vimos, a relação de tempo de permanência, bem como a temperatura</p><p>de recozimento será um fator preponderante para o processo de alívio de tensões.</p><p>2.4 RECOZIMENTO SUBCRÍTICO OU ESFEROIDIZAÇÃO</p><p>O recozimento subcrítico, também denominado esferoidização, é um</p><p>tratamento térmico que pode ser aplicado em aços de médio e alto carbono. Esses</p><p>aços, devido ao alto teor de C, apresentam razões apreciáveis de cementita, como</p><p>vimos em seções anteriores, é um composto intermetálico extremamente duro</p><p>e muito frágil. Desse modo, é necessário a aplicação de um tratamento térmico</p><p>adequado para melhorar a usinabilidade desses aços.</p><p>TÓPICO 3 — TRATAMENTOS TÉRMICOS EM AÇOS</p><p>169</p><p>O tratamento térmico de esferoidização, como o próprio nome já diz, visa</p><p>à formação de esferoidita ou cementita globulizada, justamente para diminuir a</p><p>dureza e melhorar a tenacidade, ductibilidade e usinabilidade desses aços.</p><p>O aquecimento é levado a uma temperatura em torno do chamado limite</p><p>inferior da zona crítica, e deixado nessa temperatura por longos períodos. Em</p><p>alguns casos, pode ser levado logo acima da zona crítica, visando à diminuição do</p><p>tempo de permanência, em que se mantém o aço por um período, com aquecimento</p><p>e resfriamento cíclicos acima de A1 e abaixo dela. Essas faixas de temperaturas já</p><p>foram demonstradas anteriormente na Figura 23. A microestrutura esferoidizada</p><p>pode ser observada na Figura 25.</p><p>FIGURA 25 – MICROESTRUTURA ESFEROIDIZADA DE AÇO 1,0%P C</p><p>FONTE: Totten (2006, p. 692)</p><p>3 NORMALIZAÇÃO</p><p>O tratamento térmico de normalização é muito semelhante ao recozimento,</p><p>principalmente, no que se diz respeitos aos seus objetivos. No entanto, duas</p><p>diferenças devem ser destacadas. A primeira delas diz respeito às etapas de</p><p>aquecimento e permanência na temperatura, que são maiores que as temperaturas</p><p>utilizadas no recozimento pleno. Na normalização, atingem-se temperaturas cerca</p><p>de 80 °C acima de A3 para aço hipoeuteoides e temperaturas também cerca de 80</p><p>°C acima de ACM para aços hipereutetoides. Essas faixas de temperaturas já foram</p><p>demonstradas anteriormente na Figura 21.</p><p>A segunda diferença é no resfriamento, que se dá ao ar, fora do forno,</p><p>resultando em uma microestrutura mais fina e com maior resistência mecânica.</p><p>Se estivermos falando de um aço eutetoide, o produto do tratamento térmico de</p><p>normalização será a perlita fina.</p><p>170</p><p>UNIDADE 3 — TRATAMENTOS TÉRMICOS</p><p>Um diagrama comparativo entre os ciclos de aquecimento e resfriamento</p><p>dos tratamentos de recozimento pleno e normalização pode ser observado na</p><p>Figura 26.</p><p>FIGURA 26 – COMPARAÇÃO DOS CICLOS DE TEMPO-TEMPERATURA</p><p>PARA NORMALIZAÇÃO E</p><p>RECOZIMENTO COMPLETO</p><p>FONTE: ASM (1991, s.p.)</p><p>No diagrama comparativo da Figura 26, podemos ver as diferenças dos</p><p>dois tratamentos térmicos, enquanto se atingem maiores temperaturas para a</p><p>normalização em detrimento ao recozimento pleno, também ocorre um resfriamento</p><p>mais brusco, ao ar, enquanto no recozimento pleno se tem um resfriamento</p><p>mais lento. O resultado será uma microestrutura mais refinada no processo de</p><p>normalização. A Figura 27 demonstra o comparativo da resistência mecânica para</p><p>um mesmo material que sofreu os dois tratamentos térmicos.</p><p>FIGURA 27 – GRÁFICO COMPARATIVO TENSÃO X DEFORMAÇÃO DO AÇO NORMALIZADO E</p><p>DO AÇO RECOZIDO PLENO</p><p>FONTE: O autor</p><p>TÓPICO 3 — TRATAMENTOS TÉRMICOS EM AÇOS</p><p>171</p><p>Como ilustrado no gráfico (Figura 27), o aço recozido terá maior ductilidade</p><p>do que o aço normalizado, enquanto o segundo terá maior resistência à tração. O</p><p>esquema do tratamento térmico de normalização, bem como a estrutura refinada</p><p>após o resfriamento está ilustrado na Figura 28.</p><p>FIGURA 28 – MICROESTRUTURAS DURANTE O TRATAMENTO TÉRMICO DE NORMALIZAÇÃO</p><p>DE UM AÇO HIPOEUTETOIDE</p><p>FONTE: Adaptada de <https://bit.ly/3qV4DwK>. Acesso em: 16 dez. 2020.</p><p>Antes do aquecimento é possível observar uma microestrutura composta</p><p>por perlita (grãos acinzentados) e ferrita (grãos claros), ao passo que sofre</p><p>aquecimento até a zona crítica, toda a estrutura é homogeneizada como austenita.</p><p>Após o resfriamento ao ar, a estrutura final conta com novos grãos livres de</p><p>imperfeições, que surgiram no processo de recristalização. Grãos de perlita (fina)</p><p>e ferrita também podem ser observados na microestrutura.</p><p>4 TÊMPERA</p><p>O tratamento térmico conhecido como têmpera requer um resfriamento</p><p>brusco, normalmente em meio aquoso ou óleo, para um tratamento ainda mais</p><p>veloz, uma solução aquosa de água + NaCl (salmoura) pode ser aplicada.</p><p>O objetivo do tratamento térmico de têmpera é obtenção de uma estrutura</p><p>mais rígida, neste caso, estamos falando da martensita. No entanto, alguns cuidados</p><p>devem ser tomados durante o tratamento térmico de têmpera e muitos fatores irão</p><p>alterar o resultado.</p><p>4.1 FATORES IMPORTANTES</p><p>Uma alta temperatura de austenitização irá resultar em uma austenita mais</p><p>homogênea. Conforme citamos anteriormente, essa alta temperatura desloca as curvas</p><p>TTT para a direita, favorecendo a criação de austenita, em outras palavras, o aumento</p><p>da temperatura de austenitização resulta em um aumento da temperabilidade de</p><p>liga, porém, com consequente redução da tenacidade pós-têmpera.</p><p>172</p><p>UNIDADE 3 — TRATAMENTOS TÉRMICOS</p><p>O tempo de austenitização também afetará a temperabilidade do aço, como</p><p>também já foi citado, o tempo também será responsável pela homogeneização da</p><p>austenita. Existe uma regra prática que se deve aquecer uma hora por polegada de</p><p>espessura na temperatura de austenitização.</p><p>Existe um ensaio específico para determinarmos a temperabilidade dos</p><p>materiais metálicos, é o ensaio Jominy.</p><p>4.2 ENSAIO JOMINY</p><p>Este ensaio consiste em aquecer a peça até o campo austenítico e que</p><p>toda sua estrutura esteja homogeneizada. O corpo de prova do ensaio Jominy é</p><p>cilíndrico, e logo após ser retirado do forno na temperatura desejada, é posto em</p><p>um jato d’água à temperatura de 24 °C em uma das suas extremidades, de forma a</p><p>se obter um gradiente de resfriamento. A Figura 29 traz uma ilustração do ensaio.</p><p>FIGURA 29 – (A) ILUSTRAÇÃO ESQUEMÁTICA DO ENSAIO JOMINY E (B) ENSAIOS DE DUREZA</p><p>PÓS-RESFRIAMENTO</p><p>FONTE: Callister Jr. e Rethwisch (2016, p. 363)</p><p>Temperabilidade diz respeito à facilidade que um material tem em formar</p><p>martensita. Diz-se que um aço possui alta temperabilidade, quanto mais para a direita (tempos</p><p>mais longos) sua curva TTT aparece no diagrama.</p><p>IMPORTANTE</p><p>TÓPICO 3 — TRATAMENTOS TÉRMICOS EM AÇOS</p><p>173</p><p>Após o resfriamento completo da peça, é feito um chanfro plano no corpo</p><p>cilíndrico seguido de vários ensaios de dureza Rockwell para determinação da</p><p>temperabilidade do material.</p><p>A Figura 30 ilustra a dureza retirada de quatro pontos diferentes no</p><p>ensaio, suas curvas de resfriamento também estão demonstradas.</p><p>FIGURA 30 – CURVAS DE RESFRIAMENTO DE 4 PONTOS NO ENSAIO JOMINY</p><p>FONTE: Smith e Hashemi (2013, p. 288)</p><p>O ponto A, mais próximo à extremidade da peça que sofreu o banho com o</p><p>jato de água, acabou produzindo uma estrutura martensítica, extremamente dura. O</p><p>ponto B, que está alguns milímetros mais afastado, obteve uma mistura de martensita</p><p>174</p><p>UNIDADE 3 — TRATAMENTOS TÉRMICOS</p><p>e perlita. O ponto C que se encontra cerca 0,5 polegada de distância da extremidade,</p><p>já obteve uma estrutura totalmente perlítica (fina), enquanto o ponto D, que está a 2,0</p><p>polegadas de distância da extremidade obteve uma estrutura de perlita grossa.</p><p>Dessa forma, quanto mais afastado da extremidade se conseguir a obtenção</p><p>de martensita, maior será a temperabilidade do aço em questão. Os elementos</p><p>de liga, como citamos anteriormente, de modo geral, deslocarão a curva para</p><p>direita, facilitando a obtenção de martensita. O gráfico da Figura 31 ilustra essa</p><p>temperabilidade dos aços alta liga.</p><p>FIGURA 31 – DIFERENTES CURVAS DE TEMPERABILIDADE DE AÇOS COM 0,4%P C</p><p>FONTE: Callister Jr. e Rethwisch (2016, p. 363)</p><p>Todos os aços apresentados na Figura 31 possuem a mesma composição</p><p>%p de C, no entanto, possuem elementos de liga distintos, com exceção do aço</p><p>AISI 1040, que é um aço não ligado e apresenta a menor temperabilidade entre</p><p>os aços apresentados. O aço que apresenta a melhor temperabilidade é o aço AISI</p><p>4340, com composição química 1,85%p Ni, 0,80%p Cr e 0,25 p Mo, além dos 0,4%p</p><p>C já citados. O diagrama TTT desse aço nós já estudamos nesta unidade, ele está</p><p>disponível na Figura 20 e é um aço facilmente temperável.</p><p>5 REVENIDO</p><p>Apesar de ser um dos tratamentos térmicos mais comuns, dificilmente,</p><p>na indústria, a têmpera é aplicada sozinha, isso porque a estrutura martensítica</p><p>criada é uma estrutura extremamente frágil e não possui tantas aplicações práticas,</p><p>devido ao alto grau de tensões internas provocadas por esse tratamento térmico.</p><p>TÓPICO 3 — TRATAMENTOS TÉRMICOS EM AÇOS</p><p>175</p><p>Neste sentido, surge o Revenimento, um tratamento térmico aplicado</p><p>pós-têmpera que visa ao alívio de tensões e aumento da ductilidade e tenacidade</p><p>dos aços temperados, renunciando a um certo grau de dureza. O tratamento</p><p>térmico de revenido está ilustrado na Figura 32.</p><p>FIGURA 32 – TRATAMENTO TÉRMICO DE TÊMPERA SEGUIDO DE REVENIDO</p><p>FONTE: Shackelford (2008, p. 234)</p><p>O revenido consiste em um aquecimento abaixo da temperatura eutetoide</p><p>pós-tratamento de têmpera para retirada das tensões internas provocadas pela</p><p>alteração microestrutural adifusional da austenita CFC em martensita TCC.</p><p>Segundo Chiaverini (1998), o revenido passa por diversos estágios,</p><p>vejamos eles a seguir. Em aços alto carbono, entre 25 e 100 °C, ocorre a segregação</p><p>e a redistribuição do carbono residual. Essa precipitação é pequena e pouco afeta</p><p>a dureza do material.</p><p>O 1° estágio do revenido ocorre entre 100 e 250 °C, quando acontece a</p><p>precipitação do carboneto de ferro ε, de fórmula Fe₂-3C, que possui reticulado</p><p>hexagonal; a dureza Rockwell começa a cair, podendo chegar a 60 HRC.</p><p>O 2° estágio ocorre entre 200 a 300 °C. Nesse estágio, a austenita retida na</p><p>martensita se transforma em bainita. Essa transformação ocorrerá apenas em aços</p><p>médio e alto carbono ligados. Nesse estágio, a dureza Rockwell continua a cair. A</p><p>dureza Rockwell segue decrescendo.</p><p>176</p><p>UNIDADE 3 — TRATAMENTOS TÉRMICOS</p><p>Entre 250 e 350 °C, ocorre o 3° estágio do revenido, onde acontece a</p><p>formação de outro carboneto metaestável (Fe₅C₂) em aços de alto carbono,</p><p>apresentando uma estrutura parecida com uma massa escura, que era chamada</p><p>“troostita”, atualmente, denominada de Carboneto de Hägg. No 3º estágio, a</p><p>dureza Rockwell segue caindo, atingindo valores próximos a 50 HRC.</p><p>Quando a temperatura atinge a faixa de 400 a 600 °C, a dureza Rockwell cai</p><p>para valores de 45 a 25 devido à recuperação das discordâncias</p><p>e os aglomerados</p><p>de cementita passam a uma forma esferoidal, ficando mantida uma estrutura de</p><p>ferrita fina acicular.