Ciência e propriedade dos materiais - Aula 4 - 27 04 2020

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Ciência e propriedade dos materiais 
Encontro Virtual IV – 27/04/2020
Engenharia Civil - EAD / Camboriú - SC
Tutor: Eng.º Rômulo Soares.
E-mail: romulo.carmo@uniasselvi.edu.br
Telefone: 47 9 9937 0940
Unidade 3 – processo e seleção de materiais
Conhecer os principais processos de fabricação de materiais metálicos, cerâmicos, poliméricos e compósitos, e quais são os parâmetros que devem ser controlados no processamento;
Entender como é possível alterar as propriedades dos materiais através da modificação dos parâmetros nos processos de fabricação, correlacionando essas propriedades com a microestrutura;
Conhecer os critérios que podem ser utilizados para seleção de materiais, através do entendimento de situações práticas hipotéticas apresentadas na unidade;
Correlacionar as informações apresentadas em todo o conteúdo para determinar e selecionar materiais para aplicações, considerando critérios técnicos e econômicos;
Compreender aspectos relacionados à reciclagem de materiais e sua importância para a sustentabilidade.
OBJETIVO DE APRENDIZAGEM 
TÓPICO 1 – PROCESSOS DE FABRICAÇÃO;
TÓPICO 2 – CRITÉRIOS PARA SELEÇÃO DE MATERIAIS;
TÓPICO 3 – RECICLAGEM DOS MATERIAIS.
PLANO DE ESTUDO
TÓPICO 1 – PROCESSO DE FABRICAÇÃO
INTRODUÇÃO
Na fabricação de componentes para máquinas ou de produtos para diversos fins, utilizamos uma gama muito grande de materiais. Assim como dispomos da possibilidade de fabricar um produto a partir de diversos tipos de materiais, obtendo um resultado técnico satisfatório, também podemos utilizar várias técnicas de processamento para a fabricação desse mesmo produto.
Processamento de materiais metálicos
Os metais apresentam poucas restrições a tipos de processamento aplicáveis. Algumas de suas características, como o relativamente baixo ponto de fusão, a capacidade de se deformar plasticamente, e a facilidade de usinagem, permitem a fabricação de componentes de forma e aplicação variadas. 
FUNDIÇÃO
A fundição é uma das técnicas precursoras na fabricação de ligas metálicas, sendo muito utilizada até hoje. Normalmente essa técnica é escolhida quando:
A peça é muito grande e a sua produção por métodos de conformação ou usinagem não é viáveis, como, por exemplo, na fabricação de hélices para turbinas de hidrelétricas;
O metal a ser utilizado no processo de fabricação não apresenta boa ductilidade que permita o processo de fabricação por conformação mecânica a frio ou a quente;
Custo de fabricação: quando a fabricação de matrizes para conformação mecânica é inviável, principalmente quando a quantidade de peças a ser produzida é pequena, inviabilizando esse tipo de processamento.
FUNDIÇÃO
Para a fabricação de peças em ferro fundido (liga ferro-carbono com percentual de carbono acima de 2%), normalmente são utilizados moldes de areia de fundição. Os moldes são obtidos pela compactação mecânica dessa areia por vibração sobre um modelo com as dimensões da peça a ser fabricada, com ajustes que irão considerar a retração na solidificação e necessidade de usinagem. Um molde é normalmente constituído por duas partes, e contém um canal de entrada do metal líquido.
Os ferros fundidos são obtidos normalmente pela fusão acima de 1150ºC, em fornos de indução, a partir de sucatas metálicas selecionadas. Como a composição química dessas sucatas pode sofrer variações, um controle da composição química do metal fundido se faz necessário. Normalmente são realizados ajustes de composição do metal fundido, adicionando Ferro Gusa e outros materiais ao material fundido. 
Na fabricação de ferro fundido, três classes são de produção mais usual: 
Ferro fundido cinzento;
Ferro fundido nodular;
Ferro fundido branco.
FUNDIÇÃO
O ferro fundido cinzento contém em sua microestrutura carbono na forma de grafita, e apresenta como aspecto de sua fratura uma tonalidade acinzentada, de onde surgiu a sua denominação. A grafita nesse tipo de material está na forma de lamelas. Esse tipo de material apresenta alta dureza e resistência ao desgaste. Além disso, a grafita presente na microestrutura atua como lubrificante, facilitando um posterior processo de usinagem da peça.
