Aula 01 Tecnologia dos Materiais

Prévia do material em texto

Tecnologia de Materiais 
 
 
 
Aula 01 
 
 
 
Marcos Baroncini Proença 
 
 
 
 
 
 
 
 
CONVERSA INICIAL 
Seja bem-vindo à primeira rota da disciplina Tecnologia de 
Materiais! 
Não há como conhecer detalhadamente os milhares de materiais 
disponíveis. Mas os princípios gerais que norteiam as 
propriedades de todos os materiais devem fazer parte da base 
de conhecimentos tecnológicos que um engenheiro deve ter, 
quer seja para projetos de novos produtos, quer seja para 
selecionar novos materiais e alternativas de inovação tecnológica 
para aumentar a competitividade dos produtos existentes. 
Dentro desse conceito, o conhecimento sobre materiais 
metálicos, materiais poliméricos, materiais cerâmicos, 
compósitos e novos materiais, desde a ligação química, estrutura 
cristalina e propriedades mecânicas até possíveis defeitos e 
falhas que podem ocorrer nos seus processos de fabricação o 
uso são muito importantes. 
É também importante o estudo sobre tratamentos térmicos e 
termoquímicos que podem ser feitos para alterar a estrutura e a 
propriedade dos materiais, criando novos materiais ou 
características novas para materiais conhecidos. 
Abordaremos nesta disciplina ligas ferrosas, ligas não ferrosas, 
materiais poliméricos, materiais cerâmicos, materiais compósitos 
e novos materiais. Daremos foco nas ligações químicas e 
estrutura cristalina que os formam, bem como nas propriedades 
mecânicas e térmicas que essas ligações e estruturas geram. 
Também veremos diagramas de equilíbrio de fases, tratamentos 
térmicos e termoquímicos e mecanismos de endurecimento de 
metais, bem como falhas e defeitos cristalinos e suas influências 
nas propriedades dos materiais. Terminaremos usando esses 
conceitos para uma adequada análise de seleção de materiais 
para projetos de engenharia. 
Assista à videoaula inicial desta disciplina com o professor 
Marcos Proença, disponível no material on-line. 
Tema 1: Materiais Metálicos 
Ligações Químicas dos Materiais Metálicos 
Os materiais metálicos são formados por ligação metálica. 
O que é essa ligação? 
Como ela se caracteriza? 
Quais propriedades gera? 
Veja o detalhamento desse tema no anexo 1. 
 
Assista ao vídeo do professor Marcos Proença, o qual explica o 
assunto do tema 1. Disponível no material on-line. 
Tema 2: Ligas Ferrosas 
O ferro é um metal abundante na crosta terrestre e se caracteriza 
por fazer ligações com diversos elementos metálicos e não 
metálicos, sendo que o principal elemento não metálico com o 
qual se liga é o carbono. 
Essa ligação com o carbono é extremamente importante e gera a 
liga denominada liga ferro-carbono, na qual se inserem mais de 
80% dos materiais usados como elementos estruturais e 
componentes diversos. 
Acompanhe no anexo 2 esse assunto mais detalhadamente. 
 
Assista ao vídeo do professor Marcos Proença, disponível no 
material on-line, o qual explica o assunto do tema 2. 
Tema 3: Estrutura Cristalina e Propriedades Mecânicas das 
Ligas Ferrosas 
 Estrutura Cristalina 
As ligas metálicas ferrosas apresentam, conforme já descrito 
anteriormente, estrutura cristalina. Essa estrutura é formada nos 
fornos de conversão, que são fornos responsáveis pela 
conversão de sucata, ferro dos altos fornos (Ferro gusa), aditivos 
e elementos de liga nos mais diversos tipos de aços e ferro 
fundidos. 
Podemos dividir as estruturas em estruturas de aços e estruturas 
de ferro fundidos. Para os Ferros fundidos, as estruturas 
cristalinas são mais complexas, pois envolvem estruturas de 
ferro e de Fe3C e de grafite. Para os aços, as estruturas 
cristalinas se dividem em ccc (cúbica de corpo centrado), cfc 
(cúbica de face centrada) e hc (hexagonal compacta). 
Explore mais esse assunto, lendo o material do anexo 3. 
 
Assista ao vídeo do professor Marcos Proença, disponível no 
material on-line, o qual explica o assunto do tema 3. 
 
