RESOLUÇÃO LISTA I CM1

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LISTA I CM1 
 
1) Descreva os principais metais e ligas metálicas de engenharia. 
As ligas baseadas em ferro, ou ligas ferrosas, que incluem aços carbono, aços-liga e os ferros 
fundidos. As ligas não ferrosas são todos os outros metais que não contêm ferro como 
constituinte principal. 
 Aço– utilizado para produzir outras ligas metálicas. 
 Aço inoxidável– utilizado para fabricação de peças de carro e brocas. 
 Ouro– utilizado para a fabricação de joias. 
 Amálgama– utilizada em obturações dentárias. 
 Bronze– utilizado em moedas, sinos, medalhas e estátuas. 
 Latão– utilizado em armas, torneiras, instrumentos musicais e produção de tubos. 
 Solda– utilizada em solda de contatos elétricos. 
 Magnálio– utilizado em peças de aviões e automóveis. 
 Liga Wood– utilizada em resistências de chuveiros, ferros elétricos e fusíveis. 
TEM MAIS EXPLICADO NO SLIDE “METAIS E LIGAS METALICAS” 
 
2) Os aços podem ser classificados como baixo, médio e alto teor de carbono: quais 
são as diferenças microestruturais básicas quando processados em taxas baixas e 
altas de estes aços: 
 
AÇO BAIXO CARBONO 0,1 à 0,25% C 
Estrutura é usualmente ferrita proeutetoide e perlita. Alta conformabilidade, alta ductilidade: 
deformação: ~ 30%. Relativamente baixa resistência; limite de elasticidade 200 ~ 400Mpa. Boa 
soldabilidade, não pode ser endurecido por tratamento térmico e normalmente endurecido pelo 
trabalho a frio. Aplicações típicas: tubulações, chapas, componentes da carroceria, latas. 
 
AÇO MÉDIO CARBONO 0,25 à 0,55% C 
Estrutura ferrita proeutetóide e perlita. Boa combinação de força e ductilidade, limite de 
elasticidade: 300 ~ 600Mpa. Resistência à tração : 400 ~ 800Mpa. Deformação: ~ 25%. 
Reforç
estruturais, ferrovias, rodas e trilhos, virabrequins, engrenagens, maquinaria pesada, mineração, 
guindastes. 
 
AÇO ALTO CARBONO > 0,55% C 
Aços para molas: 0.6 ~ 0.8% C - Pearlita predominantemente, normalmente reforçada pelo 
tratamento térmico. Alta resistência e dureza moderada. 
Aços ferramenta: 0.8 ~ 1.2% C - cementita proeutetóide e pearlita. Alta dureza, baixa tenacidade, 
difícil de usinar. Usado para cinzel, martelo, facas, lâminas de serra, brocas, matrizes, punções, 
aplicações de cutelaria e desgaste. Baixa soldabilidade e usinabilidade. 
 
3) Descreva as microestruturas dos ferros fundidos em função de suas composições 
química e taxa de resfriamento no processamento. 
 
Ferros fundidos são Ligas Fe-C com% C> 2% 
Os elementos que mais influem na estrutura são o carbono e o silício, o carbono determina a 
quantidade de grafita que se pode formar e o silício é essencialmente elemento grafitizante, 
favorecendo a decomposição do carboneto de ferro; sua presença, independentemente do teor 
de carbono, pode fazer um ferro fundido tender para o cinzento ou para o branco. O manganês, 
sempre presente, tem efeito oposto ao do silício, isto é, estabiliza a cementita e, assim, 
contrabalança, de certo modo, a ação grafitizante do silício. A rigor, o manganês nos ferros 
fundidos, tanto quanto nos aços, é adicionado como dessulfurante; entretanto, como na prática há 
sempre um excesso de manganês, esse atua como estabilizador da perlita: daí o seu efeito 
oposto ao do silício e sua utilidade para produzir estrutura com matriz predominantemente 
perlítica, sobretudo em peças fundidas volumosas. 
Resfriamento rápido gera o ferro fundido branco, que não tem grafita. Se este for reaquecido, 
caso seja resfriado rápido gera perlita mais grafita (maleável) e se for resfriado lentamente gera 
ferrita mais grafita (maleável). 
O resfriamento moderado gera o ferro fundido cinzento com a perlita mais grafita. E o 
resfriamento lento gera ferro fundido cinzento com a ferrita mais grafita. 
Com a inserção de elementos de liga como MG/Ce, o resfriamento moderado gera ferro fundido 
dúctil (nodular) de perlita e o resfriamento lento ferro fundido dúctil (nodular) de ferrita. 
 
