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MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA Professora Dra. Ana Caroline Crema de Almeida Fontes REITOR Prof. Ms. Gilmar de Oliveira DIRETOR DE ENSINO PRESENCIAL Prof. Ms. Daniel de Lima DIRETORA DE ENSINO EAD Prof. Dra. Geani Andrea Linde Colauto DIRETOR FINANCEIRO EAD Prof. Eduardo Luiz Campano Santini DIRETOR ADMINISTRATIVO Guilherme Esquivel SECRETÁRIO ACADÊMICO Tiago Pereira da Silva COORDENAÇÃO DE ENSINO, PESQUISA E EXTENSÃO Prof. Dr. Hudson Sérgio de Souza COORDENAÇÃO ADJUNTA DE ENSINO Prof. Dra. Nelma Sgarbosa Roman de Araújo COORDENAÇÃO ADJUNTA DE PESQUISA Prof. Ms. Luciana Moraes COORDENAÇÃO ADJUNTA DE EXTENSÃO Prof. Ms. Jeferson de Souza Sá COORDENAÇÃO DO NÚCLEO DE EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA Prof. Me. Jorge Luiz Garcia Van Dal COORDENAÇÃO DOS CURSOS - ÁREAS DE GESTÃO E CIÊNCIAS SOCIAIS Prof. Dra. Ariane Maria Machado de Oliveira COORDENAÇÃO DOS CURSOS - ÁREAS DE T.I E ENGENHARIAS Prof. Me. Arthur Rosinski do Nascimento COORDENAÇÃO DOS CURSOS - ÁREAS DE SAÚDE E LICENCIATURAS Prof. Dra. Katiúscia Kelli Montanari Coelho COORDENAÇÃO DO DEPTO. DE PRODUÇÃO DE MATERIAIS Luiz Fernando Freitas REVISÃO ORTOGRÁFICA E NORMATIVA Beatriz Longen Rohling Caroline da Silva Marques Carolayne Beatriz da Silva Cavalcante Eduardo Alves de Oliveira Jéssica Eugênio Azevedo Kauê Berto Marcelino Fernando Rodrigues Santos PROJETO GRÁFICO E DIAGRAMAÇÃO André Dudatt Vitor Amaral Poltronieri ESTÚDIO, PRODUÇÃO E EDIÇÃO André Oliveira Vaz DE VÍDEO Carlos Eduardo da Silva Carlos Henrique Moraes dos Anjos Pedro Vinícius de Lima Machado FICHA CATALOGRÁFICA Dados Internacionais de Catalogação na Publicação - CIP F683m Fontes, Ana Caroline Crema de Almeida Materiais de construção mecânica/ Ana Caroline Crema de Almeida Fontes. Paranavaí: EduFatecie, 2023. 102 p.: il. Color. 1. Materiais de construção. 2. Construção metálica. 3. Ligas (Metalurgia). 4. Aço – Estruturas. I. Centro Universitário UniFatecie. II. Núcleo de Educação a Distância. III. Título. CDD: 23 ed. 691 Catalogação na publicação: Zineide Pereira dos Santos – CRB 9/1577 As imagens utilizadas neste material didático são oriundas do banco de imagens Shutterstock . 2023 by Editora Edufatecie. Copyright do Texto C 2023. Os autores. Copyright C Edição 2023 Editora Edufatecie. O conteúdo dos artigos e seus dados em sua forma, correção e confiabilidade são de responsabilidade exclusiva dos autores e não representam necessariamente a posição oficial da Editora Edufatecie. Permitido o download da obra e o compartilhamento desde que sejam atribuídos créditos aos autores, mas sem a possibilidade de alterá-la de nenhuma forma ou utilizá-la para fins comerciais. https://www.shutterstock.com/pt/ 3 AUTORA Professora Dra. Ana Caroline Crema de Almeida Fontes ● Bacharel em Engenharia Mecânica pela PUC-PR (Pontifícia Universidade Católica do Paraná). ● Mestre em Engenharia Mecânica - Ênfase em Processos de Fabricação pela PUC-PR com período de estágio na Colorado State University - EUA. ● Doutora em Ciência dos Materiais pelo IME (Instituto Militar de Engenharia). ● Especialista em Engenharia e Gerenciamento da Manutenção pela UCAM (Universidade Cândido Mendes). ● Tutora Facilitadora Engenharia Mecânica EAD - UniCesumar. ● Professora Conteudista Engenharia Mecânica EAD - UniCesumar Possui Curso de Extensão em Perícias Judiciais na especialidade de Engenharia. Oficial da Reserva não Remunerada (R/2) do Exército Brasileiro. Serviu no Forte Santa Bárbara como Engenheira Mecânica do Centro de Logística de Mísseis e Foguetes. Foi responsável por relatórios de desempenho, laudos, rotinas de manutenção e acompanha- mento do ciclo de vida de Viaturas Blindadas e Foguetes do Sistema ASTROS. CURRÍCULO LATTES: http://lattes.cnpq.br/7297377951152663 http://lattes.cnpq.br/7297377951152663 4 Seja muito bem-vindo (a)! Caro (a) aluno (a), irei acompanhar você nesta caminhada da disciplina de Materiais de Construção Mecânica. Na unidade I falaremos sobre os fundamentos desses materiais e irei explicar para vocês um assunto muito interessante, que é a influência atômica nas propriedades que conseguimos visualizar em escala macroscópica. Espero que você também se interesse pelo tema e perceba como a Ciência dos Materiais possui uma relação estreita com o assunto que iremos desenvolver. Já na unidade II o assunto será um pouco mais aprofundado, pois iremos entender quais são os tipos de deformações a que os materiais estão sujeitos e analisá-las em mais detalhes. Assim como iremos diferenciar as ligas de acordo com as fases presentes em sua estrutura e os principais constituintes. Na unidade III, iremos focar especificamente nas ligas de maior interesse para nós (Engenheiros(as) Mecânicos(as)), que são as ligas Fe-C. Iremos mostrar para vocês as principais etapas do processo de fabricação dessas ligas. Depois continuaremos abordan- do alguns tópicos sobre os aços e qual a origem de suas denominações. Na última unidade, vamos fazer um breve estudo das outras classes de materiais (os não metálicos), pois também são muito importantes para a Engenharia. Aproveite a lista de materiais utilizados nas referências para aprofundar ainda mais seus estudos e dominar a área de Materiais de Construção Mecânica. Esperamos contribuir para sua formação profissional e, claro, pessoal. Muito obrigada e bom estudo ! APRESENTAÇÃO DO MATERIAL SUMÁRIO Fundamentos dos Materiais de Construção Mecânica 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Plano de Estudos • Materiais Poliméricos; • Materiais Compósitos; • Materiais Cerâmicos; • Materiais do Futuro. Objetivos da Aprendizagem • Compreender algumas das principais características dos materiais poliméricos; • Entender o que são materiais compósitos e como podem estar arranjados; • Distinguir os diferentes tipos de materiais cerâmicos; • Conhecer a possibilidade de desenvolvimento de novos materiais. 1UNIDADEUNIDADE FUNDAMENTOS FUNDAMENTOS DOS MATERIAIS DOS MATERIAIS DE CONSTRUÇÃODE CONSTRUÇÃO MECÂNICAMECÂNICA Professora Dra. Ana Caroline Crema de Almeida Fontes 77 INTRODUÇÃOINTRODUÇÃO Olá, pessoal! Tudo bem com vocês? Espero que sim! Hoje iremos iniciar nossa Primeira Unidade da disciplina de Materiais de Cons- trução Mecânica. Um assunto interessantíssimo, porém, algumas vezes acaba sendo subestimado. Devido ao fato de sabermos, praticamente desde pequenos, as principais características dos materiais, algumas pessoas podem pensar que o estudo dessa discipli- na não seja necessário. Por exemplo, desde que você se entender por gente, você sabe que se derrubar um copo de vidro no chão, ele irá quebrar. De maneira oposta, se você derrubar uma colher de aço, não irá acontecer nada. Ok, todos sabemos disso. No entanto, você saberia explicar fisicamente o motivo do copo quebrar e a colher não? Veremos que isso está diretamente relacionado com a organização atômica des- ses materiais. Sim! Os átomos conseguem determinar as características dos materiais que conhecemos. Todos os dias estão sendodiminuição na taxa de recristalização e um aumento da temperatura de recristalização, muitas vezes de maneira acentuada. Para os metais puros, a temperatura de recristalização é normalmente de 0,4Tf (temperatura de fusão) para algumas ligas, pode chegar até 0,7Tf. (Callister e Rethwisch, 2021). Observe a Tabela 3 e perceba as variações das temperaturas de recristalização e de fusão para o caso de um metal puro e uma liga. Para os casos do zinco (Zn) e do cobre (Cu) puros, há um aumento considerável na temperatura de recristalização, quando esses metais estão na forma de liga (Latão 60 Cu-40 Zn). Assim como a temperatura de fusão da liga será mais elevada que do Zn puro, e um pouco mais baixa que a do Cu puro. TABELA 3 – TEMPERATURAS DE RECRISTALIZAÇÃO E DE FUSÃO PARA METAIS E LIGAS SELECIONADOS. Metal Temperatura de Recristalização (ºC) Temperatura de Fusão (ºC) Chumbo -4 327 Estanho -4 232 Zinco 10 420 Alumínio (99,999%p) 80 660 Cobre (99,999%p) 120 1085 Latão (60 Cu-40 Zn) 475 900 Níquel (99,99%p) 370 1455 Ferro 450 1538 Tungstênio 1200 3410 Fonte: Adaptado de Callister e Rethwisch (2021, p. 181). Ao término da recristalização, os grãos, agora livres de deformações, continuarão a crescer se o metal for mantido sob uma temperatura elevada. Esse fenômeno é denominado de crescimento de grão. Os formatos de grãos nos vários estágios do processo também estão apresentados de forma esquemática, na Figura-8. 47UNIDADE 2 MICROESTRUTURA E DEFORMAÇÕES Por fim, ainda precisamos falar sobre um conceito muito importante para a Enge- nharia Mecânica, relativo à temperatura de recristalização. Certamente você já viu os termos trabalho a frio e trabalho a quente, relacionados a algum processo de conformação mecâ- nica. Mas você sabe o que isso quer dizer? Quando dizemos que um metal foi, por exemplo, laminado a frio, significa que ele foi trabalhado abaixo de sua temperatura de recristalização. Por outro lado, se o trabalho for a quente, será acima da temperatura de recristalização. Sendo assim, complementando o que você pôde observar na Tabela 1, os metais e ligas possuem diferentes faixas de trabalho a frio e a quente. Os processos que envolvem deformação a frio, são de extrema importância pois permitem a fabricação de componentes menores e mais resistentes. No entanto, suas aplicações jamais podem exceder a temperatura de recristalização, pois permitiria o reco- zimento do material (e consequente rearranjo dos grãos com redução da resistência). (Van Vlack, 1970) 48UNIDADE 2 MICROESTRUTURA E DEFORMAÇÕES Existe um tipo de recozimento chamado de recozimento intermediário que é aplicado entre etapas de deformações em um material. Por exemplo, observe a Figura-9 que representa o ciclo de deformações para a produção de um cartucho de munição. A primeira imagem mostra um disco (blanket) que é submetido a determinado processo de conformação e alcança o formato que lembra uma pequena tigela. Para poder dar continuidade nas conformações e obter o formato final desejado, são realizados processos de recozimento entre as etapas de deformação, para que o material se recupere e possa continuar sendo trabalhado. Fonte: Van Vlack (1970, p. 168). 49UNIDADE 2 MICROESTRUTURA E DEFORMAÇÕES Por definição há cor, Por definição há doce, Por definição há amargo, Mas na realidade há átomos e espaço. Demócrito 50 CONSIDERAÇÕES FINAIS Terminamos aqui, o estudo da nossa segunda Unidade da disciplina de Materiais de Construção Mecânica. Espero que você tenha entendido as diferenças entre metais monofásicos (sendo eles metais puros ou ligas) e polifásicos. Você deve ter percebido que a explicação que vimos sobre estruturas cristalinas, foi desenvolvida e, agora, de fato, você pôde relacionar aquele assunto com as deformações que ocorrem nos metais. É muito importante você ter em mente, bem clara, a diferença entre deformação elástica e deformação plástica. Como Engenheiro(a), não basta você dizer que um tipo é recuperável e o outro não... É importante que você consiga associar os fenômenos atômicos que ocorrem nesses processos, para que você possa ir além e entender os princípios que regem a seleção de materiais de engenharia. Por fim, para fechar a Unidade, você já pode explicar o que é trabalho a frio e trabalho a quente, após ler o tópico que envolve recristalização. Não deixe de estudar todos os materiais indicados nesta Unidade. O conteúdo que você leu na Unidade 2 é apenas a “pontinha do iceberg”. Nos vemos em breve! UNIDADE 2 MICROESTRUTURA E DEFORMAÇÕES 51 LEITURA COMPLEMENTAR Assim como foi comentado durante a Unidade, existem inúmeros tipos de diagra- mas de fases. Quando conhecemos o diagrama de um metal que estejamos trabalhando, entendemos as características daquele material em um nível muito mais profundo. Fica a dica para você, de uma tabela periódica interativa, juntamente com a possibilidade de gerar os diagramas de fases binários e terciários de vários sistemas conhecidos. Acesse o link abaixo e veja a quantidade de possibilidades que podemos ter. Diagrama de Fases - Infomet. Disponível em: https://www.infomet.com.br/site/dia- grama-de-fases.php. Acesso em 09 jun. 2022. UNIDADE 2 MICROESTRUTURA E DEFORMAÇÕES https://www.infomet.com.br/site/diagrama-de-fases.php https://www.infomet.com.br/site/diagrama-de-fases.php 52 MATERIAL COMPLEMENTAR LIVRO Título: Princípios de Ciência dos Materiais Autor: Lawrence H. Van Vlack Editora: Blucher Sinopse: edição brasileira da obra já conhecida e utilizada há vários anos. O livro fornece o conhecimento para os estudos fundamentais de materiais, visando uma posterior aplicação na utilização prática de materiais de construção em engenharia civil, mecânica, metalúrgica, química, naval, aeronáutica, de minas, e outras. FILME / VÍDEO Título: DESAFIO SOB FOGO - Faca de astronauta Ano: 2020 Sinopse: A arte da cutelaria é uma das melhores maneiras de visualizarmos o resultado das deformações impostas a um metal, do ponto de vista de resistência mecânica. Sem falar que é muito interessante perceber, de fato, como a microestrutura do metal irá influenciar nas propriedades do produto final. Link do vídeo: https://www.youtube.com/watch?v=SHruAN6KRXE UNIDADE 2 MICROESTRUTURA E DEFORMAÇÕES https://www.youtube.com/watch?v=SHruAN6KRXE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Plano de Estudos • Fabricação da Liga Fe-C • Diagrama de equilíbrio Fe-Fe3C • Aços comuns ao Carbono • Normas técnicas de classificação e especificação dos aços Objetivos da Aprendizagem • Aprender sobre o processo de fabricação das Ligas Fe-C. • Compreender os significados das regiões do Diagrama de equilíbrio Fe-Fe3C. • Entender as principais características dos aços-carbono e como elas estão relacionadas com as microestruturas. • Relacionar a nomenclatura de determinado aço, com sua classificação ABNT. 3UNIDADEUNIDADE LIGAS LIGAS Fe-CFe-C Professora Dra. Ana Caroline Crema de Almeida Fontes 54 INTRODUÇÃO Olá pessoal! Como vocês estão? Vocês se lembram que na Unidade II eu comentei que em breve iríamosnos apro- fundar mais no assunto ‘Ligas Ferrosas’? Então, nesta Unidade iremos aprender sobre a fabricação dos aços e ferros fundidos, bem como os principais equipamentos envolvidos neste lindo processo. Como esse assunto é muito longo e complexo, irei deixar algumas indicações de materiais para vocês complementarem os estudos. Em seguida iremos falar sobre o famoso Diagrama de Equilíbrio Fe-Fe3C (Ferro- -Cementita) e os principais pontos que você deve conhecer. Também conheceremos as principais transformações de fases que ocorrem através de diferentes taxas de resfriamento. Ainda, nos aprofundaremos um pouco nos Aços Comuns ao Carbono, pois é essencial que todo(a) Engenheiro(a) Mecânico(a) domine as principais características desses metais. Por fim, encerraremos comentando sobre as normas técnicas de classificação e especificação dos aços e o que é levado em conta para fazer essa separação. Acredito que essa Unidade irá contribuir muito para que você goste ainda mais dos materiais de construção mecânica. Desejo a você bons estudos! Vamos começar? UNIDADE 3 LIGAS Fe-C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55555555 A metalurgia que envolve a extração de ferro da natureza não é nada simples, po- rém, é uma das mais avançadas entre os metais. A Tabela 1 mostra os valores de produção de aço bruto (em milhões de toneladas) para os 10 maiores produtores do mundo, apenas para o mês de março de 2022. Para uma área de produção que atinge valores altíssimos todos os meses e que existem indícios de sua existência há algumas centenas de anos AC, é esperado que suas tecnologias estejam em constante aprimoramento. TABELA 1 - PRODUÇÃO MUNDIAL DE AÇO BRUTO EM MILHÕES DE TONELADAS Posição Países Março 2022 1º China 88,30 2º Índia 10,93 3º Japão 7,95 4º Estados Unidos 6,98 5º Rússia 6,58 6º Coréia do Sul 5,69 7º Alemanha 3,32 8º Turquia 3,32 9º Brasil 2,98 10º Irã 2,30 Fonte: Adaptado de Instituto Aço Brasil, 2022. 