Apostila Senai 1q715e

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SEÇÃO 2

Ligações químicas Embora existam pouco mais de cem diferentes elementos químicos no universo, milhares de materiais são criados pela combinação desses por meio de ligações químicas e arranjos atômicos. A estrutura atômica afeta as propriedades primárias: química, física, térmica, elétrica, magnética e óptica. Enquanto que as propriedades mecânicas do material são afetadas pela microestrutura e macroestrutura do material.

Átomos O primeiro conceito sobre átomos foi proposto por Leucipo e Demócritos por volta do século V antes de Cristo. Naquele momento, postularam que a matéria não era infinitamente divisível, e sim composta por partículas minúsculas que a constituíam.

Também propunham que todas as características dos materiais, como gosto, cor, transparência, dentre outras, eram devido às formas dessas partículas. Por exemplo, o átomo que proporciona a cor branca era plano o que não gerava sombras, já o de cor escura era irregular, o que proporcionava sombras e cores escuras. Embora esta teoria hoje esteja completamente ultraada, para a época foi de grande valia, pois criou respostas físicas para acontecimentos que até então eram tidos como sobrenaturais ou por vontade dos deuses. Na Idade Média, a química ou a ser amplamente pesquisada pelos alquimistas que buscavam o elixir da vida eterna e também da transmutação de materiais em ouro (transformar um material em outro). Mas foi somente em 1802 que o químico e físico britânico John Dalton apresentou o que hoje se considera a primeira teoria atômica da era moderna. Diferentemente da teoria de Demócritos, Dalton imaginou o átomo com sendo uma esfera com massa e propriedade característica de cada elemento, e que as transformações químicas poderiam ser explicadas em função dos rearranjos desses átomos. Definiu o elemento químico como sendo átomos que possuem a mesma massa, tamanho e forma. Nos últimos dois séculos outros modelos atômicos foram apresentados, porém aqueles que mais se destacaram foram os de Thomson, Ruthenford e de Niels Bohr. Este último conhecido como modelo planetário, apresen-

tando o átomo como sendo uma partícula em cujo núcleo se encontram os nêutrons e prótons (carga positiva), ao redor dos quais orbitam os elétrons (carga negativa).

elétrons

nêutrons

prótons

núcleo

Figura 2 - Modelo Atômico de Niels Bohr

Com o avanço da ciência e o desenvolvimento de equipamentos de pesquisa mais modernos e potentes, novos conceitos e complementos aos modelos atômicos surgem a cada dia, além da descoberta de novas subpartículas.

Ligações químicas primárias Átomos somente são estáveis se a sua camada de valência estiver completa, o que geralmente se dá com 8 elétrons (regra do octeto), e para que isso ocorra pode haver compartilhamento ou transferência eletrônica, formando assim as ligações primárias que podem ser metálicas, iônicas ou covalentes. Já a interação que ocorre entre as moléculas é classificada como ligações secundárias, sendo as principais a de Van der Walls e pontes de hidrogênio.

▪▪ Ligações metálicas Uma característica das ligações existentes entre materiais metálicos é que os elétrons presentes não ficam presos a somente um átomo, mas sim podem se movimentar livremente no cristal, característica esta responsável pela condutibilidade termoelétrica.

MATERIAIS E ENSAIOS

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▪▪ Ligações iônicas As ligações iônicas ocorrem entre átomos com cargas diferentes, os cátions e os ânions, metais e não metais. Os átomos metálicos possuem normalmente 1, 2 ou 3 elétrons na sua camada de valência, enquanto que os não metais possuem 5, 6 ou 7 elétrons na camada de valência. Formam-se sais, óxidos, nitretos, etc. Ao perder elétrons, a carga elétrica do átomo se torna positiva, e ao ganhar, torna-se negativa, e pela diferença eletrônica os átomos se atraem. Como não há a presença de elétrons livres que possam se movimentar livremente no material, as principais características são de isolamento elétrico, dureza e baixa deformação. ▪▪ Ligações covalentes A ligação predominante entre elementos não metálicos, como nos hidrocarbonetos, é a covalente, na qual ocorre o compartilhamento do mesmo elétron por dois átomos. Os materiais podem ser sólidos, líquidos ou gases à temperatura ambiente, dependendo do número de átomos da molécula. Exemplo de materiais que possuem ligações covalentes são os polímeros.

Os materiais metálicos e a maioria das cerâmicas terão seus átomos arranjados de forma ordenada, formando uma estrutura cristalina definida e previsível. Essa ordenação pode ser de 14 formas diferentes, conforme você pode acompanhar a seguir.

Estrutura cristalina Figura 3 - Exemplo de Materiais Polímeros Fonte: NDT (2009).

SEÇÃO 3

Estruturas cristalinas A ordenação atômica varia de material para material de acordo com as ligações envolvidas e os processos de fabricação, e se divide em dois grupos:

▪▪ amorfos – são materiais que não possuem ordenação espacial a longa distância no nível atômico e são conseguidos pelo resfriamento de materiais derretidos, exemplo: vidro. São algumas vezes designados como líquidos super-resfriados;

A estrutura cristalina pode ser convenientemente representada por pequenos grupos de átomos que descrevem o arranjamento atômico tridimensional do cristal chamados de células unitárias. Na natureza é possível encontrar 14 tipos diferentes de células unitárias, também designadas como rede de Bravais. A estrutura depende da temperatura e afeta, dentre outros fatores, a densidade, dureza e rigidez do material. Uma célula unitária indica o padrão repetitivo que pequenos grupos de átomos assumem durante a solidificação. Nos metais, a ocorrência principal é das células cúbicas de corpo centrado (CCC), cúbica de face centrada (CFC) e hexagonal compacta (HC).

▪▪ cristalinos – são materiais que apresentam ordenação especial regular com ordenação a longas distâncias no nível atômico.

Figura 4 - (a) Estrutura Cristalina, (b) Material Amorfo Fonte: Callister (2002, p. 39).

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CURSOS TÉCNICOS SENAI

c

a

c a

a

a

a

c

a

a

b

β

tetragonal aa a

romboédrico

β

b

de corpo centrado de face centrada

▪▪ Hexagonal compacta (HC) Neste tipo de estrutura os átomos se acomodam durante a solidificação na forma de um hexágono. As faces superior e inferior possuem 6 átomos que formam um hexágono com um átomo central, entre elas um outro plano é composto por 3 átomos adicionais. Possui fator de empacotamento de 0,74.

monoclínico

de face centrada

c de corpo centrado

c c

b

cúbico a a

a

hexagonal

ortorrômbico

a

triclínico

Figura 5 - Rede de Bravais

▪▪ Cúbico de corpo centrado (CCC) A célula unitária cúbica de corpo centrado possuiu 1/8 de átomo em cada vértice e uma central, o que totaliza dois átomos por célula e o seu fator de empacotamento é de 0,68.

a

Figura 8 - Estrutura Cristalina Hexagonal Compacta. Fonte: Callister (2002, p. 24).

▪▪ Cúbico de face centrado (CFC) A célula unitária de face centrada possuiu 1/8 de átomo em cada vértice, mas ½ de átomo em cada face, totalizando 4 átomos por célula. Possui fator de empacotamento de 0,74.

A seguir, a Tabela 1 evidencia a estrutura cristalina de alguns metais. Com algumas bolinhas de isopor e palitos tente montar estas estruturas. Vamos, experimente! Tabela 1 - Estrutura Cristalina de alguns Metais

Estrutura

Figura 6 - Estrutura Cristalina Cúbica de Corpo Centrado Fonte: Callister (2002, p. 23).

Metal

CCC

Ba, Cr, Cs, Fe α, Fe δ, K, Li, Mo, Na, Nb, Rb, Ta, Tiβ, V, W

CFC

Ag, Al, Au, Ca, Cu, Fe γ, Ni, Pb, Pt, Rh

HC

Be, Cd, Mg, Os, Re, Ru, Ti α, Zn

Figura 7 - Estrutura Cristalina Cúbica de Face Centrada Fonte: Callister (2002, p. 22).

MATERIAIS E ENSAIOS

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Solidificação O fenômeno físico de solidificação é responsável pela agem de um material do estado líquido para o estado sólido. Em materiais cristalinos, inicia-se por um ponto simples de nucleação a partir do qual o cristal cresce. Em ciência dos materiais um cristal normalmente é denominado de grão. Geralmente materiais sólidos são policristalinos, ou seja, apresentam muitos grãos, pois muitos pontos de nucleação surgem durante o resfriamento do material. Já materiais monocristalinos, que possuem apenas um cristal em toda sua estrutura, são conseguidos apenas por processos de fabricação com cuidadoso controle, possuem alto valor agregado e são utilizados para a fabricação de componentes eletrônicos de alta tecnologia. Embora fisicamente os cristais tendam a crescer igualmente em todas as direções, isso praticamente não ocorre uma vez que encontram barreiras pelo caminho, como outro grão que se desenvolve ao lado ou à lateral do próprio molde, e o tamanho final dependerá do número de pontos de nucleação surgidos.

DICA Veja animações do crescimento de cristais na internet:
A interface entre dois grãos é denominada de contorno de grão, que por sua vez é a interface entre dois cristais com direções cristalográficas diferentes. O cristal cresce pelo incremento de átomos ao cristal. A imagem a seguir evidencia a formação de contornos de grão. Analise-a!

Figura 9 - Fases da Solidificação de um Material: (A) Nucleação, (B) Crescimento do Cristal, (C) Formação dos Contornos de Grão e (D) Microestrutura Destacando os Contornos de Grão Fonte: Callister (2002, p. 35).

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SEÇÃO 4

Defeitos cristalinos Por mais controlado que seja o processo de fabricação, não existe um cristal com todos os átomos em suas posições perfeitas. Todos os cristais possuem algum tipo de defeito, estes por sua vez contribuem com as propriedades mecânicas dos materiais, como os metais. O controle desses “defeitos” proporciona propriedades diferenciadas aos materiais. A simples adição de um elemento de liga, como o carbono (C) no ferro (Fe) para a produção do aço, gera defeitos pontuais, pois esses átomos se posicionarão entre os átomos da matriz original, ou até mesmo substituindo estes em sua estrutura original.

A deformação plástica do material ocorre devido à movimentação de defeitos lineares, como as discordâncias, já a rigidez é alcançada pelo ancoramento das discordâncias em defeitos pontuais que existem na microestrutura, tais como átomos intersticiais intencionalmente introduzidos no material, como o carbono (C) no aço. Acompanhe agora os principais defeitos.

▪▪ Defeitos pontuais São átomos faltantes ou ocupando posições irregulares na estrutura cristalina do material. Incluem vacâncias, átomos ou impurezas intersticiais e substitucionais. Vacâncias são espaços criados na estrutura cristalina pela ausência de um ou mais átomos na rede cristalina. Já defeitos intersticiais são átomos que ocupam posições entre os átomos da estrutura cristalina. Normalmente são de tamanhos menores e afetam de forma significativa a rigidez do material, uma vez que servem como obstáculos para a movimentação dos defeitos planares. Defeitos pontuais causados por átomos substitucionais ocorrem quando estes átomos estão ocupando posições referentes a outros átomos. São os responsáveis pela formação de ligas metálicas isomórficas, e para que isso ocorra algumas condições devem ser atendidas. A regra de Home-Rothery apresenta os fatores que influenciam para a ocorrência de soluções sólidas substitucionais, que são: raios atômicos com diferenças inferiores a 15%, mesma estrutura cristalográfica, eletronegatividades próximas e mesma valência.

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Vacância

Vacância

Posição intersticial antes da difusão

Posição intersticial depois da difusão

Figura 11 - Defeito Linear Fonte: Callister (2002, p. 51).

▪▪ Defeitos planares

Figura 10 - Defeitos Pontuais: (A) Vacância, (B) Intertício Fonte: Callister (2002, p. 65).

▪▪ Defeitos lineares Defeitos lineares são comumente chamados de discordâncias e ocorrem quando falta uma “linha” inteira na estrutura cristalina, gerando distorções na rede. As distorções na rede são criadas e movidas pela ação de tensões externas, e são as responsáveis pela deformação plástica do material.

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Outro defeito comum nas estruturas cristalinas é o defeito planar, o qual ocorre quando a sequência atômica sofre distúrbios, gerando um novo sequenciamento ao longo da estrutura cristalográfica. Ainda, outro tipo de defeito planar é o gerado na interface entre dois cristais, conhecido como contorno de grão. Essa região é muito mais reativa do que o restante do cristal e, consequentemente, mais facilmente atacável por ácidos e, assim, facilmente revelável nas análises cristalográficas.

▪▪ Defeitos volumétricos É um defeito que se apresenta em escalas maiores, podendo ser inclusive visível a olho nu, e ocorre devido ao rearranjo dos átomos do material quando em estado fundido para uma estrutura cristalina rígida. Este defeito é conhecido como contrações ou vazios internos. Pode afetar grandemente a resistência do produto final dependendo de seu design.

Relembrando Nesta unidade você transitou por conceitos e termos importantes, como: classificação dos materiais, átomos, ligações químicas, células unitárias, solidificação e defeitos. Você aprendeu que os materiais são classificados de acordo com os elementos químicos presentes e suas ligações. As principais classes são: metálica, polimérica, cerâmica e compósitos. Aprendeu que os átomos podem assumir estruturas definidas e ordenadas, é o caso da estrutura cristalina, ou não seguirem ordem nenhuma, é o caso dos materiais amorfos. Você também conheceu como ocorre a solidificação de um material cristalino e os defeitos que estarão presentes nos cristais. Bastante, não? Mas não pense que acabou! Estamos apenas começando... vamos juntos!

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Unidade de estudo 2 Seções de estudo Seção 1 – Propriedades físicas Seção 2 – Propriedades químicas Seção 3 – Propriedades mecânicas

Propriedades dos Materiais SEÇÃO 1

Propriedades físicas As principais propriedades dos materiais, como cor, densidade, dureza, resistência à corrosão, dentre outras, podem ser classificadas como propriedades físicas ou químicas em função das mudanças sofridas no seu estado da matéria, superfície, composição, etc. Já em relação à resposta de um material a um esforço aplicado, as propriedades físicas envolvidas são classificadas como propriedades mecânicas. Quando um material recebe a aplicação de uma tensão, como resposta ele irá se deformar. Se o esforço for de baixa intensidade, ao ser retirado o produto retornará à sua forma original, pois sofre somente o que se chama de deformação elástica. Já se o esforço for de magnitude suficiente para gerar o escorregamento de planos cristalinos do material, fazendo com que as discordâncias se movimentem do interior do grão em direção ao seu contorno, mesmo após a retirada desse esforço o material continuará deformado, pois sofreu uma deformação plástica. Você conhecerá as características desses dois tipos de deformação mais à frente. Aguarde!

As propriedades físicas dos materiais são aquelas que podem ser observadas diretamente no material, como densidade, cor, dureza, dentre outras. Algumas das propriedades físicas mais importantes estão listadas abaixo.

Baixa intensidade: Relativo a cada material.

Temperaturas de transformação de fases São as temperaturas nas quais os materiais mudam de fase, como por exemplo, do sólido para o líquido e posteriormente para o vapor, e vice-versa. A pressão ambiente influencia diretamente a temperatura de mudança de fase. A temperatura de solidificação/ fusão é a temperatura na qual o material a do estado líquido para o sólido, ou do sólido para o líquido. Já o ponto de ebulição é aquele cujo líquido se transforma em vapor, e o de condensação, o vapor se torna líquido.

DICA O exemplo mais comum de transformação de fases é a formação de gelo no freezer (solidificação) ou seu desgelo (fusão). Já a ebulição pode ser observada ao ferver essa mesma água.

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Densidade É a relação da massa por unidade de volume:

DICA Você já observou que existem “folgas” nas pontes, trilhos de trem e calçadas? Sabe por quê? Para compensar a dilatação desses materiais quando submetidos a altas temperaturas.

ρ=m V

Condutividade e resistividade elétrica Massa específica É a relação da densidade do material em estudo com a densidade da água a 4°C. Nesta temperatura a água tem uma densidade de 1 g/ cm3.

Indica a capacidade dos elétrons se moverem através dos átomos unidos por ligações metálicas. A condutividade indica a capacidade de o material conduzir eletricidade, enquanto a resistividade é a medida da resistência oferecida nesta condução.

Permeabilidade magnética É a facilidade com a qual um material pode ser magnetizado.

Condutividade específica

Transparência

É uma propriedade intrínseca do material que se refere à capacidade deste conduzir calor através de sua estrutura cristalina em direção à região de menor temperatura.

Indica qual é a capacidade de um material conduzir ondas luminosas através dele, pode ser classificado como opaco (nenhuma luz a por ele), translúcido (pouca luz a por ele) ou transparente (consegue-se ver do outro lado com nitidez).

Expansão térmica Quando um material é aquecido, ele recebe energia na forma de calor, fazendo com que as ligações químicas entre os átomos vibrem com maior intensidade e com isso a sua distância interatômica aumente. Essa expansão pode ser tanto linear e superficial quanto volumétrica. Industrialmente, certos acoplamentos são feitos utilizando esta propriedade. Temos como exemplo a junção de uma engrenagem com um eixo: aquece-se essa engrenagem fazendo-a dilatar, e em seguida procede-se a união de ambos, ao resfriar o dispositivo a engrenagem volta a se contrair e, desta forma, unindo-se fortemente ao eixo.

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Figura 12 - Material Transparente, Translúcido e Opaco Fonte: Callister (2002, p. 3).

SEÇÃO 2

Propriedades químicas Oxidação Indica a capacidade de o material se deteriorar pela formação de óxidos através da interação do material com o meio, como por exemplo, a oxidação do ferro, na qual o elemento ferro (Fe) reage com o oxigênio (O) do meio formando o óxido de ferro, ou seja, a ferrugem.

