Atividade da Unidade 2 PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS

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ATIVIDADE UNIDADE 2
QUÍMICA GERAL E CIÊNCIAS DOS MATERIAIS
PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS
A humanidade vem trabalhando com ligas metálicas e outros tipos de metais há milhares de anos e, com o passar do tempo, houve um significativo desenvolvimento tecnológico a partir da descoberta de novas técnicas de tratamento dessas ligas metálicas. A primeira Revolução Industrial, que ocorreu por volta de 1750, foi a grande prova desse desenvolvimento, uma vez que coincidiu com o domínio da técnica de fundição de algumas ligas e ferros. No entanto, muito antes desse evento, por volta de 900 a.C., no Japão já se produziam espadas que, posteriormente, ficaram famosas, conhecidas como "espadas samurais".
Entre os processos desenvolvidos na época, destaca-se a "têmpera", que consiste na obtenção de uma microestrutura capaz de proporcionar um significativo aumento da dureza e da resistência mecânica dos materiais. Esse processo consiste em aquecer a peça até atingir a temperatura de austenitização e, em seguida, submetê-la a um resfriamento brusco, proporcionando um aumento da dureza do material. Entretanto, durante o processo de resfriamento, ocorrem transformações na estrutura do material, que podem promover o surgimento de tensões residuais internas. Vale ressaltar que, sempre após a "têmpera", é necessário realizar o revenimento, de forma a transformar a martensita em martensita revenida.
Vamos Praticar
O estudante deverá realizar uma pesquisa sobre a relação entre as propriedades mecânicas das ligas metálicas utilizadas na fabricação de facas e espadas.
Procedimento: explicar, de forma objetiva, a relação entre o processo conhecido como conformação mecânica (encruamento) e a dureza final desses materiais.
O aluno deverá fazer um relato da evolução histórica desse processo, cujo início ocorreu há cerca de mil anos. Ao final, deverá disponibilizar seu trabalho no fórum da seção.
PROPRIEDADES MECÂNICAS DA LIGA DE AÇO DAMASCO
O processo de soldagem padrão ou Damascening foi visto pela primeira vez na Pérsia, por volta de 500 a.C, na cidade antiga de Damasco. Esse processo originou-se da diferenciação dos procedimentos convencionais utilizados pelos ferreiros da época para confecção de espadas e artigos cortantes.
O nome da cidade Damasco, uma das cidades mais antigas do mundo, esconde um mistério e várias versões sobre seu histórico. Alguns acreditam que a palavra Damasco vem de “barragem shaq”, que em essência significa “Uma cidade construída sobre a rocha onde o sangue de Mash, o filho diante de Aram Bin Bin Sam Noé, fluiu depois que ele tomou uma grave pancada na cabeça pelo próprio irmão”. Outros acreditam que a cidade foi nomeada em homenagem a Damashaq, bisneto de Sam, filho de Noé que foi o responsável por realmente construir a cidade. Ainda outros acreditam que o nome foi dado pela origem da palavra “damashaq”, que significa camelo veloz.
O termo em si “Damascus steel”, ou aço damasco, vem das cruzadas, onde os europeus entraram em contato com essas armas superiores comercializadas na cidade de Damasco. Quando essa tecnologia se espalhou por toda a Ásia e Índia foi chamada de Wootz.
A composição de um laminado de aço damasco é atingida quando as camadas alternadas de ferro maleável, considerado macio, e camadas de aços temperáveis com alto teor de carbono são caldeadas.
O objetivo dos ferreiros persas era fazer com que a parte do aço rico em carbono fosse capaz de dar dureza suficiente para manter um excelente gume, enquanto o ferro seria responsável por fornecer tenacidade suficiente para a espada não quebrar.
Existem também histórias de que os ingleses descobriram billets de um aço estranho com padrões diferentes para a época. Os billets desse aço eram produzidos maciçamente na cidade de Damasco, onde eram usados desde o tempo que inventaram a posição de rezar pra fazer espadas, conhecidas por sua resistência e flexibilidade.
