Lista de exercícios Processamento de materiais metálicos

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1. Em relação à metalurgia dos ferros fundidos, considere um ferro fundido cinzento de composição hipoeutética, explique o desenvolvimento da microestrutura abaixo utilizando o conceito de diagrama de fases assimétricas acopladas. Identifique os tipos de grafitas lamelares presentes na microestrutura. 
De acordo com a microestrutura apresentada, é possível observar um ferro fundido cinzento. Neste material, grafitas do tipo C e D predominam, indicando que não houve de acomplamento total na nucleação e crescimento das fases, ou seja, as células eutéticas cresceram com certo grau de cooperação, mas não cooperação total. Algumas regiões ainda apresentam grafitas do tipo A, próximas as grafitas do tipo C.
A zona acoplada, mostrada no diagrama como uma região abaixo da temperatura do eutético e deslocada para maiores teores de carbono, é a região onde formam-se células eutéticas que crescem cooperativamente. O conceito de cooperação está associado à velocidade de crescimento de ambas as fases na célula eutética, isto é, austenita e grafita. Se uma célula eutética cresce cooperativamente, austenita e grafita crescem em igual velocidade e a morfologia de “flakes” é predominante. Conforme perde-se o grau de cooperação durante o crescimento das fases, a morfologia da grafita é degenerada em diversos tipos.
Considerando-se um ferro fundido de composição hipoeutética, inicia-se o resfriamento do metal líquido, que atinge a região de γ+L, onde nucleia-se a fase austenítica na forma de dendritas. Quando nucleadas, estas dendritas expulsam carbono, enriquecendo o líquido adjacente neste elemento. Com o superresfriamento, o líquido remanescente, mais rico em carbono, tem sua composição deslocada para a direita no diagrama, em direção a composições hipereutéticas, a direita da zona acoplada. Desta forma, nucleiam-se grafitas primárias, consumindo o carbono previamente segregado pelas dendritas de austenita. A composição varia novamente, mas desta vez, no sentido de manter-se dentro da zona acoplada, onde, a partir de então, inicia-se o crescimento das células eutéticas de forma cooperativa.
2. Em relação à solidificação dos ferros fundidos, explique a relação entre o grau de cooperação eutética durante a solidificação e a forma das grafitas lamelares, nodulares e vermiculares. 
Em suma, a morfologia das grafitas em ferros fundidos é principalmente dependente do grau de cooperação durante a solidificação do metal. 
Grafitas lamelares: É a morfologia obtida quando a solidificação é dada de forma cooperativa. O crescimento cooperativo é conseguido com baixo superresfriamento devido a uma inoculação eficiente, seguido de uma recalescência sutil. O processo de solidificação se dá com a nucleação da grafita, composta de 100% Carbono, empobrecendo o líquido neste elemento. Desta forma, a austenita se forma lateralmente as lamelas de grafita. O crescimento cooperativo de ambas as fases é liderado pela ponta da lamela de grafita, que cresce com essa morfologia pela adição de elementos tensoativos, como o Selênio, Telúrio, terras raras e o próprio Oxigênio e Enxofre comumente presentes nos banhos metálicos. Elementos tenso-ativos reduzem a energia do plano prismático da grafita, facilitando o crescimento deste material na forma de lamelas.
Grafitas nodulares: Diferentemente das grafitas lamelares, as grafitas nodulares são obtidas por meio de solidificação divorciada, onde austenita e nódulos de grafita crescem de forma independente. A obtenção de grafita na forma de nódulos é possível pela adição de elementos nodularizantes (como o Mg) que formam sulfetos e óxidos. A neutralização do enxofre e do oxigênio é importante, pois estes elementos são tenso-ativos e tenderiam a favorecer o crescimento da grafita em planos prismáticos; o que não é bom para a formação de grafitas nodulares. Como a nucleação da grafita se dá de forma heterogênea, quanto maior for o número de pontos de nucleação, menor será o tamanho das células eutéticas, pelo encapsulamento dos nódulos de grafita pelas dendritas de austenita. Pela necessidade de alta taxa de nucleação, um maior grau de superresfriamento é aplicado em ferros fundidos nodulares e uma recalescência mais acentuada é observada do que se comparado aos ferros fundidos cinzentos.