Corrosão Corrosão pode ser definida como sendo a deterioração do material que reage com o meio, sendo literalmente consumido neste processo, o que ocasiona uma diminuição de sua resistência às tensões a que for submetido. A corrosão normalmente não é expressa em valores quantitativos, e sim em qualitativos, os quais indicam qual é o grau de resistência à corrosão do material em determinado meio, como por exemplo, o cobre (Cu) que possui boa resistência à corrosão em ambientes marítimos. A corrosão é um processo eletroquímico e envolve dois processos químicos distintos: a oxidação e a redução. O primeiro consiste na retirada de elétrons do átomo, enquanto o segundo na adição de elétrons.

SEÇÃO 3

Propriedades mecânicas As propriedades mecânicas são aquelas que envolvem a reação de um corpo como resposta a uma tensão aplicada, também apresentam as escalas de aplicação do produto, vida útil esperada e características de processamento permitidas. Servem ainda para classificar os materiais metálicos em materiais dúcteis ou frágeis.

Tensão Tensão é a terminologia utilizada para expressar a carga aplicada sobre uma seção transversal em termos de força. Essa tensão é distribuída de forma uniforme no interior do material.

Elongação: é a relação entre a variação dimensional do material em função de uma carga aplicada e seu tamanho inicial.

Deformação elástica Quando um material é submetido a um esforço que cause deformação na forma final do produto denomina-se que o material sofreu uma deformação elástica. Esta deformação se dá de maneira microestrutural na estrutura cristalina do material, gerando tensões nessa estrutura, porém sem causar a movimentação das discordâncias através do cristal (grão).

Deformação Deformação (elongação) é a resposta do material a uma tensão aplicada sobre o mesmo. Quando submetidos a um esforço, os átomos alojados na estrutura cristalina tendem a se deslocar de suas posições primitivas no espaço. Quando esse esforço acontecer dentro da zona elástica e cessar, os átomos retornarão para suas posições originais. Porém, se tiverem sido deslocados para outros sítios, não mais retornarão, deformando plasticamente o material.

Figura 13 - Deformação Causada pela Aplicação de Uma Força F sobre A Seção Transversal de Área A0 Fonte: Callister (2002, p. 80).

DICA Observe à sua volta os produtos ferrosos que estão no ambiente sem proteção de tinta ou verniz, e veja que sobre a superfície deles existirá uma pequena camada de ferrugem, ou seja, do óxido de ferro formado durante a oxidação desse metal.

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Deformação plástica Já quando aplicadas tensões fortes o suficiente para deformar permanentemente o material, dizse que esse material sofreu uma deformação plástica. Deformações plásticas são decorrentes da movimentação das discordâncias lineares no interior do cristal até a região do contorno de grão. Ao mesmo tempo em que defeitos pontuais intersticiais podem aumentar a resistência do material à deformação, como por exemplo a adição de carbono (C) no aço, certas características dos materiais podem ser alteradas pelas deformações plásticas nos materiais. Um exemplo deste processo é o encruamento, que gera uma distorção nos cristais e proporciona uma maior rigidez no material. Exemplos de conformação mecânica com o propósito de melhorar a qualidade do metal são: extrusão, trefilação e laminação a frio.

Tenacidade A tenacidade indica a capacidade de um material absorver energia quando sujeito à deformação até se romper. Esta propriedade é de extrema importância, principalmente em produtos que estejam sujeitos a esforços de impacto e choque. Um aço 1020 apresenta maior tenacidade do que um ferro fundido cinzento, por exemplo.

um material sob esforço até seu rompimento, normalmente associada à formação de filamento, ou seja, quanto mais dúctil for um material, maior será a capacidade desse material ser deformado plasticamente por meio dos processos de conformação mecânica como: trefilação, laminação, etc. Materiais que exibem alta ductibilidade são o ouro (Au), o cobre (Cu), o alumínio (Al), dentre outros.

Dureza Na metalurgia considera-se como sendo a resistência de um material à deformação permanente pela aplicação de uma carga localizada, normalmente por meio de um identador de carboneto ou diamante. Já na mineralogia considera-se como sendo a resistência ao risco de um mineral, dureza esta dada em função da escala Mohs de que vai de 1 para o talco a 10 para o diamante.

DICA Você sabia que é possível dar um “nó” no ferro? Em sua próxima aula de laboratório tente fazer isso utilizando um aço 1020 redondo de ¼. Aqueça a região a ser dobrada acima dos 1100 °C e faça o nó.

Maleabilidade

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DICA

DICA

Aplicando um esforço sobre um elástico, este irá se deformar e retornar à sua posição original após o esforço ser retirado, pois sofreu somente deformação elástica. Já uma goma de mascar, por exemplo, não retornaria mais ao seu tamanho inicial, pois sofre deformação plástica.

A dureza de um produto poderá ser alterada em função de tratamentos térmicos ou termoquímicos.


Ductibilidade Propriedade definida de forma qualitativa que indica a capacidade de deformação (estiramento) de

É uma propriedade muito semelhante à ductibilidade, porém enquanto esta indica a capacidade de um material ser deformado para a formação de filamentos, a maleabilidade se refere à capacidade de um material ser laminado. Um material de uso cotidiano que exibe alta maleabilidade é o alumínio (Al), com o qual é possível formar o papel alumínio. O ouro (Au) é o material que exibe maior capacidade de ser laminado.

Fragilidade A fragilidade é uma propriedade com características opostas à ductibilidade, ou seja, quanto maior a fragilidade de um material, maior será a chance dele quebrar quando submetido a um esforço externo sem apresentar deformações plásticas. Como exemplo de materiais frágeis pode-se destacar vidros e cerâmicas em geral, ferro fundido cinzento, aço ferramenta de elevada dureza, dentre outros. A velocidade da aplicação de um esforço, bem como a temperatura do material têm influência direta sobre esta propriedade. Quanto maior a velocidade (energia) de impacto, maior será a possibilidade de um material exibir uma fratura frágil (tijolo colocado sobre uma mesa de vidro x tijolo lançado sobre uma mesa de vidro). Já a diminuição das temperaturas limita a mobilidade das ligações químicas, o que acaba por enrijecer o material e, consequentemente, torná-lo mais frágil.

Relembrando Nesta unidade de ensino você conheceu as principais propriedades físicas, químicas e mecânicas dos materiais e seus conceitos. O conceito de propriedade mecânica aprendido nesta unidade lhe acompanhará ao longo de toda sua vida profissional no setor metal mecânico. Por isso, é imprescindível uma aprendizagem significativa em torno desse conceito. Se você ainda estiver com dúvida sobre alguma propriedade, é hora de voltar e estudar um pouco mais. Pesquise mais sobre as propriedades mecânicas na literatura especializada. Vamos! Concentre-se em sua aprendizagem!

Figura 14 - Nó de Ferro Fonte: Panoramio (2009).

Resiliência É a máxima energia que um material pode absorver durante a aplicação de um esforço dentro de sua zona elástica e liberá-la quando descarregado.

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Unidade de estudo 3 Seções de estudo Seção 1 – Siderurgia Seção 2 – Ligas metálicas Seção 3 – Microconstituintes do aço Seção 4 – Aço-liga Seção 5 – Aço ferramenta Seção 6 – Aços inoxidáveis Seção 7 – Ferros fundidos

Materiais Metálicos Ferrosos SEÇÃO 1 Siderurgia

Figura 15 - Minério de Ferro Fonte: Industry Player (2009).

Esquema de operação de um alto forno

Alimentador

do

rta spo r

500°C 1200°C

1650°C

Saída de escória

Coque Minério de ferro Calcário

A redução do minério de ferro em ferro-gusa se dá no alto-forno, usando como combustível o coque (carvão mineral ou vegetal) e como fundente o calcário. O minério de ferro é triturado até a granulometria especificada no processo, e então carregado no alto-forno juntamente com os fundentes e o coque. O fundente normalmente é o calcário e tem por objetivo a separação das impurezas do processo que sairão na forma de escória. Já o coque é obtido a partir de carvão vegetal ou mineral aquecido a temperaturas superiores a 1000 °C em câmaras herméticas. O resultado final será um material rico em carbono. Atua como combustível e agente carburante no processo.

n Tra

É um composto mineral extraído da natureza com quantidades significantes do elemento metálico. Por exemplo, o ferro (Fe) pode ser obtido dos seguintes minerais: hematita (Fe2O3), magnetita (Fe3O4), limonita (FeO[OH]), pirita (FeS2), dentre outros.

Alto-forno (redução)

Ferro-gusa: é o ferro resultante da redução do minério de ferro em altos fornos utilizando o coque (carvão) como combustível e carburante e o calcário como fundente. Seu percentual de carbono (C) é em média de 4 a 5%, além de outros elementos.

Injeção de ar

Minério

Após a mineração, que pode ser a céu aberto ou subterrânea, o minério de ferro é preparado e enviado para as siderúrgicas para a redução do óxido de ferro em ferro-gusa.

Saída de ferro gusa

Há milênios o homem utiliza metais para a fabricação de seus utensílios e armas. Inicialmente empregava metais nobres por serem facilmente encontrados na sua forma nativa na natureza, como o ouro (Au) e o cobre (Cu), e em seguida ou a utilizar também ligas, como o bronze – Cobre (Cu) mais estanho (Sn). O conjunto de técnicas que a humanidade desenvolveu ao longo dos milênios para a extração e manipulação dos metais e suas ligas é chamado de metalurgia. E um dos campos específicos desta, que se dedica à fabricação e ao tratamento dos aços, é a siderurgia. O início da exploração e utilização do ferro (Fe) se deu somente por volta de 1200 a.C.

Figura 16 - Alto-Forno Fonte: MSPC Informações Técnicas (2009). MATERIAIS E ENSAIOS

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Aciaria A aciaria é o setor da siderúrgica responsável pela purificação do ferro-gusa para obtenção do aço. É nesta etapa que ocorre também o refino do aço e a adição de elementos de ligas. O material alimentado é o gusa líquido ou sólido e a sucata, e o produto final é o aço. Ocorre a redução do carbono, que geralmente é de 4-5% para níveis muito baixos, podendo ser inferior a 0,1%. A maior parte desse aço é solidificada em lingotamento contínuo ou convencional na forma de tarugos ou blocos.

SEÇÃO 2

Ligas metálicas Somente alguns poucos materiais são utilizados na sua forma pura, a grande maioria dos materiais metálicos utilizados na indústria se encontra na forma de liga. Uma liga é o resultado da incorporação de outros elementos ao material base com o propósito de lhe conferir propriedades diferenciadas, como por exemplo, uma melhor resistência à corrosão e a altas temperaturas de trabalho ou simplesmente para aumentar sua resistência mecânica. Historicamente, os primeiros materiais metálicos utilizados pelo homem eram feitos de liga de cobre (Cu), como o bronze: liga de cobre (Cu) e estanho (Sn). Exemplos de ligas utilizadas em produtos industriais:

▪▪ aço ao carbono comum –

ferro (Fe) e carbono (C); Figura 17 - Lingotamento Contínuo Fonte: STEEL Production (Processes & Products) (2009).

Laminação Os blocos produzidos na aciaria são laminados na forma de chapas ou perfis, melhorando as propriedades do aço, além de dar forma ao material.

Figura 18 - Laminação Fonte: STEEL Production (Processes & Products) (2009).

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▪▪ aço inoxidável – ferro (Fe), carbono (C), cromo (Cr) e níquel (Ni); ▪▪ bronze – cobre (Cu) e estanho (Sn); ▪▪ ferro fundido – ferro (Fe) e

carbono (C); e

▪▪ latão – cobre (Cu) e zinco (Zn). As propriedades finais das ligas são alcançadas pela manipulação dos elementos presentes e suas proporções, bem como pelos tratamentos a que essas ligas são submetidas ainda na forma de lingotes ou já dos produtos acabados. Como exemplo, pode-se destacar a incorporação de carbono (C) no aço, elevando a dureza do aço pela adição do carbono. A adição de um segundo elemento

na matriz metálica poderá gerar novas estruturas: uma solução sólida ou a formação de uma segunda fase. O diagrama a seguir apresenta a classificação das ligas metálicas em função dos elementos envolvidos, mais especificamente, as ligas metálicas ferrosas.

Solução sólida Ocorre quando outros elementos de liga são dissolvidos na estrutura cristalina sem que seja gerada uma nova fase. Poderão ocupar posições intersticiais ou simplesmente substituir os átomos da estrutura cristalina. De uma forma ou outra, a diferença do tamanho atômico dos átomos envolvidos gerará tensões internas na estrutura cristalina de compressão ou tração nas regiões ocupadas pelo soluto. Como consequência, o deslizamento dos planos cristalinos e a movimentação das discordâncias necessitarão de maior energia. Por exemplo, a adição de 30% de níquel em cobre aumenta a sua resistência de tração de 172 para 379 MPa.

Soluto: elemento que será dissolvido, exemplo: o açúcar do xarope. Solvente: meio em que o soluto será dissolvido. Solvente universal: água.

Diagrama 1 - Classificação das Ligas Ferrosas

Fonte: Callister (2002, p. 248).

MATERIAIS E ENSAIOS

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Segunda fase Quando se adiciona elementos que não são solúveis, ou que têm solubilidade incompleta na matriz, haverá a formação de uma segunda fase resultante da precipitação desse soluto. Como resultado, a resistência, a ductibilidade, a rigidez e a resistência à corrosão sofrerão alterações, tanto para mais quanto para menos, de acordo com os elementos envolvidos e a forma com que eles se precipitam. O ferro fundido é um exemplo da formação de uma segunda fase oriunda da precipitação do elemento carbono (C) (soluto com solubilidade parcial) no ferro (Fe) (solvente). Através de processos de fundição e adição de outros elementos, a grafita poderá se precipitar na forma de nódulos, lamelas, dentre outras formas.

SEÇÃO 3

Microconstituintes do aço Ao analisar a microestrutura do aço em função do percentual de carbono e condições de resfriamento, será possível observar diferentes microestruturas, as quais por sua vez também apresentaram características mecânicas particulares. Essas microestruturas são chamadas de microconstituintes. Os microconstituintes podem ser identificados no diagrama de equilíbrio ferro – carbono (FeC) e são dependentes do teor de carbono e de outros elementos de liga, além da temperatura. Dentre os mais importantes, podem-se destacar ferrita, cementida, perlita, austenita e martensita.

Figura 19 - Diagrama de Equilíbrio Ferro – Carbono (Fe-C) Fonte: Callister (2002, p. 253).

Ferrita O ferro α (ferrita) apresenta uma estrutura cristalina cúbica de corpo centrado (CCC), baixa dureza, baixa resistência mecânica, grande ductibilidade e é ferromagnético. A solubilidade máxima de carbono (C) é de 0,008% à temperatura ambiente, e pode ser também designado ferro puro. Em ligas comerciais o percentual de carbono (C) será maior do que 0,008% e assim além da ferrita é possível que a microestrutura apresente outros microconstituintes.


A saturação do carbono (C) na ferrita ou na austenita forma a cementita, ou carboneto de ferro (Fe3C), que é uma fase metaestável e contém 6,67% de carbono. Ao contrário da ferrita e austenita, exibe grande dureza e fragilidade, e é a responsável pelo aumento de resistência nos aços.

Figura 21 - Micrografia de um Aço Figura 20 - Micrografia de uma Estrutura Ferrítica (Ferro Α) Fonte: Callister (2002, p. 190).

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Cementita

com 1,4% de Carbono. A Cementida é a parte ao redor dos Grãos de Perlita Fonte: Callister (2002, p. 194).

Perlita A perlita em si não é uma fase, e sim a combinação de duas fases, ferrita e cementita. Estas se formam de forma intercalada com uma proporção de aproximadamente 88,5% e 11,5%, respectivamente. Microconstituinte muito comum na maioria dos aços, contribui significativamente para o aumento da resistência destes. Sua formação ocorre a partir do resfriamento lento do ferro Υ(austenita) pela difusão controlada do carbono (C) para os limites dos grãos de austenita. Um aço ao carbono comum com 0,76% de carbono (SAE 1077) é designado como sendo um aço eutetóide e exibirá somente perlita em toda sua microestrutura. Aços com percentual menor de carbono (C) são classificados como hipoeutetóides e aços com mais de 0,76% de carbono (C) são os aços hipereutetóides.

Austenita Acima de 727 °C o ferro α (ferrita) sofre uma transformação polimórfica e a a se arranjar em uma estrutura cristalina cúbica de face centrada (CFC), ando a ser designado como ferro Υ (austenita). Essa é uma solução sólida na qual todo o carbono presente (até o máximo de 2,11% a 1147 °C) está dissolvido na estrutura cristalina do ferro (Fe), apresenta boa tenacidade, resistência mecânica e é não magnética. Processos de tratamento térmico como têmpera requerem que o aço seja austenitizado para então ser submetido a um gradiente de resfriamento. Nesse processo ocorrerá a transformação de ferro α em ferro Υ e em seguida este em outro microconstituinte, como a martensita. A transformação de fase de α → Υ e Υ → α é acompanhada de mudanças no volume do material, uma vez que o fator de empacotamento das duas estruturas é ligeiramente diferente. A alteração volumétrica pode ser responsável pela criação de tensões internas em peças tratadas termicamente.

Reação eutetóide: a reação eutetóide ocorre em aços ao carbono comum a uma temperatura de 727 °C e 0,76% de carbono. Nessa reação toda a austenita (ferro Υ) é transformada em perlita (ferrita mais cementita em lamelas alternadas).

Figura 22 - Micrografia de uma Estrutura Perlítica Fonte: Callister (2002, p. 191).

