Tecnologia Dos Metais 6x173j

Traduzido do russo por Anat6li K u t c h h o v

Tndice

Prefdcio Ca~pitulo 1. Noq6es gerais sobre a eonstituip50, propriedades e t6cnieas de ensaio dos metais e suas figas

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Capitulo

2. N o p k gerais da teoria das ligas

8. 9. 10. 11. Capitulo

Metais ferrosos e nCo-ferrosos Estrutura cristalina dos metais e ligas NoqBes da cristalizaqCo dos metais e suas ligas Propriedades fisicas dos metais Propriedades quimicas dos metais Propriedades mechnicas dos metais Propriedades tecnol6gicas dos metais

TransformapBes de fases nas ligas NogCo de diagramas de estado das ligas TransformapBes estruturais nas ligas -ferro-carbono Diagrama de estado das ligas ferro-carbon0

3. Ligas ferro-carbon0 12. Noq6es gerais sobre o fabric0 da gusa. Processos tecnol6gicos e produtos obtidos nos altos fornos 13. Gusas. ComposipCo, propriedades, designaqCo e aplicap6es . das gusas 14. TBcnicas de obtenqCo de apos a partir da gusa. Fornos utilizados para a fundipso de apos. Processos de fundi~Co 15. Nop6es concisas acerca dos processes mais avanpados, utilizados na obtenpCo de apos de alta qualidade .16. ClassificapCo dos apos segundo a sua composiqCo quimica, qualidade e aplicap6es 17. Apos carbono. Suas propriedades, designaqgo e aplicaq6es 18. Aqos com liga. Propriedades, designaqgo, aplicaq6es -

Impresso na U.R.S.S. Calpitulo

@ M ~ J J ~ T ~ J I ~ c Tc~Ma~oc~poenkienen, Bo 1987 @ tradugzo para o portugu&s, Editora Mir, 1989

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4. Tratamento tkrmieo das ligas ferro-earbono 19. TransformapBes no apo durante o seu aquecimento e arrefecimento 20. Recozimento e normalizapCo do aqo carbono 21. T 6 m ~ e r ados acos 22. ~ e v i n i m e n t o6 tratamento termomeclnico dos aCos 23. Deficicncias do tratamento tBrmico, causas uue as or iginam e m6todos de as prevenir

24. Caracteristicas especificas do tratamento tQrmico dos acos com liga 25. Tratamento tQrmico da gusa cinzenta 26. Tratamento tQrmico da gusa branca. Obtenqho da gusa maleivel Capitulo 5. Endurecimento superficial do a90 27. T6mpera superficial do apo 28. Tratamento quimico-tbrmico 29. Endurecimento superficial das peqas de aqo por doformap50 plistica Capitulo

6. 0s metais nio-ferrosos

30. 0 cobre e suas ligas 31. Aluminio, magnQsio, titPnio e suas ligas 32. Materiais de anti-fricq5o. Metais e ligas de alto ponto de fusCo. Ligas resistentes ao calor com base no niquel e cobalto Capitulo

7. Ligas duras e materiais de cedmica mineral 33. 34. 35. 36. 37.

Capitulo

810 8:2

84 84 86

9. Moldagem

Capitulo 10. Trabalhos dos metais por compress50 46. 47. 48. 49. 50. 51.

Deforma~Loplistica e a sua influ6ncia na estrutura dos metais Aquecimento do metal antes do seu trabalho por compress50 Laminaqso Tiragem, forjadura, prensagem Estampagem Processes especiais de trabalho por compress50

Capitulo 11. Soldadura e corte dos metais com macarico 52. 53. 54. 55.

Ess6ncia da soldadura. suas a~licacBese tQcnicasde execuc5o ' Soldadura por fuslo e compiess56. Soldagem a frio Mecanizado e automatizado dos Processos da soldagem Corte tQrmico dos metais e-soldaduia indirecta

NoqBes fundamentais do trabalho por corte dos metais Classifica~goe designaqPo das mgquinas-ferramentas Trabalho mecdnico em tornos paralelos Trabalho nas miquinas do furar e brocar Fresagem Trabalho em plainas, escateladores e mandriladoras Esmerilagem e trabalho em miquinas de acabamento AutomatizacLo de miuuinas-ferramentas Robots e manobrad0l.e~

89 90

91 94 9!3 103 105 105 1Ofi

107 108

Plisticos Borrachas naturais e sintQticas Materiais abrasivos Vernizes, tintas e colas

42. NoqBes fundamentais da moldagem 43. Fornos e miquinas de moldagem 44. Peqas moldadas de gusa, aqos, ligas n5o-ferrosas. Defeitos de peqas moldadas 45. TQcnicas de moldagem especiais

Capitulo 12. Trabalho por corte dos ~netais 56. 57. 58. 59. 60. 61. 62. 63. 64.

83

8. Materiais niio-methlicos 38. 39. 40. 41.

Capitulo

ClassificaqLo das ligas duras Ligas duras fundidas NoqBes sumirias da metalurgia de p6 Ligas duras de cerdmica metilica Ligas duras de cerdmica mineral

I I

117 117 123 1251 124 133; 1331 134. 137 1391 142, 145 1468 146' 147 155 157

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~ a p i t u l o13. Processes electrofisicos e electroquimicos de trabalbo dos metais 65. Processos electrofisicos 66. Processos electroquimicos

Capitulo 1

1I

A tecnologia dos metais 6 uma ci2ncia que reline todos os conhecimentos modernos acerca das t6cnicas de obteng5o dos materiais metdlicos, dos m6todos de tratamento fisico-quimico utilizados para fabricar deles pepas, dispositivos e mdquinas de diversas finalidades. Um aspect0 muito importaiite dos metais e suas ligas consiste no facto de estes materiais, depois de modificadas propositadamente a sua composip50 quimica e estrutura interna, poderem ser utilizados para o fabrico de diversos materiais de constru~50com novas propriedades, tornando-se aplictiveis em todos os sectores da economia nacional. Embora cresga de ano para ano a utilizaq50 dos polimeros e outros materiais quimicos, os metais continuam a ser a base do progress0 t6cnico. Para um opertirio especializado no trabalho dos metais se qualificar, ele precisa de aprender os fundamentos tedricos da tecnologia dos metais e doutros materiais de constru$Bo. 0 dominio dos fundamentos da ci6ncia que estuda as propriedades, a estrutura e a aplica$50 industrial dos metais e suas ligas, as t6cnicas de obtenF50, tratamento e trabalho dos metais e dos materiais n5o-met6licos, permitird aos jovens operdrios e aos alunos dos centros de formaq'ao profissional tornarem-se opertirios altamente qualificados de empresas de construp50 de mtiquinas e tomarem parte no aperfei~oamentodos processos de fabrico, no aumento da eficticia da produq5o e da qualidade dos produtos obtidos. 0 s subcapitulos 1-32 do livro foram corrigidos e ampliados por R.V.Pugatchova.