Grafitas vermiculares: Enquanto grafitas lamelares e nodulares advém de crescimento cooperativo e divorciado, respectivamente, qualquer outro tipo de grafita irá ser resultante de um mecanismo misto ou “semi-cooperativo”. No caso das grafitas vermiculares, a grafita inicia a sua nucleação na forma de um nódulo, porém, seu crescimento se dá simultaneamente nos planos basais e prismáticos. Esse tipo de crescimento da grafita é possível por meio da adição de elementos “vermicularizantes”, como o Titânio e o Alumínio, que permitem que o crescimento da grafita alterne entre os diferentes planos da célula hexagonal.
3. Na tabela 1 são fornecidas as composições químicas analisadas de dois aços inoxidáveis fundidos. Use as equações mais apropriadas para o cálculo Creq e Nieq e o diagrama de solidificação pertinente para responder as questões de (a) a (d). 
 a) Estime as frações volumétricas (valores mínimos, médios e máximos) de ferrita delta para as duas ligas. 
Liga 1:
Ni eq = 11,51 + 30.(0,052) + 0,5.(1,03) + 26.(0,05-0,02)+2,77 = 17,135
Cr eq = 17,38 + 1,5.(0,47) + 1,4.(1,59) – 4,99 = 15,321
Creq/Nieq = 0,894
Pelo diagrama de Schoefer, a relação Creq/Nieq = 0,894 indica um valor máximo de ferrita delta da ordem de 2,5% e um valor médio próximo a zero. O baixo valor de Creq/Nieq e a resolução limitada do diagrama indicam um valor mínimo de 0% de ferrita delta.
Liga 2:
Ni eq = 9 + 30.(0,039) + 0,5.(0,89) + 26(0,047-0,02) + 2,77 = 14,087
Cr eq = 20,43 + 1,5.(0,49) + 1,4.(2,09) - 4,99 = 19,101
Creq/Nieq = 1,356
Pelo diagrama de Schoefer, a relação Creq/Nieq = 1,356 indica um valor médio de ferrita delta de 18%, um valor máximo de 25% e um valor mínimo de 13%, aproximadamente. 
b) Quais os prováveis modos de solidificação para as duas ligas? Explique como chegou à resposta.
Utilizando o diagrama de modos de solidificação proposto por Allan, e as equações de cálculo de Creq e Nieq para este diagrama, observou-se que a liga 1 apresenta modo de solificação de acordo com o modo B. Neste caso, a solidificação se dá da seguinte forma: L→L + δ→ L + δ + → δ + 
Com o uso do mesmo diagrama e as mesmas equações, realizou-se o mesmo procedimento para a liga 2, cujo modo de solidificação encontrado foi o modo A. Neste tipo de solidificação, as transformações se processam da seguinte forma: L → L + δ→δ.
Os resultados encontrados corroboram com os dados estimados pelo diagrama de Schoefer na letra (a).
c) Qual das duas ligas será mais afetada pela longa exposição a temperaturas entre 330°C e 520°C? Justifique sua escolha. 
De acordo com a literatura, foi observado que a exposição constante a temperaturas abaixo de 550 °C pode levar a formação de fases do sistema Fe-Cr por decomposição espinodal ou nucleação e crescimento (simultaneamente, ou não, dependendo do teor de Cromo na liga). Neste contexto, a fase α’, rica em cromo e com estrutura CCC, é comumente formada e é associada à fragilização a 475 °C.
A fase α’ é comumente encontrada finamente dispersa em uma matriz ferrítica, pois estas apresentam um maior teor de Cromo e maior velocidade de difusão se comparada com a austenita. 
Nesse sentido, por apresentar um maior teor de ferrita δ, a liga 2 será mais afetada pela exposição a temperaturas entre 330°C e 520°C.
d) Qual das duas ligas apresentaria maior fração volumétrica de fase sigma após exposição a 850°C por 30 minutos? Justifique sua escolha. 
A fase sigma, como pode ser observado no diagrama de fases Fe-Cr, forma-se a partir da ferrita, por meio da difusão de átomos de Cromo e 
Molibdênio. Sua estrutura é tetragonal e possui 30 átomos por célula unitária. De forma geral, a fase sigma possui influências negativas nas propriedades mecânicas e de resistência à corrosão de aços inoxidáveis.