</p><p>Para aços ligados contendo Ti, Cr, Mo, V, Nb ou W, ocorre a precipitação</p><p>de carboneto de liga correspondente entre 500 e 600 °C, essa transformação é o 4°</p><p>estágio do revenido.</p><p>Para temperaturas entre 600 e 700 °C, ocorrerá a ocorrer a recristalização</p><p>e o crescimento de grão. Nessa faixa de temperaturas, a cementita precipitada</p><p>apresenta forma nitidamente esferoidal “esferoidita”, caracterizando por ser</p><p>muito tenaz e apresentar baixa dureza, cerca de 5 a 20 HRC.</p><p>Como visto nos estágios denominados anteriormente, a temperatura de</p><p>revenido dependerá da combinação de propriedades mecânicas que se deseja no</p><p>aço temperado (CHIAVERINI, 1998).</p><p>A microestrutura obtida após o revenido é a martensita revenida. Ela</p><p>pode ser observada na Figura 33.</p><p>FIGURA 33 – MICROGRAFIA DA MARTENSITA REVENIDA A 594 °C</p><p>FONTE: Callister Jr. e Rethwisch (2016, p. 320)</p><p>A martensita TCC, que está saturada de carbono, após receber energia térmica,</p><p>acaba sofrendo o processo de difusão e se transforma em um microconstituinte</p><p>formado por duas fases, a ferrita e a cementita. Na micrografia, os pontos são de Fe₃C,</p><p>enquanto a matriz é ferrítica.</p><p>TÓPICO 3 — TRATAMENTOS TÉRMICOS EM AÇOS</p><p>177</p><p>Analisando a micrografia, você pode notar uma semelhança com a</p><p>esferoidita, no entanto, a partículas na martensita revenida são muito menores.</p><p>Além disso, a martensita revenida apresenta dureza apenas um pouco menor que</p><p>a martensita, porém apresenta maior tenacidade e ductilidade. Isso se explica por</p><p>haver grande quantidade de cementita na microestrutura dispersas em uma grande</p><p>área de matriz ferrítica. A ferrita apresenta elevada ductilidade e boa tenacidade,</p><p>enquanto as numerosas e pequenas partículas de Fe₃C aumentam a dureza do</p><p>material enquanto atuam como barreiras das discordâncias (CALLISTER JR.;</p><p>RETHWISCH, 2016).</p><p>A relação entre a temperatura de revenimento e a dureza obtida ao final do</p><p>processo, como já vimos, é muito importante. A seguir, na Figura 34, é apresentada</p><p>essa relação graficamente.</p><p>FIGURA 34 – RELAÇÃO DA DUREZA DA MARTENSITA REVENIDA EM FUNÇÃO DA</p><p>TEMPERATURA DO REVENIDO</p><p>FONTE: Disponível em: <https://bit.ly/3qV9wFO>. Acesso em: 16 dez. 2020.</p><p>Analisando o gráfico anterior (Figura 34) é possível perceber a clara</p><p>dependência da dureza em função da temperatura de revenido, nesse ponto é</p><p>visto que a queda de dureza é ainda mais acentuada para aços com maior teor de</p><p>C, visto que a maioria dos estágios do revenido ocorre para aços com maior %p C.</p><p>5.1 FRAGILIDADE AO REVENIDO</p><p>Apesar de muito importante para aplicação mecânica dos aços temperados,</p><p>o revenido também pode acarretar alguns problemas ao metal, se alguns cuidados</p><p>não forem observados.</p><p>178</p><p>UNIDADE 3 — TRATAMENTOS TÉRMICOS</p><p>A fragilidade do revenido, também conhecida como fragilidade ao</p><p>azul, é uma fragilização da estrutura que ocorre em determinados tipos de liga,</p><p>principalmente, aços ligados ao Cr, Mn e Ni, em uma determinada faixa de</p><p>temperatura, normalmente entre 375 e 575 °C.</p><p>Basicamente, a presença desses elementos de liga e de impurezas acabam</p><p>deslocando a transição dúctil-frágil para temperaturas significativamente mais</p><p>altas. Os elementos de liga e as impurezas segregam preferencialmente nesses</p><p>contornos de grão, desse modo, a propagação de trinca dos materiais fragilizados</p><p>é intergranular, ou seja, ocorre ao longo dos contornos dos grãos (CALLISTER JR.</p><p>E RETHWISCH, 2016).</p><p>A fragilidade de revenido pode ser evitada por:</p><p>• controle de composição; e/ou</p><p>• revenimento acima de 575 °C ou abaixo de 375 °C, seguido por têmpera até a</p><p>temperatura ambiente.</p><p>Além disso, a tenacidade de aços que se tornaram fragilizados pode ser</p><p>melhorada significativamente pelo aquecimento até cerca de 600 °C seguido de um</p><p>rápido resfriamento abaixo de 300 °C (CALLISTER JR.; RETHWISCH, 2016).</p><p>Além do revenido, outros tratamentos térmicos alternativos podem ser</p><p>aplicados ao aço, visando aliar dureza e certo grau de ductilidade e tenacidade.</p><p>Vejamos dois deles a seguir.</p><p>6 MARTÊMPERA</p><p>No tratamento térmico de martêmpera é feito um patamar de temperatura</p><p>durante o resfriamento, logo acima da temperatura de transformação martensítica.</p><p>O motivo desse patamar é justamente uniformizar as temperaturas no interior da</p><p>peça, de forma a diminuir a tensão residual proveniente do processo de têmpera.</p><p>Logo em seguida e feito um resfriamento total da peça.</p><p>Mais à frente, no texto da Leitura Complementar desta unidade, serão</p><p>abordadas mais informações sobre o fenômeno de fragilidade ao revenido, então não se</p><p>esqueça de conferir!</p><p>ESTUDOS FU</p><p>TUROS</p><p>TÓPICO 3 — TRATAMENTOS TÉRMICOS EM AÇOS</p><p>179</p><p>Após isso também é aplicado um tratamento de revenido. Um processo</p><p>semelhante, denominado martêmpera modificado, em que um patamar é aplicado</p><p>dentro da zona de martensítica, também seguido de resfriamento e posterior</p><p>revenido. A ilustração do diagrama do processo de martêmpera pode ser visto na</p><p>Figura 35.</p><p>FIGURA 35 – DIAGRAMA ILUSTRATIVO DO TRATAMENTO TÉRMICO DE MARTÊMPERA</p><p>SEGUIDO DE REVENIDO</p><p>FONTE: Shackelford (2008, p. 235)</p><p>Analisando o diagrama apresentado é possível observar que a transformação</p><p>martensítica ocorre ao mesmo tempo, no interior e na superfície da peça, diferente do</p><p>processo de têmpera convencional. Essa transformação homogênea irá diminuir as</p><p>tensões internas no material e diminuir problemas com empenamento e trincas.</p><p>7 AUSTÊMPERA</p><p>Outro método alternativo à têmpera convencional, visando justamente</p><p>acabar com problemas de trincas provenientes do processo, é a austêmpera.</p><p>Diferente da têmpera e da martêmpera, a vantagem da austêmpera é a remoção de</p><p>uma etapa posterior, o revenido. Isso ocorre, pois, o objetivo da austêmpera não é</p><p>formação de martensita, mas sim a formação de bainita. Dessa forma, é executado</p><p>um patamar de temperatura logo acima da temperatura de formação da martensita.</p><p>Ao invés de prosseguir com o resfriamento após homogeneização da</p><p>peça, como é feito na martêmpera, é feito um patamar mais longo, de forma a</p><p>toda a estrutura se transformar em bainita inferior. A ilustração do diagrama do</p><p>processo de austêmpera pode ser visto na Figura 36.</p><p>180</p><p>UNIDADE 3 — TRATAMENTOS TÉRMICOS</p><p>FIGURA 36 – DIAGRAMA ILUSTRATIVO DO TRATAMENTO TÉRMICO DE AUSTÊMPERA</p><p>FONTE: Shackelford (2008, p. 236)</p><p>Você deve ter percebido que para ilustração dos processos de têmpera,</p><p>martêmpera e austêmpera foi utilizado um diagrama TTT com aço de composição</p><p>eutetoide para simplificar o entendimento dos processos. No entanto, esses</p><p>tratamentos podem ser indicados às mais diferentes composições de ligas.</p><p>É claro que para algumas composições de liga, eles também podem não</p><p>ser recomendados. Podemos citar um caso estudado aqui, o do aço AISI 4340.</p><p>Se analisarmos o diagrama TTT desse aço, vemos que os elementos de ligas</p><p>promoveram um deslocamento do joelho de formação da bainita. Então, para esse</p><p>aço, não é necessário um tratamento isotérmico de austêmpera para a produção</p><p>de bainita. Um simples resfriamento contínuo no meio adequado irá promover o</p><p>aparecimento da estrutura bainítica.</p><p>8 PATENTEAMENTO</p><p>Existe outro tratamento isotérmico (em que aplicado um patamar de</p><p>temperatura) que vale a pena citar, o patenteamento. Nesse caso, o objetivo não</p><p>é a formação de martensita, ou martensita revenida ou até mesmo de bainita</p><p>inferior. No patenteamento, o objetivo é a formação de uma estrutura homogênea</p><p>de perlita fina ou até mesmo bainita superior. Uma ilustração do diagrama do</p><p>processo de patenteamento é apresentada, a seguir, na Figura 37.</p><p>TÓPICO 3 — TRATAMENTOS TÉRMICOS EM AÇOS</p><p>181</p><p>FIGURA 37 – DIAGRAMA TTT PARA O TRATAMENTO TÉRMICO DE PATENTEAMENTO DE UMA</p><p>LIGA FERROSA DE COMPOSIÇÃO EUTETOID</p><p>FONTE: Adaptada de Callister Jr. e Rethwisch (2016, p. 310)</p><p>Para atingir patamares de temperaturas maiores, o patenteamento é</p><p>realizado em banhos de chumbo ou algum sal fundido, com temperaturas que</p><p>variam</p><p>de 450 a 550 °C.</p><p>9 ENDURECIMENTO POR PRECIPITAÇÃO</p><p>Um tratamento térmico utilizado para aumentar a dureza e a resistência</p><p>mecânica de várias ligas é conhecido como Endurecimento por Precipitação.</p><p>Esse método consiste em aplicar o tratamento térmico adequado visando que</p><p>elementos da liga formem fases secundárias e precipitem-se de forma dispersa</p><p>na matriz metálica. Esse processo também é conhecido como endurecimento por</p><p>envelhecimento, pois o número de precipitados tende ao aumentar com o passar</p><p>do tempo ou como o nome diz, aumenta conforme a liga envelhece.</p><p>Para que o endurecimento por precipitação ocorra, são necessárias algumas</p><p>condições. É preciso que haja um limite de solubilidade apreciável de um elemento</p><p>no outro e que esse limite diminua rapidamente com a redução da temperatura.</p><p>Como visto, duas condições são necessárias para que ocorra o endurecimento</p><p>por precipitação. Dessa forma, podemos dividir esse processo em dois tratamentos</p><p>térmicos distintos, um tratamento térmico de solubilização e outro tratamento</p><p>térmico de precipitação. Vamos exemplificar esses dois tratamentos com base no</p><p>diagrama hipotético apresenta na Figura 38.</p><p>182</p><p>UNIDADE 3 — TRATAMENTOS TÉRMICOS</p><p>FIGURA 38 – DIAGRAMA DE FASES HIPOTÉTICA DE A E B</p><p>FONTE: Callister Jr. e Rethwisch (2016, p. 372)</p><p>9.1 TRATAMENTO TÉRMICO DE SOLUBILIZAÇÃO</p><p>O tratamento consiste em formar uma solução monofásica, dissolvendo todos</p><p>os átomos de um soluto. Neste caso, considere uma liga com composição C₀, composta</p><p>por α + β na temperatura ambiente (T₁), é aquecida até a temperatura T₀, conforme</p><p>Figura 38. O tempo de permanência na temperatura T0 deverá ser suficiente para que</p><p>toda a fase β seja dissolvida em α. Em seguida, é realizado um resfriamento rápido</p><p>até a temperatura T₁. O resultado será uma solução sólida da fase α supersaturada</p><p>átomos de B, uma vez que o resfriamento rápido não deu tempo suficiente para</p><p>que os átomos se reorganizassem e formassem a fase β rica em B, e como a taxa de</p><p>difusão, para a maioria das ligas, na temperatura ambiente são relativamente baixas,</p><p>os átomos de B permanecerão em solução sólida supersaturada de α. Vale destacar</p><p>que nesse estado a liga apresenta ductilidade relativamente alta e pouca resistência</p><p>mecânica (CALLISTER JR.; RETHWISCH, 2016).</p><p>9.2 TRATAMENTO TÉRMICO DE PRECIPITAÇÃO</p><p>O tratamento térmico por precipitação funciona da seguinte maneira:</p><p>a solução sólida α, que está supersaturada de átomos de B, é aquecida até uma</p><p>temperatura intermediária, que vamos chamar de T₂, que está em uma região bifásica</p><p>(α + β). Nesse faixa de temperaturas, após determinado tempo, precipitados finos</p><p>de β começam a se dispersar, pois a esta temperatura, há energia suficiente para</p><p>o processo de difusão. Após passado o tempo requerido, denominado tempo de</p><p>envelhecimento, ocorre o resfriamento até a temperatura ambiente (CALLISTER</p><p>JR.; RETHWISCH, 2016).