1 FABRICAÇÃO DA LIGA Fe-C TÓPICO 55UNIDADE 3 LIGAS Fe-C Mas nós já falamos sobre estrutura cristalina, propriedades mecânicas e citamos as categorias de aços e ferro fundidos existentes. No entanto, você sabe como essas ligas são produzidas? Uma combinação extremamente complexa de processos químicos e ter- modinâmicos estão envolvidos na produção das ligas Fe-C. No entanto, tentarei explicar para você, de uma maneira simples e com foco no que é de interesse para a Engenharia Mecânica, como são obtidos esses materiais. Para a produção de ferro e aço, são necessárias várias matérias-primas, porém, a mais importante (devido à quantidade e ao custo) é o minério de ferro. Esse mineral está presente na natureza em diversas formas, mas as que possuem importância econômica são a Magnetita (Fe3O4) e a Hematita (Fe2O3). Na Figura -1 você pode observar uma imagem feita no ano de 2010, da Mina de Carajás-PA. Essa é a maior mina de minério de ferro a céu aberto, do mundo, e é gerida pela Vale S/A. FIGURA 1 - MINA DE CARAJÁS NO PARÁ. MAIOR MINA DE MINÉRIO DE FERRO A CÉU ABERTO DO MUNDO. (IMAGEM FEITA NO ANO DE 2010) Observe a Figura-2 e perceba que ela está dividida em 5 etapas: Preparação da Carga, Redução, Refino, Lingotamento e Laminação. 56UNIDADE 3 LIGAS Fe-C FIGURA 2 - FLUXO SIMPLIFICADO DA PRODUÇÃO DE AÇO. Fonte: a autora. (Ícones: http://www.flaticon.com.br) Iniciando pela Preparação da Carga, o minério de ferro, o carvão e outros com- ponentes necessários, são processados para estarem em condições de seguir na produ- ção do ferro fundido e do aço. Por exemplo, o minério de ferro não pode ser aplicado diretamente na fabricação das Ligas Fe-C, sendo assim, ele é submetido a um processo de aglomeração chamado de sinterização. De maneira análoga, o carvão passa pela coqueria para que possa ser obtido o coque, que posteriormente irá agir como redutor e combustível na obtenção do ferro. Na segunda etapa, chamada de Redução, o minério de ferro sinterizado, o coque (combustível e redutor) e outros elementos (fundentes), são adicionados ao Alto-Forno, pelo seu topo. Nessa fase, o minério de ferro passa por um processo químico muito comple- xo para redução do minério em ferro metálico. Na parte inferior do forno, existem “venta- neiras” que sopram ar para dentro do equipamento, auxiliando nas queimas que fornecem calor à fusão do ferro. O produto obtido durante a Redução é o ferro-gusa líquido, que é separado da escoria durante a saída do Alto-Forno, conforme esquematizado na Figura-3. 57UNIDADE 3 LIGAS Fe-C http://www.flaticon.com.br FIGURA 3 - ESQUEMA ILUSTRATIVO DE UM ALTO-FORNO. Fonte: Adaptado de Silva e Mei (2010, p. 479). A composição do ferro-gusa é a seguinte: ● Carbono: 3,5 - 4,5% ● Silício: 0,3 – 2,0% ● Enxofre: 0,01 – 0,1% ● Fósforo: 0,05 – 2% ● Manganês: 0,5 – 2% Se você prestar atenção, para obtermos a composição dos aços, e adicionar ele- mentos de liga, é preciso reduzir o teor de todos os elementos citados na composição do ferro-gusa. Logo, o ferro-gusa líquido oriundo do Alto-Forno, é encaminhado para a fase de Refino na Aciaria LD. No entanto, se o objetivo for a produção de ferro fundido, o ferro-gusa líquido passará pelo processo de lingotamento (solidificado em lingotes) e será encaminhado para a respectiva produção (fundições utilizando forno Cubilô). Ou seja, o ferro-gusa é a matéria-prima de produção dos aços e dos ferros fundidos. Retomando para o processo de fabricação dos aços, na aciaria o princípio químico empregado é a oxidação. Sendo assim, todos os processos de aciaria baseiam-se em intro- duzir quantidades controladas de oxigênio no metal a ser refinado. Portanto, a combinação do oxigênio com os elementos indesejáveis, produz óxidos que deixam o sistema através de gases ou da escória (indicados na Figura-3). As exceções são o enxofre e o fósforo que não formam óxidos e precisam ser combinados com cal para serem removidos como escória. 58UNIDADE 3 LIGAS Fe-C Repare que na Figura-2 existe, ainda, a Aciaria Elétrica que é alimentada pelo ferro-gusa sólido e sucata. Geralmente, esse processo é utilizado em usinas não integradas (onde o processo não é contínuo como no caso do Alto-Forno para a Aciaria LD). Para isso, a sucata deve ser separada em “famílias” com composições similares, pois serão a fonte dos elementos de liga. Os produtos que saem tanto da Aciaria Elétrica, quanto da Aciaria LD, são consti- tuídos por uma massa líquida homogênea de metal, com as composições desejadas. Essa massa é transferida para panelas revestidas de refratários e então encaminhadas para a área de lingotamento que pode ser convencional (Figura-4) ou contínuo (Figura-5). (Silva e Mei, 2010) FIGURA 4 - EXEMPLO DE LINGOTAMENTO CONVENCIONAL. FIGURA 5 - EXEMPLO DE LINGOTAMENTO CONTÍNUO. 59UNIDADE 3 LIGAS Fe-C Normalmente, após o lingote estar pronto ele é submetido à uma etapa de lamina- ção à quente, para obtenção de um produto semiacabado que podem ser, chapas, tarugos ou fios-máquina. Esses produtos, por sua vez, serão encaminhados para outros processos de fabricação (outras etapas de laminação, trefilação, extrusão, forjamento, etc.) onde se tornarão produtos acabados. A descrição acima foi bastante simplificada para que pudesse ser explicada para você. Saiba que os procedimentospodem variar de acordo com as tecnologias envolvidas, principalmente nos fornos. 60UNIDADE 3 LIGAS Fe-C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61616161 Entre todos os diagramas de equilíbrio que são conhecidos, aquele que é o mais importante é o constituído pelo ferro e o carbono (que engloba tanto os aços como os ferros fundidos). Porém, a parte do diagrama de fases ferro-carbono que nos interessa, está apre- sentada na Figura-6 e é denominado de Diagrama de Equilíbrio Fe-Fe3C (Ferro-Cementita). Se você observar o eixo das composições, notará que ele se estende apenas até 6,70%p C. Nessa concentração é que se forma o composto carboneto de ferro, ou cemen- tita (Fe3C). Por isso o sistema ferro-carbono pode ser dividido em duas partes: uma fração rica em ferro, como na Figura-6 e outra (que não está representada) para composições entre 6,70 e 100%p C (grafita pura). Na prática, como todos os aços e ferros fundidos apresentam teores de carbono inferiores a 6,70%p C, por tal motivo consideramos apenas o sistema Fe-Fe3C. 2 DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO Fe-Fe3C TÓPICO 61UNIDADE 3 LIGAS Fe-C FIGURA 6 - DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO Fe-Fe3C. Fonte: Adaptado de Callister e Rethwisch (2021, p.255). Você já sabe que as ligas ferrosas são aquelas nas quais o ferro é o componente principal, mas o carbono e outros elementos, podem estar presentes. Na classificação das ligas ferrosas, com base no teor de carbono, existem três categorias: ferro puro, aço e ferro fundido. O ferro puro contém menos de 0,008%p C e, conforme você pode constatar no diagrama de fases, é composto à temperatura ambiente quase exclusivamente pela fase ferrita (α). Se a liga possuir entre 0,008 e 2,14%p C será classificada como aço. Embora, segundo o diagrama, um aço possa conter até 2,14%p C, na prática, as concentrações de carbono raramente excedem 1,0%p. Por fim, os ferros fundidos contêm entre 2,14 e 6,70%p C. Todavia, os ferros fundidos comerciais contêm menos de 4,5%p C. (Callister e Rethwisch, 2021) O diagrama de equilíbrio Fe-Fe3C possui regiões e linhas que indicam transforma- ções de fases em função do teor de carbono e da temperatura. É importante esclarecer que esse diagrama só pode ser utilizado para prever transformações em condições de resfria- mento próximas ao equilíbrio (aquecimento ou resfriamento lentos). Vamos às principais características desse diagrama: 62UNIDADE 3 LIGAS Fe-C ● Linha Liquidus, indica o início da solidificação. Linha Solidus, indica o final da solidificação. Repare que no campo do líquido (L), qualquer teor de carbono pode ser dissolvido no ferro. ● Para as soluções sólidas de carbono no ferro, existem 3 campos: ferro sólido correspondente à ferrita-δ, o campo de estabilidade da austenita (γ) e um campo à esquerda, denominado ferrita (α). Para o teor fixo de 6,67%p C, a linha vertical indica a formação do carboneto de ferro, cementita (Fe3C). ● As linhas A3 e A1 são os limites de estabilidade da austenita e indicam sua transformação em ferrita (α). A linha Acm corresponde ao limite de solubilidade de carbono da austenita e indica o início da precipitação da cementita. ● O ponto eutético, indica a solidificação do líquido em austenita + cementita, (L → γ + Fe3C), que é denominado ledeburita. O ponto eutetoide, indica a decom- posição da austenita em um composto de ferrita e cementita, (γ → α + Fe3C), que é denominado perlita. (Pinedo, 2021) Devido às transformações alotrópicas (comentamos na Unidade I), os teores de carbono que podem ser dissolvidos na austenita e na ferrita são diferentes. A austenita dissolve um teor máximo de 2,14%p C na temperatura de 1.147°C e um teor mínimo de 0,76%p C a 727°C. Similarmente, a ferrita-α dissolve um teor máximo de 0,022%p C na temperatura de 727°C e um teor próximo de 0,008%p C, na temperatura ambiente. Quando esses limites de solubilidade na austenita e na ferrita são excedidos, ocorre a precipitação da cementita. Aços com teor de carbono inferior ao do ponto eutetoide (0,76%p C) são de- nominados aços hipoeutetoides, aços com teor de carbono superior a 0,76% até 2,11%p C, são denominados aços hipereutetoides e aqueles com teor de carbono igual a 0,76%p, serão aços eutetoides. (Callister e Rethwisch, 2021 e Pinedo, 2021) Primeiramente vamos analisar a Figura-7a, relativa aos aços eutetoides (0,76%p C). Suponha que uma liga seja resfriada desde o ponto a, aproximadamente à 800ºC, de uma região da fase γ. Portanto o resfriamento começa em a e se desloca para baixo ao longo da linha vertical xx′. Inicialmente, a liga é composta 100% pela fase austenita (γ), com uma composição de 0,76%p C, cuja microestrutura correspondente está representada na figura. Com o resfriamento da liga, não há mudanças até a temperatura eutetoide (727ºC) ser atingida. Ao baixar dessa temperatura e até o ponto b, a austenita se transforma em camadas alternadas de duas fases (α e Fe3C), que se formam simultaneamente. Essa microestrutura, é chamada de perlita, devido à sua aparência de madrepérola quando observada com o auxílio de um microscópio. Do ponto de vista de resistência mecânica, perlita apresenta propriedades intermediárias entre aquelas da ferrita (macia e dúctil), e da cementita (dura e frágil). 63UNIDADE 3 LIGAS Fe-C Agora analisaremos a Figura-7b, relativa aos aços hipoeutetoides (0,76% até 2,11%p C). O resfriamento desse tipo de liga se desloca para baixo, ao longo da linha yy′. No ponto c, que se encontra aproximadamente a 875ºC, a microestrutura é composta 100% por grãos da fase γ, como é representado na figura. Resfriando a liga até o ponto d, por volta de 775ºC, chegamos em uma região das fases α + γ, que coexistem conforme mostrado na ilustração. Pequenas partículas de α se formam ao longo dos contornos dos grãos γ. Continuando o resfriamento do ponto d até o ponto e, ainda na região α + γ, ocorre a formação de uma maior proporção da fase α. Com a redução da temperatura até abaixo da temperatura eutetoide, ponto f, toda fase γ se transforma em perlita. Ao cruzar a temperatura eutetoide, não ocorrem mudanças na fase α que se formou até o ponto e (ela está presente como uma fase matriz). Porém, a fase ferrita estará presente tanto na perlita quanto na fase que se formou enquanto se resfriava pela região das fases α + γ. A ferrita que está presente na perlita é chamada ferrita eutetoide, enquanto aquela que se formou acima da temperatura eutética, é denominada ferrita proeutetoide. Por fim, analisaremos a Figura-7c, referente aos aços hipereutetoides (entre 0,76 e 2,14%p C). Considere o resfriamento de uma liga, descendo pela reta zz′, iniciando no ponto g, por volta de 900ºC, onde apenas a fase γ está presente. Com o resfriamento para o campo das fases γ + Fe3C (ponto h), a fase cementita começa a se formar ao longo dos contornos dos grãos da fase γ inicial. Essa cementita é chamada de cementita proeutetoide. Conforme a temperatura é reduzida até o ponto i , toda a austenita restante é convertida em perlita. Logo, a microestrutura resultante consiste em perlita e cementita proeutetoide. (Callister e Rethwisch, 2021) FIGURA 7 - REPRESENTAÇÕES ESQUEMÁTICAS DAS MICROESTRUTURAS PARA UMA LIGA (A) EUTETOIDE, (B) HIPOEUTETOIDE E (C) HIPEREUTETOIDE. Fonte: Callister e Rethwisch (2021, p.258 e 261). Obviamente, as transformaçõesde fases descritas acima, são muito mais comple- xas e existem, ainda, as transformações fora do equilíbrio. Sugiro que você aprofunde seus estudos nesse tópico, que é de extrema importância. 64UNIDADE 3 LIGAS Fe-C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65656565 Você já sabe que os aços podem possuir duas principais denominações: aços-car- bono e aços-liga. Existem elementos residuais que estão presentes nos aços-carbono, que não são considerados elementos de liga, pois eles não foram inseridos com a finalidade específica de melhorar alguma propriedade. Esses aços são utilizados quando não existem demandas específicas de resistência mecânica ou de resistência à corrosão e quanto a temperatura de utilização não for muito elevada. (Souza, 1989) Para identificarmos um aço-carbono comum, segundo a classificação da ABNT, os dois primeiros dígitos de sua nomenclatura, devem ser alguma das combinações abaixo. Na próxima Unidade falaremos sobre essa nomenclatura com mais detalhes, mas saiba que os dois dígitos representados por XX, indicam o teor de carbono em centésimos de porcentagem. TABELA 2 - CLASSIFICAÇÃO DOS AÇOS-CARBONO. Aços-carbono 10XX Aço-carbono 11XX Aço-carbono ressulfurado (de fácil usinagem, corte) 12XX Aço-carbono ressulfurado e refosforado (de fácil usinagem, corte) Fonte: Adaptado de Dos Santos (2015, p. 143). 3 AÇOS COMUNS AO CARBONO TÓPICO 65UNIDADE 3 LIGAS Fe-C O aço-carbono é a liga composta de ferro e carbono (entre 0,008% a 2,0%p C), com a presença de alguns outros elementos residuais. Na prática, são utilizados teores de 0,1 a 0,95%p C, ou seja, do aço 1010 ao aço 1095. Portanto, você geralmente irá se deparar com os aços das séries abaixo: ● Aços de baixo carbono (1010 ao 1035); ● Aços de médio carbono (1040 ao 1065); e ● Aços de alto carbono (1070 ao 1095). Você pode encontrar além do termo aço de baixo carbono, também, aço doce para indicar um teor de carbono inferior a 0,25%. Esses aços possuem uma resistência relativamente baixa, por outro lado têm excelente ductilidade. A estrutura é uma combinação de ferrita e de perlita. Como foi citado anteriormente, esses aços podem ter suas proprie- dades mecânicas melhoradas por trabalho a frio e são considerados não temperáveis. São empregados em peças que necessitam de resistência mecânica no estado de fabricação (materiais que irão passar por processos de conformação). Exemplos: rebites, parafusos, porcas, dobradiças, pregos, tubos com costura, chapas e perfis para estruturas metálicas. (Callister e Rethwisch, 2021 e Dos Santos, 2015) Os aços de médio carbono (entre 0,3 a 0,6%p C), são utilizados em peças com solicitação mecânica mais elevada, e respondem bem aos tratamentos térmicos para me- lhoria de propriedades mecânicas. Exemplos de aplicação: martelos, talhadeiras, punções, eixos e outros componentes de máquinas e de veículos. Aços de alto carbono, com teor de carbono em torno de 0,6 a 1,4%p, possuem resistências mais elevadas. Adicionalmente, a resistência pode ser significativamente au- mentada por tratamento térmico, usando o processo de têmpera e revenimento. No entanto, as resistências mais elevadas são acompanhadas pela perda de ductilidade, isto é, por um comportamento mais frágil. Os aços de alto carbono são limitados a usos em que a sua dureza elevada é benéfica e a baixa ductilidade não seja uma desvantagem séria, tal como em ferramentas de corte e em molas. É importante entender o que significa um aço ser ‘tratável termicamente’ ou ser ‘não temperável’. No tratamento térmico de têmpera, o aço é aquecido até cerca de 850°C, campo da austenita, na qual o carbono está completamente em solução sólida. Então ele é submetido à um resfriamento rápido (imersão em água, imersão em óleo ou jato de ar) e é obtida uma solução supersaturada de carbono no ferro. Após a têmpera, o metal terá uma estrutura chamada martensita, que pode ser formada de agrupamentos de cristais em forma de ripas ou sob a forma de chapas finas orientadas aleatoriamente, rodeadas por regiões de austenita. (Callister e Rethwisch, 2021 e Dowling, 2017). 