Os ingleses, no tempo da colonização, passaram a utilizá-lo para fabricar canos de mosquetes, depois de observar que esse aço damasco, ao contrário dos outros, não produzia estilhaços dos canos de armas, mas sofria deformação quando ocorria algum incidente de tiro, pois tal era a sua flexibilidade.
O aço damasco era de difícil obtenção. Com a melhora do processo metalúrgico, os aços comuns foram ficando mais confiáveis, tornando menos dispendiosa a produção dos fuzis. A perda do conhecimento da obtenção do aço damasco deve-se também à desocupação pela Inglaterra. Essa tecnologia de obtenção do damasco sírio se perdeu com o tempo, pois fica difícil imaginar como fazer um aço damasco sem martelete ou prensa hidráulica, aparelho de solda e sem o fluxo de solda que é indispensável para efetuar o caldeamento.
AÇO DAMASCO E SUAS DIFERENÇAS
Em relação ao aço damasco, é necessário primeiramente conhecer as diferenças, devidas aos métodos e procedimento distintos utilizados para sua obtenção. São três os métodos conhecidos e utilizados atualmente, sendo eles Damasco Sírio, Japonês ou Contemporâneo.
Dando ênfase ao modelo atual de aços para trabalho a frio, ou seja, aços destinados à fabricação de ferramentas utilizadas em variados processos de operações de corte, estampagem, trabalhos em madeira, e até prensagem, destaca-se algumas propriedades mecânicas a seguir relacionadas:
·	 Elevada resistência ao desgaste do fio de corte: nesse caso em especifico ele se destaca por ter a capacidade de produzir um bom número de cortes entre as retificações e é particularmente importante em facas, estampos e punções.
·	 Alta tenacidade: em um aço é necessária boa capacidade elástica, pois se submetido a esforços mecânicos é indispensável se recuperar das tensões exercidas, absorvendo qualquer tipo de impacto, evitando assim que ocorra fadiga na estrutura do material.
·	 Grande estabilidade dimensional: é fundamental que o aço não se deforme quando submetido a tratamentos térmicos, para que assim siga sem alterações dimensionais da peça final.
Atualmente busca-se, em uma ferramenta de corte, alto rendimento, elevada dureza e boa elasticidade. O aço damasco se destaca justamente no quesito estrutural, pois se baseia no princípio de junção de duas estruturas de diferentes características. Sendo assim, será conjugado o alto teor de dureza ao grande poder de elasticidade. Geralmente usa-se isto na junção de ligas que tenham teor de carbono entre 0.70% a 1.00% na estrutura, adicionando a ela no processo de caldeamento uma liga exatamente contrária, ou seja, de baixo teor de carbono. Pode-se dar como exemplo uma série de 0.10% até 0.50% de carbono, ou utilização de aços mola acrescentando assim ótima maleabilidade estrutural.
É possível ainda a utilização de uma liga de alta dureza, excepcional retenção de fio, mas de baixa maleabilidade. Um exemplo é a utilização do aço O1 + VCO onde se destaca a dureza final de até 63 HRc e alto contraste estrutural pela diferença do elevado teor de níquel do VCO somado ao alto carbono do O1. Nesse exemplo tem-se um aço destinado a ferramentas de pequeno porte com alta resistência ao desgaste, permitindo cortes contínuos.
As vantagens do aço damasco são inúmeras, desde custo de produção, aspecto visual e alto poder de corte acrescentado de maleabilidade
CALDEAMENTO E FORJAMENTO
Pode-se definir o processo de caldeamento como soldagem de duas peças metálicas, em geral de aço, através de aquecimento e choque mecânico.
As peças são aquecidas a uma temperatura próxima ao seu ponto de fusão, e então aproximadas e golpeadas repetidas vezes, como num processo de forjamento, até que se unam.
O caldeamento é o processo de soldagem mais antigo conhecido, havendo registros de sua utilização no primeiro império egípcio. Esse processo é o principal responsável pela obtenção do aço damasco, pois é ele que faz a união dos diferentes tipos de metais, podendo também ser combinados metaisferrosos e não ferrosos.
