Apostila tecnologia dos materiais

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MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃOSECRETARIA DE EDUCAÇÃO PROFISSIONAL E TECNOLÓGICAINSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SANTACATARINACAMPUS JOINVILLEDEPARTAMENTO DO DESENVOLVIMENTO DO ENSINO
COORDENAÇÃO ACADÊMICA / MECÂNICA
TECNOLOGIA DOS MATERIAIS – I
Joinville, fevereiro de 2007
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SUMÁRIOCAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO .................................................................................. 3CAPÍTULO 2 – ESTRUTURA CRISTALINA.............................................................. 6CAPÍTULO 3 –IMPERFEIÇÕES DA ESTRUTURA CRISTALINA ............................... 113.1 IMPERFEIÇÕES ESTRUTURAIS ................................................................ 11
3.2 DEFEITOS PONTUAIS.............................................................................. 123.3 DEFEITOS LINEARES (DISCORDÂNCIAS).............................................. 153.4 DEFEITOS DE SUPERFÍCIES.................................................................  163.5 RELAÇÃO ENTRE DEFEITOS E PROPRIEDADES MECÂNICAS........ 19CAPÍTULO 4 – DIAGRAMAS DE FASE .................................................................. 214.1. A regra de fase ...................................................................................... 214.2 Sistemas Isomorfos ................................................................................ 234.3 Sistemas Eutéticos ................................................................................ 244.4 Sistemas eutetóides ............................................................................... 244.4.1 Sistema Ferro Carbono ........................................................................ 254.5 Desenvolvimento da microestrutura para o sistema ferro carbono ........ 284.6 Interpretação do diagrama de fases ......................................................  30CAPÍTULO 5 – AÇOS E FERROS FUNDIDOS .......................................................  325.1 AÇOS...................................................................................................... 325.2 FERROS FUNDIDOS ............................................................................. 38CAPÍTULO 6. METALOGRAFIA .............................................................................. 426.1 Micrografia ............................................................................................. 42CAPÍTULO 7. ENSAIOS MECÂNICOS .................................................................... 517.1 ENSAIO DE TRAÇÃO ............................................................................ 517.2 ENSAIO DE DUREZA ............................................................................ 587.2.1 DUREZA BRINELL .............................................................................. 607.2.2 DUREZA ROCKWELL ......................................................................... 627.2.3 DUREZA VICKERS ........................................................................... 647.2.4 MICRODUREZA .................................................................................. 677.3 ENSAIO DE IMPACTO .........................................................................   68
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CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO
 A disciplina de ciência dos materiais envolve a investigação da relação existente entreestrutura e propriedade dos materiais. Em contraste, a engenharia de materiais é,baseada na correlação entre propriedade e estrutura dos materiais, no processo de
fabricação para produzir determinado conjunto de propriedades.Virtualmente, todas as propriedades importantes dos materiais sólidos podem ser agrupasem seis grupos: mecânica, elétrica, térmica, magnética, ótica e deterioração. Para cadapropriedade existe um tipo característico de estímulo capaz de provocar diferentesrespostas. A propriedade mecânica relaciona a deformação produzido por umcarregamento aplicado ou uma força, exemplos incluem módulo de elasticidade eresistência a tração. Para a propriedade elétrica, tais como condutividade térmica econstante dielétrica, o estímulo é um campo elétrico. O comportamento térmico dosmateriais pode ser observado na condutividade térmica. Propriedades magnéticasdemonstram a resposta do material na presença de um campo elétrico. Para propriedadesóticas, o estímulo é radiação eletromagnética ou presença da luz. Finalmente, ascaracterísticas deteriorativas indicam a característica da reatividade química dosmateriais.
Em adição a relação estrutura e propriedades, dois outros fatores devem ser considerados na ciência e engenharia dos materiais. Processamento e desempenho(aplicação). A respeito da relação entre estes quarto componentes, a estrutura do materialdepende de como ele sera processado. Mais, a desempenho do material dependerá desuas propriedades. Assim, a relação entre processo, estrutura, propriedade edesempenho é linear, como mostrado na figura 1.1.
Figura 1.1 – Relação entre processo, estrutura, propriedade .
Na figura 1.2, podemos ver um exemplo desta relação entre processo, estrutura,propriedade e aplicação. A fotografia mostra três discos colocados sobre uma folha, ondecada uma destas peças tem características diferentes, isto é, a da direita é opaca, a
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central é translúcida e da esquerda transparente. O interessante é que estas três peçassão do mesmo material, a alumina. A peça central é composta de numerosos cristaismuito pequenos, a peça da esquerda é apenas um único cristal e a da direita é compostade numerosos cristais muito pequenos e com alta porosidade. Para se obter estasdiferentes características em cada peça é necessário um processo de fabricação diferentepara se obter diferentes estruturas.
Figura 1.2 – Diferentes propriedades para um mesmo material, obtidas de acordo comseu processo de fabricação
1.1 Classificação dos materiais
Os Materiais com que a Eng. de Materiais normalmente se envolve são os Metálicos, osCerâmicos, os Polímeros. Esta divisão é baseada principalmente na estrutura atômica etipo de ligação atômica. Em adição, existem três outros grupos de importância para a áreade engenharia dos materiais – compósitos, semicondutores e biomateriais.
  Metálicos  – Englobam todos os metais tanto ferrosos quanto não ferrosos. Ometais ferrosos podem ainda ser divididos entre metais preciosos  (ouro, paládio,platina e prata), metais básicos  (são a maioria: alumínio, cobre, estanho, zinco, etc.),metais estratégicos  (tório, silício, urânio) e metais refratários  (tungstênio, vanádio,tântalo e nióbio).
Obs.: Materiais refratários são materiais que resistem bem ao calor e por isso são muitousados em revestimento de fornos. Normalmente são cerâmicos. Já os metais refratáriossão metais que possuem alta temperatura de fusão.
  Cerâmicos - Alguns produtos são cerâmicas em sua origem: tijolo, telhas, azulejo,porcelanas de banheiro e até o vidro. Cerâmicos são bons isolantes elétricos etérmicos.
  Polímeros - Um polímero é uma macromolécula formada pela repetição de
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pequenas e simples unidades químicas (monômeros), ligadas covalentemente.
  Compósitos - Compósitos são materiais formados pela combinação de dois oumais materiais distintos que mantém as suas propriedades individuais e sem que hajainteração química intencional entre eles, ou seja, são formados pela misturade pelomenos dois materiais de grupos diferentes (metais + polímeros, cerâmicos + metais,etc). O pneu é um exemplo de compósito, pois é formado por fibras metálicas +borracha.
  Semicondutores - Materiais semicondutores apresentam propriedades elétricasque são intermediárias entre metais e isolantes. Além disso, as característicaselétricas são extremamente sensíveis à presença de pequenas quantidades deimpurezas, cuja concentração pode ser controlada em pequenas regiões do material(para formar as junções p-n). Os semicondutores tornaram possível o advento docircuito integrado que revolucionou as indústrias de eletrônica e computadores.
Ex: Si, Ge, GaAs, InSb, GaN, CdTe..
  Biomateriais - são empregados em componentes para implantes de partes em
seres humanos. Esses materiais não devem produzir substâncias tóxicas e devem ser compatíveis com o tecido humano (isto é, não deve causar rejeição). Metais,cerâmicos, compósitos e polímeros podem ser usados como biomateriais.
Fig 1.3 - Evolução da utilização dos materiais. Figura copiada do material do Prof. ArlindoSilva do Instituto Superior Técnico da Universidade de Portugal
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CAPÍTULO 2 - ESTRUTURA CRISTALINA
2.1 NTRODUÇÃO
 As propriedades dos materiais estão diretamente relacionadas com a estrutura cristalinadestes materiais. Por exemplo, magnésio puro e não deformado tem uma estruturacristalina que é muito mais frágil que o ouro ou a prata que tem outra estrutura cristalina. Ainda mais, existem diferenças significativas em propriedades entre materiais cristalinos enão cristalinos (amorfos), tendo a mesma composição. Um material cristalino é aquele noqual os átomos estão ordenados em um arranjo repetido ou periódico em uma cadeia deátomos, isto é, como na solidificação os átomos se posicionarão em um padrãotridimensional repetitivo, no qual cada átomo é ligado ao seu átomo vizinho mais próximo.Todos os metais, muitos materiais cerâmicos e alguns polímeros formam uma estruturacristalina sob condições normais de solidificação.
Como comentado anteriormente, as propriedades dos sólidos cristalinos dependem daestrutura cristalina do material. Existe um número extremamente grande de diferentesestruturas cristalinas. Quando descrevemos a estrutura cristalina, os átomos sãoconsiderados esferas sólidas tendo seus diâmetros bem definidos, isto é chamado modeloatômico de esferas sólidas,figura 2.1, nos quais as esferas representando os átomosvizinhos mais próximos se tocam.
Figura 2.1 – modelo atômico de esferas rígidas
CÉLULA UNITÁRIA
 A ordem atômica nos sólidos cristalinos indica que pequenos grupos de átomos formamum padrão que se repete. Assim, na descrição das estruturas cristalinas, é conveniente
subdividir a estrutura em pequenas entidades repetitivas chamadas de célula unitária.