O ferro fundido nodular é obtido pela adição de elementos ao metal líquido como o Mg (Magnésio), Ca (Cálcio) e Ce (Cério), que fazem com que a grafita deixe de ser lamelar e se torne esférica na microestrutura. Com isso, os pontos de concentração de tensão causados pelas lamelas da grafita são eliminados, o que resulta em uma maior resistência mecânica e tenacidade.
O ferro fundido branco apresenta carbono na forma de cementita (ausência de grafita), o que faz com que este apresente maior dureza, quando comparado aos outros tipos de ferro fundido. Ele é empregado quando é necessária uma elevada resistência ao desgaste, como em componentes onde ocorre atrito elevado.
FUNDIÇÃO
A fundição dos aços apresenta aspectos semelhantes ao da fundição dos ferros fundidos, porém a temperatura de fusão é mais elevada (acima de 1400ºC). 
Turbina tipo Francis, utilização em hidrelétricas, fabricada em aço pelo processo de fundição.
FUNDIÇÃO
Alguns parâmetros em processos de fundição devem ser considerados para a obtenção de produtos de acordo com a especificação:
Composição química da liga: A composição química da liga deve ser calculada, monitorada e ajustada (quando necessário) durante o processo de fabricação, visto que esta altera as propriedades do produto e os demais parâmetros de processo;
Temperatura de fusão e de vazamento: A viscosidade do material fundido depende da sua temperatura. O intervalo de tempo entre a retirada do metal líquido do forno para o vazamento nos moldes deve ser controlado. Se a temperatura do fundido no momento do vazamento no molde de areia for inferior ao especificado, algumas partes da peça podem não ser formadas, ou teremos inclusões de ar, como bolhas;
FUNDIÇÃO
Nos casos específicos de alguns ferros fundidos, espessuras muito finas devem ser obtidas por usinagem. A espessura mínima admissível para uma liga é determinada pelo teste de coquilhamento, que consiste na fundição de um corpo de prova em forma de cunha, onde o limiar entre a formação de ferro fundido branco e ferro fundido nodular ou cinzento é avaliado, e sua espessura na região é determinada;
Espessura da peça: Peças com espessura muito elevada podem apresentar diferenças importantes de tamanho de grão da superfície para o núcleo, resultando em uma diferença de dureza da superfície para o centro. Esses parâmetros precisam ser controlados e comparados com a especificação do produto;
Em ferros fundidos nodulares, o controle da microestrutura deve ser mais rigoroso. O grau de nodularização deve ser avaliado para garantir a qualidade do produto.
CONFORMAÇÃO MECÂNICA
Os processos de conformação mecânica dos materiais metálicos podem ser de dois tipos: a quente ou a frio. No processo de conformação a quente, a temperatura utilizada fica acima da temperatura de recristalização do material, enquanto na conformação a frio a temperatura geralmente é próxima à ambiente. Em alguns casos, o processo pode ser realizado a temperaturas intermediárias, sendo denominado de conformação a morno.
Em todos os tipos de conformação mecânica, o material recebe uma tensão superior ao seu limite de escoamento. Dessa forma, uma deformação permanente é gerada no material, e a nova forma é mantida após retirarmos a carga. Quando o processo é realizado a frio, o material ao ser conformado adquire um progressivo aumento de dureza e resistência à deformação, ao que chamamos de encruamento, que, conforme já estudamos, se relaciona com a movimentação e geração de discordâncias no material. Isso significa que se o processo de conformação a frio for realizado em etapas, a tensão que deve ser aplicada no material aumenta a cada parcela de conformação.
CONFORMAÇÃO MECÂNICA - forjamente
O forjamento é uma das técnicas de conformação de metais mais antigas, e consiste na deformação da peça pela aplicação de uma tensão, sendo o processo realizado normalmente a quente.A peça é deformada em etapas sucessivas dentro da matriz, adquirindo a sua forma.
CONFORMAÇÃO MECÂNICA - Laminação
O processo de laminação é normalmente utilizado na fabricação de chapas e perfis. Esse tipo de conformação pode iniciar a partir do material fundido, ou partindo-se de chapas ou perfis de maior espessura inicial. Nesse processo, o material passa por uma sequência de rolos cilíndricos, que conformam a peça. Quando o processo é realizado a frio, um alongamento dos grãos é observado na
microestrutura do material, paralelamente à direção de laminação.
CONFORMAÇÃO MECÂNICA - extrusão
No processo de extrusão, um êmbolo força a passagem de uma barra metálica através de um orifício em uma matriz. Por esse método podem ser obtidos perfis com menor diâmetro do que a barra inicial, cuja geometria pode ser relativamente complexa. Tubos metálicos sem costura também podem ser obtidos por esse processo (tubos com costura são geralmente obtidos pelo dobramento de
chapas e soldagem).