No~aesgerais sobre a constitui~60,propriedades e t6cnicas de ensaio dos metais e suas ligas Quando se precisa de escolher metais apropriados para o fabrico d e pepas de mdquinas, 6 indispensdvel conhecer a sua composiq'ac?. quimica, constituig50, propriedades mecdnicas e fisico-quimicas. assim como ter em considera~50as condig6es em que vir5o a ser utilizados, o efeito das forgas e outros factores susceptiveis de alterar o rendimento e a seguranGa no trabalho das mtiquinas. I . Metds ferrosos e nZo-ferrosos

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Chamam-se metais as substdncias quimicas simples que se distinguem por um brilho vivo, elevada condutividade t6rmica e el6ctrica. opacidade, fusibilidade; alguns metais podem ser trabalhados pelos m6todos da forja e solda por martelagem. 0 s metais e suas ligas classificam-se em ferrosos e n5o-ferrosos. Aos metais ferrosos pertencem o ferro e suas ligas - a gusa e os agos, assim como as ligas com propriedades ferromagnkticas. Todos os outros metais s5o denominados ndio-ferrosos. A indlistria moderna assenta fundamentalmente no8 emprego dos metais ferrosos. Dentre os metais n50 ferrosos os de maior valor industrial s5o o cobre, o aluminio, o chumbo, o estanho, o niquel, o titdnio, etc. 0 s metais n'ao-ferrosos possuem uma s6rie. de propriedades fisico-quimicas muito valiosas que tornam indispenstivel o seu emprego na te'cnica. Por exemplo, o cobre e o aluminio. sendo metais com elevada condutividade te'rmica e el6ctrica1 t2m grande importdncia no sector electrot6cnico; o aluminio, devidon B sua baixa densidade, 6 muito utilizado na construg50 de aviSes; o ~estanho,por ser muito resistente B corros50, emprega-se no fabrico da chapa de lata e para estanhar caldeiras, assirn como, quando, misturado com o chumbo, 15 utilizado no fabrico de rolamentos. Hoje em dia s5o tamb6m utilizados os metais n5o-ferrosos raros: o gilio, o indio, o berilio, o c6ri0, o cbsio, o nidbio e outros que possuem elevadas propriedades fisico-quimicas e mechicas, tanto no estado metdlico puro como quando combinados com outros metais. 0 gdlio, cuja temperatura de fus5o 6 relativamente baixa (29,8" C), ferve a 2230" C, sendo muito utilizado no fabrico de termdmetros para a medip50 de elevadas temperaturas. 0 indio possui

grande poder reflector, difundindo uniformemente a luz reflectida., razCo por que se emprega para a o b t e n ~ l ode espelhos para holofotesi. Uma camada fina de indio protege os pira-brisas de autom6veis contra a congelap'ao. 0 berilio Q o mais resistente dentre os metais leves. A sua densidade 6 de .1,84 g/cm3, sendo 1,5 vezes mais leve do q u e o aluminio, enquanto a sua resistgncia especifica 6 5 vezes superior h do aluminio; o titdnio, quanto a este mesmo pardmetro,, Q 3 vezes superior ao aluminio. 0 berilio possui elevadas propriedades aclisticas. A velocidade de propagaq50 do som neste metal Q 2,5 vezes superior ii que se verifica no a9o. 0 berilio Q muito utilizado n;a indlistria athmica, ao o que na construp50 de maquinaria e noutros sectores industriais se emprega na forma de bronze de berilio. O litio usa-se na tQcnica nuclear e radioelectr6nica. Um lubrificant~e preparado h base do 6xido de litio n5o se solidifica nem h temperat u r a de - 50" C. 0 ni6bio Q muito resistente a Bcidos; sendo sumamente plBstico, pode ser trabalhado a temperaturas baixas e o seu ponto de fus50 -6 de 2500" C. A liga preparada d e ni6bio com cQsio usa-se para o fah i c o da parte central de reactor at6mico. 0 tdntalo Q um metal muito aefractirio, cuja temperatura de fusCo Q de 2996" C, resistente h corxoslo, que se emprega no fabrico de chapas e fios para a cirurgia plistica e 6ssea. 0 6smio Q o metal mais pesado e duro; sendo muito resistente ao desgaste, emprega-se para aumentar a resistencia dos instrumentos cirhgicos, aparos de canetas de tinta permanente, d i t a s douradas, agulhas de gira-discos, eixos e apoios dos instru:mentos precisos de m e d i ~ g oe mecanismos de rel6gio. 2. Estruiura cristalina dos metais e ligas

A s substhncias sblidas, quanto ao arranjo dos Qtomos, classificam-sce ern amorfas e cristalinas. Dizem-se s6liclos a m r f o s as substhncias s6lidas cujos Btomos se disp6em irregularmente no espaGo. Entre as substdncias deste tip0 conta-se o vidro, a resina, a colof6nia, a cola, 4tc. Chamam-se cristalinos os s6lidos em que a disposip80 dos Btomos (iSes, molQculas) no espaGo obedece a uma determinada ordem, formando uma rede ou malha cristalina at6mica. Todos os metais sfio substdncias s6lidas. AlQm dos metais, outra substdncia que pos:sui tambQm estrutura cristalina 6 o cristal-de-rocha. Nos metais utilizados para a construplo de miquinas, as mais frequentes s5o .as seguintes redes cristalinas (fig. 1): cfibica de corpo centrado (fig. 1, a), ciibica de face centrada (fig. 1, b) e hexagonal (fig. 1, c). Na rede clibica de corpo centrado que Q a mais elementar hB nove .Atornos: oito nos vertices da rede e um no centro. Uma estrutura .deste tip0 encontra-se no ferro, a temperaturas inferiores a 900" C o u superiores a 1400" C, assim como no cr6mi0, a vanldio, etc. Na rede cfibica de face centrada hB 14 Btomos (oito nos vertices e um em cada uma das faces do cubo). Urna estrutura deste tip0 encontra-se