Por advir da ferrita,a liga 2 sofrerá com maior precipitação de fase sigma após exposição a 850 °C por 30 minutos.
4. As forças de expansão sobre os moldes de fundição de ferros fundidos cinzentos e nodulares têm alguma relação com o modo de solidificação dessas ligas? Explique! E o que dizer a respeito da matriz metálica? Haverá alguma influência do tipo de matriz desenvolvida na reação eutetóide sobre o fenômeno de expansão? Explique. 
No caso dos ferros fundidos cinzentos, estes solidificam-se em casca, ou seja, frentes de solidificação avançam a partir das paredes do molde em direção ao centro da peça. Desta forma, espera-se que o centro da peça seja a última região a solidificar-se e, por isso, gerando um rechupe concentrado nesta região. Na solidificação em casca, é possível compensar a contração volumétrica com massalotes e com o efeito de expansão da grafita, porém, a utilização de moldes rígidos é preferível, para que estes efeitos não sejam perdidos pela expansão do molde.
Os ferros fundidos nodulares, por sua vez, solidificam-se de forma pastosa. Este tipo de solidificação também se inicia nas paredes do molde, contudo, pela formação de dendritas de austenita que aprisionam líquido interdendrítico. Como não é possível alimentar eficientemente esse líquido interdendrítico, os rechupes nesse caso ficam aprisionados entre os braços interdendríticos e tem menores dimensões do que o rechupe central dos ferros fundidos cinzentos. Não sendo possível compensar a contração do líquido com massalotagem, a expansão da grafita torna-se ainda mais importante para a redução do rechupes interdendríticos.
Em ambos os casos, a expansão da grafita durante o processo de solidificação é benéfico para a peça, pois a expansão da grafita compensaria a contração do líquido, diminuindo as porosidades.
No que diz respeito à matriz metálica ferrítica, é sabido que o fenômeno de grafitização secundária pode ocorrer, visto que a ferrita expulsa carbono para as regiões de grafita, gerando uma expansão secundária. Em uma matriz perlítica, entretanto, há a formação preferencial de carbetos (cementita principalmente) que sofrem contração ao se formarem, diferentemente da grafita.
5. Explique a influência do processo de inoculação no grau de superresfriamento eutético durante a solidificação de ferros fundidos. O processo de inoculação é mais importante para ferros cinzentos ou nodulares? Por quê? Explique com auxílio de curvas esquemáticas de solidificação, que mostrem os valores de TEE e TEM. 
A inoculação do banho metálico consiste em adicionar elementos grafitizantes (comumente ricos em Silício) pouco antes do vazamento do metal no molde. Os inoculantes agem de forma a aumentar o número de células eutéticas, diminuindo o superresfriamento necessário para a solidificação e diminuindo, por consequência, a velocidade de crescimento das fases. Desta forma, pode-se perceber que os inoculantes aumentam o poder nucleante do banho metálico e minimizam a tendência à formação de ferro fundido branco pela formação de carbetos em um superresfriamento abaixo da temperatura do eutético metaestável (coquilhamento).
De acordo com as figuras acima, é possível observar que a inoculação é mais importante para os ferros fundidos nodulares, pelo seu maior superresfriamento. É necessário atentar para que o grau de superresfriamento não seja muito alto, visto que atingir uma temperatura abaixo do eutético metaestável levaria a nucleação de carbetos ao invés de grafita.
6. A respeito da solidificação de aços inoxidáveis, explique como um aço inoxidável da classe AISI 304, que possui microestrutura austenítica, pode ter microestrutura ferrítica no início da solidificação. Descreva o processo de solidificação desse aço e os fenômenos metalúrgicos que levam ao desenvolvimento da microestrutura final. 