CONFORMAÇÃO MECÂNICA – estiramento ou trefilação
O estiramento ou trefilação consiste no tracionamento de um fio ou barra através de uma matriz cônica, fazendo com que o material sofra uma diminuição em seu diâmetro e aumento do comprimento. O processo é normalmente realizado a frio, e gera um grande atrito na matriz. Essa matriz é fabricada em material de elevada dureza, como o diamante. Uma sequência de reduções pode ser aplicada até se obter o diâmetro desejado. Em muitos processos de fabricação de perfis cilíndricos, como é o caso dos parafusos, o diâmetro do arame que será utilizado para a sua fabricação é ajustado a partir de um arame com diâmetro inicial, de maior espessura, que é trefilado até o diâmetro desejado.
USINAGEM
O processo de usinagem de metais é comumente utilizado para ajuste de dimensões de peças produzidas por outros processos de fabricação, ou para a produção de peças a partir de blocos metálicos, que são postos em contato com uma ferramenta de usinagem, gerando cavaco. Existem diversos métodos de usinagem: torneamento, fresamento, retificação, furação, mandrilamento, brunimento, serramento, roscamento, aplainamento, eletroerosão, laser, jateamento;
Na usinagem, além do resultado esperado, precisamos ter em mente a facilidade de processo e custo das ferramentas. Uma peça com elevada dureza, a qual foi obtida mediante um tratamento térmico, pode ser revertida por outro tratamento térmico, evitando a necessidade de utilização de ferramentas de corte mais caras e que apresentam maior chance de quebrarem no processo.
PROCESSAMENTO DE MATERIAIS CERÂMICOS
Assim como nos materiais metálicos, no processamento dos materiais cerâmicos temos, em certas etapas do processamento, o consumo de energia na forma de calor. Na fabricação de vidros, que apresentam temperatura de fabricação inferior a 1000ºC, o processo de moldagem e conformação é realizado a quente, com a utilização de moldes metálicos ou por insuflação de ar, ou ambos.
A fabricação de vidros planos pode ser por processo de laminação a quente, semelhante ao processo que estudamos anteriormente para os metais, ou pela deposição do vidro fundido sobre uma “piscina” de metal líquido de baixo ponto de fusão (normalmente se utiliza estanho fundido).
PROCESSAMENTO DE MATERIAIS CERÂMICOS - COLAGEM DE BARBOTINA
O processo de colagem de barbotina é bastante utilizado na fabricação de louças de mesa, para a obtenção de formas complexas, como bules. Na indústria de louças sanitárias esse processo é comum na fabricação de vasos sanitários e pias. 
O processo de colagem de barbotina demanda um relativo baixo investimento em equipamentos, sendo bastante utilizado na cerâmica artística. No entanto, a produtividade, quando comparada a outros métodos de conformação, pode ser considerada baixa. As características do processo devem ser bem controladas para evitar defeitos. Dentre as principais podemos citar:
Densidade e viscosidade da barbotina;
Permeabilidade e tipo de material do molde;
Característica dos aditivos adicionados à barbotina;
Velocidade de formação de parede;
Consistência da peça no desmolde.
PROCESSAMENTO DE MATERIAIS CERÂMICOS - EXTRUSÃO E CONFORMAÇÃO PLÁSTICA
Muitos dos produtos cerâmicos técnicos ou estruturais são obtidos através de extrusão, seguida ou não de conformação plástica. Nesses processos, o material cerâmico é passado através de uma matriz metálica, em um equipamento denominado extrusora, que pode ser de êmbolo ou fuso. A umidade da massa cerâmica, a qual usualmente apresenta um percentual de material argiloso, varia em função do tipo de material a ser produzido, e se encontra geralmente na faixa de 20-30%.