Para que haja, de fato, o processo de caldeamento, é necessário elevar a temperatura do feixe de barras com diferentes materiais até aproximadamente o seu ponto de fusão. Para o caso específico do damasco, a temperatura do feixe de aço é elevada na forja, utilizada pela grande maioria dos cuteleiros que participam da arte de produzir o aço damasco. A Figura 1 mostra a forja utilizada para realizar o procedimento.
 Figura 1 - Forja a Gás
A forja a gás é de simples funcionamento e é capaz de elevar a temperatura do feixe a seu ponto de fusão em pouco tempo. Para o funcionamento da forja, é conjugado o fluxo de gás GLP ao fluxo de ar gerado por uma ventoinha. Com essa mistura de fluxos ocorre a queima do gás elevando a temperatura.
Para que haja um caldeamento seguro e uniforme, é fundamental que o feixe esteja quente e tambem é indispensável a adição do ácido bórico, também chamado fluxo de solda, principal agente responsável por inibir a presença de oxigênio e auxiliar a união dos materiais. A Figura 2 ilustra a adição de fluxo de solda ao billet. Billet é a denominação utilizada pelos americanos que, se traduzido, quer dizer sanduíche. É geralmente soldado a uma barra de ferro comprida denominada espigão. 
 Figura 2 - Feixe de Aço Aquecido com Adição de Fluxo
 FACAS DE AÇO DAMASCO
Após concluir a obtenção do billet de aço Damasco com número de linhas de dobras entre trezentos e setecentos, chega o momento de criar os padrões de desenhos, se a aplicaçãofor para cutelaria ou outras áreas que exijam a aparência diferenciada. Neste trabalho será feita a aplicação do aço damasco em duas facas com desenhos distintos em suas lâminas. Ogrande objetivo dessa aplicação é descrever dois dos inúmeros métodos e técnicas para a obtenção de desenhos na superfície do damasco.
Damasco Leadder
Para fazer os desenhos no damasco com o padrão Leadder, basta realizar cortes com padrão linear ao longo do billet em ambos os lados. Os cortes não devem transpassar o centro do billet e deve ser intercalado o posicionamento entre a face de um lado e outro.
Como é possível analisar na Figura 3, antes de realizar os cortes da seção é indispensável marcar os posicionamentos para que os cortes sigam um padrão, evitando assim que haja diferença entre os distanciamentos dos desenhos.
É importante notar que depois de feitos os cortes é indispensável a quebra das quinas para auxiliar na conformação do material durante o processo de forjamento.
Feito esse procedimento, o billet é levado novamente à forja para que sua temperatura seja elevada, podendo assim conformar o material, preenchendo os espaços vazios gerados pelos cortes na seção. Para esse procedimento foi utilizada uma prensa hidráulica de quarenta e cinco toneladas. Esse processo pode ser feito tanto com martelete, martelo e bigorna, rolos cilíndricos ou prensa. A grande vantagem da prensa hidráulica é a agilidade do processo.
Também se deve levar em consideração que na prensa a força é constante, diferente do martelete e martelo e bigorna. A Figura 5 ilustra o billet com os cortes na seção sendo esmagado na prensa hidráulica.
Após prensar o material até preencher os espaços vazios deixados pelo disco de corte, o aço está pronto para a confecção da faca ou qualquer outro tipo de peça. No caso particular da faca, é chegada a hora de usinar a lâmina conforme o modelo de faca desejado.
Como visto anteriormente, a liga de aço damasco é feita de alto carbono. Após confeccionado o modelo da lâmina é necessário que seja feito o tratamento térmico adequado, contudo é indispensável a normalização da estrutura do aço. Depois de normalizada a lâmina, foi elevada a uma temperatura de aproximadamente 1100°C e em seguida resfriada no óleo, efetuando assim a têmpera. Posteriormente foi realizado o processo de revenimento onde a lâmina ficou por meia hora dentro do forno elétrico com temperatura de aproximadamente 300°C. A Figura 6 mostra a lâmina da faca antes de ser resfriada no óleo.