Figura 23 - Micrografia de uma Estrutura Austenítica Fonte: Callister (2002, p. 190). MATERIAIS E ENSAIOS

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Martensita A martensita é uma fase metaestável de ferro (Fe) supersaturado com carbono (C), obtida pelo tratamento térmico de têmpera. O aço austenitizado é resfriado rapidamente sem que dê tempo para que o carbono (C) difunda dessa estrutura na qual está dissolvido e forme o Fe3C. Obrigando, então, que o ferro (Fe) se arranje em uma estrutura tetragonal de corpo centrado (TCC) que retém o carbono (C). Essa estrutura é a responsável pelo aumento de dureza e rigidez no aço temperado, conferindo ao aço propriedades mecânicas de maior interesse comercial, em que a dureza e resistência são desejadas. Por ser uma fase metaestável, e estar longe do equilíbrio, não aparece no diagrama de equilíbrio da liga ferro carbono (Fe-C). O grau de martensita formada dependerá da quantidade de carbono e outros elementos de liga e também do gradiente de resfriamento ao qual o aço for submetido.

Martensita revenida A martensita obtida pelo tratamento térmico de têmpera pode ser muito dura e rígida, porém também frágil para muitas aplicações. Com o propósito de alcançar alta dureza, no entanto com uma certa ductibilidade e tenacidade, a martensita poderá ser submetida ao tratamento térmico de revenimento. O resultado será uma martensita revenida mais fases de ferro a e cementida.

Bainita Exibe uma microestrutura semelhante aos aços perlíticos, porém mais refinada (partículas de ferro a e Fe3C menores), o que resulta em um aço mais duro e resistente.

SEÇÃO 4 Aço-liga

Embora a designação para o aço seja de uma liga ferro (Fe) carbono (C) com concentrações de carbono variando entre 0,008% e 2,11%, na realidade é uma liga muito mais complexa e leva em sua composição muitos outros elementos de liga que serão responsáveis por suas propriedades. Abaixo de 0,008% de carbono (C) a liga formada é designada de ferro doce.

Aço baixa liga

Figura 24 - Micrografia de uma Estrutura Martensítica Fonte: Callister (2002, p. 211).

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A terminologia de aços ligados é utilizada para designar a liga de ferro (Fe) e carbono (C) com outros elementos de liga em percentuais inferiores a 5%.

Aço alta liga Aços alta liga possuem em sua composição pelo menos 5% de elementos de liga, os quais proporcionarão características especiais ao aço em função de sua quantidade, proporções e tratamento térmico a que o aço for submetido.

Nomenclatura Ao redor do planeta existem muitos organismos de normatização que buscam padronizar metodologias, processos, nomes, etc. Para as ligas de aço comercial não é diferente, elas são codificadas de acordo com normas desses organismos.

Entre as nomenclaturas destacam-se: UNS – Unified Numbering System; ASTM – American Society for Testing and Materials; DIN – Deutsches Institut für Normung; JIS – Japanese Industrial Standards; BS – British Standards; SAE – Society of Automotive Engineers; AISI – American Iron and Steel Institute; e ISO – International Organization for Standardization com a ISO/TS 4949:2003: Steel Names Based on Letter Symbols.

Um aço SAE 1045, por exemplo, é designado por C45 na DIN, 060A47 na BS e S45C na JIS. O Brasil adota a nomenclatura definida pela AISI/SAE para os aços comerciais que seguem a seguinte classificação genérica:

Tabela 2 - Classificação Genérica de

Tabela 3 - Classificação de Aços Ferramenta

Aços segundo a Sae

AISI Designação SAE

Tipo

1xxx

Aço carbono

2xxx

Aço níquel

3xxx

Aço cromo níquel

4xxx

Aço molibdênio

5xxx

Aço cromo

6xxx

Aço ao cromo Vanádio

7xxx

Aço tungstênio

8xxx

Aço ao cromo níquel vanádio

9xxx

Aço ao silício manganês

xxBxx

Aço boro

xxLxx

Aço chumo

FONTE: adaptado de Chiaverini (2002).

Os dois primeiros algarismos definem a liga e os dois últimos o percentual centesimal de carbono (C). O Aço 1045, por exemplo, é um aço comum com 0,45% de carbono (C), já um aço 4340 é um aço ao cromo-níquel-molibdênio com 0,4% de carbono (C).

SEÇÃO 5

Aço ferramenta Os aços utilizados na fabricação de ferramentas de uso industrial requerem propriedades mecânicas específicas, como resistência ao choque, resistência para o trabalho a quente, capacidade de corte a frio, dentre outras. São produzidos com severas tolerâncias de composições químicas e propriedades físicas. Os principais elementos químicos presentes em quantidades relativamente grandes são tungstênio (W), molibdênio (Mo), vanádio (V) e cromo (Cr). São classificados de acordo com suas propriedades e aplicações.

Definição

Exemplo

Aplicações comuns

W

Aço ferramenta temperável em água

W2

Matrizes para cunhagem

S

Aço ferramenta resistente ao choque

S1

Estampos, culelaria

P

Aço ferramenta para moldes para plástico

P20

Moldes para injeção de plástico

O

Aço ferramenta temperável em óleo

O1

Ferramentas para dobra de chapas

A

Aço ferramenta temperável ao ar

A2

Ferramentas de corte e repuxo

D

Aço ferramenta para trabalho a frio

D6

Matrizes para conformação a frio de aços

H

Aço ferramenta para trabalho a quente

H13

Matrizes para trabalho a quente de aços

M

Aços rápido ao molibdênio

M2

Ferramentas de corte e usinagem

Fonte: CIMM (2009).

Aço temperável em água (W) Tem alta resistência ao desgaste e à abrasão e boa tenacidade. Dentre os aços ferramenta é o que apresenta melhor soldabilidade. Porém pode apresentar trincas e distorções durante o tratamento térmico.

Aço resistente ao choque (S) Esta classe de aço ferramenta apresenta grande tenacidade e resistência ao choque, além de alta dureza. Suas principais aplicações são em ferramentas de corte.

Aço ferramenta para a fabricação de moldes para plásticos (P) São aços empregados na fabricação de moldes de injeção

de plástico ou de metais leves. Apresentam boa usinabilidade, média temperabilidade, boa capacidade de polibilidade, além de uniformidade de dureza.

Aço ferramenta temperável ao óleo (O) Esta classe de aços apresenta uma grande temperabilidade, o que permite que sejam temperados ao óleo.

Aço ferramenta temperável ao ar (A) Tem maior temperabilidade do que os aços temperáveis em água. O meio refrigerante empregado, o ar, é o que gera menor gradiente de resfriamento. Por esse motivo apresenta menos possibilidade de distorções e trincas térmicas.

MATERIAIS E ENSAIOS

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AISI: American Iron and Steel Institute.

Porém sua resistência à abrasão é moderada.

SEÇÃO 6

Aço ferramenta para trabalho a frio (D)

Dentre os muitos tipos de aço, uma classe se destaca para trabalhos em que a elevada resistência a ambientes corrosivos e altas temperaturas são necessárias, é a dos aços inoxidáveis. A sua produção envolve a adição de elementos de liga, como o cromo (Cr) (>11%) e eventualmente o níquel (Ni), dentre outros, em quantidades e proporções variadas em função das características mecânicas e físicas que se deseja para aplicações específicas. Para sua nomenclatura normalmente é utilizada a equivalência dos nomes comerciais com a norma AISI e classificam-se em cinco grupos de acordo com a microestrutura básica e o tratamento térmico possível. Acompanhe!

Utilizado para usinagem, conformação e processamento de materiais à temperatura ambiente ou pouco elevada. As principais características são a elevada dureza, a resistência à abrasão e a tenacidade.

Aço ferramenta para trabalho a quente (H) São aços cuja temperatura de aplicação pode superar os 200 ºC, e nestas condições devem apresentar resistência ao desgaste, ao cisalhamento e à abrasão, mantendo a alta dureza conseguida por têmpera, a resistência ao desgaste e sua tenacidade. Ainda possui alta resistência à fadiga térmica.

Aço rápido ao molibdênio (M) ou ao titânio (T) São aços de elevada dureza e resistência ao desgaste aliada a uma boa tenacidade. Sua dureza pode chegar a mais de 60 HRC e entre suas principais aplicações estão ferramentas de corte e usinagem.

Aços inoxidáveis

Austeníticos Os aços inoxidáveis austeníticos são os mais comuns e com características mais nobres. Contêm entre 12% a 30% de cromo (Cr) e entre 7% e 25% de níquel (Ni), dentre outros elementos adicionados em menores quantidades como o titânio (Ti) e o nióbio (Nb). São pouco sensíveis à tem-

Figura 25 - Ferramentas de Usinagem em Aço Rápido Fonte: Portal da Usinagem (2009).

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peratura e podem ser endurecidos por têmpera, ou ainda encruados e recozidos. As ligas mais comuns são a 301, 304, 316 L.

Ferríticos São ligas menos nobres que contêm entre 16% e 30% de cromo (Cr), e cujas propriedades mecânicas não são alteradas pelos tratamentos térmicos. Suas características mecânicas são inferiores, porém são mais inoxidáveis do que o primeiro grupo. Uma liga característica é a AISI 430.

Martensíticos Possuem elevado teor de carbono, o que lhes confere alta capacidade de endurecebilidade por têmpera. O teor de cromo (Cr) varia entre 12% a 16% e de carbono (C) entre 0,1% a 0,4%. Apresentam menor inoxibilidade do que os ferríticos, porém com qualidades mecânicas otimizadas. As ligas 410 e 420 compõem esta classe.

Duplex Aços com baixo teor de carbono ligados ao cromo (Cr) e ao níquel (Ni), obtendo uma microestrutura mista de austenita e ferrita. Apresentam boa resistência à corrosão aliada à resistência mecânica, além de melhor soldabilidade do que os aços inoxidáveis austeníticos.

Endurecíveis por precipitação

Inoxidáveis: Resistentes à corrosão.

O teor de níquel (Ni) é reduzido, aproximadamente 4%, porém outros elementos como o cobre (Cu) são adicionados com o propósito de promover a precipitação. Sua resistência à corrosão é equivalente aos austeníticos e suas propriedades mecânicas semelhantes aos martensíticos. Aços inoxidáveis ferríticos, martensíticos e duplex exibem a propriedade de serem ferromagnéticos, enquanto os demais são ferro não magnéticos, ou seja, não são atraídos por imãs. A característica de resistência à oxidação (inoxidáveis) se dá graças à formação de uma fina película de óxido de cromo muito aderente e impermeável ao oxigênio (O) e a muitos outros produtos químicos corrosivos. Tabela 4 - Classificação dos Aços Inoxidáveis

Elementos de liga (principais) Microestrutura Endurecibilidade Microestrutura Série AISI 4XX (ao cromo)

Exemplos

Martensítica

Endurecível

AISI 416 / 420

Ferrítica

Não endurecível

AISI 430

Autenítica

Não endurecível

AISI 302 / 303 / 316

Não endurecível

AISI 321 (Ti) / AISI 347 (Nb) estabilizados

Série AISI 3XX (ao cromo / níquel) Duplex

Não endurecíveis AISI 329

Fonte: adaptado de Chiaverini (2002).

MATERIAIS E ENSAIOS

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Tabela 5 - Composição Típica de Ligas de Ferro Fundido

Ferros fundidos

A grafita livre é quem determina as propriedades mecânicas e também sua nomenclatura. Os ferros fundidos são classificados como ferro fundido cinzento, branco, maleável, nodular e vermicular. Também podem ser classificados de acordo com o percentual de carbono (C). Entre 2,11% e 4,3% é considerado um ferro fundido hipoeutético, com 4,3% de carbono (C) é eutético, e acima de 4,3% até 6,67% será hipereutético.

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Carbono

Silício

Manganês Enxofre

Fósforo

Cinzento

2,5 – 4,0

1,0 – 3,0

0,2 – 1,0

0,02 – 0,25 0,02 – 1,0

Nodular/ dúctil

3,0 – 4,0

1,8 – 2,8

0,1 – 1,0

0,01 – 0,03 0,01 – 0,1

Vermicular/ grafita 2,5 – 4,0 compactada

1,0 – 3,0

0,2 – 1,0

0,01 – 0,03 0,01 – 0,1

Maleável

2,0 – 2,9

0,9 – 1,9

0,15 – 1,2

0,02 – 0,2

0,02 – 0,2

Branco

1,8 – 3,6

0,5 – 1,9

0,25 – 0,8

0,06 – 0,2

0,06 – 0,2

~ ~

Abreviaturas: FºFº : Ferro Fundido P : Perlita : Grafita G Fe 3 C : Cementita α : Ferrita

~ ~

Fonte: Chiaverini (2002, p. 495).

Ferros Fundidos Comerciais

Fe 3 C

~ ~

Pelo estudo do diagrama de equilíbrio Fe-C (Ferro – Carbono) define-se o ferro fundido como uma liga de ferro (Fe) e carbono (C), com o carbono presente entre 2,11 e 6,67%. O terceiro elemento é o silício (Si) que se encontra geralmente entre 1 e 3% e é o responsável pela precipitação da grafita. O carbono (C) excedente (grafita) parcialmente “livre” na forma de lamelas, veios ou nódulos é o responsável pelas propriedades do material como a absorção à vibração. A palavra “ferro fundido” poderá ser abreviada em algumas literaturas por FºFº.

Composição típica (%) Ferro fundido

Temperatura

SEÇÃO 7

Resfriamento

Reaquecimento a:

~700°C - 30min Rápido P + Gr

Rápido Moderado P + Fe 3 C P + Gf

Moderado P + Gn

Lento α + Gn

FºFº Dúctil Perlítico

FºFº Dúctil Ferrítico

Lento α + Gr

FºFº Branco FºFº Maleável Perlítico

Lento α + Gf

C

Mg/Ce

FºFº Maleável Ferrítico

FºFº Cinzento Perlítico

FºFº Cinzento Ferrítico

Figura 26 - Microconstituintes Típicos dos Ferros Fundidos Fonte: Callister (2002, p. 255).

Ferro fundido cinzento O carbono livre (grafita) se encontra na forma de lamelas, caracterizando dessa forma uma fratura de coloração cinza-escuro. O restante desse carbono está como carboneto (Fe3C). Apresenta excelente absorção a vibrações, por esse motivo é muito utilizado em estruturas de máquinas e equipamentos, além de ser fácil de fundir e usinar, no entanto, apresenta baixa resistência mecânica e fratura frágil.

Figura 28 - Comparação entre a Amplitude de Vibração de um Aço e um Ferro Fundido em Função do Tempo Fonte: Callister (2002, p. 255).

Ferro fundido branco

Figura 27 - Micrografia de um Ferro

Praticamente todo o carbono está retido na forma combinada de carboneto (Fe3C) devido às suas condições de fabricação com menos silício. A sua fratura terá uma característica mais clara. É a classe de ferro fundido mais dura. Uma de suas aplicações é em roletes de laminação.

Fundido Cinzento Ferrítico Fonte: Callister (2002, p. 253).

Figura 29 - Micrografia de um Ferro Fundido Branco Fonte: Chiaverini (2002, p. 253).

MATERIAIS E ENSAIOS

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Ferro fundido maleável

Ferro fundido nodular

O ferro fundido maleável é obtido por meio do tratamento térmico de maleabilização a partir do ferro fundido branco. A grafita se transformará em nódulos.

Dentre os ferros fundidos é o mais dúctil, propriedade que é obtida pelo tratamento térmico ainda no estado líquido. A grafita esferoidal resultante é a responsável por essa ductibilidade.

Figura 30 - Micrografia de um Ferro Fundido Maleável Fonte: Chiaverini (2002, p. 253).

Figura 31 - Micrografia de um Ferro Fundido Nodular Fonte: Chiaverini (2002, p. 253).

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Ferro fundido vermicular Também conhecido como compacted graphite iron (CGI), foi descoberto ao acaso durante a fundição do ferro fundido nodular e seu uso se dá há mais de 30 anos, porém somente na última década ou a ser empregado em componentes mais complexos como blocos de motores, substituindo o cinzento. Leva em sua composição magnésio (Mg) em uma faixa muito estreita, elemento este que faz com que a grafita livre se forme como estrias grossas (semelhante a vermes), origem do nome vermicular.

Destaca-se por apresentar boa resistência mecânica (praticamente o dobro do cinzento), capacidade de amortecimento a vibrações, pouco sensível a choques térmicos, tenacidade e ductibilidade. A grafita que se encontra tanto na forma de veios (ferro fundido cinzento) quanto em nódulos (ferro fundido nodular) é a responsável por essas características mecânicas.

Relembrando Nesta unidade de ensino nos concentramos nas ligas metálicas. Você aprendeu sobre siderurgia, as classificações das principais ligas metálicas ferrosas e a sua nomenclatura. Conheceu ainda os microconstituintes principais dessas ligas. Na próxima unidade você aprenderá sobre materiais metálicos não ferrosos. Ainda há muito pela frente. Continuemos juntos!

Figura 32 - (A) Micrografia de um Ferro Fundido Vermicular, (B) Micrografia da Grafita no CGI Fonte: Mocellin et al. (2004).

MATERIAIS E ENSAIOS

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Unidade de estudo 4 Seções de estudo Seção 1 – Os tipos de materiais metálicos não ferrosos

Materiais Metálicos Não Ferrosos SEÇÃO 1

Os tipos de materiais metálicos não ferrosos Alumínio (Al) O alumínio (Al) se destaca pela sua elevada condutibilidade térmica e elétrica aliada a uma baixa densidade, além de ser o elemento metálico mais abundante na crosta terrestre. Do latim aluminium, apresenta uma densidade de 2,700 g/cm3 e um ponto de fusão de 660°C. Sua aparência é de cinza prateado fosco. É um metal bastante resistente à corrosão, dúctil, aceita tratamentos térmicos que lhe conferem maior dureza e rigidez, além de formar ligas com propriedades diferenciadas com inúmeros outros metais, como cobre (Cu), manganês (Mn), magnésio (Mg), dentre outros. A condutibilidade térmica e elétrica, por exemplo, é altamente dependente do grau de pureza da liga. A resistência à corrosão se dá em função da formação do óxido de alumínio (Al2O3) em sua superfície. Tais características o habilitam para aplicações na indústria aeronáutica, naval, de transporte, de condutores elétricos, trocadores de calor, da construção civil, utilidades domésticas e muitas outras. É um dos metais mais reciclados, visto sua facilidade de recolhimento e seu preço de revenda, aliados a um consumo energético de até vinte vezes menor do que a sua obtenção a partir do seu minério natural, a bauxita.