PROCESSAMENTO DE MATERIAIS CERÂMICOS - PRENSAGEM
A prensagem de materiais cerâmicos é atualmente muito utilizada na fabricação de revestimentos cerâmicos (pisos e azulejos, dentre outros), bem como alguns itens de porcelana de mesa. Os tipos de prensagem mais utilizados são:
• Uniaxial: A prensagem é realizada em um único eixo, pela movimentação de uma punção que compacta o pó sobre uma matriz fixa;
• Uniaxial de duplo efeito: A prensagem é realizada pela movimentação tanto de uma punção superior como da matriz inferior;
• Semi-isostática: A prensagem se dá pelo movimento de uma punção, sendo o material cerâmico compactado sobre uma matriz confeccionada em material elástico (borracha, silicone) que é preenchida com óleo. A pressão gerada pelo óleo é uniformemente distribuída sobre o pó;
• Isostática: Um pó cerâmico é colocado no interior de um molde elástico (borracha, silicone). Esse molde é colocado em um recipiente contendo óleo. O óleo é pressionado, transferindo a pressão de forma uniforme por todo o molde, compactando o pó.
PROCESSAMENTO DE MATERIAIS POLIMÉRICOS
O processamento dos materiais poliméricos difere substancialmente dos materiais metálicos e cerâmicos, em função da sua baixa temperatura de fusão. Como vimos anteriormente, as propriedades dos polímeros se relacionam diretamente com as características das ligações secundárias, ou seja, as ligações entre as cadeias poliméricas do material.
Os polímeros podem ser agrupados em duas classes: termoplásticos e termofixos:
Os termoplásticos sofrem amolecimento quando aquecidos e podem ser conformados, e quando resfriados e reaquecidos, podem ser moldados novamente. 
Já os termofixos formam ligações cruzadas (ligações primárias) entre as cadeias poliméricas e, ao serem reaquecidos, ocorre a quebra de ligações, gerando a degradação do polímero, não sendo possível moldá-los novamente.
Resumo da unidade 3 – Tópico I
Os metais podem ser fabricados através de diversas técnicas de fabricação. A técnica selecionada depende dos requisitos do produto, custo e facilidade de fabricação.
O processo de fundição apresenta relativo baixo custo e é utilizado na fabricação de metais ferrosos e não ferrosos. Peças grandes são geralmente obtidas através desse tipo de processamento.
Os metais podem ser conformados mecanicamente a frio ou a quente, dependendo das propriedades desejadas e do nível de deformação necessário para conformar o material de partida no produto final.
A microestrutura, e consequentemente as propriedades dos metais, pode ser alterada através de tratamentos térmicos.
No processo de usinagem de materiais metálicos deve-se selecionar o material mais adequado da ferramenta em função do tipo de material a ser usinado.
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Resumo da unidade 3 – Tópico I
Materiais cerâmicos cristalinos apresentam, a priori, alto ponto de fusão, e normalmente não é viável produzi-los por fundição. O produto é conformado a frio e sinterizado em altas temperaturas. Vidros, de baixo ponto de fusão, podem ser conformados a quente.
Materiais cerâmicos cristalinos apresentam, a priori, alto ponto de fusão, e normalmente não é viável produzi-los por fundição. O produto é conformado a frio e sinterizado em altas temperaturas. Vidros, de baixo ponto de fusão, podem ser conformados a quente.
Materiais cerâmicos são produzidos usualmente por colagem de barbotina,extrusão ou prensagem, sendo a principal diferença entre os processos o teor de umidade do material;
Materiais poliméricos termoplásticos são mais comumente obtidos por extrusão ou injeção, processados a baixa temperatura. Nesses processos é necessário um controle estreito da temperatura para evitar a degradação do polímero.
Materiais compósitos são mais comumente obtidos por metalurgia do pó, extrusão, injeção e autoclave, dependendo do tipo de material a ser processado.
Auto atividade 
1 Quais são as semelhanças, em termos de microestruturas e propriedades, entre um material compósito metal-cerâmica e um aço? Faça uma análise comparando os dois materiais.
R.: Na microestrutura de um aço comum ao carbono, como, por exemplo, um aço SAE 1020, temos as fases ferrita e perlita. A ferrita é uma solução sólida de ferro e carbono, enquanto a perlita consiste em lamelas intercaladas de ferrita e cementita. A cementita é um carboneto de ferro (Fe3C) e, portanto, consiste em um microconstituinte cerâmico. Um material compósito metal-cerâmica apresenta carbonetos (fase cerâmica) ligados a uma fase contínua metálica. Em certos aspectos, a microestrutura de um compósito metal-cerâmica se assemelha à apresentada pelos aços, pois ambas contêm carbonetos, que apresentam estrutura cristalina com poucos sistemas de escorregamento. Os mecanismos de encruamento e restrição ao movimento das discordâncias são equivalentes: O movimento das discordâncias é restringido pela presença dos carbonetos, o que gera encruamento.