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SISTEMAS CRISTALINOS
Como existem muitas possibilidades de estruturas cristalinas, dividiu-se elas em gruposde acordo com as configurações da célula unitária e/ou arranjo atômico. Tal maneira ébaseada na forma geométrica da célula unitária (tabela 2.1), sem levar em consideração oposicionamento dos átomos na célula. 
TABELA 2.1 – Os sistemas cristalinos
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ESTRUTURA DOS MATERIAIS METÁLICOS
Três estruturas cristalinas relativamente simples são encontradas na maioria dosmateriais metálicos mais comuns: cúbica de face centrada, cúbica de corpo centrado ehexagonal compacta, e outra raramente encontrada: cúbica simples.
Estrutura Cúbica de Face Centrada – CFC 
 A maioria das estruturas cristalinas encontradas para materiais metálicos tem a célulaunitária com a forma de um cubo, com átomos localizados em cada um dos cantos docubo e centralizados em cada uma das faces deste mesmo cubo. Esta estrutura échamada de cúbica de face centrada (CFC), figura 2.2 e figura 2.3. Alguns dos metaismais comuns possuem esta estrutura cristalina: cobre, alumínio, prata e ouro.
Figura 2.2 – Representação de uma estruturaCFC no modelo de esferas rígidas. Na figura 2.1podemos ver um aglomerado maior com este tipode estrutura cristalina.
Figura 2.3 – Representação dos átomos contidos no interior da célula unitária, e comátomos em dimensões menores
Estrutura Cúbica de Corpo Centrado – CCC 
Outra estrutura cristalina comum entre os materiais metálicos é a estrutura cúbica decorpo centrado (CCC). Nesta estrutura temos um átomo em cada canto da célulaunitária e um átomo no cento do cubo (figura 2.4a).
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Figura 2.4 - (a)Representação de uma estrutura CFC no modelo de esferas rígidas,(b)Representação dos átomos contidos no interior da célula unitária, e (c)com átomos emdimensões menores(d)podemos ver um aglomerado maior com este tipo de estruturacristalina
Neste caso, o átomo do centro e os átomos nos cantos se tocam através da diagonal docubo.
Estrutura Cúbica Simples – (CS) 
Um terceiro tipo de estrutura cristalina, mais rara de ser encontrada é a estrutura cúbicasimples. Neste caso temos apenas átomos posicionados nos oito cantos da célulaunitária,como pode ser visto na figura 2.5.
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Figura 2.5 – Representação de uma estrutura cúbica simples no modelo de esferasrígidas
Estrutura cristalina Hexagonal Compacta – HC 
Nem todos os metais tem célula unitária sob a forma cúbica, a última estrutura cristalinamais comum entre os metais a ser discutida é a forma hexagonal. A figura 2.6a mostraesta estrutura com esferas reduzidas a qual é chamada de estrutura hexagonalcompacta (HC).Uma montagem de diversas células cristalinas hexagonais compacta émostrada na figura2.6b . O topo e a base da célula consistem de seis átomos dispostosna forma hexagonal rodeando um átomo central. Outro plano contém três átomosadicionais para a célula unitária, situado entre as faces superior e inferior.
Figura 2.6 – (a) Representação de uma célula unitária hexagonal compacta com esferareduzidas, (b) aglomerado com este tipo de célula cristalina.
Na tabela 2.2 estão listados alguns metais mais comuns com sua respectiva estrutura
cristalina.
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Tabela 2.2 – Raio atômicos e estrutura cristalina para 16 metais
CAP 3 - IMPERFEIÇÕES DA ESTRUTURA CRISTALINA
Durante a solidificação, os Materiais sofrem o rearranjo de seus átomos que determina aestrutura cristalina dos mesmos. Dependendo do modo com que o líquido transforma-seem sólido, podem ocorrer defeitos no empilhamento e organização dos átomos,resultando em imperfeições estruturais. O tipo e a quantidade destas imperfeições afetam decisivamente algumas propriedades e o comportamento dos materiais cristalinos .
Com exceção de alguns poucos produtos conformados por sinterização(metalurgia dopó), todos os produtos metálicos passam necessariamente pelo processo de solidificação,em algum estágio de sua fabricação. Em geral, o processo de solidificação pode ser dividido em duas etapas:
a. Formação de embriões de cristais estáveis dentro do líquido ou etapa de nucleação,como mostra figura 3.1;
b. Transformação dos núcleos em cristais, ou etapa de crescimento.
3.1 IMPERFEIÇÕES ESTRUTURAIS 
 As estruturas cristalinas analisadas até aqui apresentam como característica
básica,arranjos cristalinos muito bemdefinidos. Entretanto, os cristais observados naprática nunca são totalmente perfeitos, exibindo defeitos de diversas naturezas. Taisimperfeições afetam diretamente várias características dos materiais, como os parâmetrosenvolvidos na deformação plástica, na condutividade elétrica de semicondutores, nacorrosão em metais e em processos de difusão atômica.
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Figura 3.1 Nucleação e crescimento das estruturas cristalinas.
 As imperfeições presentes em estruturas cristalinas podem ser de três tipos básicos,quais sejam:¨ defeitos pontuais;
¨ defeitos em linha;
¨ defeitos de superfície.
3.2 DEFEITOS PONTUAIS 
Os cristais podem apresentar defeitos em pontos isolados de sua estrutura, dando lugar às imperfeições de ponto.
Dentre as imperfeições pontuais, as mais importantes são:
1. vacâncias ou vazios;
2. átomos intersticiais;
3. átomos substitucionais..
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O tipo de defeito mais simples é a vacância. As vacâncias são vazios pontuais causadospela ausência de átomos em algumas posições da rede cristalina, como mostra a figura3.2.Este tipo de defeito pode ser produzido durante o processo de solidificação, comoresultado de perturbações locais no crescimento do cristal.
Figura 3.2. Defeito pontual - Vacância
Uma outra classe de defeitos são os átomos substitucionais e intersticiais estranhos àrede cristalina. Os átomos intersticiais são imperfeições causadas pela presença deátomos estranhos nos interstícios (espaços vazios) da rede cristalina e os átomossubstitucionais são defeitos provocados pela existência de átomos estranhos nos
próprios vértices da rede cristalina, em substituição aos átomos que ali deveriam estar ali,se não existissem vacâncias. Defeitos dessa natureza podem modificar o comportamentode certas propriedades. Por exemplo, a presença de uma quantidade muito pequena deátomos estranhos à rede cristalina do silício pode afetar, de modo significativo, acondutividade elétrica do mesmo. Estes dois tipos de defeitos pontuais sãofreqüentemente observados durante a formação das ligas metálicas,na forma desoluções sólidas. 
Na maioria das aplicações de engenharia, a necessidade de propriedades específicas, fazcom que o uso de materiais metálicos nem sempre esteja restrito aos metais puro. Naverdade, apenas em um número bastante limitado de aplicações, os metais podem ser 
encontrados na forma pura ou quase pura. Por exemplo, o cobre de alta pureza(99,99%)é usado na confecção de fios elétricos devido a sua elevada condutividade elétrica. Oalumínio super-puro (99,99%) é usado na fabricação de objetos decorativos, pois omesmo permite obter uma superfície melhor acabada. Por outro lado, a maioria dosmateriais metálicos usados em engenharia, estão combinados com outros metais ou nãometais.
Estas combinações, denominadas de ligas metálicas, têm o objetivo de aumentar aresistência mecânica, a resistência à corrosão ou melhorar outras propriedades. Uma liga metálica, ou simplesmente uma liga, é a mistura de dois ou mais metais oumetais e não-metais. Estas ligas podem ter estruturas relativamente simples, como a deuma peça de bronze. O latão é essencialmente uma liga binária (doismetais),contendo70% em peso de Cu e 30% em peso de Zn. Por outro lado, certas ligaspodem ser extremamente complexas como as superligas à base de níquel, denominadascomercialmente de Inconel 718 e usadas na confecção de peças de motores a jato. Estas
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ligas contém nominalmente em torno de 10 elementos. Um outro exemplo de liga metálicapode ser observado no aço, onde as estruturas CFC e CCC do ferro abrigam átomos decarbono. Esta combinação permite obter um material extremamente versátil, comaplicações bastante diversificadas. O tipo mais simples de liga metálica é aquele queforma uma solução sólida. Uma solução sólida é um sólido que consiste de dois ou maiselementos atomicamente dispersos em uma estrutura monofásica. Em geral existem
dois tipos de soluções sólidas:SUBSTITUCIONAL E INTERSTICIAL.
Nas soluções sólidas substitucionais formadas por dois elementos, os átomos dosoluto podem ser substitutos dos átomos do solvente na rede cristalina. Na figura 3.3 émostrado um plano contendo átomos do soluto substituindo os átomos do solvente. Afração de átomos de um elemento que pode ser dissolvida em outro, é definida comosolubilidade. O termo solubilidade significa a quantidade de um certo material A(soluto)que pode ser dissolvido em outro B (solvente) e varia de um valor muito pequeno,próximode zero, até 100%. A solubilidade é dada em "% peso" e "% atômica".Assim, uma ligacobre-zinco com 20% em peso de zinco, possui, em 100 gramas da liga, 20 gramas de
zinco e 80 gramas de cobre. Do mesmo modo, uma liga com 20% em átomos de zincoapresenta em cada 100 átomos de liga, 20 átomos de zinco e 80 átomos de cobre. Comoas densidades dos materiais são diferentes, é evidente que 20% de zinco em peso nãocorrespondem a 20% de zinco em átomos.