4) As ligas a base de alumínio se classificam como fundidas e forjadas. Explique as 
diferenças de comportamento mecânico e as técnicas de endurecimento de ambas as 
ligas. 
 
Forjada não tratada termicamente: baixa resistência mecânica, alta ductilidade, alta resistência à 
corrosão e alta soldabilidade. Endurecimento por trabalho à frio, feita a deformação plástica que 
gera o aumento do número de discordâncias. 
Forjada tratada termicamente: media-alta resistência mecânica, alta ductilidade e alta resistência 
à corrosão. Endurecimento por precipitação, a solução é aquecida para que forme SS e logo em 
seguida resfriada rapidamente, o resultado é uma solução sólida, como se havia obtido 
anteriormente durante a solubilização, no entanto metaestável, supersaturada. Assim, para 
retornar ao estado de menor energia, o material tenderá a iniciar um processo de precipitação. 
Como a quantidade de precipitados irá depender do tempo, a etapa é denominada 
envelhecimento do material. Esse envelhecimento pode ser natural, deixando o material por 
alguns dias na temperatura ambiente, ou artificial, provocada através de mais uma etapa de 
tratamento térmico. Nos momentos iniciais do envelhecimento, ocorre a formação de alguns pré-
precipitados, conjunto de alguns átomos que se aglomeram em uma região determinada e são 
coerentes com a matriz. Estes são denominados de zonas Guinier-Preston. Em seguida, tendo 
sempre a supersaturação como força motriz, os aglomerados evoluem para estruturas de 
transição, que com o passar do tempo atingem o equilíbrio, formando as estruturas finais. A 
formação desses precipitados na matriz aumenta a resistência mecânica, por dificultar o 
movimento das discordâncias. No entanto, pela mesma razão, também diminui a ductilidade do 
material. O envelhecimento natural é o processo que obtém a melhor relação resistência 
mecânica-ductilidade, no entanto é mais demorado do que o artificial. 
Fundidas: % Si: 10-13 alta fluidez, curta faixa de congelamento (concentração eutética), baixo 
endurecimento por têmpera, aplicações: utensílios de cozinha, carburador corpos, acessórios 
para tubos. Com adição de elementos de liga como Na ou Sr diminui-se a temperatura de 
cristalização do silício. 
 
Endurecimento por precipitação: é um tratamento térmico que também se chama envelhecimento. 
Realiza-se como operação final, anterior à pintura do quadro, quando já foram soldados todos os 
componentes e realizado o alinhamento. É o último passo de fabricação do quadro propriamente 
dito, varia em função das caraterísticas próprias da liga e o tipo de estado final de temperatura 
requerido. Os famosos T-4 e T-6, um exemplo típico de um endurecimento por precipitação, 
podem durar umas 8 horas a 175º C. = ALUMINIO FORJADO 
 
ALUMINIO FUNDIDO??? 
 
 
5) Qual é a influencia dos elementos de liga nas ligas a base de magnésio. Forneça uma 
descrição de suas propriedades em função de suas composições e técnicas de 
processamento. 
 