Tema 4: Defeitos e Diagramas de Fases das Ligas Ferrosas 
 Defeitos 
Defeitos nas estruturas cristalinas dos materiais ocorrem 
espontaneamente em função do processo de obtenção. 
Interferem diretamente nas suas propriedades e são por vezes 
provocados intencionalmente. Antes de analisarmos os defeitos 
presentes nas ligas ferrosas, é necessário defini-los e classificá-
los. Com relação à classificação dos defeitos, podemos afirmar 
que se dividem em defeitos pontuais, defeitos lineares e defeitos 
superficiais. 
 Defeitos pontuais são aqueles cuja dimensão se estende 
apenas no limite de um átomo de elemento no reticulado 
cristalino, mesmo havendo várias incidências. 
 Defeitos lineares se estendem ao longo de um vetor de 
esforço aplicado. 
 Defeitos superficiais ou planares se estendem ao longo 
de um plano de empacotamento atômico. 
Acompanhe no anexo 4 os tipos e definições em relação a esses 
defeitos, exemplificando-os. 
 
Assista ao vídeo do professor Marcos Proença, o qual explica o 
assunto do tema 4. Disponível no material on-line. 
 
Tema 5: Diagramas TTT , CCT e Tratamentos Térmicos e 
Termoquímicos das Ligas Ferrosas 
 Diagramas TTT e CCT 
Para que se tenha uma melhor compreensão dos tratamentos 
térmicos que as ligas ferrosas podem sofrer, é importante saber 
o comportamento de suas curvas TTT e CCT. 
 Curvas TTT (Temperatura, Tempo, Transformação), 
também conhecidas como curvas em C, são curvas 
obtidas com isotermas para diversas composições das 
ligas ferrosas, nas quais são anotados os pontos de início 
e transformação de fases a diversas temperaturas. 
 
 
 
Figura 5. Curva TTT 
Ciência dos Materiais. 
 
Essas curvas delimitam as regiões de início de transformação, 
intermediárias e de final de transformação. 
 Curvas CCT (Transformações a Resfriamento Contínuo) 
são curvas que se inserem nas curvas TTT, representando 
transformações de fases para meios com diversas 
velocidades de resfriamento. Quanto maior o ângulo de 
inclinação da curva CCT, mais lento é o resfriamento. Nas 
curvas CCT se inserem duas novas fases que só ocorrem 
nas ligas ferrosas devido a choques térmicos nas 
estruturas cristalinas, que são a bainita e a martensita. 
Bainita é uma estrutura formada por um resfriamento rápido, de 
tal forma que parte dos cristais cúbicos da perlita sofrem 
deformação, chamada de clivagem, passando de cúbicas para 
hexagonais compactas. A martensita é uma estrutura na qual, 
devido à velocidade de resfriamento, há uma total clivagem da 
estrutura cristalina da perlita, que passa totalmente de cúbica 
para hexagonal compacta. São, portanto, fases duras e de baixa 
maleabilidade e resistência ao impacto. 
 
 
Figura 6. Curvas CCT para diversos meios de resfriamento. Ciência dos Materiais. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Vamos acompanhar como interpretar e usar os diagramas vistos 
lendo o anexo 5, onde também veremos o que são tratamentos 
térmicos e termoquímicos. 
 
Assista ao vídeo do professor Marcos Proença, o qual explica o 
assunto do tema 5. Disponível no material on-line. 
 
Figura 7. Metalografia da bainita. Ciência dos Materiais. 
 
Figura 8. Metalografia da Martensita. Marcos B. Proença. 
Dissertação Mestrado. 
 
NA PRÁTICA 
Veja a seguir algumas aplicações práticas do que foi visto nesta 
aula de hoje: 
APLICAÇÃO 1 
Como exemplo de aplicação das tabelas apresentadas, temos a 
pré-seleção de ligas ferro-carbono para atender a um projeto que 
exige dureza e resistência a corrosão, independente da 
soldabilidade. Nesse caso, devem conter Cr e Ni na sua 
composição. 
As ligas queatendem a especificação são: 
 Aços liga dos tipos SAE 31XX, 32XX, 33XX e 34XX 
 Aços ferramenta 
 Aços Inox dos tipos SAE 201, 304, 310, 316 e 347 
 Ferros fundidos brancos 
APLICAÇÃO 2 
 Um aço hipoeutetoide SAE 1020, ou seja, com 0,20%C, 
terá a seguinte composição: 
 