Figura 3.3 Plano de um cristal com o soluto substituindo o solvente.O soluto intersticial é o que fica nos "vãos" da matriz. Estes vãos ou vazios sãochamados de interstícios. As soluções sólidas intersticiais são formadas quando umátomo é muito maior que o outro. Por exemplo, o ferro a 1000ºC apresenta estrutura CFCcom o maior vão de diâmetro igual a 1,0 Å. Assim estes "buracos" abrigam facilmente ohidrogênio (d=0,9 Å),o boro (d=0,92 Å) e com certa dificuldade, o carbono (d=1,5 Å). Afigura 3.4 ilustra esquematicamente a distorção da rede cristalina do ferro quando ocarbono ocupa posições intersticiais na mesma.
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Figura 3.4 Diagrama esquemático de uma solução sólida de carbono em ferro CFC. Notea distorção da rede cristalina do ferro.
3.3. DEFEITOS LINEARES (DISCORDÂNCIAS) 
Os cristais podem apresentar defeitos alinhados e contínuos em sua estrutura, dandoorigem às imperfeições de linha. Os defeitos de linha, também chamados dediscordâncias são defeitos que causam a distorção da rede cristalina em torno de umalinha e caracterizam-se por envolver um plano extra de átomos. Estas imperfeiçõespodem ser produzidas durante a solidificação, na deformação plástica de sólidoscristalinos ou ainda como resultado da concentração de vacâncias. A presença destedefeito é a responsável pela deformação, falha e rompimento dos materiais.
 A quantidade e o movimento das discordâncias podem ser controlados pelo grau de
deformação (conformação mecânica) e/ou por tratamentos térmicos, podendo desta formaendurecer os materiais metálicos.
Os três principais tipos de defeitos em linha são conhecidos como: discordância emcunha,discordância em hélice e discordância mista.
Figura 3.5 Ilustração de uma discordância em cunha,que ocorre pelainterrupção de um plano atômico.
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3.4. DEFEITOS DE SUPERFÍCIES 
Os cristais também apresentam defeitos que se estendem ao longo de suaestrutura,formando superfícies e denominados de imperfeições de superfície.
Esse tipo de imperfeição cristalina pode ser de três tipos:
1. superfícies livres;
2. contornos de grão;
3.4.1. SUPERFÍCIES LIVRES
 Apesar de serem consideradas o término da estrutura cristalina, as superfícies externasde um cristal são consideradas defeitos cristalinos, já que o número de vizinhos de umátomo superficial não é o mesmo de um átomo no interior do cristal(figura 3.6). Osátomos superficiais possuem vizinhos apenas de um lado,tem maior energia e assim, estão ligados aos átomosinternos mais fragilmente.
Figura 3.6 Apesar de ser considerada o término da estruturacristalina, as superfícies externas de um cristal sãoconsideradas defeitos cristalinos, já que o número devizinhos de um átomo superficial não é o mesmo de umátomo no interior do cristal.
3.4.2. CONTORNOS DE GRÃO
Uma barra de cobre puro, embora contenha um único elemento, possui vários grãos, ouseja, regiões onde a estrutura cristalina tem a mesma orientação. Durante asolidificação,vários núcleos sólidos surgem no interior do líquido, como é apresentado nafigura 3.7. Numa fase seguinte, denominada de crescimento, estes núcleos crescem e se juntam, formando nestas "juntas", uma região conhecida como contorno de grão. Como osdiversos grãos não apresentam necessariamente a mesma orientação cristalográfica,como pode ser visto na figura 3.8, o encontro dos mesmos cria superfícies de contatodentro do cristal.
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Figura 3.7 Formação de um material policristalino: (a) Etapa de nucleação; (b) Etapadecrescimento; (c) Material policristalino.
Figura 3.8 Os grãos de um material policristalino não apresentam uma mesma orientaçãocristalográfica.
O tamanho de grão de um material policristalino é importante ser conhecido, já que onúmero de grãos tem papel significativo em muitas propriedades dosmateriais,especialmente na resistência mecânica. A tabela 3.1 apresenta a padronizaçãodo tamanho de grão cristalino segundo a ASTM.
Figura 3.9 Micrografias de aço baixo carbono, atacado com Nital (H2NO3 + álcool) e orespectivo tamanho de grão segundo a ASTM (X 100):
Como os contornos de grão são regiões onde os átomos estão fragilmente ligados unsaos outros, a ação de um ataque químico permite revelar o mesmo, pois nestes pontos é
mais fácil "arrancar" os átomos, em comparação com regiões no interior do grão, comomostra afigura 3.9. A região do contorno de grão aparece mais escura no microscópiodevido a menor capacidade de reflexão de luz da mesma (figura 3.10).
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Tabela 3.1Tamanho de grão segundo a ASTM.
O contorno grão tem átomos fragilmente interligados e assim, em tal local é mais fácil"arrancar" os átomos da estrutura cristalina em comparação com o interior do grão.
Figura 3.10. A região do contorno de grão aparece mais escura no microscópio devido àmenor capacidade de reflexão de luz da mesma.
(a) material não atacado quimicamente
(b) material atacado quimicamente monofásico
(c) material atacado quimicamente difásico
3.4.3. MACLAS
 As maclas constituem um outro tipo de defeito de superfície e podem surgir a partir detensões térmicas ou mecânicas. Tal defeito de superfície ocorre quando parte da redecristalina é deformada, de modo que a mesma forme uma imagem especular da parte nãodeformada (figura 3.11).
O plano cristalográfico de simetria entre as regiões deformadas e não deformada,échamado de plano de maclação. A maclação, ocorre em direções específicas chamadasde direções de maclação.
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Figura 3.11 Diagrama esquemático do defeito de maclação
3.5 RELAÇÃO ENTRE DEFEITOS E PROPRIEDADES MECÂNICAS
Discordâncias 
¨ Interferem na deformação plástica dos materiais.
¨ Sua presença facilita a deformação
Figura 3.12- Distorção na estrutura causado pela discordância.
 A quantidade e o movimento das discordâncias podem ser controlados pelo grau dedeformação (conformação mecânica) e/ou por tratamentos térmicos (contorno degrão,soluções sólidas etc..).Os defeitos causados pelas soluções sólidas (intersticiais esubstitucionais), contorno de grão e deformação mecânica causam deformação naestrutura cristalina dificultando a movimentação das discordâncias aumentando a
resistência à deformação do material.
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Figura 3.13 Deformação da estrutura causada pela presença de impurezassubstitucionais.
Quando um átomo de uma impureza esta presente, o movimento da discordância fica
restringido, ou seja, deve-se fornecer energia adicional para que continue havendoescorregamento. Por isso soluções sólidas de metais são sempre mais resistentes queseus metais puros constituintes. Quando a solubilidade da solução sólida é ultrapassada,começará a se formar dentro da estrutura uma nova fase, esta causará umadescontinuidade na estrutura dificultando a movimentação das discordâncias,aumentando consideravelmente a resistência deste material.
Figura 3.14 Precipitados de prata no cobre
Numa liga de cobre com prata se colocarmos até 8% de prata formamos uma soluçãosólida, se colocarmos mais que 8%(limite de solubilidade da prata no cobre, conformetabela 3.2 começamos a formar uma segunda fase ou seja começamos a formar umaestrutura de prata, que chamamos de precipitado.
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Figura 3.15 Comparativo entre resistência a deformação e tipo de defeito.
O contorno de grão interfere no movimento das discordâncias, ao alcançar um contornohá uma mudança de direção dos cristais, e para esta discordância continuar semovimentando ela deverá mudar de direção.
Figura 3.16 Movimentação de uma discordância em material policristalino.
CAPÍTULO 4 - DIAGRAMAS DE FASE
O perfeito conhecimento dos diagramas de equilíbrio das ligas metálicas é de vitalimportância, por proporcionar conhecimentos de várias transformações, escolha
das ligas,noções sobre as propriedades e, principalmente, o bom êxito dostratamentos térmicos.
O diagrama fornece informações de qualquer liga, tais como início e fim de solidificaçãoou fusão, fases em equilíbrio a determinadas temperaturas, composição química destasfases,variação das quantidades relativas das fases com a temperatura, constituintes, etc.É,portanto, um resumo dos históricos térmicos de todas as ligas dos mesmoscomponentes.
4.1. A regra de fase 
O que é uma fase? É uma porção quimicamente e estruturalmente homogênea damicroestrutura. Uma microestrutura de única fase pode ser policristalina, como na figura
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4.1,onde cada grão difere do outro apenas na orientação cristalina, não na composiçãoquímica.
Figura 4.1 – microestrutura do molibdênio comercialmente puro.
Um erro que o iniciante comete é confundir fase com componente, o qual é umasubstância química distinta da qual a fase é formada. Por exemplo, níquel e cobre são denatureza similar e podem formar uma solução sólida como da figura 4.2. Esta soluçãosólida se apresentará como uma fase na microestrutura.