66UNIDADE 3 LIGAS Fe-C O aço temperado torna-se muito frágil e duro por causa de sua nova estrutura cristalina e pela alta densidade de discordâncias gerada. Para que seja realizado um alívio de tensões, o aço deve ser submetido a uma segunda etapa de tratamento térmico, a uma temperatura mais baixa, chamado revenimento. Esse tratamento remove parte do carbono da martensita e favorece a formação de partículas dispersas de Fe3C. O revenimento reduz a resistência, mas aumenta a ductilidade. O efeito deste tratamento está relacionado com temperaturas de revenimento mais elevadas e varia com o teor de carbono e dos elementos de liga presentes, conforme pode ser observado na Figura-8. FIGURA 8 - INFLUÊNCIA DA TEMPERATURA DE REVESTIMENTO NA RESISTÊNCIA AO ESCOAMENTO PARA ALGUNS AÇOS. Fonte: Adaptado de Dowling (2017, p. 62). Nós falamos muito sobre microestruturas e transformações de fases, mas temos que visualizar na prática e reconhecer cada formação característica. Observe a Figura-9, que apresenta uma micrografia da ferrita (α), Figura-9a, e uma estrutura composta por austenita (γ), Figura-9b. 67UNIDADE 3 LIGAS Fe-C FIGURA 9 - MICROGRAFIAS DE ESTRUTURAS (A) FERRÍTICA E (B) AUSTENÍTICA. Fonte: Adaptado de Callister e Rethwisch (2021, p. 255). Agora, observe a Figura-10, que mostra uma estrutura tipicamente martensítica. Comentamos que a martensita é obtida com o tratamento térmico de têmpera. Portanto, ao realizar a têmpera, a microestrutura é transformada diretamente da austenita (Figura-9b) para a martensita (Figura-10). Na figura abaixo, os grãos escuros em forma de agulhas são a fase martensítica e a áreas mais claras são as regiões de austenita que não se transformaram, devido ao resfriamento brusco. FIGURA 10 - ESTRUTURA TIPICAMENTE MARTENSÍTICA. Fonte: Callister e Rethwisch (2021, p.287). 68UNIDADE 3 LIGAS Fe-C Por fim, é interessante também que você reconheça outras microestruturas que aprendemos nesta Unidade. A Figura-11a traz a micrografia de um aço eutetoide, com a estrutura de perlita (camadas alternadas de α e Fe3C). A Figura-11b, mostra um aço hipoeu- tetoide (com perlita e ferrita proeutetoide) e a Figura-11c, indica uma rede de cementita proeutetoide envolvendo colônias de perlita, típica de aço hipereutetoide. FIGURA 11 - MICROGRAFIAS DE AÇO (A) EUTÉTICO, (B) HIPOEUTETOIDE E (C) HIPEREUTETOIDE. 69UNIDADE 3 LIGAS Fe-C Fonte: Adaptado de Callister e Rethwisch (2021, p.258, 260 e 262). 70UNIDADE 3 LIGAS Fe-C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .71717171 Agora que você já conheceu as microestruturas de alguns aços, vamos entender como é feita a nomenclatura deles? Aços utilizados em projetos mecânicos utilizam desig- nações especificadas em diferentes normas: americanas (SAE/AISI), brasileira (ABNT), alemã (DIN), japonesa (JIS), francesa (AFNOR) ou inglesa (BS). Em nosso país, a Associação Brasileira de Normas Técnicas - ABTN, por intermé- dio da norma ABNT NBR NM 87:2000 - Aço carbono e ligados para construção mecânica - Designação e composição química. O sistema de classificação de aços para construção mecânica ABNT (assim como o SAE/AISI), utilizam em geral quatro algarismos na forma ZZXX onde ZZ identificam os principais elementos de liga presentes no aço e seus teores (família do aço). FIGURA 12 - DESIGNAÇÃO PARA AÇOS CONSTRUÇÃO MECÂNICA. Fonte: A autora (2023). 4 NORMAS TÉCNICAS DE CLASSIFICAÇÃO E ESPECIFICAÇÃO DOS AÇOS TÓPICO 71UNIDADE 3 LIGAS Fe-C TABELA 3 - DENOMINAÇÃO SEGUNDO ABNT, SAE/AISI. Aços carbono 10xx Aço carbono 11xx Aço-carbono ressulfurado (de fácil usinagem, corte) 12xx Aço-carbono ressulfurado e refosforado (de fá- cil usinagem, corte) Aços de baixa liga (construção mecânica) 13xx Mn 1,75 23xx Ni 3,5 25xx Ni 5,0 31xx Ni 1,25, Cr 0,65 33xx Ni 3,50, Cr 1,55 40xx Mo 0,25 41xx Cr 0,50 ou 0,95, Mo 0,12 ou 0,20 43xx Ni 1,80, Cr 0,50 ou 0,80, Mo 0,25 46xx Ni 1,55 ou 1,80, Mo 0,20 ou 0,25 47xx Ni 1,05, Cr 0,45, Mo 0,20 48xx Ni 3,50, Mo 0,25 50xx Cr 0,28 ou 0,40 51xx Cr 0,80 a 1,05 5xxxx Cr 0,50 ou 1,00 ou 1,45, C 1,00 61xx Cr 0,80 ou 0,95, V 0,10 ou min 0,15 86xx Ni 0,55, Cr 0,50 ou 0,65, Mo 0,20 87xx Ni 0,55, Cr 0,50, Mo 0,25 92xx Mn 0,85, Si 2,00 93xx Ni 3,25, Cr 1,20, Mo 0,12 98xx Ni 1,00, Cr 0,80, Mo 0,25 Aços inoxidáveis (resistentes ao calor e à corrosão) 2xx Cr, Ni, Mn (Austenítico) 3xx Cr, Ni (Austenítico) 4xx Cr (Ferrítico) 4xx Cr (Martensítico) 5xx Baixo cromo (resistente ao calor) Fonte: Adaptado de Silva e Mei (2010, p. 335). As principais características relacionadas à denominação dos aços para construção mecânica, estão na lista acima. Porém, quando você for iniciar algum estudo/trabalho com uma liga nova, caso você não conheça o significado do código, busque os significados dos códigos na literatura. Todas os tipos de ligas (ferrosas ou não) possuem denominações específicas. 72UNIDADE 3 LIGAS Fe-C LEITURA COMPLEMENTAR Acesse o link abaixo e conheça um pouco mais sobre a origem da fabricação do ferro fundido e dos aços. O autor preparou uma linha do tempo que mostra cada período importante dessa evolução. É importante que você como Engenheiro(a) Mecânico(a) co- nheça essa origem para que possa compreender como essa área (extremamente antiga) é tão evoluída. TSCHIPTSCHIN, André Paulo. Início da Fabricação do Aço. Disponível em: https:// www2.gerdau.com.br/blog-acos-especiais/inicio-da-fabricacao-do-aco. Acesso em 15 jun. 2022. 73UNIDADE 3 LIGAS Fe-C 73 Parque Siderúrgico Brasileiro Atualmente, 31 usinas siderúrgicas operam no Brasil, distribuídas por 10 estados. A indústria do aço brasi- leira foi responsável, no ano de 2020, pela produção de 31,4 milhões de toneladas de aço bruto, levando o país para a 9ª posição no ranking da produção mundial. 15 empresas privadas controlam as usinas citadas. Quer saber mais? Acesse o link abaixo. Fonte: Instituto Aço Brasil. Parque Siderúrgico. Disponível em: https://acobrasil.org.br/site/parque-siderurgico/. As dificuldades são o aço estrutural que entra na construção do caráter. Carlos Drummond de Andrade https://www2.gerdau.com.br/blog-acos-especiais/inicio-da-fabricacao-do-aco https://www2.gerdau.com.br/blog-acos-especiais/inicio-da-fabricacao-do-aco https://acobrasil.org.br/site/parque-siderurgico/ 74 CONSIDERAÇÕES FINAIS UNIDADE 3 LIGAS Fe-C Aqui encerramos nossa terceira Unidade e estamos caminhando para o final da disciplina.Espero que você tenha gostado do assunto (apesar da quantidade de nomes dife- rentes e complicados que foram apresentados). Quando um(a) Engenheiro(a) Mecânico(a) entende as transformações de fases que ocorrem nas Ligas Fe-C, fica muito mais fácil de planejar procedimentos de tratamentos térmicos e saber o que vai funcionar ou não. Assim como, questões relativas aos processos de fabricação, também se tornam mais intuitivas. Sempre aprofunde seus estudos com o material indicado nas referências. Nos vemos em breve para finalizarmos nossa matéria. Até mais! 75 MATERIAL COMPLEMENTAR UNIDADE 3 LIGAS Fe-C LIVRO Título: Aços e Ligas Especiais Autores: André Luiz V. da Costa e Silva, Paulo Roberto Mei Editora: Blucher Sinopse: Esse livro é referência básica quando falamos sobre as ligas Fe-C. Explica desde os princípios, estrutura cristalina, diagrama de fases, diferença entre aço e ferro fundido, entre outros assuntos relacionados. Livro de fácil entendimento para estudantes e interessados na área. FILME / VÍDEO Título: Serra Pelada Ano: 2013 Sinopse: O filme conta a história de dois amigos que partem para Serra Pelada, que foi o maior garimpo de ouro a céu aberto do mundo, localizado no estado do Pará. A história que se passa é ficcional, porém, retrata passagens ocorridas naquele local na década de 1980. Apesar de tratar da mineração de ouro, faz parte de uma importante história do nosso país. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Plano de Estudos • Materiais Poliméricos; • Materiais Compósitos; • Materiais Cerâmicos; • Materiais do Futuro. Objetivos da Aprendizagem • Compreender algumas das principais características dos materiais poliméricos; • Entender o que são materiais compósitos e como podem estar arranjados; • Distinguir os diferentes tipos de materiais cerâmicos; • Conhecer a possibilidade de desenvolvimento de novos materiais. 4UNIDADEUNIDADE DEMAIS DEMAIS CLASSES DECLASSES DE MATERIAISMATERIAIS Professora Dra. Ana Caroline Crema de Almeida Fontes 77 INTRODUÇÃO Caro(a) aluno(a), como você tem passado? Por fim, chegamos à nossa última Unidade. Até este momento, nós tratamos em detalhes sobre estruturas, propriedades e fabricação dos materiais metálicos (principal- mente ligas Fe-C). Porém, as outras classes de materiais também são muito importantes para nosso estudo. Nas últimas décadas a aplicação de materiais não-metálicos se propagou em di- ferentes áreas. Seja na forma de revestimentos, na estrutura completa de uma peça ou através da combinação com outros materiais para que sejam obtidos os compósitos. Nesta Unidade, iremos abordar as principais características dos materiais poliméricos, cerâmicos, compósitos e alguns outros materiais inovadores. Tentaremos mostrar as principais diferenças entre essas classes de materiais e como alguns deles são aplicados na indústria. Aconselho você a aprofundar seus estudos com o material recomendado nas refe- rências e no decorrer da Unidade. Desejo a você bons estudos! Vamos começar? UNIDADE 4 DEMAIS CLASSES DE MATERIAIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78787878UNIDADE 4 DEMAIS CLASSES DE MATERIAIS Você sabe bem que os materiais poliméricos, são frequentemente chamados de ‘plásticos’. No entanto, essa classe de materiais é constituída por inúmeros tipos diferentes de materiais poliméricos, com características diversas. Assim como ocorre com os metais, as propriedades dos polímeros estão relacionadas com os elementos estruturais do material. Um polímero pode ser definido como um material formado por moléculas extre- mamente longas (macromoléculas) compostas de unidades químicas estruturais simples, denominadas meros, que se repetem sucessivamente ao longo da cadeia. Os meros, que também podem ser chamados de unidades repetidas, estão ligados uns aos outros por ligações covalentes e se repetem ao longo da cadeia. Já o termo monômero, refere-se à pequena molécula a partir da qual um polímero é sintetizado. Ou seja, mero denota a unidade repetida numa cadeia polimérica, enquanto monômero é a molécula capaz de reagir (quando submetida ao calor e/ou à pressão) para formar os meros. Um pouco mais complexo que os metais, não é?! Observe a Figura 1, pois irá te ajudar a compreender melhor o significado de cada termo. 1 MATERIAIS POLIMÉRICOS TÓPICO FIGURA 1 - REPRESENTAÇÃO ESQUEMÁTICA DE UM MONÔMERO, MERO E POLÍMERO Fonte: A autora (2022). Como você pôde notar na figura anterior, para polímeros com cadeias de carbono, a estrutura central de cada cadeia é uma série de átomos de carbono. Frequentemente, cada áto- mo de carbono estará ligado por ligações simples a outros dois átomos de carbono adjacentes. A Tabela 1 apresenta as unidades repetidas dos 10 materiais poliméricos mais comuns, bem como alguns exemplos de suas aplicações (existem muitas outras). TABELA 1 - UNIDADE REPETIDA PARA OS 10 MATERIAIS POLIMÉRICOS MAIS COMUNS Polímero Unidade Repetida (mero) Exemplos de Aplicações Polietileno (PE) canudos, isolante elétrico e embalagens em geral. Poli (cloreto de vinila) (PVC) tubos de água e esgoto e garrafas 79UNIDADE 4 DEMAIS CLASSES DE MATERIAIS Politetrafluoretileno (PTFE) filmes, revestimentos, antiaderentes Polipropileno (PP) aplicações semelhantes ao PE, porém com melhores propriedades mecânicas Poliestireno (PS) aplicações que exijam transparência e também na forma expandido (isopor) Poli(metacrilato de metila) (PMMA) conhecido popularmente pelo nome ‘acrílico’ Fenol-formaldeído (Baquelite) discos musicais, tomadas, interruptores, cabos de panelas Poli (hexametileno adipamida) (náilon 6,6) filamentos (têxteis, industriais e de carpete), plásticos de engenharia e filmes 80UNIDADE 4 DEMAIS CLASSES DE MATERIAIS Poli (tereftalato de etileno) (PET) fibra têxtil, filmes transparentes e garrafas Policarbonato (PC) CDs, DVDs, óculos, faróis Fonte: Adaptado de Callister e Rethwisch (2021, p. 434) e dos Santos (2015, p. 53 e 54). Do ponto de vista organizacional, quando todas as unidades repetidas de uma cadeia são iguais, o polímero é denominado de homopolímero. Se as cadeias forem compostas por duas ou mais unidades repetidas diferentes, o produto obtido é denominado copolímero, conforme Figura 2. FIGURA 2 - EXEMPLOS DE REPRESENTAÇÃO DE UM HOMOPOLÍMERO E UM COPOLÍMERO Fonte: A autora (2022). Existem vários tipos de polímeros, no entanto, a indústria de transformação classi- fica-os em três categorias principais: (a) termoplásticos, (b) termofixos ou termoestáveis e (c) elastômeros (borrachas). 81UNIDADE 4 DEMAIS CLASSES DE MATERIAIS De acordo com essa classificação, será determinado também qual o processo mais adequado para moldar o material. Normalmente, os materiais termofixos possuem maior resis- tência ao calor, menor susceptibilidade à fluência, maior resistência química, etc. No entanto, tais polímeros requerem processos de fabricação mais complexos para serem produzidos. a) Termoplásticos: polímeros compostos por moléculas de cadeias longas indi- viduais (lineares ou ramificadas), sem apresentar ligação cruzada entre elas. Peças produzidas com este material, amolecem quando são aquecidas devi- do ao fato das ligações secundárias (forças de Van der Waals) se afastarem (ocasionando o amolecimento) e romperem, promovendo a fusão do material, de modo que ele se comporte como um líquido viscoso, permitindo seu repro- cesso. Você já deve ter visto granulados poliméricos, como os da Figura 3, que alimentam as máquinas apropriadas para fabricação de algumas peças. Esses granulados são exemplos de termoplásticos. Os termoplásticos também são uma possibilidade de materiais para utilização em impressoras 3D (Figura 4). Ocorrerá uma degradação irreversível quando a temperatura de um polímero termoplástico fundido for aumentada em excesso. FIGURA 3 - IMAGEM DE GRANULADOS TERMOPLÁSTICOS FIGURA 4 - EXEMPLOS DE PEÇAS FABRICADAS POR IMPRESSÃO 3D, À PARTIR DE TERMOPLÁSTICOS 82UNIDADE 4 DEMAIS CLASSES DE MATERIAIS b) Termofixos: também conhecidos por termoestáveis, termorrígidos ou termoendurecíveis, são os polímeros que apresentam cadeias ligadas por ligações covalentes na forma de uma rede tridimensional infinita. Devido à formação desta rede, na qual as cadeias estão ligadas fortemente entre si por ligações covalentes (ligação de mesma força que dá cadeia principal), os produ- tos produzidos a partir destes polímeros não amolecem e nem se fundem após serem aquecidos (Figuras 5 e 6). Apenas um aquecimento até temperaturas excessivas causa o rompimento das ligações e a degradação do polímero. FIGURA 5 - AS SUPERCOLAS SÃO EXEMPLOS DE POLÍMEROS TERMOFIXOS FIGURA 6 - A BAQUELITE É UM EXEMPLO DE POLÍMERO TERMOFIXO 83UNIDADE 4 DEMAIS CLASSES DE MATERIAIS c) Elastômeros: popularmente conhecidos como borrachas, são polímeros que apresentam cadeias ligadas na forma de redes tridimensionais, mais fracas que os termofixos. Devido à menor densidade de ligações cruzadas, deixando as cadeias mais livres, possuem a habilidade de se estenderem quando subme- tidas a forças de tração e retornarem às dimensões originais quando essas forças são removidas. Assim como os termofixos, e elastômeros não podem ser reprocessados, sendo que sua reciclagem mecânica não é possível. Sua reutili- zação apenas é possível se forem reciclados quimicamente e energeticamente. A propriedade predominante é o comportamento elástico após deformação em compressão ou tração. Um elastômero pode ser esticado até dez vezes o seu comprimento original e, após remoção da tensão aplicada, ele recupera a forma e o comprimento originais. (Dos Santos, 2015) FIGURA 7 - OS ELASTÔMEROS SÃO POPULARMENTE CHAMADOS DE “BORRACHAS” 84UNIDADE 4 DEMAIS CLASSES DE MATERIAIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 85858585UNIDADE 4 DEMAIS CLASSES DE MATERIAIS Os materiais compósitos (também conhecidos por conjugados ou compostos) são uma classe bem interessante dentro da engenharia. São materiais cuja finalidade é combinar características positivas de dois ou mais materiais. Um exemplo é o compósito de fibra de vidro em matriz polimérica que confere resistência mecânica, enquanto a matriz polimérica, é fornece a flexibilidade ao compósito. A madeira é um excelente exemplo de compósito natural, em que a matriz e o reforço são poliméricos. O concreto já é um compósito comum, e tanto a matriz como o re- forço são materiais cerâmicos. No concreto, a matriz é um cimento e o reforço é constituído de 60 a 80% em volume de areia e de um agregado grosso (pedregulho). Ainda existe a possibilidade de o concreto ser reforçado com barras de aço. (Padilha, 2000) Na constituição de um compósito, existirá a fase matriz que pode ser polimérica, metálica ou cerâmica, e a fase dispersa, que pode estar na forma de dispersão de partí- culas, fibras, bastonetes, lâminas ou plaquetas. A Figura-8 apresenta várias possibilidades diferentes de organização matriz-reforço. 