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e-Book 4 MARCELO ALEXANDRE TIRELLI CIÊNCIA DOS MATERIAIS Sumário INTRODUÇÃO ������������������������������������������������� 4 DIAGRAMAS DE FASE EM SOLUÇÃO SÓLIDA 6 Definições e conceitos básicos ������������������������������������������� 6 A regra das fases ���������������������������������������������������������������� 18 O diagrama de fases ����������������������������������������������������������� 21 ESTUDO DAS LIGAS FERROSAS E NÃO FERROSAS ���������������������������������������������������40 Ligas ferrosas ��������������������������������������������������������������������� 40 Ligas não ferrosas �������������������������������������������������������������� 60 TRATAMENTO TÉRMICO – INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS DE MELHORIA DE PROPRIEDADES MECÂNICAS �������������������������������������������������71 Tratamentos térmicos para alívio de tensões, recozi- mento e normalização �������������������������������������������������������� 72 Esferoidização – melhoria da usinabilidade ��������������������� 75 Têmpera e revenimento ������������������������������������������������������ 76 DIAGRAMAS BINÁRIOS GERAIS ������������������78 CERÂMICAS CRISTALINAS, NÃO CRISTALINAS E PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS E VIDROS ��������������������������������82 Cerâmicas cristalinas ��������������������������������������������������������� 82 Cerâmicas não cristalinas �������������������������������������������������� 86 Processamento de cerâmicas e vidros ����������������������������� 89 POLÍMEROS: DEFINIÇÃO, CLASSIFICAÇÃO E PROCESSAMENTO �����100 Definição e classificação ��������������������������������������������������100 Síntese e processamento �������������������������������������������������103 COMPÓSITOS: DEFINIÇÃO, CLASSIFICAÇÃO, PROPRIEDADES E PROCESSAMENTO �������������������������������������109 Definição e classificação ��������������������������������������������������109 Processamento de compósitos ���������������������������������������112 CONSIDERAÇÕES FINAIS ��������������������������120 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS & CONSULTADAS ������������������������������������������122 4 INTRODUÇÃO Podemos melhorar as propriedades mecânicas dos materiais por meio de diversos mecanismos de endurecimento, tais como: a) endurecimento por tamanho de grão; b) trabalho a frio ou encru- amento; c) formação de pequenas partículas de segunda fase e d) adições de pequenas quanti- dades de outros elementos (endurecimento por solução sólida)� Quando pequenas quantidades de outro elemento são adicionadas a um material, chamado de material hospedeiro ou solvente, formamos uma solução sólida, de modo que a estrutura cristalina do mate- rial se mantém, não formando nenhuma estrutura nova� Em uma analogia com uma solução líquida, se dois líquidos solúveis entre si (como exemplo água e álcool) são combinados, será produzida uma solução líquida conforme as moléculas se misturarem e a composição se mantém homogê- nea como um todo� Uma solução sólida também é homogênea em termos da sua composição� Os átomos de impurezas que são adicionados na so- lução são distribuídos aleatória e uniformemente no sólido (CALLISTER, 2021)� Uma solução sólida contém dois ou mais tipos de átomos ou íons uniformemente dispersos pelo material� A impureza (átomos do soluto) pode 5 ocupar posições de rede regulares no cristal ou ainda posições intersticiais� Com o controle da quantidade desses defeitos pontuais, por meio da composição, podemos manipular diversas propriedades mecânicas dos materiais, tais como as propriedades mecânicas� Nos materiais metálicos, os defeitos pontuais cria- dos pelas impurezas adicionadas alteram o arranjo cristalino do material hospedeiro e interferem no movimento das linhas de discordâncias� Em ou- tras palavras, os defeitos produzidos pela adição de impurezas, ao dificultar a movimentação das discordâncias, endurecem o material por solução sólida (ASKELAND, 2019)� A introdução de elementos de liga ou impurezas durante o processamento altera a composição do material e influencia seu comportamento durante a solidificação� Esse efeito pode ser examinado com o emprego do diagrama de fases em equilíbrio� Um diagrama de fases representa a estabilidade das diversas fases compostas por um conjunto de elementos (por exemplo, Al e Si)� Com base no diagrama de fases, podemos prever como um material se solidificará sob condições de equilí- brio� É possível também predizer quais serão as fases termodinamicamente estáveis e em que concentrações tais fases deverão estar presentes (ASKLAND, 2019)� 6 DIAGRAMAS DE FASE EM SOLUÇÃO SÓLIDA DEFINIÇÕES E CONCEITOS BÁSICOS Como sabemos, existe uma forte correlação entre a microestrutura e as propriedades mecânicas de um material� Logo, o conhecimento da sua microestrutura é de fundamental interesse para manipular suas propriedades� Nas ligas metálicas, a microestrutura é caracte- rizada pelo número de fases presentes, por suas proporções e pelo modo como estão distribuídas ou arranjadas� Os elementos de liga presentes em um material, bem como suas concentrações, têm um impacto direto na microestrutura formada (CALLISTER, 2021)� Além disso, uma outra forma de alterar consideravelmente a microestrutura de metais e ligas metálicas é com tratamentos tér- micos, por meio da variação do modo como são aquecidos e resfriados (SMITH, 2012)� Assim, por meio do conhecimento da história térmi- ca dos materiais, isto é, o controle da temperatura, o tempo de aquecimento a essa temperatura e a taxa de resfriamento até a temperatura ambiente, podemos alterar significantemente a microestrutura 7 de um material e suas propriedades (CALLISTER, 2021)� Uma ferramenta importante para se explorar a forma como a microestrutura de um material é desenvolvida é o diagrama de fases, que é um “mapa” que nos guiará para responder a seguinte pergunta mais geral: qual microestrutura deverá existir em determinada temperatura para determi- nada composição do material? (SCHAKELFORD, 2008)� Um diagrama de fases pode ser usado, portanto, como um “mapa” a partir do qual se pode determinar as fases presentes em um material, para qualquer temperatura e composição, desde que a liga esteja em equilíbrio (VAN VLACK, 2017)� Antes de nos dedicarmos a interpretar os diagramas de fases, é necessário estabelecer um alicerce de definições e conceitos básicos relacionados às ligas, às fases e ao equilíbrio� Quando adicionamos átomos de impurezas a um metal, teremos a formação de uma solução sólida e/ou uma segunda fase, que dependerá do tipo de impurezas, das suas concentrações e da temperatura da liga� Uma solução sólida consiste em átomos de pelo menos dois tipos diferentes, que podem ocupar posições intersticiais ou substitucionais na rede do solvente, sem alterar a estrutura cristalina do mesmo (CALLISTER, 2021)� 8 Como vimos, os termos soluto e solvente são comumente utilizados quando mencionamos uma solução sólida� O termo solvente é o elemento que está presente em maior quantidade, também po- dendo ser denominado, ocasionalmente, de átomos hospedeiros� O termo soluto é usado para indicar um elemento ou composto que está presente em menor concentração (CALLISTER, 2021)� Uma fase é uma porção química e estruturalmente homogênea da microestrutura (SCHAKELFORD, 2008)� Em outras palavras, segundo Callister (2021), uma fase é uma porção homogênea de um sistema com características físicas e químicas uniformes� Uma fase, portanto, tem as seguintes caracterís- ticas (ASKELAND, 2019): 1) A mesma estrutura ou arranjo atômico; 2) Aproximadamente a mesma composição quí- mica e propriedades; 3) Uma interface entre a própria fase e as fases vizinhas ou regiões adjacentes� Vejamos a microestrutura apresentada na Figura 2� Uma microestrutura monofásica pode ser poli- cristalina, mas cada grão cristalino difere apenas na orientação cristalina e não na composição química (SCHAKELFORD, 2008)� 9 Figuramento Cu-Al temperado e revenido 760 414 5 Reação martensítica Bronze manga- nês fundido 490 193 30 Reação eutetoide Fonte: Askeland (2019)� 71 TRATAMENTO TÉRMICO – INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS DE MELHORIA DE PROPRIEDADES MECÂNICAS Diferentes propriedades dos aços podem ser ob- tidas por meio da variação do modo como eles são aquecidos e resfriados� Neste tópico serão apresentadas algumas das mudanças de estrutura e propriedades que ocorrem durante os tratamen- tos térmicos mais importantes dos aços-carbono� Quatro tratamentos térmicos usuais empregados nos aços incluem alívio de tensões, recozimento pleno, normalização e esferoidização (Figura 15)� Esses tratamentos térmicos são usados para as seguintes finalidades: (1) eliminar os efeitos do trabalho a frio, (2) controlar o endurecimento por dispersão ou, ainda, (3) melhorar a usinabilidade (ASKELAND, 2019)� O tratamento de têmpera e revenimento também será apresentado, como forma de aumentar a resistência mecânica do material� 72 Figura 15: Tratamentos térmicos de aços (a) hipoeutetoi- des e (b) hipereutetoides� 30ºC 55ºC 55ºC 30ºC 30ºC A₃ A₁ A₁ A 80-170ºC ст Te m pe ra tu ra (° C) Tempo Tempo Tratamento para alívio de tensões Normalização Normalização Recozimento Recozimento Esferoidização (a) Hipoeutetoide (a) Hipereutetoide Te m pe ra tu ra (° C) Fonte: Askeland (2019)� TRATAMENTOS TÉRMICOS PARA ALÍVIO DE TENSÕES, RECOZIMENTO E NORMALIZAÇÃO O tratamento térmico para eliminar o encruamento em aços com menos de aproximadamente 0,25% C é chamado de tratamento para alívio de tensões� É realizado entre 80°C e 100°C, abaixo da temperatura A1, conforme mostra a Figura 15a� Os aços podem ser endurecidos por dispersão pelo controle do tamanho e da morfologia da per- lita� O aço é aquecido inicialmente para produzir uma austenita homogênea e monofásica (fase g, CFC), num processo chamado austenitização� No recozimento ou recozimento pleno o aço resfria lentamente ainda dentro do forno, produzindo perlita grosseira� Na normalização o aço resfria mais rapidamente, pois é exposto ao ar, produzindo perlita fina� A Figura 16 mostra as propriedades 73 típicas obtidas pelo recozimento e normalização de aços-carbono� No recozimento, a austenitização de aços hipo- eutetoides é realizada a aproximadamente 30°C acima da linha A3 (Ver Figura 15) e, inicialmente, produz apenas a fase austenita (100% g)� Em am- bos os casos, o resfriamento lento no forno produz perlita grosseira, que proporciona uma resistência mecânica relativamente baixa e boa ductilidade (ASKELAND, 2019)� Para a normalização, a austenitização é feita a aproximadamente 55°C acima de A3 ou Acm� Depois o aço é removido do forno e resfriado ao ar� Esse resfriamento mais rápido provoca o aparecimento da perlita fina e proporciona uma resistência me- cânica mais alta� 74 Figura 16: Efeito do carbono e do tratamento térmico nas propriedades do aço-carbono 1,10 0,965 0,927 0,689 0,552 0,414 0,276 0,138 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 20(27,1) 40(54,2) 60(81,4) 80(108,4) 100(136) Li m ite d e es co am en to e d e re si st ên ci a (M Pa ) Porcentagem em massa de carbono Alongamento % Normalizado Normalizado No rm ali za do Recozido Recozido Recozido Limite de escoamento Limite de resistência à tração Energia de impacto Al on ga m en to (% ) / e ne rg ia a bs or vi da (J ) Fonte: Askeland (2019)� 75 ESFEROIDIZAÇÃO – MELHORIA DA USINABILIDADE Aços que contêm uma grande quantidade de cementita (Fe3C) possuem baixas características de usinabilidade� Entretanto, é possível modificar a morfologia da cementita pelo tratamento de esferoidização� Durante a esferoidização, que de- manda horas de tratamento a aproximadamente 30°C abaixo de A1, a morfologia da fase Fe3C muda de lamelas para glóbulos� Com isso, a área de contorno e a energia superficial diminuem� A microestrutura formada é conhecida como esfe- roidita, tem uma matriz contínua de ferrita macia e com boa usinabilidade (Figura 17)� Logo após a usinagem, o aço recebe um tratamento térmico adicional para produzir as propriedades requeri- das� Uma microestrutura semelhante forma-se então quando a martensita sofre revenimento à temperatura inferior a A1 durante longo tempo� Além disso, os elementos de liga Pb e S também são adicionados para melhorar a usinabilidade de aços� Como mencionado, recentemente foram de- senvolvidos aços verdes, isentos de chumbo, que apresentam, ainda, uma usinabilidade muito boa� 76 Figura 17: Microestrutura da esferoidita com partículas de Fe3C dispersas na matriz de ferrita (aumento original de 850×) Fonte: Askeland (2019)� TÊMPERA E REVENIMENTO A têmpera endurece a maioria dos aços, e o reveni- mento aumenta sua tenacidade� Esse procedimento já é empregado nas ligas ferrosas há milhares de anos� Por exemplo, vários desses tratamentos tér- 77 micos foram usados para produzir o famoso aço de Damasco e as espadas dos samurais japoneses� Pode-se obter uma distribuição bastante fina de Fe3C e ferrita, conhecida como martensita revenida, com o tratamento térmico de revenimento da mar- tensita� O tratamento de revenimento determina as propriedades finais do aço temperado (Figura 18)� Figura 18: Efeito da temperatura de revenimento nas pro- priedades do aço 1050� 700 350 300 250 200 150 100 50 0 600 500 400 300 200 200 300 400 500 600 700 0 10 20 30 40 50 60 70 100 0 Alongamento (%) Limite de escoamento Dureza Redução em área (%) Limite de resistência à tração Li m ite d e es co am en to e d e re sis tê nc ia (k si) Al on ga m en to e re du çã o de á re a (% ) Temperatura de têmpera (ºC) Du re za B rin el l Fonte: Askeland (2019)� 78 DIAGRAMAS BINÁRIOS GERAIS O diagrama peritético apresentado anteriormente mostra a formação de um composto intermediário, ou seja, um composto que é formado entre dois componentes em um sistema binário� Assim, na reação peritética, temos a reação de um sólido mais um líquido, o que resulta em um composto e, conforme mostra o ponto P da Figura 11� A Figura 19a mostra o caso de um composto intermediário, AB, que se funde congruentemente� Esse sistema é equivalente a dois diagramas eu- téticos binários adjacentes� O diagrama eutético binário foi apresentado na Figura 8� Quando temos um híbrido de dois ou mais tipos de diagramas, podemos chamá-lo de diagrama geral� A técnica para analisar esses sistemas mais complexos é relativamente simples� Como mostra a Figura 19b, basta isolar o menor