</p><p>Os tratamentos térmicos de solubilização e precipitação estão ilustrados</p><p>graficamente na Figura 39.</p><p>TÓPICO 3 — TRATAMENTOS TÉRMICOS EM AÇOS</p><p>183</p><p>FIGURA 39 – ILUSTRAÇÃO GRÁFICA DE TEMPERATURA E FUNÇÃO DO TEMPO DOS TRATAMENTOS</p><p>TÉRMICOS DE SOLUBILIZAÇÃO E PRECIPITAÇÃO</p><p>FONTE: Callister Jr. e Rethwisch (2016, p. 373)</p><p>Os precipitados formados em T₂ são barreiras de discordância e elevam</p><p>o endurecimento da liga. A resistência mecânica irá crescer ao longo do tempo</p><p>até atingir um máximo, então começará a decrescer. Essa redução na resistência</p><p>mecânica e na dureza que ocorre após longos períodos é conhecida como</p><p>superenvelhecimento (CALLISTER JR.; RETHWISCH, 2016).</p><p>No superenvelhecimento, os precipitados formados são mais grosseiros, em</p><p>comparação aos finos precipitados produzidos no envelhecimento. Essa estrutura</p><p>mais grosseira é menos eficaz como barreira do movimento de discordâncias,</p><p>levando a uma menor resistência mecânica, se comparada a da liga envelhecida</p><p>(SHACKELFORD, 2008). O processo de superenvelhecimento está ilustrado na</p><p>Figura 40.</p><p>FIGURA 40 – ILUSTRAÇÃO DA PRECIPITAÇÃO NO PROCESSO DE SUPERENVELHECIMENTO</p><p>FONTE: Shackelford (2008, p. 240)</p><p>184</p><p>UNIDADE 3 — TRATAMENTOS TÉRMICOS</p><p>Os precipitados maiores, demonstrados na Figura 40, formados por</p><p>resfriamento lento afetam muito pouco a dureza da liga. A influência da temperatura</p><p>em função do tempo de envelhecimento está demonstrada na Figura 41.</p><p>FIGURA 41 – INFLUÊNCIA DO TEMPO DE ENVELHECIMENTO NA RESISTÊNCIA MECÂNICA OU</p><p>DUREZA DE UMA LIGA ENVELHECIDA OU SUPERENVELHECIDA</p><p>FONTE: Callister Jr. e Rethwisch (2016, p. 374)</p><p>Dessa forma, é possível obter diferentes propriedades mecânicas para</p><p>diferentes microestruturas, dependendo do uso do tratamento térmico adequado.</p><p>TÓPICO 3 — TRATAMENTOS TÉRMICOS EM AÇOS</p><p>185</p><p>FRAGILIZAÇÃO AO REVENIDO</p><p>Introdução</p><p>A fragilização ao revenido é a redução da tenacidade, em temperaturas</p><p>próximas do ambiente, devido à alteração metalúrgica, que pode ocorrer em</p><p>alguns aços de baixa liga Cr-Mo, como resultado da exposição em longo prazo na</p><p>faixa de temperaturas de 340 °C a 580 °C.</p><p>Essa alteração causa um deslocamento para cima na temperatura de</p><p>transição dúctil-frágil do aço, conforme pode ser constatado pelo teste de impacto</p><p>tipo Charpy. Embora a perda de tenacidade não seja evidente na temperatura de</p><p>operação, o equipamento que é fragilizado pelo revenido pode ser suscetível a</p><p>fraturas frágeis, nas temperaturas baixas, que ocorrem durante a partida e a parada.</p><p>A fragilização ao revenido é um processo de perda de tenacidade que os</p><p>aços baixa liga Cr-Mo, tipicamente utilizados na fabricação de vasos, reatores</p><p>e permutadores de calor de alta pressão, apresentam quando expostos durante</p><p>algum tempo a temperaturas entre 340 °C e 580 °C, sendo função da composição</p><p>química do aço, presença de elementos fragilizantes, tais como Si, Mn, P, Sn, Sb e</p><p>As, e da microestrutura do aço.</p><p>As características mais marcantes são:</p><p>• A fragilização por revenido é uma mudança metalúrgica que não é prontamente</p><p>aparente, mas pode ser confirmada e monitorada através de testes de impacto</p><p>em corpos de prova do aço.</p><p>• Danos causados por fragilização ao revenido podem resultar em fratura frágil</p><p>e danos catastróficos.</p><p>• A fragilização ao revenido é caracterizada por um deslocamento para cima na</p><p>temperatura de transição dúctil-frágil, medida em um teste de impacto Charpy</p><p>com entalhe em V (V notch), em comparação com o material não fragilizado.</p><p>• Manifesta-se por uma fragilização intergranular sob altas taxas de deformação</p><p>em temperaturas abaixo de 175 °C, devido à precipitação de impurezas</p><p>nos contornos de grãos, com aumento na temperatura de transição do</p><p>comportamento dúctil-frágil.</p><p>• Em geral, o nível máximo de fragilização ocorre após cerca de 50.000 horas</p><p>de operação.</p><p>• As fractografias de microscopia eletrônica de material fragilizado com</p><p>severidade pelo revenido mostram principalmente trincas intergranulares</p><p>devido à presença e segregação de impurezas nos limites de grãos.</p><p>LEITURA COMPLEMENTAR</p><p>186</p><p>UNIDADE 3 — TRATAMENTOS TÉRMICOS</p><p>Os fatores críticos desse mecanismo de deterioração são:</p><p>• Composição do aço liga; histórico térmico do material (tratamentos térmicos</p><p>durante a fabricação); temperatura de trabalho do metal e tempo de exposição</p><p>são fatores críticos.</p><p>• A suscetibilidade à fragilização ao revenido é largamente determinada pela</p><p>presença dos elementos de liga tais como Manganês e Silício, e os elementos</p><p>considerados impurezas Fósforo, Estanho, Antimônio e Arsênico.</p><p>• A fragilização pelo revenido de aços 2.25Cr-1Mo se desenvolve mais</p><p>rapidamente a 482 °C (900 °F) do que na faixa de 427 °C a 440 °C (800 °F a 850</p><p>°F), mas o dano é mais severo após exposição em longo prazo a 440 °C (850 °F).</p><p>• Algumas fragilizações podem ocorrer durante os tratamentos térmicos de</p><p>fabricação, mas a maioria dos danos ocorre ao longo de muitos anos de serviço</p><p>na faixa de temperatura de fragilização.</p><p>• Essa forma de dano, fragilização pelo revenido, reduz significativamente a</p><p>integridade estrutural de um componente contendo</p><p>uma trinca, devido à</p><p>perda de tenacidade.</p><p>Os materiais afetados são os seguintes:</p><p>• Principalmente os aços de baixa liga 2.25Cr-1Mo, 3Cr-1Mo (em menor grau) e</p><p>a aços de baixa liga de alta resistência como os aços Cr-Mo-V.</p><p>• Os aços 2.25Cr-1Mo de geração mais antiga, isto é, fabricados antes de 1972</p><p>podem ser particularmente suscetíveis.</p><p>• Os aços liga C-0.5Mo, 1Cr-0.5Mo e 1.25Cr-0.5Mo não são significativamente</p><p>afetados pela fragilização ao revenido. Entretanto, outros mecanismos de</p><p>danos causados por altas temperaturas promovem mudanças que podem</p><p>alterar a tenacidade ou ductilidade em alta temperatura desses materiais.</p><p>Consulte as Normas API 934-C e API 934-D para informações adicionais.</p><p>• Os materiais consumíveis de solda são geralmente mais afetados.</p><p>Prevenção da fragilização pelo revenido em materiais existentes</p><p>A fragilização por revenido não pode ser evitada se o material contiver</p><p>níveis críticos de impurezas de elementos fragilizantes e está exposto na faixa de</p><p>temperatura de fragilização, 340 ºC e 580 °C.</p><p>a) Para minimizar a possibilidade de fratura frágil durante a partida e parada,</p><p>muitos refinadores usam sequência de pressurização própria para limitar</p><p>a pressão do sistema a cerca de 25% da pressão máxima de projeto, em</p><p>temperaturas abaixo de uma Temperatura Mínima de Pressurização (MPT –</p><p>Minimum Pressurization Temperature). Note que o MPT não é um único ponto,</p><p>mas sim um faixa de pressão-temperatura que define condições seguras de</p><p>operação, para minimizar a probabilidade de fratura frágil.</p><p>TÓPICO 3 — TRATAMENTOS TÉRMICOS EM AÇOS</p><p>187</p><p>b) A MPT geralmente varia de 171 ºC (350 ºF) para os aços mais antigos e mais</p><p>altamente fragilizados, até abaixo de 52 ºC (125 ºF) ou menos para aços mais</p><p>novos, resistentes à fragilização ao revenido.</p><p>c) Se forem necessários reparos de solda, os efeitos da fragilização por revenido</p><p>podem ser temporariamente revertidos por aquecimento a 620 °C (1150 °F) por</p><p>duas horas por polegada de espessura, e resfriamento rápido à temperatura</p><p>ambiente. É importante notar que a refragilização ocorrerá ao longo do tempo,</p><p>se o material é reexposto à faixa de temperatura de fragilização.</p><p>FONTE: Adaptado de <http://www.petroblog.com.br/wp-content/uploads/Fragiliza%C3%A7%-</p><p>C3%A3o-ao-revenido.pdf>. Acesso em: 17 dez. 2020.</p><p>188</p><p>RESUMO DO TÓPICO 3</p><p>Neste tópico, você aprendeu que:</p><p>• Diversos tratamentos térmicos podem ser aplicados em aços.</p><p>• Os principais tratamentos térmicos aplicados em aços são recozimento,</p><p>normalização, têmpera, revenido, martêmpera e austêmpera.</p><p>• O objetivo do recozimento é alívio de tensões residuais, aumento da</p><p>tenacidade, ductilidade e usinagem do material, bem como a produção de</p><p>microestrutura específica, e seu resfriamento é feito dentro do forno.</p><p>• O tratamento de recozimento pode ser dividido em pleno, subcrítico, alívio</p><p>de tensões e em caixa. Os três primeiros diferenciam-se pelos patamares de</p><p>temperaturas aplicados enquanto o último diz respeito a atmosfera protetora</p><p>que é aplicada.</p><p>• O microconstituinte esferoidita é o produto do recozimento para esferoidização.</p><p>• O processo de normalização é muito semelhante ao recozimento pleno,</p><p>porém com o objetivo de formação de uma estrutura mais refinada e com</p><p>melhores propriedades de resistência mecânica e dureza. O seu resfriamento</p><p>é realizado ao ar.</p><p>• O tratamento térmico de têmpera constitui-se de um resfriamento brusco</p><p>visando à obtenção de martensita, normalmente é realizado em meio aquoso</p><p>ou em óleo, ou até mesmo em salmoura.</p><p>• A temperabilidade é a facilidade do material em produzir martensita através</p><p>do seu resfriamento e que essa propriedade é afetada pela temperatura e</p><p>tempo de austenitização, bem como os elementos de ligas do material.</p><p>• O ensaio Jominy é o ensaio realizado para verificar a temperabilidade da peça</p><p>e ele consiste em um corpo de prova cilíndrico que exposto a um jato de água</p><p>à temperatura ambiente. Posteriormente, são feitas marcações para verificar</p><p>a dureza do material.</p><p>• Apesar de muito aplicada na indústria, dificilmente o produto da têmpera é</p><p>utilizado sem o tratamento térmico de revenimento.</p><p>• O revenido tem diversos estágios em função da temperatura, e o que definirá</p><p>a temperatura de revenido será a dureza final pretendida.</p><p>• A fragilidade ao revenido ocorre normalmente em aços ligados, devido à</p><p>segregação dos elementos de liga e de impurezas no contorno de grão, em</p><p>uma faixa específica de temperaturas.</p><p>189</p><p>Ficou alguma dúvida? Construímos uma trilha de aprendizagem</p><p>pensando em facilitar sua compreensão. Acesse o QR Code, que levará ao</p><p>AVA, e veja as novidades que preparamos para seu estudo.</p><p>CHAMADA</p><p>• O produto da têmpera é a martensita, enquanto o produto do revenido é a</p><p>martensita revenida.</p><p>• O tratamento de martêmpera é uma alternativa ao tradicional tratamento de</p><p>têmpera, onde um patamar de temperatura é executado acima da temperatura</p><p>martensítica, com o objetivo de homogeneizar a temperatura de toda a peça,</p><p>seguido de um resfriamento.</p><p>• A austêmpera é outro tratamento alternativo à têmpera, que visa à obtenção</p><p>de uma estrutura bainítica, através de um patamar mais longo, logo acima da</p><p>temperatura de transformação martensítica.</p><p>• O tratamento de patenteamento visa à obtenção de perlita fina ou bainita</p><p>superior, através de um patamar em temperaturas próximas a 450 e 500 °C.