2 MATERIAIS COMPÓSITOS TÓPICO FIGURA 8 - REPRESENTAÇÕES DAS VÁRIAS FASES DISPERSAS, EM FORMA DE FIBRAS, QUE INFLUENCIAM NAS CARACTERÍSTICAS DO COMPÓSITO. (A) QUANTIDADE DE REFORÇO, (B) TAMANHO, (C) GEOMETRIA, (D) DISTRIBUIÇÃO E (E) ORIENTAÇÃO Fonte: Adaptado de Callister e Rethwisch (2021, p. 505). Considerando a figura acima, perceba que o comportamento mecânico do compósito será diferente para cada situação. Em aplicações onde ele seja submetido a tensões de tra- ção, compressão ou cisalhamento, a disposição do reforço irá atuar de maneiras diferentes. A finalidade da matriz é oferecer as características superficiais do material, bem como envolver, separar e proteger a fase dispersa de ataques externos, e transmitir para a fase dispersa as tensões aplicadas no compósito. Os materiais que constituem a fase dispersa (seja por meio de reforço ou de enchimento) são materiais sólidos, de composição e estrutura diferentes da do material constituinte da matriz. Esses materiais são adicionados às matrizes para modificar suas propriedades. A fase dispersa conhecida por enchimento, geralmente modifica as proprie- dades da matriz sem produzir efeito de ganho nas propriedades. Ela é utilizada apenas para reduzir custos, enquanto a fase dispersa ativa ou reforço sempre produz melhorias específicas em certas propriedades da matriz. (Dos Santos, 2015) No que diz respeito às fases dispersas por meio de reforços, existem 2 tipos bem conhecidos, que utilizam matriz polimérica (CMP): (a) Compósitos Poliméricos Reforçados com Fibras de Vidro e (b) Compósitos Poliméricos Reforçados com Fibras de Carbono. 86UNIDADE 4 DEMAIS CLASSES DE MATERIAIS a) Compósitos Poliméricos Reforçados com Fibras de Vidro: o nome fibra de vidro identifica simplesmente um compósito que consiste em fibras de vidro, contínuas ou descontínuas, contidas em uma matriz polimérica (Figura-9). As aplicações em fibras de vidro mais conhecidas são: carrocerias de automóveis e cascos de barcos, tubulações de plástico, recipientes para armazenamento e pisos industriais. As indústrias de transporte estão utilizando quantidades cada vez maiores de plásticos reforçados com fibras de vidro, com o objetivo de reduzir o peso dos veículos e aumentar a eficiência dos combustíveis. b) Compósitos Poliméricos Reforçados com Fibras de Carbono: esses com- pósitos poliméricos estão sendo largamente empregados em equipamentos esportivos e de recreação (varas de pescar, tacos de golfe), em carcaças de motores a jato fabricadas por enrolamento filamentar, em vasos de pressão e em componentes estruturais de aeronaves militares e comerciais, bem como de automóveis (Figura-10). (Callister e Rethwisch, 2021). FIGURA 9 - IMAGEM DE UM ROLO DE FIBRA DE VIDRO FIGURA 10 - PEÇA AUTOMOTIVA FEITA EM FIBRA DE CARBONO 87UNIDADE 4 DEMAIS CLASSES DE MATERIAIS Já os compósitos com matriz metálica (CMM), a matriz é um metal dúctil. Esses ma- teriais podem ser usados em temperaturas de serviço mais elevadas que seus respectivos metais contidos na matriz. As vantagens desses materiais em relação aos compósitos com matriz polimérica, são as temperaturas de operação mais elevadas, não serem inflamáveis e maior resistência à degradação por fluidos orgânicos. Os compósitos com matriz metálica são muito mais caros que os CMPs e, portanto, seu emprego é um tanto quanto restrito. A tenacidade à fratura das cerâmicas tem sido melhorada de forma significativa pelo desenvolvimento de uma nova geração de compósitos com matriz cerâmica (CMC) através de particulados, fibras ou whiskers de um material cerâmico que foram incorpora- dos em uma matriz de outro material cerâmico. Em resumo, as melhorias nas propriedades resultam das interações entre as trincas que avançam e as partículas da fase dispersa. A iniciação de uma trinca ocorre normalmente na fase matriz, enquanto a propagação da trinca é impedida ou retardada pelas partículas, fibras ou whiskers. Agora falando dos compósitos estruturais, consistem em um compósito com múltiplas camadas e normalmente de baixa massa específica, usado em aplicações que exigem integridade estrutural, resistências à tração, compressão e torção e rigidezes or- dinariamente elevadas. As propriedades desses compósitos dependem não somente das propriedades dos materiais constituintes, mas também do projeto geométrico dos vários elementos estruturais. Os compósitos laminados (Figura-11) e os painéis-sanduíche são dois dos compósitos estruturais mais comuns. FIGURA 11 – EXEMPLOS DE EMPILHAMENTO EM COMPÓSITOS LAMINADOS. (A) UNIDIRECIONAL, (B) CRUZADO, (C) CAMADA EM ÂNGULO E (D) MULTIDIRECIONAL Fonte: Adaptado de Callister e Rethwisch (2021, p. 532). 88UNIDADE 4 DEMAIS CLASSES DE MATERIAIS Os painéis-sanduíche (Figura 12), fazem parte de uma classe de compósitos es- truturais, projetados para serem vigas ou painéis de baixo peso, com rigidez e resistência relativamente elevadas. Consistem em duas lâminas externas, que estão separadas e unidas por adesivo a um núcleo de maior espessura. As lâminas externas são feitas de um material relativamente rígido e resistente (podem ser ligas de alumínio, aço e aço inoxidá- vel, plásticos reforçados com fibras, e madeira compensada) elas suportam as cargas de flexão que são aplicadas sobre o painel. Quando um painel-sanduíche é dobrado, uma face é submetida a tensões de compressão, enquanto a outra, a tensões de tração. (Callister e Rethwisch, 2021) FIGURA 12 - EXEMPLO DE PAINEL-SANDUÍCHE UTILIZADO NA CONSTRUÇÃO CIVIL Existe, ainda, um outro tipo de núcleo popular conhecido por estrutura em “col- meia”. Finas folhas moldadas como células interligadas (com formato hexagonal, assim como com outras configurações), com os eixos orientados perpendicularmente aos planos das faces. Tais estruturas possuem excelentes características de amortecimento do som e de vibrações, devido à alta fração volumétrica de espaços vazios no interior de cada célula. FIGURA 13 - EXEMPLO DE ESTRUTURA EM COLMEIA Fonte: Adaptado de Callister e Rethwisch (2021, p. 533). 89UNIDADE 4 DEMAIS CLASSES DE MATERIAIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 90909090UNIDADE 4 DEMAIS CLASSES DE MATERIAIS Materiais cerâmicos normalmente são combinações de elementos metálicos com não metálicos, cujos principais representantes são os óxidos, nitretos e carbonetos. Ainda, nesse grupo de materiais também estão englobados os argilo-minerais, o cimento e os vidros. Do ponto de vista das ligações químicas, eles podem ser desde predominantemente iônicos até predominantemente covalentes. Dentre as principais características desses materiais, está a alta capacidade de atuar como isolantes térmicos e elétricos, bem como a elevada resistência a altas temperaturas e a ambientes corrosivos. Por outro lado, são extremamente duros e frágeis. (PADILHA, 2000) No caso em que o material cerâmico possua ligações predominantemente iônicas, ao invés de imaginar a estrutura cristalina composta por átomos, são considerados os íons eletricamente carregados. O íon do elemento metálico será positivo (pois ele doa elétrons) e é chamado de cátion. Já o íon do elemento não-metálico, é denominado ânion e ele é negativo (recebe elétrons). No que diz respeito aos tipos de formações/ligações envolvidas nos materiais cerâ- micos, as 3 principais são: (a) AX, (b) AmXp e (c) AmBnXp. a) Estruturas Cristalinas do Tipo AX : nesse tipo de composto, existe a mesma quantidade de cátions e ânions. O caso mais comum para essa estrutura, é o NaCl (cloreto de sódio ou “sal de cozinha”). Observe a Figura-14 e perceba como a estrutura é constituída por duas organizações do tipo CFC que se in- terceptam. Uma é relativa aos cátions (Na+) e a outra relativa aos ânions (Cl-). 3 MATERIAIS CERÂMICOS TÓPICO FIGURA 14 - ESTRUTURA CRISTALINA DO NaCl Fonte: Callister e Rethwisch (2021, p. 390). b) Estruturas Cristalinas do Tipo AmXp: ocorrem quando as cargas dos cátions e dos ânions, não são iguais. Um exemplo pode ser observado na Figura-15, na representação da estrutura cristalina da fluorita. Os íons de cálcio estão posicionados nos centros dos cubos, e os íons de flúor estão nos vértices. Pela composição do material, percebemos que existe a metade da quantidade de íons Ca2+ para os íons de F-. FIGURA 15 - ESTRUTURA CRISTALINA DA FLUORITA (CaF2) Fonte: Callister e Rethwisch (2021, p. 392). c) Estruturas Cristalinas do Tipo AmBnXp: ocorre quando existe a presença de dois cátions (A e B). Podemos citar, como exemplo, o titanato de bário (BaTiO3), cuja estrutura está representada na Figura-16. (Padilha, 2000) 91UNIDADE 4 DEMAIS CLASSES DE MATERIAIS FIGURA 16 - ESTRUTURA DO TITANATO DE BÁRIO (BaTIO3) Fonte: Callister e Rethwisch (2021, p. 392). Agora, falaremos brevemente sobre os tipos de cerâmicas existentes: (a) cerâmi- cas tradicionais, (b) cerâmicas de engenharia, (c) cerâmica de óxidos, (d) cerâmicas de não óxidos e (e) cerâmicas não cristalinas. a) Cerâmicas tradicionais: você já sabe que uma das matérias-primas mais aplicadas na produção das cerâmicas tradicionais é a argila. Isso é justificado por ser a argila um ingrediente barato, encontrado naturalmente e em grande abundância, e usado frequentemente na forma como é extraído, sem qualquer melhoria na sua qualidade, além de ser facilmente conformada. Quando mistu- radas nas proporções corretas, a argila e a água formam uma massa plástica muito suscetível à modelagem. Existem duas grandes classificações para a maioria dos produtos à base de argila: os produtos estruturais à base de argila e as louças brancas. Os produtos estruturais com- preendem os tijolos de construção, os azulejos e as tubulações de esgoto. As cerâmicas denominadas louças brancas são submetidas a um processo de queima ou cozimento em temperatura elevada. Nesse grupo, estão incluídas as porcelanas, as louças de barro, as louças para mesa, as louças vitrificadas e os acessórios para encanamentos hidráulicos (louças sanitárias). 92UNIDADE 4 DEMAIS CLASSES DE MATERIAIS b) Cerâmicas de engenharia: podem ser divididas em cerâmicas estruturais e cerâmicas funcionais. Enquanto as aplicações da cerâmica estrutural exigem a otimização da resistência ao impacto, dureza e resistência ao desgaste, o desempenho das cerâmicas funcionais é controlado por propriedades elétricas, magnéticas, dielétricas, ópticas e outras. c) Cerâmica de óxidos: são formadas de óxidos simples e apresentam a vantagem de serem estáveis sob condições de oxidação, portanto, não se degradam. Uma aplicação para esse tipo de material, são os resistores mostrados na Figura-17. FIGURA 17 - RESISTORES DE CERÂMICA d) Cerâmicas de não óxidos: incluem basicamente os boretos, nitretos, silicietos e carbonetos. Em grande parte, são utilizados na forma de revestimentos para melhorias de propriedades de resistência mecânica e à corrosão de superfícies. 93UNIDADE 4 DEMAIS CLASSES DE MATERIAIS FIGURA 18 - FERRAMENTA COM REVESTIMENTO DE NITRETO DE TITÂNIO e) Cerâmicas não cristalinas: vidros são não cristalinos (amorfos). Os mais comuns são os vidros de carbonato, de silicatos e de borosilicato. Vernizes são camadas de vidro aplicadas em materiais metálicos. Um dos materiais cerâmicos mais sofistica- dos são as vitrocerâmicas, que combinam a natureza das cerâmicas cristalinas com o vidro. Os usos mais populares desses materiais são louças de forno-estufa e de mesa, principalmente devido à sua excelente resistência ao choque térmico e alta condutividade térmica. Não podemos esquecer também dos materiais refratários e isolantes térmicos. (Dos Santos, 2015) FIGURA 19 - TIJOLOS REFRATÁRIOS 94UNIDADE 4 DEMAIS CLASSES DE MATERIAIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95959595UNIDADE 4 DEMAIS CLASSES DE MATERIAIS Neste tópico, iremos falar sobre alguns materiais promissores e que estão presen- tes em diversas classes de materiais. a) Grafeno: trata-se de um material cerâmico, composto por uma forma de carbo- no, que é condutor de eletricidade e calor melhor do que qualquer outro material. Não é apenas o material mais duro do mundo, como também um dos mais flexíveis, além de apresentar a capacidade de ficar imerso em líquidos sem se oxidar, ao contrário de outros materiais condutores. Estudos provam que o grafeno é 200 vezes mais resistente do que o aço, e tão fino que cerca de 28 g deste material pode cobrir 28 campos de futebol. Com inúmeras aplicações, o grafeno pode estar presente na produção de baterias, proporcionando um telefone celular que permaneça carregado por mais de uma semana e possa ser recarregado em apenas 15 minutos, produção de sensores muito menores do que os atuais. (Dos Santos, 2015) b) Biomateriais: nossa expectativa de vida está sendo aumentada, em parte, devido aos avanços na habilidade de substituir partes do corpo doentes e danificadas. Implantes e próteses de reposição são construídos a partir de biomateriais, materiais que são implantados no corpo, de modo que eles fun- cionem de maneira confiável, segura e fisiologicamente satisfatória, enquanto interagem com o tecido vivo. Isto é, os biomateriais devem ser biocompatíveis, compatíveis com os tecidos e fluidos do corpo, com os quais eles ficam em contato ao longo de períodos de tempo aceitáveis (Figura-20). Sendo assim, não devem causar rejeição, respostas fisiologicamente inaceitáveis, nem liberar substâncias tóxicas. 4 MATERIAIS DO FUTUROTÓPICO Consequentemente, algumas restrições consideravelmente rigorosas são im- postas sobre os materiais para que eles sejam considerados biocompatíveis. Já existem biomateriais de ligas metálicas, cerâmicas, polímeros e materiais compósitos. (Callister e Rethwisch, 2021) FIGURA 20 - IMPLANTES DENTÁRIOS SÃO EXEMPLOS DE BIOMATERIAIS c) Materiais inteligentes: são um grupo de novos materiais que estão sendo desenvolvidos atualmente e que terão uma influência significativa sobre muitas das nossas tecnologias. O termo ‘inteligente’ significa que esses materiais são capazes de sentir mudanças nos seus ambientes e assim responder a essas mudanças segundo padrões predeterminados. Um exemplo que podemos citar, são as ligas com memória de forma, metais que, após terem sido deformados, retornam às suas formas originais quando a temperatura é modificada. Ainda, os fluidos eletroreológicos e magnetorreológicos, apresentam mudanças na sua viscosidade quando há a aplicação, respectivamente, de campos elétricos e campos magnéticos. Vale ressaltar que existem, também, biomateriais com memória de forma, como é o caso dos stents coronários. d) Nanomateriais: classe de materiais com enorme promessa tecnológica, que podem ser de qualquer um dos quatro tipos básicos de materiais — metais, cerâmicas, polímeros e compósitos. No entanto, ao contrário desses outros materiais, eles não são diferenciados com base em sua química, mas, em lugar disso, em função do seu tamanho. O prefixo nano indica que as dimensões dessas entidades estruturais são da ordem do nanômetro (10–9 m). 96UNIDADE 4 DEMAIS CLASSES DE MATERIAIS 97UNIDADE 4 DEMAIS CLASSES DE MATERIAIS 97 Os materiais piezocerâmicos fazem parte das cerâmicas de óxidos e são utilizados para converter parâme- tros mecânicos (pressão e aceleração) em parâmetros elétricos ou, inversamente, para converter sinais elétricos em movimento ou vibração mecânica. Quando utilizados em sensores, eles possibilitam converter forças, pressões e acelerações em sinais elétricos, e nos atuadores e transdutores sônicos e ultrassônicos eles convertem as tensões elétricas em vibrações ou deformações. Podem ser classificados de acordo com sua composição química ou baseado nas condições de aplicação específicas. Fonte: Dos Santos (2015, p. 120). Temos que concordar que os materiais plásticos vieram para facilitar nossas vidas em vários aspectos. No entanto, eles se tornaram um grande problema de poluição no mundo todo. Existem medidas simples que podem ser aplicadas no dia-a-dia para reduzir o consumo de polímeros descartáveis. Você já parou para pensar em como pode colaborar mudando pequenas atitudes? Fonte: A autora (2022). 