sistema binário associado à composição global e ignorar todos os outros� Segundo mostrado na figura 19b, para uma com- posição global entre AB e B, podemos tratar o diagrama como um eutético binário simples de AB e B� Para todas as finalidades práticas, o dia- grama A-AB não existe para a composição global mostrada na figura 19b (SCHAKELFORD, 2008)� 79 Figura 19: a) Diagrama de fase binário com um composto intermediário que se funde congruentemente, AB; (b) Para análise da microestrutura para uma composição global no sistema AB-B, somente esse diagrama binário precisa ser considerado� A A + L L + AB A + AB AB + B AB + B AB B A AB B AB + L L B + L B + L AB + L B + LA + L AB + B Te m pe ra tu ra Te m pe ra tu ra Composição (a) Composição (b) Fonte: Schakelford (2008)� Na Figura 20a encontramos um diagrama geral relativamente complexo com quatro compostos intermediários (A2B, AB, AB2 E AB4) e diversos exemplos de diagramas binários individuais� Entre- tanto, para as composições globais mostradas na Figura 20b, somente o binário AB2-AB4 é relevante (SCHAKELFORD, 2008)� As transformações de fases podem ser classifi- cadas segundo o fato de haver ou não alguma mudança na composição das fases envolvidas� Aquelas transformações para as quais não exis- tem alterações na composição são chamadas transformações congruentes�Ao contrário, nas 80 transformações incongruentes, pelo menos uma das fases apresentará uma mudança em sua composição� Exemplos de transformações congruentes incluem as transformações alotrópicas e a fusão de ma- teriais puros� As reações eutéticas e eutetoides, assim como a fusão de uma liga que pertence a um sistema isomorfo, representam transformações incongruentes (CALLISTER, 2021)� As fases intermediárias podem ser classificadas com base no fato de elas se fundirem de maneira congruente ou incongruente� O composto inter- metálico Mg2Pb funde de maneira congruente no ponto designado por M no diagrama de fases magnésio-chumbo (Figura 20)� Para o sistema níquel-titânio (Figura 21), há um ponto de fusão congruente para a solução sólida γ, que é o ponto de tangência para os pares de linhas liquidus e solidus, a 1310ºC e 44,9 %pTi� A reação peritética é um exemplo de fusão incongruente para uma fase intermediária (CALLISTER, 2021)� 81 Figura 20: Região do diagrama de fases níquel-titânio onde está mostrado um ponto de fusão congruente para a solução sólida da fase γ a 1310ºC e 44,9 %p Ti� 0 100 200 300 400 500 α α + L L L + Mg₂Pb L + Mg₂Pb β + β β + L Mg₂Pb Mg₂Pb α + Mg₂Pb M 600 700 0 5 10 20 30 40 70 100 1200 1000 800 600 400 200 100806040200 (MG) Composição (%p Pb) Te m pe ra tu ra °F Te m pe ra tu ra °C AB + B Fonte: Callister (2021)� Figura 21: Região do diagrama de fases níquel-titânio onde está mostrado um ponto de fusão congruente para a solução sólida da fase γ a 1310ºC e 44,9 %pTi� 900 30 40 β + γ β + L γ + L L 1310ºC 44,9 %p Ti γ + L γ + δ δ γ 50 60 70 1800 2000 2200 2400 2600 70605040 1000 1100 1200 1300 1400 1500 30 Te m pe ra tu ra (° C) Te m pe ra tu ra (° F) Composição (%p Ti) Composição (%p Ti) Fonte: Callister (2021)� 82 CERÂMICAS CRISTALINAS, NÃO CRISTALINAS E PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS E VIDROS CERÂMICAS CRISTALINAS As cerâmicas podem ser cristalinas, parcialmente cristalinas ou amorfas� As cerâmicas cristalinas exibem centenas de estruturas cristalinas diferen- tes� Algumas dessas estruturas cristalinas foram apresentadas no tópico 2�4, inclusive estruturas de cloreto de sódio, blenda de zinco, fluoreto, coríndon, perovskita e diamante� Muitas estruturas cerâmicas iônicas podem ser vistas como um agrupamento de ânions com cá- tions menores em seus interstícios� Por exemplo, a estrutura do cloreto de sódio é uma estrutura cúbica de face centrada de ânions de Cl com todos os espaços octaédricos ocupados por cátions de Na� Como já sabemos, estruturas que são adotadas por compostos cerâmicos são uma forte função entre os raios relativos dos raios dos átomos ou íons no composto e a necessidade de manter a neutralidade elétrica� Uma das cerâmicas cristalinas mais utilizadas é o óxido de alumínio ou alumina� Ela existe na 83 forma de vários polimorfos cristalinos, alguns com estruturas cristalinas muito complicadas� A estrutura cristalina conhecida como a-Al2O3 (Figura 22) que representa a estrutura do coríndon, mine- ral comumente encontrado, que exibe muitas das características típicas das cerâmicas� Por exemplo, por serem tão duros, os pós de corín- don normalmente são usados como compostos de polimento� As variantes da alumina também são a base de muitas pedras preciosas, incluindo rubis e safiras� Elementos como titânio, ferro, cromo e cobre produzem pedras preciosas à base de alu- mina com cores específicas� A alumina é usada em vários dispositivos eletrôni- cos e em revestimentos transparentes resistentes a riscos, em relógios e certos instrumentos científicos� Pode ser utilizada como material refratário, que mantém sua resistência sob altas temperaturas, com o intuito de conter metais derretidos, ou em aplicações em que um material precisa operar em altas temperaturas com grande resistência� Uma aplicação bem comum da alumina é como isolante em velas de ignição� A alumina cristalina pode ser considerada uma estrutura hexagonal compacta (HC) de íons de oxigênio, com o alumínio ocupando dois terços dos espaços octaédricos em um padrão especí- 84 fico e ordenado� Já que existem números iguais de posições de rede e espaços octaédricos na estrutura HC (vimos que isso também se aplica à estrutura CFC), a estequiometria da alumina exige que um terço das posições octaédricas esteja vazio, enquanto dois terços estejam ocupados pelo alumínio� A célula unitária convencional da alumina contém 30 átomos, ou seis unidades da fórmula Al2O3 (ASKELAND, 2019)� Figura 22: Estrutura cristalina da alumina alfa (a-Al2O3) A1³+ 0²- a Lacuna a c Fonte: ASKELAND, 2019 Para as cerâmicas cristalinas, a deformação plástica ocorre, como nos metais, pelo movimento de dis- cordâncias� Uma razão para a dureza e a fragilidade 85 desses materiais é a dificuldade do deslizamento (ou do movimento das discordâncias)� Nos cerâmicos cristalinos, para os quais a ligação é predominantemente iônica, há muitos poucos sistemas de deslizamento (planos e direções cristalográficas dentro dos planos) ao longo dos quais as discordâncias podem se mover� Isso é uma consequência da natureza eletricamente car- regada dos íons� Para o deslizamento em algumas direções, íons com mesma carga são colocados próximos uns aos outros; por causa da repulsão eletrostática, essa modalidade de deslizamento é muito restrita, na medida em que a deformação plástica nos materiais cerâmicos é raramente mensurável à temperatura ambiente� Já nos metais, uma vez que todos os átomos são eletricamente neutros, uma quantidade conside- ravelmente maior de sistemas de deslizamento é operacional e, consequentemente, o movimento das discordâncias é muito mais fácil� Por outro lado, para as cerâmicas nas quais as ligações são altamente covalentes, o deslizamento também é difícil, e elas são frágeis pelas seguintes razões: (1) as ligações covalentes são relativamente fortes; (2) existe também um número limitado de sistemas de deslizamento e (3) as estruturas das discordâncias são complexas (CALLISTER, 2021)� 86 CERÂMICAS NÃO CRISTALINAS Alguns materiais não possuem a estrutura repe- titiva, cristalina� Esses sólidos não-cristalinos, ou amorfos, são imperfeitos em três dimensões� Um sólido não cristalino é o vidro de óxido tradicio- nal, pois muitos óxidos, principalmente os silicatos, são fáceis de formar em um estado não-cristalino, que é o resultado direto da complexidade das es- truturas cristalinas do óxido� Como muitos vidros de silicato são feitos por resfriamento rápido de líquido, o termo líquido super-resfriado normalmente é utilizado com sinônimo de vidro, mas na verdade existe uma diferença� O líquido super-resfriado é o material resfriado logo abaixo do ponto de fusão, no qual ele ainda se comporta como um líquido� O vidro é o mesmo material resfriado a uma temperatura suficiente- mente baixa, de modo que se torna um material verdadeiramente rígido (SCHAKELFORD, 2008)� A sílica também pode existir como um sólido ou vidro não cristalino com elevado grau de aleato- riedade atômica, que é característico dos líquidos; tal material é chamado de sílica fundida ou sílica vítrea� Como ocorre com a sílica cristalina, o te- traedro de SiO4 4- é a unidade básica; além dessa unidade, existe um grau considerável de desordem� As estruturas para a sílica cristalina e não cristalina 87 estão comparadas esquematicamente na Figura 23 (CALLISTER, 2021)� Figura 23: Esquemas bidimensionais para a estrutura (a) do dióxido de silício cristalino e (b) do dióxido de silício não cristalino� (a) (b) Átomo de silício Átomo de oxigênio Fonte: Callister (2021)� Os vidros diferem da maioria dos materiais sólidos, pois não exibem uma estrutura cristalina� Embora os materiais vítreos possam ser produzidos a partir de inúmeros óxidos metálicos, o vidro à base de sílica é, de longe, o mais comum (NEWELL, 2018)� Os vidros inorgânicoscomuns, usados para reci- pientes, janelas, entre outros, são vidros à base de sílica, aos quais foram adicionados outros óxidos, tais como CaO e Na2O� Esses óxidos não formam redes poliédricas� Em vez disso, seus cátions são incorporados no interior da rede de SiO4 4- e a mo- dificam� Por essa razão, esses óxidos aditivos são denominados modificadores de rede� 88 A Figura 24 mostra uma representação esquemá- tica da estrutura de um vidro sódio-silicato� Outros óxidos, tais como TiO2 e Al2O3, ainda que não sejam formadores de rede, substituem o silício e tornam-se partes da rede, estabilizando-a, sendo denominados de intermediários� A adição desses modificadores e intermediários reduz o ponto de fusão e a viscosidade de um vidro, tornando mais fácil sua conformação em temperaturas mais baixas (CALLISTER, 2021)� Figura 24: Representação esquemática das posições dos íons em um vidro de sódio-silicato Si4+ O²- Na+ Fonte: Callister (2021)� 89 PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS E VIDROS A síntese e o processamento de cerâmicas crista- linas envolvem, basicamente, as etapas descritas no fluxograma da Figura 25� De maneira geral, as etapas envolvem: 1) formação de um pó cerâmico; 2) modelagem da cerâmica por meio da compressão ou outros métodos e 3) consolidação da cerâmica por meio da sinterização ou queima� Figura 25: Etapas típicas do processamento de cerâmicas Síntese do pó cerâmico Moagem em moinho de bolas, mistura, secagem por nebulização dos pós, uso de aditivos Moldagem de pós para produzir cerâmica verde, utilizando compressão, colagem de barbotina, colagem de filmes de cerâmica etc. Consolidação por sinterização ou queima para a obtenção do objeto monolítico denso Processamento secundário (desbaste, corte, polimento, instalação de eletrodos, revestimento etc.) Produto cerâmico final sinterizado Fonte: Askeland (2019)� 90 Um pó é uma coleção de partículas finas� Os pós cerâmicos são sintetizados por trituração e mo- agem de constituintes cerâmicos� As impurezas são separadas e vários pós são misturados para produzir a composição desejada� Uma pasta de pó (uma suspensão de pó em um líquido) é pulve- rizada por meio de um bocal em uma câmara na presença de ar quente para formar aglomerados macios em um processo conhecido como secagem por nebulização� Os aglomerados são modelados por meio de uma variedade de processos para formar uma cerâmica verde� A cerâmica verde tem o formato adequado, mas precisa ser densificada usando-se um tra- tamento térmico de alta temperatura conhecido como sinterização ou queima� A cerâmica pode ser sujeita a operações adicionais posteriores, como lixamento, polimento ou usinagem, caso necessário para a aplicação final (ASKELAND, 2019)� Compressão É o processo por meio do qual a porosidade entre os aglomerados é eliminada com a aplicação de uma carga� As diferentes etapas de compressão uniaxial, na qual a força de compressão é aplicada em uma direção, são mostras na figura 26 (ASKE- LAND, 2019)� 91 Figura 26: Compressão uniaxial de pós que mostra a uni- dade punção-matriz durante diferentes estágios� Em geral, para peças pequenas, esses estágios são concluídos em menos de um minuto� 1. Início do ciclo 4. Fim da prensagem 5. Ejeção da peça 6. Novo ciclo de enchimento do molde 2. Enchimento do molde com pó 3. Início da prensagem Fonte: Askeland (2019)� O processo de compressão pode ser concluído em um minuto no caso de peças menores; assim, a compressão uniaxial é adequada para fabricar um grande número de formatos pequenos e simples (se difundir pelas superfícies dos poros� Entretanto, esses dois últimos mecanismos não contribuem para o encolhimento dos poros e densificação do material (Figura 30a)� A sinterização pode ser realizada sem a aplicação de pressão, mas normalmente as cerâmicas também são sinterizadas com uma pressão aplicada� Essa técnica, conhecida como prensagem a quente, é usada em cerâmicas refratárias e ligadas de modo covalente, que não exibem um bom comportamento de sinterização sem pressão� Da mesma forma, grandes peças de metais ou ligas compactadas usando a CIP podem ser sinterizadas sob pressão hidrostática em um processo conheci- do como prensagem isostática a quente (HIP)� Na prensagem a quente ou na HIP, a pressão aplicada atua contra a pressão interna do poro e melhora a densificação sem causar crescimento do grão� A prensagem a quente e a prensagem isostática a quente também são usadas para fabricar cerâmicas 98 e peças metálicas quase sem porosidade� Alguns processos inovadores que utilizam micro-ondas foram desenvolvidos para a secagem e sinteriza- ção de materiais cerâmicos (ASKELAND, 2019)� O tamanho médio do grão obtido a partir da sinte- rização de partículas cerâmicas está intimamente relacionado ao tamanho da partícula primária� Uma exceção a esse fato é quando há crescimento de grão devido a longos períodos de sinterização ou um crescimento anormal ou exagerado de grão� Em geral, as cerâmicas com tamanhos de grão pequenos são mais fortes do que cerâmicas com grãos grossos� Tamanhos de grão menores ajudam a minimizar as tensões que se desenvolvem nos contornos de grão em decorrência da expansão e contração anisotrópica� Normalmente, começar com matérias-primas cerâmicas mais finas produz um menor tamanho de grão� As propriedades