Química dos materiais

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Estácio de Sá
Química dos materiais
Aula 03 - Metalurgia
As ligas ferrosas, aquelas em que o ferro é o principal constituinte, incluem os aços e os ferros fundidos e, consequentemente, as não ferrosas representam todas as ligas que não são à base de ferro.
As ligas metálicas estão entre os materiais mais produzidos no mundo. Elas são de especial importância como material em todos os ramos da Engenharia. Os motivos são a abundância, os custos, as técnicas de extração, o refino, a produção de ligas e a fabricação do material.
Possibilidade de se combinar elementos, no qual pelo menos um seja metálico, é muito grade, podendo dar origem a inúmeras ligas metálicas. Contudo, a composição química de cada liga deve-se levar em conta que as modificações estruturais podem ocorrer em diferentes temperaturas, em virtude da temperatura de fusão dos diferentes elementos da liga.
Classificação das ligas:
Misturas mecânicas - Considera-se mistura mecânica quando os cristais dos metais componentes estão simplesmente misturados, como por exemplo, em uma liga de estanho e chumbo, que se forma no processo de solda.
Soluções sólidas - As soluções sólidas ocorrem com a interligação dos cristais durante a solidificação, como por exemplo, a liga de aço carbono.
Compostos químicos - Pode se considerar composto químico os casos em que os metais formam uma composição diversa, como por exemplo, a liga de cobre e zinco.
Processo de fabricação - Historicamente, as ligas metálicas são os materiais mais usados pelo homem, sua utilização data de muitos anos antes de Cristo. O ferro e as ligas, cujo metal principal era o ferro, são utilizados pela humanidade de longas datas. A utilização desses materiais se vez necessária para suprir a necessidades do homem, para a proteção de seus bens e posses, na fabricação de armas, ou mesmo para facilitar seu dia a dia, na produção de ferramentas e utensílios. Porém, desde os primeiros artefatos metálicos, houve grande evolução nesta área; hoje são conhecidas ligas metálicas de alto desempenho.
Os processos de conformação podem ser divididos em dois grupos:
Processo metalúrgico - Nos quais as modificações de forma estão relacionadas com altas temperaturas;
Processos mecânicos - Nos quais as modificações são provocadas pela aplicação de tensões externas.
Diferenças dos tipos de aço:
Aços de corte fácil ou aços de construção — são aços de baixa dureza e alta ductilidade, fáceis de serem trabalhados e moldados. São aços de aplicações gerais, permitem bom acabamento e elevadas velocidades de corte.
Aços para ferramentas — são quaisquer aços usados para fabricar ferramentas de corte, conformação ou qualquer outro artefato capaz de dar forma a um material transformando-o em uma peça. Caracterizam-se por terem elevada dureza e resistência à abrasão. A grande maioria é de média e alta liga; esses aços temperam ao ar e, portanto, não são passíveis de recozimento.
Aços rápidos — são aços cuja principal aplicação são ferramentas de corte tais como brocas, bisturis, serras (incluem-se nos aços para ferramentas). O seu desenvolvimento permitiu velocidades de corte mais rápidas, daí o nome. Oferecem alta dureza em temperaturas até 500°C e alta resistência ao desgaste, graças a elementos de liga como tungstênio, molibdénio, vanádio e cromo, que são capazes de formar carbonetos.
Dentre os processos mais comuns de conformação dos metais temos:
Laminação: É um processo de conformação plástica, muito utilizado atualmente, pois apresenta alta produtividade e excelente controle dimensional do elemento conformado. A laminação consiste na passagem de um corpo sólido entre dois cilindros que geram a mesma velocidade periférica, mas em sentidos contrários. Como a distância entre as superfícies laterais é inferior à espessura da peça, ela sofre uma deformação plástica durante a passagem entre os cilindros. O resultado desta passagem é a diminuição da seção transversal e aumento da largura (geralmente pequeno) e do comprimento (geralmente maior).