 
Uma grande desvantagem do magnésio é a facilidade à corrosão; esta característica impede a 
sua utilização sem adição de elementos de liga. Ligado com Al, Zn, Mn, metais de terras raras 
para produzir ligas com alta intensidade para relações de peso. Não deformado prontamente à 
temperatura ambiente devido à estrutura do HCP. Ligas de magnésio fundido dominam 85-90% 
de todas as ligas de magnésio produtos, sendo o sistema Mg-Al-Zn o mais utilizado. O magnésio 
possui boa resistência à corrosão em atmosferas pouco agressivas, mas é susceptível à corrosão 
em meios marinhos. 
 
 
6) O que são aços microligados? Por que estes aços possuem alta resistência? 
 
Aços com alto rendimento, sua composição C 0.05-0.1% mais elementos de liga como Nb, V, Ti: 
0.1%, suas propriedades são alta força, boa tenacidade, baixo custo. Suas características de 
devem à sua microestrutura que são grãos finos de ferrita com precipitados de micro carbonetos 
e micro nitretos. 
 
7)As ligas a base de titânio podem apresentar microestrutura monofásica ou bifásica. 
a) Explique as diferenças no comportamento mecânico de estas ligas. b) descreva o efeito 
dos elementos de liga na estabilização das fases alfa e beta. 
 
a) MONOFASICA: as ligas monofásicas alfa apresentam as melhores características 
de resistência à corrosão e também são os materiais à base de titânio mais 
facilmente soldados. 
BIFASICA As ligas bifásicas alfa-beta, quando adequadamente tratadas, 
apresentam uma excelente combinação de resistência mecânica e ductilidade, 
sendo mais resistentes do que as ligas monofásicas alfa e beta. 
 
b) À temperatura ambiente o titânio puro apresenta estrutura cristalina com reticulado 
do tipo hexagonal compacto (HCP): é a chamada fase alfa, que permanece estável 
do ponto de vista termodinâmico até a temperatura de 882 ºC, na qual se transforma 
numa estrutura cúbica de corpo centrado (CCC), conhecida como fase beta, que se 
mantém estável até ser atingida a temperatura de fusão mencionada. 
As ligas beta são metaestáveis, ou seja, tendem, em condições de equilíbrio 
termodinâmico a se transformarem em ligas bifásicas. Nestas ligas beta a 
resistência mecânica mais elevada advém do endurecimento por solução sólida ou 
da precipitação controlada da fase alfa através de tratamento térmico e 
processamento mecânico adequados. A característica mais interessante destas 
ligas beta é a sua maior conformabilidade em comparação com as ligas 
monofásicas alfa e as ligas bifásicas alfa+beta. 
a adição de determinados elementos de liga a partir de certos níveis de teores 
fazem com que a fase beta possa ser estável à temperatura ambiente, podendo 
coexistir com a fase alfa ou até mesmo predominar ou ser a única fase estável, 
dependendo dos teores de determinados elementos que favorecem a formação da 
fase beta, como será visto com mais detalhe mais adiante neste texto. 
Adições de elementos de ligas em teores expressivos aumentam a resistência 
mecânica em comparação com o titânio comercialmente puro. Estes elementos de 
liga, como Al, V, Cr, Fe, Mn e Sn, são adicionados tanto em sistemas binários como 
em sistemas ternários e mais complexos em geral. 
 
8) Algumas ligas a base de magnésio, alumínio e ferro podem ser endurecidas por 
precipitação. a) Explique como esse mecanismo funciona nessas ligas. B) porque as fases 
” 
e ’ não formam diretamente à fase ?. 
 
