Slides de Engenharia e Ciência dos Materiais - UFPI

Ciência dos Materiais

•

UFPI

Patrick Acioli

14.12.2015

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CM5 2014EM.pdf
COMPORTAMENTO
MECÂNICO
DOS MATERIAIS
Introdução aos Ensaios dos Materiais
Como sabemos…

Todo projeto de engenharia, e projeto de
desenvolvimento de um produto, requer vasto
conhecimento das CARACTERÍSTICAS, PROPRIEDADES
E COMPORTAMENTO DOS MATERIAIS.

Os critérios de especificação ou escolha de materiais
impôem para a realização dos ENSAIOS…Métodos
normalizados.
Introdução aos Ensaios dos Materiais
Objetivo:

Levantar as propriedades mecânicas e seu comportamento sob
determinadas condições de esforços.

Objetivo Normalização:

-É fundamental para que se estabeleça uma linguagem comum
entre fornecedores e usuários dos materiais.

- A partir de uma amostragem estatística representativa.

Estrutura interna
do material
CM Comportamento
Mecânico
Mecânica
Comportamento
estrutural
Relação entre características dos materiais e seu Comportamento mecânico.
Introdução aos Ensaios dos Materiais
Introdução aos Ensaios dos Materiais
Classificação dos Ensaios:

Quanto à integridade geométrica e dimensional

-Destrutivos: provocam inutilização parcial ou total da peça
-Não destrutivos: não comprometem a integridade da peça

Quanto à velocidade de aplicação da carga

- Estáticos: carga aplicada de maneira suficientemente lenta
(tração, compressão, flexão, dureza e torção)

- Dinâmicos: carga aplicada rapidamente ou cíclica (fadiga e
impacto)

- Carga constante: longo período (fluência)

Introdução aos Ensaios dos Materiais
Métodos de Ensaios

Determinam que os ensaios devem ser realizados em função da
geometria da peça, do processo de fabricação e de acordo com as
normas técnicas:

-Na própria peça
-Em corpos de prova

Ensaio de Tração
•CORPOS DE PROVA
ASTM D638

-Para materiais
poliméricos
NBR 6152 – Materiais Metálicos;
ASTM E8 - Materiais Metálicos
ASTM 638 – Materiais Poliméricos

Corpos de Prova
•CORPOS DE PROVA
-Para materiais metálicos
Ensaio de Tração
•Máquina de Tração EMIC DL 60000
• Fonte : http://www.labmat.com.br/ae_mecanic.html
Ensaio de tração

-Consiste na aplicacão de uma carga de tração
uniaxial crescente em um corpo de prova
“específico” até a ruptura.

-Mede-se a variação no comprimento (L) como
uma função da carga aplicada (P).

-Após tratamento adequado dos resultados,
obtém-se uma curva tensão (ζ) versus a
deformação (ε) do CP.
Ensaio de tração
Resistência à tração
RESULTADO
É obtida através da curva
tensão-deformação.
Resultado
Principais Características
-Módulo de elasticidade (E)

-Limite de escoamento (ζe)

-Limite de resistência à tração (ζu)

-Módulo de Resiliência (Ur)

-Limite de ruptura

-Módulo de Tenacidade (Ut)

-Deformação elástica e plástica

-Estricção
PROPRIEDADES MECÂNICAS
CORPOS DE PROVA

Vídeo1!
Vídeo2!
Como se definem tensão e
deformação?
• Tensão
• Deformação
oo
oi
l
l
l
ll 



oA
F

Sendo:
 = tensão (Pa);
F = carga instantânea aplicada (N) e
Ao = área da seção reta original antes
da aplicação da carga – seção reta
transversal(m2).
Sendo:
 = deformação (adimensional);
li = comprimento instantâneo e
lo = comprimento original.
Como efeito da aplicação de uma tensão, tem-se
a deformação.
Comportamento mecânico
dos metais
Deformação ()
T
e
n
s
ã
o
(

)
Limite de resistência à
tração - LRT
Comportamento
típico da curva
tensão-deformação
de engenharia até a
fratura do material
(ponto F). Os
detalhes circulares
representam a
geometria do corpo
de prova deformado
em vários pontos ao
longo da curva.
Fonte: Callister, 2008.
Fratura do material
Deformação elástica
• Antecede à deformação
plástica.
• É reversível.
• Desaparece quando a
tensão é removida.
• É proporcional à tensão
aplicada.
Deformação plástica
• É provocada por tensões que
ultrapassam o limite de
elasticidade.
• É irreversível, ou seja, não
desaparece quando a tensão
é removida.
• Deformação permanente.
Região de Comportamento Elástico (OA)
Quando uma amostra de
um material solicitado por
uma força sofre uma
deformação e, após a
retirada da força aplicada,
recupera suas dimensões
originais - DEFORMAÇÃO
ELÁSTICA.
A deformação plástica
corresponde ao movimento de
discordâncias
•A presença deste defeito é a responsável pela
deformação, falha e rompimento dos materiais

•EX: Discordância em
Cunha
Envolve um plano extra de átomos
O vetor de Burger é perpendicular à direção da linha de
discordância
Envolve zonas de tração e compressão

=0,002mm/mm
Módulo de elasticidade ou módulo de Young
• É determinado pelo quociente
da tensão convencional na região
linear do diagrama.

•Está relacionado diretamente
com as forças das ligações
interatômicas, o que explica seu
comportamento inversamente
proporcional à temperatura.

• Está relacionado com a rigidez
do material.

l
lo
S
P
E

 .
0

Módulo de elasticidade (E)
Deformação ()
T
e
n
s
ã
o
(

)
 = E 
A lei de Hooke é
válida até este
ponto.

Máxima tensão que o material
suporta sem sofrer deformação
permanente.
E =  /
Metals
Alloys
Graphite
Ceramics
Semicond
Polymers
Composites
/fibers
E(GPa)
Based on data in Table B2,
Callister 7e.
Composite data based on
reinforced epoxy with 60 vol%
of aligned
carbon (CFRE),
aramid (AFRE), or
glass (GFRE)
fibers.
Young’s Moduli: Comparison
109 Pa
0.2
8
0.6
1
Magnesium,
Aluminum
Platinum
Silver, Gold
Tantalum
Zinc, Ti
Steel, Ni
Molybdenum
Graphite
Si crystal
Glass -soda
Concrete
Si nitride
Al oxide
PC
Wood( grain)
AFRE( f ibers) *
CFRE *
GFRE*
Glass fibers only
Carbon fibers only
Aramid fibers only
Epoxy only
0.4
0.8
2
4
6
10
20
40
60
80
100
200
600
800
1000
1200
400
Tin
Cu alloys
Tungsten
<100>
<111>
Si carbide
Diamond
PTF E
HDPE
LDPE
PP
Polyester
PS
PET
CFRE( f ibers) *
GFRE( f ibers)*
GFRE(|| f ibers)*
AFRE(|| f ibers)*
CFRE(|| f ibers)*
Relação entre temperatura de
fusão e módulo de elasticidade

Metal
Temperatura de
fusão (oC)
Módulo de
elasticidade (MPa)
Alumínio 660 70.000
Cobre 1085 127.000
Ferro 1538 210.000
O módulo de
elasticidade é
fortemente dependente
das forças de ligação
entre os átomos.
As forças de ligação entre os átomos,
e consequentemente o módulo de
elasticidade, são maiores para metais
com temperaturas de fusão mais
elevadas.
Fonte: Garcia, Spim e Santos, 2000.
Deformação ()
Te
ns
ão
(
)
Limite de resistência à
tração - LRT
Deformação ()
Te
ns
ão
(
)
Limite de resistência à
tração - LRT
Após o escoamento, a tensão necessária para continuar
a deformação plástica aumenta até um valor máximo, o
ponto M, e então, diminui até a fratura do material, no
ponto F.
Fratura do
material
Outras
informações
obtidas da
curva  x .
• Escoamento  é uma transição heterogênea entre a fase
elástica e a plástica, caracterizada por um aumento
considerável da deformação, com uma tensão praticamente
constante.

Esboço da curva obtida no ensaio de tração
Fonte: Garcia, Spim e Santos, 2000.
• AO – região de
comportamento elástico.
• AB – região de escoamento
– se caracteriza por um
aumento relativamente grande
na deformação, acompanhado
por uma pequena variação da
tensão.
• BF – região de
comportamento plástico - a
partir de B o material entra na
região plástica, que é
caracterizado pela presença de
deformações permanentes.
•UF – estricção – região
ocorre o empescoçamento do
corpo de prova, até a fratura.
Região de Escoamento (AB)
É entendido como um fenômeno
localizado, que se caracteriza
por um aumento relativamente
grande na deformação,
acompanhado por uma pequena
variação na tensão.

Pode ser nítido ou
imperceptível
Região de Escoamento (AB)
- A principal tensão definida na região de escoamento é
ζe, limite de escoamento, que é a máxima tensão
atingida na região de escoamento.