Figura 4 .2 – solução sólida Ni-Cu.
Para certas composições químicas, o resultado é duas fases, cada qual mais rica em umcomponente. Um exemplo clássico é de uma estrutura chamada perlita, mostrada nafigura 4.3, a qual consiste de camadas alternadas de ferrita (Fe α)e cementita (Fe3C).
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Figura4.3 – Microestrutura de 02 fases (perlita), encontrada em aço eutetóide (0,76%C).
Um diagrama de fase é qualquer representação das variáveis de estado associadas commicroestruturas através da regra de fases de Gibbs. Os diagramasde maior uso naengenharia são os diagramas binários, representando sistemas de dois componentes. Osdiagramas ternários representam sistemas de três componentes.
4.2 Sistemas Isomorfos 
 A figura 4.4 apresenta um diagrama isomorfo simples onde os pontos TCu e TNi representam as temperaturas de fusão dos componentes Cu e Ni respectivamente. Odiagrama é formado por uma região de uma única fase líquida, uma região de uma única
fase sólida, representada por α e uma região de duas fases (líquido L + sólido α ). Ascurvas que separam as regiões de uma fase da região de duas fases são as linhasliquidus e solidus. Estas indicam que há uma diferença fundamental de comportamento nasolidificação de um metal puro e de uma solução sólida.
Figura 4.4 – Diagrama isomorfo.
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4.3 Sistemas Eutéticos 
São os caracterizados pela reação eutética, isto é, decomposição isotérmica de uma faselíquida em duas sólidas durante a solidificação e reação inversa na fusão.
 A figura 4.5 apresenta um diagrama eutético para o sistema chumbo-estanho, onde asolubilidade no estado sólido é restrita. Os pontos A e B representam os pontos de fusãodos componentes da liga. A adição de chumbo no estanho (ou vice-versa) faz com que oponto de fusão do último diminua. O ponto eutético é exatamente o ponto de intersecçãoentre as linhas liquidus. A liga correspondente à composição na qual as duas linhas seinterceptam é a liga eutética, e a temperatura é a temperatura eutética. A liga eutética é a
de menor ponto de fusão de todas as composições possíveis. Esta é formada pelas fasesα e β solidificadas simultaneamente na forma de uma mistura eutética. Nas fases α e β osdois metais estão completamente solúveis um no outro nas proporções indicadas para asdiversas temperaturas.
Figura4.5 - Diagrama eutético com solubilidade sólida parcial - Sistema chumbo-estanho(fonte: Shackelford).
4.4 Sistemas eutetóides 
São caracterizados pela reação eutetóide, isto é, a decomposição isotérmica de uma fasesólida em duas outras fases sólidas durante o resfriamento e a reação inversa noaquecimento.
γ →α + β Um diagrama esquemático para um sistema eutetóide está representado na figura 4.6a.Pode-se interpretá-lo simplesmente como a combinação de dois diagramas simples, um
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isomorfo e outro eutético (fig 4.6b).
Figura4.6 - Sistema eutetóide (a) completo e (b) dividido em dois diagramas simples, umisomorfo e um eutético.
4.4.1 Sistema Ferro Carbono 
O diagrama Fe-C é aquele normalmente utilizado para o estudo dos aços e dos ferrosfundidos, materiais de extrema importância para a indústria metalúrgica e mecânica. Eleencontra-se representado na figura 4.7. As ligas ferro-carbono ainda hoje representam osmateriais de maior utilização prática. Isto se deve ao fato de que estas ligas podemapresentar uma grande variação nas suas propriedades pela simples variação naquantidade de carbono e ainda possibilitam que se tenha uma gama maior depropriedades se considerarmos a possibilidade de deformação plástica e os tratamentostérmicos. A base para que este material tenha estas características está principalmenteatrelado ao fato de que o ferro puro apresenta transformação alotrópica e que o carbonoforma uma solução sólida intersticial com o ferro. Isto conduz a uma série depossibilidades de transformações, cada uma com suas microestruturas típicas,resultandona grande variação das propriedades. As transformações em uma liga ferro carbono sãoinfluenciadas basicamente pela temperatura e pelo teor de carbono. Se considerarmosapenas este dois fatores poderemos montar um mapa das transformações que irãoocorrer, o qual será chamado de diagrama de equilíbrio. Nesta representação podemosver as fases que estarão presentes para cada temperatura e composição e também ospontos que são fundamentais para a compreensão das transformações. A seguir faremosalgumas considerações a respeito do diagrama.
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Figura 4.7 – Representação do Diagrama Fe-C
Em primeiro lugar deve ser observado que o diagrama vai somente até 6,7% de carbono.Isto se deve ao fato de que as ligas acima deste teor não têm qualquer importânciacomercial. Em segundo lugar deve ficar claro que as ligas comerciais não são constituídasapenas por ferro e carbono, mas podem ter em sua composição outros elementos de ligaalém de pequenas quantidades de impurezas que são inerentes ao processo de obtençãodo material. Assim sendo, o diagrama não representa fielmente o que sucede naprática,mas como pequenas quantidades de outros elementos não produzem grandesalterações,podemos utilizá-lo como base para o nosso estudo.
Em um diagrama de equilíbrio as fases são sempre representadas por letras gregas masno caso das ligas ferro carbono estas fases além de serem identificadas por letras gregastambém receberam um nome. Desta forma teremos as fases denominadasferrita,austenita e cementita, que podem ou não estar presentes na microestrutura domaterial,dependendo do teor de carbono e da temperatura.
Observando-se o diagrama nota-se que este apresenta vários pontos que merecem ser destacados. O primeiro deles é o que corresponde a uma composição de 2,14% decarbono a 1148 ºC. Este ponto representa uma fronteira entre as ligas ferro-carbono quesão caracterizadas como aços e as ligas que são caracterizadas como ferro fundido. Assim, aço é uma liga com menos de 2,14% de carbono e ferro fundido é uma liga commais de 2,14%de carbono. A escolha deste ponto deve-se ao fato de que, quandoresfriamos um aço desde o estado líquido, este sempre passará por uma faixa detemperaturas em que a sua microestrutura será composta de uma única fase chamadaaustenita, o que não acontece para os ferros fundidos que possuem teores de carbono
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acima deste valor.
 A austenita, também chamada fase γ, é uma fase derivada do ferro γ que como se sabeé formado por uma estrutura cúbica de faces centradas. Quando combinamos o ferro como carbono forma-se uma solução sólida intersticial em que é mantida a estrutura cristalinaoriginal do ferro .
Para temperaturas inferiores, o fato de o ferro passar para ferro produz o aparecimento deuma nova fase chamada fase α  ou ferrita. A ferrita também é uma solução sólidaintersticial de ferro e carbono e, a exemplo da fase γ, é mantida a estrutura cristalinacúbica de corpo centrado do ferro.
Devido ao fato de que as duas fases citadas acima possuem diferenças em sua estruturacristalina, existe também uma grande diferença de solubilidade do carbono entre elas.Como já foi visto, os interstícios da estrutura CFC são maiores do que os interstícios daestrutura CCC. Isto conduz a uma solubilidade do carbono que pode chegar a2,14%(aproximadamente 9% em átomos) na temperatura de 1148 ºC para a austenita esomente0,022 % (aproximadamente 0,1% em átomos) a 727 ºC para a ferrita. Como podeser observado no diagrama, a solubilidade do carbono não é fixa para estas fases,podendo variar com a temperatura. Desta maneira a austenita e a ferrita só apresentarãoa sua solubilidade máxima nas temperaturas indicadas acima, variando tanto paratemperaturas superiores como para temperaturas inferiores. Além disso, o carbono é umelemento estabilizador da austenita, e como podemos ver no diagrama, quando tivermosferro puro a temperatura mínima em que a austenita é estável é de 912 ºC ,mas à medidaque o teor de carbono cresce esta temperatura vai diminuindo até que, para 0,76% decarbono chegamos ao mínimo de 727ºC. A partir daí a temperatura aumenta novamenteaté atingirmos o máximo de 2,14% para 1148 ºC. No caso da ferrita ela é estável até 912ºC na ausência de carbono e na medida em que aumenta o teor a temperatura diminui atéque se atinja a solubilidade máxima de 0,022% C a 727 ºC. Abaixo desta temperatura a
solubilidade diminui novamente chegando praticamente a zero na temperatura ambiente.Como existe um limite de solubilidade do carbono tanto na austenita quanto na ferrita, oexcesso de carbono poderá propiciar a formação de uma terceira fase que é chamada decementita e que possui estrutura cristalina ortorrômbica, ainda em solução sólidaintersticial com 6,7% de carbono. Isto acontece para teores de carbono maiores do que0,76% acima de 727 ºC e abaixo de 1148 ºC e, para teores maiores do que 0,022%,abaixo de 727 ºC. Desta maneira teremos no diagrama regiões em que o aço émonofásico e regiões em que é bifásico. As regiões monofásicas podem ser formadas por austenita ou por ferrita e as regiões bifásicas podem ser formadas por austenita e ferrita,austenita e cementita ou ferrita e cementita.