a) Endurecimento por precipitação, a solução é aquecida para que forme SS e logo em seguida 
resfriada rapidamente, o resultado é uma solução sólida, como se havia obtido anteriormente 
durante a solubilização, no entanto metaestável, supersaturada. Assim, para retornar ao estado 
de menor energia, o material tenderá a iniciar um processo de precipitação. Como a quantidade 
de precipitados irá depender do tempo, a etapa é denominada envelhecimento do material. Esse 
envelhecimento pode ser natural, deixando o material por alguns dias na temperatura ambiente, 
ou artificial, provocada através de mais uma etapa de tratamento térmico. Nos momentos iniciais 
do envelhecimento, ocorre a formação de alguns pré-precipitados, conjunto de alguns átomos que 
se aglomeram em uma região determinada e são coerentes com a matriz. Estes são 
denominados de zonas Guinier-Preston. Em seguida, tendo sempre a supersaturação como força 
motriz, os aglomerados evoluem para estruturas de transição, que com o passar do tempo 
atingem o equilíbrio, formando as estruturas finais. A formação desses precipitados na matriz 
aumenta a resistência mecânica, por dificultar o movimento das discordâncias. No entanto, pela 
mesma razão, também diminui a ductilidade do material. O envelhecimento natural é o processo 
que obtém a melhor relação resistência mecânica-ductilidade, no entanto é mais demorado do 
que o artificial. 
b) Não é possível pular uma etapa da precipitação, pois é necessário tornar o material uma SSS 
para que seja possível haver uma força motriz capaz de formar os precipitados e as zonas de 
Guinier-Preston. Com essa força motriz que a rede cristalina de organiza de forma a fortalecer o 
material através dos precipitados. 
 
 
9) Ligas a base de cobre são amplamente usadas em trens de pouso. Qual é a 
microestrutura 
final de estas ligas? Descreva essa microestrutura e técnicas de processamento. 
 
Oxidação a T> 450 ºC, resistência à corrosão (problemas de soldagem), fragilização na presença 
de H2, microcracos. Solução: adição de P, eliminação de O2 e solúvel em ácidos fracos e NH3 no 
ar. Pode ser do tipo latão ou bronze. 
O latão: as propriedades dependem da fase e conteúdo de Zn, a fase CFC facilmente deformável, 
fase CCC não deformável e fase cúbica complexa muito dura Cu5Zn8. 
O bronze: no bronze monofásico fase alfa abaixo de ~ 16% Sn, deformável (FCC), possível fazer 
trabalho à frio, bom condutor térmico e elétrico, resistente à corrosão, aplicações: molas, moedas, 
placas, fios. Bronze de duas fases: fases α + δ, abaixo de 22%, propriedades de Sn dependem de 
δ, baixa temperatura de fusão, bom para fundição: engrenagens, válvulas e NENHUMA 
DEFORMAÇÃO PLÁSTICA (não faz trabalho à frio). 
 
10) O que são as superligas?, Descreva a sua microestrutura e propriedades mecânicas. 
 
 Alto desempenho, combinando alta resistência mecânica e alta resistência à corrosão em 
temperaturas elevadas 
 Alta condutividade térmica, 
 Baixa expansão térmica, 
 Alta resistência ao ataque ambiental, 
 Excelente resistência à fluência, à fadiga térmica e mecânica, 
 Boa ductilidade e boa resistência a corrosão em temperaturas altas de operação 
 As superligas têm tipicamente uma matriz com uma estrutura cristalina austenítica cúbica 
centrada nas faces. O elemento base de uma superliga é geralmente níquel, cobalto, ou ferro - 
níquel. A estrutura cristalina compacta cúbica de face centrada (CFC) da matriz austenítica das 
superligas de níquel, como já foi comprovado, apresenta grande capacidade de manter 
resistência à tração, à ruptura e boas propriedades de fluência em temperaturas homólogas muito 
mais altas do que as ligas de matriz cúbica de corpo centrado (CCC) por causa de vários fatores, 
incluindo o excelente módulo de elasticidade e a alta difusividade que os elementos secundários 
possuem nesse tipo de matriz. 
Tanto Fe quanto Co sofrem transformações alotrópicas. 
-Fe se transforma de estrutura cúbica de corpo centrado (CCC) em temperaturas baixas (alpha) 
transformando-se em cúbica de face centrada (CFC) para altas temperaturas (gamma); 
- Co se transforma de estrutura hexagonal em baixas temperaturas para cúbica de face 
centrada em altas temperaturas; 
-O níquel tem estrutura cúbica de face centrada (CFC) em qualquer temperatura. 
-As formas CFC para Fe e Co nas superligas geralmente são estabilizados por elementos de liga. 
 