A solidificação dos aços inoxidáveis do sistema Fe-Cr-Ni pode iniciar-se com a formação de ferrita e/ou austenita, onde o balanceamento entre os elementos de liga irá ditar o processo. De acordo com a composição química, foram identificados basicamente, 4 modos possíveis de solidificação:
Modo A = L→ L + δ→δ
Modo B = L→L + δ→ L + δ + → δ + 
Modo C = L→L + → L + + δ→ + δ
Modo D = L→ L + → 
No modo A de solidificação, a ferrita delta é a única fase formada na solidificação, tendo-se formação de austenita posteriormente apenas no estado sólido. Esse modo se solidificação acontece quando a relação Creq/Nieq é maior do que 2.
No modo B de solidificação, a ferrita delta é a primeira fase a se solidificar na forma de dendritas. Posteriormente, há a formação de austenita na interface ferrita-líquido por uma reação peritética. Após a nucleação, a austenita cresce para a ferrita e para o líquido, segregando elementos ferritizantes para dentro dos braços interdendríticos e para o líquido, estabilizando a ferrita no eixo da dendrita e nos braços interdendríticos. Esse modo se solidificação acontece quando a relação Creq/Nieq está entre 1,5 e 2.
No modo C de solidificação, o processo inicia-se com a nucleação e crescimento de dendritas de austenita. Estas dendritas segregam elementos alfagênicos para as regiões entre os braços interdendríticos, estabilizando a ferrita nessas regiões. Esse modo se solidificação acontece quando a relação Creq/Nieq está entre 1,38 e 1,5
Finalmente, o modo D de solidificação se dá pela nucleação de dendritas de austenita, completando-se a solidificação com apenas essa fase. Esse modo se solidificação acontece quando a relação Creq/Nieq é menor do que 1,38.
O aço AISI 304 possui aproximadamente 18% Cr, 8% Ni e Ferro como balanço. Com estes valores, a relação Creq/Nieq atinge um valor de aproximadamente 2,25, desconsiderando outros elementos de liga, o que nos dá um modo A de solidificação. Sendo assim, embora seja um aço inoxidável austenítico em temperatura ambiente, o aço em questão inicia a sua solidificação pela ferrita e transforma-se em austenita após a solidificação, ou seja, em fase sólida.
Considerando outros elementos de liga e equações mais complexas para o cálculo dos valores de Creq e Nieq, pode-se observar, no diagrama proposto por Allan, que o aço AISI 304 encontra-se na região do modo B de solidificação. Neste caso, como já descrito anteriormente, há a formação de ferrita no início da solidificação e uma parcela da microestrutura mantém-se ferrítica após o final da solidificação pela segregação de elementos alfagênicos.
7. Explique os tratamentos térmicos conhecidos como austêmpera e têmpera e partição. Faça uma descrição geral do desenvolvimento da microestrutura de um aço (ou ferro fundido, à sua escolha) nos dois tipos de tratamento térmico. 
A austêmpera é um tratamento térmico de transformação isotérmica que visa a produção de uma estrutura bainítica. O principal objetivo desse tratamento térmico é a obtenção de aços ou ferros fundidos com alta ductilidade e resistência ao impacto, sem perdas consideráveis na dureza. A austêmpera se dá em etapas, e a microestrutura se desenvolve como apresentado a seguir:
- Aquecimento até a temperatura de austenitização e manutenção em patamar para homogeneização;
- Resfriamento rápido em banho de sal, óleo ou chumbo-estanho para a temperatura de transformação bainítica;
- Manutenção em patamar para a transformação bainítica pelo tempo desejado;
- Resfriamento ao ar até a temperatura ambiente.
A transformação mais relevante e complexa, sem dúvidas, é a transformação bainítica. Comumente, no caso dos ferros fundidos nodulares, divide-se a transformação bainítica em dois estágios: Inicialmente nucleia-se a ferrita acicular a partir dos contornos de grão da austenita e de nódulos de grafita, segregando carbono e estabilizando a austenita adjacente. Posteriormente, mais ferrita bainítica e carbetos são nucleados a partir da austenita rica em carbono 
A têmpera e partição vem sendo estudada como alternativa para o desenvolvimento de aços e ferros fundidos multifásicos que podem apresentar austenita retida rica em carbono pela partição desse elemento a partir da martensita. Dividindoo tratamento térmico em etapas, temos:
- Aquecimento até a temperatura de austenitização e manutenção em patamar para homogeneização;
- Resfriamento rápido até temperatura de têmpera, ou seja, entre Ms e Mf, visando a formação de martensita, e manutenção em patamar pelo período desejado;
- Aquecimento até uma temperatura acima de Ms e manutenção em patamar, para que haja a partição do carbono da martensita supersaturada para a austenita não transformada, estabilizando-a em temperatura ambiente.