magnéticas, dielétricas e ópticas dos materiais cerâmicos dependem do tamanho médio do grão e, nessas aplicações, o tamanho do grão deve ser controlado adequada- mente� Embora não entremos nessa discussão em detalhes, em certas aplicações é importante usar monocristais de materiais cerâmicos para evitar os contornos de grão prejudiciais que estão presentes em cerâmicas policristalinas� 99 Figura 30: (a) Diferentes mecanismos de difusão envol- vidos na sinterização� O contorno de grão e a difusão da massa (1, 2 e 5) até o pescoço contribuem para a densi- ficação� A condensação por evaporação (4) e a difusão superficial (3) não contribuem para a densificação� Fonte: Askeland (2019)� 100 POLÍMEROS: DEFINIÇÃO, CLASSIFICAÇÃO E PROCESSAMENTO DEFINIÇÃO E CLASSIFICAÇÃO A palavra polímero, literariamente, significa “muitas partes”� Um material polimérico sólido pode ser considerado aquele que contém muitas partes quimicamente ligadas ou unidades que são ligadas para formar um sólido (SMITH, 2012)� Os polímeros podem ser classificados de diversas maneiras: pelo processo como as moléculas são sintetizadas, por sua estrutura molecular ou por sua família química� Desse modo, uma possibilidade de classificação é estabelecer se é um polímero linear ou polímero ramificado (Figura 31)� Um polímero linear apresenta as cadeias polimé- ricas dispostas aleatoriamente como se fossem espaguetes� Em polímeros ramificados há cadeias poliméricas principais e ramificações secundárias na forma de cadeias menores que se originam a partir das cadeias principais� Observe que o termo linear não significa cadeias em linhas retas� A me- lhor maneira para descrever os polímeros é quanto ao seu comportamento mecânico e térmico� A 101 Tabela 12 apresenta as três principais categorias de polímeros (ASKELAND, 2012)� Como existem muitos tipos de metais, tais como alumínio e cobre, nós temos muitos tipos de plásti- cos, tais como polietileno e nylon� Plásticos podem ser divididos em duas classes, termoplásticos e termofixos, dependendo de como são ligados quimicamente e estruturalmente� Elastômeros ou borrachas podem ser elasticamente deformados em grande quantidade quando uma forca lhes é aplicada, podendo retornar a sua forma original (ou quase) quando a força é liberada (SMITH, 2012)� Termoplásticos São compostos de cadeias longas produzidas pela união dos monômeros� Eles têm comportamento mecânico plástico e dúctil� As cadeias podem ou não ter ramificações e cadeias individuais estão entrelaçadas (nós físicos)� Há ligações relativa- mente fracas do tipo van der Waals entre átomos de diferentes cadeias� A estrutura assemelha-se a árvores que crescem emaranhadas� Ainda empregando essa analogia, as árvores po- dem ter ou não ramos, e, apesar de emaranhadas, nenhuma árvore está presa à outra� Consequen- temente, nos termoplásticos, as cadeias podem ser destrançadas pela aplicação de uma tensão trativa� Os termoplásticos podem ser amorfos 102 ou parcialmente cristalinos� Quando aquecidos, amolecem e fundem-se e, assim, adquirem as formas de diversos objetos� Os termoplásticos são reciclados com facilidade (ASKELAND, 2012)� Polímeros termofixos São compostos por longas cadeias (lineares ou ramificadas) de moléculas muito ligadas umas às outras (reticulação) para formar estruturas de rede tridimensional� Polímeros termofixos (termor- rígidos ou em rede) são como diversos barbantes amarrados uns aos outros em vários pontos e não apenas entrelaçados� Cada barbante pode ter outros barbantes laterais amarrados a ele� Os termofixos são, em geral, mais resistentes, porém mais frágeis que os termoplásticos� Os termofixos não se fundem quando aquecidos, mas começam a se decompor� Eles não podem ser reprocessados com facilidade depois de a reação de reticulação (também chamada de ligação cruzada ou cross linking) ter ocorrido e, portanto, sua reciclagem torna-se mais complicada (ASKELAND, 2012)� Elastômeros São capazes de sustentar deformações elásticas superiores a 200%� Podem ser termoplásticos ou termofixos pouco reticulados� As cadeias poliméri- cas comportam-se como molas que se deformam 103 de maneira reversível com a aplicação de uma tensão mecânica (ASKELAND, 2012)� Elastômeros termoplásticos Formam um grupo especial de polímeros que possuem a facilidade de processamento dos termoplásticos e o comportamento elástico dos elastômeros� SÍNTESE E PROCESSAMENTO A síntese dessas grandes moléculas (polímeros) é denominada polimerização e é simplesmente o processo pelo qual os monômeros são ligados uns aos outros para gerar longas cadeias compostas por unidades repetidas� Na maioria das vezes, as matérias-primas para os polímeros sintéticos são derivadas de produtos originados do carvão, gás natural e petróleo� As reações pelas quais ocorre a polimerização são agrupadas em duas classes gerais: adição e condensação (CALLISTER, 2021)� Polimerização por adição Também chamada de polimerização por reação em cadeia, é um processo pelo qual as unidades mono- méricas são ligadas uma de cada vez, na forma de uma cadeia, para compor uma macromolécula linear� A composição do produto molecular resultante é um múltiplo exato do monômero reagente original� 104 Três estágios distintos – iniciação, propagação e terminação – estão envolvidos na polimerização por adição� Durante a etapa de iniciação, um centro ativo capaz de propagar é formado por uma reação entre um iniciador (ou catalisador) e uma unidade monomérica (CALLISTER, 2021)� Figura 31: Esquema de polímeros lineares e ramificados� Observe que a ramificação pode ocorrer em qualquer tipo de polímero (por exemplo, termoplásticos, termofixos e elastômeros)� Os locais onde as cadeias estão quimica- mente ligadas são representados por círculos� (a) Polímeros não ramificados lineares (d) Polímeros termofixos ramificados (b) Polímeros ramificados lineares (c) Polímeros termofixos não ramificados Fonte: Askeland (2019)� 105 Tabela 12: Comportamento e estruturas de polímeros Comportamento Estrutura geral Exemplo Termoplástico Cadeias lineares flexíveis (ramifica- das ou não) Polietileno Termofixo Redetridimen- sional rígida (as cadeias podem ser lineares ou ramificadas) Poliuretano Elastômeros Termoplásticos ou termofixos ligeira- mente reticulados, consistem em mo- léculas com efeito mola importante Borracha natural Fonte: Askeland (2019)� A formação do polímero mais comum, o polietileno (PE), a partir de moléculas de etileno, é um exemplo de polimerização por adição ou por crescimento de cadeia� O gás etileno é o monômero (unidade simples) cuja fórmula química é C2H4, na qual os dois átomos de carbono são unidos por uma dupla ligação covalente� Cada átomo de carbono compartilha dois de seus elétrons com o segundo átomo de carbono, e dois átomos de hidrogênio são ligados a cada átomo de carbono (Figura 32)� Em condições apropriadas de calor, pressão e na presença de um catalisador, a dupla ligação entre os átomos de carbono é quebrada e substituída por uma ligação covalente simples� Agora, as 106 extremidades do monômero são radicais livres� Cada átomo de carbono tem um elétron desempa- relhado que pode ser compartilhado com outros radicais livres� A polimerização por adição ocorre porque o mo- nômero original contém ligação covalente dupla entre os átomos de carbono� A dupla ligação é uma ligação insaturada� Após a mudança, os átomos de carbono ainda continuam ligados, mas tornam- -se ativos� Outras unidades repetitivas, ou meros, podem ser adicionadas para produzir a cadeia do polímero� Figura 32: Reação de adição para produzir polietileno a partir de moléculas de etileno H H H H C H H C H H C C H H H H C C H H C H C H = Monômero do etileno Unidades repetitivas de etileno Fonte: Askeland (2019)� Polimerização por Condensação A polimerização por condensação (ou reação em etapas) consiste na formação de polímeros por 107 reações químicas intermoleculares que ocorrem em etapas, as quais podem envolver mais de uma espécie de monômero� Existe geralmente um subproduto com baixo peso molecular, tal como a água, que é eliminado (ou condensado)� Nenhum componente reagente apresenta a fór- mula química da unidade repetida, e a reação intermolecular ocorre toda vez que uma unidade repetida é formada� Por exemplo, considere a formação do poliéster poli (tereftalato de etileno) (PET) a partir da reação entre o dimetil tereftalato e o etilenoglicol para formar uma molécula linear de PET com álcool metílico como subproduto; a reação intermolecular está representada na Figura 32 (CALLISTER, 2021)� Figura 33: Reação de condensação do politereftalato de etileno (PET), um poliéster comum� O grupo OCH3 e um átomo e hidrogênio são removidos dos monômeros, permitindo que os dois monômeros se liguem e produzam álcool metílico como subproduto H H H H+ + H H H H HCCO O HH H C O O O OC C C Tereftalato de dimetila Unidade repetitiva para politereftalato de etileno (polímero PET) Etilenoglicol Álcool metílico = = H H H HH H C O O O OC C C O = = H H C H H H HC O Fonte: Askeland (2019)� 108 Esse processo em etapas repete-se sucessiva- mente, produzindo uma molécula linear� O tempo de reação para a polimerização por condensação é geralmente mais longo do que para a polimeri- zação por adição� Na reação de condensação anterior, tanto o etileno- glicol quanto o dimetil tereftalato são bifuncionais� No entanto, as reações de condensação podem incluir monômeros trifuncionais ou de maior fun- cionalidade, que são capazes de formar polímeros com ligações cruzadas e em rede� Os poliésteres e os fenóis-formaldeídos termorrígidos, os náilons e os policarbonatos são produzidos por meio de polimerização por condensação� Alguns polímeros, como o náilon, podem ser polimerizados por ambas as técnicas (CALLISTER, 2021)� 109 COMPÓSITOS: DEFINIÇÃO, CLASSIFICAÇÃO, PROPRIEDADES E PROCESSAMENTO DEFINIÇÃO E CLASSIFICAÇÃO De modo semelhante às ligas metálicas, os com- pósitos misturam dois ou mais materiais para formar, juntos, um material com propriedades que são diferentes das de ambos os materiais iniciais� No entanto, os compósitos são diferentes das ligas porque os materiais iniciais continuam a existir separadamente como fase distinta� Os materiais compósitos podem ser classifica- dos como: reforçados por fibras, particulados e laminados� Os compósitos do primeiro caso têm fibras resistentes envolvidas por uma matriz, nor- malmente amorfa, que protege e orienta as fibras� Já os compósitos particulados envolvem partículas grandes, dispersas em uma matriz, enquanto os compósitos laminados envolvem camadas alter- nadas de material unidas umas às outras� Também podem ser produzidos compósitos híbri- dos, que são compósitos de compósitos� Como exemplo, um pneu radial cinturado com aço é um compósito híbrido� O “pneu de borracha” é um 110 compósito particulado, com uma matriz polimé- rica envolvendo partículas de negro de fumo� O pneu encapsula e orienta uma cordoalha de aço, para formar um compósito reforçado por fibras, enquanto múltiplas camadas desses compósitos reforçados por fibras estão ligadas juntas para formar um compósito laminado (NEWELL, 2018)� A tabela 13 apresenta os principais tipos de com- pósitos apresentados� Os compósitos reforçados por fibras consistem em duas fases: as fibras e a matriz� Na grande parte dos casos, fibras resistentes e rígidas, porém frá- geis, são colocadas em uma matriz tenaz, e mais dúctil, resultando em um material com excelentes propriedades, tais como razão resistência-peso, rigidez e resistência à fadiga� O papel da fibra é o de suportar cargas de tração elevadas na direção longitudinal� As fibras comu- mente usadas para reforço incluem as de carbono, de vidro, polímeros de alto desempenho, poliéster, aço, titânio e tungstênio� O material da matriz envolve as fibras, orienta-as para otimizar seu desempenho coletivo, protege-as de ataque do ambiente e transfere a carga para elas� O poliéster é o material mais comum usado como matriz, devido ao seu custo relativamente baixo� Resinas epóxi são usadas quando a contra- 111 ção é um problema e o custo não é tão relevante (NEWELL, 2018)� O uso de compósitos reforçados por fibras data da antiguidade, quando tijolos foram fabricados de uma mistura de argila (a matriz) e palha (a fibra)� Compósitos reforçados por fibras de carbono têm uso em aplicações militares e aeroespaciais, bem como em modernos barcos à vela, carros de corrida, bicicletas de competição e equipamentos de golfe e de tênis (NEWELL, 2018)� Tabela 13: Classe dos Compósitos Classe do compósito Definição Esquema Exemplo Reforçado por fibras Compósito no qual um mate- rial forma uma matriz externa e transfere quaisquer car- gas aplicadas para as fibras frágeis e mais resistentes Compósi- tos Kevlar- -epóxi Particulado Compósito que contém grande número de par- tículas grossas, para reforçar a matriz Concreto 112 Laminado Compósito que é fabricado Compen- sado Híbrido Compósito composto por outros materiais compósitos Concreto reforça- do por vergalhão Fonte: Newell (2018)� PROCESSAMENTO DE COMPÓSITOS Para a fabricação de plásticos reforçados com fibras contínuas que atendem às especificações de projeto, as fibras devem estar distribuídas uni- formemente no interior da matriz plástica e, na maioria dos casos, todas devem estar orientadas na mesma direção� Neste tópico serão apresenta- das diversas técnicas, como a pultrusão, o enrola- mento filamentar e os processos de produção de prepreg, a partir das quais produtos importantes são fabricados� Pultrusão A pultrusão é usada para a fabricação de com- ponentes com comprimentos contínuos e forma constante da seção transversal (barras, tubos, vigas 113 etc�)� Nessa técnica, ilustrada esquematicamente na Figura 33, as mechas, ou cabos de fibras con- tínuas são primeiramente impregnadas com uma resina termorrígida; elas são então puxadas através de uma matriz de aço que as pré-conforma para a formadesejada e que também define a razão resina/fibra� O material passa então por um molde de cura que é usinado com precisão, a fim de conferir à peça sua forma final� Essa matriz também é aquecida para iniciar a cura da resina� Um dispositivo puxa o material através das matrizes e também determina a velocidade de produção� É possível fazer tubos e seções ocas usando mandris centrais, ou pela inserção de núcleos ocos� Os principais reforços são as fibras de vidro, carbono e aramidas, adicionadas normalmente em concentrações entre 40 e 70 %v� Os materiais comumente empregados como matrizes incluem