Outro ponto importante que deve ser observado é o que ocorre para a composiçãode0,76% de carbono a 727 ºC. Este ponto, chamado ponto eutetóide, é o lugar dodiagrama em que temos a convivência simultânea das três fases citadas acima, isto é,quando resfriamos o aço teremos a transformação da austenita em ferrita e cementita.Especificamente para esta composição a temperatura permanece constante enquanto atransformação não se completar totalmente. Neste ponto ocorre a seguinte reação:
γ →α + β 
Quando tivermos outros elementos fazendo parte da composição do aço, o teor decarbono correspondente ao ponto eutetóide será deslocado mais para a esquerda ou paraa direita e a temperatura em que ocorre esta reação irá aumentar ou diminuir. Esta é uma
das influências dos elementos de liga dos aços . As outras influências dos elementos deliga serão analisadas nos capítulos subseqüentes.
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4.5 DESENVOLVIMENTO DA MICROESTRUTURA PARA O SISTEMA FERRO CARBONO 
Diversos tipos de microestruturas podem ser produzidas em ligas de aço. Estas podemser obtidas em função da porcentagem de carbono e o tratamento térmico. Veremosagora as microestruturas obtidas para um resfriamento muito lento mantendo o equilíbrioentre fases para aços eutetóides, hipoeutetóides e hipereutetóides.
 AÇO EUTETÓIDE:
Para uma liga eutetóide (0,76%C), resfriada a partir de uma temperatura dentro da regiãoda fase γ (digamos 800°C), ponto a, teremos uma liga composta inteiramente da faseaustenita com uma composição de 0,76% C e microestrutura correspondente mostrada nafigura 4.9c . Esta microestrutura representada esquematicamente na figura ponto b, e nafigura , é chamada de perlita. Mecanicamente, a perlita tem propriedades intermediáriasentre a ferrita mole e dúctil e a dura e frágil cementita. Subseqüente resfriamento daperlita a partir do ponto b, não produzirá mudanças significativas na microestrutura.
Figura 4.9- (a) Porção do diagrama de fases Fe-C mostrando microestrutura obtida para o
resfriamento de uma composição eutetóide;(b) microestrutura da austenita;(c)microestrutura da perlita.
 AÇO HIPOEUTETÓIDE:
Considere um aço com conteúdo de carbono menor que a composição eutetóide,entre0,022%C e 0,76%C; esta liga é chamada de liga hipoeutetóide. Resfriando estaliga,representado na figura 4.10a, pela linha yy”, a partir de uma temperatura igual a874°C,ponto c, onde teremos somente austenita (figura 4.9b), obtemos a seguintesituação: no ponto d (775°C), dentro da região α + γ, ambas as fases irão coexistir de
acordo com a microestrutura mostrada no esquema da figura 4.12a. Onde as partículasde ferrita irão se formar ao longo dos contornos de grão da fase austenita γ, ponto e.Continuando o resfriamento até o ponto f, abaixo da temperatura eutetóide, toda a fase γ que estava presente na temperatura Te, se transformará em perlita de acordo com a
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reação eutetóide, e para a fase α já existente numa temperatura acima da temperaturaeutetóide, não ocorrerá nenhuma transformação. Assim a ferrita α estará presente tantona perlita quanto como uma fase formada durante o resfriamento através da região α + γ.Esta ferrita é chamada de ferrita pró-eutetóide e a ferrita presente na estrutura perlítica échamada ferrita eutetóide.
Figura 4.10 – (a)Porção do diagrama de fases Fe-C mostrando esquematicamente oresfriamento de uma liga hipoeutetóide; (b) Microestrutura obtida para uma ligahipoeutetóide.
AÇO HIPEREUTETÓIDE:
Microestrutura e transformações análogas resultam para um resfriamento de uma ligahipereutetóide, que contém entre 0,76 e 2.14%C, as quais são resfriadas a partir detemperaturas dentro do campo de fase austenita. Neste caso é a fase Fe 3C que seformará ao longo dos contornos de grãos da fase γ, como mostrado na figura 4.11a. Estacementita é chamada de cementita pró-eutetóide, que se forma antes da reação
eutetóide. E, é claro,a austenita que existia antes da reação eutetóide se transforma todaem um estrutura perlítica, resultando numa microestrutura que consiste de perlita ecementita próeutetóide como constituintes, figura 4.11b.
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Figura 4.11- (a) porção do digrama de fases Fe-C mostrando o desenvolvimento damicroestrutura para uma liga hipereutetóide. (b) microestrutura obtida para uma ligahipereutetóide.
4.6 INTERPRETAÇÃO DO DIAGRAMA DE FASES.Para um sistema binário com composição e temperatura conhecidas, em equilíbrio, trêsinformações estão disponíveis: (1) as fases que estão presentes, (2) a composição destasfases e (3) a porcentagem ou fração das fases presentes.
Fases presentes A determinação de quais as fases presentes é relativamente simples.Deve-se localizar o ponto temperatura-composição no diagrama e verificar com qual(is)fase(s) o campo defases correspondente está identificado.
Determinação da composição de fases A primeira etapa na determinação dacomposição de fases consiste em se localizar o ponto temperatura-composição
correspondente no digrama de fases. Se apenas uma fase esta presente, o procedimentoé trivial: a composição desta fase é simplesmente a mesma composição global da liga.
Para uma liga que possui composição e temperatura localizadas em uma região bifásicadeve-se seguir o seguinte procedimento:
1. Constrói-se um linha de amarração* através da região bifásica à temperatura da liga.
2. Anotam-se as interseções da linha de amarração a partir destas interseções comasfronteiras entre as fases em ambos os lados.
3. Traçam-se linhas perpendiculares à linha de amarração a partir dessas interseções atéo eixo horizontal das composições, onde a composição em cada uma das respectivas
fases pode ser lida.Determinação da quantidade de fase As quantidades relativas das fases presentes emcondições de equilíbrio também podem ser calculadas com auxílio do diagrama de fases.
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 A solução é óbvia em uma região monofásica:uma vez que somente uma fase estapresente, a liga é composta inteiramente por aquela fase, isto é, o percentual é de100%.Se a posição para dada composição e temperatura cai em uma região bifásica, alinha de amarração deve ser utilizada com o seguinte procedimento, chamado regra daalavanca:
1. A linha de amarração é construída através da região bifásica na temperatura da liga.
2. A composição global da liga é localizada sobre a linha de amarração
3. A fração de uma fase é calculadatomando-se o comprimento da linha de amarraçãodesde a composição global da liga até a fronteira entre fases com a outra fase e entãodividindo-se esse valor pelo comprimento total da linha de amarração.
4. A fração da outra fase é determinada de maneira semelhante.
5. Se forem desejadas as porcentagens das fases, a fração deve ser multiplicada por 100.
No emprego da regra da alavanca, os comprimentos dos segmentos da linha deamarração podem ser determinados ou pela medição direta no diagrama de fases,
usando-se uma régua com escala linear, ou mediante a subtração das composiçõesconforme estas sejam lidas no eixo das composições.
ATENÇÃO: É fácil confundir os procedimentos anteriores para a determinação dacomposição das fases e das porcentagens de cada fase presente; assim torna-seimportante fazer um resumo. As composições das fases são expressas em termos
percentuais em peso dos componentes ( por exemplo, %p Ni, %p Cu). Para qualquer ligaque consista em uma única fase, a composição da quela fase é a mesma que acomposição global da liga. Se duas fases estiverem presentes, deve ser empregada a
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linha de amarração, cujas extremidades determinam as composições das respectivasfases. Em relação às porcentagens das fases, quando existe uma única fase, a liga écomposta totalmente por aquela fase. Por outro lado, para uma liga bifásica, é utilizada aregra da alavanca, na qual é tomada a razão entre os comprimentos dos segmentos dalinha de amarração.
Figura – 4.12 (a) Diagrama de fases Cu-Ni, adaptado do Callister 7ª edição; (b) Uma
porção do diagrama de fases Cu-Ni, para o qual as composições e quantidades das fasesestão determinadas.
CAPÍTULO 5 – AÇOS E FERROS FUNDIDOS
 Aços são ligas ferro com até ~2,0% de carbono, podendo conter outros elementos de ligatais como Cr, Mn, Si, Mo, V, Nb, W, Ti, Ni e outros elementos (denominados de residuais,provenientes do processo de fabricação, tais como o P, S, Si).Os aços são um tipo de material metálico que são utilizados na confecção de peças(engrenagens, eixos, parafusos, porcas, rolamentos, etc.), ferramentas (pás, martelos,
serras, matrizes, punções, etc.) ou estruturas (pontes, edifícios, tanques).O principal motivo do ferro ser o elemento mais consumido mundialmente é por ser utilizado na fabricação de aços (e também dos ferros fundidos). A grande gama deaplicações dos aços se deve ao baixo custo de obtenção, associado à grandeversatilidade de propriedades que se pode obter a partir de pequenas mudanças nacomposição química, tratamentos térmicos e/ou no processamento e, principalmente daelevada ductilidade aliada a grande tenacidade e elevada dureza.
5.1 Critérios para Classificação dos Aços A classificação dos aços não obedece a um único critério, existindo classificaçõesquanto à composição química, processamento, microestrutura, propriedades ou mesmo
aplicações a que se destinam.