- Resfriamento até a temperatura ambiente.
Em suma, a têmpera e partição é um tratamento térmico que permite a obtenção de aços com resistência e tenacidade, pela obtenção de estruturas aciculares de martensita revenida que são “protegidas” dos efeitos fragilizantes pela austenita remanescente rica em carbono.
8. Compare os processos de recristalização estática e dinâmica. Elabore um texto abrangente, que aborde tanto as condições de deformação em que se observa um ou outro fenômeno, bem como a influência das características da microestrutura, como tamanho de grão inicial e energia de defeito de empilhamento (EDE). 
Recristalização, por definição, é um processo que visa a redução da energia armazenada de um material deformado plasticamente. Como outros processos, a recristalização se dá por meio de nucleação e crescimento, mas neste caso, de uma nova estrutura de grãos. 
A energia acumulada em deformação plástica é a força motriz para a recristalização, onde novos grãos, livres de deformação e com formato aproximadamente equiaxial são formados. Desta forma, entende-se que quanto mais deformado estiver o material, mais facilmente irá ocorrer recristalização. Como depende de fenômenos difusivos, a recristalização acontece em termperaturas comumente entre 0,3 a 0,7 da temperatura homóloga. Quanto maior a pureza do material, menor a temperatura de recristalização.
A recristalização pode ocorrer estática ou dinamicamente, isto é, após a deformação plástica (estaticamente) ou simultaneamente à deformação plástica (dinamicamente). 
De forma geral, a recristalização dinâmica ocorre a altas temperaturas, durante processos de trabalho a quente, em locais onde há solicitação mecânica. É possível que, durante a conformação mecânica controlada, novos grãos sejam nucleados na estrutura, com alta taxa de nucleação, evitando o crescimento de grão. A evolução microestrutural durante esse processo baseia-se, portanto, em encruamento, recristalização e crescimento de grão.
A recristalização estática, por sua vez, ocorre com o material “em repouso” e se dá pelos mesmos mecanismos de nucleação e crescimento, sendo necessário, portanto, tempo para que o fenômeno aconteça. Ainda, um valor crítico de energia armazenada é necessário para que a recristalização estática seja termodinamicamente viável, onde essa energia é função da temperatura.
A EDE de um material pode influenciar seu comportamento em recristalização. Metais com alta EDE, isto é, alta mobilidade de discordâncias, tem facilidade de recristalizar dinamicamente. Isso se deve ao fato de que discordâncias individuais, ou pares de discordâncias são aniquilados mais facilmente por escalagem (facilitando a eleminação de discordâncias com sinais opostos). Ainda, a formação de células de discordâncias e subgrãos atuam reduzindo a energia acumulada destes materiais. Metais com baixa EDE recristalizam dinamicamente de forma mais lenta (e até por isso tem maior facilidade de encruamento) visto a menor mobilidade de suas discordâncias.
9. Comente sobre os processos de deformação plástica severa (SPD). Elabore um texto que aborde os tipos de processos, aplicações, características e possibilidades de desenvolvimento.
O processo de deformação plástica severa (DPS) pode ser definido como aquele em que níveis muito altos de deformação plástica são obtidos no material metálico como um todo, sem uma variação considerável nas dimensões do sólido. Portanto, processos de DPS são utilizados com a intenção de obter microestruturas altamente refinadas, ou seja, grãos de tamanho submicrométrico, com contornos de alto ângulo, possibilitando aumento de resistência mecânica, tenacidade à fratura e favorecendo o fenômeno da superplasticidade em temperaturas moderadas e taxas de deformação elevadas. Diversos processos de DPS foram desenvolvidos, dentre eles a laminação acumulativa, a torção sob alta pressão e a extrusão em canal angular apresentam maior relevância. 