 
11) Quais são os problemas associados com o oxigênio dissolvidos em aços líquidos? 
 
O oxigênio, o enxofre, o fósforo e o nitrogênio formam compostos denominados inclusões (óxidos, 
sulfetos, nitretos), que quase sempre são prejudiciais para as propriedades mecânicas do aço. As 
inclusões diminuem a plasticidade e a tenacidade, favorecendo a formação de trincas e de 
defeitos superficiais. O processo de fabricação do aço consiste no refino por oxidação seletiva 
das impurezas que se incorporaram no ferro gusa, principalmente o excesso de redutor 
(carbono). Mas uma parte do ferro é também oxidado, contendo uma certa proporção de oxigênio 
nele dissolvido, por ocasião do fim do refino, quando se atingiu o nível desejado para os vários 
elementos que acompanham o ferro gusa. Este oxigênio dissolvido afeta fortemente as 
propriedades mecânicas do aço. Essencialmente, a operação de desoxidação tem por objetivo 
eliminar todo ou parte deste oxigênio, dependendo da estrutura que se deseja obter para o aço. A 
remoção do oxigênio do aço líquido é conseguidapela adição de um elemento que forma um 
óxido de maior estabilidade e melhor solubilidade do que aquele que retém o oxigênio dissolvido 
no banho de aço líquido, sob as condições reinantes de temperatura, pressão e composição. Os 
agentes desoxidantes são: alumínio, ferro-ligas de silício e de manganês, e em certos casos, ligas 
de silício e outros desoxidantes especiais. Alguns dos elementos de liga formam óxidos bastante 
estáveis, e portanto provocam reações semelhantes à dos desoxidantes; nesta categoria estão, 
cromo, vanádio e boro. Deve-se evitar a desoxidação por elementos de liga para evitar as perdas 
decorrentes, o que se consegue mediante a adição do elemento de liga após a operação de 
desoxidação. O produto da reação de desoxidação é um óxido que deve ser removido antes da 
solidificação do lingote para evitar a formação de inclusões não-metálicas. 
 
 
12) Quais tipos de propriedades estão presentes nos metais e ligas não ferrosas que estão 
presentes nas ligas ferrosas? 
 
As ligas metálicas e não ferrosas são caracterizadas por uma baixa densidade, e alta 
condutividade térmica e elétrica, além de uma maior resistência à corrosão do que as ligas 
ferrosas. 
 
 
13) Em que aspectos os materiais não ferrosos são inferiores aos aços? 
 
Os aços são superiores aos materiais não ferrosos principalmente na resistência ao 
escoamento e resistência à ruptura. 
 
14) Qual e por que é a mais popular técnica de processamento das ligas a base de 
magnésio? 
 As ligas de magnésio são produzidas por quase todos os métodos convencionais de 
fundição, principalmente fundição em areia injetada,e em coquilha. Dependendo do tipo de peça, 
aplicação, propriedades da própria liga ,é feita a escolha da técnica de fundição apropriada. Logo 
a produção dessa liga por fundição injetada é responsável por cerca de 90% da produção de ligas 
de magnésio. A principal vantagem da fundição é obter, de maneira econômica, peças de 
geometria complexa. 
As ligas Mg-Al foram as primeiras a ser desenvolvidas, adição do Al ao magnésio permite 
aumentar a sua resistência mecânica e à corrosão. E o Manganês melhora a resistência a 
corrosão 
. 
 