</p><p>• O endurecimento por envelhecimento pode ocorrer através de dois</p><p>tratamentos térmicos distintos, de solubilização e de precipitação.</p><p>190</p><p>1 O tratamento térmico de têmpera tem uma grande importância industrial.</p><p>A têmpera em aços ligas altera propriedades mecânicas. Sobre a têmpera,</p><p>assinale a alternativa CORRETA:</p><p>FONTE: <https://bit.ly/3pTYfEq>. Acesso em: 10 fev. 2021.</p><p>a) ( ) A têmpera produz um aumento da ductilidade de ligas de aço.</p><p>b) ( ) A têmpera provoca uma redução das tensões internas.</p><p>c) ( ) A têmpera reduz a resistência à tração.</p><p>d) ( ) A têmpera aumenta a dureza.</p><p>2 Os tratamentos térmicos em metais consistem em um aquecimento e</p><p>resfriamento realizado, com o intuito de alterar as suas propriedades físicas</p><p>e mecânicas, sem mudar sua composição química. No que diz respeito aos</p><p>tratamentos térmicos, analise as sentenças a seguir:</p><p>FONTE: Adaptado de <https://www.qconcursos.com/questoes-de-concursos/disciplinas/</p><p>mecanica-mecanica/questoes?page=29>. Acesso em: 10 fev. 2021.</p><p>I- O alívio de tensões surgidas nos trabalhos de deformação a frio, soldagem</p><p>ou usinagem em materiais metálicos é feito com a têmpera.</p><p>II- Recozimento é um processo de tratamento térmico do aço destinado à</p><p>obtenção de dureza, diminuindo seu desgaste, e baseia-se no resfriamento</p><p>brusco após o aço ser retirado do forno.</p><p>III- O revenimento tem a finalidade de corrigir a dureza excessiva da têmpera</p><p>e aliviar ou remover as tensões internas. O revenimento é, portanto, um</p><p>processo sempre posterior à têmpera.</p><p>Assinale a alternativa CORRETA:</p><p>a) ( ) Somente a sentença I está correta.</p><p>b) ( ) Somente a sentença II está correta.</p><p>c) ( ) Somente a sentença III está correta.</p><p>d) ( ) As sentenças II e III estão corretas.</p><p>3 O tratamento térmico de recozimento possui algumas variações, dependendo</p><p>da estrutura que se deseja obter. Neste sentido, explique o que é o recozimento</p><p>subcrítico? Qual é a estrutura que se deseja obter?</p><p>4 Quais são as diferenças na temperatura de aquecimento entre os tratamentos</p><p>de normalização, recozimento pleno e esferoidização? Por que no recozimento</p><p>pleno não se utiliza o aquecimento acima da linha Acm?</p><p>5 A temperabilidade é a capacidade do material em formar martensita. Quais são</p><p>os fatores que afetam a temperabilidade dos aços? De que forma eles agem?</p><p>AUTOATIVIDADE</p><p>191</p><p>6 Normalmente, quando falamos do tratamento térmico de têmpera, devemos</p><p>também falar do tratamento térmico de revenimento. Neste sentido, qual é</p><p>a função do revenido? Disserte sobre a fragilidade ao azul.</p><p>7 No diagrama TRC (CCT) a seguir, desenhe as curvas que geram os tratamentos</p><p>de normalização, recozimento</p><p>pleno e têmpera (seguido de revenido). Qual é</p><p>o objetivo e quais são as estruturas resultantes de cada tratamento?</p><p>FONTE: Adaptado de Callister Jr. e Rethwisch (2016)</p><p>FONTE: Adaptado de Callister Jr. e Rethwisch (2016)</p><p>192</p><p>8 Tratamentos térmicos nos aços é uma prática comum realizada, com o</p><p>objetivo de alterar os níveis de resistência mecânica, dureza, ductilidade e</p><p>tenacidade. Dessa forma, com relação aos tratamentos térmicos, assinale a</p><p>alternativa CORRETA:</p><p>FONTE: Adaptado de <https://bit.ly/2MmUcmz>. Acesso em: 10 fev. 2021>.</p><p>a) ( ) Os tratamentos térmicos apenas são realizados quando se deseja</p><p>aumentar a dureza e a resistência mecânica dos aços.</p><p>b) ( ) Em composição de 0,76% de C, a microestrutura formada pelo</p><p>resfriamento lento e controlado do aço consiste em camadas alternadas</p><p>de ferrita e cementita. Essa estrutura é conhecida por perlita.</p><p>c) ( ) Temperabilidade é um termo empregado para descrever a habilidade</p><p>de uma liga ser endurecida pela formação da cementita.</p><p>d) ( ) Ligas de aço hipereutetoides contém entre 0,0022% e 0,76% de carbono</p><p>em sua composição.</p><p>193</p><p>REFERÊNCIAS</p><p>ASM International. Asm handbook: Heat Treating.10. ed. Russell Township:</p><p>ASM Intl, 1991.</p><p>CALLISTER JR; W. D.; RETHWISCH, D. G. Ciência e engenharia de materiais:</p><p>uma introdução. 9. ed. São Paulo: LTC, 2016.</p><p>CHIAVERINI, V. Aços e ferros fundidos. 7. ed. São Paulo: ABM, 2008.</p><p>CHIAVERINI, V. Aços e ferros fundidos. 6. ed. São Paulo: ABM, 1998.</p><p>SHACKELFORD, J. F. Introdução à ciência dos materiais. 6. ed. São Paulo: Pearson</p><p>Education do Brasil, 2008.</p><p>SMITH, W. F.; HASHEMI, J. Fundamentos de engenharia e ciência dos materiais.</p><p>Porto Alegre: AMGH, 2013.</p><p>TOTTEN, G. E. Steel heat treatment handbook. 2. ed. Boca Raton: Taylor & Francis</p><p>Group, 2006.</p><p>utilizados para a</p><p>construção mecânica e suas principais propriedades.</p><p>UNIDADE 1 — MATERIAIS PARA CONSTRUÇÃO MECÂNICA</p><p>4</p><p>2 CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS</p><p>Os materiais podem ser divididos em dois grandes grupos, como materiais</p><p>metálicos ou não metálicos. Os materiais metálicos costumam se subdividir entre</p><p>ferros e não ferrosos enquanto os materiais não metálicos são subdivididos em</p><p>orgânicos ou não orgânicos. A Figura 2 ilustra esta classificação.</p><p>FIGURA 2 – CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS</p><p>FONTE: Silva e Avanzi (2011, p. 23)</p><p>Além dessa classificação geral, é comum vermos os materiais sendo</p><p>divididos em quatro grandes grupos, por apresentarem propriedades semelhantes</p><p>entre si. E serão esses quatro grandes grupos que veremos a seguir:</p><p>• materiais metálicos;</p><p>• materiais cerâmicos;</p><p>• materiais poliméricos;</p><p>• materiais compósitos.</p><p>Exatamente com base nessa classificação, é possível verificar uma</p><p>tendência da utilização desses materiais com o passar dos anos e a evolução</p><p>tecnológica desde a antiguidade até os dias atuais.</p><p>Já comentamos sobre as eras da pré-história e história da humanidade</p><p>e como esses materiais influenciaram esses períodos. Na figura a seguir, Ashby</p><p>(2005) traça um paralelo temporal demonstrando a importância de cada tipo</p><p>material com o passar dos anos. Importante salientar que a figura não está em</p><p>escala linear, porém é facilmente perceptível a importância relativa que o material</p><p>vem tendo ao longo dos anos.</p><p>TÓPICO 1 — CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS PARA CONSTRUÇÃO MECÂNICA</p><p>5</p><p>FIGURA 3 – IMPORTÂNCIA RELATIVA DOS MATERIAIS AO LONGO DOS ANOS</p><p>FONTE: Adaptada de Ashby (2005, p. 5)</p><p>Como pode ser visualizado na Figura 3, os polímeros naturais e os</p><p>materiais cerâmicos tiveram grande importância nos primórdios da humanidade.</p><p>A partir da descoberta dos metais, sua importância, devido as suas propriedades,</p><p>(que abordaremos mais à frente) foi aumentando gradualmente, quando teve seu</p><p>ápice na década de 1950. É fácil observar que nos dias atuais, apesar da grande</p><p>importância relativa que os metais ainda detêm, há um equilíbrio nessa escala de</p><p>importância entre os demais tipos. Polímeros, compósitos e cerâmicos voltaram a</p><p>ter destaque devido aos avanços tecnológicos, tendo sua importância reconhecida</p><p>nas mais diversas aplicações.</p><p>A seguir, veremos a principais propriedades e características de cada</p><p>tipo de material, e poderemos discernir por que cada tipo de material possui</p><p>propriedades únicas que os tornam essenciais em cada aplicação.</p><p>3 MATERIAIS METÁLICOS</p><p>Ao falarmos de materiais para aplicação em construção mecânica, o</p><p>primeiro que nos vem à mente são os materiais metálicos. Esse tipo de material</p><p>tem características que o tornam o mais versátil para este tipo de aplicação.</p><p>Shackelford (2008) nos traz um exemplo de um típico material metálico de</p><p>construção, para elucidar as principais propriedades desta classe de material, o aço</p><p>estrutural. O autor destaca justamente que se trata de um material forte, ou seja,</p><p>possui uma boa resistência mecânica e é facilmente moldado à aplicação. Esse tipo</p><p>de material também possui uma boa ductilidade, isso quer dizer que possui uma</p><p>deformação extensa e permanente, diferentemente dos materiais vitrocerâmicos,</p><p>que são extremamente frágeis, ou seja, não sofrem significativa deformação, não</p><p>possuindo a fase plástica e sofrem ruptura brusca. O gráfico da Figura 4 demonstra</p><p>exatamente a diferença desses dois tipos de comportamento.</p><p>UNIDADE 1 — MATERIAIS PARA CONSTRUÇÃO MECÂNICA</p><p>6</p><p>FIGURA 4 – GRÁFICO TENSÃO X DEFORMAÇÃO PARA A) UM MATERIAL COM COMPORTAMENTO</p><p>TIPICAMENTE FRÁGIL; E B) UM MATERIAL COM COMPORTAMENTO TIPICAMENTE DÚCTIL</p><p>FONTE: O autor</p><p>Os metais ainda se destacam por outra característica bastante importante, a</p><p>facilidade de condução de energia, tanto térmica quanto elétrica, ou seja, são ótimos</p><p>condutores de calor e eletricidade. Estas propriedades estão fundamentalmente</p><p>associadas ao seu tipo de ligação, conhecida como ligações metálicas. Basicamente,</p><p>esse tipo de ligação química apresenta subníveis de energia incompletos, onde os</p><p>elétrons estão livres para transitar pela estrutura cristalina, esses elétrons livres das</p><p>ligações metálicas formam o que é chamado de “nuvem de elétrons”.</p><p>As ligações metálicas que ocorrem em metais também são responsáveis</p><p>por boa parte das demais características, como ponto de fusão relativamente alto</p><p>e densidade superior se comparado as demais ligações químicas.</p><p>Com relação ao ponto de fusão, a verdade é que os metais apresentam uma</p><p>ampla faixa de pontos de fusão, e isso dependerá da energia de ligação envolvida</p><p>na ligação metálica. O mercúrio (Hg), por exemplo, é o único metal que existe na</p><p>forma líquida à temperatura ambiente e pressão atmosférica, pois apresenta uma</p><p>ligação metálica com baixa energia de ligação, de 68 kJ/mol tendo um ponto de</p><p>fusão de -39 °C, por outro lado, nós temos o tungstênio, com energia de ligação</p><p>de 850 kJ/mol e um ponto de fusão 3410 °C, sendo esse o metal de maior ponto de</p><p>fusão e o segundo ponto de fusão mais alto entre os demais elementos, perdendo</p><p>apenas para o carbono.</p><p>Quais são os metais? Para isso, podemos dar uma olhada na Tabela</p><p>Periódica dos elementos químicos da próxima figura. Nela, estão destacados os</p><p>elementos metálicos.</p><p>TÓPICO 1 — CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS PARA CONSTRUÇÃO MECÂNICA</p><p>7</p><p>FIGURA 5 – TABELA PERIÓDICA DOS ELEMENTOS QUÍMICOS, COM DESTAQUE PARA</p><p>ELEMENTOS METÁLICOS EM CINZA</p><p>FONTE: Adaptada de Shackelford (2008, p. 4)</p><p>Como é possível observar na Figura 5, os elementos metálicos são a</p><p>maioria dos elementos presentes na tabela periódica dos elementos químicos, com</p><p>aproximadamente 2/3 da quantidade de elementos existentes.</p><p>Uma coisa que tem que ficar clara, elemento metálico é diferente de</p><p>material metálico, afinal, a maioria dos materiais metálicos que utilizamos são o</p><p>que chamamos de ligas metálicas, ou seja, é a junção de dois ou mais elementos,</p><p>sendo pelo menos um deles, um elemento metálico, formando, assim, uma</p><p>ligação metálica. O próprio aço é uma liga metálica, sendo composto de ferro (Fe)</p><p>e carbono (C), mas esse é um assunto para outro tópico de outra unidade, em que</p><p>abordaremos a fundo o diagrama Fe-C.