Fig. 1 Redes cristalinas: a

- clibica de corpo centrado: b

- clibica

de face centrada;

o

- hexagonal

no ferro a temperaturas compreendidas entre 900" C e 1400" C, no cobre, no niquel, no aluminio, etc. Na rede hexagonal que tem a forma de urn prisma hexaedro, h i 17 Btomos (12 nos vertices, 2 no centro das duas bases e 3 dentro de prisma). Uma estrutura deste tip0 encontra-se no magnhsio, zinco, etc. - AlQm destes tipos de rede, existem tambQm as estruturas tetragonais e rombo6dricas. Numa rede deste tipo, os Btomos disp6em-se a uma determinada disthncia uns dos outros. As distdncias entre os Btomos s5o muito pequenas e exprimem-se em nan6metros (1 nm = = 10-9 m). Em fun980 desta distdncia, as redes podem ser mais ou menos csmpactas. A tendencia dos Btomos para se disporern o mais perto possivel uns dos outros explica a f o r m a ~ 5 ode redes compactas, tais como as ciibicas de face centrada, hexagonais, etc. Numa malha c ~ b i c ade corpo centrado os Btomos ocupam 68% do volume total, enquanto que na malha de face centrada, 74%. Nos metais as distdncias entre os Btomos s5o muito menores do que nos n'ao metais, facto este que explica a maior densidade dos primeiros. A disposi960 especial dos Btomos na rede determina uma sQrie de propriedades dos metais que os tornam muito diferentes dos n5o-metais, a saber: a condutibilidade tQrmica e elQctrica, a fusibilidade e a possibilidade de serem trabalhados. S5o muito tipicos de todos os metais a brusca diminui~80de condutibilidade elQctrica quando aquecidos e um aumento considerBve1 deste mesmo pardmetro quando arrefecidos. Actualmente se dispensa especial aten950 ao estudo da supercondutibilidade dos metais a temperaturas pr6ximas do zero absoluto, tendo este fen6meno muitas aplica~6esna tQcnica moderna. Uma das propriedades mais importantes dos metais consiste na heterogeneidade das propriedades mechnicas em fun950 das dire6es

dos planos e faces da rede cristalina, dita anisotropia. Esta particularidade deve-se ao niimero desigual de Btomos nos diversos planos e faces da rede assim como B diversidade das distgncias interat6micas. Por conseguinte, a resistbncia mechnica do monocristal de cobre, por exemplo, quando avaliada nalguns planos da malha, constitui 140 MPa, mas noutros pode atingir 330 MPa. 0 tratamento t6rmico apropriado dos metais uniformizar as suas propriedades segundo todos os planos da rede, ao o que mediante o trabalho mecsnico, por exemplo, a laminagem da chapa, se pode conseguir que as propriedades variem com a dirego, isto 6, tenham valores diferentes nas dire6es longitudinal e transversal. A anisotropia torna possivel fazer variar as propriedades magneticas e el6ctricas, assim como o polimorfismo e a alotropia. 3. Noq8es da crittalizaglo dot metais e suas ligas

CristalizaqIo dos metais. As malhas cristalinas tridimensionais formam-se no seio dos metais quando estes am do estado liquido para o sblido, processo este que se chama cristalizap50. S l o as transformap6es relacionadas com a cristalizapdo que determinam, em grande medida, as propriedades dos metais. 0 cientista russo D. M. Tchernov foi quem primeiro analisou os processos de cristalizagdo. A esskncia do fen6meno de cristalizaplo consiste no seguinte: os ltomos nos metais, quando em fuslo, estlo animados de um movimento ca6tico e permanente que, h medida que vai baixando a temperatura, se torna cada vez mais lento, os Qtomos aproximam-se e agrupam-se formando cristais chamados, nesta fase, centros de cristalizap'ao. Logo, a esses centros associam-se novos cristais que se v60 formando. Simultaneamente aparecem novos centros. Deste mod0 a cristalizap50 compreende duas fases: a formapso de centros de cristalizap60 e o crescimento dos cristais em torno desses centros. A fig. 2 representa o mecanismo de cristalizapCo. Inicialmente, o crescimento dos cristais n60 encontra obstlculos (fig. 2, a ) , razIo por que eles conservam a regularidade da estrutura da malha. Logo, os cristais, continuando o seu movimento, colidem, dando lugar a associapSes de cristais que j6 tbm uma forma irregular, embora se conserve a regularidade da forma dentro de cada cristal. 0 s agrupamentos de cristais deste tip0 t6m o nome de gr'ios (fig. 2, b-e). A fig. 2 , f representa os limites dos grlos de diversos tamanhos. 0 tamanho dos gr5os faz variar as propriedades funcionais dos metais. Um metal com grdos de grandes dimensties tem pouca resistkncia aos golpes e pancadas, sendo dificil polir-lhe as superficies. 0 tamanho dos grdos depende da natureza do pr6prio metal, assim como das condipties em que se desenvolveu a sua cristalizapdo. 0 s processos de cristalizap'ao dependem da temperatura t e duram urn determinado tempo z, raz'ao por que as curvas de cristalizaplo sCo trapadas nas coordenadas t - .c (fig. 3). A curva I representa o processo de cristalizaplo ideal de um metal que n60 sofreu arrefeci-