2 Quais processos descritos nessa unidade poderiam estar envolvidos no processo de fabricação de um parafuso?
R.: Dentre outros processos e etapas específicas, o processo de fabricação de parafusos usualmente envolve a utilização de arames metálicos de seção reta inicial maior, que são geralmente estirados até o diâmetro adequado ao produto, gerando deformação plástica e aumentando a sua resistência por encruamento. A conformação da cabeça do parafuso pode ser realizada por forjamento.
Auto atividade 
3 Descreva sucintamente o processo de secagem de um material cerâmico. Qual dos processos de fabricação apresentados tem menor consumo energético na etapa de secagem?
R.: Em um estado inicial, as partículas sólidas estão separadas por uma fase contínua de água. À medida que se segue o processo de secagem, ocorre a eliminação progressiva da água, resultando na aproximação das partículas, o que observamos macroscopicamente como a retração da peça. Em um segundo estágio, as partículas se tocam, tornando-se uma fase contínua, enquanto a água remanescente entre as partículas é eliminada. Os processos de fabricação que utilizam menores teores de umidade irão naturalmente representar um menor consumo energético para a eliminação dessa água na secagem. É o caso do processo de prensagem do pó.
4 Qual a principal diferença entre materiais termoplásticos e termofixos, em termos de processamento?
R.: Os termoplásticos apresentam ligações secundárias entre suas cadeias, que são ligações fracas. Ao serem aquecidos no processo de fabricação, as cadeias adquirem mobilidade, permitindo a conformação em diferentes formatos. Após resfriamento, o material volta a adquirir rigidez. Esse processo pode ser realizado repetidamente, o que permite a sua reciclagem. Os materiais termofixos formam ligações fortes entre as cadeias poliméricas no seu processamento, o que resulta, no posterior reaquecimento, na ruptura dessas ligações, resultando na degradação do material. Portanto, após processados, não conseguimos reprocessá-los da mesma forma. Isso naturalmente limita a sua reciclagem.
Auto atividade 
5 Quais são as vantagens de utilizarmos um componente fabricado com a utilização de um material compósito contendo fibras cerâmicas, quando comparado à utilização do mesmo componente fabricado com o mesmo material cerâmico da fibra? Considere que o componente estará em solicitação mecânica na aplicação.
R.: Os materiais cerâmicos apresentam elevada sensibilidade a defeitos. Essa sensibilidade a defeitos limita sua confiabilidade, tendo em vista que o seu comportamento mecânico fica vinculado a uma probabilidade de se encontrar um defeito crítico no material, em muitos casos não detectáveis por técnicas de caracterização não destrutivas. Em um material compósito com fibras cerâmicas, reduzimos a probabilidade de que um defeito crítico gere a ruptura do componente. As fibras apresentam menores dimensões, o que naturalmente elimina os defeitos de maior tamanho, que podem ser encontrados em materiais cerâmicos de maiores dimensões. Além disso, a ruptura de fibras defeituosas pode não representar a perda da integridade do componente, enquanto uma trinca em um material cerâmico pode crescer com a aplicação de tensão mecânica e, se atingir o tamanho crítico, pode se propagar e gerar a falha do componente.
Resumo da unidade 3 – Tópico II
A seleção de materiais para aplicações mecânicas passa pela análise dos esforços mecânicos presentes no material na aplicação.
Os critérios de projeto precisam ser bem definidos, pois o direcionamento para escolha do material mais adequado depende de vários aspectos.
Na seleção de materiais é importante considerar diversas possibilidades de materiais, analisando a sua disponibilidade no mercado e facilidade de processamento.
Os custos envolvidos no processo de seleção de materiais não englobam somente o custo e desempenho do componente, mas também os aspectos econômicos relacionados à aplicação.
A substituição e regionalização de matérias-primas e materiais pode ser conveniente, quando aliada a um processo de qualificação de fornecimento e controle de qualidade.
O desenvolvimento de materiais para uso específico permite a minimização de resíduos, melhora na produtividade e economia de energia.
Resumo da unidade 3 – Tópico III
Os resíduos sólidos são classificados em perigosos (classe I) e não perigosos (classe II), e podem ser inertes ou não inertes.
A reciclagem de materiais metálicos é normalmente realizada através do processo de fundição.
Os polímeros são classificados de acordo com o tipo, através de símbolos padronizados;
A reciclagem dos polímeros apresenta dificuldades, que se relacionam com a variedade, mistura de polímeros e aditivos utilizados.
A reciclagem de materiais cerâmicos cristalinos é dificultada pela alteração das suas propriedades pelo processo de queima.