Chumbo (Pb) Do latim plumbum, tem densidade de 11,340 g/cm3 e ponto de fusão de 327 °C. Sua aparência é branca azulada quando cortado, em contato com o ar se oxida ficando cinza. Embora tóxico e pesado, é muito utilizado em construção civil, baterias, munição, proteção contra raios X, ligas de solda, lastros, gaxetas, tipos de pigmentos, tipografia, etc. As propriedades que o tornam interessante industrialmente são sua alta maleabilidade, flexibilidade, lubricidade, além da condutibilidade elétrica. Em contrapartida, seu ponto de fusão, sua resistência mecânica e dureza são baixos. A sua utilização como elemento de proteção contra radiações de raios X e raios gama é devido à sua alta densidade. Finas placas deste material podem substituir paredes de concreto de maior espessura aplicadas com o mesmo propósito. Forma ligas com outros metais como antimônio (Sb), estanho (Sn), cobre (Cu), etc.

Recolhimento: Como latas de bebidas, por exemplo.

DICA O chumbo é um metal pesado que pode provocar graves danos à saúde humana. Pesquise mais sobre a toxicologia do chumbo na internet.

MATERIAIS E ENSAIOS

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Cobre: Do latim cuprum.

Cromo: Do grego chrôma e do latim chromium.

Estanho: Do latim stagnun.

Magnésio: Do latim magnesium.

Cobre (Cu) O cobre (Cu) é um dos primeiros metais utilizados pelo homem. Tem coloração avermelhada brilhante e possui densidade de 8,950 g/cm3 com um ponto de fusão de 1083 °C. Dentre suas propriedades mecânicas, destacam-se a ductibilidade e maleabilidade, o que permite que seja estampado, estirado, conformado. Ainda como um excelente condutor térmico e elétrico é amplamente utilizado em condutores elétricos e trocadores de calor. Em ambientes corrosivos, resiste muito bem à oxidação. Forma ligas com vários metais, dos quais os mais conhecidos são as ligas de cuproníquel (cobre mais níquel), o latão (cobre mais zinco) e o bronze (cobre mais estanho).

Cromo (Cr) O cromo (Cr) é um metal cinza com característica semelhante ao aço. Sua densidade é de 7,200 g/ cm3 e seu ponto de fusão é de 1907 °C. Além da sua aplicação como elemento de liga em aços inoxidáveis e aços resistentes ao calor, por exemplo, também é muito empregado por eletrodeposição em aços para melhorar sua resistência à corrosão e oxidação e pigmentos. A alta resistência à corrosão do cromo é devida à formação de uma camada muito fina, aderente e resistente, o óxido de cromo.

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Estanho (Sn) O estanho (Sn) se caracteriza como um material branco prateado com densidade de 7,310 g/cm3 e ponto de fusão de 231 °C. Utilizado pela humanidade a milhares de anos, formando liga com o cobre (Cu): bronze. A contribuição para o desenvolvimento humano foi relevante a ponto de nomear uma era, a idade do bronze, que ocorreu aproximadamente entre os anos 4000 e 1000 a.C. Possui baixa ductibilidade, porém apresenta boa resistência à oxidação em muitos meios, é utilizado para recobrir outros metais e assim agir como proteção à corrosão. Um exemplo clássico é a “lata”, que é uma folha de flandres (aço de baixo teor de carbono) revestida com o estanho (Sn), largamente utilizada na indústria alimentícia.

Magnésio (Mg) O magnésio (Mg) é um metal de aparência prateada. Sua densidade é de 1,73 g/cm3 e ponto de fusão de 650 °C. Por ser bastante resistente e leve, e apresentar boa resistência à corrosão em meios pouco agressivos, é utilizado em aplicações estruturais. Pode-se destacar seu uso na indústria naval, bélica, aeronáutica, automobilística, além de componentes eletroeletrônicos. Seu uso na forma de ligas se dá predominantemente com o alumínio (Al).

Níquel (Ni) O níquel (Ni) é um metal branco prateado com densidade de 8,908 g/cm3 e ponto de fusão de 1455 °C. Dentre suas propriedades, podese destacar sua resistência à oxidação e à corrosão, boa resistência mecânica e característica ferromagnética. Tais propriedades diferenciam as ligas de níquel (Ni) de muitos outros materiais. Seu maior consumo se dá como elemento de liga na fabricação do aço inoxidável, superligas de níquel, além de estar presente em algumas ligas de aço-carbono.

Titânio (Ti) O titânio (Ti) é um metal de cor branca metálica com densidade de 4,507 g/cm3 e ponto de fusão de 1668 °C. Seu alto módulo de elasticidade, leveza, resistência mecânica e biocompatibilidade o tornam um material de grande interesse para a fabricação de próteses médicas. Outra propriedade de interesse é a sua alta resistência à corrosão. As principais aplicações se dão na indústria química, naval, nuclear, em pigmentos na forma de dióxido de titânio (TiO2), além de participar como elemento de liga em muitas outras ligas metálicas.

Tungstênio (W) O tungstênio (W) é um metal de aparência de branco a cinza, com densidade de 19,250 g/cm3 e maior ponto de fusão de todos os elementos, 3422 °C.

Embora muito escasso, é extraído da natureza na forma de óxidos e sais, sua gama de aplicações é muito grande graças às suas características de alta dureza e ponto de fusão. As principais aplicações são em ferramentas de corte como brocas e pastilhas, filamentos de lâmpadas, eletrodos não consumíveis em soldas TIG, além de também ser empregado como elemento de liga.

Níquel: Do alemão kupfernickel.

Titânio: Do latim titanium.

Tungstênio: Do latim wolframium.

Zinco: Do latim zincum.

Zinco (Zn) O zinco (Zn) é um metal de coloração branco azulada com densidade de 7,140 g/cm3 e ponto de fusão de 419 °C. A formação de um óxido em sua superfície o torna muito resistente à corrosão. Muitas de suas aplicações se dão em função dessa propriedade como, por exemplo, o processo de galvanização. Também é utilizado como pigmento, aditivo e elemento de liga. Dentre as ligas formadas, a de maior destaque é a formada com o cobre (Cu), o latão.

DICA Pesquise mais sobre a aplicação do zinco como metal de proteção ao aço. Vamos! Não custa tentar!

Relembrando Nesta unidade você conheceu um pouco sobre outros materiais metálicos não ferrosos, aqueles mais utilizados na indústria metal mecânica, e suas principais características. Na próxima unidade de estudos você estudará a descrição dos ensaios metalográficos, conhecendo desde os procedimentos para preparação das amostras até os reagentes mais aplicados no ataque químico de ligas ferrosas e de alguns metais não ferrosos. Continue antenado!

MATERIAIS E ENSAIOS

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Unidade de estudo 5 Seções de estudo Seção 1 – Introdução Seção 2 – Microscopia Seção 3 – Preparação das amostras Seção 4 – Preparação dos reagentes

Metalografia SEÇÃO 1

Introdução A olho nu uma superfície metálica pode parecer sólida e homogênea, porém não é. Ela possui defeitos como vazios e contornos de grão, além de diferentes microconstituintes e precipitados que só serão visíveis através do uso de microscópios óticos ou eletrônicos. Empregando-se técnicas de análise metalográfica será possível avaliar as fases presentes, bem como a sua quantificação com o uso de técnicas específicas de análise, e o uso de relações estatísticas também é possível. O conhecimento das fases presentes, do tamanho e forma dos grãos, da densidade, além de outras características que são possíveis de serem avaliadas pela análise metalográfica, pode estimar quais serão as propriedades mecânicas do material naquela condição. A observação dessas microestruturas permite inclusive a identificação de algumas ligas quanto ao percentual de elementos de liga e ao tratamento térmico sofrido. Em relação ao percentual de carbono, pode-se avaliar, por exemplo, se um aço é hipo ou hipereutetóide. Já uma microestrutura martensítica indica que esse aço foi submetido a um tratamento térmico de têmpera, por exemplo.

DICA Você provavelmente já utilizou um binóculo para visualizar objetos que estão a longas distâncias. Isso é possível graças à combinação de suas lentes. Um microscópio faz exatamente a mesma coisa, porém a análise se resume a curtos espaços de uma superfície que é ampliada várias vezes.

SEÇÃO 2

Microscopia O microscópio é o equipamento responsável por ampliar a projeção da superfície que será analisada. Esse aumento pode ser de poucas dezenas até milhares de vezes. Para as análises das microestruturas dos materiais metálicos, bem como de outras classes de materiais, três tipos de microscopia podem ser utilizados: microscopia ótica (MO) com faixa de aumento de 1 a 1.500 vezes, microscopia eletrônica de varredura (MEV) com aumento de 10 a 20.000 vezes e a microscopia eletrônica de transmissão (MET) com aplicação de 500 a 300.000 vezes. A MO apresenta uma resolução na ordem de 3.000 Å, a MEV de 200 Å, enquanto que a MET pode

chegar a 50 Å. Um novo tipo de microscopia de pouca aplicação industrial, a microscopia de campo iônico (MCI), tem resolução inferior a 1 Å.

1 Å (um Amgstron) corresponde a 1.10-10 m, ou seja, 0,0000000001 m.

A microscopia ótica é aplicada para análise de grandes áreas, além de sua utilização ser simples e rápida, é também de baixo custo. A microscopia de varredura possibilita a análise com maior profundidade de foco como em superfícies de fratura. Já através da MET, defeitos e fases internas dos materiais podem ser identificados, como discordâncias e pequenas inclusões.

MATERIAIS E ENSAIOS

47

SEÇÃO 3

Microscopia ótica O microscópio ótico é o mais simples de todos e também o mais empregado na indústria para as análises metalográficas de metais, além dos demais setores de transformação, como a indústria têxtil, de papel e celulose, etc. É composto basicamente por dois conjuntos de lentes, a ocular (próximo ao olho do observador) e a objetiva (perto da amostra). Microscópios modernos podem ainda estarem equipados com filmes polarizadores, prismas, espelhos, monitores, câmaras de captura, ligados a computadores equipados com softwares de tratamento de imagens, etc. A multiplicação do aumento da objetiva pela ocular será o aumento total do microscópio. A micrografia observada é obtida através da reflexão de um feixe de luz que incide sobre a amostra, a qual por possuir diferentes direções cristalográficas em cada grão os revela ao observador.

Preparação das amostras Para que uma análise metalográfica seja executada, é necessária uma correta preparação das amostras quanto a sua superfície e reagente de ataque.

Corpo de prova O primeiro o é a retirada da amostra do material a ser analisado. Essa separação deve ser por meios abrasivos, como discos de corte altamente refrigerados. O uso de operações mecânicas de usinagem e cisalhamento, por exemplo, pode impor severas alterações microestruturais na região a ser analisada devido ao trabalho mecânico a frio. Discos de corte abrasivos finos, além de eliminar o trabalho a frio, ainda deixam uma superfície plana com baixa rugosidade de forma rápida e segura.

Oculares

Caminho da Luz Analisador Espelho

Difusor Iluminador Polarisador

Diafragma Lentes Condensadoras Seção Polida Plana Giratória Graduada Controle de Foco

Figura 33 - Princípio de Funcionamento de um Microscópio

48


A refrigeração deve ser suficientemente alta a fim de evitar que a superfície cortada sofra alterações em sua microestrutura decorrentes de deformações por trabalho térmico. A determinação da seção de corte será de acordo com as informações que se deseja estudar. Pode ser longitudinal ou transversal. O corte transversal é utilizado para estudar a natureza do material, homogeneidade, segregações, profundidade de tratamentos térmicos, dentre outros. Já o corte longitudinal permite a avaliação de detalhes de solda, extensão de tratamentos térmicos, além da identificação de trabalhos mecânicos, aos quais a amostra foi submetida.

Embutimento Amostras com dimensões muito pequenas devem ser montadas sob um e que possibilite o seu manuseio, além de evitar acidentes e preservar a qualidade do corpo de prova. Esse processo conhecido como embutimento pode ser executado utilizando resinas plásticas a quente ou a frio. São empregadas as resinas de baquelite, epóxi, acrílico ou outra que mantenha a forma e a rigidez durante as etapas de lixamento e polimento. Equipamentos especiais, como as prensas para embutir, auxiliam nessa operação, garantindo a qualidade e a rapidez da fixação.

Lixamento A operação de lixamento visa eliminar as imperfeições mais profundas na amostra, que podem ser inerentes ao próprio corpo de prova ou decorrentes do corte das mesmas. Pode ser automático ou manual, a seco ou a úmido.

O lixamento é a etapa anterior ao polimento e, portanto, a sequência de lixas deve começar da mais grossa para a mais fina: 80, 120, 220, 320, 400, 600, 1200 e 1600. Quanto mais imperfeita for a superfície inicial, mais grossa será a lixa inicial. A numeração da lixa corresponde ao tamanho dos grãos abrasivos. Estes podem ser de óxido de alumínio ou carbeto de boro.

DICA A cada troca de lixa a amostra deve ser cuidadosamente lavada.

Limpeza Uma vez polido, o corpo de prova deve ser lavado, seco e acondicionado em local livre de umidade caso não seja atacado instantaneamente, a fim de evitar o surgimento de oxidação na sua superfície. Para a limpeza, pode-se utilizar água, álcool ou até mesmo éter, dando preferência a estes, devido ao seu baixo ponto de ebulição. A água deve ser evitada, e mesmo quando utilizada, deve ser enxaguada com álcool. A secagem deve ocorrer com um jato de ar quente, a fim de eliminar da superfície qualquer resíduo do solvente utilizado.

Durante o ataque, a superfície da amostra sofrerá transformações eletroquímicas decorrentes do processo de oxidorredução. Constituintes quimicamente mais pobres agirão como ânodos reagindo com os elementos mais nobres. As soluções de ataque podem ser aquosas ou alcoólicas de sais, bases ou ácidos, bem como vapores destes. O contraste final obtido será dependente do tempo e da temperatura do ataque. O ataque pode se dar por imersão da amostra na solução, gotejamento, lavagem ou esfregação. O tempo de ataque geralmente é de poucos segundos (1 a 15 s).

Ataque Polimento O objetivo do polimento é eliminar os riscos deixados na etapa de lixamento, como abrasivo aplicase pasta diamantada ou de alumina. O equipamento utilizado para o polimento é a politriz.

Figura 34 - Politriz Fonte: Teclago (2009)

Se uma amostra apenas preparada por lixamento e polimento foi analisada em um microscópio ótico, o que se verá é uma superfície uniforme, sem distinção das microestruturas. Isso acontece porque a luz que incide do microscópio encontra uma superfície plana e sem relevos. Existem muitos métodos de ataque da superfície, como eletrolítico, físico, térmico, etc. O comumente aplicado em análises metalográficas em nível industrial é o ataque químico, que será responsável por gerar o contraste necessário e assim possibilitar a visualização dos diferentes microconstituintes, fases, inclusões, poros, trincas, etc.

DICA Os reagentes utilizados para o ataque químico podem ser perigosos à saúde humana, portanto, sempre utilize os equipamentos de proteção individual (EPIs) como luvas, máscaras e óculos.

Neutralização Finalizado o ataque, o corpo de prova deve ser meticulosamente limpo com água destilada, álcool, cetona, ou outro solvente de baixo ponto de fusão, para que haja a neutralização do ataque, bem como a completa limpeza e retirada de possíveis resíduos da sua

MATERIAIS E ENSAIOS

49

superfície. Ao final a secagem ocorre com jato de ar quente. As amostras agora estão prontas para serem analisadas. Se essa verificação não for instantânea, é aconselhável que os corpos de prova sejam guardados dentro de um dissecador a vácuo a fim de evitar a oxidação da superfície preparada.

Análise Nesta etapa a amostra devidamente preparada é levada ao microscópio e antão analisada. Aloja-se a amostra sobre o e do microscópio e através da composição entre as lentes ocular e objetiva se define o aumento desejado na visualização e, por fim, basta apenas regular o foco do microscópio.

50


A imagem formada pode ser observada diretamente através da ocular do microscópio ou capturada e projetada em monitores, ou ainda transferida para softwares específicos de análise.

Exame microscópico A análise deve iniciar com a menor ampliação possível, a qual vai sendo aumentada gradativamente até se obter uma clareza adequada para a análise das micrografias, seus contornos de grão, inclusões, etc. Nesta etapa a experiência do operador será o diferencial entre uma análise correta e bem detalhada, de outra com baixo nível de qualidade.

SEÇÃO 4

Preparação dos reagentes A preparação das amostras é apenas uma das etapas da análise metalográfica, esta também exige a correta escolha dos reagentes de ataque. Ligas mais nobres, por exemplo, exigirão reagentes mais fortes, enquanto que aços ao carbono comum, reagentes mais fracos serão os indicados. A tabela a seguir apresenta alguns reagentes utilizados nessa análise, bem como sua composição e aplicação:

Tabela 6 - Reagentes para Ataques Químicos para Análise Metalográfica

Reagente

Composição

Aplicação

1 parte de água oxigeÁgua Reativos para contornos de grãos oxigenada/ nada a 3% do cobre amoníaco 1 parte de amoníaco Lixívia de solda

10g hidróxido de sódio 90 ml água destilada

Ácido fluorídrico

0.5 ml ácido fluorídrico 99.5 água destilada

Nital a 3%

Nital a 10%

97 ml álcool etílico 3 ml ácido nítrico concentrado 90 ml de álcool etílico 10 ml de ácido nítrico concentrado

8 ml ácido nítrico concentrado Água Régia 12 ml ácido clorídrico concentrado 1000 ml álcool etílico

Ligas de alumínio

Ligas de aço baixa e alta liga, estruturas martensíticas, algumas ligas de magnésio, ferro fundido Ataques profundos em ligas de aço para revelar microconstituintes especiais. Também aplicado para aços alta liga, cementadas, etc.

