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Curso de Extensão Engenharia de Materiais 1. 2. Aços rápidos (“high speed steels”) são ligas de ferro contendo carbono, tungstênio, molibdênio, vanádio, cromo e outros elementos, desenhadas para atingir um elevado valor de dureza por tratamento térmico de têmpera e revenimento. Dentre os aços rápidos, o mais popular é o aço AISI M2, que apresenta aproximadamente 6%W, 5% Mo, 4% Cr, 2% V e por volta de 1%C. Ele é usado na fabricação de ferramentas (bits, fresas, brocas) de usinagem apresentando elevada resistência ao desgaste (abrasivo e adesivo), o que permite aumentar a velocidade de corte nestas operações (daí o nome). Kim et al. (Fracture toughness of AISI M2 High-speed steel and corresponding matrix tool steel, Metall. Trans. 13A, 1982, pp. 1595 – 1605) mediram a tenacidade à fratura em deformação plana (KIc) para aços M2 sujeitos a diferentes condições de tratamento térmico (Vide a Figura 2), que consiste em austenitizar (aquecer a uma temperatura TA onde a austenita é estável), temperá-lo e, posteriormente, reaquecê-lo a uma temperatura intermediária, TR, em um tratamento chamado de revenido. A Tabela I a seguir sumariza alguns dos resultados de KIc obtidos por estes autores em função de algumas escolhas de temperaturas de tratamento térmico. Figura 2- Esquema do ciclo térmico correspondente ao tratamento térmico de têmpera e revenido do aço AISI M2. 𝐾𝐼𝐶 = 𝑌×𝜎×√𝜋×𝑎𝑐 2 Tabela I – Resultados de tenacidade à fratura obtidos por Kim et. al. Para um aço AISI M2 sujeito a três diferentes condições de tratamento térmico de têmpera e revenido. Com base nestes valores e supondo que o componente fabricado a partir deste aço estará sujeito, em serviço, a uma tensão máxima de tração de 400MPa, calcule o tamanho máximo do defeito crítico superficial (isto é, use Y = 1,12) aceitável para as três condições de tratamento térmico. Qual é a condição mais segura para o tratamento térmico deste componente? 3. 4. 5. 6. 7. Nosso entendimento da relação entre estrutura e propriedade de materiais provê a base para a seleção de materiais existentes e o desenvolvimento de novos materiais. Nós dependemos também desse conhecimento científico para utilizar materiais na obtenção de produtos úteis, uma vez que o processamento desses materiais depende da estrutura e das propriedades dos materiais que usamos e também as influencia. O parágrafo acima retrata a inter-relação existente entre os três elementos básicos da ciência dos materiais: estrutura, propriedade e processamento. As opções abaixo contêm, cada uma, duas assertivas relativas a essa correlação, sendo que a segunda é uma justificativa da primeira. Assinale a opção em que as duas assertivas são verdadeiras e a segunda é uma justificativa correta para a primeira. a) Produtos cerâmicos não podem ser fabricados por processos que dependam de deformação plástica no material porque as matérias-primas utilizadas para fabricação de cerâmicas convencionais são naturais. b) A laminação a frio de metais causa aumento de sua dureza, mecanismo conhecido como encruamento, porque o tamanho do grão de metal diminui durante a laminação a frio. c) A consolidação dimensional de produtos cerâmicos obtidos por prensagem ocorre durante a queima porque a diminuição de porosidade advinda da sinterização acarreta aumento da resistência mecânica de cerâmicas. d) O controle da temperatura e da concentração do iniciador durante a síntese de polímeros influencia o limite de resistência à tração desses materiais porque tais parâmetros afetam a massa molar média do polímero obtido. e) Peças metálicas obtidas por fundição apresentam grão menor que o de peças do mesmo componente processadas por forjamento porque a solidificação de metais leva à formação de um material policristalino. 