Região de Escoamento (AB)
Para os casos imperceptíveis, convencionou-se adotar
uma deformação padrão que corresponda ao limite de
escoamento, conhecida como limite n de escoamento.

Procedimento (ASTM E8-69):
1- Obter a curva por meio do ensaio de tração;
2-Construir uma linha paralela a região
elástica, partindo de uma deformação de 0,002
ou 0,2%;
3-Definir ζe na intersecção da reta paralela
com a curva ζ x ε

Então, até aqui vimos quais informações
podem ser obtidas a partir da curva tensão x
deformação.
1. Módulo de elasticidade

2. Tensão de escoamento

3. Limite de resistência à tração

4. Limite de ruptura

5. Deformação elástica e plástica

6. Estricção
1) Baseado no resultado do ensaio de tração
apresentado na figura a seguir, determinar:

a) Módulo de elasticidade do material
b) Resistência do material ao escoamento
c) Resistência à tração

APLICAÇÃO
APLICAÇÃO 2:
1) Baseado no resultado do ensaio de tração
apresentado na figura a seguir, determinar:

a) Módulo de elasticidade do material
b) Resistência do material ao escoamento
c) Resistência à tração

Características dos Materiais
Além destas, outras informações ainda
podem ser obtidas da curva tensão x
deformação:
Ductilidade
Tenacidade
Resiliência
Ductilidade
Representa uma
medida do grau de
deformação plástica
que foi suportado
quando da fratura.
Corresponde à
elongação total do
material devido à
deformação plástica. Fonte: Callister, 2002.
Medidas de Ductilidade: Alongamento total (ΔL),
alongamento específico (δ) e deformação na fratura (εf)
Δl (alongamento) - diferença entre o comprimento final
(Lf) e o comprimento inicial (Lo) do corpo de prova que
é dado por:

Δl=Lf-Lo

O alongamento específico é dado por:

f
o
of
L
L
l
ll









 

0
Deformação convencional de
engenharia no ponto de fratura.
Tenacidade
Representa uma
medida da habilidade
de um material em
absorver energia até a
sua fratura.
Para que um material
seja tenaz, este deve
apresentar tanto
resistência como
ductilidade.
É a área sob a curva tensão
x deformação até o ponto
de fratura.
Módulo de Tenacidade (Ut)
Corresponde à capacidade que o material apresenta de absorver
energia até a fratura, ou, quantifica a dificuldade ou facilidade de
levar o material a fratura.

Material dúctil
Módulo de Tenacidade (Ut)
Material frágil
Módulo de Tenacidade (Ut)
Existem duas expressões para determinar esses valores:

Material dúctil

f
ue
tU 






 

2
Material frágil

fut
U 
3
2

Ut (N.m/m
3). É um parâmetro que compreende tanto a resistência
mecânica do material quanto a ductilidade.
Resiliência
•É a capacidade que o material possui de absorver
energia elástica sob tração e devolvê-la quando
relaxado.

•É a área sob a curva dada pelo limite de escoamento e
pela deformação no escoamento.

•Materiais ideais para uso em molas.
CM6 2014EM.pdf
Ensaio de Compressão
Tensão X Deformação

• Mesmas características do ensaio de
tração;
• Diferença: utilizado para materiais frágeis.

É executado em máquina universal de ensaios:

-Com adaptação de duas placas (cabeçotes)
lisas e de superfície perpendicular ao eixo de
aplicação da carga.

-Uma dessas placas deve ser engastada (fixa),
e a outra, geralmente a superior (móvel).

-O CP usualmente tem a forma cilíndrica com
diâmetro inicial (D0) e o comprimento original
(L0)

Ensaio de Compressão
Vídeo!
•Insignificante p/ o concreto (tração)
Teste de Dureza
É uma propriedade mecânica relacionada à
resistência que um material, quando pressionado por
outro material ou por marcadores padronizados,
apresenta ao risco ou à formação de uma marca
permanente.

- Utilização de penetradores padronizados.
- Aplicação de pré-carga e/ou carga.
- Deformação elástica seguida de deformação
plástica.
-Forma e profundidade da marca representam a
dureza numérica.

Dureza
Teste de Dureza
A dureza do penetrador deve ser maior
do que a da amostra a ser ensaiada.

Materiais mais duros são mais
resistentes a deformacão plástica e
deixam uma impressão menor.
Condições:
Dureza
Polímeros
Ligações
de Van
der Walls
Baixas
interações Macios
• Relação da dureza com as ligações químicas
Dureza
Metais
Ligações
Metálicas
Altas
interações Duros
• Relação da dureza com as ligações químicas
Dureza
Cerâmicas
Ligações
iônicas
Interações
muito altas
Muito
Duros
• Relação da dureza com as ligações químicas
Dureza por Risco

- Muito aplicada no campo da mineralogia
- Mede a capacidade de um material riscar o outro
- Dureza de Mohs é a mais conhecida (diamante =
10 e talco = 1)

Ensaio de Dureza
Ensaio de Dureza
• Dureza por Risco

•
D
U
R
E
Z
A

Teste de Dureza
Ensaio de Dureza
por Penetração
Dureza Brinell (HB
ou BHN)
– Esferas de aço ou
– Carboneto de tungstênio;

VÍDEO!
Materiais dúcteis!
Utiliza-se da profundidade da impressão causada por
um penetrador sob a ação de uma carga aplicada em
dois estágios (pré-carga e carga suplementar) como
indicador da medida de dureza.
Ensaio de Dureza-Rockwell
DEFINIÇÃO:
CLASSIFICAÇÃO:
-Comum ou superficial (dependendo da pré-carga e
carga aplicada).
Rockwell (HRc ou HRb)

– Rockwell: penetrador é uma pequena esfera de
aço- para materiais macios
– Rockwell: penetrador é um cone de diamante -
para materiais mais duros

MEDIÇÃO AUTOMÁTICA NÃO NECESSÁRIO MEDIÇÃO ÓPTICA
VÍDEO!
Devido a forma do penetrador, possibilita medir qualquer
valor de dureza, incluindo desde os materiais mais duros até
os mais moles ( conhecido com ensaio universal).
Ensaio de Dureza Vickers
Microdureza de um material polifásico
VÍDEO!

- Determinação da dureza em pequenas áreas do CP.
-Determinação da dureza individual de
microconstituintes de uma estrutura metalográfica.
- Penetrador na forma de pirâmide alongada, com
ângulos de 172° 30` e 130 ° entre faces opostas, que
provoca uma diagonal maior e outra menor (relação
7:1)
- Cargas menores de 1 kgf (9,8 N)
Microdureza Knoop
Ensaios de Resistência ao
IMPACTO
•Método de avaliação da resistência e sensibilidade ao entalhe de
materiais. Consiste em submeter um corpo de prova a uma
carga praticamente instantânea, provocando a fratura.
•No ensaio de impacto um corpo de prova com entalhe é
quebrado pelo impacto de um pêndulo ou martelo pesado, que
cai de uma distância fixa (energia potencial constante) numa
velocidade pré-determinada (energia cinética constante).
Os dois principais métodos de
ensaio de Impacto são: Charpy e
Izod
Entalhe mais
severo.
A única diferença entre o ensaio
Charpy e o Izod é que no Charpy o
golpe é desferido na face oposta ao
entalhe e no Izod é desferido no
mesmo lado do entalhe.
Corpos de prova
(Testes Izod X Charpy
DETALHES DOS CORPOS DE
PROVA-IMPACTO
VÍDEO!
CM7 2014EM.pdf
DIAGRAMA DE FASES
Veremos nesse capítulo:

-Terminologia associada aos diagramas e as
tranformações de fases.

-Apresentação e Interpretação dos diagramas.

-Desenvolvimento de microestruturas.
O que são diagramas de fases?
 São mapas que
permitem prever a
microestrutura dos
materiais em
função da
temperatura e
composição de
cada componente.
E precisamos, ainda, entender o que é
limite de solubilidade:
 é a concentração máxima de átomos de soluto que pode se
dissolver no solvente para formar uma solução sólida.
Sistema açúcar-água
Quando o limite de solubilidade é ultrapassado forma-se uma segunda fase com
composição distinta
Por fim, precisamos compreender
o conceito de FASES:
 uma fase pode ser definida como uma porção
homogênea de um sistema que possui
características físicas e químicas uniformes.
Uma única fase Sistema homogêneo
Duas ou mais fases Sistema heterogêneo
A maioria das ligas metálicas são sistemas
heterogêneos
Diagrama de fases Binários A
B
O Cu e o Ni são solúveis um no outro no estado sólido para todas as
composições:
Estrutura cristalina, raios atômicos, eletronegatividade e valências
semelhantes.
Linha líquidus e linha sólidos
Temperatura de fusão para o Cu e o Ni puro!
Interpretação dos Diagramas de
Fases
Informações Importantes:

1)Fases que estão presentes.
2)As composições dessas fases.
3)As porcentagens ou frações das
fases.
Como saber quais as fases e
composições presentes?
 É preciso apenas localizar o ponto temperatura-
composição no diagrama de fases e observar com
qual(is) fase(s) o campo de fases correspondente está
identificado.  O ponto A: 60% de Ni e
40% de Cu.
 Como esse ponto está
localizado dentro da região ,
exclusivamente a fase  estará
presente.
 E o ponto B uma liga com
55% Ni e 45% Cu, consistirá
tanto na fase  quanto na fase
líquida.
A
B
Como saber quais as fases e
composições presentes?
LINHA DE AMARRAÇÃO no
ponto B

Composição da fase líquida:
CL= 31,5%Ni – 68,5% Cu

Composição da fase sólida:
Cα= 42,5%Ni – 57,5% Cu

 Através da LINHA DE AMARRAÇÃO.
Como determinar a quantidade das
fases?
 Através da REGRA DA ALAVANCA.
 Vamos considerar o ponto
B (35% de Ni e 65% de Cu):
 Fase líquida:
L = S
R+S
L = C-C0
C-CL
 Fase sólida:
S = R
R+S
S = Co-CL
C-CL
 Ponto A = trivial
Como determinar a quantidade das
fases?
CM8 2014EM.pdf
Desenvolvimento da Microestrutura
 Representação
esquemática do
desenvolvimento da
microestrutura durante a
solidificação para a liga
35% Ni – 65% Cu
Sistemas Eutéticos Binários
 Três regiões monofásicas
(α, β e L);

A fase α é uma solução
sólida rica em cobre (prata é
o soluto);

A fase β é uma solução
sólida rica em prata ( o cobre
é o soluto);

O limite de solubilidade
para a fase α corresponde a
linha fronteira CBA.

Sistemas Eutéticos Binários
• Eutético:
L(CE) (CE) + (CE)
Aquec
Resf
Sistemas Eutéticos Binários
• Eutético:
L(CE) (CE) + (CE)

Resf
Aquec
Reações Eutetóides e Peritéticos
Diagrama Cu-Zn
Reações Eutetóides e Peritéticos
Diagrama Cu-Zn
Reação Eutetóide   + 
Reação Peritética  + L 
Resf
Aquec
Resf
Aquec
Diagrama de fases Fe-C
A compressão do diagrama Fe-C é
extremamente importante, pois através dele é
possível obter informações sobre a
microestrutura das ligas de Fe-C em função da
temperatura e composição.
Existe uma forte correlação entre a
microestrutura e as propriedades
mecânicas das ligas.
Diagrama de fases Fe-C
De todos os sistemas de ligas binários o
mais importante é o formado pelo ferro e
o carbono

AÇOS E FERROS FUNDIDOS!
O sistema ferro-carbono
Fo
n
te
:
C
al
lis
te
r,
2
0
0
8
.
AÇO FERRO FUNDIDO
A
B
C
Estado líquido
D
Estado sólido
L+Fe3C
Ferro Puro
Ferrita α
FERRO  = FERRITA

Estrutura - CCC
Temperatura de “existência”= até 912 C
Solubilidade máx. do carbono = 0,022% a 727C
É mole e dúctil.

Ferrita α-visualização
Aparência da ferrita α
fotomicrografia.
Identificação
Ferrita- - Austenita
FERRO  = AUSTENITA

Estrutura= CFC
Temperatura de “existência”= 912-1394C
Solubilidade máx. do carbono = 2,14% a 1147 C
É mais dura.

Ferrita -  visualização
Aparência da ferrita -
Austenita
fotomicrografia.
Identificação
Ferrita - 
A FERRITA  é virtualmente a mesma que a
FERRITA , exceto pela faixa de
temperatura em que cada uma existe.
Como é estável somente a altas
temperaturas, não tem interesse
comercial.
O ferro puro, ao ser aquecido,
experimenta duas
alterações na sua estrutura cristalina antes de se
fundir.
FERRO  = FERRITA  – CCC

FERRO  = AUSTENITA - CFC

FERRO  = FERRITA  - CCC

TF= 1538C

Transf. polimórfica
Transf. polimórfica
Cementita (Fe3C)
Fusão da
cementita
 É dura e frágil.
L+Fe3C
Eixo das composições
> 6,70%C – grafite pura Sistema Fe-Fe3C
L+Fe3C
Pontos importantes no diagrama de fases Fe-C
Eutético
Eutetóide
(L   + Fe3C)
(   + Fe3C)
L+Fe3C
Ponto a = somente austenita
até 727oC.
Ao cruzar 727oC e até o ponto b,
a austenita se transforma de
acordo com a reação:
   + Fe3C.
Microestrutura – camadas
alternadas ou lamelas
compostas pelas duas fases  e
Fe3C, que se formam
simultaneamente.
Desenvolvimento das microestruturas: liga Fe-C de
composição eutetóide (0,76% de C)
liga Fe-C de composição eutetóide
(0,76% de C)
Essa microestrutura é conhecida por
PERLITA.
Desenvolvimento das microestruturas: liga Fe-C de
composição eutetóide (0,76% de C)
Microestrutura PERLITA
As camadas claras mais grossas
representam a fase ferrita,
enquanto a fase cementita
aparece como lamelas finas, a
maioria apresentando cor
escura.
Mecanicamente, a PERLITA
apresenta propriedades
intermediárias entre a macia e
dúctil ferrita e a dura e frágil
cementita.
Agora, vamos ver o desenvolvimento das microestruturas para
uma liga Fe-C que possui entre 0,022 e 0,76% de C. Esta é
conhecida como liga hipoeutetóide (menos que o eutetóide)
Ponto c (875oC)= somente austenita.
Ponto d (775oC) = fases  + .
Ponto e = maior proporção da fases .
Ponto f = a fase austenita se transforma
em perlita de acordo com a reação:
   + Fe3C.
Agora, vamos ver o desenvolvimento das microestruturas
para uma liga Fe-C que possui entre 0,022 e 0,76% de C. Esta
é conhecida como liga hipoeutetóide (menos que o
eutetóide)
= é chamada ferrita eutetóide (ferrita
presente na perlita). Nova formada

= acima de Te, é chamada ferrita
proeutetóide (ferrita antes do eutetóide).

Ferrita que não conseguiu transformação
total

Fotomicrografia de um aço com 0,38 %C que possui uma microestrutura
composta por perlita e ferrita proeutetóide.

Ampliação 635X
Aço hipoeutetóide!
Ligas hipereutetóides (mais que o eutetóide): liga Fe-C
que possui entre 0,76 e 2,14% de C.
Ponto g = somente austenita.
Ponto h = a fase cementita começa a se
formar. É chamada cementita proeutetóide
(não muda - antes do eutetóide).
Ponto i = toda a austenita é convertida em
perlita.
A microestrutura restante consistirá em
perlita + cementita.
Fotomicrografia de um aço com 1,4 %C que possui uma microestrutura
composta por uma rede de cementita proeutetóide que envolve as colônias
de perlita.

Ampliação 1000X

Aço hipereutetóide!
Glossário
EXERCÍCIOS
Considere novamente a reação eutetóide:
Tranformação na perlita!
Alterações Microestruturais e das
Propriedades em Ligas ferro-
carbono
O sistema ferro-carbono
Fo
n
te
:
C
al
lis
te
r,
2
0
0
8
.
AÇO FERRO FUNDIDO
A
B
C
Estado líquido
D
Estado sólido
L+Fe3C
Ferro Puro
INTERPRETAÇÃO - diagramas
Transformação, tempo e
temperatura- TTT
Interpretação- diagrama de
Transformação-PERLITA
-Eixos vertical e horizontal representam,
respectivamente, a temperatura e tempo.

-Duas curvas sólidas estão traçadas: uma
representa o tempo necessário em cada
temperatura para INÍCIO DA
TRANSFORMAÇÃO; a outra representa a
CONCLUSÃO DA TRANSFORMAÇÃO.

-A curva tracejada corresponde a um estado
com 50% da transformação concluída.
Essas curvas surgiram a partir de uma série de gráficos para o % da
transformação em função do logarítmo do tempo, gerados em uma
faixa de temperaturas.
Interpretação
-Temperatura eutetóide;

-Em temperaturas acima do eutetóide, e
para todos os tempos, apenas a austenita
irá existir;

-A transformação da austenita em perlita
irá ocorrer somente se uma liga for super-
resfriada até abaixo da temperatura
eutetóide;

-A esquerda da curva de início da transformação, apenas a austenita (instável)
estará presente, enquanto à direita da curva de término, apenas a perlita irá existir;

- Entre as duas curvas, a austenita está em processo de transformação em perlita,
e, dessa forma, ambos os microconstituintes estarão presentes.

A curva real de um tratamento térmico isotérmico (ABCD)
está superposta ao diagrama de transformação isotérmico
para uma liga Fe-C eutetóide.
Observação das microestruturas esquemáticas em vários momentos.

Perlita Grosseira e Perlita Fina
- Em temperaturas abaixo da eutetóide, são produzidas camadas
relativamente grossas, tanto da fase ferrita (α) quanto da fase
cementita (Fe3C)- PERLITA GROSSEIRA.
Nessas temperaturas as taxas de difusão são
relativamente altas, ou seja, os átomos de
carbono podem se difundir a distâncias
relativamente grandes.