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I Fig. 2

Relpresenta$io esquemitica d o s processos de cristalizap50 dos metais

mento excessivo. Inicialmente, a temperatura diminui regularmente e a curva vai para baixo. Ao atingir a temperatura de cristalizaplo, a temperatura deixa de diminuir, momento em que nacurva se forma WD trecho horizontal. Isto deve-se ao facto de a combinap50 dos citomos ser acompanhada de libertapso de calor. Depois de terrninada a solidificap'ao, a curva vai novamente para baixo, uma vez que a ltemperatura continua a diminuir. Na prBtica, a cristalizaglo desenvolve-se de uma forma um tanto difirente devido ao arrefecimento que sofre o metal, quer dizer, o metal, & temperatura de solidificaplo, continua a ser liquido, ao o que a sua cristalizaplo comepa a uma temperatura inferior. A diferenpa entre as temperaturas de c~istalizap60ideal e a real tem 0- nome de grau de arrefecimento. A curva 2 corresponde cristalizaplo corn arrefecimento do metal. A curva 3 Q pr6pria da solidificap50 dos n'ao-metais, pois nela ndo aparece nitidamente expressa a temperatura de cristalizaglo el por tanto, a solidificagdo decorre progressivamente. 0 grau de arrefecimento constitui o factor mais importante que determina o tamanho do grCo. Se o grau de arrefecimento for pequeno Q t(amb6m reduzido o niimero de centros de cristalizapdo, enquanto a velocidade de crescimento dos cristais-6 alta, o crescimento dos cristais torna-se lento, sendo grande o niimero de centros de cristaliza~i'ao e o tamanho do gr'ao portanto, Q pequeno. Por exemplo, na maldagem de pepas de parede fina encontra-se uma estrutura de grlos peciuenos, ao o que os gr50s nas pepas de paredes grossas, depois de molldadas, sho de grande tamanho. 0 tamanho do gr'ao depende da tempeaatura, sendo aquele tanto maior quanto maior for a temperatura. Precisamente a esse fen6meno se deve o facto das lhmpadas electricas de incandescgncia se fundirem. Com a subida da temperatura, produz-se o crescimento dos gr6os no filament0 da llmpada com a con-

sequente perda de coeslo entre eles, o que provoca a ruptura por fus5o do filamento. Se no metal em fuslo introduzirmos particulas de urn elemento, estas, constituindo novois centros de cristalizag50, contribuir5o para a formag50 de pequenos gr5os. Assim, por exemi5 Z d plo, quando no volfrhmio em Fig. 3 fus5o se introduzem pequenissnCurvas cle arrefecimento durante a mas particulas de 6xido de tQcristalizagio: rio, isto permite evitar que a~s I - c u n a te6rica; 2 - curva de cristallzacBO de urn metal durante o arrefecimento; limpadas se fundam em pouco .I - curvd de crlstaliza~Bo de urn ngotempo. A d e s t r u i ~ l o doe grloa -metal durante a forja e estampagem deve-se B destrui~50do inv6lucro do gr5o que impede o seu crescimento. Para evitar o crescimento de gr5os ao trabalhar os metais por esses mQtodos, aqueles s l o submetidos a um tratamento tQrmicio apropriado, por exemplo, ao recozimento. Cristalizap50 secundiria (alotropia). As redes cristalinas, ualguns metais, nem sempre s'io permanentes, podendo possuir duas ou mais configurag6es diversas, dependendo da v a r i a ~ l oda tempera[tura, press50 ou existdncia de impurezas. A faculdade de um dado metal de possuir diversos tipos d e rede cristalina chama-se alotropia. Transformag6es alotr6picas dlo-se no ferro, estanho, tithnio, cobalto e noutros metais. 0 cobre e o aluminio n5o sofrem transformaqSes alotr6picas. A essbncia da alotropia consiste em que, durante o aquecimento de um metal, quando aind
de tamanho. A 768" C db-se a (c iiltima paragem na subida de temperatura durante a qual se produz a transformag50 do ferro forma magnhtica, na 1400 em qual se conserva a rede de corpo centrado de 2,87. 10-lo m de tamanho. TBcnicas utilizadas no estudo TODO da estrutura dos metais. 0 estudo da estrutura interna dos metais e suas ligas permite avaliar a sua utilidade para o servigo em diversas condig6es de trabalho. Aos m6todos de estudo soo mais importantes pertencem a o zF macroanblise, a microanilise, a anilise radiosc6pica e a anilise tQrmica, assim como variadas Fig. t6cnicas de detecggo de defei- TransformagBes alotr6picas no ferro tos: magnktica, por ultra-som, por is6topos radioactivos. A macroancilise permite estudar estruturas visiveis a olho nu ou atraves de uma lupa nas superficies, no lugar de rotma da pega metilica e nas superficies polidas duma amostra convenientemente preparada. Para realizar a macroanilise pole-se uma das superficies da amostra, para depois a submeter ao ataque quimico com um Bcido. A macroanilise permite revelar fissuras, fendas, bolhas de gis, cavidades de contralo, disposiglo dos filamentos nas amostras de materiais laminados e forjados. A anilise da macroestrutura, por exemplo, torna possivel avaliar a qualidade de cambotas. A fig. 5 representa a estrutura filamentosa de uma cambota: correcta (a) e incorrecta (b). A microandlise usa-se para estudar estruturas internas dos metais, observando as superficies polidas de amostras por meio de um microsc6pio 6ptic0, permitindo uma amplificag50 de 3500 X ou com o auxilio de um microsc6pio electrdnico que geralmente permite uma amplificaq50 at6 25 000 X. Trata-se de uma anilise sumamente importanteque torna possivel estudar a qualidade dos metais sob todos os aspectos, assim como avaliar as componentes estruturais, a configuraglo e o tamanho dos grlos, revelar os microdefeitos debaixo da camada superficial e a existhncia de corpos estranhos n5o-metilicos, alQm de determinar a qualidade do tratamento t6rmico. A anblise da microestrutura permite explicar as causas que provocam deficientes propriedades mechnicas, sem que seja necessirio efectuar ensaios deles. A fim de serem estudadas ao microsc6pi0, as amostras polidas sgo preparadas por meio de tQcnicas de polimento apropriadas. Durante o tratamento quimico as diversas componentes

,,,,

1 I )

I

I I

1

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A d e t e c ~ l ode defeitos por meio do ultra-som emprega-se largamente no coritrolo da qualidade de pepas forjadas. laminaclas, clos rotores de turbinas, carris, etc. A ann'lise por meio de iso'topos radioactivos permite IJa m e t a l n r g i a localizar a esc6ria penetrada no seio dos metais, avaliar a velociclade de difuslo do carbon0 no apo durante a cementaplo. 0 emprego (10s is61topos radioactivos torna possivel controlar o desgaste das peGas d e miquinas ou de um revestimento refract8rio. A radioactividacle dos is6topos altera-se nos lugares que sofreram desgaste deviclo A dliminuiqlo do nfimero de is6topos na superficie desgasta por atrito, dando-se urna alteraplo da intensidade da radiaplo que 6 ficil cle vesificar.