 %P = 0,26, 
ou seja, para cada 1kg de aço SAE 1040, teremos 740g de ferrita 
e 260g de perlita, mostrando um aço maleável com baixa 
resistência mecânica. 
 Um aço hipoeutetoide SAE 1040, ou seja, com 0,40%C, 
terá a seguinte composição: 
 %P = 0,52, 
ou seja, para cada 1kg de aço SAE 1040, teremos 480g de ferrita 
e 520g de perlita, mostrando um aço menos maleável e com 
maior resistência mecânica. 
 Um aço hipoeutetoide SAE 1070, ou seja, com 0,70%C, 
terá a seguinte composição: 
 % 
P = 0,91, ou seja, para cada 1kg de aço SAE 1040, 
teremos 90g de ferrita e 910g de perlita, mostrando um aço 
pouco maleável com boa resistência mecânica. 
Para aços hipereutetoides, essa regra tem a seguinte expressão: 
 %Fe3C = 1 - 
Observe que 0,77% é a porcentagem de carbono no ponto 
eutetoide e que 2,11% é a porcentagem limite de carbono 
presente nos aços. Já %C é a porcentagem de carbono da liga 
que se pretende determinar a composição envolvendo perlita e 
cementita nos contornos de grãos. 
APLICAÇÃO 3 
 Um aço hipereutetoide com 1,20%C, terá a seguinte 
composição: 
 %Fe3C = 0,32, 
ou seja, para cada 1kg desse aço, teremos 680g de perlita e 
320g de cementita, mostrando um aço ainda maleável, com 
elevada resistência mecânica e dureza. 
 Um aço hipereutetoide com 2,0%C terá a seguinte 
composição: 
 %Fe3C = 0,92, 
ou seja, para cada 1 kg desse aço, teremos 80g de perita e 920g 
de cementita, mostrando um aço pouco maleável, mas com 
dureza elevada. 
APLICAÇÃO 4 
 Um ferro fundido branco com 3%C terá a seguinte fração 
de grafita em peso: 
 , ou seja, para 
cada 1kg desse ferro fundido, teremos 9g de grafita. 
 Um ferro fundido cinzento com 5%C terá a seguinte fração 
de grafita em peso: 
 , ou seja, para 
cada 1 kg desse ferro fundido, teremos 30g de grafita. 
Uma vez que a grafita é extremamente dura e frágil, quanto 
maior sua percentagem mais duro e menos tenaz será a liga. 
APLICAÇÃO 5 
Para se obter uma estrutura contendo ferrita e perlita, para o aço 
tipo SAE 4340, cujos diagramas TTT e CCT se encontram ao 
lado, devemos manter a liga a uma temperatura em torno de 
700ºC por aproximadamente 30 min (2x105s), e depois resfriar a 
uma velocidade de 0,006ºC/s, levando um tempo total superior a 
27h e 46 min (105s) de resfriamento. Para se obter uma estrutura 
totalmente martensítica, devemos resfriar imediatamente a 
temperatura pouco superior a 700ºC a uma velocidade de 
8,3ºC/s, levando um tempo total inferior a 1,5 min (90s). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
FINALIZANDO 
Estamos encerrando esta rota! 
Após esta aula você adquiriu conhecimentos sobre metais, sobre 
ligas ferrosas, tanto estruturais quanto relacionados às suas 
propriedades, aplicações e tratamentos, para uso profissional. 
Expanda seus conhecimentos lendo os anexos das rotas de 
aprendizagem, bem como pesquisando sobre o assunto em 
outras literaturas. 
Figura 10. Curvas CCT e TTT para aço SAE 4340. 
Willian D. Callister Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais. 
 
Assista à videoaula de síntese com professor Marcos Proença, 
disponível no material on-line. 
 
REFERÊNCIAS 
BROWN, T. L.; LEMAY, H. E. Jr; BURSTEN, B. E. Química: a 
Ciência Central. 9ªedição, Pearson Prentice Hall, São Paulo, 
2005. 
Callister, W. D. Jr. Fundamentos de Ciência e Engenharia de 
Materiais. 2ªedição, LTC, Rio de Janeiro, 2005. 
Chiaverini, V. Tecnologia Mecânica. Vol III, 2ªedição, McGraw 
Books do Brasil, São Paulo, 1986. 
Shackelford, J.F. Ciência dos Materiais. 6ª Edição, Pearson 
Education do Brasil, São Paulo, 2014. 
Smith, W.F., Princípios de Ciência e Engenharia de Materiais. 
3ªedição, McGrawHill, Portugal, 1998.