os poliésteres, ésteres vinílicos e resinas epóxi� A pultrusão é um processo contínuo, facilmente automatizado� As taxas de produção são relativa- mente altas, tornando-o muito eficiente em termos de custos� Além disso, é possível obter uma ampla variedade de formas, não havendo um limite práti- co para o comprimento do material que pode ser fabricado (CALLISTER, 2021)� 114 Figura 34: Diagrama esquemático mostrando o processo de pultrusão Fonte: Callister (2021)� Processos de Produção de Prepreg Prepreg é o termo utilizado pela indústria de com- pósitos para fibras contínuas de reforço pré-impreg- nadas com uma resina polimérica que está curada apenas parcialmente� Esse material é enviado para o fabricante na forma de fita, que então molda diretamente e cura o produto por completo sem a necessidade de qualquer adição de resina� Essa é provavelmente a forma de material compó- sito mais amplamente empregada para aplicações estruturais� O processo de fabricação de prepreg, representado esquematicamente para polímeros termorrígidos na Figura 34, começa pela reunião de uma série de mechas de fibras contínuas pre- viamente enroladas em bobinas� Essas mechas são prensadas entre folhas de papel desmoldante e de suporte, com o emprego de rolos aquecidos, em um processo denominado calandra- gem� A folha de papel desmoldante é revestida com 115 um fino filme de uma solução aquecida de resina, de viscosidade relativamente baixa, de forma a proporcionar a completa impregnação das fibras� Uma lâmina niveladora espalha a resina formando um filme com espessura e largura uniformes� O produto final, o prepreg – a fita fina formada por fibras contínuas e alinhadas, embebidas por uma resina parcialmente curada – é preparado para embalagem, sendo enrolado em uma bobina de papelão� Como está mostrado na Figura 34, a folha de papel desmoldante é removida conforme a fita impreg- nada é enrolada� As espessuras típicas para a fita variam entre 0,08 e 0,25 mm (3 × 10–3 e 10–2 in) e as larguras das fitas variam entre 25 e 1525 mm (1 e 60 in), o teor de resina fica geralmente entre aproximadamente 35 e 45 %v� (CALLISTER, 2021)� A uma temperatura ambiente, a matriz termorrígi- da sofre as reações de cura; portanto, o prepreg é armazenado a 0°C (32°F) ou menos� Além disso, o tempo de uso à temperatura ambiente deve ser minimizado� Se manuseados adequadamente, os prepregs de resinas termorrígidas possuem um tempo de vida útil de pelo menos seis me- ses e, geralmente, mais que isso� Tanto resinas termoplásticas quanto resinas termorrígidas são 116 utilizadas; fibras de carbono, vidro e aramidas são os reforços comuns (CALLISTER, 2021)� A fabricação de fato começa com o empilhamento – a colocação da fita de prepreg sobre uma su- perfície preparada� Normalmente, várias camadas são colocadas umas sobre as outras (após serem removidas do papel de revestimento usado como suporte) para atingir a espessura desejada� O arranjo de colocação das camadas pode ser uni- direcional; porém, com maior frequência, a orienta- ção das fibras é alternada, de forma a produzir um laminado com camadas cruzadas ou em ângulo� A cura final é feita pela aplicação simultânea de calor e pressão� O procedimento de empilhamento pode ser rea- lizado de forma totalmente manual (laminação manual), em que o operador corta o comprimento das fitas e as posiciona na orientação desejada sobre a superfície preparada� Alternativamente, os conjuntos de fita podem ser cortados à máquina e, então, empilhados manualmente� Os custos de fabricação podem ser reduzidos ainda mais pela automação do empilhamento dos prepregs e de outros procedimentos de fabricação (por exemplo, por enrolamento filamentar, como discutiremos a seguir), o que praticamente elimina a necessidade de mão de obra� Esses métodos 117 automatizados são essenciais para que muitas aplicações de materiais compósitos sejam pos- síveis em termos de custos (CALLISTER, 2021) Figura 35: Diagrama esquemático ilustrando a produção de fitas de prepreg usando um polímero termorrígido Fonte: Callister (2021)� Enrolamento filamentar O enrolamento filamentar é um processo pelo qual fibras contínuas de reforço são posicio- nadas de maneira precisa, segundo um padrão predeterminado, para produzir uma peça oca (ge- ralmente cilíndrica)� As fibras, tanto na forma de fios individuais quanto na forma de mechas, são submetidas primeiramente a um banho de resina 118 e, então, enroladas continuamente ao redor de um mandril, utilizando em geral um equipamento de enrolamento automatizado (Figura 35)� Depois de aplicado o número apropriado de cama- das, a cura é colocada em um forno, ou exposta a uma temperatura ambiente� Depois disso, o mandril é removido� Como alternativa, prepregs estreitos e finos (ou seja, mechas impregnadas) com 10 mm ou menos de largura podem ser enrolados� São possíveis vários padrões de enrolamento (ou seja, circunferencial, helicoidal e polar) para gerar as características mecânicas desejadas� As peças obtidas por enrolamento filamentar têm razões resistência-peso muito altas� Além disso, essa técnica permite um alto grau de controle so- bre a uniformidade e a orientação do enrolamento� Quando automatizado, o processo é muito atrativo economicamente� Estruturas comuns fabricadas por enrolamento filamentar incluem carcaças de motores de foguetes, tanques de armazenamento e tubulações, e vasos de pressão (CALLISTER, 2021)� Atualmente, são utilizadas técnicas de fabricação para a produção de uma grande variedade de for- mas estruturais, não necessariamente limitadas a superfícies de revolução (por exemplo, vigas “I”)� Essa tecnologia está avançando muito rapidamente, pois é muito eficiente em relação ao custo� 119 Figura 36: Representações esquemáticas das técnicas de enrolamento filamentar helicoidal, circunferencial e polar Fonte: Callister (2021)� 120 CONSIDERAÇÕES FINAIS Com frequência, os engenheiros estão envolvidos em decisões que compreendem a seleção de materiais� Tais decisões exigem que esses pro- fissionais tenham alguma familiaridade com as características gerais de uma ampla variedade de metais e suas ligas (assim como outros tipos de materiais)� Além disso, é necessário o acesso a bases de dados contendo os valores das proprie- dades para muitos materiais� Aqui nos deparamos com os diversos materiais ferrosos e não ferrosos, com suas propriedades e aplicações� Analisamos também que os diagramas de fases indicam quais fases estão presentes em qualquer temperatura e composição e podem ser usados para determinar como as fases presentes mudarão à medida que a liga metálica é aquecida ou resfriada� Com base no diagrama de fases, podemos predizer de que modo um material se solidificará sob con- dições de equilíbrio� Também podemos predizer quais serão as fases termodinamicamente estáveis e em que concentrações tais fases deverão estar presentes� Os tratamentos térmicos desempenham um papel importante no aprimoramento de metais ferrosos 121 e não ferrosos, visando ao aumento ou diminuição da resistência mecânica� As cerâmicas são uma classe especial de materiais, com propriedades desejáveis, como elevada dure- za, resistência ao desgaste, estabilidade química, resistência a alta temperatura e baixo coeficiente de expansão térmica� O processamentodos ma- teriais cerâmicos foi apresentado, mostrando-se a importância na fabricação desses materiais� Assim como metais e cerâmicas, os polímeros, que incluem os plásticos e os elastômeros, também são materiais essenciais nas diversas aplicações em engenharia e design� Por fim, os materiais compósitos vêm apresentando um destaque em aplicações de alta performance, que exigem boas propriedades tais como resistên- cia-peso e rigidez� Referências Bibliográficas & Consultadas ASHBY, M� F� Seleção de materiais no projeto mecânico� 5� ed� Rio de Janeiro: Elsevier, 2019� ASKELAND, D� R�; WRIGHT, W� J� Ciência e Engenharia dos Materiais� 4� ed� São Paulo: Cengage Learning, 2019� BOTELHO, M� H� C� Resistência dos materiais: para entender e gostar� 2� ed� São Paulo: Blucher, 2013� [Minha Biblioteca]� CALLISTER, W� D�; RETHWISH, D� G� Ciência e engenharia de materiais: uma introdução� 10� ed� Rio de Janeiro: LTC, 2021� GARCIA, A�; SPIM, J� A�; SANTOS, C� A� dos� Ensaios dos materiais� 2� ed� Rio de Janeiro: LTC, 2012� [Minha Biblioteca]� NEWELL, J� Fundamentos da moderna engenharia e ciência dos materiais� 1� ed� Rio de Janeiro: LTC, 2018� SCHAKELFORD, J� F� Ciência dos Materiais� 6� ed� São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2008� SMITH, W� F�; HASHEMI, J� Fundamentos de Engenharia e Ciência dos Materiais� 5� ed� Porto Alegre: McGraw Hill, 2012� STEIN, R� T�; GEHLEN, R� Z� da C�; ROJAS, F� C� Tecnologia dos materiais� Porto Alegre: SAGAH, 2019� [Minha Biblioteca]� VAN VLACK, L� H� Princípio de ciência dos materiais� 1� ed� São Paulo: Blucher, 2017� _Hlk81319570 _Hlk83836730 _Hlk83850285 _Hlk83853097 _Hlk86134165 _Hlk86072114 _Hlk86135716 _Hlk86153906 Introdução Diagramas de fase em solução sólida Definições e conceitos básicos A regra das fases O diagrama de fases Estudo das ligas ferrosas e não ferrosas Ligas ferrosas Ligas não ferrosas Tratamento térmico – introdução aos processos de melhoria de propriedades mecânicas Tratamentos térmicos para alívio de tensões, recozimento e normalização Esferoidização – melhoria da usinabilidade Têmpera e revenimento Diagramas binários gerais Cerâmicas cristalinas, não cristalinas e processamento de cerâmicas e vidros Cerâmicas cristalinas Cerâmicas não cristalinas Processamento de cerâmicas e vidros Polímeros: definição, classificação e processamento Definição e classificação Síntese e processamento Compósitos: definição, classificação, propriedades e processamento Definição e classificação Processamento de compósitos Considerações finais Referências Bibliográficas & Consultadas1: Microestrutura monofásica do molibdênio comercialmente puro� 200x� Embora haja muitos grãos nessa microestrutura, cada grão tem a mesma composi- ção química uniforme� Fonte: Schakelford, 2012 É necessário distinguir-se fase de componente, que é uma substância química diferente daquela da fase� Os componentes são metais puros e/ ou compostos que compõem uma liga� Como exemplo, vamos citar o cobre e o níquel, que têm naturezas tão semelhantes que são solúveis entre si em quaisquer proporções da liga� Na Figura 2 percebemos que o cobre é o solvente (elemento 10 de maior quantidade) e o níquel o soluto (elemento de menor quantidade)� Nesse sistema, existe uma única fase (solução sólida) e dois componentes (Cu e Ni)� Alguns sistemas podem englobar compostos ao invés de elementos puros e os compostos podem ser componentes� Como exemplo, MgO e NiO são os componentes e formam soluções sólidas de forma muito semelhante à do Cu e do Ni (SCHAKELFORD, 2008)� Figura 2: Solução sólida de níquel no cobre� Essa é uma solução sólida substitucional com os átomos de níquel substituindo os átomos de cobre nos sítios CFC Cu Ni Fonte: adaptado de Schakelford (2012)� 11 Alguns materiais apresentam composições dis- tintas, que se apresentam em duas fases, em que cada uma é mais rica em um componente diferente� Um exemplo típico é a estrutura perlita (Figura 3), que é formada por camadas alternadas de ferrita (Fe) e cementita (Fe3C)� A ferrita é o Fe a com uma pequena quantidade de cementita em solução sólida� Os componentes são, portanto, Fe e Fe3C (SCHAKELFORD, 2008)� Figura 3: Microestrutura básica da perlita encontrada em um aço com 0,8%p C (peso de Carbono)� Essa é uma média do conteúdo de carbono em cada uma das cama- das alternadas de ferrita (com 0,02%p C) e de cementita (Fe3C, que contém 6,7%p C)� As camadas mais estreitas (escuras) são a fase cementita Fonte: Schakelford (2012)� 12 Quando nos referimos ao termo sistema, pode- mos relacioná-lo a uma série de ligas compostas pelos mesmos componentes, porém de maneira independente à composição da liga� Um exemplo é o sistema ferro-carbono, que será apresentado posteriormente (CALLISTER, 2021)� Para diversos sistemas de ligas em uma tempera- tura específica existe uma concentração máxima de átomos do soluto que pode se dissolver no solvente para formar uma solução sólida� Isso é chamado de limite de solubilidade� Quando adicionamos soluto em excesso, para além do limite de solubilidade do solvente, temos a formação de outra solução sólida ou outro com- posto, com uma composição totalmente diferente� Um exemplo clássico é a água e o açúcar� Quando adicionamos açúcar na água, uma solução ou xarope açúcar-água se forma� A concentração aumenta mais conforme adicionamos mais açúcar, até que o limite de solubilidade seja atingido, quando dizemos que a solução fica saturada de açúcar� O açúcar, a partir desse ponto, não se dissolve mais na água e as adições subsequentes se sedimentam no fundo do recipiente� Assim, o sistema passa a ser constituído de duas substâncias separadas: uma solução açúcar-água (xarope) e cristais sólidos 13 de açúcar que não foram dissolvidos (CALLISTER, 2021)� O limite de solubilidade do açúcar na água depende da temperatura da água e pode ser representado na forma de um gráfico, no qual a temperatura é representada no eixo y e a composição (em por- centagem em peso de açúcar) é traçada ao longo do eixo x (Figura 4)� Ao longo do eixo da composição, o aumento na concentração de açúcar se dá da esquerda para a direita, e a porcentagem de água é lida da direita para a esquerda� Uma vez que apenas dois compo- nentes estão envolvidos (açúcar e água), a soma das concentrações em qualquer composição será igual a 100 %p� O limite de solubilidade é represen- tado pela linha praticamente vertical mostrada na figura� Para composições e temperaturas à esquerda da linha de solubilidade, existe apenas a solução líquida de xarope; à direita da linha, coexistem o xarope e o açúcar sólido� O limite de solubilidade a uma dada temperatura é a composição que corresponde à interseção da respectiva coordenada de temperatura com a linha do limite de solubilidade� Por exemplo, a 20ºC, a solubilidade máxima do açúcar na água é de 65 %p� Também percebemos que, conforme aumen- 14 tamos a temperatura, temos um ligeiro aumento do limite de solubilidade� Figura 4: Solubilidade do açúcar em um xarope açúcar-água 100 100 100 150 200 50 80 80 60 60 40 40 20 20 0 0 100 80 60 40 20 0 Te m pe ra tu ra (° C) Te m pe ra tu ra (° F) Açúcar Água Composição (%p) Solução líquida (xarope) Limite de solubilidade Solução líquida + Açúcar