Fig. 5 Macroestrutura de uma cambota

d a estrutura ficam dissolvidas: alguns dos grlos s l o mais resistentes ao ataque quimico, outros menos, podendo observ6-10s ao microsc6pio como manchas mais ou menos escuras. A ancilise radioscbpica usa-se para estudar as estruturas de cristais e avaliar os defeitos a uma certa profundidade, no seio do metal. 0 s raios X s l o capazes de penetrar os corpos opacos & luz visivel, permitindo, por conseguinte, detectar defeitos internos sem destruir o metal. A profundidade em que os raios X podem penetrar no ago constitui 100 mm. A anilise dos defeitos situados a maiores profundidades faz-se por meio dos raios y. A ancilise espectral permite determinar a composiplo quimica dos metais e suas ligas, avaliando-se o espectro obtido deles, quando aquecidos ao rubro, emitindo nesse estado incandes~enteraios visiveis. Alguns dos metais produzem uma franja de cor amarela, os outros - de cor verde, etc. Deste modo, torna-se possivel detectar a presenpa de qualquer metal, mesmo que seja muito reduzido o seu teor. A detecgiio magne'tica de defeitos permite analisar os metais ferrornagn6ticos: aGo, niquel, cobalto, uma vez que torna possivel revelar defeitos a uma profundidade de at6 2 mm, por exemplo, nas costuras soldadas: cavidade, fendas, fissuras, impurezas. As zonas defeituosas t6m baixa permeabilidade magnetics, dissipando as linhas magn6ticas de f o r ~ aque as contornam, encontrando-se, nos p6los magn6ticos (fig. 6). A detecgdo de defeitos por meio do ultra-son permite realizar um control0 eficaz da qualidade de peGas de quaisquer metais e a grandes profundidades. Uma onda de ultra-som 6 emitida no sentido da superficie da pepa a verificar, penetra-a em profundidade e atravessa toda a espessura de I;=: metal. Se n l o houver defeitos, a propagaglo das ondas de ultrasom 6 normal. Quando as ondas encontram algum defeito, a intensidade do ultra-som altera-se. R pela alteraplo da intenFig. 6 do ~ultra-somi que se ~avalia ~ i de linhas ~ mam6ticas ~ de sidade ~ forga numa pega metalica com defeito o defeito. 16

4. Propriedades fisicas dos metais

350 propriedades fisicas dos metais a sua cor, a densidade, a temperatura de fuslo, a condutibilidade thrmica, a dilatap60 tkrmica, calor especifico, a condutibilidade elbctrica, as propriedades magn6&ic,as. Chama-se cor a capacidade dos metais de reflectirem os raios d e luz incidentes. Por exemplo, o cobre 6 de cor avermelhada, o aluminio C branco prateado. A densidade dos metais avalia-se como a rnassa compreendida na unidade de volume. A fusdo dos metais Q process0 de agem dos mesmos do estado s6lido para o liquido. A temperatura de fuslo do ferro 6 de 1539" C, a do estanho 6 de 232" C, a do cobre 6 de 1083" C. A condutibi1ida.de te'mica 6 a capacidade dos metais de absorverem calor e de o libertarem durante 0 urefecimento. A prata, o cobre e o aluminio s6o os metais que possuem maior condutibilidade t6rmica; este pardmetro deve ter-se em:consideraplo nos cilculos t6rmicos. A dilatagdo tdrmica 6 a capacidlade dos metais de aumentarem de volume quando aquecidos e de se contrairem quando arrefecidos. Esta propriedade dos metais dewe ter-se em conta na construqlo de pontes, caminhos-de-ferro, asslim como no fabrico de chumaceiras. Denomina-se calor especifico a ~~apacidade dos metais, durante o seu aquecimento, de absorverem certa quantidade de calor. A condutibilidade elictrica 6 a propriedade dos metais de serem condutores da corrente ele'ctrica. Para o transporte da energia el6ctrica usam-se fios de cobre e aluminio, por ser'em bons condutores ele'ctricos, ao o que em aquecedores e fornos el6ctricos se utilizam ligas com grande resistividade ele'ctrica (nicr6mi0, constantan, manganind). A densidade e a temperatura de fuslo dalguns metais pode sofrer variapSes em funp6o da respectiva t6cnica de obtenplo, da pureza dos metais e da sua estrutura interna. As ligas cujo factor de dilataplo linear 6 pr6ximo de zero s60 nsadas no fabrico de instrumentos de precislo. 0 ferro, o niquel, o cobalto e suas ligas s6o magnetiziveis, quer ~ dizer, possuem pl-opl-iedades nzagne'ticas semelhantes As tlos imanes. 01

~

As ligas desses metais, db-se o nome de ferromagnilicas. As liga~s fer~omagnhticast6m grande importdncia industrial e usam-se lalrgamente no fabrico de motores elhctricos, geradores, transformadores, telefones, telhgrafos, etc. Torna-se, por vezes, necessirio tornfi-1as antimagn8ticas. Nesses casos, modifica-se a sua composipI~o quimica e a estrutura interna dessas ligas. 5. Propriedades quimicas dos metais

As propriedades quimicas dos metais e suas ligas consistem n a sna capacidade de resistirem oxidaplo e A destruipCo quando expostcns aos efeitos do ambiente, da humidade, do ar, clos icidos, etc. A destrnipCo quimica provocada por esses factores chama-se corrosiio dos metais. A corrosCo causa grande prejuizo ii economia nacional. A corros5o classifica-se em quimica e electroquimica. A corrosi%o quimica di-se nos meios que n l o s l o condutores da corrente elQctrica, por exemplo, em gases secos, em gasolina. A oxidapgo das vilvulas de escape dos motores de explosCo dos 6rios metilicos no interior dos fornos, utilizados para tratamento tQrmico, constituem exemplols da corrosCo deste tipo. A corrosiio electroquimica resulta clo ataqu~e quimico dos metais por electr6litos, isto 8, por um meio condutar da corrente elhctrica (humidade, ar hlimido, icidos, ilcalis, etc.)). A corros5o deste tip0 Q devida tambhm ii heterogeneidade da estrutura e composiplo quimica dos metais e ligas. No espapo qule separa os elementos heteroghneos constituintes dos metais e ligas, quando expostos i aCo do electr6lit0, produz-se uma corrente galvsnica; um dos elementos torna-se cbtodo e o outro Bnodo qule se corr6i. Toclos os metais e suas ligas possuem certo potencial electr6dic0, se se combinam dois metais de potenciais electr6dicas cliferentes, dando-se a destruip60 electrolitica daquele que tenha menor potencial. Por exemplo, ao combinar-se o cobre com o alum& nio numa pepa, o aluminio seri o primeiro a ficar corroido, poir possuir um potencial menor. A corroslo, na pritica, manifesta-se no enferrujamento dos apos, do ferro fundido (ou gusa), na formap60 de peliculas esverdeadas de 6xido de cobre e de cor escura nas superficies de pepas de lat6o. Quanto i s caracteristicas especificas da destruiplo causada pela corrostio, esta clivide-se em corroslo geral, a local e a intercristalina. Para o combate ii corroslo utilizam-se os revestimentos resistentes B corros6o preparados de nCo-metais (vernizes, tintas, esmaltes]), peliculas de 6xidos (azulamento, fosfataggo), ligas e~pecialment~e resistentes aos factores quimicos, etc. Outrora o combate corrosCo pelos mQtodos citados dava resultados positivos, mas actualmente jb Q insuficiente. Se dantes os metais se usavam fundamentalmente no fabrico de miquinas e transporte ferroviirio, hoje em dia 6 muito frequente o seu emprego em meios corrosivos, em ambientes caracterizados por elevadas temperaturas e grandes velocidades, combina-