Perlita Grosseira e Perlita Fina
- Com a diminuição da temperatura, a taxa de difusão do carbono
diminui e as camadas se tornam progressivamente mais fina .
São produzidas a cerca de 540°C é denominada de PERLITA FINA.
Bainita
-A transformação em bainita ocorre em temperaturas abaixo
daquelas nas quais a perlita se forma.

-Diagrama de transformação isotérmica
(TTT) para uma liga Fe-C com composição
eutetóide, incluindo as transformações A-P
e A-B

-OBS: Todas as curvas apresentam o
formato de um “c” e de um “nariz” no ponto
N;

- A bainita é o produto da transformação na
faixa de [215-540°C].

Bainita
-Além da perlita, existem outros microconstituintes que são
produtos da transformação austenita: BAINITA
-A microestrutura da bainita consiste nas fases ferrita e cementita.
-A bainita se forma como agulhas ou como placas, dependendo da
temperatura da transformação.
-MET da bainita: um grão de bainita se
estende do canto inferior esquerdo ao canto
superior direito da figura, e consiste em
partículas de cementita alongadas e com o
formato de agulhas em uma matriz de
ferrita. A fase que envolve a bainita é a
martensita.

Cementita Globulizada (Esferoidita)
-Cementita globulizada: as partículas pequenas são cementita e a fase contínua é
ferrita.
-Se uma liga de aço com microestrutura perlítica ou bainítica é
aquecida e mantida em uma temperatura abaixo da temperatura
eutetóide por um período de tempo longo.
EX: ~ 700°C durante 18 a 24h (cementita globulizada)

Fe3C

Martensita
Martensita
- É formada quando ligas ferro-carbono austenitizadas são
resfriadas rapidamente (ou temperadas) até uma temperatura
relativamente baixa (próxima da temperatura ambiente).

- A austenita CFC experimenta uma transformação polimórfica em
uma martensita tetragonal de corpo centrado (TCC).

-Célula unitária TCC para um aço martensítico mostrando os átomos de Fe (círculos) e
os sítios que podem ser ocupados por átomos de carbono (cruzes).
Fe
Martensita
-Fotomicrografia da martensítica. Os grãos com formato de agulha são fase
martensítica, e as regiões brancas são austenita que não se transformou durante
o
resfriamento rápido.
CM9 2014 EM.pdf
Luciana Amorim – DEMa/CCT/UFCG
Materiais
poliméricos
Luciana Amorim – DEMa/CCT/UFCG
O que veremos...

1. o que são polímeros;

2. como os polímeros são formados;

3. os tipos de polímeros e suas características;

4. classificação dos polímeros;
5. métodos de conformação e

6. aditivos para polímeros

Luciana Amorim – DEMa/CCT/UFCG
Definição: substância que possui moléculas de
grandes dimensões, resultado da união de uma série
de pequenas unidades básicas (unidades repetitivas).
Polímero  origem orgânica  hidrocarbonetos
(compostos por H e C)
Embalagens para
alimentos Fibras texteis Elastômeros
Luciana Amorim – DEMa/CCT/UFCG
Monômeros  são substâncias que dão origem aos
polímeros por reação química
Unidades repetitivas ou meros  são as unidades que
se repetem ao longo da cadeia polimérica e que
caracterizam a composição química do polímero
Outras definicões…
Luciana Amorim – DEMa/CCT/UFCG
Química dos Polímeros
temperatura
Pressão
catalizadores
Monômero
(gás / líquido)
Polímero
(sólido)
Monômero = molécula pequena capaz de reagir
Mero = estrutura química repetitiva da molécula
Oligômero = molécula com poucos meros

Polímero = macromolécula com muitos meros
Luciana Amorim – DEMa/CCT/UFCG
Em muitos casos o mero é quase equivalente ao
monômero.
Luciana Amorim – DEMa/CCT/UFCG
Em outros casos, a diferença é maior:
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Tamanho da Molécula
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Tipos de arranjos dos meros
Quando os meros são ligados entre si formando uma
entidade contínua, como um fio.
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Quando as cadeias possuem ramificações laterais.
Tipos de arranjos dos meros
Luciana Amorim – DEMa/CCT/UFCG
Tipos de arranjos dos meros
ou ligações cruzadas
Quando as unidades são conectadas de forma
tridimensional formando uma rede (ou mais redes).
Luciana Amorim – DEMa/CCT/UFCG
Existem diferenças nas características desses
polímeros...
Luciana Amorim – DEMa/CCT/UFCG
Grau de Polimerização-Xn
Uma forma alternativa de expressar o comprimento da
cadeia de um polímero é determinado pelo número de
unidades repetitivas.

Xn= representa o número médio de unidades mero em uma
cadeia.
Luciana Amorim – DEMa/CCT/UFCG
Grau de Polimerização-Xn
Luciana Amorim – DEMa/CCT/UFCG
Peso Molecular
-Os pesos moleculares extremanente elevados são
observados nos polímeros com cadeias muito
longas;

-Durante a Polimerização, nem todas as cadeias
crescem até o mesmo comprimento; isso resulta em
uma distribuição de comprimentos de cadeias ou
PM.
Luciana Amorim – DEMa/CCT/UFCG
Peso Molecular Médio
𝑀𝑛 = 𝑥𝑖𝑀𝑖
Onde Mi representa o peso molecular médio (central) da cada
faixa de tamanho i, e xi é a fração do número total das
cadeias na faixa de tamanhos correspondentes.
Fração numérica de ocorrência/Freqüência

Luciana Amorim – DEMa/CCT/UFCG
Peso Molecular Ponderal
𝑀𝑝 = 𝑤𝑖𝑀𝑖
Onde Mi representa o peso molecular médio (central) da cada
faixa de tamanho i, e wi é a fração em peso das moléculas do
mesmo intervalo de tamanho.
Luciana Amorim – DEMa/CCT/UFCG
Peso Molecular
Distribuição de PM para
um polímero típico.
Luciana Amorim – DEMa/CCT/UFCG
Como são formados os polímeros?

 Os polímeros são formados através de um
processo químico chamado de POLIMERIZAÇÃO.

 Nos processos de polimerização, uma grande
quantidade de moléculas pequenas (monômeros)
ligam-se covalentemente, formando cadeias
moleculares muito grandes.
POLIMERIZAÇÃO
por adição

por condensação

Luciana Amorim – DEMa/CCT/UFCG
Polimerização por condensação
 Reações químicas intermoleculares que normalmente envolvem
mais de um tipo de monômero.
 Geralmente, existe um subproduto de pequeno peso molecular,
como a água, ácido clorídrico ou metanol que é eliminado.
Ex:

Náilons,
Policarbonatos,
Termofixos
Luciana Amorim – DEMa/CCT/UFCG
Polimerização por adição
Os polímeros não se enquadram em nenhum desses
casos.
A estrutura da unidade repetitiva é idêntica àquela do
monômero, exs:
Luciana Amorim – DEMa/CCT/UFCG
Os polímeros podem ser
classificados em:

•TERMOPLÁSTICOS,
•TERMOFIXOS e
•ELASTÔMERO.

!Classificação em relação a
temperaturas

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Termoplásticos
Materiais amolecem quando são aquecidos e
endurecem quando resfriados.

PROCESSO PODE SER REPETIDO!

De uso comum e aplicações mais simples;
PE, PP, PVC

De engenharia: propriedades melhores e tem
aplicações técnicas;
PTFE, PA
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Termofixos
EX: durepoxi®
-Oposto dos termoplásticos
-Eles se tornam duros e rígidos sob o aquecimento
-Reação irreversível
-Não são recicláveis (desvantagem)
-PROCESSO NÃO PODE SER REPETIDO!
Ligações cruzadas!
Luciana Amorim – DEMa/CCT/UFCG
Borrachas ou Elastômeros
Exibem elasticidade em longas faixas de
deformação;

Cadeias com ligações cruzadas, semelhante as
dos termofíxos, porém em menor densidade de
reticulação.
Luciana Amorim – DEMa/CCT/UFCG
Luciana Amorim – DEMa/CCT/UFCG
Comportamento e Estrutura dos Polímeros
Comportamento Estrutura Geral Exemplo
Termoplástico Cadeias lineares
(ramificadas ou não)
PE
Termofixo Rede tridimensional
rígida (ligações
cruzadas)
PU
Elastômero As cadeias são
interligadas em pontos
distantes (ligações
cruzadas)
-elasticidade com efeito
“mola”

Borrachas
RESUMO
Luciana Amorim – DEMa/CCT/UFCG
Percebemos que a temperatura é
muito importante nos polímeros...
... assim, existem duas temperaturas
que precisamos conhecer...Tf e Tv.
Essas temperaturas são parâmetros
importantes em relação às
aplicações de serviço dos polímeros.
Luciana Amorim – DEMa/CCT/UFCG
Temperatura de fusão (Tf)
 Tf é a temperatura na qual ocorre a fusão do
polímero, ou seja, a transformação de um
material sólido, contendo uma estrutura
ordenada de cadeias moleculares alinhadas, em
um líquido viscoso, cuja estrutura é altamente
aleatória.