O processo de laminação pode ocorrer a frio ou a quente. Como a chapa laminada a frio é um produto que se origina na bobina laminada a quente, esse passa por mais processos produtivos para obter suas características finais. A chapa laminada a quente possui um processo a menos que a chapa laminada a frio. Esse único processo confere aos produtos propriedades distintas e, portanto, utilizados em aplicações diferentes. A laminação é utilizada para a fabricação de chapas, blocos e tarugos, além dos perfis estruturais na forma de I, T, L etc., ou mesmo perfis de seção circular, quadrada, hexagonal e etc.
Forjamento: É um processo de conformação plástica, em que se obtém a forma desejada, através do martelamento ou da aplicação gradativa de uma pressão. O forjamento pode ocorrer em processos a frio, ou a quente, mas a grande maioria das peças conformadas por forjamento ocorre por meio de processo a quente.
Após o forjamento de uma peça é possível que ela receba tratamento térmico para que suas propriedades mecânicas sejam melhoradas e seu desempenho seja melhor. O tratamento térmico objetiva, principalmente:
- a remoção das tensões internas introduzidas durante o forjamento e o resfriamento do forjado;
- a homogeneização da estrutura da peça forjada;
- a melhoria de sua usinabilidade e de suas propriedades mecânicas.
Atualmente, o forjamento é empregado para a produção de peças como, eixo manivelas, bielas, discos de turbinas, engrenagens, rodas, cabeças de parafusos, esferas, ferramentas manuais e uma grande variedade de componentes estruturais para máquinas operatrizes e equipamentos de transporte.
Trefilação
É um processo de conformação plástica que se realiza pela operação de condução de um fio, barra ou tubo através de uma ferramenta chamada de fieira. Essa ferramenta apresenta um formato externo cilíndrico e que contém um furo em seu centro, por onde passa o fio. Esse furo, com diâmetro decrescente, apresenta um perfil na forma de funil curvo ou cônico. A laminação consiste na passagem de um corpo sólido entre dois cilindros que geram a mesma velocidade periférica, mas em sentidos contrários. A passagem do fio pela fieira provoca redução de sua seção e, como a operação é normalmente realizada a frio, ocorre o encruamento com a alteração das propriedades mecânicas do material do fio. Essas alterações ocorrem, principalmente, na redução da ductilidade e no aumento da resistência mecânica.
Assim sendo, a trefilação tem por objetivo a obtenção de fios, barras ou tubos de diâmetros menores e com propriedades mecânicas controladas. O processo de trefilação é empregado para a fabricação de barras, tubos, arames e fios de metais ferrosos e não ferrosos. As barras produzidas por trefilação possuem as seguintes aplicações:
pistões pequenos,
eixos,
material estrutural;
material para parafusos.
Atualmente, o forjamento é empregado para a produção de peças como, eixo manivelas, bielas, discos de turbinas, engrenagens, rodas, cabeças de parafusos, esferas, ferramentas manuais e uma grande variedade de componentes estruturais para máquinas operatrizes e equipamentos de transporte.
Extrusão
É um processo de conformação plástica, no qual é reduzida ou modificada a seção transversal de um corpo metálico, através da aplicação de altas tensões de compressão. A extrusão consiste na passagem de um corpo metálico, geralmente de forma cilíndrica, que é forçado a escoar através da abertura, por meio de uma ação de compressão de um pistão acionado pneumaticamente ou hidraulicamente. Entende-se por extrusão o processo de compressão indireta, pois são as paredes internas da ferramenta que provocam, devido à reação à pressão do pistão, a ação de compressão sobre o tarugo.
A extrusão pode ocorrer por meio de processo a quente onde, inicialmente o tarugo é aquecido no forno e, em seguida, é transportado para o recipiente da extrusão. A extrusão é utilizada para a fabricaçãode perfis de seção circular, quadrada, hexagonal etc.
Estampagem
É um processo de conformação plástica, e consiste na conformação de peças a partir da aplicação de tensões em um plano vertical. Geralmente, essas tensões são aplicadas através de prensas. As tensões passam pelo eixo de simetria da peça a ser conformada, são iguais, e as possibilidades de aparecimento de enrugamento, no flange ou de fissuras na região lateral adjacente ao fundo do copo, são as mesmas durante a estampagem.