15) Qual é o principal benefício da reciclagem das ligas de alumínio quando comparada a 
se produzir uma nova liga?. Elabore uma técnica de reciclagem das ligas de alumínio a fim 
de se obter boas propriedades mecânicas. 
 
A principal vantagem da reciclagem é a redução significativa dos custos de fabricação, 
principalmente no que se refere aos custos de energia, que são drasticamente reduzidos. Além 
dos impactos positivos do ponto de vista ecológico, com redução significativa da contaminação do 
meio ambiente. Uma boa técnica de reciclagem é a refundição que consiste em reprocessar o 
alumínio oriundo de algum produto que foi descartado. O processo de refundição pode ser 
definido de forma simples como o ato de preparar, fundir e moldar, alumínio proveniente da 
reciclagem. 
 
16) Defina: Solução sólida supersaturada, Precipitação, Zonas de Guinier-Preston, 
envelhecimento. 
 
Solução sólida supersaturada: uma solução sólida que contém uma quantidade de soluto maior 
que a de equilíbrio, precipitação: partículas de soluto distribuídas dentro da matriz da liga metálica 
que aumentam as propriedades mecânicas do material, Zonas de Guinier-Preston: os átomos de 
soluto formam pequenos aglomerados (“clusters”) que recebem esse nome e envelhecimento: o 
aumento notável de dureza ocorrido durante os estágios iniciais da precipitação de uma solução 
sólida supersaturada. 
 
17) Defina solução sólida intersticial e substitucional. 
 
SOLUÇÃO SÓLIDA: ocorre quando a adição de átomos do soluto não modifica a estrutura 
cristalina do solvente, nem provoca a formação de novas estruturas. SOLUÇÃO SÓLIDA 
SUBSTITUCIONAL: os átomos de soluto substituem uma parte dos átomos de solvente no 
reticulado. SOLUÇÃO SÓLIDA INTERSTICIAL: os átomos de soluto ocupam os interstícios 
existentes no reticulado. Regras para solubilidade no estado sólido Hume Rothery: 1- Tamanho 
atômico: Quanto maior for a diferença entre os tamanhos dos átomos do soluto e do solvente, 
menor é a faixa de soluções. Se os raios diferem mais de 15%, a solubilidade é pequena. 2- 
Estrutura cristalina: o tipo de estrutura cristalina deve ser o mesmo. 3- Valência química: O metal 
de menor valência (soluto) provavelmente se dissolverá no metal de maior valência (solvente). 
Esta regra é válida para as ligas de cobre (Cu), prata (Ag) e ouro (Au) com metais de maior 
valência. Para ocorrer extensa faixa de solubilidade, as valências dos dois elementos não devem 
diferir de mais de uma unidade. 4 - Eletronegatividade: as eletronegatividades devem ser quase 
iguais; quanto mais eletropositivo for um componente e mais eletronegativo o outro, maior será a 
tendência à formação de compostos entre eles e menor será a solubilidade 
 
18) Explique o papel das interfaces no endurecimento das materiais metálicos. 
 
Durante a deformação plástica, o contorno do grão atua como uma barreira ao movimento das 
discordâncias ou dos escorregamentos por duas razões: 
1. Uma vez que os dois grãos possuem orientações diferentes, uma discordância que passa para 
dentro do grão B terá que alterar a sua direção de movimento; isso se torna mais difícil à medida 
que a diferença na orientação cristalográfica aumenta. 
2. A desordenação atômica no interior de uma região de contorno de grão irá resultar em uma 
descontinuidade de planos de escorregamento de um grão para dentro do outro. 
Deve-se mencionar que, para contornos de grão de alto ângulo, pode não ser o caso de as 
discordâncias atravessarem os contornos dos grãos durante a deformação. Em vez disso, uma 
concentração de tensão à frente do plano de escorregamento em um grão pode ativar fontes de 
novas discordâncias em um grão adjacente.