das tom cargas e solicitap6es consiclerbveis. HA muita necessidade, actualmente, cle ligas resistentes i corrosCo e refractirias. -4 corrosCo clos materiais desse tipo pode ser de tr6s esp6cies: a fendilha~iio por corrosiio pr6pria dos equipamentos t6rmicos, da indhstria termonuclear, refinaggo dos petr6leos e gases; a corrosiio intercristalina, susceptive1 de destruir mesrno os apos e as ligas de cobre e aluminio, geralmente bastante resistentes B corrosEo; a corrosdo pontr~al (dita pitling) que penetra rapidamente na profunclidacle dos metais e afecta com especial rapidez as peqas cle mAquinas agricolas. Para combater os tipos cle corros5o citaclos usam-se ineios de proteEo especiais. Se as pepas funcionam em condip6es caracterizaclas por grande compress50 e elevadas temperaturas, dCo-se solicitap6es e esforgos consideriveis. Com vista ao combate a fenclilhapho por corrosCo as pepas submetem-se a unl tratamento thrmico especial, alhm de utilizar ligas apropriadas. 0 emprego clos inibidores constitui um mQtodo de prote6o anticorrosiva eficaz. Dizem-se inibidores as substiincias de origem tanto orgdnica como inorgdnica, susceptiveis de retardar a corrosCo. Entre eles contam-se os aldeidos, os fosfatos, os aminas, os bcidos obtidos A base dos compostos do enxofre, etc. Esse metodo de protego anticorrosiva consiste no facto de que os inibidores, depois de introduzidos nos gases, Bciclos, solup6es, proclutos derivados do petrbleo, impedem ou retardam fortemente os processos de corrosgo destrutivos. Verificou-se como muito eficaz a protelo, com base no uso de inibidores, dos oleodutos e tubagens de transporte de gis, elaborada e utilizada na U.R.S.S.

6. Propriedades mecdnicas dos metais I

As propriedades mecdnicas dos metais determinam a sua capacidade de resistir ao efeito das forqas a elas aplicadas (ditas cargas). 0 s valores das propriedades mecdnicas dependem dacomposiqCo quimica dos metais, da sua estrutura interna, das t8cnicas de tratamento tecnol6gico e doutras factores. Conhecendo as propriedades mecdnicas, podemos prever o comportamento de um dado metal durante o seu trabalho meciinico ou, mesmo, o comportamento de pegas e mtiquinas. Quanto ao efeito que produzem quando aplicadas aos metais, as cargas classificam-se em: esthticas, isto 6, permanentes ou variiveis muito lentamente; diniimicas ou seja, as cargas que actuam instantaneamente, muito semelhantes a pancadas; ciclicas ou de sinal alternudo, ou, simplesmente, alternadas, quer dizer, cargas que variam de intensidade, sentido de aplicapso, ou simultaneamente de intensidade e sentido. Como resultado da alo exercida pelas cargas sobre os metais, neles podem produzir-se deformap6es remanescentes: traBo, flexlo, compress50, torpgo, cisalhamento. S l o susceptiveis de provocar mesmo a destruip60 dos metais, razlo por que, para evitar deformag6es remanescentes, Q necessirio conhecer as proprieda-

Fig. 7 Ensaioe estiticos B traho:

- amostras padronizadas para ensaios B tracalo; c amostra preparada de aCo corn baixo teor de carbono

a e b

- diagrama

de t r a c ~ z ode urna

des mecdnicas deles. As t6cnicas de ensaio modernas permitem avaliar as propriedades mecdnicas dos metais e a sua utilidade no fabric0 de miquinas. A resistdncia mecdnica (ou tenacidade), a dureza, a elasticidade e a resiliencia d o propriedades mecdnicas fundamentais dos metais. A tenacidade 6 a capacidade dos metais de resistirem h rotura ou As deformagi5es remanescentes, depois de suprimida a tens50 deformadora. Tem grande importdncia a chamada resistgncia especifica, cujo valor se calcula como a razBo entre o limite de resist6ncia e a densidade do metal. 0 limite de resistdncia dos agos 6 superior ao de aluminio, ao o que a resistdncia especifica daqueles 6 menor. A dureza 6 a capacidade dos metais de resistirem h deformaq50 superficial, causada pela acg5o de um s6lido mais duro. A elasticidade Q a capacidade dos metais de retomarem a sua configurap50 inicial depois de suprimida a forqa de deformaglo. A resilidncia 6 a capacidade dos metais de resistirem i s cargas de deformaqlo dinlmicas. Al6m das propriedades mecdnicas citadas, convQm mencionar tamb6m a fadiga, a deformaq50 plistica, etc. Para a avaliaq'ao das caracteristicas mechicas efectuam-se ensaios apropriados. Eilsaios estaticos ii iracgiio. SBo operagi5es que se realizam para determinar os limites de proporcionalidade, a elasticidade, a tenacidade (resistdncia) e a elasticidade (plasticidade) dos metais. Para esse efeito preparam-se amostras planas ou cilindricas (fig. 7), cujas configurag6es e tamanhos s5o estabelecidos pelas normas Gcnicas respectivas. As amostras cilindricas de do = 10 mm de didmetro e 1, = 10do de comprimento nominal dizem-se normais, enquante que as amostras cujo comprimento seja l o = 5do slo denominadas curtas. No caso de ensaio h tracgBo. a amostra submete-se a uma carga de tracgBo, que aumenta progressivamente at6 A rotura. Geralmente, utilizam-se miquinas de ensaio do tip0 MJIE-2. Essas miquinas t6m um instrumento registador especial que vai tragando a curva de deformag50, dito diagrama de tracq5o. A fig. 7, c representa