5.1.2 Classificação Genérica
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Nessa classificação, os aços são ordenados de acordo com o teor de carbono, conformesegue:
 Aço extra-doce: < 0,15%C Aço meio-doce: 0,15%C até 0,30%C Aço meio-duro: 0,30%C até 0,60%C
 Aço duro: 0,60%C até 0,70%C Aço extra-duro: 0,70 até 2,00%C
5.1.3 Classificação dos Aços por Designação NormativaÉ interessante salientar que as diversas instituições normativas, tanto nacionais quantointernacionais, estabeleceram critérios de designação para os diversos tipos de açoutilizados na indústria. Dentre as mais importantes, encontram-se as designações ABNT e AISI e SAE.
Classificação Normativa SAE/AISIEssa designação normativa estabelece uma chave alfanumérica para a identificação dosaços, que segue o seguinte critério:
yyAxxB
em que:
yy _ tipo de aço (ao carbono, ao manganês, ao cromo) A _ acréscimo de elementos de liga especiais (acrescentar quando aplicável) Aços ao boro – xyBxx: B denota aço ao Boro Aços ao chumbo – xxLxx : L denota aço ao Chumbo
 Aços ao vanádio – xxVxx : V denota aço ao Vanádioxx _ percentual de carbono contido no aço x 100B _ requisitos adicionais de qualidade (temperabilidade) (acrescentar quando aplicável)
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Outra denominação normativa de importância ao mercado brasileiro é a alemã,regulamentada pelas normas DIN. Nessa denominação, temos:
a) Aços comuns para construção mecânica É indicado a tensão de ruptura à tração, em [kgf/mm2], precedido de St (=Stahl, aço)Exemplo: St 37, St42, St58
b) Aços carbono de qualidade São indicados com a letra C, seguido do teor de carbono multiplicado por 100.Exemplo: C20, C45
c) Aços liga1) Aços de baixa ligaÉ constituído de dois algarismos que indicam o teor de carbono multiplicado por 100,seguido pelos símbolos químicos dos elementos de liga que caracterizam o aço,acrescido por números que exprimem os teores desses elementos de liga multiplicadospor um fator K, que é dependente do elemento de liga em questão.Exemplos: _ 20 Cr Mo 9 15 – aço ao cromo e molibdênio, com:0,20% C1,25% Cr 1,5% Mo _ 22 Cr Mo 54 – aço ao cromo e molibdênio com:0,22% C1,25% Cr 
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0,4% Mo _ 25 S 20 – aço ressulfurado com:0,25% C0,20% S
2) Aços de alta liga (ver item 6.2)
São aços cuja quantidade percentual de elementos de liga presentes é maior do que 5%. A designação para esses tipos de aço é formada pela letra "X" seguida pela quantidadede carbono multiplicado por 10, seguida dos símbolos dos elementos químicos existentes,seguido de números que representam a quantidade percentual desses elementos de liga.Exemplos: _ X 10 Cr Ni Ti 18 9 2 Aço ao cromo, níquel e titânio com: 0,10% C, 18%Ni e 2%Ti
5.1.4 Classificação dos Aços Quanto ao ProcessamentoPor processamento entende-se o tipo de operação que se executa sobre o aço visandomudar a forma e/ou a estrutura. Os processamentos que visam impor uma forma são aconformação mecânica (a frio ou a quente, tal como a laminação, extrusão, trefilação), afundição e a consolidação por sinterização (metalurgia do pó). Assim, existem açostrabalhados (a quente ou a frio), fundidos ou sinterizados.Os processamentos que visam alterar a estrutura são os tratamentos térmicos, tais comorecozimento, normalização, recristalização, coalescimento e a têmpera (e revenimento).
5.1.5 Classificação dos Aços Quanto à Microestrutura A classificação de acordo com a microestrutura é típica da área metalúrgica, existindo osseguintes grupos:a) Aços Encruadosb) Aços Ferríticos-Perlíticosc) Aços Martensíticosd) Aços Bainíticose) Aços Austeníticosf) Aços Dúplex ou Bifásicos
5.1.6 Classificação Quanto à Composição Química
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 Aços Carbono A maior quantidade de aço consumida pertence à categoria dos aços carbono. Isto sedeve ao baixo custo, em relação aos aços ligados e à ampla gama de propriedades quepode ser obtida mediante variação do teor de carbono e do estado de fornecimento(encruado, temperado, etc.).
Pode-se estabelecer a seguinte subdivisão dos aços carbono para fins de aplicação.
a) Baixo carbono (abaixo de 0,3%)b) Aços de médio carbono (entre 0,3 e 0,5%C)c) Aços de alto teor de C (acima de 0,5%C)
Aços LigadosO uso de elementos de liga geralmente é feito com as seguintes finalidades: _ Aumentar a profundidade de têmpera (temperabilidade) _ Aumentar a resistência ao revenido (isto é, evitar o amolecimento entre 300 e 550ºC). _ Introduzir propriedades especiais tais como:1. resistênciaà corrosão em aços inoxidáveis2. resistência ao desgaste em aços Hadfield3. resistência à quente em aços ferramenta (rápidos)
Pode-se dividir em três categorias:
a) Aços de baixa ligaSão aços cuja quantidade dos elementos de liga é inferior a 5% e têm a finalidade deaumentar a temperabilidade e a resistência ao revenido.
b) Aços de média liga (_ E.L. entre 5 e 10%)Os aços de média liga são os que têm a somatória dos elementos de liga entre 5% e10%.
c) Aços de alta liga (_ E.L. > 10%)
5.1.7 Classificação Quanto às PropriedadesDe todos os critérios em que se costumam classificar os aços, este é o menossistemático, podendo-se destacar os seguintes casos mencionados na literatura: _ Aços de alta resistência e baixa liga; _ Aços de alta resistência; _ Aços inoxidáveis; _ Aços indeformáveis (baixa distorção dimensional resultante da têmpera e revenimento); _ Aços para fins elétricos e magnéticos (note-se que esta terminologia refere-se tanto àpropriedade quanto à finalidade do aço).
Aços Inoxidáveis
DefiniçãoOs aços-inoxidáveis são aqueles que contém um mínimo de 10,5% de Cromo comoprincipal elemento de liga. São aços onde não ocorre oxidação em ambientes normais.
 Alguns aços inoxidáveis possuem mais de 30% de Cromo ou menos de 50% de Ferro.Suas características de resistência são obtidas graças à formação de um óxido protetor que impede o contato do metal base com a atmosfera agressiva. Alguns outros elementoscomo níquel, molibdênio,
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cobre, titânio, alumínio, silício, nióbio, nitrogênio e selênio podem ser adicionados para aobtenção de características mecânicas particulares.
ClassificaçãoOs aços inoxidáveis são divididos em cinco famílias, de acordo com a microestrutura,estrutura cristalina das fases presentes ou tratamento térmico utilizado. As cinco famílias
são:martensíticos, ferríticos, austeníticos, dúplex (austenítico e ferrítico) e endurecíveis por precipitação.
DesignaçõesOs aços inoxidáveis são normalmente designados pelos sistemas de numeração da AISI,UNS ou por designação própria do proprietário da liga. Entre estes, o sistema da AISI é omais utilizado. Nele, a maioria dos graus de aços inoxidáveis possuem uma classificaçãocom três dígitos. Os aços austeníticos fazem parte das séries 200 e 300, enquanto que asérie 400 designa tanto aços ferríticos quanto martensíticos.
5.1.8 Classificação Quanto às AplicaçõesEsta classificação é a mais freqüente na literatura técnica, possivelmente devido àassociação imediata entre o tipo de aço e a aplicação pretendida para o mesmo,podendo-se destacar os seguintes exemplos:
 _ Aços estruturais _ Aços para molas _ Aços para beneficiamento _ Aços para cementação ou nitretação _ Aços ferramentas (para trabalho a frio, a quente, impacto, etc.)
Aços para FerramentasOs aços ferramentas são particularmente importantes pois são empregados na fabricaçãode peças e utensílios que serão utilizados na fabricação de outras peças e utensílios.Exemplos de peças feitas de aços ferramentas são:
a) fieirasb) matrizes para injeção de plásticosc) bits de usinagemd) martelos pneumáticos.
Normalmente as ferramentas e matrizes são fabricadas por usinagem (estando o materialcom baixa dureza, por exemplo, no estado recozido ou coalescido) e, após atingida aforma desejada para o produto, o mesmo sofre tratamento térmico para que sedesenvolvam as propriedades necessárias para a aplicação específica a que se destinam.
ClassificaçãoOs aços ferramentas não apresentam uma metodologia racional de classificação, umavez que alguns são identificados pelo meio de têmpera empregado em seu tratamento,outros pelas propriedades e outros ainda pelo tipo de elemento de liga presente. A classificação abaixo é aquela adotada pelas AISI, e SAE. Há ainda outros tipos de açosferramentas, designados pelas letras L e F de uso menos freqüente.