Relembrando Nesta unidade de ensino você estudou conceitos e termos essenciais à Unidade Curricular Materiais e Ensaios, como: microestrutura, microscopia, metalografia e reagentes. Aprendeu o procedimento para fazer a análise da microestrutura de uma liga metálica e os principais reagentes utilizados. A seguir você terá a oportunidade de conhecer os conceitos dos tratamentos térmicos e termoquímicos amplamente utilizados na indústria metal mecânica. Continue antenado!

Aços inoxidáveis, aços de alta liga

Reativo de Vilella

3 partes glicerina 1 parte de ácido nítrico concentrado 2 partes de ácido clorídrico concentrado

Aços ao manganês e aços-liga com alto teor de cromo

Picrato de sódio em meio alcalino (Picral)

25g hidróxido de sódio 75 ml água destilada 2g ácido pícrico

Revelação de cementita

MATERIAIS E ENSAIOS

51

Unidade de estudo 6 Seções de estudo Seção 1 – Introdução Seção 2 – Fatores de controle nos tratamentos térmicos Seção 3 – Diagrama transformaçãotempo-temperatura (TTT) Seção 4 – Tratamentos térmicos Seção 5 – Tratamentos termoquímicos

Tratamentos Térmicos/Termoquímicos SEÇÃO 1

Introdução Tratamento térmico pode ser resumido como sendo o conjunto de operações de aquecimento e resfriamento em condições controladas de tempo e temperatura, as propriedades mecânicas dos materiais metálicos serão alteradas sem que haja mudança em sua composição. Podem ser aplicados para endurecer, refinar a microestrutura, amolecer, tornar mais dúctil, aliviar tensões de trabalhos mecânicos, melhorar a usinabilidade, aumentar a resistência à corrosão, ou simplesmente para proteger o material. São divididos em dois grandes grupos: os térmicos e os termoquímicos. A escolha do tratamento térmico que será aplicado ao material deve ser muito criteriosa e detalhada, visto que de modo geral a melhoria de uma propriedade causa perda de outra. Como exemplo, o aumento de dureza diminui a ductibilidade do material, tornando-o mais frágil.

SEÇÃO 2

Fatores de controle nos tratamentos térmicos Para que um tratamento térmico atinja seu objetivo, é necessária uma escolha criteriosa de qual tra-

tamento será empregado na peça acabada, e ainda garantir que os fatores como aquecimento, tempo de permanência, resfriamento e atmosfera do forno sejam controlados.

carbonetos na estrutura austenítica, porém por outro lado haverá um crescimento dos grãos da austenita que poderão influenciar nas propriedades mecânicas finais pretendidas, como a dureza.

Aquecimento O ponto de partida para a maioria dos tratamentos térmicos que vise à transformação das fases é acima da temperatura crítica do material.

DICA No aço, a temperatura crítica é aquela a que todo o material estará completamente austenitizado, ou seja, todo o carboneto de ferro estará dissolvido no ferro Υ.

Produtos que possuem tensões residuais internas provenientes de trabalhos mecânicos prévios devem ainda ter um controle mais apurado na velocidade de aquecimento a fim de se evitar empenamentos e até mesmo trincas. A temperatura final de aquecimento é praticamente fixa para cada liga metálica. Quanto maior for o seu aquecimento além dessa temperatura, maior será a garantia da completa dissolução dos

Tempo de permanência O tempo de permanência na temperatura crítica antes de iniciar o resfriamento tem influência semelhante ao da temperatura máxima de aquecimento. Quanto maior o tempo, maior a certeza da completa austenitização. De forma prática, geralmente se aplica a relação de 1h de permanência na temperatura para cada polegada de espessura do material a ser tratado. Tempos muito longos, além de também favorecerem o crescimento dos grãos, podem ainda gerar a oxidação ou descarbonetação do material.

Resfriamento Dentre todos os fatores de controle, certamente o resfriamento é o mais importante, pois é o meio e a velocidade de resfriamento que irão determinar a estrutura final a ser obtida. Os meios de

MATERIAIS E ENSAIOS

53

Severa: Drástica.

54


resfriamento podem ser ao forno, ao ar ou em soluções líquidas. E a velocidade lenta, moderada ou severa. O resfriamento no interior do próprio forno é o meio mais lento, e será responsável pela formação de uma estrutura mais grosseira e muito mais dúctil, contudo, para algumas ligas ferrosas poderá haver uma oxidação superficial indesejada, visto que longos períodos de permanência a altas temperaturas favorecem essa formação. O meio de resfriamento moderado é em ar, o produto final após atingir sua temperatura crítica e nela permanecer pelo tempo necessário, é então retirado do forno e deixado resfriar no ambiente. Pode ainda haver o sopro de ar para que a velocidade de resfriamento seja um pouco mais rápida. Para aços ao carbono comuns, este meio favorece a diminuição de dureza e rigidez do aço, já para alguns aços ferramentas, especificamente da classe “A”, causa o endurecimento do mesmo. Isso é devido à composição de ambos. Água, óleo e banhos de sais (ou banho de metais fundidos), nessa ordem, com ou sem agitação, são os meio mais severos de resfriamento. A estrutura final apresentará maior dureza, rigidez e também fragilidade. São os responsáveis, ainda, por uma maior profundidade de têmpera se assim a composição do aço permitir. No caso dos aços, a estrutura formada geralmente será a bainita e/ou a martensita. Meios de resfriamento muito severos, por outro lado, poderão gerar grandes concentrações de tensões internas na peça final a ponto de formar trincas e empenamentos.

DICA Ao utilizar óleo como meio refrigerante, deve-se certificar de que a quantidade é suficiente a fim de evitar que sua temperatura se eleve muito, pois caso isso ocorra o mesmo poderá inflamar provocando sérios riscos à saúde do operador e ao patrimônio da empresa.

Atmosfera do forno O tratamento térmico de aços em fornos com atmosfera comum (sem controle) pode causar dois fenômenos indesejáveis, a formação de uma camada de óxido na superfície ou ainda a descarbonetação, que causa o amolecimento da superfície do material devido à retirada de carbono desta. A fim de evitar tais inconvenientes, pode-se utilizar uma atmosfera protetora no interior do forno. Essa é conseguida com o uso de um gás inerte que é inflado para o interior do forno, e assim ocupa o lugar que antes era do oxigênio (O). Os gases normalmente utilizados são o hidrogênio (H), o nitrogênio (N), o argônio (Ar) ou até mesmo o vácuo.

SEÇÃO 3

Diagrama transformação-tempo-temperatura (TTT) Conforme estudado na seção anterior, a velocidade de resfriamento é o fator-chave na transformação das fases. O aço austenitizado,

por exemplo, poderá se transformar em perlita grosseira, perlita fina, bainita e martensita, além de ferrita e cementida, de acordo com o percentual de carbono existente na liga. Cada um desses microconstituintes possui propriedades mecânicas diferenciadas, desde alta ductibilidade (ferrita), até a alta dureza (cementita). O controle dessas transformações se dá pela velocidade de resfriamento, como visto anteriormente. Os gradientes de resfriamento (velocidade) são determinados pelos diagramas transformaçãotempo-temperatura, ou simplesmente, diagramas TTT. Cada liga exibirá uma característica diferenciada. Estes diagramas permitem a identificação dos microconstituintes que serão formados em função do resfriamento. O eixo das abcissas (eixo x) indica o tempo em escala logarítmica, enquanto que o eixo das ordenadas (eixo y) representa a temperatura. A ilustração ao lado apresenta o diagrama TTT para o aço ao carbono comum eutetóide, com 0,76% de carbono. Observa-se neste que a temperatura crítica indicada pela linha tracejada superior está a 727°C, ou seja, onde toda a perlita será austenitizada. As linhas na cor azul que formam um “cotovelo” indicam o início e o final da transformação das fases, que podem ser em perlita ou bainita. Já a linha tracejada Ms é o ponto no qual ocorre o início da transformação da martensita, seguida pela M50 e M90 que são os percentuais de martensita conseguidos neste tipo de resfriamento.

Figura 35 - Possíveis transformações de fase da austenita em função do gradiente de resfriamento Fonte: Callister (2002, p. 220).

Figura 36 - Diagrama TTT para um aço Eutetóide (0,76%C) Fonte: MSPC Informações Técnicas (2009).

Já a ilustração a seguir também representa o diagrama TTT de um aço eutetóide, porém nela estão destacados o início e o final da transformação de fases em função do resfriamento que o aço for submetido. No ponto A, que se encontra acima de 727 °C, toda a estrutura do aço está austenitizada, submete-se o mesmo a um resfriamento até o ponto B, mantendo-o nessa temperatura a fim de proporcionar a transformação isotérmica das fases. No ponto C, aproximadamente 1 segundo após o início do resfriamento, a estrutura inicia sua transformação em perlita, a qual se completará no ponto D.

MATERIAIS E ENSAIOS

55

1s A

γ

γ

γ γ

1 dia

1h

1400

Temperatura Eutetóide

Austenita (Estável)

γ

727°C

700

Temperatura (°C)

1min

γ

α Ferrita

γ

Perlita Grosseira 1200

C B

D

Temperatura (°F)

Temperabilidade: capacidade de um material ser endurecido por meio do tratamento térmico de têmpera.

Fe3C

600 Perlita Fina

1000 Transformação Austenita -> Perlita

500

Demonstra a ocorrência da Transformação

800 102

10

1

103

104

5

10

Tempo (s)

Figura 37 - Diagrama TTT para aço Eutetóide (0,76%C), Transformação de ferro Υ para perlita. Fonte: Callister (2002, p. 207).

Nota-se a partir dos diagramas TTT que quanto mais para a esquerda o “cotovelo” estiver, maior será a severidade do meio refrigerante necessária para a obtenção de uma estrutura mais dura. Por outro lado, em alguns tipos de aços ferramenta o “cotovelo” se encontra muito afastado para a direita, de modo que até mesmo um resfriamento ao ar permite que a estrutura martensítica seja conseguida.

800 1400

Temperatura Eutetóide 700

1200 600

400 Taxa de 300 resfriamento crítico

800

600 Martensita (início) 400

200

100

1

200

Martensita + Perlita

Martensita

0 -1 10

Temperatura (°F)

C/s 35°

140°C/s

Temperatura (°C)

1000 500

10

102

Perlita

103

104

105

Tempo (s)

Figura 38 - Influência do Gradiente de Resfriamento na Formação da Estrutura Final em um Aço Eutetóide (0,76%C) Fonte: Callister (2002, p. 216).

É importante lembrar que a temperabilidade de um aço está intrinsecamente ligada à sua composição.

56


Tratamentos térmicos

Mi

cie

(recozimento total) Aquece-se o material acima de sua temperatura crítica e nela é mantido até a completa solubilização do carbono e outros elementos na estrutura austenítica. O resfriamento segue-se no interior do forno de forma lenta e controlada a fim de se obter constituintes de acordo com o diagrama de equilíbrio ferro-carbono.

per f í

▪▪ Recozimento pleno

▪▪ Recozimento para alívio de

e Su

O tratamento térmico de recozimento tem por objetivo melhorar as propriedades do aço conferindo-lhe maior ductibilidade, menor dureza, maior facilidade de usinagem, etc. As estruturas conseguidas normalmente serão mais grosseiras, criadas durante o resfriamento lento, como a perlita grosseira. Os tipos de recozimento podem ser quatro. Acompanhe!

Transformação isotérmica: transformação que ocorre a uma temperatura constante.

Curva de Resfriamento

o ntr

Recozimento

A manutenção da temperatura do material para que ocorra a transformação isotérmica pode ser conseguida em banhos de sais ou de chumbo fundido.

Ae3

Ce

Os tratamentos térmicos envolvem o aquecimento do material acima de sua temperatura crítica e então um resfriamento controlado. Pode ter tanto propósito de endurecer o aço quanto torná-lo mais dúctil. Os fatores predominantes na etapa de resfriamento são o tempo e o meio refrigerante aplicado. Abaixo, são explicados os conceitos fundamentais de cada tratamento e seu objetivo.

Na ilustração a seguir é apresentado um diagrama TTT no qual a curva de resfriamento lento cruza o início e o final da região de formação de perlita grosseira, a estrutura final é obtida.

Temperatura

SEÇÃO 4

Mf PRODUTO: PERLITA (OU PERLITA E FERRITA OU PERLITA E CEMENTITA) Tempo, esc. log.

Figura 39 - Diagrama TTT para Recozimento Pleno Fonte: Chiaverini (2002, p. 90).

▪▪ Recozimento isotérmico

(cíclico) Assim como no recozimento pleno, o aço é aquecido acima de sua temperatura crítica e nela mantido pelo tempo necessário para sua completa austenitização. O resfriamento do recozimento isotérmico, contudo, diferencia-se do resfriamento do recozimento pleno. O aço é rapidamente resfriado a uma temperatura abaixo de sua zona crítica e, então, mantido até que ocorra a completa transformação isotérmica dos constituintes. Em seguida poderá ser resfriado à temperatura ambiente. O resultado final, assim como no recozimento pleno, também será a formação de ferrita mais perlita ou perlita mais cementida, porém mais uniforme e refinada. O tempo ainda de recozimento poderá ser menor do que o anterior.

tensões (subcrítico) O aço é aquecido abaixo de sua temperatura crítica com o propósito de aliviar as tensões criadas durante a solidificação ou transformações mecânicas, como a estampagem.

▪▪ Esferoidização (coalescimento) A esferoidização objetiva melhorar principalmente a usinabilidade e trabalhabilidade dos aços por meio de um processo que produz uma forma globular (esferoidal) de carboneto. Aplicado a aços de médio ou alto teor de carbono (C). Em aços de baixo teor de carbono (C) o material esferoidizado será muito mole e viscoso. Consiste no aquecimento do material a uma temperatura ligeiramente inferior à zona crítica e nela ser mantido por um longo período, e então submetê-lo a um esfriamento lento e controlado.

MATERIAIS E ENSAIOS

57


1000

1800

Ae3 Centro

800

1600 Recozimento Pleno 1500

A3

1400 1300

A1

700

Esferoidização

1200 600

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

Figura 40 - Diagrama de Fases de um Aço Comum na Região Eutetóide, indicando as Temperaturas de alguns Tratamentos Térmicos Fonte: Callister (2002, p. 228).

Neste processo o material é aquecido acima de sua temperatura crítica e então resfriado lentamente ao ar. Como resultado final, haverá uma grande recristalização dos grãos deixando o material mais dúctil e com menor dureza. Processo aplicado em materiais que irão sofrer conformação plástica moderada ou profunda. A estrutura final obtida se diferencia da conseguida pelo recozimento pleno em função de ser mais refinada. É aplicada a peças laminadas ou forjadas, como tratamento preliminar à têmpera, etc.


erfíc Su p

tro Ce n

Temperatura

Ae3

ie

Mi Mf PRODUTO: PERLITA (OU PERLITA E FERRITA OU PERLITA E CEMENTITA) Tempo, esc. log.

Figura 41 - Curvas de Resfriamento para Normalização Fonte: Chiaverini (2002, p. 97).

58


REVENIDO À DUREZA DESEJADA

Mi Mf Transformação

PRODUTO: MARTENSITA REVENIDA

Tempo, esc. log.

Figura 42 - Curvas de Resfriamento para Têmpera e Revenimento Fonte: Chiaverini (2002, p. 99).

1.6

Composição (%C)

Normalização

Temperatura

Normalização

Temperatura (°F)

Temperatura (°C)

Acm

Superfície

1700 900

Têmpera Da mesma forma que o recozimento ou a normalização, o aço é aquecido acima de sua zona crítica e mantido nela até a sua completa austenitização. O diferencial neste processo é a velocidade de resfriamento, que poderá ser de moderada a severa. O constituinte final obtido por têmpera é a martensita, e como já visto em seções anteriores, conferirá dureza e rigidez ao aço. O meio refrigerante pode ser: água, óleo ou banhos de sais ou metais fundidos e o gradiente de resfriamento será o responsável pela estrutura final formada e, consequentemente, sua dureza obtida. Materiais temperados exibem alta dureza e baixa ductibilidade. O meio e o gradiente devem ser selecionados de acordo com o aço, a forma e as dimensões do produto a ser temperado.

Em peças temperadas, além da dureza superficial final obtida, ainda é controlada a profundidade da endurecibilidade. Esta, por sua vez, é uma consequência do teor de carbono (C) e/ou outros elementos de liga, da espessura da peça e do gradiente de resfriamento. Como consequência da têmpera, tensões internas inevitáveis serão formadas no interior das peças temperadas, as quais poderão provocar desde empenamentos até trincas. Com o propósito de se atenuar esse inconveniente, aplica-se um novo tratamento térmico que é o revenimento.

Revenimento O propósito do revenimento é aliviar as tensões internas geradas durante a têmpera e acertar a dureza final pretendida, diminuindo assim sua fragilidade e aumentando sua tenacidade. O processo é baseado no reaquecimento do aço a uma temperatura significativamente inferior à sua zona crítica e nesta mantê-lo por determinado período. No reaquecimento o carbono (C) retido nos retículos cristalinos da estrutura TCC recebe energia suficiente para se difundir e formar o Fe3C novamente.

A martêmpera é muito semelhante à têmpera, diferenciando-se na forma do resfriamento final da peça. A estrutura formada será martensita uniforme. Obtêm-se, ainda, um controle dimensional melhor e menores geração de tensões internas. A peça a ser temperada é aquecida acima de sua temperatura crítica e nesta mantida pelo tempo necessário para sua completa austenitização. Em seguida, é rapidamente resfriada, normalmente em banho de óleo ou sais, até uma temperatura ligeiramente superior ao início da formação da martensi-

700

60

315°C (600

600

425°C (800

500

°F)

55 50

°F)

45

535°C 40

Dureza Brinell

°F)

400

(1000

°F)

35 300 30 1 10

2

3

10

5

4

10 Tempo (s)

10

10

Figura 43 - Dureza Final em Função do Tempo e da Temperatura de Revenimento Fonte: Callister (2002, p. 220).