Os processos de estampagem podem ser classificados em três grupos:
estampagem profunda;
re-estampagem;
re-estampagem reversa.
Estampagem
Além do processo de estampagem de perfis, é atribuído também à estampagem o processo de dobramento de chapas. É possível realizar o dobramento em qualquer ângulo, com raios de concordância diversos. Segundo Miranda (2012), quando o dobramento é feito em uma pequena parte com pequena dimensão da extremidade do esboço, é chamado de flangeamento, já o rebordamento é um dobramento completo da borda de um esboço. Normalmente, o processo de dobramento ocorre a frio.
A estampagem é utilizada para a fabricação de artefatos metálicos que necessitem de conformação a frio, sendo que para isso é necessário que a liga metálica apresente condições de conformação sem haver o comprometimento de suas propriedades mecânicas, são exemplos desses materiais as telhas metálicas e terminais elétricos.
Usinagem
A usinagem é um processo de conformação, muito utilizado atualmente, cerca de 80% dos materiais metálicos passam por esse processo. A usinagem consiste em produzir formas com elevada tolerância dimensional, bom acabamento superficial e muitas vezes de geometrias complexas. Como o processo de usinagem ocorre em uma peça que foi produzida por um processo primário, tal como laminação, forjamento ou fundição ela é considerada como processo secundário.
Esse processo é largamente utilizado porque, peças produzidas por fundição ou conformação plástica muitas vezes requerem operações de usinagem para obter um determinado acabamento superficial, melhorar as tolerâncias dimensionais, dar a forma desejada e permitir algumas peculiaridades tais como, furos rosqueados, saliências e reentrâncias. As operações de usinagem podem ser diversas, em virtude das máquinas e dos equipamentos disponíveis para a realização da usinagem. As técnicas mais utilizadas para a usinagem de peças são:
torneamento;
aplainamento;
furação;
mandrilamento;
fresamento;
serramento;
brochamento;
roscamento;
retificação etc.
A usinagem é utilizada para a fabricação de peças ou componentes como: eixos, parafusos, rodas dentadas, pinos, polias, componentes estruturais para máquinas, válvulas, ferramentas diversas, componentes para agricultura, peças automobilísticas etc.
Fundição
É um processo de conformação e consiste basicamente na obtenção de objetos, na forma final, a partir do uso de um metal líquido ou viscoso, depositado em um molde preparado, sendo que, a peça fundida é o produto obtido quando o líquido ou o metal viscoso se solidifica. O molde é o recipiente que tem cavidade ou cavidades que vão conferir à peça a ser fundida a forma desejada. Pelo processo de fundição, podem-se obter peças de pouca ou muita complexidade, com a existência de concavidades e reentrâncias ou não, além de peças extremante leves ou extremamente pesadas.
Processo térmico
A maior parte dos processos de tratamento térmico consiste no aquecimento e resfriamento das peças, com o objetivo de alterar suas propriedades mecânicas, a fim de aumentar o desempenho de tais materiais. O processo de aumento da temperatura deve ocorrer de maneira controlada, mantendo a temperatura por um tempo determinado e, posteriormente, realizar o resfriamento da peça em um meio que pode ser água, óleo, ar etc.
O principal objetivo dos tratamentos térmicos é submeter as estruturas a transformações que alterem suas propriedades visando, principalmente, a algumas em especifico, como a tenacidade e dureza, ou mesmo a resistência ao desgaste, torná-las mais facilmente usinadas ou mesmo fazer com que tensões internas resultantes do processo de fabricação sejam eliminadas ou minimizadas.
Os processos térmicos podem ser classificados em:
Recozimento - Considera-se essa operação como tratamento térmico, situação em que o aço é submetido a aquecimento, mantido a uma determinada temperatura e resfriado lentamente junto ao forno ou em uma caixa de areia. Usualmente, a velocidade de resfriamento gira em torno de 2 a 3ºC por minuto. O resultado obtido no recozimento é um aço com estrutura termodinamicamente mais estável, livre de tensões residuais.