É também conhecida como Tm.

Luciana Amorim – DEMa/CCT/UFCG
Temperatura de transição vítrea (Tv)
 A transição vítrea ocorre em polímeros amorfos
(vítreos) e semicristalinos.

É também conhecida como Tg.

 Pelo aumento da temperatura, o polímero amorfo
sólido se transforma de um estado rígido para um
estado de borracha.

 Esta transição ocorre devido a redução do
movimento de grandes segmentos de cadeias
moleculares pela diminuição da temperatura.

Luciana Amorim – DEMa/CCT/UFCG
Cristalinidade dos polímeros
 Os polímeros são
com freqüência
semicristalinos.
Região de alta cristalinidade
Região amorfa
Luciana
Amorim – DEMa/CCT/UFCG
Algumas considerações importantes
quanto à cristalinidade dos polímeros
 Polímeros cristalinos são mais densos que polímeros amorfos.
 Polímeros lineares  fácil cristalização (ordenação)
 Polímeros ramificados  nunca apresentam elevado grau de
cristalinidade.
 Polímeros em rede  quase totalmente amorfos.
 Polímeros cristalinos são mais fortes e mais resistentes a
temperatura.
Luciana Amorim – DEMa/CCT/UFCG
Fotomicrografia de um PE: Padrão característico
de cruz de malta aparece no interior de cada
região de esferulítica.
Esferulitas são
análogas aos
grãos dos
metais e
cerâmicas
Luciana Amorim – DEMa/CCT/UFCG
A química dos polímeros tem buscado
novos materiais com propriedades
aprimoradas ou com melhores
combinações.
COPOLÍMEROS
Luciana Amorim – DEMa/CCT/UFCG
Copolímero  Blenda Compósitos
• Copolímero: polímero com mais de um tipo de mero na
cadeia
 PSAI (PS alto impacto) = todas as moléculas tem uma cadeia principal de
polibutadieno com ramificações enxertadas de poliestireno.

• Blenda: mistura física de polímeros
 Noryl® = PSAI + PPO (poli-óxi-fenileno)
 PEAD + PELBD sacolas de supermercado

• Compósito: polímero misturado com outro tipo de material

 PP carregado com talco
 Poliéster + fibra-de-vidro
Luciana Amorim – DEMa/CCT/UFCG
PROCESSAMENTO DE POLÍMEROS
Luciana Amorim – DEMa/CCT/UFCG
EXTRUSÃO
Extrusão – é um processo contínuo que consiste em transportar, fundir e forçar
sob pressão o polímero no estado líquido (fundido) através de uma matriz para
produzir uma seção ou perfil com forma e comprimento desejado
Constituição de uma extrusora: funil, cilindro (barril), rosca ou pistão e matriz .
Luciana Amorim – DEMa/CCT/UFCG
Produtos Plásticos extrudados
Filmes Plásticos;
Canos e tubos;
Cabos elétricos;
Filamentos para fabricação de escova de
dente e de cabelo;
Chapas de plásticos para posterior
termoformagem

Luciana Amorim – DEMa/CCT/UFCG
ROSCA PADRÃO
Luciana Amorim – DEMa/CCT/UFCG
Outras Aplicações:

• Chapas e “parison” para outros processos de transformação
• Homogeneização de aditivos
• Obtenção de grânulos (virgens ou processados)

Vantagens:

 Produção elevada e contínua;

VÍDEO!
Luciana Amorim – DEMa/CCT/UFCG
EXTRUSÃO – FILMES

É empregando o método de extrusão de um
tubo de parede delgada, expandido na forma de
uma bolha por jato de ar soprado;

Em seguida é resfriado por outro jato de ar
cuidadosamente controlado, posteriormente este
“tubo” é achatado entre dois roletes de tração e
bobinado.

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FILMES
TUBULARES
VÍDEO!
Luciana Amorim – DEMa/CCT/UFCG
FILMES
TUBULARES
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FILMES
PLANOS
VÍDEO!
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INJEÇÃO
Luciana Amorim – DEMa/CCT/UFCG

INJEÇÃO
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aquecimento injeção resfriamento
encosto do
bico no molde
Injeção
(rosca avança)
recalque
(compensa
contração)
dosagem
(rosca gira e
recua)
início do
resfriamento
garganta
solidificada
desencosto
do bico
resfriamento
abertura
do molde
extração do
produto
Início do
ciclo:
fechamento
do molde
CICLO DE MOLDAGEM
Luciana Amorim – DEMa/CCT/UFCG
Injeção
VÍDEO!
Luciana Amorim – DEMa/CCT/UFCG
Luciana Amorim – DEMa/CCT/UFCG
VÍDEO!
Luciana Amorim – DEMa/CCT/UFCG
Vantagens do processo:
-Moldagem de peças de grandes dimensões;
-O produto final é essencialmente livre de tensões;
- Os moldes são relativamente de baixo custo;
-O material é consumido praticamente em todo processo;

Desvantagens:
-Ciclos longos de processo;
-Materiais devem está na forma de pó (custo adicional para
micronizar) ou líquidos;
-Controle de temperatura.
Vantagens e Desvantagens
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Termoformagem
Termoformagem – é um processo que consiste na deformação de chapas ou
filmes poliméricos aquecidos, utilizando vácuo, pressão de ar ou forças
mecânicas, contra as paredes de um molde para a produção de diversos
produtos.
Aplicações (termoplásticos):
descartáveis (copos, pratos, bandejas, embalagens de brinquedos),
embalagens para doces, ovos, medicamentos, água, yogurtes, margarinas,
revestimento interno de geladeiras e freezers, cadeiras, banheiras, peças de
automóveis, cosméticos, etc..
Luciana Amorim – DEMa/CCT/UFCG
Termoformagem
Chapa de polímero
Aquecimento
da Chapa Chapa colocada
sobre o molde
Conformação da
chapa por vácuo
Peça é cortada
da chapa
Termoformagem – é um processo usado principalmente quando necessita-se
de peças com grandes áreas de superfície e espessura; peças com paredes
finas; e de pequenos lotes de produção.
Vídeo!
Luciana Amorim – DEMa/CCT/UFCG
MOLDAGEM POR SOPRO
Luciana Amorim – DEMa/CCT/UFCG
Extrusão-SOPRO
Processo contínuo –
-Utiliza-se uma extrusora simples para extrudar o parison entre um molde
bipartido que quando atingido o comprimento adequado,
-O molde fecha, esmagando sua extremidade inferior; ao mesmo tempo, uma
faca corta o tubo rente à saída da extrusora, permitindo o transporte do
molde, com o núcleo aprisionado a uma nova posição, onde um mandril de
sopro é inserido no bocal fechando.
-Após o sopro com ar comprimido, ocorre o resfriamento, o molde abre e a peça é
extraída.
Vídeo!
Luciana Amorim – DEMa/CCT/UFCG
MOLDAGEM POR EXTRUSÃO-ESTIRAMENTO-SOPRO
Orientação
longitudinal
(axial)
Orientação
transversal
Produtos biorientados: melhores propriedades mecânicas, transparência e barreira. principais
materiais: PVC e PP.
A – molde da pré-forma/extrusão do
parison
B – molde da pré-forma/sopro do
parison
C/D – molde da garrafa/sopro da pré-
forma
E – Extração da garrafa
Vídeo!
Haste!!
Luciana Amorim – DEMa/CCT/UFCG
Injeção-SOPRO
Luciana Amorim – DEMa/CCT/UFCG
• Injeção-Sopro
Luciana Amorim – DEMa/CCT/UFCG
Utilizado principalmente
em embalagens de bebidas
carbonatadas, especialmente
produzidas com o PET.
•Propriedade de barreira
•Grau de sopro
Vídeo!
Luciana Amorim – DEMa/CCT/UFCG
Co-extrusão ou Co-injeção
Produtos multicamadas: as camadas podem ser do mesmo material ou não,
reciclado e virgem.
Principal
aplicação:
barreira
Luciana Amorim – DEMa/CCT/UFCG
Material de suporte ou
estrutura: melhor propriedade
mecânica (HDPE, PP, PVC, PET,
PA6, PC, LDPE, LLDPE); 80%
em peso da embalagem.
Material de adesão: promover
adesão entre camadas
incompatíveis (ionômeros); 5%
da embalagem.
Material para barreira:
promover impermeabilidade ao
vapor d`água, CO2, O2, etc.;
(EVOH, PVDC, PAN, PA6 e
PET); de 5 a 15% da embalagem.
Co-extrusão ou Co-Injeção
Vídeo!
Luciana Amorim – DEMa/CCT/UFCG
Co-extrusão ou Co-Injeção
Matriz única
Material rígido
Material flexível
Luciana Amorim – DEMa/CCT/UFCG
Co-extrusão ou Co-Injeção
Luciana Amorim – DEMa/CCT/UFCG
Compressão
Moldagem de produtos poliméricos a partir do aquecimento/prensagem
de materia-prima.
CM10 2014 EM.pdf
Materiais
cerâmicos

CERÂMICA
Vem do grego keramikos, que significa
material queimado, indicando a necessidade
de tratamento térmico para adequar as
propriedades.
Propriedade das argilas:
plasticidade

 É a propriedade que um sistema possui de se deformar pela
aplicação de uma força e de manter essa deformação quando a
força aplicada é retirada.