um diagrama de tracg'ao tipico. As curvas de tracgzo dos m e h i s frigeis n5o possuem trecllos horizolitais que corresponclenl A tlrformaqiio pl8stica. 0 diagrams de tracq50 salienta trogos e polltos caracteristicos que permitem avaliar uma shrie de propriedades (10s metais e ligas. No segmento 0 - Ppr o alonganlento da amostra 6 directamente proportional ao aumento da carga aplicada. A carga mixima Pprpara a qua1 Q vhlicla a leida proporcionalidade entre a carga aplicada e a deformaclo tell1 o nolne de carga do limite de proporcionalidade. Quando a carga aplicada ult!.aa o valor Ppr, a amostra, no trogo compreelldiclo entre Ppre P e l , comeGa a sofrer deformaq6es remanescentes. A carga Pelque procluz urn alonganlento remanescente igual a 0,005-0,05 do colnprimellto inicial tern o nome de carga de limite cle elasticidade. No trecho superior ao ponto Pel jii se tornanl consideriveis as deformaqces remanescentes, r a z h por que a curva de tracqlo se afasta muito da recta. A carga P f l que produz urna defornlaqSo remanescente igual a 0,2% do comprimento nomirlal da amostra chama-se limite de fluidez, ao o que o trecho horizontal da curva tem o nome de segmento cle fluiclez e se verifica principalmente nas amostras de ago com baiso teor de carbono. Na parte restante da curva, superior ao ponto P f l , o valor cla carga aplicada aunlellta at6 ao ponto A , que corresponde ao valor da carga m6sima p r 7 ap6s a qual o valor decresce bruscamente devido i forma$'ao de unla gola e h subsequente rotura cla amostra. X carga nlisirna P r , newssiria para se produzir a rotura da amostra, chama-se carga do limite de resistdncia & tracg60. Depois de formada a gola, di-se a diminuig50 brusca da carga at6 ao valor que corresponde ao ponto A , ap6s o qual se verifica 0 alongamento da amostra e, posteriormente, a sua rotura. Atencla-se a que a formaq5o da gola antes cla rotura se observa apeilas nos metais plisticos. Os'valores das tens6es correspondentes aos pontos fundamelltais do diagrama de tracqgo permitem avaliar as seguintes caracteristicas da resistencia h deformaqlo dos metais, espressas em megapascais, j bg[/w-z = OM P a MPa :)0 limite de proporciona2idade IT,, Q a tenslo nl6xima at6 i qua1 se mantdm valida a dependhcia linear, isto 6 , a proporcionalidade directa entre as tensi5es e as deformaqijes

em que Fa, 6 a Qrea da secq5o transversal da amostra, em mm2; o limite de elasticidade a,, Q o valor da tens50 A qual comecam a produzir-se deformaq6es de uma intensidade muito pequena, caracterizada pela seguinte express50 Gel =

PelIFarn;

o 1inz.ite de flugncia oil Q a t,ensiio a partir da qual a cleformapgo da amostra se produz jL sem o aumento nenllum da rga aplicada,

of1 = PrIFam; o linzite de resistdncia cs, Q a tens'ao cujo valor 6 igual a razz0 endre a carga maxima que precede a rotura da amostra e a Brea da sua seCo transversal inicial,

or

=

P,.IEa,.

0 limite de resist6ncia Q uma caracteristica indispensavel para as normas tQcnicas sovi6ticas, utilizadas na classificapEo dos apos. AlQm das caracteristicas anteriores, nos ensaios de tracq'ao estBtica avalia-se tamb6m a plasticidade dos metais, isto 6, a . sua capacidade de sofrer deformaqCo remanescente quando submetidos a cargas est6ticas. 0 valor de plasticidade Q calculado com base nas medipSes da amostra antes e depois do ensaio. A plasticidade dos metais Q determinada avaliando o alongamento e o adelgaqamento relativos. 0 alongamento relatiuo 6 6 avaliado determinando a raz'ao entre o auluento do comprinlento da amostra depois da sua rotura e o comprimento nominal inicial, em percentagem,

Fig. 8 AvaliapCo da dureza pelas tecnicas de Brinell ( a ) , Rockwell ( b ) e Vickers

1

I

onde 1, Q o comprimento da amostra depois da sua rotura, em mm; Lo 6 o comprimento nominal (inicial) dela. 0 adelga~amentorelaticr~$ 6 avaliado como a razEo entre a diminuip'ao da Brea da se'ao transversal da amostra depois da sua rotura e o valor da se'ao transversal inicial em percentagem, $ = I00 (F, - F,)IFo, oncle F , Q a Brea inicial da secq'ao transversal da amostra, em mm2; I.', Q a 6rea da secc5o transversal da amostra no lugar da sua rotura, em mm2. 0 alongamento e o adelgaqamento relativos caracterizain a chanlada resiligncia est6tica dos metais e ligas. A intensificap'ao do progresso cientifico-tQcnico depende em grande medida do melhoramento radical dos metais. Hoje em dia os cientistas dispensam a maior atenq'ao 5s pesquisas dos mQtodos de aumento da resistsncia meclnica dos materiais. A ci6ncia e a tecnica modernas deparam coln a necessidade de aplicar cargas colossais e, por conseguinte, precisam de procurar novas possibilidades de aumentar resistencia mecdnica dos materiais. Dado o facto de que a tenacidade (resistbncia) dos metais depende de muitos factores, entre eles, da presenpa neles de impurezas, os cientistas concentram as suas pesquisas na obtenq'ao de metais sumamente puros, o limite de resistbncia (tenacidade) destes Gltimos 6 cinco vezes ou mais superior A dos metais corn impurezas.