98 CONSIDERAÇÕES FINAIS Nós, Engenheiros(as) Mecânicos(às), acabamos nos deparando (e estudando) mais com os materiais metálicos. Porém, os avanços científicos envolvidos nas pesquisas de outras classes de materiais são enormes. Ou mesmo, em aplicações novas e inusitadas para os materiais metálicos, são fruto de muito estudo e pesquisa. Espero que esta unidade tenha plantado alguma semente de curiosidade em você, para que aprofunde mais seus estudos nos materiais não metálicos. Por mais que você vá trabalhar com materiais metálicos, é importante você saber, por exemplo, as melhorias obtidas com a utilização de um revestimento cerâmico. Agradeço seu interesse na leitura deste material e tenho certeza que agora você irá olhar para os materiais de uma maneira diferente. Te desejo sucesso na sua caminhada como futuro(a) Engenheiro(a). Nos vemos por aí! UNIDADE 4 DEMAIS CLASSES DE MATERIAIS 99 LEITURA COMPLEMENTAR Você já ouviu falar sobre o Kevlar®? Composto constituído de fibras de aramida (um tipo de polímero) feito de carbono, hidrogênio, oxigênio e nitrogênio. Possui baixa densidade, alta resistência à tração, baixo custo e alta resistência ao impacto. Esta fibra é muito usada na produção de compósitos de matriz polimérica para aplicações aeroespa- ciais, militares e balísticas. Leia um pouco mais sobre esse material no link abaixo, em uma matéria da revista Forbes de 2021. Fonte: BrandVoice DuPont. Kevlar®, da DuPont, é uma fibra de aramida usada na blindagem veicular que é cinco vezes mais resistente que o aço. Disponível em: https://forbes.com.br/brand-voice/2021/09/como-a-fibra-de-kevlar-contribui-para-a-segu- ranca-de-motoristas-e-passageiros-no-brasil/#foto4. Acesso em 30 jun. 2022. UNIDADE 4 DEMAIS CLASSES DE MATERIAIS https://forbes.com.br/brand-voice/2021/09/como-a-fibra-de-kevlar-contribui-para-a-seguranca-de-motoristas-e-passageiros-no-brasil/#foto4 https://forbes.com.br/brand-voice/2021/09/como-a-fibra-de-kevlar-contribui-para-a-seguranca-de-motoristas-e-passageiros-no-brasil/#foto4 100 MATERIAL COMPLEMENTAR LIVRO Título: Tecnologia dos materiais não metálicos, classificação, estrutura, propriedades, processos de fabricação e aplicações Autor: Zora Ionara Gama D. Santos. Editora: Saraiva. Sinopse: Utilizando uma linguagem simples e didática, esse material aborda diferentes classes de materiais, suas caracte- rísticas, propriedades e os respectivos processos de fabricação. Vale a pena a leitura para conhecer mais o universo dos mate- riais não metálicos. FILME/VÍDEO Título: O Primeiro Homem Ano: 2018. Sinopse: Uma história sobre a missão da NASA de levar o primeiro homem, Neil Armstrong, até a lua, durante o período de 1961-1969. O filme nos obriga a fazer uma reflexão sobre tudo que está envolvido quando estão sendo testadas novas tecnologias. UNIDADE 4 DEMAIS CLASSES DE MATERIAIS 101 CALLISTER Jr., W. D.; RETHWISCH, D. G. Ciência e Engenharia de Materiais – Uma Introdução. Rio de Janeiro: LTC, 2021. Disponível em: https://integrada.minhabiblioteca. com.br/#/books/9788521637325/ Acesso em 30 jun. 2022. DOS SANTOS, Z. I. G. Tecnologia dos materiais não metálicos, classificação, es- trutura, propriedades, processos de fabricação e aplicações - 1ª edição - 2015. São Paulo: Editora Saraiva, 2014. Disponível em: https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/ books/9788536530826/ Acesso em 30 jun. 2022. DOWLING, Norman. Comportamento Mecânico dos Materiais. Rio de Janeiro: Grupo GEN, 2017. 9788595153493. Disponível em: https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/ books/9788595153493/. Acesso em: 15 Jun 2022. INSTITUTO AÇO BRASIL. Estatística Mensal - Nº 085. 2022. Disponível em: https:// acobrasil.org.br/site/wp-content/uploads/2022/05/EM_Maio_22_875452.pdf. Acesso em: 15 Jun 2022. NEWELL, J. Fundamentos da Moderna Engenharia e Ciência dos Materiais. Rio de Janeiro: Grupo GEN, 2010. Disponível em: https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/ books/978-85-216-2490-5/ Acesso em: 10 jan. 2023. PADILHA, A. F. Materiais de Engenharia – Microestrutura e Propriedades. Curitiba: Hemus S.A., 2000. PINEDO, Carlos E. Tratamentos térmicos superficiais de aços. São Paulo: Editora Blucher, 2021. Disponível em: https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9786555062212/. Acesso em: 15 Jun 2022. SILVA, André Luiz V. da Costa.; MEI, Paulo Roberto. Aços e Ligas Especiais. São Paulo: Blucher, 2010. SOUZA, Sérgio Augusto D. Composição química dos aços. São Paulo: Editora Blucher, 1989. Disponível em: https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788521216490/. Acesso em: 15 Jun 2022. VAN VLACK, L. H. Princípios de Ciência dos Materiais. São Paulo: Editora Blucher, 1970. https://plataforma.bvirtual.com.br/Leitor/Publicacao/176565/pdf/0. Acesso em: 10 jan. 2023. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788521637325/ https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788521637325/ https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788536530826/ https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788536530826/ https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788595153493/ https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788595153493/ https://acobrasil.org.br/site/wp-content/uploads/2022/05/EM_Maio_22_875452.pdfhttps://acobrasil.org.br/site/wp-content/uploads/2022/05/EM_Maio_22_875452.pdf https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/978-85-216-2490-5/ https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/978-85-216-2490-5/ https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9786555062212/ https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788521216490/. https://plataforma.bvirtual.com.br/Leitor/Publicacao/176565/pdf/0 102 Prezado (a) aluno (a), Neste material, tentei abordar com você os principais conceitos a respeito de ma- teriais de construção mecânica. Tenho certeza que agora você irá conseguir relacionar as propriedades de um material com sua microestrutura. É como se à partir de agora você conseguisse observar um material com uma lente de microscópio, apenas analisando suas características. Quando entendemos esta relação (microestrutura – propriedades) os con- ceitos seguintes ficam muito mais simples. Também, conhecemos um pouco mais sobre o processo de obtenção dos aços e ferros fundidos. Processos extremamente complexos que tentei sintetizar de uma maneira didática para você. Atrelado ao processo de obtenção, não podíamos nos esquecer do Diagrama Fe-Fe3C. Dentro do estudo de materiais de construção mecânica, esse diagra- ma acaba sendo o mais importante. No entanto, é interessante que você busque outros diagramas, de outras ligas e vá observando os compostos formados, as fases que estão presentes e consiga relacionar com as característica daquele material. Ainda mais se você for atuar em áreas que utilizem materiais não ferrosos. Os materiais metálicos acabam sendo os de maior relevância em nosso estudo, porém, existem várias outras classes de materias e a tendência é que o conceito de susten- tabilidade modifique cada vez mais esse cenário. A busca por materiais que não degradem o meio ambiente, desde sua obtenção até seu descarte, é o novo objetivo da engenharia de materiais. Lembre-se que eu apresentei os assuntos para você e agora sua missão é dar continuidade e se aprofundar mais. Você verá o quanto é interessante o estudo de materiais e como ele se relaciona com várias outras áreas da Engenharia. Tenho certeza que você está pronto (a) para começar a se aventurar no universo de seleção de materiais. Desejo sucesso em sua nova etapa. Até uma próxima oportunidade. Muito Obrigada! CONCLUSÃO GERAL ENDEREÇO MEGAPOLO SEDE Praça Brasil , 250 - Centro CEP 87702 - 320 Paranavaí - PR - Brasil TELEFONE (44) 3045 - 9898 Site UniFatecie 3: Botão 11: Botão 10: Botão 9: Botão 8: Unidade 1: Unidade 2: Button3: Button4:desenvolvidos novos materiais ou então novas tecnologias que necessitam de novos materiais. Como assim?! Você, certamente, sabe que materiais de emprego comum, obviamente, não serão utilizados na fabricação de componentes vitais de um foguete espacial. Fui longe né? Mas trazendo para nossa realidade, depois que você compreende os fenômenos que ocorrem em escala atômica em determinado material, você é capaz de projetar com mais segurança e confiabilidade as aplicações para ele. Você conhe- cerá os limites daquele material. Iremos falar sobre as características gerais das classes de materiais, de suas or- ganizações atômicas, ligações químicas, defeitos, impurezas e, por fim, sobre o processo de difusão. Espero que este estudo seja interessante para você. Vamos começar? UNIDADE 1 FUNDAMENTOS DOS MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Os materiais sólidos são agrupados em três categorias básicas: (a) metais, (b) cerâmicas e (c) polímeros, uma classificação baseada sobretudo na composição química e na estrutura atômica. A maioria dos materiais se enquadra em um grupo distinto. Ainda, existem os compósitos, que são combinações de dois ou mais materiais diferentes. A seguir veremos as principais características de cada um. ● Metais: são constituídos por um ou mais elementos metálicos (ferro, alumínio, cobre, titânio, ouro, níquel, etc), e com frequência também pequenas quantida- des de elementos não metálicos (carbono, nitrogênio, oxigênio, etc). Os átomos nos metais e nas suas ligas estão arranjados segundo uma maneira muito ordenada e, em comparação às cerâmicas e aos polímeros, possuem eleva- da densidade. Em relação às características mecânicas, esses materiais são rígidos e resistentes, no entanto, são dúcteis (ou seja, podem sofrer grandes deformações sem sofrer fratura). Características que justificam seu amplo uso em aplicações estruturais. Os materiais metálicos possuem grande quantidade de elétrons livres, isto é, esses elétrons não estão ligados a nenhum átomo em particular. Muitas das propriedades dos metais podem ser atribuídas diretamen- te a esse fato. (Callister e Rethwisch, 2021). ● Cerâmicas: são normalmente combinações de elementos metálicos com elementos não metálicos. Alguns exemplos são: óxidos, nitretos e carbonetos. Nesse grupo de materiais também estão incluídos os argilo-minerais, cimento UNIDADE 1 FUNDAMENTOS DOS MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA 1 NOÇÕES SOBRE ESTRUTURA,PROPRIEDADES E COMPORTAMENTO DE MATERIAIS TÓPICO 8 e os vidros. A respeito das ligações químicas, elas podem ser desde predo- minantemente iônicas até predominantemente covalentes. As cerâmicas são tipicamente isolantes térmicos e elétricos, e também mais resistentes à altas temperaturas e a ambientes corrosivos que os metais e polímeros. Outra carac- terística marcante é que são muito duras, porém frágeis. (Newell, 2010). ● Polímeros: são constituídos de macromoléculas orgânicas, sintéticas ou natu- rais. Os plásticos e borrachas são exemplos de polímeros sintéticos, enquanto o couro, a seda, o chifre, o algodão, a lã, a madeira e a borracha natural são constituídos de macromoléculas orgânicas naturais. Sua química é baseada no carbono, hidrogênio e outros elementos não metálicos (isto é, O, N e Si). Além disso, possuem estruturas moleculares muito grandes, com frequência na forma de cadeias, que possuem uma estrutura composta por átomos de carbono. A ligação química entre átomos da cadeia é covalente, enquanto a ligação intercadeias é fraca, do tipo secundária. Os materiais poliméricos são geralmente leves, isolantes elétricos e térmicos, flexíveis e apresentam boa resistência à corrosão e baixa resistência ao calor. (Callister e Rethwisch,2021 e Newell, 2010) ● Compósitos: Um compósito é composto por dois (ou mais) materiais de classes diferentes (metais, cerâmicas ou polímeros). O objetivo de projetar um compósi- to é alcançar uma combinação de propriedades que não é exibida naturalmente por nenhum material isolado e também incorporar as melhores características de cada um dos materiais que o constitui. Um grande número de tipos de com- pósitos sintéticos, são representados por diferentes combinações de metais, cerâmicas e polímeros. Todavia, alguns materiais de ocorrência natural também são compósitos, por exemplo, a madeira e o osso. UNIDADE 1 FUNDAMENTOS DOS MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA 9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Muitas propriedades físicas dos materiais podem ser compreendidas com o estudo dos arranjos atômicos que podem ser classificados em: estruturas moleculares, estruturas cristalinas e estruturas amorfas. A definição de molécula a descreve como sendo um número limitado de átomos fortemente ligados entre si, porém, as forças de atração entre moléculas são fracas. Sendo assim, cada molécula está livre para agir de forma mais ou menos independente. Alguns exemplos bem conhecidos de moléculas, são: H2O, CO2, O2, entre outras. (Van Vlack, 1980) Apesar das moléculas possuírem uma regularidade estrutural, a maioria dos materiais de interesse para a Engenharia, são formados por arranjos atômicos, denomi- nados cristais (oriundos da estrutura cristalina). Mais adiante irei explicar sucintamente o que são as estruturas cristalinas. Neste momento peço que você foque sua atenção nos tipos de ligações atômicas que podem estar presentes tantos nas moléculas quanto nas estruturas cristalinas. Os fundamentos das ligações atômicas são bem ilustrados quando imaginamos dois átomos isolados interagindo conforme se aproximam um do outro a partir de uma distância de separação. A grandes distâncias, essas interações são desprezíveis, pois os átomos estão muito distantes para se influenciarem, no entanto, em pequenas distâncias cada átomo exerce forças sobre os outros que estão ao seu redor. Com exceção dos gases nobres (que são altamente estáveis), a maior parte dos outros elementos precisam de 8 elétrons na camada eletrônica mais externa, para poderem adquirir estabilidade. Para isso, normalmente, eles seguem um dos três mecanismos: (1) re- cebimento de elétrons, (2) perda de elétrons e (3) compartilhamento de elétrons. As ligações atômicas são divididas em primárias e secundárias e iremos comentar as principais a seguir. UNIDADE 1 FUNDAMENTOS DOS MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA 2 ÁTOMOS, MOLÉCULAS E LIGAÇÕES QUÍMICAS - PRIMÁRIAS E SECUNDÁRIAS TÓPICO 10 2.1 Ligações Primárias i. Ligação Iônica: é um resultado da atração mútua de íons negativos e positivos. Este tipo de ligação encontra-se nos compostos constituídos por elementos metálicos enão metálicos, ou seja, elementos que estão localizados nas extremidades horizontais da tabela periódica. Átomos de elementos metálicos perdem com facilidade seus elétrons de valência para os átomos de elementos não metálicos. Observe na Figura-1, o processo de ionização do sólido NaCl (o sal de cozinha). (Van Vlack, 1980) FIGURA 1 - PROCESSO DE IONIZAÇÃO DO NaCl. Fonte: Adaptado de Van Vlack (1980 p. 26). A Tabela 1 apresenta os valores das energias de ligação e as respectivas tempera- turas de fusão para algumas substâncias com ligações iônicas. Perceba que o aumento da energia de ligação reflete em uma temperatura de fusão mais elevada. Isso está relaciona- do com a dificuldade em romper as ligações atômicas. Os materiais cerâmicos são duros e frágeis e, além disso, isolantes elétricos e térmicos. Essa característica está relacionada à configuração eletrônica dos elementos. UNIDADE 1 FUNDAMENTOS DOS MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA 11 TABELA 1 - ENERGIAS DE LIGAÇÃO E TEMPERATURA DE FUSÃO PARA ALGUMAS SUBSTÂNCIAS LIGAÇÃO IÔNICA Substância Energia de Ligação (kJ/mol) Temperatura de Fusão (°C) NaCl 640 801 LiF 850 848 MgO 1000 2800 CaF2 1548 1418 Fonte: Adaptado de Callister e Rethwisch (2021, p. 30). ii. Ligação Covalente: como falamos anteriormente, uma outra maneira de um átomo adquirir estabilidade (com 