sólido Fonte: Callister (2021)� O termo “solubilidade ilimitada” também precisa ser apresentado� Água e álcool apresentam solu- bilidade ilimitada, ou seja, independentemente da razão água/álcool, quando são misturados, esses líquidos produzem somente uma fase� Se misturarmos quaisquer quantidades de cobre líquido e níquel líquido (Figura 5a), será produzida somente uma fase líquida, que possui a mesma composição e propriedades em todos os pontos, já que cobre e níquel apresentam solubilidade ilimitada� Caso a liga cobre-níquel se solidifique e 15 resfrie à temperatura ambiente, dentro de certas condições de equilíbrio térmico, somente uma fase sólida é produzida� Após a solidificação, os átomos de cobre e níquel não se separam, estão aleatoriamente dispersos na estrutura cristalina CFC (Figura 5b)� Dentro da fase sólida, a estrutura, as propriedades físicas e a composição são uniformes, não havendo interface entre os átomos de cobre e níquel� Logo, cobre e níquel também têm solubilidade ilimitada� A fase sólida é uma solução sólida de cobre e níquel� Uma solução sólida não é uma mistura� Uma mistura contém mais de um tipo de fase e as características de cada uma são conservadas quando a mistura é formada� Ao contrário, os componentes de uma solução sólida se dissolvem completamente um no outro e não conservam suas características individuais� A adição de uma pequena quantidade de zinco líquido ao cobre líquido produz uma solução líqui- da� Quando a solução cobre-zinco é resfriada e se solidifica, resulta numa solução sólida de estrutura CFC, com os átomos de cobre e zinco localizados nos pontos normais da rede� Caso a solução líquida contenha mais do que aproximadamente 30% de Zn, alguns dos átomos de zinco em excesso se ligarão a alguns dos átomos de cobre para formar um composto CuZn (Figura 5c)� Agora coexistem 16 duas fases sólidas: uma solução sólida de cobre saturado (com aproximadamente 30% de zinco) mais um composto CuZn� Esse fenômeno decorre da solubilidade limitada do zinco no cobre (ASKE- LAND, 2019)� Figura 5: (a) Cobre líquido e níquel líquido são completa- mente solúveis um no outro; (b) ligas sólidas de cobre-ní- quel apresentam solubilidade sólida total, com os átomos de cobre e níquel ocupando locais aleatórios da rede cristalina e (c) ligas de cobre-zinco com mais de 30% de zinco formam uma segunda fase em razão da solubilidade limitada do zinco no cobre (a) (b) (b) Ni Cu Zn Composto de Cu e Zn Solução sólida de Zn em Cu Ni Cu Cu Fonte: adaptado de Askeland (2019)� Outro termo essencial que precisamos definir é equilíbrio, o qual pode ser descrito em termos de uma grandeza termodinâmica chamada energia 17 livre� De maneira resumida, a energia livre é uma função da energia interna de um sistema e tam- bém da aleatoriedade ou desordem (entropia) dos átomos e moléculas� Um sistema está em equilíbrio se sua energia livre está em um valor mínimo sob condições específi- cas de temperatura, pressão e composição� Isso significa, macroscopicamente, que as caracterís- ticas do sistema não mudam ao longo do tempo, mas persistem indefinidamente (sistema estável)� Caso tenhamos uma alteração na temperatura, pressão e/ou composiçãode um sistema que está em equilíbrio, teremos um aumento da energia livre e uma provável mudança espontânea para outro estado de energia livre reduzida� Já o termo equilíbrio de fases está relacionado à constância nas características das fases de um sistema ao longo do tempo (CALLISTER, 2021)� É comum ocorrer, principalmente em sistemas sólidos, que um estado de equilíbrio nunca seja completamente atingido, pois a taxa para alcançar o equilíbrio é extremamente baixa� Nesse caso, diz-se que um sistema desse tipo não está em um estado de equilíbrio ou é metaestável� Um estado ou microestrutura metaestável pode persistir indefi- nidamente, apresentando apenas mudanças extre- mamente pequenas e praticamente imperceptíveis com o passar do tempo� Estruturas metaestáveis 18 têm uma importância prática maior que estrutu- ras em equilíbrio� Como exemplo, podemos citar a resistência de alguns aços e ligas de alumínio, que depende do desenvolvimento de microestru- turas metaestáveis durante tratamentos térmicos cuidadosamente projetados (CALLISTER, 2021)� A REGRA DAS FASES O físico e matemático norte-americano Josiah Willard Gibbs (1839-1903) desenvolveu uma regra que descreve a relação entre o número de componentes e de fases de um dado sistema e as condições que podem variar, como temperatura, pressão etc� (ASKELAND, 2019)� Essa equação é conhecida como regra das fases de Gibbs, ou, simplesmente, regra das fases (CALLISTER, 2021): 𝑃𝑃 + 𝐹𝐹 = 𝐶𝐶 + 𝑁𝑁 (1�1) Onde: P = número de fases; F = número de graus de liberdade ou número de variáveis externas, como pressão, temperatura ou composição; C = número de componentes no sistema; 19 N = número de variáveis não relacionadas com a composição (temperatura e pressão)� A maior parte dos diagramas binários, usados em Engenharia dos Materiais, são diagramas do tipo temperatura-composição nos quais a pressão é mantida de modo constante, geralmente a 1 atm� Nesse caso, temos a regra das fases “condensada”, dada por (CALLISTER, 2021): 𝑃𝑃 + 𝐹𝐹 = 𝐶𝐶 + 1 (1�2) O parâmetro N é igual a 1, pois a única variável não relacionada com a composição é a temperatura, já que a pressão é constante� Vamos agora aplicar a regra de fases� Vamos analisar o diagrama Pressão x Temperatura da água pura (Figura 6)� No chamado ponto triplo coexistem três fases em equilíbrio (sólido, líquido e gasoso), indicado no ponto O da Figura 6� Com a equação 1�1, vamos calcular o grau de liberdade F no ponto de equilíbrio: P = 3 (número de fases: sólido, líquido, gasoso); C = 1 (componente: H2O); 20 N = 2 (número de variáveis não relacionadas com a composição: temperatura e pressão); Logo, de acordo com a equação 1�1, temos: 3 + F = 1 + 2 F = 0 (zero graus de liberdade) Isso significa que, para manter as três fases em equilíbrio, não se pode alterar nenhuma das vari- áveis (temperatura e pressão) e, com isso, pode- mos chamar o ponto triplo de “ponto invariante” (SMITH, 2012)� Figura 6: Diagrama de fases pressão-temperatura para a água� A interseção da linha horizontal tracejada, na pres- são de 1 atm com a fronteira entre as fases sólido-líquido (ponto 2), é o ponto de fusão nessa pressão (T = 0°C)� De maneira semelhante, o ponto 3, na interseção com a fronteira entre as fases líquido-vapor, representa o ponto de ebulição (T = 100°C) 0,001 0,01 0,1 1,0 10 100 1000 3 c b 0 2 a Líquido (água)Sólido (gelo) Temperatura (°C) Pr es sã o (a tm ) Gás (vapor d’água) - 20 20 40 60 80 100 1200 Fonte: Callister (2021)� 21 O DIAGRAMA DE FASES Como estudamos, um diagrama de fases é qual- quer representação gráfica das variáveis de estado associadas às microestruturas por meio da regra de fases de Gibbs� Os diagramas de fases são mapas das fases em equilíbrio associadas a diver- sas combinações de temperatura e composição� Nossa preocupação será ilustrar a mudança nas fases e a microestrutura associada que vem das mudanças nas variáveis de estado (temperatura e composição) (SCHAKELFORD, 2008)� Os diagramas mais utilizados são diagramas binários, que representam sistemas de dois componentes e diagramas ternários, de três componentes� Nossa discussão irá se restringir aos diagramas binários� Sistemas isomorfos binários O tipo mais comum de diagrama de fases é aquele baseado nos sistemas binários, em que dois com- ponentes exigem solução sólida completa entre si, nos estados sólido e líquido (SCHAKELFORD, 2008)� Nesses sistemas, existe apenas uma única estrutura cristalina qualquer que seja a composição e, por essa razão, são denominados sistemas isomorfos� Para que dois elementos tenham solubilidade total em estado sólido, devem ser atendidas uma ou mais das seguintes condições, formuladas por 22 Hume-Rothery, e conhecidas por regras de Hu- me-Rothery para a solubilidade em estado sólido (SMITH, 2012): 1) A estrutura cristalina dos dois elementos da solução sólida deve ser a mesma; 2) Os tamanhos dos átomos de cada um dos dois elementos não devem diferir mais do que 15%; 3) Os elementos não devem formar compostos, isto é, as eletronegatividades dos dois elementos não devem ser muito diferentes; 4) Os elementos devem ter a mesma valência� Nem sempre todas as regras de Hume-Rothery são aplicáveis a todos os pares de elementos que apresentam solubilidade total em estado sólido� Um exemplo típico de um sistema binário isomorfo é o sistema cobre-níquel apresentado na Figura 7� A partir dessa figura, notamos que a temperatura é traçada ao longo do eixo y (eixo das ordenadas), enquanto a composição da liga é representada no eixo x (eixo das abscissas), em porcentagem em peso (%p), na escala inferior, e em percentagem atômica (%a), na escala superior de níquel� A composição varia entre 0 %p Ni (100 %p Cu) na extremidade horizontal esquerda e 100 %p Ni (0% Cu) à direita� São três regiões, ou campos, de fases 23 distintas que aparecem no diagrama: campo alfa (a), campo líquido (L) e um campo bifásico (a + L)� As regiões são definidas pela fase, ou pelas fases, ao longo das faixas de temperaturas e composi- ções delimitadas pelas curvas de fronteira entre as fases (CALLISTER, 2021)� O líquido é uma solução líquida homogênea com- posta tanto por cobre quanto por níquel� A fase a é uma solução sólida substitucional contendo átomos de Cu e de Ni, possuindo estrutura cristalina CFC (Cúbica de Face Centrada)� Abaixo de 1080°, há solubilidade completa entre cobre e níquel� O sistema cobre-níquel é isomorfo em razão dessa completa solubilidade dos dois componentes (isomorfo: mesma forma) nos estados líquido e sólido� Essa solubilidade completa é explicada pelo fato de que tanto o Cu quanto o Ni têm a mesma estrutura cristalina (CFC), raios atômicos e eletronegatividades praticamente idênticos, e valências semelhantes (Regra de Hume-Rothery) (CALLISTER, 2021)� Figura 7: (a) O diagrama de fases cobre-níquel; (b) uma parte do diagrama de fases cobre-níquel no qual as com- 24 posições e as quantidades das fases estão determinadas para o ponto B 1000 1300 1200 20 30 40 50 1085ºc 1280ºc 1320ºc Líquido Linha solidusLinha liquidus 1453ºC 0 20 40 50 60 100 2000 2200 2400 2600 2800 1006040 Composição (%a Ni) Composição (%p Ni) Composição (%p Ni) Te m pe ra tu ra (° C) Te m pe ra tu ra (° C) Te m pe ra tu ra (° F) 200 80 (Ni) (a) (b) (Cu) 1100 1200 1400 1300 1500 1600 B A α α+L Líquido α + Líquido α + Líquido Linha de amarração α α R B C�C₀C₁ S Fonte: adaptado de Callister (2021)� 25 Em relação à nomenclatura comumente utilizada nos diagramas de fase, para as ligas metálicas, as soluções sólidas são comumente designadas por meio de letras gregas minúsculas (a, b, l etc�)� Além disso, em relação às fronteiras entre as fases, a curva que separa os campos das fases L e a + L é denominada linha liquidus (Figura 7a), onde a fase líquida está presente em todas as temperaturas e composiçõesacima dessa curva� A linha solidus está localizada entre as regiões a e a + L; abaixo dela existe somente a fase sólida a� Observamos pela Figura 7 que as linhas solidus e liquidus se interceptam nas duas extremidades de composição, pontos que correspondem às temperaturas de fusão dos componentes puros� Por exemplo, as temperaturas de fusão do cobre puro e do níquel puro são 1085°C e 1453°C, res- pectivamente� O cobre permanece sólido até ser atingida sua temperatura de fusão� A transformação de sólido para líquido ocorre na temperatura de fusão e nenhum aquecimento adicional é possível até que essa transformação tenha sido completada� Para qualquer composição que não aquelas dos componentes puros, esse fenômeno de fusão ocorrerá ao longo de uma faixa de temperaturas entre as linhas solidus e liquidus; as duas fases, sólido a e líquido, estarão em equilíbrio nessa faixa de temperaturas� 26 Quando se aquece uma liga com composição de 50 %p Ni-50 %p Cu (Figura 7a), a fusão tem início a aproximadamente 1280ºC (2340ºF); a quantidade da fase líquida aumenta continuamente com a elevação da temperatura até aproximadamente 1320ºC (2410ºF), quando a liga fica completamente líquida (CALLISTER, 2021)� Interpretação dos diagramas (fases presentes, composição e quantidades) Para um sistema binário com composição e tempe- ratura conhecidas e que esteja em equilíbrio, pelo menos três tipos de informações são disponíveis: (1) as fases que estão presentes, (2) as composições dessas fases e (3) as porcentagens ou frações das fases� Os procedimentos para efetuar essas deter- minações serão demonstrados, considerando-se o sistema cobre-níquel apresentado na Figura 7� Fases presentes Para estabelecer quais fases estão presentes, basta localizar o ponto temperatura-composição no dia- grama e observar a(s) fase(s) correspondente(s) ao campo de fases identificado� Como exemplo, uma liga de composição de 60%pNi-40%pCu a 1100°C está localizada no ponto A da Figura 7a� Como o ponto A está na região a, apenas essa fase está presente� Já uma liga com 35%pNi-65%pCu a 1250°C (ponto B da Figura 7) é formada tanto 27 da fase a quanto da fase líquido em equilíbrio (CALLISTER, 2021)� Determinação das composições das fases Para determinar as composições das fases (em termos de concentração dos componentes), é preciso localizar o ponto temperatura-composição no diagrama de fases� Se apenas uma fase estiver presente (região monofásica), a composição da fase é a mesma que a composição global da liga� Como exemplo, considere a liga 60%pNi-40%pCu a 1100°C (ponto A, Figura 7a)� Nessa composição e temperatura, apenas a fase a está presente, apre- sentando uma composição de 60%pNi-40%pCu� Quando temos uma liga com composição e tem- peratura localizadas em uma região bifásica, o procedimento não é tão simples quanto foi apresentado na região monofásica� Nas regiões bifásicas lançamos mão da linha de amarração, ou seja, uma linha horizontal ou isoterma que se estende pela região bifásica e termina, em ambas as extremidades, nas curvas de fronteira entre as fases� Para calcular as concentrações de equilíbrio de duas fases, o seguinte procedimento é usado (CALLISTER, 2021): 1) Construir uma linha de amarração na região bifásica na temperatura em que a liga se encontra; 28 2) Anotar as intersecções, em ambas as extremi- dades, da linha de amarração com as fronteiras entre as fases; 3) A partir dessas interseções, são traçadas linhas perpendiculares à linha de amarração até o eixo horizontal