°C A austenita a rlit

pe

a+ nit

perlita

te us

a

au

ste n

centro

ita

+b

ain

ita

bainita

M1 transformação

Mr tempo (escala log)

Figura 44 - Curva de Resfriamento para Austêmpera Fonte: MSPC Informações Técnicas (2009).

°C A austenita

ita

erl

p a+ nit

perlita

e ust

a

au

ste n

centro

Martêmpera

1 dia

205°C (400

superfície

O tratamento térmico por austêmpera, assim como o recozimento, a normalização e a têmpera, necessita que toda a estrutura seja austenitizada. Em seguida, rapidamente a peça é resfriada até uma temperatura acima do início da transformação da martensita e nesta mantida até que toda reação isotérmica ocorra. O constituinte formado é a bainita. O diferencial da austêmpera em relação à têmpera é que praticamente não necessita de um póstratamento de alívio de tensões, uma vez que a completa reação de austenita em bainita gera muito menos concentrações de tensões internas, além de minimizar consideravelmente a formação de trincas no material.

1h

65

superfície

Austêmpera

1min

70

Dureza Rockwell HRC

Como mencionado, além de aliviar as tensões criadas durante a têmpera, também proporcionará a diminuição da dureza final. Quanto maior for o tempo e a temperatura de revenimento, menor será a dureza, como você pode observar:

ita

bainita

+b

revenido para a dureza desejada

ain

ita

bainita

M1 transformação

Mr tempo (escala log)

Figura 45 - Curva de Resfriamento para Martêmpera Fonte: MSPC Informações Técnicas (2009). MATERIAIS E ENSAIOS

59

ta e nesta mantida até que toda a temperatura seja equalizada ao longo de toda a seção. Por fim, o final do resfriamento se dá em um meio moderado. Diferentemente da austêmpera, a martêmpera requer o processo de revenimento posterior.

Patenteamento O patenteamento é aplicado geralmente a arames e barras. Neste processo o material também é austenitizado por completo e então submetido a um resfriamento contínuo, geralmente em banho de chumbo fundido, e mantido em uma temperatura aproximada de 510 a 540°C por alguns segundos, formando uma estrutura perlítica refinada. A diferença deste processo em relação à austêmpera é que enquanto a austêmpera busca um resfriamento rápido para não interceptar o “cotovelo” dos diagramas TTT, o patenteamento tem um resfriamento suficientemente lento para interceptá-lo.

Têmpera subzero Resfriamento de um aço a uma temperatura abaixo de zero durante o tratamento térmico a fim de transformar a austenita retida em martensita.

60


Endurecimento por precipitação (envelhecimento) Este tipo de tratamento térmico é largamente aplicado a ligas de metais não ferrosos, como o cobre (Cu) e o alumínio (Al), além de algumas poucas ligas de aços. Em algumas ligas de não ferrosos o endurecimento por envelhecimento pode ocorrer de forma natural à temperatura ambiente. O material é mantido a uma temperatura relativamente baixa por um longo período, o que ocasionará a precipitação de componentes ou fases da liga na forma de carbonetos e nitretos, por exemplo.

Têmpera superficial Em muitos casos pode ser interessante obter uma alta dureza somente na superfície do material, mantendo o seu núcleo com alta ductibilidade e tenacidade. Algumas aplicações se fazem necessárias a essas propriedades, por exemplo, alguns tipos de eixos. Este tipo de têmpera permite, ainda, uma melhor precisão dimensional de peças planas, menores riscos de aparecimento de fissuras, possibilidade de endurecer somente uma área específica, dentre outras vantagens. O tempo de aquecimento é muito curto, geralmente poucos segundos, o que produz uma nítida superfície entre a região endurecida e o restante da seção.

▪▪ Têmpera por chama A superfície da peça é aquecida por uma chama de oxiacetileno até a temperatura de austenitização do aço e então resfriada rapidamente por meio de um jato de água. Consegue-se assim a formação de uma estrutura martensítica somente na superfície do produto, mantendo seu núcleo com as propriedades mecânicas originais. ▪▪ Têmpera por indução O processo de endurecimento superficial por têmpera por indução é muito semelhante ao por têmpera por chama. A diferença principal está na forma de aquecimento da peça que se dá por indução eletromagnética, gerando um campo eletromagnético que induz um potencial elétrico na própria peça. ▪▪ Têmpera por laser Um feixe de laser é dirigido sobre a superfície da peça e assim consegue seu aquecimento localizado. O resfriamento ocorre através da própria condutibilidade térmica do material, o qual retira rapidamente esse calor.

DICA Aços submetidos a um tratamento de têmpera superficial também requerem um revenimento posterior.

▪▪ Encruamento é o endurecimento causado pela deformação a frio do material na sua zona plástica. Quanto maior for o encruamento, maior será a resistência que o material irá exibir. Forjamento, laminação a frio e trefilação são alguns dos processos de fabricação que melhoram as propriedades mecânicas do material pelo encruamento. O encruamento é decorrente da interação das discordâncias com barreiras que limitam sua movimentação, como contornos de grão.

Maleabilização Tratamento térmico aplicado a ferros fundidos com o propósito de precipitar o carbono (C) retido na forma de carboneto em grafita. Como resultado, consegue-se um ferro fundido com maior maleabilidade e menor fragilidade.

SEÇÃO 5

Tratamentos termoquímicos Os tratamentos termoquímicos são utilizados com o propósito de modificar a composição química de uma fina camada superficial dos aços e assim conseguir maior dureza superficial, menor abrasividade, menor atrito, maior polibilidade, dentre outras propriedades, porém sem perder as suas propriedades mecânicas originais como ductibilidade, tenacidade, resistência à fadiga, etc. São executados por meio da aplicação de calor em um meio apropriado.

Boretação Neste tratamento termoquímico é promovido o enriquecimento superficial com boro (B). Promove alta resistência à abrasão superficial.

Carbonitretação Tanto o carbono (C) quanto o nitrogênio (N) enriquecem simultaneamente a superfície dos aços. Consegue-se alta resistência superficial.

Cementação

Relembrando Nesta unidade de ensino você aprendeu as características dos principais tratamentos térmicos e termoquímicos aplicados aos aços. Conheceu os meios aplicados para os resfriamento e ficou sabendo dos principais parâmetros que devem ser controlados durante um tratamento térmico. Na próxima unidade de estudo, descreveremos os ensaios necessários para o controle das propriedades mecânicas. Continue conosco!

A camada superficial da peça é enriquecida com carbono (C). O procedimento exige que a peça seja aquecida e, então, resfriada em um meio carburante. A profundidade de cementação é dependente da temperatura de cementação. Ao final essas peças são submetidas à têmpera. Promove-se alta dureza superficial sem a perda da resistência à fadiga, tenacidade e ductibilidade do núcleo.

Nitretação Promove-se o enriquecimento superficial com nitrogênio (N), que reagirá com o aço e seus elementos de liga formando nitretos complexos. É aplicado a produtos que requeiram alta resistência ao atrito.

MATERIAIS E ENSAIOS

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Unidade de estudo 7 Seções de estudo Seção 1 – Introdução Seção 2 – Ensaios de oficina Seção 3 – Ensaios não destrutivos Seção 4 – Ensaios destrutivos

Ensaios SEÇÃO 1

Introdução Durante muitos séculos a única forma de avaliar um produto era visualmente ou submetendo-o ao próprio uso, o resultado final nem sempre era positivo uma vez que o produto poderia quebrar já na primeira solicitação. Além de segregar o material e deixar o cliente frustrado, ainda poderia causar graves acidentes. Imagine a bitola de um cabo de aço sendo determinada pelo próprio uso, por exemplo, em um elevador cheio de pessoas. Com o desenvolvimento das ciências e da indústria, ao longo das últimas décadas muitos métodos foram desenvolvidos com o propósito de gerar informações confiáveis sobre os materiais ensaiados e prever qual será sua resposta quando aplicados em nível industrial ou doméstico, ou ainda avaliar a própria peça acabada quanto à sua integridade física. A avaliação do produto final ou a ser obrigatório para determinar se atende às rigorosas normas técnica de segurança, por exemplo, na indústria automobilística e de aviação, bem como também os materiais que o compõem. Evitando dessa forma custos com retrabalho e até mesmo sucateamento de peças acabadas com defeitos decorrentes do uso de um material defeituoso. Mas, afinal, o que é “ensaio de materiais”?

Ensaiar significa aplicar um material ou dispositivo a testes metodológicos determinados em normas ou convenções e por fim comparar os resultados obtidos com valores tabelados ou desejados.

Esses ensaios podem ser realizados no próprio ambiente de trabalho ou em laboratórios equipados para tal, na própria peça ou em corpos de prova. Os ensaios não destrutivos realizados na própria peça não deixam marcas no produto, já os ensaios destrutivos realizados em corpos de prova normalmente danificam os mesmos, destruindo-os ou pelo menos gerando deformações consideráveis. O primeiro ensaio desenvolvido foi o visual, no qual o inspetor verificava a integridade do produto quanto a falhas, trincas e aparência. Este método, embora aplicado a quase totalidade dos produtos, não oferece garantias reais, pois avalia somente o que os olhos podem ver. Operadores mal treinados, cansados ou com deficiência visual como daltonismo, podem considerar defeitos como descontinuidades, ou vice-versa.

Norma técnica: é a expressão utilizada para designar procedimentos metodológicos padronizados que são seguidos em âmbito nacional ou mundial e oferecem as especificações de materiais, métodos de análise e ensaios, simbologias, unidades de medida, etc. No Brasil algumas das normas seguidas são as publicadas pela Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), American Society for Testing and Materials (ASTM), dentre muitas outras.

MATERIAIS E ENSAIOS

63

SEÇÃO 2

Ensaios de oficina Os ensaios de oficina têm por objetivo a determinação de algumas propriedades do material de forma qualitativa e instantânea. Podem ser úteis para classificar diversos materiais quanto às suas durezas e composições de carbono, bem como identificar materiais pelo som emitido e sua coloração. Por meio do ensaio de lima é possível determinar a dureza de um material em relação a outro, quanto mais mole for, mais fácil será o corte do cavaco.

Figura 47 - Ensaio por Centelha Fonte: Cozaciuc (1996, p. 12).

Com o ensaio de dobramento, pode-se testar a capacidade de deformação de um material, sua resiliência e resistência à fadiga. Já pela coloração, aparência da fratura, porosidade e acabamento superficial, pode-se identificar materiais como alumínio, cobre, ferro fundido, etc. Ainda, pode-se identificar o material de um dispositivo pelo som emitido. O som emitido pelo ferro fundido é mais baixo e abafado, enquanto do aço mais alto, já do bronze é estridente (sino). Figura 46 - Ensaio por Lima Fonte: Cozaciuc (1996, p. 12).de um veículo

Já pelo ensaio por centelha, determina-se qual material possui maior teor de carbono. Aços com alto teor de carbono produzirão centelhas mais finas e azuladas, enquanto que as centelhas de aços com menos carbono serão mais grossas e laranjadas.

É importante lembrar que nenhum desses ensaios determina com precisão o material, sua composição e suas características mecânicas, porém podem ser muito úteis para propósitos de simples identificação.

SEÇÃO 3

Ensaios não destrutivos Os ensaios não destrutivos podem ser aplicados diretamente na peça acabada sem que com isso comprometa sua integridade. Os resultados podem ser tão precisos quanto os métodos que forem aplicados.

Ensaio por líquido penetrante O ensaio por líquido penetrante é um dos ensaios mais antigos utilizados na determinação da existência de microfissuras na superfície da peça. Consiste na aplicação de um líquido que penetra nessas descontinuidades superficiais e posteriormente é revelado com o auxílio de outro líquido ou luz ultravioleta.

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Este método surgiu nas oficinas de trens e tinha como objetivo inicial a identificação de trincas em peças de vagões e locomotivas. Após a lavagem da peça com água fervente ou solução cáustica, ela era mergulhada em uma mistura de óleo com querosene por diversas horas. Em seguida, era retirada e seca. O estágio seguinte era pintá-las com giz mais álcool. Martelava-se então essas peças e se existissem trincas, o óleo que ali se alojou migrava para a superfície marcando a camada branca de giz. O método de óleo e giz apresentava muitos erros, pois não havia controle dos produtos utilizados (óleo, giz, querosene e álcool), suas proporções, tempos e quantidade envolvidas. Somente algumas décadas depois da sua invenção foi aprimorado com o desenvolvimento de líquidos penetrantes e reveladores padrões e confiáveis. Esta técnica pode ser aplicada em uma gama grande de materiais, como os metais ferrosos e não ferrosos, além de alguns polímeros e cerâmicas não porosas e pode identificar descontinuidades na ordem de até 0,001 mm de largura (não visível a olho nu). Como limitação, destaca-se com um ensaio capaz de revelar somente descontinuidades superficiais, não aplicável a peças muito porosas ou absorventes, e ainda para produtos que requeiram completa assepsia antes do seu uso, como peças para a indústria alimentícia. A técnica consiste em limpeza da peça e aplicação do líquido penetrante. Remove-se o excesso da superfície e em seguida é aplicado o revelador para identificação das trincas superficiais, em soldas, etc.

Figura 48 - Ensaio por Líquido Penetrante: (A) Aplicação do Líquido Penetrante, (B) Limpeza, (C) Aplicação do Revelador e (D) Revelação das Trincas Fonte: Andreucci (2008, p. 5).

Ensaio por partícula magnética Descontinuidades superficiais e subsuperficiais em materiais ferromagnéticos podem ser reveladas em ensaio por partículas magnéticas. É um ensaio rápido e relativamente barato que pode ser aplicado tanto em peças semiacabadas quando prontas. Consiste em magnetizar a região que se deseja avaliar e sobre o campo magnético formado aplicar partículas ferromagnéticas. As falhas no material gerarão um campo de fuga do fluxo eletromagnético e em consequência irá ocorrer uma sobreposição dessas partículas nessa região. Após a inspeção a peça é desmagnetizada e feita a limpeza final. É bom esclarecer que as partículas utilizadas não são imãs, e sim somente ferromagnéticas, ou seja, podem ser atraídas por imãs ou campos eletromagnéticos artificiais. Embora simples, este ensaio pode ser aplicado somente a materiais magnetizáveis, como o aço e ligas ferrosas.

Figura 49 - Campo de Fuga Eletromagnética Fonte: Cozaciuc (1996, p. 147).

MATERIAIS E ENSAIOS

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SEÇÃO 4

Ensaio por ultrassom As ondas sonoras se propagam com diferentes velocidades em cada meio material. No ar, por exemplo, o som se propaga a 340 m/s enquanto que no aço pode chegar a 5.900 m/s. Utilizando esse princípio, o ensaio por ultrassom é capaz de identificar a existência de descontinuidades no interior da peça e indicar sua posição exata.

Ensaios destrutivos Os ensaios destrutivos podem deixar desde pequenas marcas até ocasionar a destruição total do produto ou corpo de prova ensaiado. São aplicados segundo metodologia normatizada a fim de serem reproduzidos ou terem seus resultados comparados com valores tabelados. A seguir serão apresentados os principais ensaios destrutivos utilizados na mecânica.

Ensaio de tração

Figura 50 - Ensaio por Ultrassom Fonte: Cozaciuc (1996, p. 161).

Ensaio por radiologia industrial O princípio radiológico aplicado para identificação de descontinuidades em materiais é o mesmo utilizado na medicina. Um feixe radiológico é direcionado para o material a ser analisado, produzindo uma imagem interna do material. A imagem pode ser detectada em um filme especial ou diretamente sobre tubos de imagem acoplados a monitores ou computadores. A formação da imagem é devido à alta sensibilidade de absorção da radiação pelo material em função de diferentes densidades, variações de espessura e composição do material. Em resumo, a radiologia industrial permite fazer uma fotografia interna da peça revelando os defeitos volumétricos existentes, como inclusões e vazios. Material a ser inspecionado

Filme

Fonte

radiação

Descontinuidade

Figura 51 - Princípio de Radiologia Fonte: Andreucci (2008, p. 7).

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O ensaio de tração pode ser considerado o mais importante entre os destrutivos, visto sua facilidade e rapidez de execução, reprodutividade dos resultados, aliado, ainda, a um baixo custo de execução. Este ensaio consiste em aplicar uma força longitudinal uniaxial a um corpo de prova, distribuída uniformemente ao logo deste, promovendo sua deformação uniforme até que o limite máximo de resistência à tração no ponto de escoamento seja atingido.

Corpo de prova: elemento construído segundo dimensões e métodos de fabricação determinados em norma, possibilitando a comparação dos resultados, valores típicos da literatura. Uma das normas que especifica as dimensões desses corpos de prova é a ASTM E-8.

O procedimento consiste em fixar o corpo de prova em um equipamento conhecido como máquina universal de tração. Esta máquina aplica um esforço uniaxial de tração sobre o material ensaiado em uma velocidade controlada e muito lenta. A máquina de tração possui dois cabeçotes acoplados, um fixo e outro que se locomove a uma velocidade constante e controlada (causará a deformação do corpo de prova). O acionamento pode se dar por fuso ou de forma hidráulica. A velocidade e a temperatura do ensaio são fatores que afetam consideravelmente os resultados. Durante todo o ensaio, sistemas de medida registram a deformação que o material sofre em função da carga aplicada naquele exato instante. Tais aparelhos são dinamômetros e extensômetros. Com essas informações é possível construir o diagrama de tensão x deformação, com o qual o técnico responsável pelo ensaio poderá determinar a máxima deformação plástica do material e sua tensão correspondente, pontos de escoamento, módulo de rigidez, máxima deformação e tensão ada pelo material no ponto de ruptura, dentre outras informações de igual relevância. Antes de continuar a estudar o ensaio de tração e as propriedades mecânicas possíveis de serem obtidas, é importante rever alguns conceitos.

cabeçote móvel

unidades de controle

garras de fixação do corpo de prova

corpo de prova

base fixa

registrador gráfico

Figura 52 - Máquina Universal De Tração Fonte: Cozaciuc (1996, p. 32).