 Facilidade com que os produtos à base de argila podem ser
conformados  quando misturados nas proporções corretas, a
argila e a água formam uma massa plástica que pode ser
moldada.

4. Como obter os
produtos cerâmicos

Técnicas de Fabricação-
ETAPAS:
1.Preparação da matéria prima em pó;
2.Mistura do pó geralmente com água para formar
um material conformável: barbotina (alta fluidez)
ou massa plástica;
3.Técnica de Fabricação;
4.Secagem das peças conformadas;
5.Queima ou sinterização das peças após secagem;
6.Acabamento final (quando necessário).

Técnicas
de
Fabricação
Resumo: ETAPAS de Fabricação
Matéria prima
Moagem ou
trituração
Peneiramento
Adição da água e/ou
outros ingredientes
Conformação da
peça
Extrusão Colagem Prensagem
Tijolos, azulejos
e ladrilhos de
piso
Tijolos, telhas,
azulejos e
ladrilhos de piso
Louça
sanitária
Moldagem:
Pasta seca: h% de 4 a 10%, prensagem, ex.: telhas;
Pasta consistente: h% de 20 a 35%, extrusão, ex.: blocos;
Pasta fluida: h% de 35 a 50%, barbotina, ex.: louça sanitária.
FABRICAÇÃO
Prensagem
Fonte: Callister, 2008.
(a) A cavidade do molde é
preenchida com o pó.

(b) O pó é compactado por
meio de pressão aplicada
sobre a parte superior do
molde.
(c) A peça compactada é
ejetada pela ação de
elevação do punção
inferior.
(d) Início de novo ciclo.
Alimentação
Cavidade do
molde
Parte superior
do molde
Peça
compactada
Vídeo!
Extrusão
 Neste método de conformação a massa
cerâmica plástica é forçada através de um
orifício de uma matriz que possui a geometria
desejada. A seguir, já com a forma desejada,
a peça é cortada em comprimentos
apropriados.

 A massa cerâmica encontra-se na forma de
uma pasta plástica, porém rígida.
Extrusora
Tijolos, tubos, blocos cerâmicos, e azulejos.
Vídeo!
Etapas da Extrusão
Secagem
Ambiente Estufas controladas
Secagem: remoção da água existente
entre as partículas de argila
Peça úmida-
corpo verde
Peça
parcialmente
seca
Peça
completamente
seca – corpo cru
F
o
n
te
:
C
a
ll
is
te
r,
2
0
0
8
.
 O corpo cerâmico experimenta alguma contração de volume e
deve apresentar resistência para o seu manuseio. Após
secagem, é conhecido como corpo cru.
Sinterização ou Queima
Ex: Fornos
Queima: mecanismo de sinterização
Poro
Contorno de grão
Empescoçamento
(a) (b) (c)
F
o
n
te
:
C
a
ll
is
te
r,
2
0
0
8
.
(a) As partículas do pó se tocam umas com as outras.
(b) Estágio inicial de sinterização: ocorre a formação de
empescoçamento ao longo das regiões de contato entre partículas
adjacentes. Além disso, forma-se um contorno de grão dentro de cada
pescoço e cada interstício entre as partículas se torna um poro.
(c) A medida que a sinterização progride, os poros se tornam menores e
adquirem formas mais esféricas.

Colagem ou fundição por suspensão
•Barbotinas

Suspensão aquosa de materiais cerâmicos com água,
suficientemente líquida para ser vertida.

As matérias-primas com água, são moidas em um “moinho de
bolas” até que a massa fique semelhante a uma massa de
bolo.
Vídeo!
Colagem ou fundição por suspensão
Fonte: Callister, 2008.
(a) Fundição sólida – Quando
a cavidade total do molde se
torna sólida.
(b) Fundição com dreno –
Quando a casca sólida atinge
uma espessura desejada e o
molde é vertido para
escoamento do excesso de
suspensão.

 Quando a peça fundida
seca, se contrai em
volume e se separa da
parede do molde. Neste
momento, o molde pode
ser desmontado e a peça
removida.
Molde de gesso
defeitos-29-05-2015.pdf
Defeitos cristalinos
Marcelo F. Moreira
1
DEFEITOS OU IMPERFEIÇÕES CRISTALINAS

Defeitos ou imperfeições pontuais

Defeitos ou imperfeições de linha

Defeitos ou imperfeições de superfície

DEFEITOS CRISTALINOS

Todos os materiais apresentam um grande número de defeitos e imperfeições
em suas estruturas cristalinas.

NÃO EXISTEM ESTRUTURAS CRISTALINAS PERFEITAS.

Diversas propriedades dos materiais metálicos são profundamente afetadas
pela presença de defeitos cristalinos e freqüentemente determinadas características
são intencionalmente alteradas pela introdução de quantidades controladas de
defeitos.

Exemplos:

Processos de cementação e nitretação de aços,
Dopagem de semicondutores,
Endurecimento de metais e ligas por encruamento (deformação a frio),
Refino do tamanho de grão,
Etc.

As imperfeições ou defeitos cristalinos são classificados em três classes:
Imperfeições de ponto
Imperfeições de linha
Imperfeições de superfície

Defeitos cristalinos
Marcelo F. Moreira
2
IMPERFEIÇÕES DE PONTO (defeitos pontuais)

LACUNAS

O defeito pontual mais simples é a lacuna (do inglês: vacancy), ou seja a
ausência de um átomo em uma posição atômica originalmente ocupada por um
átomo.
As lacunas constituem O ÚNICO tipo de defeito que está em equilíbrio com o
cristal. Assim o n° de lacunas para uma dada quantidade de material é função da
temperatura de acordo com a equação:

Nv Qv
k T
= −

 N exp . .
onde: N é o n° de átomos
T é a temperatura absoluta (K)
k é a constante de Boltzmann (1,38 10-23 J/átomo K ou 8,62 10-5 eV/átomo K)
Qv é a energia de ativação (J ou eV)

Para grande parte dos metais, a fração de lacunas (Nv/N) logo abaixo da
temperatura de fusão é da ordem de 10-4 (0,01%)
Exemplo: 1 m3 de Cobre possui 8 1028 átomos e a 1000°C apresenta Nv = 2.2 1025

AUTO-INTERSTICIAL

É um átomo do cristal posicionado em uma sítio intersticial, que em
circunstâncias normais estaria vago.

Defeitos cristalinos
Marcelo F. Moreira
3
IMPUREZAS

NÃO existe metal 100% puro!
Átomos estranhos (impurezas ou elementos de liga) sempre estarão dispersos
na estrutura cristalina. Na realidade, utilizando-se as técnicas atuais de refino, é
muito
difícil e caro refinar metais com níveis de pureza superiores a 99,9999%
(“quatro noves”) Nesta pureza ainda estão presentes cerca de 1022 - 1023 átomos por
m3 de impurezas.
Estas impurezas são classificadas em duas classes:

SUBSTITUCIONAIS - Na qual os átomos de soluto estão alocados em posições
atômicas originalmente pertencentes ao átomo de solvente

INTERSTICIAIS - Na qual os átomos de soluto estão posicionados nos interstícios
das células cristalinas do solvente.

SOLUÇÕES SÓLIDAS

A solução sólida é obtida com a adição intencional de outros elementos
(elementos de liga) no metal solvente. Esta adição deve manter a estrutura cristalina e
evitar a precipitação de outra fase.
Do mesmo modo que os defeitos, as soluções sólidas também são classificadas em
substitucionais e intersticiais

Exemplos:
Solução sólida substitucional: Prata 925 - constitui uma solução sólida
substitucional com 7,5% de cobre na prata.
Solução sólida intersticial: Aços extra-doce - nestes aços, os átomos de C
ficam alocados nos interstícios das células cristalinas.
Defeitos cristalinos
Marcelo F. Moreira
4
INTRODUÇÃO HISTÓRICA AO CONCEITO DE DISCORDÂNCIA

• Deformação plástica ou permanente de um cristal perfeito (isento de defeitos
cristalinos) pode ocorrer pelo deslocamento de planos de átomos em relação aos
planos paralelos adjacentes.