das composições, onde é feita a leitura da composição de cada uma das respectivas fases� Vamos tomar como exemplo, novamente, o dia- grama cobre-níquel da Figura 7� Considere a liga 35%pNi-65%pCu, localizada no ponto B da Figura 7b, e que está no interior da região bifásica a + L� Devemos determinar a composição (em p%Ni e %pCu) tanto para a fase a quanto para a fase líquida� A linha de amarração é construída na região bifásica, conforme mostra a Figura 7b� Anotam-se as inter- secções entre linha de amarração e as fronteiras liquidus e solidus� A linha perpendicular traçada a partir da interseção da linha de amarração e a linha liquidus encontra o eixo das composições em 31,5%pNi-68,5%pCu (composição da fase líquida, CL)� Da mesma forma, através da interseção da linha de amarração com a linha solidus, encontramos uma composição para a fase de solução sólida a (Ca) de 42,5%pNi-57,5%pCu (CALLISTER, 2021)� Determinação das quantidades das fases 29 As quantidades relativas das fases presentes (fração ou porcentagem) em equilíbrio podem ser calculadas com o auxílio do diagrama de fases� Como temos uma fase presente (região monofá- sica), a liga é composta integralmente pela fase, ou seja, a fração é 1,0 ou a porcentagem é 100%� Por meio do ponto A da Figura 7a notamos que somente a fase a está presente, ou seja, a liga é composta de 100% da fase a� Novamente, caso a combinação de composição e temperatura caiam na região bifásica, a comple- xidade será maior� Além de criarmos a linha de amarração típica para regiões bifásicas, usaremos outro procedimento para o cálculo das quantidades relativas� Tal procedimento é chamado de Regra da Alavanca� Regra da Alavanca – Método para determinar as com- posições de materiais em cada fase, usando linhas de amarração segmentadas que representam as porcenta- gens em peso dos diferentes materiais (NEWELL, 2018)� Para calcularmos as quantidades de líquido e só- lido, construímos uma alavanca sobre a linha de amarração, sendo a composição original da liga o ponto de apoio da alavanca� O braço da alavanca FIQUE ATENTO 30 oposta à composição da fase, cuja massa está sendo calculada, é dividido pelo comprimento total da alavanca para fornecer a quantidade daquela fase� A regra da alavanca pode ser escrita de forma geral como (ASKELAND, 2019): 𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃 𝑑𝑑𝑃𝑃 𝑓𝑓𝑃𝑃𝑓𝑓𝑃𝑃 = 𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏 𝑏𝑏𝑜𝑜𝑏𝑏𝑜𝑜𝑜𝑜𝑏𝑏 𝑑𝑑𝑏𝑏 𝑏𝑏𝑎𝑎𝑏𝑏𝑎𝑎𝑏𝑏𝑎𝑎𝑎𝑎𝑏𝑏 𝑎𝑎𝑏𝑏𝑐𝑐𝑜𝑜𝑏𝑏𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑎𝑎𝑜𝑜𝑏𝑏 𝑜𝑜𝑏𝑏𝑜𝑜𝑏𝑏𝑎𝑎 𝑑𝑑𝑏𝑏 𝑎𝑎𝑐𝑐𝑎𝑎𝑙𝑏𝑏 𝑑𝑑𝑐𝑐 𝑏𝑏𝑐𝑐𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑎𝑏𝑏 ×100 (1�3) Tomando como base o diagrama cobre-níquel da Figura 7, vamos calcular a fração de cada uma das fases a e L presentes, utilizando a regra da alavanca� Vamos utilizar a mesma liga com 35%pNi-65%pCu a 1250°C, localizada no ponto B da Figura 7b, que se encontra na região bifásica de a + L� Para uma liga binária, a composição precisa ser especificada apenas em termos de um dos seus constituintes; para o cálculo acima, a porcentagem em peso de níquel será considerada (isto é, C0 = 35 %p Ni, Ca = 42,5 %p Ni e CL = 31,5 %p Ni)� Cálculo da Fração da fase líquida (%L) Utilizan do a regra da alavanca (equação 1�3), temos: 31 %𝐿𝐿 = 𝐶𝐶∝ − 𝐶𝐶0 𝐶𝐶∝ − 𝐶𝐶𝐿𝐿 ×100 %𝐿𝐿 = 42,5 − 35 42,5 − 31,5×100 %𝐿𝐿 = 0,68 𝑜𝑜𝑜𝑜 68% Cálculo da Fração da fase sólida (%a) %a = 𝐶𝐶0 − 𝐶𝐶𝐿𝐿 𝐶𝐶∝ − 𝐶𝐶𝐿𝐿 ×100 %a = 35 − 31,5 42,5 − 31,5×100 %a = 0,32 𝑜𝑜𝑜𝑜 32% Não é difícil confundir os procedimentos anterio- res para determinar as composições das fases e as frações de cada fase� Dessa forma, segue um breve resumo (CALLISTER, 2021): a) As composições das fases são expressas em termos das porcentagens em peso dos componen- tes (por exemplo, %p Cu, %p Ni)� Para qualquer liga monofásica, a composição dessa fase é a mesma que a composição global da liga� Se duas fases estiverem presentes, deve ser empregada uma linha de amarração, cujas extremidades determinam as composições das respectivas fases; 32 b) Em relação às frações das fases (por exemplo, a fração mássica da fase a ou da fase líquida), quando existe uma única fase, a liga é composta totalmente por essa fase� Para uma liga bifásica, é usada a regra da alavanca, na qual é determinada a razão entre os comprimentos dos segmentos da linha de amarração� Sistemas eutéticosbinários Diversos sistemas binários produzem diagramas de fases mais complexos que os diagramas de fases isomorfos� São os diagramas de fases eutéticos binários, como o apresentado na Figura 8, que mostra o diagrama de fases cobre-prata� Nesse tipo de diagrama são encontradas três regiões monofásicas: a, b e líquido� A fase a é uma solução sólida rica em cobre; ela tem a prata como o com- ponente soluto, além de uma estrutura cristalina CFC� A solução sólida b também tem uma estrutura CFC, mas nela o cobre é o soluto� O cobre puro e a prata pura também são considerados como as fases a e b, respectivamente (CALLISTER, 2021)� 33 Figura 8: Diagrama de fases cobre-prata Composição (%a Ag)(Cu) 200 0 20 40 60 80 100 (ag) 400 600 800 1400 1600 1800 F 2000 2200 100806040 Composição (%a Ag) 200 1200 1000 800 600 400 1200 Te m pe ra tu ra (° F) Te m pe ra tu ra (° C) 1000Linha Solvus C B A 8,0 779ºC (T ) (C ) Linha Solidus Linha Liquidus Líquido α� (C )β�(C )� α α + β β + L G H β E 71,9 91,2 α + L � Fonte: Callister (2021)� A solubilidade em cada uma dessas fases sólidas é limitada, pois em qualquer temperatura abaixo da linha BEG apenas uma concentração limitada de prata irá se dissolver no cobre (para a fase α), e de maneira análoga para o cobre na prata (para a fase b)� O limite de solubilidade para a fase α corresponde à linha fronteiriça, identificada por CBA� Ele aumenta com o aumento da temperatura até um valor máximo (8,0%p Ag a 779ºC), no ponto B, e diminui novamente a zero na temperatura de fusão do cobre puro, ponto A (1085ºC)� Nas temperaturas abaixo de 779ºC, a linha do limite de solubilidade do sólido, separando as regiões 34 das fases α e α + β é denominada linha solvus; a fronteira AB entre os campos α e α + L é a linha solidus, como indicado na Figura 8� As linhas solvus e solidus também existem para a fase b e são as linhas HG e GF, respectivamente� A solubilidade máxima do cobre na fase b, ponto G (8,8 %p Cu), também ocorre a 779ºC� A linha horizontal BEG, que é paralela ao eixo das composições, e que se estende entre essas posições de solubilidades máximas, também pode ser considerada uma linha solidus� Ela representa a temperatura mais baixa na qual pode existir uma fase líquida para qualquer liga cobre-prata que esteja em equilíbrio� Existem três regiões bifásicas no sistema cobre- -prata da Figura 8: a + L, b + L e a + b� As soluções sólidas das fases a e b coexistem em todas as composições e temperaturas dentro do campo das fases a + b; as fases a + líquido e b + líquido também coexistem nas suas respectivas regiões� Adicionalmente, as composições e a quantidade relativa das fases podem ser determinadas utilizan- do-se linhas de amarração e a regra da alavanca, como foi descrito anteriormente� Conforme a prata é adicionada ao cobre, a tem- peratura na qual a liga se torna totalmente líquida diminui ao longo da linha liquidus, curva AE; dessa forma, a temperatura de fusão do cobre é reduzida por adições de prata� O mesmo pode ser dito para 35 a prata: a introdução do cobre reduz a temperatu- ra para a fusão completa ao longo da outra linha liquidus, FE� Essas linhas liquidus se encontram no ponto E do diagrama de fases, que é designado pela com- posição CE e pela temperatura TE� Para o sistema cobre-prata, os valores desses dois parâmetros, CE e TE, são 71,9 %p Ag e 779ºC, respectivamente� Também deve ser observado que existe uma isoter- ma horizontal a 779ºC que está representada pela linha identificada como BEG, que também passa através do ponto E (CALLISTER, 2021)� Uma reação importante ocorre para uma liga de composição CE conforme ela muda de tempera- tura ao passar pela temperatura TE� Mediante um resfriamento, uma fase líquida se transforma em duas fases sólidas, a e b, na temperatura TE; a reação oposta ocorre quando a liga é aquecida� Essa reação é chamada de reação eutética, que vem do grego eutektos, que significa “que se funde com facilidade” (CALLISTER, 2021)� A reação eutética pode ser descrita da seguinte forma: 𝐿𝐿 (𝐶𝐶%) 𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 𝛼𝛼(𝐶𝐶2%) + 𝛽𝛽(𝐶𝐶5%6 𝐿𝐿 (𝐶𝐶𝐸𝐸)𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝛼𝛼(𝐶𝐶𝛼𝛼𝐸𝐸) + 𝛽𝛽(𝐶𝐶𝛽𝛽𝐸𝐸) 36 Os parâmetros CE e TE representam a composição e a temperatura do eutético, respectivamente; CaE CβE são as respectivas composições das fases a e b na temperatura TE� A linha solidus horizontal em TE é chamada de isoterma eutética� Para o sistema cobre-prata, a reação eutética pode ser descrita da seguinte maneira: 𝐿𝐿 71,9%𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 𝛼𝛼(8,0%𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝) + 𝛽𝛽(91,2%𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝) 𝐿𝐿 71,99%𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝛼𝛼(8,0%𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝) + 𝛽𝛽(91,2%𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝) A reação eutética é chamada de reação invariante, já que, em condições de equilíbrio, ocorre para temperatura e composição da liga bem definidas (de acordo com a Regra de Gibbs, F = 0)� Durante a reação eutética, a fase líquida está em equilíbrio com as soluções solidas a e b, logo, durante a re- ação eutética, coexistem três fases em equilíbrio� Já que em um diagrama de fases binário só é possível ter três fases em equilíbrio a uma deter- minada temperatura, na curva de resfriamento de uma liga com a composição eutética aparece, na temperatura eutética, um patamar isotérmico� A Figura 9 apresenta um esquema da curva de res- friamento temperatura-tempo da liga 60%Pb-40%Sn, mostrando o patamar eutético citado� 37 Figura 9: Esquema da curva de resfriamento temperatura- -tempo da liga 60% Pb–40% Sn Te m pe ra tu ra (° C) 300 100 200 183ºC 245ºC Totalmente líquida Proeutético α solidificando Eutético solidificando Liga 60% Pb-40% Sn Tempo Fonte: Smith (2012)� Sistemas eutetoides e peritéticos Além do eutético, outros pontos invariantes envol- vendo três fases diferentes são encontrados em alguns sistemas de ligas� Um desses pontos ocorre para o sistema cobre-zin- co (Figura 10) a 560ºC e para 74 %p Zn-26 %p Cu� Uma parte do diagrama de fases nessa vizinhança aparece ampliada na Figura 11� No resfriamento, 38 uma fase sólida d se transforma em duas outras fases sólidas (g e e)� A reação eutetoide pode ser descrita da seguinte forma, conforme o ponto E da Figura 11: 𝛿𝛿 𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 𝛾𝛾 + 𝜖𝜖 𝛿𝛿 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 𝛾𝛾 + 𝜖𝜖 Figura 10: Diagrama de fases cobre-zinco 200 400 600 800 1000 1600 0 20 40 60 80 100 2200 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 100806040200 (Cu) (Zn) Te m pe ra tu ra (° C) Te m pe ra tu ra (° F) Composição (%p Zn) Composição (%a Zn) α + L α + β α + β’ α β + L β β’ β’ + γ β + γ γ γ + δ δ δ + τ δ + L γ + L γ + τ τ τ + L η + L η τ + η Fonte: Callister (2021)� Figura 11: Uma região do diagrama de fases cobre-zinco que foi ampliada para mostrar os pontos eutetoide e peri- 39 tético, identificados como E (560ºC, 74%p Zn) e P (598ºC, 78,6%p Zn), respectivamente 60 70 80 90 1000 1200 500 600 700 εγ + ε γ γ + δ Te m pe ra tu ra (° C) Composição (%p Zn) δ + L δ + ε L P E 560ºC 598ºC γ + L ε + L Te m pe ra tu ra (° F) δ Fonte: Callister (2021)� A reação peritética é outra reação invariante envol- vendo três fases em equilíbrio� Com essa reação, no aquecimento, uma fase sólida se transforma em uma fase líquida e outra fase sólida� Existe um peritético para o sistema cobre-zinco a 598ºC com 78,6 %p Zn-21,4 %p Cu (CALLISTER, 2021)� A peritética pode ser descrita da seguinte forma, conforme o ponto P da Figura 11: 𝛿𝛿 + 𝐿𝐿 𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 𝜖𝜖 𝛿𝛿 + 𝐿𝐿 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 𝜖𝜖 40 ESTUDO DAS LIGAS FERROSAS E NÃO FERROSAS LIGAS FERROSAS As ligas ferrosas são aquelas em que o ferroé o constituinte principal e são produzidas em maior quantidade do que qualquer outro tipo de metal� Essas ligas são especialmente importantes como materiais de construção em engenharia� Seu amplo uso é o resultado de três fatores: (1) os compostos contendo ferro existem em quantidade abundante na crosta terrestre; (2) o ferro metálico e as ligas de aço podem ser produzidas usando técnicas de extração, beneficiamento, formação de ligas e fabricação relativamente econômicas e (3) as ligas ferrosas são extremamente versáteis, no sentido de que podem ser fabricadas com uma ampla variedade de propriedades físicas e mecânicas� A principal desvantagem de muitas ligas ferrosas é sua susceptibilidade à corrosão (CALLISTER, 2021)� Aços Os aços têm menos de 2,14% C e os ferros fun- didos possuem mais que esse teor, normalmente com teores de carbono próximos da composição eutética� Para aços, a reação invariante mais impor- 41 tante é a região da reação eutetoide do diagrama de equilíbrio, conforme mostra a Figura 12� Figura 12: Diagrama de fases ferro-carbeto de ferro 1000 800 600 400 0 1 2 3 4 5 6 1000 1500 2000 4,30 2500 6,70 (Fe) Composição (%p C) α, + Fe₃C y + Fe₃C α, Ferrita 0,022 0,76 y, Austenita 1394ºC 912ºC 2,14ºC 1493ºC 1538ºC L y + L α + y 727ºC 1147ºC Cementita (Fe3C) Composição (%a C) 1200 1400 1600 0 5 δ 10 20 2515 Te m pe ra tu ra (° C) Te m pe ra tu ra (° F) Fonte: Callister (2021)� O ferro puro, ao ser aquecido, apresenta duas mu- danças de estrutura cristalina antes de se fundir� À temperatura ambiente, a forma estável, chama- da de ferrita, ou ferro a é CCC� A ferrita, a 912ºC, apresenta uma transformação polimórfica para austenita CFC, ou ferro g� Essa austenita persiste até 1394ºC, quando a austenita CFC se reverte, novamente, a uma fase CCC, chamada de ferrita d, e, finalmente, se funde a 1538ºC� Todas essas mudanças ficam evidentes ao longo do eixo vertical, 42 à esquerda, no diagrama de fases apresentado na Figura 12 (CALLISTER, 2021)� O eixo das composições na Figura 12 se estende apenas até 6,70 %p C, concentração em que se forma o composto intermediário carbeto de ferro, ou cementita (Fe3C), representado por uma linha vertical no diagrama de fases� Na prática, todos os aços e ferros