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5.2 Ferros Fundidos
Genericamente, os ferros fundidos são uma classe de ligas ferrosas com teor de carbonoacima de 2,11%. Na prática, entretanto, a maioria dos ferros fundidos contém entre 3 e4,5%(ou 4% ) de carbono, além da presença de outros elementos de liga. Astemperaturas de fusão de ligas de ferro fundido são bem inferiores as do aço, o que astornam adequadas para processos de fundição. Além disso, alguns ferros fundidos sãomuito frágeis e a fundição é a técnica de fabricação mais conveniente nesses casos.Devido à importância do silício, que sempre está presente na composição do ferrofundido, em percentuais que variam de 1 a 3%, essa liga geralmente é denominada deternária (Fe-C-Si). O silício tem a função de favorecer a formação da grafita,preferencialmente à cementita.
Por terem um teor de carbono mais elevado do que o dos aços, os ferros fundidos sãomais frágeis, não sendo possível forjá-los, estirá-los, laminá-los ou vergá-los em qualquer temperatura. A tendência a formar grafita é regulada pela composição e taxa deresfriamento. A formação de grafita é promovida pela presença de silício emconcentrações maiores que 1%. Também, menores taxas de resfriamento durante asolidificação favorecem a formação de grafita (grafitização). Para muitos ferros fundidos, ocarbono existe como grafita e a microestrutura e comportamento mecânico dependem dacomposição e tratamento térmico.
Os ferros fundidos mais comuns são:
Branco; Maleável; Nodular (dúctil); Cinzento;
Figura 5.1 – microestrura dos ferros fundidos: a) cinzento,b) nodular, c) branco, d) maleável.
A B
C D
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Para ferros fundidos com baixo teor de silício (< 1% em peso de Si) e sob altas taxas deresfriamento, a maior parte do carbono permanecerá como cementita em vez de grafita.Uma superfície de fratura desta liga tem aparência branca e, por isso, chamada de ferrofundido branco. Como conseqüência dos grandes teores da fase cementita em vez degrafita, o ferro fundido branco é extremamente duro e muito frágil, a ponto de ser praticamente impossível usiná-lo. Seu uso é limitado a aplicações que necessitam uma
superfície muito dura e resistente ao desgaste e de pouca ductilidade. Geralmente, o ferrofundido branco é usado como um intermediário na produção do ferro fundido maleável.
Aplicações
Rodas de vagões; cilindros coquilhados; revestimentos de moinhos; bolas de moinho de
bola.
Ferro Fundido Maleável
 Ao aquecer o ferro fundido branco a temperaturas entre 800 e 900oC por um período detempo prolongado e sob atmosfera neutra (para prevenir a oxidação) faz-se com que acementita se decomponha, formando grafita. A grafita formada tem o aspecto deaglomerados ou nódulos envoltos por uma matriz de ferrita ou perlita, a depender da taxade resfriamento (Descrição do ferro maleável núcleo preto).
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 Curva de aquecimento 
 A estrutura final é semelhante a do ferro fundido nodular, inclusive quanto àspropriedades, como a combinação de alta resistência e ductilidade.
Tipos de Ferro fundido maleável
Núcleo Branco
- Obtido pelo tratamento térmico de descarbonetação do ferro branco, resultando em umproduto isento de grafita, o tratamento é sob atmosfera oxidante, fazendo com que ocarbono seja expelido.
Núcleo Preto
- Obtido pelo aquecimento do ferro fundido branco a cerca de 900oC, em atmosferaneutra, seguido de resfriamento controlado; a estrutura consiste de grafita com matrizferrítica ou perlítica;
Aplicações
Conexões para tubulações hidráulicas; conexões para linhas de transmissão elétrica;suporte de molas; caixas de direção; caixas de diferencial;cubos de rodas; sapatas defreios; pedais de embreagem e freio; bielas; colares de tratores; caixas de engrenagem,etc.
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Ferro Fundido Cinzento
 As quantidades de carbono e silício variam entre 2,5 a 4% e 1 a 3%, respectivamente.Para muitos desses ferros fundidos, a grafita existe na forma de veios, os quais sãonormalmente envoltos por uma matriz de ferrita α ou perlita. Devido aos veios de grafita,
a superfície fraturada tem aparência cinza, da qual o nome é derivado. Em termosmecânicos, o ferro fundido cinzento é comparativamente fraco e frágil sob tração.Resistência e ductilidade são muito maiores sob carga de compressão. Apresentam boausinabilidade e grande capacidade de amortecer vibrações. Estruturas que formam abase de máquinas e equipamentos pesados que são expostos a vibrações sãofreqüentemente construídos com este material. Outra propriedade é a resistência aodesgaste. A fratura ocorre na grafita e propaga nessa fase, pois o formato celular como osveios são dispostos, permite que isso ocorra.
Ferro Fundido Nodular (dúctil)
 Ao adicionar uma pequena quantidade de magnésio e ou cério na composição do ferrofundido cinzento (líquido) antes de moldá-lo, produz-se uma microestrutura distinta e umconjunto de propriedades mecânicas diferenciadas. A grafita ainda é formada, mas comonódulos ou partículas de formato esférico em vez de veios. A matriz em volta destaspartículas pode ser perlita ou ferrita, a depender do tratamento térmico. O ferro fundidodúctil tem características mecânicas que se aproximam do aço. Devido à matriz em voltadas esferas de grafita ser contínua, esse material apresenta-se dúctil e resistente emrelação ao ferro fundido cinzento. Com auxílios de tratamentos térmicos adequados, essematerial pode apresentar propriedades mecânicas como ductilidade, usinabilidade, alémde resistência mecânica e a corrosão melhores do que as de alguns aços carbono.
Classificação dos ferros fundidos segundo a ABNT
Ferro fundido cinzento:
FC-XXX (3 letras e um número de 3 dígitos)
FC: ferro fundido cinzento.
XXX: resistência a tração em MPa.
Ex.: FC-400 – ferro fundido cinzento com resistência a tração de 400MPa.
Ferro fundido nodular:
FE-XXXYY (2 letras e um número de 5 dígitos) 
FE: ferro fundido nodular.
XXX: resistência a tração em MPa.
YY: percentual de alongamento.
Ex.: FE-42012 – ferro fundido nodular com resistência a tração de 420MPa, e
alongamento de 12%;
Ferro fundido maleável de núcleo preto:
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FMP-XXXYY (3 letras e um número de 5 dígitos) 
FMP: ferro fundido maleável de núcleo preto.
XXX: resistência a tração em MPa.
YY: percentual de alongamento.
Ex.: FMP-35012 – ferro fundido maleável de núcleo preto com resistência a tração de350MPa, e alongamento de 12%.
Ferro fundido maleável de núcleo branco:
FMBS-XXXYY (4 letras e um número de 5 dígitos)
FMBS: ferro fundido maleável de núcleo branco;
XXX: resistência a tração em MPa;
YY: percentual de alongamento;
Ex.: FMP-38012 – ferro fundido maleável de núcleo branco com resistência a tração de380MPa, e alongamento de 12%;
CAPÍTULO 6. METALOGRAFIA
Para se ter uma idéia aproximada da natureza de certos materiais metálicos ou de comocertas peças foram fabricadas, pode-se usar os seguintes exames elementares:
a) Aspecto da superfície.
b) Aspecto da fratura.
c) Ação da lima.d) Centelhas ao esmeril.
e) Atração pelo imã, sonoridade, etc.
Estes exames elementares são rápidos, econômicos e dão ao analista experimentandouma série de informações básicas. Entretanto, com o incremento da tecnologia, umcontrole mais severo tornou necessário o exame em laboratório, com outros meios, ouseja, com máquinas, aparelhos ou instrumentos que forneçam, de preferência, um valor numérico que servirá para o confronto com normas e especificações.
Este procedimento constitui um critério justo e seguro na avaliação das qualidades dos
materiais, contribuindo para a correção dos defeitos e para melhoria da qualidade. Ambosos controles, na oficina e no laboratório, se completam perfeitamente.
6.1 MICROGRAFIA
Consiste no estudo dos produtos metalúrgicos, com o auxílio do microscópio,permitindoobservar a granulação do material, a natureza, forma, quantidade e distribuição dosdiversos constituintes ou de certas inclusões, etc. Estas observações são de grandeutilidade prática.