As principais finalidades do recozimento são:
• diminuir a dureza e elevar a ductilidade do material;
• diminuir as tensões internas resultantes do processo de forjamento ou estampagem; 
• eliminar a fragilidade e elevar a resistência mecânica ao choque; 
• eliminar a heterogeneidade estrutural na composição que surge como resultado da segregação;
• mudar as propriedades do metal endurecido.
Normalização - É uma das variedades do recozimento, sendo que a principal diferença é que o resfriamento das peças ocorre ao ar livre. O objetivo da normalização é melhorar a microestrutura da peça, aumentando suas propriedades mecânicas e que, inclusive, podem receber outro processo de tratamento térmico. Como resultado da normalização, obtemos peças com limite de tenacidade bastante alto e elevada resistência mecânica ao choque.
Têmpera - Consiste no tratamento térmico que visa ao aumento da dureza e da resistência das peças. A têmpera ocorre pelo aquecimento da peça até uma temperatura determinada e, posteriormente, mantêm-se a temperatura da peça por um determinado período, em seguida, esfria-se a mesma em diferentes meios, como: solução de soda cáustica, sal, óleo, salitre e/ou chumbo. Os resultados da operação de têmpera dependem dos seguintes fatores: temperatura, duração do aquecimento e taxa de esfriamento. Em relação à temperatura de aquecimento, esta pode variar em função de informações prestadas pelo fabricante ou mesmo pela composição da liga metálica no que se refere à concentração de carbono. Os aços com baixa porcentagem de carbono não se temperam.
Revenido - Essa operação consiste no tratamento térmico que se emprega depois da têmpera e visa diminuir a fragilidade das peças, além de torná-las mais maleáveis para o processo de usinagem. O revenido ocorre pelo aquecimento da peça até uma temperatura determinada e manutenção da mesma a essa temperatura por um intervalo de tempo; em seguida, esfria-se a peça em água, óleo ou outro meio refrigerante.
O processo de revenido pode ser classificado em três:
• No revenido baixo, que ocorre com o aquecimento em torno de 150 a 200ºC, os principais resultados obtidos são a eliminação das tensões residuais, a diminuição da fragilidade das peças e o aumento exponencial da dureza das mesmas;
• No revenido médio, que ocorre com o aquecimento em torno de 350 a 500ºC, os principais resultados obtidos são o aumento da ductilidade das peças, mantendo um nível de dureza satisfatório; 
• Já no revenido alto, que ocorre com o aquecimento em torno de 500 a 650ºC, os principais resultados obtidos são o aumento exponencial da ductilidade das peças, mantendo um nível de dureza suficiente.
Existem outros tipos menos comuns de serem aplicados como: cementação, nitretação, tratamento a vapor e o tratamento sub zero.
Corrosão
Entende-se por corrosão a deterioração de um material, geralmente metálico, que pode ocorrer por uma ação química ou eletroquímica, do meio ambiente, associada ou não, a esforços mecânicos.Alguns estudiosos também classificam como corrosão a deterioração sofrida por alguns materiais não metálicos como concreto, polímeros, borracha e madeira. Este processo é causado pela interação físico-química entre o material e o seu meio operacional. Os efeitos indesejáveis causadospelo processo de corrosão sofrido pelo material, como desgaste, variações químicas ou em sua estrutura, o tornam impróprio para o uso.