▪▪ Tensão Tensão (s) é a resistência interna de um corpo em relação a uma força externa (F) aplicada sobre uma seção transversal de área (So ): σ=F S0

▪▪ Deformação Deformação ou alongamento (e) de um corpo de prova é a variação em uma de suas dimensões, como por exemplo o comprimento antes (Lo) e depois do esforço (Lf). A deformação será somente elástica ou também plástica de acordo com a força aplicada no corpo.

Lo

corpo de prova antes do ensaio de tração

Lf corpo de prova depois do ensaio de tração

Figura 53 - Corpo de Prova Antes e Depois do Ensaio de Tração Fonte: Cozaciuc (1996, p. 19).

MATERIAIS E ENSAIOS

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ε = Lf - Lo * 100 L0

DICA Verifique na prática os conceitos de resistência à tração e deformação fazendo o seguinte experimento: pegue duas linhas de pesca, uma mais fina e outra mais grossa. Amarre uma extremidade de cada em um e alto e na outra ponta pendure dois pesos iguais, um em cada linha. Veja qual resiste mais e qual apresenta maior deformação. Após retirar a carga, ambas retornarão ao tamanho original? Verifique se houve somente deformação elástica ou também ocorreu a deformação plástica.

▪▪ Diagrama tensão x defor-

mação O diagrama tensão x deformação é o resultado obtido no ensaio clássico de tração, a partir do qual é possível identificar informações como:

Limite de proporcionalidade/ Módulo de elasticidade: num primeiro momento o diagrama exibe uma característica linear, que correspondente à região de deformação plástica sofrida pelo corpo de prova. Essa relação pode ser representada pela equação conhecida como lei de Hooke, a qual fornece a constante de proporcionalidade do material (E), também designada como módulo de elasticidade ou módulo de Young.

σ = E.ε ou E = σ ε

Quanto mais rígido for o material, maior será o seu módulo de elasticidade e, por conseguinte, menor será sua deformação para uma dada tensão aplicada. É como um elástico mais duro, necessita-se aplicar mais força para deformálo na mesma razão do que um elástico mais mole. As forças entre as ligações entre os átomos de um metal são as responsáveis pelo módulo de elasticidade, e como essas são constantes, deste modo, o módulo de elasticidade é uma das proprieda-

Figura 54 - Diagrama Tensão Deformação Clássico Fonte: Cozaciuc (1996, p. 28).

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des mais constantes dos metais. Porém, são afetadas pela temperatura, adição de elementos de liga e processamentos térmicos. O ponto (A) do diagrama indica a máxima tensão que o material a sem sofrer deformações permanentes, ou seja, uma vez cessado o esforço aplicado sobre o material, o corpo retornará para seu tamanho inicial. A partir desse ponto inicia o escoamento do material, o que caracteriza o começo da deformação permanente.

DICA Lembre-se, a tensão (σ) é uma relação entre a força (F) aplicada sobre uma área de seção transversal (S0): σ=F/S0, ou seja, quanto maior a área do produto, maior será a força que ele ará, pois rearranjando a equação teremos: F=σ.S0. O material se comportará como uma mola dentro da sua região de proporcionalidade.

Tabela 7 - Módulo de Elasticidade de Alguns Materiais Metálicos À Temperatura Ambiente

Metal

Módulo de elasticidade (N/mm2)

Metal

Módulo de elasticidade (N/mm2)

Tungstênio (W)

343

Ouro (Au)

77

Ferro (Fe)

205

Alumínio (Al)

68

Cobre (Cu)

116

Chumbo (Pb)

17

Estricção: é a redução da área da seção transversal do corpo de prova na região que irá ocorrer a ruptura. Quanto mais dúctil for o material, maior será a redução de sua área. Materiais muito rígidos e frágeis exibirão pouca ou nenhuma estricção antes da ruptura.

Fonte: Souza (1982, p. 18).

Limite de resistência: Após o escoamento, a estrutura cristalográfica do material começa a encruar, e volta a exibir uma curva ascendente de limite de resistência à tração. O ponto máximo dessa curva, o ponto (B), é a máxima resistência que o material ará. É um valor fácil de se obter e é utilizado para especificar materiais juntamente com outras propriedades mecânicas. Materiais frágeis que apresentam tensão de escoamento difícil de se determinar, como alguns ferros fundidos, tornam-se um critério válido para especificação desses materiais. Limite de ruptura: já o ponto (C) é limite de ruptura do material, no qual ocorre a fratura completa do corpo de prova. A tensão volta a cair a partir do ponto (B) até (C), pois haverá a estricção do material. E uma vez diminuindo a área, diminui a força que o mesmo ará.

Ensaio de compressão O ensaio de compressão consiste em comprimir um corpo de prova entre duas placas que se aproximam a uma velocidade constante, conforme definido em normas técnicas. O resultado final será um gráfico de tensão x deformação muito semelhante ao ensaio obtido no ensaio de tração. Embora forneça informações com as mesmas relevâncias encontradas na tração, este ensaio é pouco aplicado em metais, uma vez que o atrito entre as placas compressoras e o corpo de prova podem fornecer resultados com erros significativos. Ainda pode ocorrer a flambagem do corpo de prova durante o ensaio. Materiais frágeis como o concreto têm suas propriedades determinadas por meio deste ensaio, visto que por possuir microfissuras em sua composição, o ensaio de tração não se aplica a esse material, e também a sua aplicação será para ar esforços compressivos como em pilares e vigas.

MATERIAIS E ENSAIOS

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Figura 55 - Ensaio de Compressão Fonte: NDTE Resource Center (2009).

Materiais dúcteis, quando sob uma força compressiva, formarão um disco achatado. As informações da região elástica são as únicas que poderão ser consideradas. Já para materiais frágeis, avalia-se sua resistência à compressão.

Dureza Esta propriedade característica dos materiais que expressam resistência a deformações plásticas do sólido está diretamente ligada à força das ligações atômicas. Pode ser definida de forma simples como sendo a resistência ao risco ou à penetração de um material por outro. O termo dureza poderá apresentar significados de acordo com a área que estiver sendo aplicado. Na mecânica, considera-se a resistência à penetração de um material duro em outro, na usinagem como sendo a resistência ao corte do material, na metalurgia é a resistência ao desgaste após o material sofrer um tratamento térmico, já para a mineralogia, é definido como sendo a resistência ao risco que um mineral oferece ao ser riscado por outro.

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▪▪ Dureza Mohs A primeira escala de dureza criada foi a Mohs em 1812 pelo mineralogista alemão Friedrich Mohs. O teste se baseia no fato de que cada mineral possui uma dureza característica que é capaz de riscar ou ser riscado por outro mineral. É composta de uma escala de 1 a 10. A escala 1 é dada ao talco que é o mineral menos duro, 2 para gipsita (gesso), 3 - calcita, 4 - fluorita, 5 - apatita, 6 - feldspato, 7 quartzo, 8 - topázio, 9 - coríndon e safira, enquanto que a 10 é atribuída ao diamante que é o material natural mais duro da natureza. Ela não corresponde à dureza absoluta do material, uma vez que o diamante é cerca de 1.500 vezes mais duro do que o talco. Para metais essa escala não é convenientemente aplicada, pois os intervalos entre as graduações da escala são muito grandes. Um aço dúctil, por exemplo, pertence à mesma escala do que um aço temperado, a escala 6. ▪▪ Dureza Brinell

Este ensaio, criado pelo engenheiro sueco Johan August Brinell em 1900, ou a ser amplamente utilizado para definir a dureza de materiais metálicos, pois associa a carga aplicada à impressão deixada na peça. É representado pelas letras HB, uma abreviatura de Hardness Brinell “dureza Brinell’. Consiste em comprimir lentamente uma esfera de aço de diâmetro (D) sobre a superfície do metal aplicando uma carga (F). A impressão deixada após retirar essa carga será uma calota esférica de diâmetro (d). O valor da dureza é calculado conforme a seguinte equação:

HB =

2.F π.D(D-Ѵˉˉˉˉˉˉˉˉ D2-d2 )

O diâmetro da calota esférica impressa na superfície é medida por meio de micrômetro ótico ou lupa graduada. Se a medida não for precisa, poderá afetar o resultado da dureza. Alguns materiais que não possuem uma estrutura interna uniforme, como o ferro fundido cinzento, este é um método largamente utilizado, pois abrange uma área maior de contato durante o ensaio. Materiais muito elásticos também podem acusar uma dureza diferente da real, pois ao se retirar a carga aplicada, a impressão deixada poderá ser comprimida fazendo-a aparecer menor do que realmente é.

▪▪ Dureza Vickers Este método difundido a partir de 1925 leva o nome da Companhia Vickers-Armstrong Ltda que fabricou os equipamentos para medir este tipo de dureza. É simbolizado pelas letras HV de Hardness Vickers. O identador (penetrador) é uma pirâmide de base quadrada com ângulo de 136° entre as faces opostas e fabricada de diamante. Do mesmo modo que a dureza Brinell, este método determina a dureza do material em função da força (F) aplicada e da impressão deixada no material calculada através das diagonais (d), sendo muito conveniente para chapas finas e materiais de baixa dureza, já que é possível controlar a carga.

HV = 1,8544.F d2

Embora o ensaio seja demorado e exija uma preparação cuidadosa do material a ser ensaiado, tem como vantagens deixar impressões pequenas, apresentar grande precisão de medidas, além da escala contemplar as durezas dos mais diversos materiais.

▪▪ Dureza Rockwell É um dos métodos mais utilizados na indústria e laboratórios, pois fornece a leitura da dureza diretamente no próprio equipamento de ensaio, evitando dessa forma erros operacionais, além de ser extremamente rápido e barato. Sua indicação se dá pelas letras HR de Hardness Rockwell e foi introduzido no ano de 1922. Utiliza como identador esferas de aço de elevada dureza de diversos tamanhos ou cone de diamante com 120° de conicidade associado com diferentes cargas. Assim, a dureza Rockwell sempre virá acompanhada de mais uma letra que indica as condições do ensaio. O ensaio aplica a carga em duas etapas, na primeira fase uma précarga de 10 kgf (para ensaio Rockewell normal) ou de 3 kgf (para ensaio de dureza Rockwell superficial) garante um contato firme entre o identador e o material. Em seguida, a carga principal é aplicada por um período de até 10 segundos e então retirada. A profundidade de penetração indica a dureza do material pela leitura direta no próprio mostrador da máquina de ensaio.

Figura 56 - Procedimento de Ensaio Fonte: Cozaciuc (1996, p. 88).

Tabela 8 - Escala de Durezas Rockwell

Símbolo

Penetrador

Carga principal (kgf)

A

Cone de diamante

60

B

Esfera de 1/16”

100

C

Cone de diamante

150

D

Cone de diamante

100

E

Esfera de 1/8”

100

F

Esfera de 1/16”

60

G

Esfera de 1/16”

150

H

Esfera de 1/8”

60

K

Esfera de 1/8”

150

L

Esfera de ¼”

60

M

Esfera de ¼”

100

P

Esfera de ¼”

150

R

Esfera de ½”

60

S

Esfera de ½”

100

V

Esfera de ½”

150

Fonte: ASTM E 18-03 (2003).

MATERIAIS E ENSAIOS

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Tabela 9 - Escala de Durezas Rockwell Superficial

ASTM: Standard Test Methods for Indentation Hardness of Organic Coatings.

Símbolo

Penetrador

Carga principal (kgf)

15N

Cone de diamante

15

30N

Cone de diamante

30

45N

Cone de diamante

45

15T

Esfera de 1/16”

15

30T

Esfera de 1/16”

30

45T

Esfera de 1/16”

45

15W

Esfera de 1/8”

15

30W

Esfera de 1/8”

30

45W

Esfera de 1/8”

45

15X

Esfera de ¼”

15

30X

Esfera de ¼”

30

45X

Esfera de ¼”

45

15Y

Esfera de ½”

15

30Y

Esfera de ½”

30

45Y

Esfera de ½”

45

Fonte: ASTM E 18-03 (2003).

A leitura da dureza Rockwell se dá da seguinte maneira: uma dureza de 30 HRC equivale à dureza 30 na escala C que utiliza identador de diamante e carga principal de 150 kgf. Já a escala 35 HR15N indica uma dureza superficial de 35 na escala 15N, com cone de diamante com 15 kgf de carga principal.

▪▪ Dureza Knop A dureza Knop (HK) é utilizada para microdurezas, em que um identador piramidal de diamante é pressionado contra a superfície. Este método é normatizado pela ASTM D1474.

Figura 57 - Identadores para Ensaio de Dureza Fonte: Callister (2002, p. 95). 72


▪▪ Dureza Shore Este método foi desenvolvido pela empresa fabricante de instrumentos Albert F. Shore em 1920 e é largamente utilizado na média de dureza de polímeros, como borrachas e elastômeros. É normatizado pela ASTM D 2240 (Standard Test Method for Rubber Property – Durometer Hardnes). Uma vez que polímeros normalmente são muito elásticos e não mantêm a impressão do identador quando este é retirado, o método faz a leitura direta da dureza durante o ensaio na escala adequada ao teste. Normalmente, a escala mais utilizada em plásticos macios é a A enquanto que para plásticos rígidos é a D.

Ensaio de fadiga

Figura 58 - Tensão Cíclica Fonte: Souza (1982, p. 110).

A falha pode iniciar a partir de descontinuidades superficiais ou internas como trincas que se propagam aumentando seu tamanho devido ao esforço repetido aplicado ao material. Os ensaios de resistência à fadiga podem ser realizados de diversas maneiras, com destaque para os testes de torção, tração e compressão, flexão, dentre outros. Como resultado, obtém-se o máximo de ciclos médios que um material ou peça acabada podem ar para uma dada tensão aplicada. Repetindo-se esse ensaio com diferentes tensões, é possível construir um gráfico que representa o número de ciclos ados em função da tensão aplicada.

A fadiga é uma fratura abrupta do material sob uma carga inferior à máxima ada por este, quando submetido a esforços cíclicos que são tensões que se repetem continuamente, normalmente caracterizada por uma função senoidal.

Figura 59 - Curva Tensão X Número de Ciclos (Resistência À Fadiga) Fonte: Cozaciuc (1996, p. 112).

MATERIAIS E ENSAIOS

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A curva representa a máxima resistência do material. Em S1 irá resistir somente N1 ciclos, já em uma tensão menor S3, irá resistir N3 ciclos. Diminuindo ainda mais a tensão aplicada até o limite de fadiga, o material não irá mais se romper.

A escolha do tamanho do cutelo e a distância entre os apoios e o ângulo (a) vão indicar a severidade do ensaio. Quanto menores forem esses, mais severo será.

DICA É possível ver na prática a fadiga de um material. Dobre um clips diversas vezes e ele irá quebrar por fadiga.

A forma da peça final é determinante para a resistência à fadiga. Cantos vivos, mudanças bruscas de espessura e encontro de paredes são concentradores de tensões e por esse motivo podem servir como iniciadores de falhas por fadiga. Ainda o meio que o produto é aplicado, bem como seus tratamentos térmicos e acabamento superficial também afetam sua resistência.

Ensaio de dobramento e flexão O ensaio consiste em aplicar uma força de flexão por meio de um cutelo no centro de um corpo de prova de seção cilíndrica, retangular ou quadrada assentado sobre dois apoios a distância preestabelecida a fim de dobrá-lo. A carga aplicada normalmente não é mensurada, somente as características finais da dobra são avaliadas. A geração de trincas ou mesmo fissuras no material indica que ele não ou no teste. Desse modo, pode ser considerado um resultado qualitativo somente e não quantitativo, pois não associa um valor numérico para o resultado.

74


Figura 60 - Ensaio de Dobramento Fonte: Cozaciuc (1996, p. 58).

Da mesma forma que os ensaios apresentados anteriormente, a velocidade de dobramento e a temperatura do corpo de prova são variáveis que devem ser controladas e seguidas conforme normas, pois afetarão o resultado final. Por exemplo, temperaturas mais altas proporcionarão uma maior ductibilidade e, consequentemente, poderão mascarar os resultados desejados.

DICA Com o auxílio de dois alicates tente dobrar um arame galvanizado e avalie o resultado na região da dobra, em seguida, repita o mesmo procedimento com outro pedaço desse arame, mas agora aquecendo a região a ser dobrada. Compare os resultados dos dois ensaios. O material na região aquecida recristalizou tornando-se dúctil novamente.

Enquanto o ensaio de dobramento avalia as características plásticas do material, o ensaio de flexão se destina à região elástica, aplicado normalmente a materiais frágeis como ferro fundido, concreto, alguns aços, além de produtos que estarão sujeitos a grandes esforços de flexão como um trampolim de piscina ou uma varra de salto em altura. O procedimento de ensaio poderá variar entre o apoio em duas pontas ou somente em uma. Como resultado, é possível obter a tensão de flexão, flexa máxima e módulo de elasticidade (E) do material. Ainda, com o auxílio de equações inerentes à resistência dos materiais, é possível determinar o momento fletor, o momento de inércia da barra em função de sua geometria, dentre outras propriedades.

Ensaio de impacto Neste ensaio o corpo de prova é submetido a uma força brusca e repentina, o que irá quebrá-lo instantaneamente.

DICA Imagine um tijolo sendo colocado cuidadosamente sobre uma mesa de vidro. Agora imagine esse mesmo tijolo sendo largado de uma altura de dois metros sobre a mesa. O que acontecerá na primeira e na segunda situação?