O sucesso na obtenção de uma análise e interpretação precisa de uma estrutura através
do uso do microscópio ótico é a preparação adequada da amostra o qual deverepresentar fielmente a mesma na sua versão original. As amostras adequadamentepreparadas devem ter:
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- Superfície extremamente lisa e plana, isenta de riscos de qualquer natureza oudimensão;
- Superfície isenta de qualquer mancha e qualquer outro tipo de imperfeição que atrapalhea análise;
- Superfície intacta em termos de inclusões, ou compostos intermetálicos que possam ser 
removidos com facilidade;- Superfície isenta de trincas ocorridas na preparação da amostra (aquecimento,pressão equeda da amostra;
- Superfície inalterada em termos estruturais devido ao aquecimento ou pressão durante apreparação;
- Superfície isenta de incrustação devido a inserção de materiais estranhos(baquelite,resina) principalmente para materiais porosos;
Para assegurar uma superfície com características originais a preparação da amostradeve ser levada com muitos cuidados, além disso um entendimento do que se deseja
obter durante cada etapa da preparação é algo de fundamental importância. A localização do corpo ou dos corpos para micrografia em peças grandes éfreqüentemente, feita após o exame macrográfico, porque, se o aspecto for homogêneo, alocalização do corpo de micrografia é em geral indiferente; se, porém, não for e revelar anomalias ou heterogeneidades, o observador poderá localizar corpos de prova em váriospontos, caso julgue de interesse um exame mais detalhado dessas regiões. Quando setrata de uma peça pequena é ela diretamente seccionadas. A posição de onde é tirado umcorpo de prova a fim de ser usado para um estudo metalográfico, depende do fim a quese destina o ensaio. Para atingir esse fim, os corpos de prova devem ser representativosdas condições existentes.. Deve ser organizado um fichário com o máximo deinformações sobre ao ensaios realizados, incluindo ainda a localização das amostras, umnúmero capaz de identificar a seção que foi tomada, se transversal,longitudinal ou emângulo; a direção de laminação ou forjamento, análise química,tratamento térmico equalquer outro dado necessário a um completo histórico. Preparação de Amostras Apreparação de amostras para observação estrutural exige uma preparação cuidadosa eadequada. O tempo necessário para uma boa preparação depende da composiçãoquímica, tratamento térmico submetido, fases presentes e do material. Pode-se dizer queem alguns casos a preparação da amostra requer algumas horas e em outros casos sãonecessários até dias.
Geralmente as amostras devem ter no máximo em torno de 1cm x 1cm para ser analisado. Assim na obtenção de uma amostra à partir de uma peça grande deve-se
conhecer claramente o objetivo da análise, para que se possa escolher a seção(longitudinal ou transversal) local a ser retirado (centro, superfície). A norma ASTM E3-95e ABNT poderão contribuir para a análise.
6.1.1 Corte da Amostra
 A Figura 6.1 sintetiza um dos problemas mais sérios que podem acontecer na análise deum material. Nota-se que dependendo da seção escolhida para observação o aspecto étotalmente diferente. Na Figura 6.1 (a) mostra um corte na seção transversal de umabarra e está exemplificando comopoderiam aparecer as inclusões, enquanto que naFigura 6.1(b)mostra como poderia aparecer as inclusões na seção longitudinal. Na Figura6.1 (a) seria ideal um estudo da distribuição das inclusões, enquanto que na Figura 6.1 (b)seria mais adequado um estudo para o tipo de inclusões e tamanho.
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Figura 6-1 Corte de uma barra para obtenção de amostras para observação nomicroscópio ótico.(a) seção transversal e (b) seção longitudinal.
Na Figura 6.2 ilustra o problema de homogeneidade da amostra a ser analisada. Como namaioria das análises, a superfície e o centro de uma barra apresentam uma estruturadiferente. Na Figura 6.2(a) é exemplificado o caso de um aço onde é observado grãosequiaxiais com baixo teor de carbono devido a descarbonetação superficial enquanto quena região central da barra observa-se uma estrutura de grãos equiaxiais de ferrita com apresença de perlita nos contornos de grão.
Na Figura 6.2(b) é mostrada a estrutura de uma peça fundida mostrando a presença de
grão colunares na superfície devido a uma extração de calor unidirecional pelas paredesdo molde com uma alta taxa de resfriamento. A região central é constituída de grãosequiaxiais e uniformes mostrando que a extração de calor foi lenta. Para a amostra emestudo é recomendável o exame macrográfico para analisar a variação estrutural daamostra bem como a espessura da camada com grãos colunares.
Figura 6-2 Análise de homogeneidade da barra observando seção transversal da Figura6.1.
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Observando esquema da Figura 6.2(a) a variação estrutural para um aço com baixoconteúdo de carbono e no esquema da Figura 6.2(b) para uma peça fundida mostrando avariação na forma dos grão.
Durante a etapa de corte da seção escolhida, lixamento grosseiro e em menor escaladurante o lixamento final e o polimento pode resultar numa zona do metal deformadosendo que a mesma é induzida nesta etapa se as devidas precauções não foremtomadas. A Figura 6.3 mostra uma zona de deformação permanente indicando que olimite elástico foi ultrapassado e a zona de deformação é bastante visível onde os grãoapresenta um alinhamento bastante visível. Também é mostrado esquematicamente umaregião totalmente fragmentada junto a superfície, uma região fortemente deformada euma região levemente deformada. Observa-se que a amostra após o corte foidevidamente preparada envolvendo a etapa de lixamento, polimento e ataque químico emesmo assim a deformação inicialmente introduzida não foi retirada.
Figura 6-3 Deformação superficial da amostra metálica durante a preparação (a)estrutura de aço após um corte inadequado, (b)esquema da mesma amostra mostrandoos diferentes níveis de deformação.
 A Figura 6.4 mostra esquematicamente o efeito do abrasivo e a superfície da amostraonde a interface da deformação não uniformemente distribuída, dependente da ação doabrasivo.
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Figura 6-4 Efeito do abrasivo mostrando esquematicamente a extensão da camadadeformada (a)após lixamento, (b) após polimento grosseiro, (c) após polimento final.
6.1.2 Embutimento da amostra
O embutimento da amostra é necessário para facilitar as etapas subseqüentes dapreparação com o objetivo de obter uma superfície plana e paralela, além de proteger a
superfície para evitar arredondamento, deve-se selecionar uma resina de maior durezaquando deseja-se observar a superfície da peça.
O embutimento da amostra pode ser feita em material polimérico, tendo duaspossibilidades:
- Polímero termorrígido (baquelite, resina acrílica) exige pressão para compactação eaquecimento para cura (Máximo de 200oC);
- Polímero termoplástico (resina poliéster) transparente, não requer pressão e atemperatura de cura é bem menor que comparada com o baquelite.
 A necessidade do embutimento de amostras metalográficas é de grande importância em
micrografia, pois além de facilitar o manuseio de peças pequenas, evita que corpos deprova com arestas rasguem a lixa e o pano de polimento, bem como evita o abaulamentodos corpos de prova durante o polimento, o que influencia bastante na observaçãomicroscopia(facilita a observação dos bordos, que ficam planos). O embutimento podeser:
- a frio – quando se usa resinas sintéticas de polimerização rápida;
- a quente – quando a amostra é embutida em materiais termoplásticos por meiodeprensas.
6.1.3 Lixamento ou pré-polimento
 A finalidade do lixamento é remover a deformação plástica produzida durante o corte daamostra e obter uma superfície plana e paralela. Nesta etapa utiliza-se lixas abrasivascom granulometrias decrescentes sendo que as mais usuais são: #240, #320, #400, #600e #1200.
É recomendada a utilização de água para remoção do material extraído da superfície delixamento e principalmente para manter a temperatura próxima da ambiente para nãoalteraras características estruturais da amostra. Esta última recomendação se aplicaprincipalmente nos casos de lixamento mecânico.
 A passagem para uma lixa de granulometria menor deve ser feita quando houver umdesaparecimento total dos riscos da anterior. É imperativo que a mudança de uma lixa
para outra a amostra e as mãos do operador sejam bem lavadas para evitar contaminação com material da lixa anterior. Para obter bons resultados deve-se girar aamostra em 90o para facilitar a observação dos riscos da lixa anterior.
O parâmetro fundamental nesta etapa é a pressão aplicada sobre a amostra pois amesma controla a profundidade do risco e também a deformação sobre a superfície daamostra. Além da pressão externa aplicada contra a amostra há a pressão exercida pelomeio lubrificante devido a pressão superficial.
O lixamento é essencialmente o processo de preparação de uma superfície lisa e planada amostra metalográfica para o subseqüente polimento. Para isto, começa-se por lixar aamostra em lixas de granulação cada vez menor, mudando de direção (90º) em cada
mudança de lixa até desaparecerem os traços da lixa anterior.6.1.4 Polimento
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Esta etapa pose ser considerada uma das mais importantes no processo de preparaçãode amostras para observação no microscópio ótico.
Utiliza-se uma politriz cujo princípio é um prato giratório com um pano adequado qual éimpregnado com uma suspensão de abrasivo. O abrasivo deve Ter um tamanho departícula uniforme e o abrasivo de diamante é um dos que preenche este requisito, alémde apresentar alta dureza, ser inerte e baixo coeficiente de atrito. Outra característica éque essas partícula mantém a sua forma e tamanho durante o processo de abrasão eproduz uma alta taxa e uniforme de remoção do material causando uma mínimadeformação.
Outros abrasivos comumente usados são: óxido de alumínio, óxido de cério, óxido decromo. O óxido de alumínio é amplamente utilizado e são disponíveis em duas versões:levitado e o outro é o pó sintético de alta pureza, sendo que estes materiais sintéticos sãoos mais utilizados na forma de pó ou suspensão na faixa de mícrons até sub-mícrons.
O procedimento para o polimento é tal que, devemos girar levemente a amostra nosentido oposto ao movimento do prato da polittriz. Como é uma etapa final de preparação,um extremo cuidado deve ser tomado em relação a contaminação dos panos depolimento por partículas de abrasivo grosseiro. Para isso recomenda-se que após olixamento a amostra e as mãos sejam devidamente lavadas.
Para se obter uma superfície perfeitamente polida, os seguintes cuidados devem ser observados:
a) Escolha adequada do material de polimento em relação