Na imagem anterior podem ser analisados os desenhos já formados pelas linhas de carbono ao longo da lâmina. Esse desenho só ficará perfeitamente visível quando toda a superfície for limpa e em seguida levada ao banho de percloreto de ferro para que ocorra a revelação das linhas de carbono posicionadas na lâmina. A lâmina deve ser limpa com acetona antes de entrar em contato com a solução para eliminar qualquer tipo de impureza e fazer com que o ácido reaja de forma uniforme em todas as superfícies da lâmina. O banho deve ser auxiliado por um borbulhador capaz de movimentar o percloreto, fazendo-o agir de forma uniforme em todos os pontos da lâmina. Para finalizar o processo, é necessário realizar um tratamento superficial na lâmina, chamado de banho negro, para a peça ficar protegida contra corrosão. Esse banho é um processo simples, em que o fosfato de manganês é elevado a uma temperatura de 100°C em uma panela de ferro e em seguida a lâmina entra em contato por 20 minutos com a solução. Com isso o aço fica com uma textura negra, sendo preciso então lixar a superfície para dar o acabamento final da peça. A Figura 7 mostra uma faca de aço damasco com o padrão Leadder.
Damasco Turkish
Esse tipo de damasco apresenta uma textura pouco semelhante ao damasco Leadder, descrita anteriormente. Isso se dá devido ao modo como as linhas de carbono se alocam ao longo da peça.
Para obter o damasco Turkish é necessário elevar a temperatura do billet, posicioná-lo de forma fixa em uma das suas extremidades e na outra exercer o esforço de torção como demonstrado na Figura 8, fazendo com que o billet fique em forma de hélice.
Depois do processo de torção são executados os processos de esmagamento, usinagem, têmpera, revenimento, lixamento da superfície, revelação das linhas de carbono no ácido, limpeza da lâmina na acetona e banho negro. Tais processos são os mesmos descritos anteriormente para o damasco Leadder.
A imagem apresentada na Figura 9 mostra um punhal com damasco padrão Turkish.
Processamento
O processamento nada mais é do que uma forma com que se fabrica o aço. Como assim? Em outras palavras, é o método ou técnica que se executa sobre o aço, visando mudar sua forma ou estrutura, sua acomodação mecânica (a frio ou a quente), a fundição e a consolidação por sinterizados. Assim, esse processo se dá por tratamentos térmicos.
Trabalho a frio
Acompanhados do encruamento, os trabalhos a frio conferem ao aço propriedades mecânicas como elevada resistência, baixa ductilidade e grande anisotropia (quando as propriedades do material diferem quanto à direção).
Trabalho a quente
O trabalho a quente, por sua vez, é caracterizado por uma recristalização, ou seja, em escala microscópica, as pequenas partículas, chamadas de cristais, são arranjadas, o que implica novas propriedades, como moderada resistência, elevada ductilidade e moderada anisotropia.
Fundido
É um dos tipos de procedimentos com menos qualidade em suas propriedades, ficando atrás apenas do sinterizado. Apresenta uma baixa resistência, moderada ductilidade, além de moderada anisotropia. Isso ocorre pelo fato de, durante o processo, ocorrer uma série de discordâncias em sua estrutura, como presença de segregação e, em muitos casos, presença de porosidade (vazios na estrutura), que são situações que geram imperfeições.
Sinterizado
Esse é o processo que menos adere qualidade/propriedade ao aço. Por exemplo, o aço que passou por esse procedimento possui baixas resistência e ductilidade, e moderada anisotropia.
Relato da Evolução Histórica desse Processo
Tudo começou a 500 a.C. 
Misturavam-se minerais com outros elementos químicos, no intuito de desenvolver facas e espadas por meio de uma manipulação realizada por generais e soldados. O processo é feito em etapas de fundição entre temperaturas de calor e resfriamento.
As propriedades mecanicas são• resistência à tração
• elasticidade
• ductilidade
• resiliência
• dureza
• tenacidade (a tenacidade é a mesma capacidade de absorção de energia de um material ), entre outras.
o aço é uma liga metálica, e ligas metálicas são conceituadas como materiais que, geralmente, são formados por dois ou mais elementos químicos que possuem propriedades metálicas, sejam elas sólidas ou líquidas, e que, além disso, apresentam em sua composição um índice maior de metal.