</p><p>Mais à frente, ainda, nesta unidade, abordaremos a estrutura e os defeitos</p><p>presentes em metais.</p><p>8</p><p>Neste tópico, você aprendeu que:</p><p>• A História humana está intrinsicamente ligada ao desenvolvimento e avanço</p><p>dos materiais de sua época.</p><p>• Os materiais estão divididos em quatro grandes grupos:</p><p>o materiais metálicos;</p><p>o materiais cerâmicos;</p><p>o materiais poliméricos;</p><p>o materiais compósitos.</p><p>• Há um equilíbrio na escala de importância entre os quatro grupos e que cada</p><p>material possui uma aplicação distinta devido as suas características.</p><p>• As propriedades de cada material estão intimamente ligadas ao seu tipo de</p><p>ligação atômica.</p><p>• Elementos metálicos fazem parte da maioria dos elementos presentes na</p><p>tabela periódica.</p><p>• Nos materiais metálicos destacam-se a facilidade de condução de energia,</p><p>tanto térmica quanto elétrica, sua boa resistência mecânica e boa ductilidade.</p><p>RESUMO DO TÓPICO 1</p><p>9</p><p>1 Você aprendeu que os materiais evoluíram com a humanidade ao passar dos</p><p>anos, devido aos avanços tecnológicos. Pode-se dividi-los em quatro grandes</p><p>classes de materiais. Com base no exposto, analise as sentenças a seguir:</p><p>I- Cerâmico.</p><p>II- Metálicos.</p><p>III- Poliméricos.</p><p>IV- Compósitos.</p><p>V- Plásticos.</p><p>Assinale a alternativa CORRETA:</p><p>a) ( ) As sentenças I, II, III e IV estão corretas.</p><p>b) ( ) As sentenças II, III, IV e V estão corretas.</p><p>c) ( ) As sentenças I, III, IV e V estão corretas.</p><p>d) ( ) As sentenças I, II, IV e V estão corretas.</p><p>2 Dentro das classes de materiais, temos os materiais metálicos que são</p><p>combinações de elementos metálicos com outros elementos. Dessa forma,</p><p>eles estão ligados por um tipo específico de ligações química. Que ligação é</p><p>esta? Disserte sobre ela.</p><p>3 Estudamos a importância dos materiais no desenvolvimento da humanidade.</p><p>Podemos dividir esses</p><p>materiais em metálicos e não metálicos. Nesse contexto,</p><p>assinale a alternativa CORRETA:</p><p>a) ( ) Materiais metálicos apresentam tipicamente um comportamento</p><p>de elevada resistência mecânica e elevada fragilidade, por isso são</p><p>comumente aplicados como materiais para construção mecânica.</p><p>b) ( ) Os materiais podem ser divididos em materiais metálicos e não metálicos,</p><p>sendo que a maioria dos elementos presentes na tabela periódica são</p><p>não metálicos.</p><p>c) ( ) O aço estrutural é exemplo típico de um material não metálico.</p><p>d) ( ) O comportamento tipicamente dúctil aliado a uma boa resistência</p><p>mecânica e uma ampla faixa de pontos de fusão, são características dos</p><p>materiais metálicos.</p><p>AUTOATIVIDADE</p><p>10</p><p>11</p><p>TÓPICO 2 —</p><p>UNIDADE 1</p><p>MATERIAIS CERÂMICOS, VIDROS E VITROCERÂMICOS</p><p>1 INTRODUÇÃO</p><p>No tópico anterior, dividimos as matérias em quatro grandes classes,</p><p>inclusive já falamos sobre uma delas. Neste tópico, abordaremos uma nova classe</p><p>de material, que possui importância e aplicação desde os primórdios das espécies</p><p>até aplicações sofisticadas nos dias de hoje, falaremos sobre os materiais cerâmicos.</p><p>Por definição, cerâmicos são materiais inorgânicos e não metálicos, que</p><p>possuem em sua composição elementos metálicos e não metálicos, podendo ser</p><p>materiais cristalinos ou semicristalinos.</p><p>2 MATERIAIS CERÂMICOS</p><p>Para entendermos melhor um material cerâmico, vamos pegar um</p><p>exemplo clássico trazido por Shackelford (2008), o alumínio (Al). Sim, o alumínio</p><p>é um material metálico comum, porém em contato com oxigênio do próprio</p><p>ar atmosférico, ele sofre uma reação de oxidação, formando, assim, o óxido</p><p>de alumínio (Al₂O₃), um material cerâmico. Esse óxido possui características</p><p>comuns aos materiais cerâmicos, como estabilidade química a diversos meios,</p><p>diferente do próprio alumínio que reage com o próprio ar atmosférico, além de</p><p>uma elevada temperatura de fusão, 660 °C para o alumínio metálico enquanto o</p><p>óxido de alumínio possui uma temperatura de fusão de 2020 °C.</p><p>Nesse momento você pensa, alta temperatura de fusão e estabilidade</p><p>química, posso utilizar este material em substituição ao alumínio em motores</p><p>automotivos, certo? Não é bem por aí, precisamos analisar as outras propriedades</p><p>deste material.</p><p>O Al₂O₃, assim como comumente ocorre nos materiais cerâmicos em geral, é</p><p>um material muito duro, resistente a altas temperaturas e com grande estabilidade</p><p>química, porém extremamente frágil, o que o limita para muitas aplicações estruturais.</p><p>Você se lembra do gráfico na Figura 4(a)? Pois bem, esse é comportamento típico de</p><p>um material cerâmico, apresentando pouca ou nenhuma ductilidade.</p><p>Suas características citadas anteriormente se devem à natureza de suas</p><p>ligações químicas, de natureza iônica. Esse tipo de ligação química faz com que os</p><p>materiais cerâmicos sejam ainda excelentes isolantes térmicos, sendo aplicados há</p><p>resistores e capacitores com esta finalidade.</p><p>12</p><p>UNIDADE 1 — MATERIAIS PARA CONSTRUÇÃO MECÂNICA</p><p>3 CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS CERÂMICOS</p><p>Uma classificação bastante comum dos materiais cerâmicos é dividi-los em</p><p>4 categoriais: cerâmicas vermelhas, cerâmicas brancas, vidros e cerâmicas especiais.</p><p>A Figura 6 ilustra alguns tipos de materiais cerâmicos.</p><p>FIGURA 6 – DIFERENTES TIPOS DE MATERIAIS CERÂMICOS</p><p>FONTE: Silva e Avanzi (2011, p. 83)</p><p>Como exemplo de cerâmicas vermelhas temos telhas e tijolos, e como exemplo</p><p>de cerâmicas brancas temos azulejos, sanitários e porcelanas. Ambos os tipos detêm</p><p>em sua composição silicatos hidratados de alumínio, como caulinita, haloisita,</p><p>pirofilita e montmorilonita. A diferença de coloração provém da adição de óxido de</p><p>ferro, que concede ao material uma coloração avermelhada (SILVA; AVANZI, 2011).</p><p>Uma classificação mais ampla e bastante utilizada na indústria é classificar</p><p>esses materiais com base em sua aplicação. A Figura 7 apresenta essa classificação.</p><p>FIGURA 7 – CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS CERÂMICOS QUANTO A SUA CLASSIFICAÇÃO</p><p>FONTE: Adaptada do Callister Jr. e Rethwisch (2016, p. 467)</p><p>Para entender essa classificação quanto a sua aplicação, apresentada na</p><p>Figura 7, é importante entendermos a estrutura desses materiais.</p><p>TÓPICO 2 — MATERIAIS CERÂMICOS, VIDROS E VITROCERÂMICOS</p><p>13</p><p>4 ESTRUTURA DOS MATERIAIS CERÂMICOS</p><p>Os materiais cerâmicos, em escala atômica, são bastante semelhantes aos</p><p>metais, apresentando estrutura cristalina, com átomos ordenados formando um</p><p>retículo cristalino, que se repete através de um padrão regular. Ao mudar o método de</p><p>processamento desses materiais, podemos obter estruturas com arranjos não cristalinos,</p><p>ou seja, não apresentam um ordenamento dos seus átomos (SHACKELFORD, 2008).</p><p>A figura a seguir demonstra esses dois padrões de ordenamento.</p><p>FIGURA 8 – COMPARAÇÃO EM ESCALA ATÔMICA DE UMA (A) CERÂMICA CRISTALINA E DE UM (B)</p><p>VIDRO NÃO CRISTALINO. OS CÍRCULOS EM PREENCHIDOS EM PRETO APRESENTAM UM ÁTOMO</p><p>METÁLICO ENQUANTO OS CÍRCULOS VAZADOS REPRESENTAM UM ÁTOMO NÃO METÁLICO</p><p>FONTE: Shackelford (2008, p. 6)</p><p>4.1 VIDROS</p><p>O arranjo atômico não cristalino, encontrado na Figura 8(b), é de um material</p><p>de composição cerâmica, porém devido ao seu arranjo atômico irregular, recebem a</p><p>nomenclatura de vidros. Os vidros compartilham a fragilidade presente nas cerâmicas,</p><p>mas são importantes materiais de engenharia, por apresentaram a capacidade de</p><p>transmissão de luz visível, além de radiação ultravioleta e infravermelho, aliando</p><p>ainda a sua inércia química (SHACKELFORD, 2008).</p><p>É importante destacar que os materiais vítreos não se solidificam da</p><p>mesma maneira que os materiais cristalinos, pois não ocorre aquela mudança de</p><p>fase abrupta em uma temperatura de fusão específica. Na verdade, o que ocorre é</p><p>que os materiais vítreos, durante uma faixa de temperaturas, tornam-se cada vez</p><p>mais e mais viscosos, transformando-se em um material sólido não cristalino. Para</p><p>ilustrar esse entendimento, análise a figura a seguir.</p><p>14</p><p>UNIDADE 1 — MATERIAIS PARA CONSTRUÇÃO MECÂNICA</p><p>FIGURA 9 – COMPORTAMENTO DO VOLUME ESPECÍFICO EM FUNÇÃO DA TEMPERATURA</p><p>DOS MATERIAIS CRISTALINOS E NÃO CRISTALINOS</p><p>FONTE: Callister Jr. e Rethwisch (2016, p. 481)</p><p>Ao observar a Figura 9, podemos perceber a diferença do comportamento</p><p>do volume específico em relação à temperatura de ambos os tipos de materiais.</p><p>Analisando o resfriamento de material cristalino, é possível perceber que ao</p><p>atingir a temperatura de fusão (Tf), o material sobre uma queda robusta no seu</p><p>volume específico, isso se deve a sua transformação de fase, pois nesse ponto</p><p>material que antes estava no estado líquido, passa ao estado sólido exatamente</p><p>neste ponto. Em materiais não cristalinos, não observamos esse comportamento</p><p>em um único ponto, pois sua transição se dá durante uma faixa de temperatura,</p><p>de Tf até se tornar um sólido amorfo, na sua temperatura de transição vítrea (Tv).</p><p>Como explicado antes, esse comportamento se dá por o líquido super-resfriado</p><p>(abaixo de sua temperatura de fusão) passa a ter um comportamento cada vez</p><p>mais viscoso, até se transformar em vidro.</p><p>4.2 VITROCERÂMICOS</p><p>Um material mais avançado, também proveniente das cerâmicas, é o que</p><p>chamamos de vitrocerâmicos. Esses materiais são obtidos para certas composições</p><p>de vidro, por exemplo, os aluminossilicatos de lítio, através de um tratamento</p><p>térmico específico que consiste na cristalização controlada desses materiais,</p><p>contendo fase vítrea residual e fase cristalina.</p><p>Esses materiais vitrocerâmicos, muitas vezes atingem resistências mecânicas</p><p>superiores às cerâmicas cristalinas tradicionais além de um baixo coeficiente de</p><p>expansão térmica, sendo esses materiais muito utilizados em aplicações que</p><p>exigem alta resistência mecânica aliado à resistência ao choque-térmico. A Figura</p><p>10 apresenta uma micrografia de um material vitrocerâmico.</p><p>TÓPICO 2 — MATERIAIS CERÂMICOS, VIDROS E VITROCERÂMICOS</p><p>15</p><p>FIGURA 10 – MICROGRAFIA DE UM MATERIAL VITROCERÂMICO</p><p>FONTE: Callister Jr. e Rethwisch (2016, p. 469)</p><p>O material vitrocerâmico apresentado na Figura 10 apresenta</p><p>elevada</p><p>resistência mecânica e alta tenacidade, isso se deve as partículas longas e aciculares</p><p>que estão presentes no material em forma de lâmina.</p><p>4.3 CERÂMICAS REFRATÁRIAS</p><p>Outra classe importante, amplamente utilizada da indústria, são os</p><p>refratários, mas você sabe o que é um material refratário?</p><p>Diante disso, podemos dizer que um material refratário precisa apresentar</p><p>resistência a altas temperaturas e manter sua inércia química. Outra característica</p><p>importante, que é muito desejada em materiais refratários, é o seu isolamento</p><p>térmico, uma vez que sua aplicação se dá a elevadas temperaturas, é interessante</p><p>que ele possua a capacidade de reter a energia em forma de calor dentro de um</p><p>sistema, dificultando a troca de energia térmica com o meio externo.