Os materiais quando submetidos a esforços bruscos poderão apresentar tanto fraturas frágeis quanto dúcteis, dependendo da temperatura, entalhe no corpo de prova e força aplicada. Por esse motivo, materiais que estarão sujeitos a impactos bruscos em seu funcionamento devem apresentar uma boa característica de absorção de impactos e vibrações, além de uma alta tenacidade. Materiais frágeis não apresentam nenhuma ou pouca deformação antes de se romper. A fratura que apresenta um aspecto cristalino na região é definida como sendo a fratura frágil. Porém mesmo materiais dúcteis que apresentam aspecto fibroso na fratura podem se romper fragilmente quando em situação específica, como a baixas temperaturas ou altas velocidades de ensaio. O equipamento do teste é dotado de uma base para fixação e e do corpo de prova e um martelo que age como um pêndulo. As amostras preparadas são fixas na base da máquina e em seguida o pêndulo é liberado. Ele adquire velocidade, que associada com o seu peso se resume em energia. A energia potencial (Ep) é convertida em energia cinética (Ec). A diferença entre a energia potencial inicial (antes de o martelo ser solto) e a residual após causar a fratura na amostra corresponde à energia gasta para romper o corpo de prova. O mostrador irá indicar apenas a diferença de altura inicia e final.

Figura 61 - Equipamento para Ensaio de Impacto Fonte: Cozaciuc (1996, p. 117).

DICA Da física, energia potencial (Ep) é igual a massa (m) do corpo multiplicada pela aceleração da gravidade (g) e pela altura (h) Ep=m.g.h, e energia cinética (Ec) é igual a massa (m) multiplicada pela velocidade no instante de medida (v) ao quadrado dividido por dois Ec=(m.v2)/2.

MATERIAIS E ENSAIOS

75

Embora este ensaio seja amplamente utilizado nas indústrias para avaliar propriedades mecânicas de um material, ele fornece valores qualitativos que servirão para comparar dois materiais diferentes. Os valores, porém, não podem ser extrapolados para aplicações práticas, uma vez que nestas a geometria, a espessura, bem como as demais características do corpo serão completamente diferentes do corpo de prova ensaiado. Os corpos de prova utilizados nos ensaios são classificados em duas classes de acordo com o tipo de entalhe. Conforme ASTM E 23 podem ser do tipo Charpy e Izod.

▪▪ Ensaio de impacto Charpy Os corpos de prova do tipo Charpy são subdivididos em mais três tipos (A, B e C). Caso a queda do martelo não provoque a sua completa ruptura, o ensaio deverá ser repetido com outro que apresente um entalhe maior. A fixação na máquina de ensaio se dá pelas extremidades, e o entalhe está posicionado no centro, onde o martelo irá golpeá-lo pelo lado oposto deste.

▪▪ Ensaio de Impacto Izod

O corpo de prova do tipo Izod utiliza um entalhe igual ao do tipo A do Charpy. Porém é localizado em posição não centralizada uma vez que o seu apoio na máquina se dará pelo lado maior. O golpe é deferido na face do entalhe.

Figura 63 - Corpo de Prova Tipo Izod Fonte: ASTM E23-07ae1 (2007).

Figura 64 - Ensaios Charpy e Izod Fonte: ASTM E23-07ae1 (2007).

Ensaio de fluência

Figura 62 - Corpos de Prova do Tipo Charpy Fonte: ASTM E23-07ae1 (2007).

76


A deformação plástica observada em um material quando está sujeito a um esforço constante abaixo do seu limite de escoamento (dentro da zona elástica) por um longo período de tempo é definida como fluência. As movimentações das falhas internas da estrutura cristalina são as responsáveis pela deformação. Quando maior for a temperatura, mais afastados estarão os átomos e consequentemente maior será a facilidade de movimentação.

Diferentemente dos ensaios apresentados anteriormente que são executados em um curto espaço de tempo, este poderá levar centenas ou até milhares de horas de teste. Por esse motivo, não é geralmente utilizado nas indústrias para caracterizar materiais que necessitem ser enviados ao cliente no menor tempo possível, e sim utilizado normalmente em centros de pesquisa e desenvolvimento de materiais.

DICA Se você pendurar uma sacola plástica, dessas de mercado, com carga inferior à sua máxima resistência e deixá-la por certo tempo, verá que as alças esticaram e não mais retornarão ao seu tamanho original, mesmo que a carga seja retirada.

Ensaio de torção O ensaio de torção avalia as propriedades mecânicas de um material quando estiver sujeito a um esforço de torção, como por exemplo, um eixo de automóvel. Os procedimentos são relativamente simples, porém envolvem cálculos de resistência dos materiais de certa complexidade para chegar aos resultados. Os corpos de prova normalmente são de seções circular cheia ou vazada. Geralmente não seguem normas específicas uma vez que se procura utilizar a própria peça a fim de avaliar seu comportamento em situações próximas às reais.

A máquina de torção possui duas cabeças, uma giratória e outra ligada a um pêndulo que indica o valor do momento aplicado ao corpo de prova ensaiado. Da mesma forma que os outros ensaios, a fratura resultante poderá ser dúctil ou frágil, dependendo do material e das condições de ensaio. Como resultado, constrói-se um gráfico de tensão x deformação, a partir do qual podem ser avaliados o momento de torção, o módulo de elasticidade transversal, o limite de proporcionalidade, o limite de escoamento, bem como a ductibilidade e tenacidade do material.

Cisalhar: significa cortar.

Ensaio de cisalhamento Em aplicações mecânicas, a determinação da propriedade de resistência ao cisalhamento deve ser executada com muito cuidado, pois o corte pode ser tanto desejado quanto repugnado em algumas aplicações. A estamparia normalmente envolve o corte de chapas ou outros perfis metálicos a fim de dar forma aos produtos finais. Já em estruturas metálicas de uma cobertura, por exemplo, os parafusos também estarão sujeitos à força cisalhante e devem á-la, pois caso contrário esta se desmancharia. A resistência ao cisalhamento, que é a força resultante dos esforços cortantes, pode ser determinada por meio de ensaios nos próprios produtos acabados como, por exemplo, em pinos e parafusos.

MATERIAIS E ENSAIOS

77

A tensão cisalhante é dada pela seguinte equação:

TC = F S

Sendo que a força (F) exercida sobre uma área (S) resulta na tensão de cisalhamento (TC). Quando existir mais de um elemento de área (S), soma-se todas as áreas.

Figura 65 - Exemplo de Dispositivo para Determinação da Resistência ao Cisalhamento de Pinos Fonte: Cozaciuc (1996, p. 51).

DICA Você já deve ter reparado que armários e prateleiras são fixados nas paredes utilizando parafusos resistentes e mais grossos. O que aconteceria se eles fossem fixados com parafusos finos? Já pensou no estrago que causariam? Observe que os parafusos estão sofrendo uma força cisalhante.

78


Ensaio de embutimento Na estamparia, além do corte de chapas, também ocorre a conformação destas em produtos acabados como lataria de automóveis, fogões, lavadoras e as. Durante a estampagem o material é estirado (ocorre o afinamento da chapa) e estampado por um punção para dentro da matriz. A chapa deve exibir grande ductibilidade, pois caso contrário o material rasgaria durante esse processo. Este ensaio pode identificar pequenas heterogeneidades que os ensaios de tração e dobramento, por exemplo, não acusariam. Essas descontinuidades podem ser trincas, enrugamentos, textura rugosa, dentre outras. Materiais de lotes diferentes podem exibir características diferentes, mesmo sendo do mesmo fornecedor. O ensaio é realizado por meio de um equipamento no qual é fixada a chapa a ser estampada e, em seguida, por meio de um punção aplica-se a carga que irá abaular até rompê-la. É um ensaio qualitativo que reproduz de forma controlada as condições reais de conformação do produto. Dois tipos de procedimentos são os mais usados, o Erichsen e o Olsen.

▪▪ Ensaio Erichsen Um punção esférico de diâmetro de 20 mm irá estampar a chapa até rompê-la, momento que pode ser acompanhado a olho nu ou ainda pelo estalo característico da ruptura. A propriedade determinada é o índice Erichsen, ou seja, a profundidade de estampagem (h) do copo formado durante o ensaio. Pode ainda ser avaliada por meio de um dinamômetro com carga necessária para atingir a ruptura da chapa.

Figura 66 - Índice Erichsen Fonte: Cozaciuc (1996, p. 68).

A análise do copo formado indica como a chapa se comportará durante a estampagem dos produtos finais, tanto em relação à aparência final quanto à qualidade.

▪▪ Ensaio Olsen

O procedimento de ensaio é muito semelhante ao utilizado no ensaio Erichsen, porém neste caso a chapa é cortada em discos com 76 mm de diâmetro e o punção esférico tem diâmetro de 22,2 mm. Por meio de um dinamômetro é avaliada qual é a carga necessária para deformar uma chapa até a sua ruptura, e assim avaliar entre dois materiais qual necessita de menos energia para sua conformação.

Figura 67 - Ensaio de Embutimento Olsen Fonte: Cozaciuc (1996, p. 69).

Saiba mais http://www.youtube.com//LMDMCETEC http://www.infomet.com.br http://www.abal.org.br/ http://www.cimm.com.br http://www.cienciadosmateriais.org http://www.mspc.eng.br/ndx_ciemat0.shtml http://www.matter.org.uk/ (em inglês) http://www.steel.org (em inglês) Sites com informações com propriedades mecânicas de materiais: http://www.grantadesign.com (em inglês) http://www.matweb.com (em inglês)

Relembrando Nesta última unidade de estudos você aprendeu que existem muitos ensaios que são utilizados para o controle de propriedades das ligas metálicas e produtos acabados aplicados na indústria metal mecânica. Viu ainda que esses ensaios são classificados de acordo com a sua aplicação e marcas deixadas no produto ensaiado. Vale a pena conhecer mais sobre esse assunto, mesmo porque é importante SABER MAIS...

MATERIAIS E ENSAIOS

79

Finalizando Prezado aluno, ao cursar esta unidade curricular de Materiais e Ensaios você teve a oportunidade de conhecer a característica de diversos materiais, desde a sua estrutura química e ligações predominantes até os ensaios finais aplicados para o controle de certas propriedades. Na primeira unidade de estudo você reviu conceitos atômicos relacionando o tipo de ligação existente entre elementos químicos e as classes de materiais, além de aprender que os defeitos cristalinos existentes nas estruturas cristalográficas de metais podem ser favoráveis a obtenção de certas características. Em seguida foi lhe apresentado, na segunda unidade de estudo, as principais propriedades físicas, químicas e mecânicas dos materiais. A partir da terceira unidade, o estudo concentrou-se nas ligas metálicas. Nessa unidade, especificamente, você aprendeu sobre ligas metálicas ferrosas, seus microconstituintes e classificação destas em aço ao carbono comum, aços-liga, aços ferramenta, aços inoxidáveis e ferros fundidos. Na quarta unidade você conheceu as características dos metais não ferrosos mais utilizados na indústria metal mecânica, seja com o metal puro, liga ou elemento de liga para aços. A quinta unidade de estudo foi dedicada à descrição dos ensaios metalográficos, apresentando desde os procedimentos para preparação das amostras até os reagentes mais aplicados para o ataque químico de ligas ferrosas e de alguns metais não ferrosos. Já na sexta unidade de estudo você teve a oportunidade de conhecer os conceitos dos tratamentos térmicos e termoquímicos amplamente utilizados na indústria metal mecânica com o propósito de melhorar determinados aspectos do material. Por fim, a última unidade de estudo descreveu os ensaios necessários para o controle das propriedades mecânicas. Iniciou com ensaios simples de oficina, seguidos de ensaios mais complexos que não danificam a peça ensaiada (ensaios não destrutivos) e finalizou com o estudo dos ensaios destrutivos. Agora, ao concluir estes estudos, você está em condições de compreender que determinadas respostas de um material solicitado mecanicamente são, na verdade, consequências de sua estrutura cristalina, composição de liga e tratamentos térmicos aos quais foi submetido. Sendo assim, esta unidade curricular é imprescindível para a completa compreensão do curso que você está se dedicando. Portanto, se estiver com dúvidas sobre algum dos conceitos apresentados aqui, retome o estudo deste material. Bom estudo nas próximas unidades!

MATERIAIS E ENSAIOS

81

Referências ▪▪

ANDREUCCI, R. Ensaios por líquidos penetrantes. São Paulo: Associação Brasileira de Ensaios Não Destrutivos e Inspeção, 2008. Apostila para . Disponível em: . o em: 07 set. 2009.

▪▪

ASHBY, M. F.; JONES, D. R. H. Engineering materials 1: an introduction to properties, applications and design. Burlington, MA: Elsevier, 2005. 424 p.

▪▪

ASM INTERNACIONAL. Metallography and microstructures. Cleveland, 2004. v.9

▪▪

ASTM INTERNACIONAL. ASTM E 8 – 04: standard test methods for tension testing of metallic materials. West Conshohocken, 2008.

▪▪

______. ASTM E 18 – 03: standard test methods for rockwell hardness and rockwell superficial hardness of metallic materials. West Conshohocken, 2003.

▪▪

______. ASTM E23-07ae1: standard test methods for notched bar impact testing of metallic materials. West Conshohocken, 2007.

▪▪

CALLISTER, W. D. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 5. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2002. 589 p.

▪▪

CENTRO TECNOLÓGICO DE MINAS GERAIS (CETEC). LABORATÓRIO DE MATERIAL DIDÁTICO MULTIMÍDIA. Ciência dos materiais multimídia. Disponível em: . o em: 01 jul. 2009.

▪▪

CHIAVERINI, V. Aços e ferros fundidos: características gerais, tratamentos térmicos, principais tipos. 7. ed. São Paulo: ABMM, 2002. 599 p.

▪▪

CENTRO DE INFORMAÇÃO METAL MECÂNICA. Material didático: aços ferramenta. Disponível em: . o em: 01 jul. 2009.

▪▪

COZACIUC, I. Mecânica: ensaios de materiais. São Paulo: Globo, 1996. 208 p. (Telecurso 2000. Profissionalizante).

▪▪

INDUSTRY PLAYER. Business simulation game. 2009. Disponível em: . o em: 10 jul. 2009.

▪▪

MOCELLIN, F. et al. Study of the machinability of compacted graphite iron for drilling process. Rio de Janeiro, J. Braz. Soc. Mech. Sci. & Eng., v. 26, n. 1, jan./mar. 2004.

▪▪

MSPC Informações Técnicas. Ferros & aços. Disponível em: . o em: 01 jul. 2009.

▪▪

NDT Resource Center. Introduction to materials and processes. Disponível em: . o em: 01 jul. 2009.

MATERIAIS E ENSAIOS

83

84

▪▪

PADILHA, A. F. Técnicas de análise microestrutural. São Paulo: Hemus, 2004. 190 p.

▪▪

PANORAMIO. 2009. Disponível em: . o em: 05 jul. 2009.

▪▪

PORTAL da Usinagem. Disponível em: . o em: 01 jul. 2009.

▪▪

SOUZA, S. A. de. Ensaios mecânicos de materiais metálicos: fundamentos teóricos e práticos. 5. ed. São Paulo: Edgard Blücher, 1982. 286 p.

▪▪

STEEL Production (Processes & Products). HSC geography case study. Disponível em: . o em: 01 jul. 2009.

▪▪

TECLAGO. Disponível em: . o em: 01 jul. 2009.

▪▪

VAN VLACK, L. H. Princípios de ciência e tecnologia dos materiais. Rio de Janeiro: Campus, 1984. 567 p.


Anexo 1 Abreviaturas ▪▪

ABNT: Associação Brasileira de Normas Técnicas

▪▪

AISI: American Iron and Steel Institute (Instituto Americano de Ferro e Aço)

▪▪

ASM: American Society Metallurgy (Sociedade Americana de Metalurgia)

▪▪

ASTM: American Society for Testing and Materials (Sociedade Americana para Testes e Materiais)

▪▪

DIN: Deutsches Institut für Normung (Instituto Alemão para Normatização)

▪▪

ISO: International Organization for Standardization (Organização Internacional de Padronização)

▪▪

JIS: Japanese Industrial Standards (Normas Industriais Japonesas)

▪▪

SAE: Society of Automotive Engineers (Sociedade dos Engenheiros Automotivos)

▪▪

UNS: Unified Numbering System (Sistema de Numeração Unificada)

MATERIAIS E ENSAIOS

85

Anexo 2

Tabela 10 - Elementos Químicos: Símbolo, Densidade e Ponto de Fusão

Símbolo

Elemento

Densidade (g/cm3)

Ponto de fusão (°C)

Ag

Prata

10,49

962

Al

Alumínio

2,71

660,4

Ar

Argônio

-

-189,2

Au

Ouro

19,32

1.064

B

Boro

2,34

2.300

C

Carbono

2,25

Sublima a 3.367

Cr

Cromo

7,19

1.875

Cu

Cobre

8,94

1.085

Fe

Ferro

7,87

1.538

H

Hidrogênio

-

-259

Mg

Magnésio

1,74

649

Mn

Manganês

7,44

1.244

Mo

Molibdênio

10,22

2.617

N

Nitrogênio

-

-209,9

Nb

Nióbio

8,57

2.468

Ni

Níquel

8,90

1.455

O

Oxigênio

-

-218,4

P

Fósforo

1,82

44,1

Pb

Chumbo

11,35

327

Pt

Platina

21,45

1.772

S

Enxofre

2,07

113

Sb

Antimônio

6,69

631

Si

Silício

2,33

1.410

Sn

Estanho

7,17

232

Ta

Tântalo

16,650

3.107

Ti

Titânio

4,51

1.668

V

Vanádio

6,10

1.890

W

Tungstênio

19,30

3.410

Zn

Zinco

7,13

420

Fonte: Callister (2002).

MATERIAIS E ENSAIOS

87

Apostila Senai 1q715e

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