fundidos apresentam teores de carbono inferiores a 6,70 %p C; portanto, consi- deramos apenas o sistema ferro-carbeto de ferro (CALLISTER, 2021)� O carbono é uma impureza intersticial no ferro e forma uma solução sólida tanto com a ferrita α quanto com a ferrita d, e também com a austenita, como indicado pelos campos monofásicos a, d e g da Figura 12� Na ferrita CCC, somente pequenas concentrações de carbono são solúveis; a solubilidade máxima é de 0,022 %p, a 727ºC� A solubilidade limitada é explicada pela forma e pelo tamanho das posições intersticiais CCC, que tornam difícil acomodar os átomos de carbono� Embora presente em concen- trações relativamente baixas, o carbono influencia de maneira significativa as propriedades mecâni- cas da ferrita� Essa fase ferro-carbono específica é relativamente macia, pode-se tornar magnética em temperaturas abaixo de 768ºC e apresenta 43 massa específica de 7,88 g/cm3� A Figura 13a é uma micrografia da ferrita a (CALLISTER, 2021)� A austenita, ou fase g do ferro, quando ligada somente com o carbono, não é estável abaixo de 727ºC, como indicado na Figura 12� A solubilidade máxima do carbono na austenita, 2,14 %p, ocorre a 1147ºC� Essa solubilidade é aproximadamente 100 vezes maior que o valor máximo para a ferrita CCC, uma vez que os sítios octaédricos na estrutura CFC são maiores do que os sítios tetraédricos CCC e, portanto, as deformações impostas sobre os átomos de ferro circunvizinhos são muito menores� Como as discussões a seguir demonstram, as transformações de fases envolvendo a austenita são muito importantes no tratamento térmico dos aços� Ao contrário da ferrita, a austenita não é magnética� A Figura 13b mostra uma micrografia dessa fase austenítica (CALLISTER, 2021)� 44 Figura 13: Fotomicrografias de (a) ferrita α (ampliação de 90×) e (b) austenita (ampliação de 325x)� Fonte: Callister (2021)� A ferrita (d) é virtualmente a mesma que a ferrita (a), exceto pela faixa de temperaturas ao longo da qual cada uma existe� Uma vez que a ferrita d é estável somente em temperaturas relativamente elevadas, ela não apresenta qualquer importância tecnológica (CALLISTER, 2021)� A cementita (Fe3C) forma-se quando o limite de solubilidade para o carbono na ferrita α é excedido abaixo de 727ºC (para composições na região das fases a + Fe3C)� Como está indicado na Figura 12, o Fe3C também coexistirá com a fase l entre 727ºC e 1147ºC� Em termos de propriedades mecânicas, a cementita é muito dura e frágil; a resistência de alguns aços é aumentada substancialmente por sua presença� A cementita é apenas metaestável; 45 isto é, à temperatura ambiente, ela permanecerá indefinidamente como um composto� Entretanto, se aquecida entre 650ºC e 700ºC du- rante vários anos, ela gradualmente mudará ou se transformará em ferro a e carbono, na forma de grafita, os quais permanecerão após um resfriamento subsequente até a temperatura ambiente� Dessa forma, o diagrama de fases mostrado na Figura 12 não é um verdadeiro diagrama de equilíbrio, pois a cementita não é um composto de equilíbrio� Entretanto, uma vez que a taxa de decomposição da cementita é extremamente lenta, virtualmente todo o carbono no aço estará na forma de Fe3C, em vez de grafita, e o diagrama de fases ferro-carbeto de ferro é válido para todas as finalidades práticas (CALLISTER, 2021)� As reações invariantes presentes no diagrama Fe-Fe3C da figura 12 são as reações eutética, eu- tetoide e peritética� O ponto eutético para o sistema ferro-carbeto de ferro ocorre em 4,30 %p C e a 1147ºC; para essa reação invariante eutética temos: 𝐿𝐿 𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 𝛾𝛾 + 𝐹𝐹𝑟𝑟3𝐶𝐶 𝐿𝐿 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 𝛾𝛾 + 𝐹𝐹𝑎𝑎3𝐶𝐶 46 No ponto eutético, a 4,3%p C, o líquido se solidifica para formar as fases austenita e cementita� Com efeito, o resfriamento subsequente até a tempe- ratura ambiente promoverá mudanças de fases adicionais� No diagrama Fe-Fe3C da Figura 12, temos uma reação invariante eutetoide e ocorre a uma compo- sição de 0,76 %p C e uma temperatura de 727ºC� No resfriamento, a fase sólida g se transforma em ferro a e cementita� Essa reação eutetoide pode ser representada por: 𝛾𝛾(0,76%𝑝𝑝 𝐶𝐶) 𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 𝛼𝛼(0,022% 𝐶𝐶) + 𝐹𝐹𝑟𝑟3𝐶𝐶(6,7%𝑝𝑝 𝐶𝐶) 𝛾𝛾(0,76%𝑝𝑝 𝐶𝐶) 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 𝛼𝛼(0,022% 𝐶𝐶) + 𝐹𝐹𝑎𝑎3𝐶𝐶(6,7%𝑝𝑝 𝐶𝐶) Os aços são ligas de ferro-carbono que podem conter concentrações de outros elementos de liga� As propriedades mecânicas são sensíveis ao teor de carbono, que normalmente é inferior a 1,0 %p C� Alguns dos aços mais comuns são classificados de acordo com a concentração de carbono: aços com baixo, médio, ou alto teor de carbono� Também existem subclasses dentro de cada grupo, de acordo com as concentrações de outros ele- mentos de liga� Os aços-carbono comuns contêm 47 apenas concentrações residuais de impurezas além do carbono, e um pouco de manganês� Nos aços-liga, mais elementos de liga são intencional- mente adicionados em concentrações específicas (CALLISTER, 2021)� Aços com baixo teor de carbono De todos os diferentes tipos de aços, aqueles produzidos em maior quantidade se enquadram na classificação de baixo teor de carbono� Esses aços contêm geralmente menos de 0,25 %p C e não respondem a tratamentos térmicos para formar martensita; um aumento na resistência mecânica é conseguido por trabalho a frio� As microestruturas consistem nos constituintes ferrita e perlita� Consequentemente, essas ligas apresentam relativamente baixa dureza e baixaresistência, mas ductilidade e tenacidade ex- cepcionais; adicionalmente, elas são usináveis, soldáveis e, entre todos os aços, sua produção é a mais barata� Aplicações típicas incluem componentes das carcaças de automóveis, formas estruturais (por exemplo, vigas I, canaletas e cantoneiras) e chapas que são usadas em tubulações, edificações, pontes e latas estanhadas� As Tabelas 1 e 2 apresentam 48 as composições químicas e as propriedades me- cânicas de vários aços-carbono comuns com baixo teor de carbono� Em geral, eles têm um limite de escoamento de 275 MPa, limites de resistência à tração entre 415 MPa e 550 MPa e uma ductilidade de 25% AL� Tabela 1: Composições químicas de quatro aços-carbono comuns com baixo teor de carbono e de três aços de alta resistência e baixa liga Especificação a Composição (%p)b Número AISI/SAE ou ASTM Número UNS C Mn Outros Aço-carbono comuns com baixo teor de carbono 1010 G10100 0,10 0,45 1020 G10200 0,20 0,45 A36 K02600 0,29 1,00 0,20Cu(min) A516 Classe 70 K02700 0,31 1,00 0,25Si Aços de alta resistência e baixa liga A440 K12810 0,28 1,35 0,30Si (máx), 0,20Cu (min) A633 Classe E K12002 0,22 1,35 0,30Si, 0,08V, 0,02N, 0,03Nb A656 Classe 1 K11804 0,18 1,60 0,60Si, 0,1V, 0,20Al, 0,015N a Os códigos usados pelo Instituto Americano do Ferro e do Aço (AISI — American Iron and Steel Institute), pela Sociedade de Engenheiros Automotivos (SAE — Society of Automotive En- gineers) e pela Sociedade Americana para Ensaios e Materiais (ASTM — American Society for Testing and Materials), assim como no Sistema de Numeração Uniforme (UNS — Uniform Numbering System) estão explicados no texto� 49 b Também, um máximo de 0,04 %p P; 0,05 %p S e 0,30 %p Si (a menos de outra indicação)� Fonte: Callister (2021)� Tabela 2: Características mecânicas de materiais lami- nados a quente e aplicações típicas para vários aços-car- bono comuns com baixo teor de carbono e aços de alta resistência e baixa liga Número AISI/SAE ou ASTM Limite de Resistên- cia à Tra- ção [MPa (ksi)] Limite de Escoa- mento [MPa (ksi)] Ductilida- de [%AL em 50 mm (2 in)] Aplica- ções Típicas Aço-carbono Comuns com Baixo Teor de Carbono 1010 325 (47) 180 (26) 28 Painéis de automóveis, pregos e arames 1020 380 (55) 210 (30) 25 Tubos; aço estrutural em chapas A36 400 (58) 220 (32) 23 Estrutural (pontes e edificações) A516 Clas- se 70 485 (70) 260 (38) 21 Vasos de pressão para baixas temperatura Aços de Alta Resistência e Baixa Liga A440 435 (63) 290 (42) 21 Estruturas que são aparafu- sadas ou rebitadas A633 Clas- se E 520 (75) 380 (55) 23 Estruturas usadas em baixas tem- peraturas ambientes 50 A656 Clas- se 1 655 (95) 552 (80) 15 Chassis de caminhões e vagões de trem Fonte: Callister (2021)� Um grupo de ligas de baixo teor de carbono de grande aplicação é o dos aços de alta resistên- cia e baixa liga (ARBL ou HSLA — high-strength, low-alloy)� Eles contêm outros elementos de liga, tais como cobre, vanádio, níquel e molibdênio, em concentrações combinadas que podem ser tão elevadas quanto 10 %p, e apresentam maiores resistências que os aços-carbono comuns com baixo teor de carbono� A maioria pode ter sua resistência mecânica aumen- tada por tratamento térmico, alcançando limites de resistência à tração superiores a 480 MPa (70�000 psi); adicionalmente, são dúcteis, conformáveis e usináveis� Vários desses aços estão listados nas Tabelas 1a e 1b� Sob atmosferas normais, os aços ARBL são mais resistentes à corrosão do que os aços-carbono comuns, os quais eles substituíram em muitas aplicações em que a resistência es- trutural é crítica (por exemplo, em pontes, torres, colunas de sustentação em prédios altos e vasos de pressão) (CALLISTER, 2021)� Aços com baixo teor de carbono 51 Os aços com médio teor de carbono apresentam concentrações de carbono entre aproximadamen- te 0,25 e 0,60 %p� Para melhorar as propriedades mecânicas, essas ligas podem ser tratadas termi- camente por meio de etapas que compreendem a austenitização, têmpera e revenido� Elas são utilizadas com maior frequência na condição reve- nida, com microestruturas de martensita revenida� Esses aços têm baixa temperabilidade e podem ser termicamente tratados com sucesso apenas em seções muito finas e com taxas de resfria- mento muito rápidas� Adições de cromo, níquel e molibdênio melhoram a capacidade dessas ligas de serem tratadas termicamente, dando origem a diversas combinações de resistência mecânica e ductilidade� Essas ligas, quando tratadas termi- camente, são mecanicamente mais resistentes do que os aços com baixo teor de carbono, porém com o sacrifício da ductilidade e da tenacidade� Suas aplicações incluem rodas de trens e trilhos de ferrovias, engrenagens, virabrequins e outras peças de máquinas e componentes estruturais de alta resistência, que exigem uma combinação de alta resistência mecânica, resistência a abrasão e tenacidade� As composições de vários desses aços ligados com médio teor de carbono estão apresentadas na Tabela 3� 52 Alguns comentários mostram-se apropriados em relação aos códigos de especificação, que também estão incluídos na tabela� A Sociedade de Engenheiros Automotivos (SAE – Society of Automotive Engineers), o Instituto Americano do Ferro e do Aço (AISI – American Iron and Steel Institute) e a Sociedade Americana para Ensaios e Materiais (ASTM – American Society for Testing and Materials) são responsáveis pela classificação e pela especificação dos aços, assim como de outras ligas� A especificação da AISI/SAE para esses aços consiste em um número com quatro dígitos: os dois primeiros dígitos indicam o tipo da liga, os dois últimos dão a concentração de carbono� Para os aços-carbono comuns, os dois primeiros dígitos são 1 e 0; os aços-liga são designados por outras combinações dos dois dígitos iniciais (por exemplo, 13, 41, 43)� O terceiro e o quarto dígitos representam a porcentagem em peso de carbono multiplicada por 100� Por exemplo, um aço 1060 é um aço-carbono comum que contém 0,60 %p C (CALLISTER, 2021)� Um sistema de numeração unificado (UNS – Uni- fied Numbering System) é usado para indexar de maneira uniforme tanto as ligas ferrosas quanto as não ferrosas� Cada número UNS consiste em um prefixo contendo uma única letra, seguido por um 53 número com cinco dígitos� A letra indica a família de metais a que uma liga pertence� A especifica- ção UNS para essas ligas começa com a letra G, seguida pelo número AISI/SAE; o quinto dígito é um zero (CALLISTER, 2021)� Tabela 3: Sistemas de Especificação AISI/SAE e UNS e Faixas de Composições para Aços-carbono Comuns e Vários Aços de Baixa Liga Composição (%p)b Especi- ficação AISI/ SAEa Especi- ficação UNS Ni Cr Mo Outros 10xx, Aço-car- bono comum G10xx0 11xx, Fácil usinagem G11xx0 0,08-0,33S 12xx, Fácil usinagem G12xx0 0,10-0,35S 0,04-0,12P 13xx G13xx0 1,60-1,90Mn 40xx G40xx0 0,20-0,30 41xx G41xx0 0,80-1,10 0,15-0,25 43xx G43xx0 1,65-2,00 0,40-0,90 0,20-0,30 48xx G48xx0 3,25-3,75 0,20-0,30 51xx G51xx0 0,70-1,10 61xx G61xx0 0,50-1,10 0,10-0,15V 86xx G86xx0 0,40-0,70 0,40-0,60 0,15-0,25 92xx G92xx0 1,8-2,20Si a A concentração de carbono, em porcentagem em peso vezes 100, é inserida em lugar de “xx” para cada aço específico; 54 b Exceto para as ligas 13xx, a concentração de manganês é menor que 1,00 %p; Exceto para as ligas 12xx, a concentração de fósforo é menor que 0,35 %p; Exceto para as ligas 11xx e 12xx, a concentração de enxofre é menor que 0,04 %p; Exceto para as ligas 92xx, a concentração de silício varia entre 0,15 %p e 0,35 %p� Fonte: CALLISTER Aços com alto teor de carbono Os aços com alto teor de carbono normalmente apresentam teores de carbono entre 0,60 e 1,4 %p; são os mais duros e mais resistentes, porém menos dúcteis entre os aços-carbono� Eles são quase sempre empregados na condição tempe- rada e revenida e, como tal, são especialmenteresistentes ao desgaste e capazes de manter a aresta de corte afiada� Os aços-ferramenta e para matrizes são ligas com alto teor de carbono, contendo geralmente cromo, vanádio, tungstênio e molibdênio� Esses elementos de liga combinam-se com o carbono para formar carbetos, muito duros e resistentes ao desgaste (por exemplo, Cr23C6, V4C3 e WC)� Algumas com- posições de aços-ferramenta e suas aplicações estão listadas na Tabela 4� Tais são usados como ferramentas de corte e como matrizes para defor- mar e conformar materiais, assim como para a 55 fabricação de facas, lâminas de corte, lâminas de serras, molas e arames de alta resistência� Tabela 4: Especificações, composições e aplicações para seis aços-ferramenta Composição (%p)b Nú- mero AISI Núme- ro UNS C Cr Ni Mo W V Aplica- ções Típicas M1 T11301 0,85 3,75 0,30 máx� 8,70 1,75 1,20 Brocas, serras; fer- ramentas de torno e plaina A2 T30102 1,00 5,15 0,30 máx� 1,15 - 0,35 Punções, matrizes para gra- vação em relevo D2 T30402 1,50 12 0,30 máx� 0,95 - 1,10 máx Cutelaria, matri- zes de trefilação 01 T31501 0,95 0,50 0,30 máx - 0,50 0,30 máx