• 1921 - Griffith postula que a presença de fissuras microscópicas seriam
responsáveis pela baixa resistência dos sólidos.
• 1926 - Cristais reais começam a deformar-se plasticamente em tensões entre
1/1000 e 1/10000 da tensão teórica calculada por Frenkel.
• 1934 - E. Orowan, M. Poloanyi e G. I. Taylor propuseram, de modo independente,
a existência de um defeito cristalino linear denominado discordância que poderia
justificar a discrepância entre a tensão calculada e a medida nos sólidos cristalinos.
• 1949 - Heidenreich observou, pela primeira vez, discordâncias em um MET

CLASSIFICAÇÃO DAS DISCORDÂNCIAS

discordância em cunha
discordância em hélice e
discordância mista
Defeitos cristalinos
Marcelo F. Moreira
5
IMPERFEIÇÕES DE LINHA - DISCORDÂNCIAS

Uma discordância é um defeito cristalino linear no qual diversos átomos estão
desalinhados e conseqüentemente provocam uma distorção na estrutura cristalina

Toda a teoria de deformação e endurecimento de metais é fundamentada na
movimentação de discordâncias.

DISCORDÂNCIA EM CUNHA:

Características principais: Pode ser entendida como um plano extra de átomos
no reticulado que provoca uma imperfeição linear

Vetor de Burgues (b) representa a magnitude e a direção da distorção do
reticulado
A magnitude desta distorção normalmente tem a ordem de uma distância
interatômica. Na discordância em cunha o vetor de Burgues é perpendicular a linha
de discordância (plano extra)

Defeitos cristalinos
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6

DISCORDÂNCIA EM HÉLICE:

A discordância em hélice pode ser imaginada como sendo o resultado da
aplicação de uma tensão de cisalhamento.
O vetor de Burgues é paralelo a linha de discordância A-B.

Defeitos cristalinos
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7
DISCORDÂNCIAS MISTAS:

Na verdade os materiais metálicos só apresentarão discordâncias mistas,
entretanto como estas discordâncias são complexas, é mais fácil estuda-las como
misturas de discordâncias de discordâncias em cunha e hélice.

Defeitos cristalinos
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8
OBSERVAÇÃO DE DISCORDÂNCIAS

MET - MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE TRANSMISSÃO

ATAQUE QUÍMICO ("ETCH PITS")

Defeitos cristalinos
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9
IMPERFEIÇÕES DE SUPERFÍCIE

Os defeitos superficiais são defeitos bidimensionais ou interfaciais que
compreendem regiões do material com diferentes estruturas cristalinas e/ou
diferentes orientações cristalográficas.
Estes defeitos incluem:
superfícies externas,
contornos de fase.
contornos de grão,
contornos de macla e
defeitos de empilhamento.

SUPERFÍCIES EXTERNAS:

Átomos da superfície apresentam ligações químicas insatisfeitas e em virtude
disto, estão em um estado de energia mais elevado que os átomos do núcleo (com
menor n° de coordenação)
As ligações insatisfeitas dos átomos da superfície dão origem a uma energia de
superfície ou energia interfacial (J/m2)
A redução desta energia adicional (tudo tende a menor energia) é obtida pela
redução da área superficial. No caso de gotas de líquido, estas tendem a assumir a
forma esférica (maior volume com a menor área exposta)

CONTORNOS DE FASE:

Os contornos de fase são as fronteiras que separam fases com estruturas
cristalinas e composições distintas.

Defeitos cristalinos
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10
CONTORNOS DE GRÃO:

São superfícies que separam dois grãos ou cristais com diferentes orientações.
Como são possíveis diferentes orientações entre cristais adjacentes existem
contornos de grão “mais” ou “menos” ajustados:
quando a desorientação é pequena (até 10°) o contorno de grão recebe a
denominação de contorno de baixo-ângulo e a região que está separada
SUB-GRÃO.
nos casos onde a desorientação é superior a ~10° temos os contornos de
grão propriamente ditos.

De maneira similar aos contornos de superfície, o n° de coordenação nos
contornos de grão é baixo e assim também existe uma energia de contornos de grão
similar a energia interfacial.
As conseqüências práticas da existência de uma energia interfacial associada
aos contornos de grão são:
os contornos de grão são regiões mais reativas quimicamente;
os contornos de grão tendem a reduzir sua área quando em temperaturas
elevadas, aumentando o tamanho médio do grão e
impurezas tendem a segregar em contornos de grão (diminuem a energia do
contorno).

Defeitos cristalinos
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11
CONTORNOS DE MACLA

Podemos considerar as maclas como um tipo especial de contorno de grão no
qual existe uma simetria especular, ou seja, os átomos de um lado do contorno estão
localizados em uma posição que é a posição refletida do outro lado.
A região de material entre os contornos é chamada de macla.
As maclas são resultantes de deslocamentos atômicos produzidos por tensões
de cisalhamento (maclas de deformação) ou durante tratamento térmico (maclas de
recozimento)
A formação de maclas (maclação) ocorre em planos cristalográficos definidos e
direções cristalográficas específicas, que são dependes da estrutura cristalina.
Maclas de recozimento ocorrem em metais com estrutura CFC
Maclas de deformação ou mecânicas são observáveis em metais CCC e HC

Observação dos contornos de macla em microscópio:

Defeitos cristalinos
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12
MOVIMENTAÇÃO DE DISCORDÂNCIAS E SISTEMAS DE
ESCORREGAMENTO

DEFORMAÇÃO ELÁSTICA:

Está diretamente relacionada com a energia de ligação entre os átomos.
Removida a tensão, a deformação desaparece (comportamento de uma mola).

A deformação é inversamente proporcional
à tensão: E S
e
= (Módulo de Young)

DEFORMAÇÃO PLÁSTICA:

É permanente, ou seja, cessada a tensão teremos deformação residual ou
plástica. A resistência e dureza são medidas da “resistência” do material à
deformação. Em escala microscópica, a deformação plástica corresponde ao
movimento total de um grande n° de átomos em resposta a uma tensão.
No materiais cristalinos a deformação plástica envolve o movimento de um grande
número de discordâncias.
Em escala atômica, as ligações entre os átomos da estrutura cristalina são rompidas e
reformadas durante a movimentação das discordâncias.

¾ DISCORDÂNCIA EM CUNHA:
Existe distorção localizada ao longo do plano extra de átomos que define a
linha da discordância. Esta distorção é medida pelo vetor de Burgers, que no caso da
discordância em cunha é perpendicular à linha da discordância.

¾ DISCORDÂNCIA EM HÉLICE:
Pode ser imaginada como o resultado de uma distorção por cisalhamento. O
vetor de Burgers é paralelo à linha da discordância.De fato, as discordâncias
observadas em materiais cristalinos são mais complexas e podem ser divididas em
componentes vetoriais (e estas tratadas como discordâncias em cunha ou hélice).
Defeitos cristalinos
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13
MOVIMENTAÇÃO DAS DISCORDÂNCIAS

A movimentação de uma discordância em cunha é similar a movimentação de
uma lagarta:

ANTES E APÓS o movimento de uma discordância através de uma região particular
do cristal, o arranjo atômico desta região é “perfeito” e ordenado (obviamente ele irá
apresentar lacunas e impurezas).
Na passagem de uma discordância qualquer, o cristal sofre distorção, ou seja, o
arranjo cristalino é deformado. (lembrar do plano extra da ⊥ em cunha )
Finalmente, o plano extra (discordância) pode emergir na superfície do cristal e
formar um degrau.
Com a passagem de um n° grande de discordâncias, este degrau pode ser visível em
um microscópio óptico.

Defeitos cristalinos
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14
O processo no qual deformação plástica é produzida pela movimentação de
discordâncias é denominado escorregamento.
Assim o plano de átomos pelo qual uma discordância se movimenta é conhecido
como plano de escorregamento.

Na discordância em cunha: o movimento da linha de discordância é paralelo à direção
da tensão de cisalhamento. Na discordância em hélice: o movimento da linha de
discordância é perpendicular a tensão de cisalhamento.

DENSIDADE DE DISCORDÂNCIAS

Todos os materiais cristalinos apresentam discordâncias introduzidas por:
solidificação, deformação plásticas ou resultantes de tensões térmicas produzidas por
resfriamento rápido.
A quantidade (n° de discordâncias) é expresso como o comprimento total de
discordâncias por unidade de volume (ou n° de discordâncias que interceptam uma
área aleatória no cristal)

Unidade de densidade de discordância :
Milimetros de discordâncias
milimetro3de material

Metais recozidos e cuidadosamente preparados: 103 mm-2

Metais altamente deformados: entre 109 e 1010 mm-2 (1000 km em 1 mm3)
(1 mm3 de Cu apresenta 8.493.1019 átomos)

Metais deformados e submetidos a tratamento térmico: 105 106 mm-2
Defeitos cristalinos
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15
SISTEMAS DE ESCORREGAMENTO

A movimentação das discordâncias não é fácil em todos os planos e direções de um
cristal, ou seja existem planos e direções nos quais a tensão necessária para mover a
discordância é mais baixa.
Nestes planos (planos de escorregamento) e direções (direções de escorregamento) o
movimento é preferencial.
A combinação entre o plano e a direção de escorregamento define um sistema de
escorregamento.