8. No campo da ciência de materiais, defeito ou imperfeição estrutural significa que ocorre uma interrupção, uma irregularidade ou um desarranjo na estrutura do material. A presença de imperfeições não implica, necessariamente, em um efeito negativo sobre as propriedades. A respeito desse tema, assinale a opção incorreta. a) Lacunas são imperfeições no arranjo atômico que, geralmente, estão presentes em materiais metálicos e cerâmicos, o que possibilita a difusão atômica, necessária para a maioria dos processos de transformação de fase. b) O contorno de grão, imperfeição estrutural tipicamente presente em materiais monocristalinos, influencia as propriedades mecânicas do material. Reduzindo-se o tamanho do grão, é possível diminuir o limite de resistência do material. c) A deformação plástica de metais, por meio da qual são possíveis diversos processos de conformação mecânica, como, por exemplo, a laminação, ocorre por meio do movimento de discordâncias ou de deslocações. d) A presença de poros pode — ou não — ser desejável, dependendo da aplicação do material. Poros podem ser introduzidos intencionalmente, por exemplo, para reduzir a condutividade térmica de materiais. e) A adição intencional de impurezas em um material, mesmo em pequenas quantidades, pode afetar significativamente suas propriedades ópticas e elétricas. 9. αm representa a fase inicial (solução supersaturada ou fase vítrea) β representa a segunda fase formada Transformações de fase podem ser usadas para controle de microestrutura e, portanto, de propriedades de materiais. Grande parte das transformações de fase nos materiais ocorre por nucleação e crescimento de cristais a partir de uma fase metaestável, como no exemplo acima, que ilustra a cristalização a partir de um vidro e a precipitação a partir de uma solução sólida. Esse processo pode ser representado em um diagrama tempo-temperatura-transformação, ilustrado na figura acima. Dependendo do tratamento térmico a que o material metaestável inicial for submetido, diferentes microestruturas podem ser obtidas. Os ciclos térmicos identificados em azul (R1) e em vermelho (R2) representam dois diferentes tratamentos térmicos. Considerando essas informações, assinale a opção correta. a) As fases existentes antes da transformação indicada no diagrama, vidro ou solução sólida supersaturada, são fases de equilíbrio. b) A curva R1 representa um tratamento térmico utilizado quando se deseja obter um material em que a segunda fase formada apresenta tamanho de partícula menor que o apresentado pelo tratamento R2. c) Partindo-se do vidro, o produto resultante do tratamento térmico representado pelo ciclo térmico R2 apresentará maior limite de resistência mecânica que o obtido pelo tratamento R1. d) A vitrocerâmica obtida por meio do tratamento térmico do vidro pelo ciclo térmico R2 tem menor tenacidade que o vidro inicial. e) Assumindo-se que o custo do processo depende exclusivamente da temperatura de tratamento térmico, o processo R1 é financeiramente mais vantajoso que o processo R2. 10. A literatura que trata dos efeitos da microestrutura sobre as propriedades mecânicas dos materiais metálicos policristalinos estabelece uma relação entre o tamanho médio de grão e o limite de escoamento (σy) — relação de Hall-Petch. Com base nesses conceitos, foram desenvolvidas técnicas de processamentos termomecânicos, como, por exemplo, a laminação controlada, que visam o refino de grão de aços estruturais, em que os requisitos de resistência mecânica e tenacidade são essenciais na especificação desses produtos. Acerca dessa relação, assinale a opção correta. a) Nosmateriais monofásicos, o limite de escoamento (σy) cresce com a raiz quadrada do tamanho médio de grão. b) Quando o material apresenta grãos de fases diferentes, com características microestruturais muito distintas, é possível adotar uma expressão do tipo “regra das misturas”, utilizando a equação de Hall-Petch para cada uma das fases na proporção da fração em volume de cada fase. c) A equação de Hall-Petch aplica-se apenas aos materiais com grãos completamente recristalizados e que apresentem distribuição uniforme de tamanhos. d) É possível adotar um tamanho de grão equivalente na equação de Hall- Petch, desde que uma fração dos grãos de uma mesma fase não apresente subestrutura de discordâncias para formação de subgrãos. e) O tamanho médio dos grãos na relação de HallPetch representa o efeito dos contornos dos grãos como barreira à movimentação das discordâncias. Portanto, quanto maior é o tamanho médio de grão, maior é o número de contornos por unidade de volume e, assim, maior é o número de barreiras à movimentação das discordâncias.
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