8 elétrons na camada de valência) é através do compartilhamento de elétrons. O exemplo mais simples é o que ocorre no átomo de hidrogênio, H2, que pode ser observado na Figura-2. FIGURA 2 - REPRESENTAÇÃO ESQUEMÁTICA DA LIGAÇÃO COVALENTE EM UMA MOLÉCULA DE HIDROGÊNIO (H2). Fonte: Adaptado de Callister e Rethwisch (2021, p. 31). Muitas moléculas de não metais (como o caso do H2), assim como moléculas que contêm átomos diferentes, tais como CH4, H2O, HNO3 e HF, estão ligadas covalentemente. Esse tipo de ligação também é encontrado em sólidos elementares, tais como o diamante (carbono) e o silício, assim como em outros compostos sólidos cuja composição inclui ele- mentos localizados no lado direito da tabela periódica (Tabela 2). (Van Vlack, 1980) UNIDADE 1 FUNDAMENTOS DOS MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA 12 TABELA 2 - ENERGIAS DE LIGAÇÃO E TEMPERATURA DE FUSÃO PARA ALGUMAS SUBSTÂNCIAS LIGAÇÃO COVALENTE Substância Energia de Ligação (kJ/mol) Temperatura de Fusão (°C) Cl2 121 -102 Si 450 1410 InSb 523 942 C (diamante) 713 >3550 SiC 1230 2830 Fonte: Adaptado de Callister e Rethwisch (2021, p. 30). iii. Ligação Metálica: existe um modelo proposto, relativamente simples, que se aproxima da configuração desse tipo de ligação e é suficiente para nossos estudos. Neste modelo, os elétrons de valência não estão ligados a nenhum átomo em particular no sólido e estão “livres” para se movimentar ao longo de todo o metal. Eles podem ser considerados como pertencentes ao metal como um todo, porém, formam um “mar de elétrons” ou uma “nuvem de elétrons” (Figura-3). Os elétrons restantes, os que não são elétrons de valência, juntamente com os núcleos atômicos, formam os denominados núcleos iônicos, os quais possuem uma carga resultante positiva (cátions) com cuja magnitude indica a carga total de elétrons de valência por átomo. Vamos à uma explicação simples e didática sobre esse assunto. O arranjo atômico no interior da estrutura de um sólido metálico, influi diretamente nas propriedades mecâni- cas desse metal. Já a condutividade elétrica, presente nesses materiais, estão relacionadas aos elétrons livres que conseguem se movimentar livremente sob a ação de um campo elétrico. De maneira análoga, a elevada condutividade térmica dos metais também está relacionada com esta mesma característica. (Callister e Rethwisch, 2021, Van Vlack, 1980) FIGURA 3 - ILUSTRAÇÃO ESQUEMÁTICA DA LIGAÇÃO METÁLICA. UNIDADE 1 FUNDAMENTOS DOS MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA 13 A Tabela 3 apresenta os valores das energias de ligação e as respectivas tempera- turas de fusão para algumas substâncias com ligações metálicas. TABELA 3 - ENERGIAS DE LIGAÇÃO E TEMPERATURA DE FUSÃO PARA ALGUMAS SUBSTÂNCIAS LIGAÇÃO METÁLICA Substância Energia de Ligação (kJ/mol) Temperatura de Fusão (°C) Hg 62 -39 Al 330 660 Ag 285 962 W 850 3414 Fonte: Adaptado de Callister e Rethwisch (2021, p. 30). iv. Ligações Secundárias As ligações secundárias também são conhecidas como forças de Van der Waals, são ligações fracas quando comparadas às ligações primárias. Suas energias de ligação variam entre, aproximadamente, 4 e 30 kJ/mol. As ligações secundárias existem entre todos os átomos ou moléculas, mas sua presença pode ficar ofuscada se qualquer um dos três tipos de ligação primária estiver presente. A ligação secundária fica evidente nos gases inertes (nobres), que possuem estruturas eletrônicas estáveis. No caso do gás nobre, hélio, existem 2 elétrons na sua camada de valência, para outros gases nobres (neônio e argônio), esse número é igual a 8. Ou seja, eles estão estáveis e não tendem a formar nenhum outro tipo de ligação citada anteriormente, justamente porque as ligações primárias necessitam de doação, recebimento ou compartilhamento de elétrons. Como resultado, os átomos dos gases nobres possuem pouca atração uns pelos outros e, na grande maioria, esses gases permanecem monoatômicos em condições normais. UNIDADE 1 FUNDAMENTOS DOS MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA 14 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Para iniciar este assunto, quero te fazer uma pergunta. Você acha que o vidro da janela do seu quarto é “cristalino”? Do ponto de vista da estrutura atômica dos materiais, a resposta é não. Mas para que você consiga entender esse conceito corretamente, vamos falar sobre o que é uma estrutura cristalina. Um material cristalino é aquele cujos átomos estão posicionados de acordo com um arranjo repetitivo ou periódico, ao longo de grandes distâncias atômicas. Ou seja, os materiais cristalinos exibem uma ordem de longo alcance, de forma que quando ocorre a solidificação, os átomos se posicionarão segundo um padrão tridimensional repetitivo. Logo, os metais, muitos materiais cerâmicos e pouquíssimos polímeros formam estruturas cristalinas sob condições normais de solidificação. Nos materiais que não se cristalizam, a ordem atômica de longo alcance não existe e eles são chamados de amorfos. Porém, retornaremos a este assunto ao final do tópico Algumas propriedades dos sólidos cristalinos dependem dessa estrutura do material. Portanto, a maneira como os átomos estão organizados, irá impactar nas características do material. Existem inúmeros tipos de estruturas cristalinas diferentes, todas possuindo uma ordenação atômica de longo alcance. Porém, o foco do nosso estudo serão as estruturas cristalinas comumente encontradas nos metais. Para fins didáticos, é adotado o modelo atômico da esfera rígida que conside- ra cada átomo como uma esfera sólida com diâmetros bem definidos. UNIDADE 1 FUNDAMENTOS DOS MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA 3 ORDENAÇÃO ATÔMICA DOS SÓLIDOS, SÓLIDOS CRISTALINOS E DESORDEM ATÔMICA NOS SÓLIDOS TÓPICO 15 Quando vamos representar uma estrutura cristalina (você também pode se deparar com o termo rede cristalina), subdividimos em estruturas menores, porém, com o mesmo padrão. Essas estruturas menores, por sua vez, são chamadasde células unitárias. (Cal- lister e Rethwisch, 2021, Padilha, 2000) Ou seja, uma célula unitária funciona como uma “representante” de toda a rede cristalina, conforme exemplo da Figura 4. FIGURA 4 - EXEMPLO DE UMA (A) REDE CRISTALINA PARA UM MATERIAL HIPOTÉTICO E UMA (B) CÉLULA UNITÁRIA. A CÉLULA UNITÁRIA É UMA FRAÇÃO COM A MESMA ORGANIZAÇÃO ATÔMICA QUE A REDE. Fonte: A autora (2023). Para a maioria das estruturas cristalinas, as células unitárias possuem formatos convencionais como cubos e paralelepípedos. No entanto, existem estruturas com orga- nização mais complexas que não serão abordadas neste material. Sendo assim, a célula unitária é uma unidade estrutural básica da estrutura cristalina e a define por meio da sua geometria e das posições dos átomos no seu interior. Os principais tipos de estruturas que encontramos nos materiais metálicos, são as estruturas: (a) cúbica de corpo centrado – CCC, (b) cúbica de faces centradas – CFC e (c) hexagonal compacta – HC. a) Cúbica de Corpo Centrado – CCC: constituída por uma célula unitária cúbica em que existem átomos localizados nos oito vértices e um único átomo no centro do cubo, conforme Figura-5a. Na representação da Figura-5b, é possível notar que o átomo do centro do cubo e dos vértices, tocam uns nos outros ao longo das diagonais do cubo. Sendo assim, o comprimento da célula unitária a e o raio atômico R estão relacionados pela Equação 1. UNIDADE 1 FUNDAMENTOS DOS MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA 16 FIGURA 5 - (A) CÉLULA UNITÁRIA DA ESTRUTURA CÚBICA DE CORPO CENTRADO - CCC E (B) VISTA FRONTAL DE UM DOS PLANOS. PARA AS CÉLULAS UNITÁRIAS CÚBICAS, OS PARÂMETROS A, B E C, SÃO IGUAIS Fonte: Adaptado de Callister e Rethwisch (2021, p. 46). Você ainda precisa conhecer outras duas características importantes de uma es- trutura cristalina. São elas: o número de coordenação e o fator de empacotamento atômico (FEA). O número de coordenação representa a quantidade de “vizinhos mais próximos” ou átomos em contato. Nas estruturas cúbicas de corpo centrado, o número de coordena- ção é igual a 8. Já o FEA é a soma dos volumes das esferas de todos os átomos no interior de uma célula unitária (considerando o modelo atômico de esferas rígidas) dividida pelo volume da célula unitária, conforme Equação 2. Para a estrutura CCC, o FEA é igual a 0,68. (Callister e Rethwisch, 2021, Padilha, 2000 e Van Vlack, 1970) Exemplos de metais com estrutura cristalina CCC: Cromo (Cr), Ferro-α (Fe-α), Molibdênio (Mo), Tântalo (Ta) e Tungstênio (W). b) Cúbica de Faces Centradas: estrutura que possui uma célula unitária com geo- metria cúbica na qual os átomos estão localizados em cada um dos vértices e nos centros de todas as faces do cubo, conforme Figura-6a. As esferas se tocam umas nas outras ao longo de uma diagonal da face (Figura-6b), cujo comprimento da aresta do cubo a e o raio atômico R estão relacionados pela Equação 3. UNIDADE 1 FUNDAMENTOS DOS MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA 17 FIGURA 6 - (A) CÉLULA UNITÁRIA DA ESTRUTURA CÚBICA DE FACES CENTRADAS - CFC E (B) VISTA FRONTAL DE UM DOS PLANOS. Fonte: Adaptado de Callister e Rethwisch (2021, p. 43). O número de coordenação para a estrutura CFC é igual a 12, e seu FEA corres- ponde a 0,74. Exemplos de metais com estrutura cristalina CFC: Alumínio (Al), Cobre (Cu), Ouro (Au), Chumbo (Pb), Níquel (Ni), Platina (Pt) e Prata (Ag). b) Hexagonal Compacta: as faces superior e inferior da célula unitária são com- postas por seis átomos (um em cada vértice), que formam hexágonos regulares e circun- dam um único átomo central. Outro plano, que contribui com três átomos adicionais para a estrutura, localiza-se entre os planos superior e inferior. Os átomos do plano intermediário, possuem como vizinhos mais próximos os átomos nos dois planos adjacentes. A célula unitária pode ser observada na Figura-7. FIGURA 7 - (A) CÉLULA UNITÁRIA DA ESTRUTURA HEXAGONAL COMPACTA - HC. Fonte: Adaptado de Callister e Rethwisch (2021, p. 47). UNIDADE 1 FUNDAMENTOS DOS MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA 18 Para a estrutura cristalina HC, o número de coordenação e o fator de empacota- mento atômico são os mesmos que para a estrutura CFC: 12 e 0,74, respectivamente. Exemplos de metais com estrutura cristalina HC: Cádmio (Cd), Cobalto (Co), Titânio α (Ti-α) e Zinco (Zn). Alguns elementos podem apresentar no estado sólido diferentes estruturas cristali- nas, que é um fenômeno denominado alotropia. Estas mudanças de estruturas geralmente ocorrem em função de variações de temperatura e pressão. Um exemplo clássico é o caso do ferro puro que possui uma estrutura cristalina CCC à temperatura ambiente, que muda para CFC a 912ºC. Quando o sólido se trata de uma substância composta, a denominação utilizada é polimorfismo. (Padilha, 2000) Até o momento, estávamos falando sobre sólidos cristalinos. Os sólidos não cristalinos possuem um arranjo atômico regular e sistemático com distâncias atômicas relativamente grandes. Esses materiais também são chamados de amorfos cujo significado é “sem forma”). O fato de o sólido que se forma ser cristalino ou amorfo dependerá da facilidade com a qual sua estrutura atômica no estado líquido conseguiu se transformar em um estado ordenado durante a solidificação. Logo, os materiais amorfos caracterizam-se por possuí- rem estruturas complexas que se tornam ordenadas com dificuldade. Os metais e alguns materiais cerâmicos, formam sólidos cristalinos, enquanto ou- tros, como os vidros, são amorfos. Os polímeros podem ser completamente não cristalinos ou semicristalinos, com graus variáveis de organização. Um exemplo de comparação entre a estrutura de um sólido cristalino e um sólido amorfo, pode ser observado na Figura 8. UNIDADE 1 FUNDAMENTOS DOS MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA 19 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Quando falamos em estrutura cristalina, podemos pensar em uma estrutura bem estabelecida e organizada, porém, todas as redes cristalinas irão possuir defeitos. Se este defeito estiver localizado em um ponto específico, ele será chamado de defeito pontual e poderá se apresentar de três maneiras distintas: (a) lacunas, (b) defeitos substitucionais e (c) defeitos intersticiais. a) Lacunas: resultado da ausência de um átomo em uma posição da rede cristali- na. A quantidade de lacunas tende a aumentar com a elevação da temperatura, pois os átomos recebem mais energia e conseguem romper suas ligações. b) Defeitos Substitucionais: neste caso, um átomo em uma posição da rede cristalina é substituído por um átomo de um elemento diferente. Dependendo do átomo substitucional e das propriedades desejadas, o defeito pode surtir um efeito benéfico se ele melhorar as propriedades da rede. Quando átomos substitucionais são intencionalmente introduzidos em um material, chamamos este processo de dopagem, caso contrário, será uma impureza. c) Defeitos Intersticiais: ocorrem quando um átomo geralmente muito pequeno, ocupa um espaço da rede, que estaria normalmente vazio. (Newell, 2010) Uma outra categoria de defeitos, são os defeitos de rede que possuem uma escala maior, pois deformam seções inteiras. Quando este for o caso, costumamos cha- má-los de discordâncias, que por sua vez são de três tipos principais: (a) em aresta, (b) em hélice ou (c) mista. UNIDADE 1 FUNDAMENTOS DOS MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA SOLUÇÕES SÓLIDAS, IMPUREZAS , IMPERFEIÇÕES TÓPICO 4 20 a. Discordânciasem aresta: resultam da adição de um semiplano extra na rede que ao se estender é denominada linha da discordância. b. Discordância em hélice: resulta de um corte e um deslocamento da rede de um espaçamento atômico. c. Discordâncias mistas: combinação dos dois modos anteriores, com uma re- gião de transição onde é nítida a diferença entre elas. Os modos de discordância podem ser observados na Figura 9-a, b e c. FIGURA 9 - REPRESENTAÇÃO DA (A) DISCORDÂNCIA EM ARESTA, (B) DISCORDÂNCIA EM HÉLICE E (C) DISCORDÂNCIAS MISTAS. Fonte: Adaptado de Newell (2010, p. 46). Quando as discordâncias conseguem se movimentar devido à aplicação de uma tensão cisalhante, ocorrem rupturas das ligações entre átomos ao longo de um plano. Esse plano se deslocará ligeiramente e as ligações serão refeitas com átomos vizinhos, fazendo com que a discordância se movimente. O processo se repete resultando em um cristal de- formado. O movimento de discordâncias através de um cristal é denominado deslizamento. Agora que você aprendeu sobre alguns dos tipos de defeitos, vamos falar sobre uma técnica para aumento da resistência e endurecimento de metais. Tal processo con- siste na formação de ligas com átomos de impurezas que formam uma solução sólida substitucional ou intersticial. Nesse contexto, o procedimento é chamado aumento da resistência por solução sólida. Geralmente, os metais com alta pureza têm menor dureza e menor resistência que as ligas compostas pelo mesmo metal base. As ligas são mais resistentes que os metais puros porque os átomos de im- purezas que estão participando na solução sólida normalmente impõem de- formações de rede sobre os átomos hospedeiros vizinhos. Assim, resultam interações do campo de deformação da rede entre as discordâncias e esses átomos de impurezas, e, consequentemente, o movimento das discordâncias fica restrito. (CALLISTER e RETHWISCH, 2021, p. 173) UNIDADE 1 FUNDAMENTOS DOS MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA 21 Para explicar o efeito da presença do átomo de impureza, observe as Figuras 10-a, b. Se o átomo de impureza for menor do que o átomo hospedeiro que ele está substituindo, serão exercidas deformações de tração sobre a rede cristalina vizinha. De maneira contrá- ria, se o átomo substitucional for maior serão impostas deformações compressivas sobre sua vizinhança. FIGURA 10 - REPRESENTAÇÃO DA (A) DEFORMAÇÃO DE TRAÇÃO E (B) DEFORMAÇÃO DE COMPRESSÃO. Fonte: Adaptado de Callister e Rethwisch (2021, p. 174). UNIDADE 1 FUNDAMENTOS DOS MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA 22 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Uma maneira simples de explicar o fenômeno da difusão, é através da representa- ção por meio do contato de duas barras metálicas, de metais puros e diferentes. Suponha que você possui uma barra de cobre (Cu) e outra de níquel (Ni) e que elas estão