Os sistemas de escorregamento são dependentes da estrutura cristalina (CFC, CCC e
HC)

Para uma dada estrutura cristalina os planos de escorregamento são aqueles que
possuem a maior densidade de átomos (planos de máxima densidade planar de
átomos)

As direções de escorregamento correspondem aquelas em que os átomos estão mais
próximos.
Exemplo: reticulado CFC apresenta 12 sistemas de escorregamento
família de planos {111} e família de direções <11 0>

Defeitos cristalinos
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16
INTERAÇÕES ENTRE DISCORDÂNCIAS

Algumas características das discordâncias são importantes com relação as
propriedades mecânicas dos materiais. Entre elas, destacam-se as interações entre os
campos de tensão associados às discordâncias.
Estes campos afetam a mobilidade e a habilidade de multiplicação das discordâncias

Interações entre discordâncias:

Defeitos cristalinos
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17
Lista de exercícios – defeitos cristalinos

1- Calcular a fração de lacunas (Nv/N) para o cobre na temperatura ambiente (293 K)
e na temperatura de 1350 K. Assuma uma energia de ativação de 0,9 eV/átomo para
as duas temperaturas.
Dados: A temperatura de fusão do cobre puro é 1356 K.
k = 8,62 x 10-5 eV/átomo. K

2- A presença de impurezas ou a adição de elementos de liga diminui o número de
lacunas em um material metálico? Justifique sua resposta.

3- Qual a importância da existência de discordâncias nos materiais metálicos? Quais
as implicações no comportamento mecânico?

4- Por que a resistência dos cristais reais é muito menor (1/1000 a 1/10000) do que a
resistência calculada pela tensão teórica cisalhante máxima (cálculo de Frenkel -
1926)?

5- O que são e qual a finalidade dos "wiskers"?

6- Por que o aumento do teor de C em um aço aumenta sua resistência (limite de
escoamento e resistência)?

7- Sabendo-se que a deformação de cristais ocorre pelo escorregamento de planos de
alta densidade e que as estruturas CFC e HC possuem o mesmo FEA. Por que os
metais HC são tipicamente mais frágeis que os CFC ?

8- Quais são os defeitos cristalinos planares (de superfície) e como estes podem
interagir com as discordâncias?

materiaiscap10.pdf

231
CAPÍTULO 10

PROPRIEDADES MECÂNICAS DE MATERIAIS

Sumário

Objetivos deste capítulo ..........................................................................................232
10.1 Introdução .......................................................................................................232
10.2 Conceitos de tensão e deformação.................................................................233
10.3 Discordâncias e sistemas de escorregamento ................................................233
10.4 Deformação elástica........................................................................................234
10.5 Deformação plástica........................................................................................236
10.6 Tensão nominal e deformação nominal...........................................................237
10.6.1 Tensão nominal............................................................................................237
10.6.2 Deformação nominal ....................................................................................238
10.7 Ensaio de tração .............................................................................................238
10.7.1 Valores das propriedades mecânicas
obtidas a partir do ensaio de tração e
diagrama tensão nominal-deformação nominal.......................................................239
10.8 Resistência à fratura .......................................................................................242
10.9 Ensaio de flexão..............................................................................................242
10.10 Dureza...........................................................................................................243
10.10.1 Ensaios de dureza Rockwell ......................................................................244
10.10.2 Ensaios de dureza Brinell...........................................................................244
10.10.3 Ensaios de microdureza Knoop e Vickers ..................................................244
10.11 Resistência ao cisalhamento e à torção........................................................245
10.12 Fluência.........................................................................................................245
10.13 Resistência ao choque e ao impacto.............................................................246
10.14 Fadiga ...........................................................................................................246
10.15 Referências bibliográficas do capítulo...........................................................247
Exercícios................................................................................................................248

232
10 PROPRIEDADES MECÂNICAS DE MATERIAIS

Objetivos deste capítulo

Finalizado o capítulo o aluno será capaz de:
• definir o que são deformações e tensões em materiais;
• entender o que são sistemas de escorregamento;
• saber diferenciar entre tensão/deformação verdadeira e nominal;
• observar gráficos de tensão x deformação e obter varias propriedades
mecânicas dos materiais;
• entender os conceitos de dureza, fluência, resistência ao choque e fadiga.

10.1 Introdução

Por que estudar as propriedades mecânicas dos materiais?
É de obrigação dos engenheiros compreenderem como as várias
propriedades mecânicas são medidas e o que essas propriedades representam: elas
podem ser necessárias para o projeto de estruturas/componentes materiais
predeterminados, a fim de que não ocorram níveis inaceitáveis de deformação e/ou
falhas.
Muitos materiais, quando em serviço, estão sujeitos a forças ou cargas: um
exemplo é a liga de alumínio a partir da qual a asa de um avião é construída e o aço
no eixo de um automóvel. Em tais situações, torna-se necessário conhecer as
características do material e projetar o membro a partir do qual ele é feito, de tal
maneira que qualquer deformação resultante não seja excessiva e não ocorra
fratura. O comportamento mecânico de um material reflete a relação entre sua
resposta ou deformação a uma carga ou força que esteja sendo aplicada. Algumas
propriedades mecânicas importantes são a resistência, a dureza, a ductibilidade e a
rigidez.
As propriedades mecânicas dos materiais são verificadas pela execução de
experimentos de laboratório cuidadosamente programados, que reproduzem o mais
fielmente possível as condições de serviço. Dentre os fatores a serem considerados
incluem-se a natureza da carga aplicada e a duração da sua aplicação, bem como
as condições ambientais. A carga pode ser de tração, compressiva, ou de
cisalhamento, e a sua magnitude pode ser constante ao longo do tempo ou então
flutuar continuamente.
Desse modo as propriedades são muitos importantes nas estruturas dos
materiais, e elas são alvo da atenção e estudo de vários grupos de pessoas.
O papel dos engenheiros estruturais é o de determinar as tensões e as
distribuições de tensão dentro dos membros que estão sujeitos a cargas bem
definidas. Isso pode ser obtido mediante técnicas experimentais de ensaio e/ou
através de análises teóricas matemáticas de tensão. Esses tópicos são tratados em
livros sobre análises tradicionais de tensão e sobre resistência dos materiais.
Engenheiros de materiais e engenheiros metalúrgicos, por outro lado, estão
preocupados com a produção e fabricação de materiais para atender as exigências
de serviços conforme previsto por essas análises de tensão. Isso envolve
Patrick Acioli
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233
necessariamente uma compreensão das relações entre microestrutura dos materiais
e suas propriedades mecânicas.
Deste modo, esse texto visa mostrar de forma clara as principais
propriedades mecânicas dos materiais:
• resistência à tração;
• elasticidade;
• ductilidade;
• fluência;
• fadiga;
• dureza;
• tenacidade entre outras.

10.2 Conceitos de tensão e deformação

Se uma carga é estática ou se ela se altera de uma maneira relativamente
lenta ao longo do tempo e é aplicada uniformemente sobre uma seção reta ou
superfície de um membro, o comportamento mecânico pode ser verificado mediante
um simples ensaio de tensão-deformação. Existem três maneiras principais segundo
uma carga pode ser aplicada: tração, compressão e cisalhamento. Em engenharia,
muitas cargas são de natureza torcional, e não de natureza puramente cisalhante.

10.3 Discordâncias e sistemas de escorregamento

Discordâncias existem em materiais cristalinos devido às imperfeições no
cristal. Essas imperfeições possibilitam o escorregamento de planos dentro do
cristal.
A movimentação de discordâncias é o principal fator envolvido na deformação
plástica de metais e ligas. A mobilidade de discordâncias pode ser alterada por
diversos fatores (composição, processamento…) manipulação das propriedades
mecânicas do material.
E as discordâncias também afetam outras propriedades do material, além das
mecânicas. Como a condutividade em materiais semicondutores.
No nosso estudo vale ressaltar: nos materiais cristalinos o principal
mecanismo de deformação plástica geralmente consiste no escorregamento de
planos atômicos através da movimentação de discordâncias. Na Figura 10.1 são
ilustrados os sistemas de escorregamento.

Patrick Acioli
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234

Figura 10.1 - Sistemas de escorregamento.

As discordâncias não se movem com a mesma facilidade em todos os planos
cristalinos e em todas as direções cristalinas. A movimentação das discordâncias se
dá preferencialmente através de planos específicos e, dentro desses planos, em
direções específicas, ambos com a maior densidade atômica de um dado reticulado
cristalino. Essa combinação de um plano e uma direção é chamada de sistema de
escorregamento (“slip system”).
Um sistema de escorregamento é definido por um plano e por uma direção de
escorregamento, ambos com a maior densidade atômica em um dado reticulado
cristalino.

10.4 Deformação elástica

O grau ao qual uma estrutura se deforma ou se esforça depende da
magnitude da tensão imposta. Para a maioria dos metais que são submetidos a uma
tensão de tração em níveis baixos, são proporcionais entre si:

ε⋅=σ � (10.1)
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235

Esta relação é conhecida por lei de Hooke, e a constante de
proporcionalidade E (GPa ou psi) é o módulo de elasticidade, ou módulo de Young.
O processo de deformação no qual a tensão e a deformação são
proporcionais entre si é chamada de deformação-elástica, com o gráfico