O processo de DPS por laminação acumulativa consiste no empilhamento de tiras de um material e a laminação destas, onde a junção metalúrgica destes materiais é obtida. O material obtido é então dividido em partes iguais, que são empilhadas e sujeitas novamente ao processo de laminação. O processo pode ser repetido pelo número de vezes desejado, mantendo-se a temperatura suficientemente elevada para que o material apresente relativa ductilidade e capacidade de adesão metalúrgica, porém, abaixo da temperatura de recristalização, pois esta impediria o efeito acumulativo da laminação. Por este processo, deformações muito elevadas podem ser obtidas nos materiais e, consequentemente, grãos ultrafinos podem ser obtidos por esse processo, o que não seria possível em laminação convencional.
Por sua vez, o processo de torção sob alta pressão é baseado na aplicação de alta deformação na forma de torção sob altas tensões de caráter hidrostático. Neste processo, o aparato utilizado para a conformação consiste em duas bigornas que podem rotacionar uma em relação a outra e uma amostra que é comprimida e passa pelo o processo de torção entre ambas. Por esse processo é possível a consolidação de pós metálicos ou, ainda, a fabricação de nanocompósitos metal-cerâmica de alta densidade, grãos ultrafinos e alta resistência.
A ECA foi desenvolvida, inicialmente, por Segal e colaboradores nas décadas de 70 e 80 em Minsk, na antiga união soviética. A partir dos anos 90, um maior número de trabalhos foi publicado evidenciando as potencialidades da técnica de ECA para a obtenção de uma estrutura de grãos submicrométricos. A DPS no processo de ECA é obtida por meio da compressão de um pequeno tarugo por uma matriz onde dois canais de secção transversal idêntica interceptam-se com um ângulo entre eles. Ao ser pressionada ao longo do canal, a amostra é solicitada mecanicamente por tensões cisalhantes ao atravessar o plano de encontro entre os ângulos da matriz como mostra a figura abaixo.
Como desejado pelos processos de DPS, o material é submetido a grande deformação plástica, entretanto, sem apresentar variações apreciáveis em suas dimensões. Nesse sentido, pode-se observar que o processo de ECA pode ser realizado repetidas vezes para que altos graus de deformação possam ser obtidos. 
O desenvolvimento da técnica de ECA possibilitou a consolidação de pós por esse método, onde materiais com baixíssima porosidade e alta resistência podem ser obtidos quase que instantaneamente.
10. Encontre um artigo que aborde o tema de sua dissertação e tenha sido publicado em 2016. Faça um breve resumo sobre o mesmo, com foco nas operações de processamento utilizadas.
Neste trabalho, os autores realizaram a consolidação de uma mistura de dois pós: alumínio cp e um pó pré-ligado e amorfizado de Al65Cu20Ti15. Ligas de alumínio com reforços cerâmicos apresentam certa fragilidade, por isso, outros reforços vêm sendo estudados, como partículas de metais amorfos que possuem propriedades de interface com a matriz superiores se comparados à materiais cerâmicos convencionais. A estrutura e as propriedades mecânicas do material resultante foram analisadas.
A consolidação deu-se em uma matriz de ECA com ângulo entre canais de 90° e a uma temperatura de 250 °C, abaixo da temperatura de cristalização do pó amorfo. A velocidade de extrusão aplicada foi de 2 mm.s-1. Composições com 0% (cp Al), 5%, 10% e 15% em volume de pó amorfizado de Al65Cu20Ti15 foram testadas.
Após a consolidação, os tarugos obtidos apresentaram a morfologia como a da figura a seguir. A figura representa o materialcom 10% em massa de Al65Cu20Ti15 amorfo.
Quanto à densificação do material, os pesquisadores observaram que a densidade relativa para o Alumínio puro e com 5%, 10% e 15% de Al65Cu20Ti15 apresentou comportamento decrescente com o aumento da quantidade de Al65Cu20Ti15; variando entre 99% e 91%.
Ganhos expressivos em propriedades mecânicas também foram observados pelos pesquisadores, onde gráficos tensão x deformação foram obtidos para os diferentes materiais consolidados. É possível observar que a dispersão de partículas amorfas de Al65Cu20Ti15 levou a melhora do limite de escoamento em todos os casos, mesmo quando a densificação relativa do consolidado foi de 91% para 15% em volume de Al65Cu20Ti15.