encostadas uma na outra, conforme a Figura 11-a. As figuras seguintes, representam a esquematiza- ção das posições dos átomos e da composição através da interface. Agora imagine que essas barras são aquecidas a uma temperatura elevada (porém abaixo da temperatura de fusão dos dois metais) durante determinado período de tempo e depois, o conjunto é resfriado até a temperatura ambiente. A Figura 11-b representa o resultado da combinação do contato + aquecimento. Repare que existem cobre e níquel puros localizados nas duas extremidades do par, separados por uma região onde formou-se uma liga dos dois metais. As concentrações de ambos os metais variam de acordo com a posição, como mostrado na Figura 1-b. Mas o que significa a formação desta região de liga? Os átomos de cobre se difundiram para o níquel, bem como os átomos de níquel se difundiram para o cobre. Houve uma energia térmica suficiente para movimentar alguns átomos de suas posições originais. O processo no qual os átomos de um metal se difundem para o interior de outro metal é denominado interdifusão, ou difusão de impurezas. Existe, ainda, a possibilidade da difusão ocorrer em metais puros, mas nesse caso todos os átomos que estão mudando de posição são do mesmo tipo; esse fenômeno é denominado autodifusão. (Van Vlack, 1970; Callister e Rethwisch, 2021) UNIDADE 1 FUNDAMENTOS DOS MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA 5 DIFUSÃO ATÔMICA E PROCESSO DE DIFUSÃO TÓPICO 23 FIGURA 11 - PAR DE DIFUSÃO COBRE-NÍQUEL (A) ANTES E (B) APÓS TRATAMENTO TÉRMICO. Fonte: Adaptado de Callister e Rethwisch (2021, p. 108). Alguns processos importantes no tratamento de materiais (por exemplo, tratamento termoquímicos) dependem da transferência de massa (transporte de matéria) tanto no inte- rior de um sólido específico quanto a partir de um líquido, um gás ou outra fase sólida. Isso só é alcançado através da difusão. (Callister e Rethwisch, 2021) Os dois principais modelos de difusão propostos, são: a) Difusão por Lacunas (ou Vacâncias) Ocorre por meio da troca de um átomo de uma posição normal da rede para uma posição adjacente vazia na rede cristalina (defeito pontual), conforme Figura 12-a. A característica primordial para que ocorra esse processo, é a presença de lacunas, e o alcance desse tipo de difusão está relacionado com o número de defeitos presentes; em temperaturas elevadas, podem existir quantidade elevadas de lacunas nos metais. Sendo que os átomos em difusão e as lacunas trocam de posições entre si, a difusão dos átomos ocorre em uma determinada direção e o movimento de lacunas acontece direção oposta. b) Difusão Intersticial Já este caso, envolve átomos que migram de uma posição intersticial para uma po- sição intersticial vizinha que esteja vazia, conforme Figura 12-b. Esse mecanismo acontece para a interdifusão de impurezas como o hidrogênio, carbono, nitrogênio e oxigênio (devido ao tamanho reduzido de seus átomos). Átomos hospedeiros ou de impurezas substitu- cionais, não costumam se difundirem por esse mecanismo. (Van Vlack, 1970; Callister e Rethwisch, 2021) UNIDADE 1 FUNDAMENTOS DOS MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA 24 FIGURA 12 - REPRESENTAÇÃO DOS MOVIMENTOS ATÔMICOS. (A) DIFUSÃO POR LACUNAS E (B) DIFUSÃO INTERSTICIAL Fonte: Adaptado de Van Vlack (1970, p. 94). UNIDADE 1 FUNDAMENTOS DOS MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA 25 Ainda nos primórdios dos estudos dos materiais, percebeu-se que os cálculos das resistências teóricas de cristais perfeitos eram muitas vezes maiores que aquelas de fato medidas. Durante a década de 1930, des- cobriu-se que essa discrepância nas resistências mecânicas poderia ser explicada por um tipo de defeito cristalino linear, que foi denominado de discordância. Entretanto, apenas na década de 1950, com o auxílio de um microscópio eletrônico, foi provada a existência de tais defeitos, por meio da observação direta. Desde então, foi desenvolvida uma teoria que relaciona vários fenômenos físicos e mecânicos, e a presença de discordâncias nos metais. Fonte: Callister e Rethwisch (2021, p. 40). O inverno de 1850, na Rússia, foi particularmente frio, com a ocorrência de temperaturas mínimas recordes. Os uniformes de alguns soldados tinham botões de estanho, muitos dos quais se desfizeram devido as condições extremamente frias. Esse problema veio a ser conhecido como a doença do estanho. Fonte: Callister e Rethwisch (2021, p. 20). 26 CONSIDERAÇÕES FINAIS Encerramos o estudo da nossa primeiraunidade na disciplina de Materiais de Construção Mecânica. Espero que tenha sido proveitoso e interessante para você. O mais importante é que você tenha compreendido a relação estreita entre ligações químicas, estrutura cristalina e algumas propriedades dos materiais. Quando compreendemos a química que está por trás da ciência dos materiais, conseguimos visualizar a compreender características marcantes de cada material que nos deparamos no dia a dia. Quando percebemos que uma imperfeição presente em uma peça pode ser fruto de uma desordem atômica, não parece incrível como os átomos tão pequenos podem ser extremamente poderosos? Complemente seus estudos com a Leitura e com o Material Complementar. Lembre- -se que o assunto é extenso é nossa missão aqui, é debater apenas os principais aspectos. Obrigada por ler esta unidade e em breve estaremos juntos novamente. Até mais! UNIDADE 1 FUNDAMENTOS DOS MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA 26 27 LEITURA COMPLEMENTAR O site disponível no link abaixo, é parte de um projeto intitulado “Ciência dos Ma- teriais no Ensino Médio e na Escola Profissionalizante”, financiado pela FINEP no Edital “Ciência para Todos” (2004). O projeto teve duração de ago/2005 a dez/2007 e foi desen- volvido pelo LMDM (Laboratório de Material Didático Multimídia). Conteúdo sensacional que explica a disciplina com leveza e muita didática. https://cienciadosmateriais.org/ UNIDADE 1 FUNDAMENTOS DOS MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA 27 https://cienciadosmateriais.org/ 28 LEITURA COMPLEMENTAR LIVRO Título: Ciência e Engenharia de Materiais – Uma Introdução. Autores: William D. Callister Jr. e David G. Rethwisch Editora: LTC Sinopse: O livro aborda os três principais tipos de materiais (metais, cerâmica e polímeros) e compostos, a partir de funda- mentos e conceitos apropriados para estudantes de gradua- ção. Clássico indicado em diversas bibliografias, apresenta os conceitos a partir de uma sequência lógica, começando pelos temas mais simples para então, gradualmente, tratar dos as- suntos mais complexos. FILME / VÍDEO Título: As 100 Maiores Descobertas da Química Ano: 2004 Sinopse: O canal Discovery Science produziu este documentário onde elencou as treze principais descobertas científicas da área. Link do vídeo: https://www.youtube.com/watch?v=Iu6iRAYSJZ- M&t=1565s UNIDADE 1 FUNDAMENTOS DOS MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA 28 https://www.youtube.com/watch?v=Iu6iRAYSJZM&t=1565s https://www.youtube.com/watch?v=Iu6iRAYSJZM&t=1565s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Plano de Estudos • Metais monofásicos e Ligas. • Deformação elástica. • Deformação Plástica. • Recristalização. Objetivos da Aprendizagem • Entender a definição de metais monofásicos e a diferença para metais polifásicos. • Conhecer as principais características de algumas ligas comerciais ferrosas e não ferrosas. • Compreender o conceito de deformação elástica, bem como da deformação plástica. • Pontuar as diferenças entre os tipos de deformações. • Assimilar as etapas que envolvem o processo de recristalização. • Desenvolver a capacidade de classificar os processos de fabricação em trabalhos a frio e a quente. 2UNIDADEUNIDADE MICROESTRUTURAMICROESTRUTURA E DEFORMAÇÕESE DEFORMAÇÕES Professora Dra. Ana Caroline Crema de Almeida Fontes 30 INTRODUÇÃO Olá pessoal! Como vocês estão? Espero que tenham se aprofundado mais nos assuntos da Unidade I para que consigam assimilar da melhor maneira a Unidade II. Aqui iremos conhecer um pouco sobre as diferenças entre os principais tipos de metais e ligas comerciais. Comentamos brevemente na Unidade anterior, o motivo das ligas possuírem propriedades distintas dos metais puros. Qual a importância das diferentes fases nas características de um material metálico? Deixarei uma indicação de site com inúmeros diagramas de fases, para que você vá se familiarizando com eles. Quando temos o conhecimento das mudanças de fases do metal que estamos trabalhando, passamos a entender em um outro nível as propriedades que cercam aquele material. Também iremos falar sobre os tipos de deformações (elástica e plástica), qual sua relação com a organização atômica e quais são alguns parâmetros obtidos no ensaio de tração. Por fim, falaremos sobre o processo de recristalização e das etapas antecessora e sucessora, recuperação e crescimento de grão. Após você compreender bem o que é a recristalização, ficará fácil de saber o que são os trabalhos a frio e a quente. Aproveite para acessar cada link que foi indicado nessa Unidade, tanto os relacio- nados aos livros, vídeos e material extra. São todos de extrema importância para você se aprofundar no tema. Este assunto é muito extenso e aqui nós conheceremos, apenas, os pontos mais importantes. Desejo a você bons estudos! Vamos começar? UNIDADE 2 MICROESTRUTURA E DEFORMAÇÕES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31313131 Quando nós falamos em metais monofásicos, temos de tomar cuidado para não confundirmos os conceitos ou deixarmos nos levar pelo nome. Metal monofásico é aquele que possui apenas um tipo de estrutura cristalina em sua constituição. Ele pode ser um me- tal puro (cobre, zinco, alumínio, etc.) ou não. Quando há a adição de um segundo elemento (com a finalidade de melhorar as propriedades), nós teremos uma liga. Caso essa liga não ultrapasse o limite de solubilidade, ela será uma liga monofásica (latão, bronze, ligas cobre-níquel), senão, será polifásica (a maioria dos aços, ligas de titânio, ligas de alumínio, etc.). Portanto encontramos metais monofásicos puros e ligados. As propriedades dos me- tais monofásicos, podem ser ajustadas por meio de deformação plástica e recristalização (em breve falaremos dos dois assuntos). Você se lembra o que é o limite de solubilidade? É a concentração máxima de átomos de soluto que podem se dissolver no solvente para formar uma solução sólida (substitucional ou intersticial). Esse ponto encontra-se em alguma temperatura específica e a adição de soluto além desse limite, resulta na formação de outra solução sólida, com uma composição fortemente diferente. Dessa maneira, teremos a formação de uma liga polifásica. (Van Vlack, 1970; Callister e Rethwisch, 2021) Um exemplo de solução sólida substitucional é o sistema cobre-níquel. Esses elementos são completamente solúveis um no outro, em qualquer proporção. Conforme exibido na Figura-1, existem três regiões de fases diferentes no diagrama: campo alfa(α), campo líquido (L) e o campo bifásico α + L. O líquido (L) é uma solução líquida homogênea composta por cobre e níquel. A fase α é uma solução sólida substitucional formada por átomos de Cu e de Ni, que possui estrutura cristalina CFC. Perceba que em todas as composições, a única fase sólida presente, será a α, caracterizando assim, uma liga monofásica. 1 METAIS MONOFÁSICOS E LIGAS TÓPICO 31UNIDADE 2 MICROESTRUTURA E DEFORMAÇÕES FIGURA 1 – DIAGRAMA DE FASES COBRE-NÍQUEL. Fonte: Adaptado de Callister e Rethwisch (2021, p.229). Porém, como já comentamos anteriormente, quando existe mais de uma fase pre- sente no sistema, a combinação de suas propriedades será diferente e mais atrativa que as propriedades das fases individualmente. Agora que já definimos o que são metais monofásicos e polifásicos, vamos co- nhecer os tipos de ligas existentes? Lembre-se que que podem existir ligas com as duas classificações acima, porém, não iremos classificá-las em mono ou poli, senão teríamos que estudar com profundidade o diagrama de fases de cada uma delas. Mas fica a dica de leitura para vocês! As ligas metálicas, de acordo com sua composição, são classificadas em duas cate- gorias: ferrosas e não ferrosas. As ligas ferrosas possuem o ferro como principal constituinte, e incluem os aços e ferros fundidos. Já as ligas não ferrosas, são todas as outras que não são baseadas no ferro. Aqui iremos, apenas, conhecer as nomenclaturas e principais características das li- gas relacionadas. As ligas ferrosas serão estudadas com mais detalhes, na próxima Unidade. 32UNIDADE 2 MICROESTRUTURA E DEFORMAÇÕES A. Ligas Ferrosas A Figura-2 apresenta as principais classificações das ligas ferrosas. Na próxima Unidade serão abordados com mais detalhes, os principais aspectos desses metais. FIGURA 2 – CLASSIFICAÇÃO DE VÁRIAS LIGAS FERROSAS. Fonte: Callister e Rethwisch (2021, p.310). Aços: nesta categoria, existem quatro principais classificações. Na primeira, se encontram os Aços com Baixo Teor de Carbono, que contêm menos que 0,25%p C e não respondem ao tratamento térmico de têmpera. Logo, a melhoria da resistência é obtida por trabalho a frio. Essas ligas apresentam baixas dureza e resistência, ductilidade e tenacidade elevadas, são usináveis e soldáveis. Possuem baixo custo de produção. Em seguida, estão os Aços com Médio Teor de Carbono possuem concentrações entre aproximadamente 0,25% e 0,60%p C. Possuem baixa temperabilidade que pode ser melhorada com adições de cromo, níquel e molibdênio. Essas ligas, quando tratadas termicamente, são mais resistentes que os aços com baixo teor de carbono, porém com considerável perda de ductilidade e tenacidade. 33UNIDADE 2 MICROESTRUTURA E DEFORMAÇÕES Os Aços com Alto Teor de Carbono, apresentam teores entre 0,60% e 1,4%p C, são os mais duros e mais resistentes, entretanto, menos dúcteis. São largamente empre- gados em uma condição endurecida e revenida, resultando em elevada resistência ao des- gaste e abrasão. Devido à característica de serem capazes de manter uma aresta de corte afiada, são utilizados para fabricação de aços-ferramenta e matrizes, contendo geralmente adição de cromo, vanádio, tungstênio e molibdênio. Esses elementos de liga combinam-se com o carbono para formar carbonetos, que são muito duros e resistentes ao desgaste. Por fim, os Aços Inoxidáveis são altamente resistentes à corrosão em diversos ambientes. Seu elemento de liga predominante é o cromo que é preciso se apresentar em uma concentração superior 11%p Cr, para que o aço seja inoxidável. A resistência à corrosão também pode ser melhorada pela adição de níquel e molibdênio. Com base na fase predominante na microestrutura, os aços inoxidáveis são divididos em três classes: martensíticos, ferríticos ou austeníticos. ii. Ferros Fundidos: são uma classe de ligas ferrosas que contêm teores acima de 2,14%p C, porém, na prática, a maioria dos ferros fundidos contêm entre 3,0% e 4,5%p C, além de outros elementos ligantes. Essas ligas tornam-se completamente líquidas em tem- peraturas entre 1150°C e 1300°C, o que é consideravelmente mais baixo que para os aços. Logo, são fundidos com facilidade, tornando a fundição a técnica de fabricação mais indicada devido ao fato de alguns ferros fundidos serem muito frágeis. Essas ligas são classificadas em: ferro cinzento (teores de carbono e de silício entre 2,5%p e 4,0%p e entre 1,0%p e 3,0%p, respectivamente), ferro dúctil (adição de pequena quantidade de magnésio e/ou cé- rio antes da fundição), ferro branco, ferro maleável (baixo teor silício, 1,0%p, para o branco e o maleável) e ferro fundido vermicular (carbono aparece como grafita, cuja formação é favorecida pela presença de silício com teor entre 1,7%p e 3,0%p). B. Ligas Não Ferrosas A Figura-3 apresenta a classificação das principais ligas não ferrosas. Nesta Unida- de abordaremos apenas as mais conhecidas. 