Lâminas de tesou- ras, ferra- mentas de corte S1 T41901 0,50 1,40 0,30 máx 0,50 máx 2,25 0,25 Corta-tu- bos, bro- cas para concreto W1 T72301 1,10 0,15 máx 0,20 máx 0,10 máx 0,15 máx 0,10 máx Ferramen- tas de ferreiro, ferramen- tas de marcenaria 56 aO restante da composição é constituído por ferro� As concen- trações de manganês variam entre 0,10 %p e 1,4 %p, depen- dendo da liga; as concentrações de silício estão entre 0,20 %p e 1,2 %p, dependendo da liga� Fonte: Callister (2021)� Ferros fundidos É uma classe de ligas ferrosas que contêm teores de carbono acima de 2,14 %p; na prática, no entanto, a maioria dos ferros fundidos contêm entre 3,0 e 4,5 %p C, além de outros elementos de liga� Por meio do diagrama de fases ferro-carbeto de ferro da Figura 12, as ligas nessa faixa de composição tornam-se completamente líquidas em temperaturas entre aproximadamente 1150°C e 1300°C, o que é consideravelmente mais baixo do que para os aços� Assim, essas ligas são fundidas com facilidade e são apropriadas para fundição� Além disso, alguns ferros fundidos são muito quebradiços para serem forjados e a fundição é a técnica de fabricação mais conveniente� A cementita (Fe3C) é um composto metaestável e, sob algumas circunstâncias, pode se dissociar ou decompor para formar ferrita a e grafita, de acordo com a reação: 𝐹𝐹𝐹𝐹3𝐶𝐶 → 3𝐹𝐹𝐹𝐹(𝛼𝛼) + 𝐶𝐶(𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔) 57 Essa tendência de formar grafita é regulada pela composição e pela taxa de resfriamento� A formação da grafita é promovida pela presença de silício em concentrações superiores a aproximadamente 1 %p� Além disso, taxas de resfriamento mais lentas durante a solidificação favorecem a grafitização (isto é, a formação de grafita)� Para a maioria dos ferros fundidos, o carbono existe como grafita e tanto a microestrutura quanto o comportamento mecânico dependem da com- posição e do tratamento térmico� Os tipos mais comuns de ferros fundidos são cinzento, nodular, branco, maleável e vermicular (grafita compacta), cujas microestruturas podem ser visualizadas na Figura 14 (CALLISTER, 2021)� As propriedades mecânicas dos ferros fundidos cinzentos mais comuns estão listadas na Tabela 5� Figura 14: Micrografias ópticas de vários ferros fundidos� (a) Ferro fundido cinzento: os flocos escuros de grafita estão envolvidos por uma matriz de ferrita α� Ampliação de 500×� (b) Ferro nodular (dúctil): os nódulos escuros de grafita estão envolvidos por uma matriz de ferrita α� Ampliação de 200×� (c) Ferro branco: as regiões claras de cementita estão envolvidas por dendritas de perlita, a qual possui a estrutura em lamelas de ferrita-cementita� Ampliação de 400×� (d) Ferro maleável: rosetas escuras de grafita (o termo mais apropriado aqui é maleabilização, já que a obtenção de ferro fundido maleável da micrografia requer tratamento térmico de aproximadamente 120 horas em patamares de temperatura entre 950 e 650°C) em uma matriz de ferrita α� Ampliação de 150×� (e) Ferro fundido 58 vermicular: partículas escuras de grafita com forma seme- lhante à de “vermes” estão envolvidas em uma matriz de ferrita α� Ampliação de 100× Fonte: Callister (2021)� 59 Tabela 5: Propriedades dos ferros fundidos Número AISI/SAE ou ASTM Limite de Resis- tência à Tração (MPa) Limite de Escoa- mento (MPa) Alonga- mento (%) Observa- ções Ferro Fundido cinzento Classe 20 83-276 Classe 40 190-370 Classe 60 305-455 Ferro fundido maleável 32510 345 225 10 Ferrítico 35018 365 242 18 Ferrítico 50005 483 345 5 Perlítico 70003 585 485 3 Perlítico 90001 725 620 1 Perítrico Ferro fundido nodular 60-40-18 415 276 18 Recozido 65-45-12 450 310 12 Ferrítico (bruto de fusão) 80-55-06 552 380 6 Ferrítico (bruto de fusão) 100-70-03 690 483 3 Normali- zado 120-90-02 830 620 2 Temperado e revenido Ferro fundido vermicular Baixa resistência 276 193 5 90% Ferrítico 60 Número AISI/SAE ou ASTM Limite de Resis- tência à Tração (MPa) Limite de Escoa- mento (MPa) Alonga- mento (%) Observa- ções Alta resistência 448 379 1 80% Perlítico Fonte: Askeland (2019)� LIGAS NÃO FERROSAS As ligas não ferrosas são ligas metálicas de ele- mentos cuja matriz não é o ferro� Elas incluem ligas à base de alumínio, cobre, titânio, níquel, cobalto, zinco, metais preciosos (como Pt, Au, Ag e Pd) e outros metais (Nb, Ta e W, por exemplo)� Neste tópico, estudaremos, de forma breve, as propriedades e a utilização das ligas de Al e Cu em aplicações de materiais� Ligas de alumínio O alumínio tem uma massa específica de 2,7 g/ cm3, um terço da do aço, e um módulo de elasti- cidade de 70 GPa� Apesar das ligas de alumínio apresentarem propriedades de tração inferiores às do aço, as resistências específicas (razão resistên- cia mecânica-massa específica) são excelentes� O alumínio pode ser processado mecanicamente com facilidade, tem alta condutividade térmica e elétrica e não apresenta transição frágil-dúctil em 61 baixas temperaturas� O material não é tóxico e pode ser reciclado, gastando nesse caso apenas cerca de 5% da energia necessária para produzi-lo a partir da alumina� Por isso, a reciclagem do alumínio é um processo tão bem-sucedido� Suas propriedades físicas interessantes incluem comportamento não ferromagnético e boa resistência à oxidação e corrosão� Entretanto, o alumínio não tem um limite de resistência à fadiga, de modo que trincas por fadiga podem ocorrer depois de algum tempo, mesmo sob condições de baixa tensão� Também não apresenta um bom desempenho em temperaturas elevadas, pois a temperatura de fusão é baixa� Por fim, as ligas de Al têm baixa dureza, o que re- sulta em baixa resistência ao desgaste� A resposta do alumínio a mecanismos de endurecimento é significativa� A Tabela 6 mostra as propriedades mecânicas do alumínio puro recozido e das ligas endurecidas por vários mecanismos� Observa-se que as ligas podem ser 30 vezes mais resistentes que o alumínio puro (ASKELAND, 2019)� 62 Tabela 6: Efeito dos mecanismos de endurecimento no alumínio e suas ligas Material Limi- te de Resis- tência à Tração (MPa) Limite de Escoa- mento (MPa) Alonga- mento (%) Razão en- tre o limite de escoa- mento da liga e do Al puro Al puro 44,8 17,3 60 1 Al comercial- mente puro (pureza mínima de 99%) 89,6 34,5 45 2,0 Liga de Al endurecida por solução sólida 110 41,5 35 2,4 Al trabalhado a frio 165 152 15 8,8 Liga de Al endurecida por dispersão 290 152 35 8,8 Liga de Al endurecida por envelhecimento 573 503 11 29,2 Fonte: Askeland (2019)� As ligas de alumínio podem ser classificadas em dois grupos principais: ligas trabalhadas e ligas para fundição, dependendo do método de fabricação� As ligas trabalhadas, deformadas plasticamente por meio de conformação mecânica, têm composiçãoe microestrutura muito diferentes das ligas para fundição, refletindo as diferentes características exigidas pelo processo de fabricação� 63 Cada grupo pode ser separado em dois subgrupos: as ligas tratáveis termicamente e as não tratáveis termicamente� A Tabela 7 apresenta o sistema de classificação das ligas de alumínio� O primeiro número especifica os principais elementos de liga e os números restantes são relativos à sua composição específica (ASKELAND, 2019)� Tabela 7: Sistema de classificação das ligas de alumínio Ligas trabalhadas 1xxxa Al comercialmente puro (>99% Al) Não endurecível por envelhecimento 2xxx Al-Cu e Al-Cu-Li Endurecível por envelhecimento 3xxx Al-Mn Não endurecível por envelhecimento 4xxx Al-Si e Al-Mg-Si Endurecível por en- velhecimento nas ligas que contém magnésio 5xxx Al-Mg Não endurecível por envelhecimento 6xxx Al-Mg-Si Endurecível por envelhecimento 7xxx Al-Mg-Zn Endurecível por envelhecimento 9xxx Não utilizadas atualmente Ligas para fundição 1xx�x�b Al comercialmente puro Não endurecível por envelhecimento 2xx�x� Al-Cu Endurecível por envelhecimento 64 3xx�x� Al-Si-Cu ou Al-Mg-Si Algumas são endurecíveis por envelhecimento 4xx�x� Al-Si Não endurecível por envelhecimento 5xx�x� Al-Mg Não endurecível por envelhecimento 7xx�x� Al-Mg-Zn Endurecível por envelhecimento 8xx�x� Al-Sn Endurecível por envelhecimento 9xx�x� Não utilizadas atualmente a O primeiro dígito indica o elemento de liga principal, o segun- do a modificação e os dois últimos o decimal da concentração percentual de Al� Exemplo:1060 indica uma liga com 99,6% de Al� b O último dígito indica a forma do produto solidificado� Os dí- gitos 1 e 2 indicam um lingote (dependendo do grau de pureza) e 0 uma peça fundida� Fonte: Askeland (2019)� O grau de endurecimento é indicado pela desig- nação de temperatura T ou H para a liga tratada termicamente ou encruada, respectivamente (Ta- bela 8)� As outras designações indicam se a liga foi recozida (O), solubilizada (W) ou utilizada na condição como fabricada (F)� Os números após as letras T ou H especificam ainda a quantidade de encruamento, o tipo de tratamento térmico ou outros aspectos específicos do processamento da liga� A Tabela 9 relaciona algumas ligas típicas e suas respectivas propriedades (ASKELAND, 2019)� 65 Tabela 8: Designações das ligas de alumínio F Como fabricada (trabalhada a quente, forjada, fundida, etc�) O Recozida (condição de menor dureza) H Trabalhada a frio H1x – apenas trabalhada a frio (x quantifica a intensi- dade do trabalho a frio e o endurecimento H12 – trabalho a frio que produz limite de resistência à tração entre as condições O e H14 H14 – trabalho a frio que produz limite de resistência à tração entre as condições O e H18 H16 – trabalho a frio que produz limite de resistência à tração entre as condições H14 e H18 H18 – trabalho a frio que produz um limite de resistên- cia à tração superior a 2000 psi em relação ao obtido pela condição H18 H19 – trabalho a frio que produz um limite de resistên- cia à tração superior a 2000 psi em relação ao obtido pela condição H18 H2x – trabalhada a frio e parcialmente recozida H3x – trabalhada a frio e estabilizada à baixa tempera- tura para evitar o endurecimento por envelhecimento durante a utilização normal do componente W Solubilizada (elementos de liga em solução sólida) T Endurecida por tratamento térmico de envelhecimento T1 – resfriada a partir da temperatura de fabricação e envelhecida naturalmente T2 – resfriada a partir da temperatura de fabricação, trabalhada a frio e envelhecida naturalmente T3 – solubilizada, trabalhada a frio e envelhecida naturalmente T4 – solubilizada e envelhecida naturalmente T5 – resfriada a partir da temperatura de fabricação e envelhecida artificialmente T6 – solubilizada e envelhecida artificialmente 66 T7 – solubilizada e estabilizada por superenvelhecimento T8 – solubilizada, trabalhada a frio e envelhecida artificialmente T9 – solubilizada, envelhecida artificialmente e traba- lhada a frio T10 – resfriada a partir da temperatura de fabricação, trabalhada a frio e envelhecida artificialmente Fonte: Askeland (2019) Tabela 9: Ligas típicas de Al e suas respectivas propriedades Liga Limite de Resistência à Tração (MPa) Limite de Resis- tência à Tração (MPa) Limite de Esco- amento (MPa) Alon- ga- mento (%) Aplicações Ligas trabalhadas não tratáveis termicamente Componen- tes elétri- cos, folhas finas, processa- mento de alimentos, corpo de latas de bebida, aplicações em arquite- tura, metal de adição para solda- gem, tampa de latas de bebida e compo- nentes de equipamen- tos navais� 1100-O >99% Al 89,6 34,5 40 1100- H18 165,5 152 10 3004-O 1,2% Mn- 1,0% Mg 179,3 69 25 3004- H18 283 248 9 4043-O 5,2% Si 145 69 22 4043- H18 283 269 1 5182- H19 420 393 25 5182- H19 420 393 4 67 Liga Limite de Resistência à Tração (MPa) Limite de Resis- tência à Tração (MPa) Limite de Esco- amento (MPa) Alon- ga- mento (%) Aplicações Ligas trabalhadas tratáveis termicamente 2024- T4 4,4% Cu 469 324 20 Rodas de caminhão, fuselagem de aero- naves, pis- tões, casco de embar- cações, vagões� 2090- T6 6 4032- T6 9 6061- T6 15 7075- T6 11 Ligas de fundição 201-T6 4,5% Cu 483 434 7 Caixas de transmis- são, peças fundidas de utiliza- ção geral, peças de aeronave, blocos de motor, motores automoti- vos, equipa- mentos de manipu- lação de alimentos e equipamen- tos navais� 319-F 6% Si- 3,5% Cu 186 124 2 356-T6 7% Si- 0,3% Mg 228 165 3 380-F 8,5% Si- 3,5% Cu 317 159 3 390-F 17%Si- 4,5% Cu 283 241 1 443-F 5,2% Si (fundida em molde de areia) 131 55 8 (molde perma- nente) 159 62 10 (fundi- da em matriz) 228 110 9 Fonte: Askeland (2019) 68 Ligas de cobre Ligas à base de cobre têm massas específicas maiores que as do aço� Embora o limite de esco- amento de algumas ligas seja alto, a resistência específica é normalmente menor que as de alu- mínio e magnésio� As ligas de cobre têm melhor resistência à fadiga, fluência e desgaste do que as ligas leves de alumínio e magnésio� Diversas dessas ligas têm excelente ductilidade, resistência à corrosão, condutividade elétrica e térmica, e a maioria pode facilmente ser soldada ou fabricada em formas úteis� As aplicações para ligas à base de cobre abrangem componentes elétricos, como fios e, ainda, bombas, válvulas e tubos (ASKELAND, 2019)� A Tabela 10 mostra a classificação do cobre e das ligas de cobre, enquanto a Tabela 11 apresenta as propriedades de ligas de cobre obtidas por dife- rentes mecanismos de endurecimento� Tabela 10: Classificação do cobre e das ligas de cobre Família Elemento de liga principal Solubilidade sólida (% at)a Números SNU Cobre, ligas de alto cobre 37 C10000 Latões Zn 9 C20000, C30000, C40000, C66400-C69800 69 Família Elemento de liga principal Solubilidade sólida (% at)a Números SNU Bronze fosforados Sn C50000 Bronze com alumínio AI 19 C60600-C64200 Bronze com silício Si 8 C64700-C66100 Níquel-cobre, níquel-prata Ni 100 C70000 Fonte: Schakelford (2008)� Tabela 11: Propriedades de ligas de cobre obtidas por diferentes mecanismos de endurecimento Liga Limite de Resis- tência à Tração (MPa) Limite de Escoa- mento (MPa) Alon- ga- mento (%) Aplicações Cu puro, recozido 209 33 60 Nenhum Cu comercial- mente puro, recozido e com tamanho de grão grande 220 70 55 Solução sólida Cu comercial- mente puro, recozido e com tamanho de grão fino 234 76 55 Tamanho de grão Cu comercial- mente puro, trabalhado a frio 70% 393 365 4 Encruamento 70 Liga Limite de Resis- tência à Tração (MPa) Limite de Escoa- mento (MPa) Alon- ga- mento (%) Aplicações Cu-35% Zn, recozido 324 103 62 Solução sólida Cu-10% Sn, recozido 455 193 68 Solução sólida Cu-35% Zn traba- lhado a frio 676 434 3 Solução sólida + encruamento Cu-2% Be envelhecido 1310 1210 4 Envelheci-
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