</p><p>Refratário: se olharmos a definição no dicionário, encontraremos que é aquilo</p><p>que resiste à ação física ou química. Trazendo essa definição para os materiais, podemos</p><p>dizer que o material refratário é aquele que mantém suas propriedades mesmo a altas</p><p>temperaturas, ou seja, ele mantém, não se funde nem se decompõe a elevadas temperaturas</p><p>(caraterísticas físicas) e ainda se mantém não reativo (características químicas).</p><p>IMPORTANTE</p><p>16</p><p>UNIDADE 1 — MATERIAIS PARA CONSTRUÇÃO MECÂNICA</p><p>A aplicação de materiais refratários se dá principalmente no revestimento</p><p>de fornos que necessitam atingir elevadas temperaturas, como no beneficiamento de</p><p>materiais metálicos, na fabricação de vidros, em tratamentos térmicos metalúrgicos</p><p>e na geração de energia (CALLISTER JR.; RETHWISCH, 2016). A Tabela 1 apresenta</p><p>a composição dos principais materiais refratários.</p><p>TABELA 1 – COMPOSIÇÃO DE CINCO MATERIAIS REFRATÁRIOS COMUNS</p><p>Tipo de</p><p>Material</p><p>Refratário</p><p>Composição (%p) Porosidade</p><p>Aparente</p><p>(%)Al₂O₃ SiO₂ Mg Cr₂O₃ Fe₂O₃ Chão TiO₂</p><p>Argila</p><p>Refratária 25-45 70-50 0-1 0-1 0-1 1-2 10-25</p><p>Argila</p><p>Refratária com</p><p>alto teor de</p><p>alumina</p><p>90-50 10-45 0,1 0-1 0-1 1-4 18-25</p><p>Sílica 0,2 96,3 0,6 2,2 25</p><p>Periclásio 1,0 3,0 90,0 0,3 3,0 2,5 22</p><p>Minério</p><p>periclásio-</p><p>cromo</p><p>9,0 5,0 73,0 8,2 2,0 2,5 21</p><p>FONTE: Callister Jr. e Rethwisch (2016, p. 470)</p><p>O desempenho do material refratário depende em grande parte da sua</p><p>composição. A porosidade é outra variável microestrutura que deve ser controlada</p><p>para a produção de um refratário adequado. Para se ter uma ideia, muitas propriedades</p><p>desejáveis em um material refratário aumentam com a diminuição da porosidade,</p><p>como a resistência mecânica, a capacidade de suportar carga e a resistência ao ataque</p><p>de materiais corrosivos. Em contrapartida, há aquelas propriedades desejáveis que</p><p>melhoram com o aumento da porosidade, como o isolamento térmico e a resistência</p><p>ao choque térmico. Nesse aspecto, é importante achar um valor ótimo, levando em</p><p>conta as condições de serviço (CALLISTER JR.; RETHWISCH, 2016).</p><p>4.4 CERÂMICAS ABRASIVAS</p><p>As cerâmicas abrasivas são materiais que apresentam elevada dureza</p><p>e resistência ao desgaste. Devido a essas propriedades, esses materiais são</p><p>aplicados para desgastar, polir ou cortar outros materiais de menor dureza.</p><p>Outra exigência importante para essa aplicação é a tenacidade, pois as partículas</p><p>abrasivas não devem fraturar com facilidade. Outra característica importante é</p><p>que devido ao atrito das forças abrasivas ocorre o aumento da temperatura em</p><p>serviço desses materiais, dessa forma, é interessante que os materiais cerâmicos</p><p>abrasivos apresentem certa refratariedade (CALLISTER JR.; RETHWISCH, 2016).</p><p>A Figura 11 apresenta a microestrutura de um abrasivo cerâmico.</p><p>TÓPICO 2 — MATERIAIS CERÂMICOS, VIDROS E VITROCERÂMICOS</p><p>17</p><p>FIGURA 11 – MICROGRAFIA DE UM MATERIAL ABRASIVO CERÂMICO À BASE DE ÓXIDO DE</p><p>ALUMÍNIO AMPLIAÇÃO 100X</p><p>FONTE: Callister Jr. e Rethwisch (2016, p. 470)</p><p>Analisando a micrografia da Figura 11, é possível observar os grãos</p><p>de óxido de alumínio (regiões claras), bem como a fase ligante e a porosidade</p><p>(regiões cinzas e escuras, respectivamente).</p><p>Diamantes são excelentes materiais abrasivos, porém seu custo inviabiliza</p><p>alguns processos. Como alternativas mais comuns, Callister Jr. e Rethwisch (2016)</p><p>citam a utilização de carbetos de silício ou tungstênio, óxido de alumínio e areais</p><p>de sílica.</p><p>18</p><p>RESUMO DO TÓPICO 2</p><p>Neste tópico, você aprendeu que:</p><p>• Os materiais cerâmicos apresentam baixa ou nenhuma deformação plástica,</p><p>porém são materiais extremamente duros, ótimos isolantes térmicos,</p><p>resistentes a altas temperaturas e com grande estabilidade química.</p><p>• Os cerâmicos são divididos comumente em cerâmicas vermelhas, cerâmicas</p><p>brancas, vidro e cerâmicas especiais, onde podemos encaixar os materiais</p><p>vitrocerâmicos, que possuem a fase cristalina de um material cerâmico</p><p>tradicional como a fase amorfa de um material vítreo.</p><p>• Outra classificação mais ampla e bastante utilizada na indústria é classificar</p><p>esses materiais com base em sua aplicação.</p><p>• O vidro é um material de composição cerâmica e estrutura amorfa.</p><p>• Materiais não cristalinos, como os vidros, não possuem uma temperatura</p><p>específica de fusão, mas sim uma faixa de temperaturas, que começa a partir</p><p>da temperatura de transição vítrea.</p><p>19</p><p>1 Você aprendeu que os materiais evoluíram com a humanidade ao passar</p><p>dos anos, devido aos avanços tecnológicos. Hoje, é comum apresentá-los</p><p>em quatro grandes classes. Com base nessa classificação, temos os materiais</p><p>cerâmicos. Com relação aos materiais cerâmicos, classifique V para as</p><p>sentenças verdadeiras e F para as falsas:</p><p>( ) Materiais cerâmicos são excelentes condutores térmicos.</p><p>( ) Trata-se de um material dúctil, porém é resistente a altas temperaturas.</p><p>( ) São normalmente ótimos isolantes térmicos e resistentes a altas</p><p>temperaturas.</p><p>( ) São materiais frágeis e inertes quimicamente.</p><p>( ) Um típico material cerâmico é resistente mecanicamente e deformável</p><p>plasticamente.</p><p>Assinale a alternativa que apresenta a sequência CORRETA:</p><p>a) ( ) V – F – F – F – V.</p><p>b) ( ) F – F – V – V – F.</p><p>c) ( ) F – V – V – V – F.</p><p>d) ( ) V – V – F – F – V.</p><p>2 Um material cerâmico é semelhante, em nível atômico, a um material</p><p>metálico, pois trata-se de materiais cristalinos, com a diferença de que o tipo</p><p>de ligação iônica presente em um material cerâmico permite a ele algumas</p><p>propriedades, como resistência a altas temperaturas e elevada dureza e</p><p>inércia química superior aos materiais metálicos. Apesar disso, explique</p><p>por que os materiais cerâmicos não são utilizados em motores à combustão,</p><p>por exemplo, no lugar dos materiais metálicos.</p><p>3 A composição química e a porosidade são importantes variáveis em materiais</p><p>cerâmicos refratários. Explique de que forma o aumento ou diminuição da</p><p>porosidade pode afetar as propriedades dos materiais refratários.</p><p>4 Os materiais cerâmicos são uma importante classe de materiais. Eles</p><p>apresentam vantagens e desvantagens e seu uso irá depender da aplicação.</p><p>Sobre as vantagens do uso de um material cerâmico refratário, assinale a</p><p>alternativa CORRETA:</p><p>a) ( ) Alta ductilidade, baixo coeficiente de expansão térmica.</p><p>b) ( ) Elevada resistência mecânica, alto coeficiente de expansão térmica.</p><p>c) ( ) Elevado ponto de fusão, inércia química a altas temperaturas.</p><p>d) ( ) Elevado coeficiente de expansão térmico, resistência ao choque térmico.</p><p>AUTOATIVIDADE</p><p>20</p><p>21</p><p>TÓPICO 3 —</p><p>UNIDADE 1</p><p>MATERIAIS POLIMÉRICOS E COMPÓSITOS</p><p>1 INTRODUÇÃO</p><p>Até agora, vimos duas importantes classes de materiais, os cerâmicos e</p><p>os metálicos. Esses materiais possuem suas distinções e semelhanças. Ambos</p><p>possuem ponto de fusão elevado, certa dureza e boa resistência mecânica, porém</p><p>diferem quanto à ductilidade, à maleabilidade e à condução de energia.</p><p>Neste tópico, abordaremos outras duas importantes classes de materiais,</p><p>que possuem características distintas dos materiais que vimos até agora. Falaremos</p><p>sobre os materiais poliméricos e sobre os materiais compósitos.</p><p>2 MATERIAIS POLIMÉRICOS</p><p>Os polímeros são outra importante classificação dentro dos tipos de</p><p>materiais. A palavra “polímero” tem origem no grego, onde</p><p>“poli” significa</p><p>muitas e “mero” significa partes, fazendo essa junção, obtemos “muitas partes”.</p><p>Isso porque polímeros são macromoléculas, ou seja, várias moléculas conectadas</p><p>em uma cadeia principal.</p><p>Ao analisar a cadeia principal de uma macromolécula de polímero,</p><p>podemos ver várias unidades de repetição, chamamos essas unidades de meros,</p><p>que são a unidade básica de repetição em uma cadeia polimérica. Essas unidades</p><p>de repetição têm origem em um monômero, que é a molécula unitária para a</p><p>produção de um polímero. Ficou complicado? Para elucidar esta definição,</p><p>observe a figura a seguir.</p><p>FIGURA 12 – MOLÉCULA DE POLIETILENO</p><p>FONTE: Adaptada de: <https://bit.ly/3kf3QUU>. Acesso em: 29 jul. 2020.</p><p>22</p><p>UNIDADE 1 — MATERIAIS PARA CONSTRUÇÃO MECÂNICA</p><p>O polímero apresentado na Figura 12 é uma molécula de polietileno.</p><p>Como é possível observar, o monômero do polietileno é o etileno (C₂H₄), e após</p><p>uma reação que chamamos de polimerização, ocorre a quebra da ligação dupla</p><p>do etileno, gerando moléculas que irão se ligar entre si, formando os meros da</p><p>cadeia polimérica, nesse caso, sua unidade de repetição é (C₂H₄-²)n. Essa unidade</p><p>irá se repetir ao longo da cadeia polimérica formando assim uma macromolécula.</p><p>Um polímero, visto do ponto de visto macroscópico, não apresenta</p><p>unicamente uma cadeia polimérica, mas um emaranhado de cadeias poliméricas,</p><p>para o caso citado anteriormente, observe a figura a seguir.</p><p>FIGURA 13 – (A) A MOLÉCULA DE ETILENO DA ORIGEM AO (B) POLIETILENO, SENDO</p><p>REPRESENTADO POR (C) EMARANHADO DE CADEIAS POLIMÉRICAS</p><p>FONTE: Adaptada de <https://engenhariadeelite.files.wordpress.com/2015/09/polietileno.jpg>.</p><p>Acesso em: 29 jul. 2020.</p><p>Ao observar a Figura 13(c), você pode pensar que parece um prato de</p><p>espaguete, e você não está errado. Essa analogia é comumente utilizada para definir</p><p>boa parte das moléculas de polímeros, com suas longas cadeias emaranhadas.</p><p>Você, certamente, a essa altura já deve se perguntar: os polímeros são o</p><p>que chamamos de “plásticos”? A resposta é sim e não.</p><p>Polímeros são uma definição bem mais ampla e está associada tanto a</p><p>polímeros naturais quanto à polímeros sintéticos. Os polímeros naturais como a</p><p>celulose, a borracha, as proteínas, entre outros são encontradas na natureza e são</p><p>utilizados pela humanidade, como já vimos há milhares de anos. Já os polímeros</p><p>sintéticos são aqueles criados artificialmente pelo homem, entre esses estão os</p><p>plásticos, tintas, chicletes, entre vários outros.</p><p>São esses polímeros sintéticos que revolucionaram o século XX, devido</p><p>estarem muitas vezes associados a aplicações que necessitam de alta ductilidade,</p><p>vieram justamente a ser substitutos, em algumas aplicações, dos metais, em que</p><p>essa propriedade era requerida. Muitas vezes era alternativa mais leve e de menor</p><p>custo (SHACKELFORD, 2008).</p><p>Como vimos, polímeros são macromoléculas formadas a partir de</p><p>um monômero, no entanto, é fácil de imaginar que as propriedades de um</p><p>determinado polímero irão sofrer alterações dependendo do tamanho de sua</p><p>molécula, como a sua massa molar (M). É exatamente essa massa molecular, um</p><p>TÓPICO 3 — MATERIAIS POLIMÉRICOS E COMPÓSITOS</p><p>23</p><p>fator muito importante ao analisarmos a aplicação para determinado polímero.