O processo de corrosão pode se apresentar de diferentes maneiras, que são identificadas em função da aparência ou da forma de ataque e as diferentes causas da corrosão e seus mecanismos. Assim, pode-se ter corrosão segundo:
- morfologia: uniforme, por placas, alveolar, puntiforme ou pite, intergranular (ou intercristalina), intergranular (ou transgranular ou transcristalina), filiforme, por esfoliação, grafítica, dezincificação, em torno de cordão de solda e empolamento pelo hidrogênio;
- as causas ou mecanismos: por aeração diferencial, eletrolítica, ou por correntes de fuga, galvânica associada a solicitações mecânicas (corrosão sob tensão fraturante), em torno de cordão de solda, seletiva (grafítica e dezincificação), empolamento ou fragilização pelo hidrogênio;
- os fatores mecânicos: sob tensão, sob fadiga, por atrito, associada a erosão;
- o meio corrosivo: atmosférica, pelo solo, induzida por microrganismos, pela água do mar, por sais fundidos;
Classificação da Corrosão:
Eletroquímica - É um processo espontâneo, podendo ocorrer quando o metal está em contato com um eletrólito. É mais frequente na natureza, ocorrendo necessariamente na presença de água e, na maioria das vezes, em temperatura ambiente e com a formação de uma pilha de corrosão.
A destruição do concreto, observada em pontes e viadutos, advém da corrosão química, devido à ação dos agentes poluentes sobre seus constituintes. Essa corrosão afeta também a estabilidade e a durabilidade das estruturas, sendo rápida e progressiva.
Fatores mecânicos (vibrações e erosão), físicos (variação de temperatura), biológicos (bactérias) ou químicos (em geral ácidos e sais) são os responsáveis por esse processo. São exemplos aceleradores da corrosão:
• Atmosfera;
• Águas naturais;
• Solo;
• Produtos químicos;
• Solventes orgânicos.
Química - A corrosão química (conhecida como seca, por não necessitar de água), refere-se ao ataque de um agente químico diretamente sobre o material, sem transferência de elétrons de uma área para outra. Em metais, ocorre uma reação química entre eles e o meio corrosivo, resultando na formação de um produto de corrosão sobre a superfície. Polímeros (plásticos e borrachas) também podem sofrer corrosão, pela ação do meio, de solventes ou de oxidantes enérgicos. Neste tipo de corrosão, as reações químicas levam à fragmentação das macromoléculas, na maioria das vezes, com comprometimento de suas propriedades físicas e químicas.
Eletrolítica - É um processo que acontece com a aplicação externa de uma corrente elétrica. Não é um processo espontâneo (como nas corrosões eletroquímicas e químicas). Se não houver aterramento ou isolamento adequado, correntes de fuga são formadas, formando pequenos furos nas instalações ao escaparem para o solo. Exemplos desse tipo de corrosão podem ser observados em cabos telefônicos, tubulações de água e petróleo.
Aplicação na Engenharia - Os materiais metálicos são empregados em larga escala na Engenharia. Como as propriedades existentes nesses materiais extraídos da natureza, em muitos casos, não satisfazem as necessidades de utilização, faz-se necessário o tratamento térmico para modificá-las e, consequentemente, melhorar o desempenho do material ao longo de sua vida útil.
Usualmente, esses materiais são empregados em estruturas metálicas, enterradas ou submersas, tais como:
minerodutos;
oleodutos;
gasodutos;
adutoras de água;
cabos de comunicação de energia elétrica;
píeres de atracação de embarcações,
tanques de armazenamento de combustíveis;
emissários submarinos.
Os efeitos indesejáveis causados pelo processo de corrosão sofrido pelo material, como desgaste, variações químicas ou em sua estrutura, o tornam impróprio para o uso. O processo de corrosão pode se apresentar de diferentes maneiras, que são identificadas em função da aparência ou da forma de ataque e as diferentes causas da corrosão e seus mecanismos. Assim, pode-se ter corrosão segundo:
Além disso, podem ser empregados em meios de transportes como: trens, navios, automóveis, caminhões e ônibus. A aplicação de metais pode ocorrer ainda em estruturas metálicas sobre o solo ou aéreas, como: torres de linha de transmissão de energia elétrica, poste de iluminação e de telecomunicações, instalações industriais, viadutos, passarelas, pontes, radares, antenas etc. É claro que não podemos nos esquecer das aplicações em pequenas quantidades em máquinas e equipamentos.
Além das situações citadas, destaca-se a utilização em obras de engenharia pela utilização dos metais em estruturas de concreto armado ou mesmo na sua aplicação como material estrutural.