34UNIDADE 2 MICROESTRUTURA E DEFORMAÇÕES FIGURA 3 - CLASSIFICAÇÃO DAS LIGAS NÃO FERROSAS. Fonte: Callister e Rethwisch (2021, p.321). i. Cobre e suas Ligas: o cobre sem elementos de liga é tão macio e dúctil que é difícil de ser usinado e com capacidade quase ilimitada de ser trabalhado a frio. Altamente resistente à corrosão em diversos ambientes diferentes. A maioria das ligas de cobre não pode ser endurecida por tratamento térmico, logo, é utilizado o trabalho a frio e/ou a formação de ligas por solução sólida para a melhoraria das propriedades mecânicas. As ligas de cobre mais comuns são os latões, em que o zinco, como uma impureza substitucional, é o elemento de liga predominante. Alguns dos usos comuns para os latões incluem bijute- rias, cartuchos de munição, radiadores automotivos, instrumentos musicais, placas de componentes eletrônicos e moedas. Os bronzes são ligas de cobre e outros elementos (estanho, alumínio, silício e níquel). Tais ligas são mais resistentes que os latões, e também são muito resistentes à corrosão. Em geral, elas são utilizadas quando, além de resistência à corrosão, também são necessárias boas propriedades de tração. Resistências elevadas são obtidas por tratamentos térmicos de endurecimento por precipitação. Algumas aplicações incluem os mancais e as buchas dos trens de pouso de aeronaves a jato, molas e instrumentos cirúrgicos. ii. Alumínio e suas Ligas: a característica marcante é uma densidade relativa- mente baixa (2,7 g/cm3), condutividades elétrica e térmica elevadas, e resis- tência à corrosão em alguns ambientes comuns. Podem ser conformados com facilidade em razão de sua ductilidade elevada. A principal limitação do alumínio é sua baixa temperatura de fusão (660°C) que restringe a temperatura máxima de suas aplicações. 35UNIDADE 2 MICROESTRUTURA E DEFORMAÇÕES iii. Magnésio e suas Ligas: a densidade é ainda inferior às ligas de alumínio, (por volta de 1,7 g/cm3), sendo a mais baixa entre todos os metais estruturais. Suas ligas são usadas onde um baixo peso é uma consideração importante (ex: componentes de aeronaves). Em temperatura ambiente, o magnésio e suas ligas possuem capacidade de deformação limitadas, pois apenas uma pequena intensidade de trabalho a frio pode ser imposta sem recozimento. Consequentemente, a maior parte da fabricação se dá por fundição ou por deformação a quente. O magnésio apresenta temperatura de fusão baixa (651°C). Quimicamente, as ligas de magnésio são instáveis e suscetíveis à corrosão em ambientes marinhos, entretanto, essa mesma resistência é ra- zoavelmente boa na atmosfera normal. O pó de magnésio entra facilmente em ignição quando aquecido ao ar, por isso, deve-se tomar cuidado ao manusear esse material nesse estado. iv. Titânio e suas ligas: são materiais de engenharia que apresentam excelente combinação de propriedades. O metal puro tem massa específica relativamen- te baixa (4,5 g/cm3) e elevado ponto de fusão (1668°C).As ligas de titânio são extremamente resistentes, são dúcteis e podem ser forjadas e usinadas com fa- cilidade. O titânio sem elementos de liga apresenta estrutura cristalina hexagonal compacta (HC), às vezes denominada como a fase α à temperatura ambiente. Com a adição de elementos ligantes, são obtidas outras fases que irão influenciar nas propriedades das ligas. (Callister e Rethwisch, 2021). Existem ainda uma série de outras ligas não ferrosas que não foram comentadas aqui. Leia as referências desta Unidade e complemente seus estudos se aprofundando mais nas características de cada tipo de metal. 36UNIDADE 2 MICROESTRUTURA E DEFORMAÇÕES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37373737 O grau com que um material se deformará, irá depender da magnitude da tensão imposta. Para a maioria dos metais, ou dos materiais cristalinos, submetidos a uma peque- na tensão de tração, a tensão (σ) e a deformação (Ɛ) serão proporcionais entre si segundo a Equação 1, conhecida como Lei de Hooke: A relação acima, depende do Módulo de Elasticidade (ou Módulo de Young), E do material. A Tabela 1 apresenta alguns exemplos de E, para materiais conhecidos. TABELA 1 - VALORES DE MÓDULO DE ELASTICIDADE, EM GPA, PARA ALGUNS METAIS Metal Módulo de Elasticidade (E), GPa Alumínio 69 Latão 97 Cobre 110 Magnésio 45 Níquel 207 Aço 207 Titânio 107 Tungstênio 407 Fonte: Adaptado de Callister e Rethwisch (2021, p. 131). 2 DEFORMAÇÃO ELÁSTICA TÓPICO 37UNIDADE 2 MICROESTRUTURA E DEFORMAÇÕES Apenas quando o processo de deformação em que a tensão e a deformação são proporcionais, podemos chamar de deformação elástica. Observe o gráfico da tensão em função da deformação, na Figura-4, que resulta em uma reta. A inclinação dessa reta corresponderá ao módulo de elasticidade E. Uma descrição desse módulo, é que ele pode ser considerado como a rigidez, ou a resistência do material à deformação elástica e é uma característica do metal. Ou seja, quanto maior o valor de E, mais rígido será o material, ou menor será a deformação elástica resultante da aplicação de uma dada tensão. A defor- mação elástica não é permanente, pois, quando a tensão aplicada é liberada, o material retorna à sua forma original. Esse é um importante parâmetro de projeto empregado para calcular deflexões elásticas. (Callister e Rethwisch, 2021 e Padilha, 2000) FIGURA 4 - DIAGRAMA ESQUEMÁTICO TENSÃO-DEFORMAÇÃO MOSTRANDO A REGIÃO DE DEFORMAÇÃO ELÁSTICA. Fonte: Adaptado de Callister e Rethwisch (2021, p. 131). Em uma escala atômica, a deformação elástica que conseguimos observar, inicia-se como pequenas alterações no espaçamento interatômico e no estiramento das ligações interatômicas. Os valores para os módulos de elasticidade dos materiais cerâmicos são próximos ao dos metais e para os polímeros, são menores. Essas diferenças são consequências dos diferentes tipos de ligações atômicas nos três tipos de materiais. Como estamos falando em ligações atômicas, é de se esperar que o módulo de elasticidade diminua com o aumento da temperatura. (Callister e Rethwisch, 2021 e Van Vlack, 1970). 38UNIDADE 2 MICROESTRUTURA E DEFORMAÇÕES De maneira análoga, a aplicação de tensões de compressão, cisalhamento (Figu- ra-5) ou torção também induzirão a um comportamento elástico. FIGURA 5 - REPRESENTAÇÕES DO COMPORTAMENTO DOS ÁTOMOS EM UMA ESTRUTURA CRISTALINA, (A) NO ESTADO SEM DEFORMAÇÕES, (B) COM A APLICAÇÃO DE UMA TENSÃO DE TRAÇÃO, (C) COM A APLICAÇÃO DE UMA TENSÃO DE COMPRESSÃO E (D) SUBMETIDO À UMA TENSÃO DE CISALHAMENTO. Fonte: Adaptado de Van Vlack (1970, p. 153). Para obtermos a deformação elástica de cisalhamento (γ), utilizamos a tangente de cisalhamento α, conforme Equação 2: Com isso, conseguimos calcular o módulo de cisalhamento (G), que é a relação entre a tensão de cisalhamento (𝜏) e a deformação de cisalhamento (γ), conforme Equação 3: A Tabela 2 apresenta os valores de Módulo de Cisalhamento, em GPa, para alguns metais conhecidos. 39UNIDADE 2 MICROESTRUTURA E DEFORMAÇÕES TABELA 2 - VALORES DE MÓDULO DE CISALHAMENTO, EM GPA, PARA ALGUNS METAIS. Metal Módulo de Cisalhamento (G), GPa Alumínio 25 Latão 37 Cobre 46 Magnésio 17 Níquel 76 Aço 83 Titânio 45 Tungstênio 160 Fonte: Adaptado de Callister e Rethwisch (2021, p. 131). Podemos relacionar o Módulo de Elasticidade com o Módulo de Cisalhamento, através da Equação 4: O parâmetro ν, Coeficiente de Poisson, geralmente está entre 0,25 e 0,50, portanto, o valor de G pode ser estimado como, aproximadamente, 35% do E. (Van Vlack, 1970 e Padilha, 2000). 40UNIDADE 2 MICROESTRUTURA E DEFORMAÇÕES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41414141 Grande parte dos materiais metálicos, apresentam um regime de deformação elástica apenas até deformações de aproximadamente 0,005. Continuando a deformação do material além desse ponto, a tensão não é mais proporcional à deformação (a lei de Hooke deixa de ser aplicável), e ocorre uma deformação permanente, não recuperável, ou deformação plástica. A transição do regime elástico para o plástico, normalmente, é gradual e ocorre uma curvatura no início da deformação plástica, que aumenta conforme ocorre o aumento da tensão. Na Figura-6 você pode observar um exemplo de curva tensão-defor- mação em tração até a região plástica para um metal hipotético. A deformação plástica corresponde ao rompimento das ligações entre átomos vizinhos, seguida pela formação de novas ligações com outros átomos vizinhos, à medida que um grande número de átomos se movem uns em relação aos outros. Mesmo após a remoção da tensão, eles não retornam às suas posições originais. Nos sólidos cristalinos, a deformação ocorre através de um processo chamado escorregamento, que envolve o movimento de discordâncias. Quanto um sistema/componente mecânico é projetado, é necessário assegurar que ocorra apenas deformação elástica quando uma tensão for aplicada. Caso contrário, o material poderá sofrer uma deformação permanente e pode não ser capaz de funcionar de acordo com o projeto. Por esse motivo, o(a) Engenheiro(a) deve saber o nível de tensão no qual tem início a deformação plástica, ou no qual ocorre o fenômeno do escoamento. 3 DEFORMAÇÃO PLÁSTICA TÓPICO 41UNIDADE 2 MICROESTRUTURA E DEFORMAÇÕES Para metais que apresentam uma transição progressiva de deformação elástica para deformação plástica, o ponto de escoamento pode ser determinado como aquele onde ocorre o afastamento inicial da linearidade na curva tensão-deformação. Esse ponto pode ser chamado de limite de proporcionalidade, (ponto P na Figura-6), e representa o início da deformação plástica ao nível microscópico. Devidoa dificuldade em medir a posição do ponto P, estabeleceu-se uma convenção na qual uma linha reta é traçada paralelamente à porção elástica da curva tensão-deformação em alguma pré-deformação especificada, usualmente igual a 0,002. A tensão correspondente à interseção dessa linha com a curva tensão-deformação conforme esta se inclina na região plástica é definida como o limite de escoamento, σl, que é medido em MPa. FIGURA 6 - (A) COMPORTAMENTO TENSÃO-DEFORMAÇÃO PARA UM METAL INDICANDO OS CAMPOS DE DEFORMAÇÃO ELÁSTICA E PLÁSTICA, O LIMITE DE PROPORCIONALIDADE P E A RESISTÊNCIA AO ESCOAMENTO , ATRAVÉS DO MÉTODO DA PRÉ-DEFORMAÇÃO DE 0,002. (B) COMPORTAMENTO TENSÃO-DEFORMAÇÃO DE ALGUNS AÇOS QUE EXIBEM O FENÔMENO DO PONTO DE ESCOAMENTO. Fonte: Adaptado de Callister e Rethwisch (2021, p.136). 42UNIDADE 2 MICROESTRUTURA E DEFORMAÇÕES Alguns materiais podem possuir região elástica não linear, nesse caso, a aplicação do método da pré-deformação não é possível, e a prática usual consiste em definir o limite de escoamento como a tensão necessária para produzir uma determinada quantidade de deformação (por exemplo, ε = 0,005). Outra situação que pode ocorrer, é que para alguns aços e outros materiais o com- portamento tensão-deformação em tração, seja similar ao mostrado na Figura 6-b. A tran- sição elastoplástica é bem definida, conforme pode ser observado na imagem. No entanto, a deformação plástica inicia no limite de escoamento superior, ocorrendo uma diminuição aparente na tensão de engenharia. A deformação a seguir flutua ao redor de algum valor de tensão constante, denominado limite de escoamento inferior. Como consequencia, a tensão aumenta devido ao aumento da deformação. Para os metais que exibem esse efeito, o limite de escoamento é padronizado como a tensão média associada ao limite de escoamento inferior. Dessa forma, para esses materiais não é utiliza-se o método da pré-deformação. Após o escoamento, a tensão necessária para continuar a deformação plástica nos metais aumenta até um valor máximo, o ponto M na Figura-7, e então diminui até a posterior fratura do material, no ponto F. O limite de resistência à tração, LRT (MPa), é a tensão no ponto máximo da curva tensão-deformação de engenharia e corresponde à tensão máxima suportada por uma estrutura sob tração. Ou seja, se essa tensão for aplicada e mantida, ocorrerá fratura. Toda deformação até esse ponto está uniformemente distribuída por toda a região estreita do corpo de prova de tração. Contudo, nessa tensão máxima, uma pequena constrição, ou pescoço, começa a se formar em algum ponto e esse fenômeno é denomi- nado estricção (empescoçamento), e a fratura tem lugar nesse pescoço. A resistência à fratura corresponde à tensão no ponto de ruptura. Quando você ver a resistência de um metal citada para fins de projeto, é sobre o limite de escoamento que está sendo falado, pois, no momento em que a tensão correspon- dente ao limite de resistência à tração chega a ser aplicada, com frequência uma estrutura já sofreu tamanha deformação plástica que já perdeu sua função. 43UNIDADE 2 MICROESTRUTURA E DEFORMAÇÕES FIGURA 7 - CURVA TENSÃO-DEFORMAÇÃO DE ENGENHARIA ATÉ A FRATURA, PONTO F. O LIMITE DE RESISTÊNCIA À TRAÇÃO LRT ESTÁ INDICADO PELO PONTO M. OS DETALHES DENTRO DOS CÍRCULOS REPRESENTAM A GEOMETRIA DO CORPO DE PROVA SOFRENDO A ESTRICÇÃO. Fonte: Callister e Rethwisch (2021, p.137). 44UNIDADE 2 MICROESTRUTURA E DEFORMAÇÕES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45454545 Quando um metal é trabalhado a frio (plasticamente deformado), seus cristais possuem mais energia do que os cristais de um mesmo material não deformado. Isso se deve ao fato de serem inseridas discordâncias e outros tipos de imperfeições, no interior do cristal, elevando o nível das energias de deformações. Agora suponha que esse metal que foi deformado a frio, seja submetido a um tratamento térmico para alívio de tensões. Esse tratamento é conhecido por recozimento. Tal processo oferece condições adequadas para que os cristais deformados se rearranjem de uma forma perfeita e não deformada. Durante o início do tratamento, até determinada faixa de temperatura (característica para cada metal), ocorrerá o que chamamos de recuperação. Nesse estágio não ocorre nenhuma mudança microestrutural visível, porém, a mobilidade atômica é suficiente para iniciar o alívio de tensões. Ou seja, uma parcela da energia de deformação interna armazenada é liberada em virtude do movimento das discordâncias como resultado da maior difusão atômica em temperaturas mais elevadas. Observe na Figura-8 a faixa de recuperação para determinado tipo de latão. Prosseguindo com a elevação da temperatura de tratamento térmico, o material entrará na faixa de recristalização onde ocorrerá a formação de um novo conjunto de grãos livres de deformação. Isso significa que eles possuirão um aspecto relativamente homogêneo, com baixas densidades de discordâncias e com características das condições anteriores ao trabalho a frio. Logo, as propriedades mecânicas alteradas durante o trabalho a frio, são restauradas aos valores prévios (o metal torna-se menos resistente com dureza reduzida, porém, mais dúctil). (Van Vlack, 1970; Callister e Rethwisch, 2021). A fração de material recristalizado irá aumentar com o tempo que, juntamente, com a temperatura são os parâmetros responsáveis pelos efeitos desse processo. Essa relação pode ser observada na Figura-8, que, para um tempo constante de tratamento térmico de 1 h, mostra a queda do limite de resistência à tração e o aumento da ductilidade em função da temperatura de tratamento térmico para um tipo de latão. 4 RECRISTALIZAÇÃO TÓPICO 45UNIDADE 2 MICROESTRUTURA E DEFORMAÇÕES O comportamento da recristalização de um material metálico pode ser especifi- cado em termos de uma temperatura de recristalização, que é a temperatura na qual a recristalização termina em exatamente 1 h. Dessa forma, a temperatura de recristalização para o latão mostrado na Figura-8, é de aproximadamente 450ºC (temperatura em que os grãos apresentam aspecto homogêneo). Geralmente, a temperatura de recristalização será por volta de um terço a metade da temperatura de fusão do metal ou liga. Outros fatores também influenciam essa característica, como: quantidade de trabalho a frio a que o ma- terial foi submetido e se estamos tratando de um metal puro ou de uma liga. Por exemplo, quanto mais elevada a porcentagem de trabalho a frio, maior será a taxa de recristalização, resultando em uma redução da temperatura de recristalização, que tenderá a um valor constante em condições de deformações elevadas. FIGURA 8 – VARIAÇÃO DO LIMITE DE RESISTÊNCIA À TRAÇÃO E DA DUCTILIDADE DE UM LATÃO, EM RELAÇÃO À TEMPERATURA DE RECOZIMENTO (PARA UM TEMPO DE TRATAMENTO TÉRMICO DE 1 H). NA FIGURA, APARECE A EVOLUÇÃO DO TAMANHO DE GRÃO EM FUNÇÃO DA TEMPERATURA DE RECOZIMENTO. Fonte: Callister e Rethwisch (2021, p.180). 46UNIDADE 2 MICROESTRUTURA E DEFORMAÇÕES Ainda, a recristalização acontece mais rapidamente nos metais puros do que nas ligas. Durante a recristalização, ocorre o rearranjo ou difusão dos átomos, que irão segregar preferencialmente nos contornos de grão recristalizados, restringindo suas mobilidades. Isso resulta em uma
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