</p><p>Polímeros que possuem o mesmo monômero, porém apresentam maior massa</p><p>molecular, podem ser usados em diferentes aplicações, pois têm suas propriedades</p><p>melhoradas (por exemplo, sua temperatura de transição vítrea), como podemos</p><p>ver na Figura 14 apresentada por Canevarolo Jr. (2006).</p><p>FIGURA 14 – COMPORTAMENTO DAS PROPRIEDADES FÍSICAS DE UM POLÍMERO EM FUNÇÃO</p><p>DE SUA MASSA MOLAR</p><p>FONTE: Canevarolo Jr. (2006, p. 21)</p><p>Em síntese, podemos dizer que para obtermos um aumento de propriedades</p><p>em um determinado polímero, precisamos obter um polímero de maior massa</p><p>molar. O exemplo mais clássico é o próprio polietileno (PE), que pode ainda ser</p><p>dividido em polietileno de baixa densidade (PEBD) ou polietileno de alta densidade</p><p>(PEAD). Esse último, quando apresentar uma cadeia ainda mais extensa, pode ser</p><p>classificado como polietileno de ultra-alto peso molecular (PEUAPM). O PEUAPM</p><p>possui propriedades muito mais elevadas que os demais polietilenos, com peso</p><p>molar superior a 1 milhão de gramas por mol, podendo chegar até 12 milhões de</p><p>grama por mol. Sendo considerado um polímero de engenharia, pode ser aplicado</p><p>nas mais diversas situações que envolvem desde revestimentos industriais até reforço</p><p>em materiais compósitos na forma de fibras de altíssima resistência (SUZUKI, 2009).</p><p>2.1 ESTRUTURA MOLECULAR DOS POLÍMEROS</p><p>A cadeia principal de um polímero é formada por várias unidades de</p><p>repetição, essas unidades estão ligadas por meio de ligações atômicas fortes. Essas</p><p>ligações intramoleculares (dentro de uma molécula, nesse caso, uma macromolécula)</p><p>são do tipo covalente. Já as ligações entre as moléculas, ou seja, entre as diversas</p><p>cadeias de um polímero, são ligações secundárias fracas, também chamadas de</p><p>ligações intermoleculares (CANEVAROLO JR., 2006).</p><p>As ligações covalentes, comuns em polímeros, envolvem o compartilhamento</p><p>de dois elétrons entre os átomos, sendo caracterizadas por curtas distâncias e altas</p><p>energias. Importante ressaltar que esse tipo de ligação pode ocorrer tanto na cadeia</p><p>principal (CP) quando em ligações de grupos laterais (GL), que são aqueles polímeros</p><p>que apresentam ligações laterais ao eixo principal. A Tabela 2 apresenta algumas</p><p>ligações bastante comuns em polímeros, bem como suas respectivas energias de ligação.</p><p>24</p><p>UNIDADE 1 — MATERIAIS PARA CONSTRUÇÃO MECÂNICA</p><p>TABELA 2 – LIGAÇÕES COVALENTES COMUNS EM POLÍMEROS</p><p>Ligação</p><p>Energia</p><p>de ligação</p><p>(Kcal/mol)</p><p>Estabilidade</p><p>da ligação</p><p>com relação à</p><p>C-C</p><p>Distância de</p><p>ligação (Å)</p><p>Exemplo de</p><p>polímero</p><p>Posição</p><p>da ligação</p><p>C≡N 213 1,16 PAN GL</p><p>C≡C 194 1,20</p><p>C=O 171 1,23 Poliéster GL</p><p>C=N 147 1,27 CP, GL</p><p>C=C 147 1,34 Polidienos CP, GL</p><p>C-F 120 1,35 Polifluorados GL</p><p>C=S 114 1,71</p><p>O-H 111 0,96 Polióis GL</p><p>C-H 99 1,09 PE GL</p><p>N-H 93 1,01 Náilons GL</p><p>Si-O 88 1,64 Siliconas CP</p><p>C-O 84 1,43 Poliéster CP, GL</p><p>C-C 83 1 ,54 Polietileno PE CP</p><p>S-H 81 1,35</p><p>C-C1 79 1,77 PVC GL</p><p>C-N 70 1,47 Náilons CP</p><p>C-Si 69 1,87 Silicona GL</p><p>C-S 62 1,81 Borracha</p><p>vulcanizada S GL</p><p>S-S 51 2,04 Ponte de S GL</p><p>O-O 33 1,48 Peróxidos CP</p><p>FONTE: Adaptada de Canevarolo Jr. (2013, p. 37)</p><p>Com base na Tabela 2, é possível ver que as ligações que estão acima da</p><p>ligação C-C (bastante comum em uma cadeia polimérica) são mais estáveis, ou</p><p>seja, apresentam maior energia de ligação. Em contrapartida, as ligações que</p><p>estão mais abaixo, são mais fracas, consequentemente menos estáveis.</p><p>Vale também destacar que a energia de ligação é inversamente proporcional</p><p>à distância de ligação, isso quer dizer que quanto menor a distância de ligação,</p><p>maior será a energia envolvida naquela ligação atômica.</p><p>2.2 TIPOS DE CADEIAS</p><p>As cadeias em um polímero podem se apresentar de três tipos: lineares,</p><p>ramificadas e com ligações cruzadas. A figura a seguir ilustra estes três tipos.</p><p>M</p><p>ai</p><p>s</p><p>es</p><p>tá</p><p>ve</p><p>is</p><p>M</p><p>ai</p><p>s</p><p>in</p><p>st</p><p>áv</p><p>ei</p><p>s</p><p>TÓPICO 3 — MATERIAIS POLIMÉRICOS E COMPÓSITOS</p><p>25</p><p>FIGURA 15 – TIPOS DE CADEIAS POLIMÉRICAS</p><p>FONTE: Adaptada de <https://docplayer.com.br/12661874-Estrutura-molecular-de-polimeros.html>.</p><p>Acesso em: 29 jul. 2020.</p><p>As cadeias lineares são aquelas por apenas uma cadeia principal. Já as</p><p>cadeias ramificadas possuem prolongamentos originados de sua cadeia principal,</p><p>que podem ser tanto constituídas dos mesmos monômeros da cadeira principal,</p><p>quando por outros meros, resultados de uma copolimerização.</p><p>As cadeias com ligações cruzadas são cadeias poliméricas que estão ligadas</p><p>entre si, essas ligações entre cadeias acabam impedindo o livre deslizamento das</p><p>cadeias.</p><p>FIGURA 16 – EXEMPLO DE COPOLÍMERO</p><p>FONTE: <https://s1.static.brasilescola.uol.com.br/img/2013/06/abs.jpg>. Acesso em: 29 jul. 2020.</p><p>Você sabe o que é um copolímero? No processo de polimerização, temos o que</p><p>chamamos de homopolímeros e copolímeros. Os homopolímeros são polímeros de adição</p><p>que possuem</p><p>o mesmo monômero da cadeia principal, já os copolímeros destacam-se por</p><p>apresentarem monômeros diferentes na cadeia principal, podendo estar dispostos de maneira</p><p>aleatória ou regular. O ABS é um exemplo de copolímero, pois apresenta três monômeros</p><p>diferente, a acrilonitrila, o butadieno e o estireno. Veja a estrutura molecular do ABS na Figura 16.</p><p>IMPORTANTE</p><p>26</p><p>UNIDADE 1 — MATERIAIS PARA CONSTRUÇÃO MECÂNICA</p><p>2.3 CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS POLIMÉRICOS</p><p>Existem inúmeras maneiras de se classificar materiais poliméricos, nós já</p><p>vimos uma delas, que são os polímeros naturais ou sintéticos, nessa classificação</p><p>há ainda aqueles que podemos classificar como semissintéticos, que são resultados</p><p>do processamento químico de polímeros naturais, objetivando a melhoria de suas</p><p>propriedades para aplicações mais nobres. Um exemplo de polímero semissintético</p><p>é a partir do amido de que se podem fabricar dextrinas ou borracha hidrogenada</p><p>(BECERRA, 2015).</p><p>Outras classificações são possíveis. Veremos, a seguir, as classificações quanto</p><p>à estrutura química, quanto ao modo de preparação, quanto ao comportamento</p><p>mecânico e quanto ao desempenho mecânico.</p><p>2.4 CLASSIFICAÇÃO QUANTO À ESTRUTURA QUÍMICA</p><p>Nesta classificação, podemos dividir os polímeros em dois grandes grupos,</p><p>os polímeros de cadeia carbônica e os polímeros de cadeia heterogênea. No caso</p><p>dos polímeros de cadeia heterogênea, eles apresentam na cadeia principal além</p><p>do carbono, outro átomo, denominado heteroátomo. Entre os heteroátomos</p><p>mais comuns estão o oxigênio, o nitrogênio, o enxofre, o silício, entre outros</p><p>(CANEVAROLO JR., 2013).</p><p>São exemplos de polímeros de cadeia carbônica: Poliolefinas; Dienos;</p><p>Estirenos; Acrílicos; Clorados; Fluorados; Polivinil ésteres poli (fenol-</p><p>formaldeído).</p><p>São exemplos de polímeros de cadeia heterogênea: Poliéteres; Poliésteres;</p><p>Policarbonato; Poliamidas; Poliuretanos; Aminoplásticos; Derivados da</p><p>celulose; Siliconas.</p><p>• Quanto ao modo de preparação</p><p>Os materiais poliméricos frequentemente podem ser classificados quanto</p><p>ao seu método de obtenção. Nessa classificação, eles podem ser divididos em</p><p>polímeros de adição e polímeros de condensação.</p><p>Para os polímeros de adição, não há perda de massa durante a polimerização,</p><p>ou seja, ocorre a conversão total de todos os elementos (monômeros) envolvidos</p><p>no processo. Em suma, o peso do polímero formado é a soma do peso de todos</p><p>os monômeros adicionados no processo de polimerização (CANEVAROLO JR.,</p><p>2013). Polímeros de adição são normalmente de cadeia carbônica, e temos como</p><p>exemplos o PE, PP, PMMA etc.</p><p>A Figura 17 demonstra a polimerização por adição do PMMA, onde ocorre</p><p>a quebra a ligação dupla entre os carbonos do metilacrilato de metila, permitindo</p><p>a produção do polimetilacrilato de metila (PMMA) por adição.</p><p>TÓPICO 3 — MATERIAIS POLIMÉRICOS E COMPÓSITOS</p><p>27</p><p>FIGURA 17 – POLIMERIZAÇÃO POR ADIÇÃO DO PMMA</p><p>FONTE: Adaptada de <https://www.vestibular.uerj.br/wp-content/uploads/2019/02/2019_ED_</p><p>Quimica.pdf>. Acesso em: 5 ago. 2020.</p><p>Os polímeros de condensação possuem um processo de polimerização</p><p>diferente, na polimerização por condensação, ocorre a reação de dois grupos</p><p>funcionais com a eliminação de moléculas de baixo peso molecular. Como</p><p>exemplo desse tipo de reação, Canevarolo Jr. (2013) cita a polimerização do</p><p>poli (hexametileno adipamida), conhecido como náilon 6,6, em que ocorre uma</p><p>condensação em meio aquoso, em que ocorre a reação do hexametileno diamina</p><p>com o ácido adípico, resultando no sal de náilon 6,6 e a eliminação de água, essa</p><p>reação pode ser observada na figura a seguir.</p><p>FIGURA 18 – OBTENÇÃO DO SAL DE NÁILON 6,6 POR CONDENSAÇÃO</p><p>FONTE: Canevarolo Jr. (2013, p. 52)</p><p>O processo é polimerização é uma reação química responsável pela junção de</p><p>uma grande de número de moléculas (monômeros), produzindo assim uma macromolécula</p><p>(polímero).</p><p>IMPORTANTE</p><p>28</p><p>UNIDADE 1 — MATERIAIS PARA CONSTRUÇÃO MECÂNICA</p><p>O sal obtido, que é insolúvel em água, é retirado, secado e polimerizado</p><p>em altas temperaturas, de modo a obter-se o náilon 6,6.</p><p>2.5 CLASSIFICAÇÃO QUANTO AO COMPORTAMENTO</p><p>MECÂNICO</p><p>Os polímeros são classificados quanto ao comportamento mecânico em</p><p>três grandes grupos: plásticos, elastômeros e fibras. Os plásticos, que são materiais</p><p>poliméricos sólidos à temperatura ambiente, apresentam uma subdivisão, em</p><p>termoplásticos e termofixos.</p><p>Termoplásticos: são polímeros que podem ser moldados sob condições</p><p>específicas de temperatura e pressão. Eles possuem cadeias lineares ou ramificadas,</p><p>que após receber certa quantidade de energia térmica ou pressão suficiente,</p><p>acabam ficando livres para se movimentar (deslizar) e moldar-se à forma desejada,</p><p>ficando novamente rígidos à temperatura ambiente. O processo de aplicação de</p><p>temperatura e pressão mais de uma vez, sendo, neste caso, polímeros recicláveis</p><p>(CANEVAROLO JR., 2013).</p><p>Podemos citar como exemplo de termoplásticos o polietileno (PE) e o</p><p>policloreto de vinila (PVC). Na tabela a seguir, são apresentados os principais</p><p>termoplásticos encontrados, suas características e aplicações.</p><p>TABELA 3 – PRINCIPAIS TERMOPLÁSTICOS, CARACTERÍSTICAS E APLICAÇÕES</p><p>Nome Características Aplicações</p><p>Acrilonitrila-</p><p>butadieno-</p><p>estireno (ABS)</p><p>Excelente resistência</p><p>mecânica, dureza.</p><p>Forro para refrigeradores,</p><p>equipamentos para</p><p>jardinagem.</p><p>Acrílico</p><p>Extremamente transparente;</p><p>propriedades mecânicas</p><p>razoáveis.</p><p>Lentes, janelas transparentes</p><p>de aeronaves, material de</p><p>desenho.</p><p>Polietileno (PE)</p><p>Resistência química;</p><p>isolante elétrico; boa</p><p>dureza; coeficiente de atrito</p><p>relativamente baixo.</p><p>Brinquedos, garrafas</p><p>flexíveis, copos, bandejas de</p><p>gelo, embalagens, baldes,</p><p>sacos de lixo, sacos de</p><p>embalagens.</p><p>Polipropileno</p><p>(PP)</p><p>Resistência à distorção</p><p>a quente e à fadiga;</p><p>quimicamente inerte;</p><p>relativamente barato; pouca</p><p>resistência à luz ultravioleta.</p><p>Embalagens de filmes,</p><p>gabinetes de TV, malas,</p><p>cadeiras, poltronas, para-</p><p>choques de automóveis.</p><p>TÓPICO 3 — MATERIAIS POLIMÉRICOS E COMPÓSITOS</p><p>29</p><p>Poliestireno</p><p>(PS)</p><p>Excelentes propriedades</p><p>elétricas e ópticas; boa</p><p>estabilidade térmica e</p><p>dimensional; relativamente</p><p>barato.</p><p>Caixas de bateria, aplicações</p><p>domésticas, brinquedos,</p><p>painéis luminosos, materiais</p><p>descartáveis.</p><p>Poliéster</p><p>Um dos filmes plásticos</p><p>mais resistentes; resistência</p><p>à fadiga, rasgo, umidade,</p><p>ácidos, graxas, óleos solventes.</p><p>Gravações magnéticas,</p><p>roupas, automóveis,</p><p>recipientes para bebidas.</p><p>FONTE: Adaptada de Silva e Avanzi (2011, p. 80)</p><p>Termofixos ou termorrígidos: são polímeros endurecidos por calor, que</p><p>após aplicação de temperatura ou pressão, amolecem e fluem em um molde. No</p><p>entanto as ligações que se formam durante a cura são ligações cruzadas, e pela</p><p>natureza dessas ligações entre cadeias, após o endurecimento desses polímeros,</p><p>não podem ser mais moldados por temperatura e pressão, permanecendo rígidos.</p><p>Epóxi, baquelite e poliéster são exemplos de polímeros termofixos. A Tabela 4</p><p>traz as principais características e propriedades dos termofixos mais comuns.</p><p>TABELA 4 – PRINCIPAIS TERMOFIXOS, PROPRIEDADES E APLICAÇÕES</p><p>Nome Características Aplicações</p><p>Epóxi</p><p>Excelentes combinações entre</p><p>propriedades mecânicas e</p><p>resistência à corrosão; boa adesão;</p><p>relativamente barato; boas</p><p>propriedades elétricas.</p><p>Moldes elétricos, tintas</p><p>protetoras.</p><p>Poliéster</p><p>Excelentes propriedades elétricas;</p><p>baixo custo; pode ser usado em</p><p>altas temperaturas.</p><p>Capacetes, ventiladores,</p><p>barcos de fibra de vidro,</p><p>componentes para</p><p>automóveis, cadeiras.</p><p>FONTE: Adaptada de Silva e Avanzi (2011, p. 81)</p><p>Elastômeros: Canevarolo Jr. (2013) define elastômeros como polímeros</p><p>que possuem um alto grau de deformação à temperatura ambiente, podendo</p><p>deformar-se até duas vezes o seu comprimento original e voltar ao seu tamanho</p><p>inicial após ser retirado o esforço de deformação. Podemos citar a borracha</p><p>vulcanizada como exemplo de elastômero.</p><p>Silva e Avanzi (2011) destacam as principais características encontrados</p><p>em elastômeros:</p><p>30</p><p>UNIDADE 1 —</p><p>MATERIAIS PARA CONSTRUÇÃO MECÂNICA</p><p>• Grande elasticidade.</p><p>• Pequena rigidez (pequenas tensões para grandes deformações).</p><p>• Alta resiliência (restituição da energia recebida com baixa perda).</p><p>Fibras: as fibras nada mais são que termoplásticos orientados no sentido</p><p>longitudinal. Para ser considerado fibra, é necessário satisfazer a condição</p><p>geométrica de comprimentos por diâmetro maior que 100 (L/D > 100). Essa</p><p>orientação preferencial das fibras aumenta a resistência mecânica no sentido</p><p>longitudinal em que estão dispostas. Exemplo de fibras são a poliacrilonitrila</p><p>(PAN), nylons e poliéster (CANEVAROLO JR., 2013).</p><p>2.6 CLASSIFICAÇÃO QUANTO AO DESEMPENHO MECÂNICO</p><p>Esta classificação é bastante importante em termos de construção mecânica,</p><p>pois ela leva em conta justamente o desempenho mecânico do polímero quando</p><p>usado como peça. Canevarolo Jr. (2013), demonstra essa divisão em quatro categorias.</p><p>• Termoplásticos convencionais</p><p>Os termoplásticos convencionais, chamados de commodities, são polímeros</p><p>de fácil processamento com alta produção acarretando baixo custo e possuem</p><p>baixa exigência mecânica. Essa categoria corresponde à cerca de 90% do total de</p><p>produção de polímeros no mundo. Entre os termoplásticos convencionais, temos</p><p>o poliestireno (PS) e o PVC.</p><p>• Termoplásticos especiais</p><p>A categoria de termoplásticos especiais engloba polímeros com</p><p>propriedades melhores com custos levemente superior. Como exemplo temos o</p><p>copolímero de estireno-acrilonitrila (SAN) e os homopolímeros de politetrafluoro-</p><p>etileno (PTFE) e polimetacrilato de metila (PMMA).</p><p>No PTFE, também conhecido pelo seu nome comercial Teflon, possui</p><p>alta estabilidade térmica e química. Já para o PMMA e SAN, a propriedade</p><p>normalmente desejada é a alta transparência.</p><p>• Termoplásticos de engenharia</p><p>Para esta categoria, temos polímeros aplicados em alguns dispositivos</p><p>mecânicos, como engrenagens e componentes automobilísticos, onde é desejado</p><p>que o polímero tenha excelente estabilidade dimensional, alta resistência mecânica</p><p>e boa tenacidade. Nesta categoria, temos como exemplo as poliamidas (náilons),</p><p>os poliésteres termoplásticos (Polietileno-Tereftalato – PET e Polibutileno-</p><p>Tereftalato – PBT) o ABS e as aramidas (que são uma família de polímeros</p><p>derivada do náilon, incluindo Nomex e Kevlar).</p><p>TÓPICO 3 — MATERIAIS POLIMÉRICOS E COMPÓSITOS</p><p>31</p><p>• Termoplásticos de engenharia especiais</p><p>Os termoplásticos especiais de engenharia são utilizados em aplicações de</p><p>alta temperatura, para isso, são utilizados polímeros com muitos anéis aromáticos</p><p>na cadeia principal, aumentando sua estabilidade térmica. Nessa categoria, temos</p><p>polímeros com adição de enxofre, como as polisulfonas e o polisulfeto de fenileno</p><p>(PPS), as poliimidas e o polieter-eter-cetona (PEEK). A figura a seguir apresenta o</p><p>monômero do PEEK com seus anéis aromáticos na cadeia principal.</p><p>FIGURA 19 – MONÔMERO DE PEEK</p><p>FONTE: Ketterman (2016, s.p.)</p><p>O PEEK é muito utilizado em implantes ortopédicos devido a sua boa</p><p>resistência à abrasão, baixo coeficiente de atrito e boa biocompatibilidade (EVANS;</p><p>GREGSON, 1998; SANTOS, 2017). Outras aplicações do PEEK é em compósitos</p><p>na indústria aeroespacial e na produção de ferramentas de alto desempenho para</p><p>a perfuração de poços na indústria petrolífera (KETTERMANN, 2016).</p><p>3 MATERIAIS COMPÓSITOS</p><p>Os materiais compósitos compreendem uma importante classe dentro</p><p>dos materiais, não se trata de uma nova classificação, mas de uma mescla de</p><p>dois tipos de materiais diferentes, aliando dessa maneira propriedades inerentes</p><p>a cada uma das classes em questão.</p><p>Não confunda o polímero ABS com o sistema de freios ABS, pois siglas com</p><p>significados diferentes. O polímero ABS já vimos que é a junção dos três monômeros que</p><p>o constituem: a acrilonitrila (A), o but-1,3-dieno (B), e o estireno (S, do inglês styrene). Já</p><p>o sistema de freios ABS vem do inglês anti-lock braking system. Apesar do polímero ABS</p><p>também possuir aplicação na indústria automobilística, como nos painéis dos automóveis,</p><p>são duas definições totalmente diferentes.</p><p>ATENCAO</p><p>32</p><p>UNIDADE 1 — MATERIAIS PARA CONSTRUÇÃO MECÂNICA</p><p>3.1 COMPÓSITOS REFORÇADOS COM FIBRA</p><p>Um exemplo bastante comum de um material compósito é a fiberglass (fibra</p><p>de vidro). Esse material fibroso atua como reforço e está disposto em uma matriz</p><p>polimérica, deste modo, ele apresenta a alta resistência mecânica proveniente das</p><p>fibras e a boa ductilidade devido a sua matriz polimérica. A Figura 20 apresenta</p><p>uma microscopia de um compósito de fibra de vidro.</p><p>FIGURA 20 – COMPÓSITO DE FIBRA DE VIDRO</p><p>FONTE: Adaptada de Shackelford (2008)</p><p>Os compósitos por fibra-vidro são utilizados para uma gama de aplicações,</p><p>podendo ter propriedades diferentes dependendo do polímero utilizado como</p><p>matriz e do tipo fibra de vidro utilizado. A Tabela 5 descreve a composição de</p><p>fibras de vidros mais comuns e suas características.</p><p>TABELA 5 – COMPOSIÇÃO DE FIBRAS DE VIDRO COMUNS</p><p>Nome Característica</p><p>Composição (% p)</p><p>SiO₂ Al₂O₃ +</p><p>Fe₂O₃ CaO MgO Na₂O K₂O B₂O₃ TiO₂ ZrO₂</p><p>Vidro-A</p><p>Sílica de</p><p>cal de soda</p><p>comum</p><p>72 <1 10 14</p><p>Vidro-AR</p><p>Resistente a</p><p>bases alcalinas</p><p>(para reforço</p><p>de concreto)</p><p>61 <1 5 <1 14 3 7 10</p><p>Vidro-C</p><p>Resistente</p><p>à corrosão</p><p>química</p><p>65 4 13 3 8 2 5</p><p>TÓPICO 3 — MATERIAIS POLIMÉRICOS E COMPÓSITOS</p><p>33</p><p>Vidro-E Composição</p><p>elétrica 54 15 17 5 <1 <1 8</p><p>Vidro-S</p><p>Alta</p><p>resistência e</p><p>alto módulo</p><p>65 25 10</p><p>FONTE: Adaptada de Shackelford (2008, p. 316)</p><p>Dentre os tipos de vidro utilizados para a produção da fibra, podemos</p><p>destacar como mais utilizado, o vidro-E, em que a letra E vem de tipo elétrico,</p><p>pois apresenta pouco sódio em sua composição, ocasionando uma baixa</p><p>condutividade elétrica, além de apresentar durabilidade química proveniente de</p><p>sua composição de borossilicato (SHACKELFORD, 2008).</p><p>As fibras ainda podem estar dispostas de três maneiras distintas na matriz</p><p>polimérica, podendo ser:</p><p>• Fibras contínuas.</p><p>• Fibras curtas.</p><p>• Tecido tramado.</p><p>A Figura 21 ilustra essas três configurações.</p><p>FIGURA 21 – TRÊS CONFIGURAÇÕES DE FIBRA COMUNS PARA REFORÇO DE COMPÓSITO: (A)</p><p>FIBRAS CONTÍNUAS, (B) FIBRAS CURTAS E (C) TECIDO TRAMADO</p><p>FONTE: Adaptada de Shackelford (2008, p. 317)</p><p>Ao observar a figura anterior, é preciso fazer algumas observações</p><p>com relação ao acréscimo de resistência mecânica obtido pela fibra de vidro. É</p><p>importante salientar que temos uma resistência mecânica maior obtidas para fibras</p><p>alinhadas e contínuas. No entanto, essa resistência só é máxima na direção paralela</p><p>ao eixo das fibras, ou seja, a resistência mecânica para este tipo de fibra é altamente</p><p>anisotrópica, ela irá variar conforme a direção de aplicação da carga. Já para as</p><p>demais configurações, temos uma melhor distribuição das direções das fibras, em</p><p>que temos então uma isotropia da resistência mecânica, sendo esta a mesma em</p><p>todas as direções.</p><p>A Tabela 6 apresenta uma relação dos materiais mais comuns utilizados</p><p>como matriz polimérica para fibra vidro.</p><p>34</p><p>UNIDADE 1 — MATERIAIS PARA CONSTRUÇÃO MECÂNICA</p><p>TABELA 6 – COMPOSIÇÃO DE FIBRAS DE VIDRO COMUNS</p><p>Polímero Características e aplicações</p><p>Termofixos</p><p>Epóxis Alta resistência (para recipientes feitos por bobinagem)</p><p>Poliésteres Para estruturas gerais (normalmente, reforço de tecido)</p><p>Fenólicos Aplicações em altas temperaturas</p><p>Silicones Aplicações elétricas (por exemplo, placas de circuito impresso)</p><p>Termoplásticos</p><p>Náilon 66</p><p>Policarbonato</p><p>Poliestireno</p><p>Menos comuns, ductilidade especialmente boa</p><p>FONTE: Adaptada de Shackelford (2008, p. 317)</p><p>3.2 MADEIRA – COMPÓSITO NATURAL</p><p>Claramente, os materiais compósitos não foram nenhuma invenção</p><p>humana, na verdade eles estão na Terra muito antes de nós, e o maior exemplo</p><p>disso é da madeira.</p><p>A madeira é um compósito natural reforçado com fibras e pode ser dividido</p><p>em dois grupos, as madeiras moles e as madeiras duras. Apesar das madeiras</p><p>moles apresentarem uma relativa menor resistência mecânica, essa diferenciação</p><p>se dá em virtude de sua sazonalidade. As madeiras moles provêm de plantas</p><p>perenes,</p>