(c)

0 emprego de cristais filamentosos (fibras) permitiu obter um material cuja resistencia mecdnica Q sumamente grande. Por exemplo, o limite de resistsncia 5 tracgEo das fibras de 6xido de aluminio B de 29 000 MPa, o das de carbon0 solicico 6 de 28 000 MPa. A utilizap'ao dos metais superpl6sticos, cujo alongamento relativo alcanqa 1000%, oferece muitas possibilidades. Hoje em dia os materiais mais plasticos slo o cobre e o chumbo, cujo alongamento relativo B de apenas 60%. 0 progresso rapid0 das propriedades mecinicas e fisico-quimicas dos materiais contribuiria para a obtenq'ao de construq6es de resistsncia e duraplo extraordinarias e permitiria poupar grande quantidade de metais. TBcnicas de ensaio de dureza. 0 s ensaios de dureza sIo geralmente efectuados nas prbprias empresas fabricantes e consistem num rn6todo muito simples e rapid0 de verificapzo das propriedades mecdnicas. Uma vez que para a avaliaq'ao da dureza se submetem a ensaios as camadas superficiais de metal, a superficie methlica das amostras, para poderrnos ter resultados certos dos ensaios, nCo deve ter defeitos exteriores (fendas, fissuras, rasgSes grandes, etc.). Existem diversas tdcnicas de ensaio de dureza, das quais as mais frequentemente aplicadas sEo: 1. AvaliaqEo da dureza pel0 mQtodo Brinell. Consiste em imprimir na camada superficial do metal a ensaiar uma bolinha-padrEo d e aqo temperado de 2,5; 5 ou 10 mm de diametro, aplicando-lhe as cargas de 1,87; 7,5 e 30 kN, respectivamente. Na superficie da amostra fica uma mossa (fig. 8, a), pelo diimetro da qual se avalia a dureza. 0 didmetro da impresslo Q determinado com o auxilio de urna lupa graduada especial. Na pr6tica usam-se tabelas especiais que facilitam a convers'ao do didmetro da mossa obtida no valor da dureza, espressa em HB. Esta tQcnica utiliza-se principalmente para a avaliapEo da dureza de metais e ligas niio temperados: produtos laminados, forjados, pepas moldadas, etc. Pela dureza, determinada segundo este mhtodo, pode-se avaliar 13

1, '

,

1

I I

II I

a resist6iicia dos metais traCo, uma vez que entre a dureza e a tenacidade (resisthcia) existe a seguinte relapgo: o , = ( 0 , 3 4 t +0,36) HB para pepas forjadas e laminadas: o , = (0,3+0,4) H B -para pepas de ago moldadas; or = 0,12 HB para a gusa (ferro fundido) cinzenta. Desta forma, a dureza pode servir de base para a avaliagso da tenacidade das ligas. 2. AvaliapCo de dureza pel0 mQtodo Rockwell. Para este fim, imprime-se na superficie methlica da amostra convenientemente preparada urna bola de 1,59 mm de diBmetro, feita de apo apropriado, ou urna ponta c6nica de diamante com um Bngulo de 120" no vQrtice (fig. 8, b). Diferentemente do metodo Brinell, segundo o m6todo Rockwell, nCo 15 avaliada pel0 diiimetro d a impressCo, mas sim pela profundidade da mossa que deixa a bola ou a ponta c6nica. 0 esmagamento faz-se aplicando sucessivamente duas cargas determinadas: urna preliminar, igual a 100 N, e a outra definitiva, igual a 1000, 600 ou 1500 N. 0 valor da dureza calcula-se como a diferenpa entre as profundidades de esmagamento nas impress6es. Para determinar a dureza dos metais duros tem de se aplicar uma carga de 1500 N, ao o que o esmagamento da bola de apo, aplicando-lhe urna carga de 1000 N, se faz no caso da avaliapCo da dureza dos agos nCo temperados, bronze, latCo e outros materiais macios. 0 s ensaios dos materiais muito duros fazem-se utilizando a ponta de diamante, aplicando nela a carga de 600 N. A profundidade da mossa nesse caso determina-se automaticamente, enquanto que a dureza, depois de terminadas as medipaes, se calcula por tr2s escalas seguintes: A, B, C,. A dureza (indice de dureza) Rockwell designa-se da seguinte forma: Carga, N

Ensaio

Com po2ta de diamante I,

I I

Corn bola de aqo

,1500 600 1000

Cdlculo pel a escala

C A B

observada por meio de um inicrosc6pio que faz parte da m6quina utilizada para a realiza$io do.ensaio. 0 indice de dureza pel0 metodo Vickers, HV, calcala-se segundo a seguinte f6r-

1

DeslgnaCHo do i n d ~ c ede dureza

HRC, HRA HRB

A avaliapCo da dureza Rockwell Q inuito usada, unia vez que permite ensaiar tanto os metais macios como duros; o tamanho das mossas 6 sumamente pequeno, razso por que se torna possivel submeter a ensaios as pepas fabricadas sem as estragar. 3. AvaliapCo da dureza pel0 metodo Vickers. Esta t6cnica permite determinar a dureza tanto dos metais e ligas macios, como dos muito duros, podendo utilizh-la mesmo para a avaliaplo da dureza de camadas superficiais 'muito finas (com espessura at6 0,3 mm) e, tambbm, camadas superficiais finas depois de cementadas, cianuradas, azotadas e com outros tipos de revestimento met8lico. Neste caso, na amostra esmaga-se urna pirdmide quadrangular com um Bngulo de 136" no ve'rtice (fig. 8, c). Nos ensaios deste tip0 .podern aplicar-se cargas de 50 a 1200 N. A medipgo do tamanho da mossa faz-se determinando o comprimento da diagonal. da impressHo,

I

1

Fig. 9 ~GresentaqZoesquem6ticd de um d ~ s positivo para determ~nar a dnreza corn o a u l i l ~ ode ultra-SOW

elm que P 6 a carga aplicada, 0 cornprimento da &agon,al da mossa, mm. Na priitica o indice de dureza HV calcula-se por tabelas especiais. (ver o Anexo 1 que contQm as tabelas para o chlculo do indice de. dlureza Brinell, Rockwell e Vickers). Al6m das thcnicas de avaliapCo dia dureza, acima especificadas, existem tambhm m6todos que permitem determinar a microdureza de porqijes methlicas de tamanlios microsc6picos. 0s m6todos Poldi e Shor s'io os mais aplicados na pr6tica. Hh pouco tempo que foi elaborado um mQtodo eficaz para a avali,apCo da dureza por ultra-som. A fig. 9 representa esquematicamente, ulm dispositivo para determinar a dureza por meio do ultra-somClonsta de um transformador I, um guia de ondas 2 com iildicador 3, munido de ponta de diamante, assim como de um instrumento registador 4 e um gerador 5 . A ponta esmaga-se, aplicando-lhe urna pequena carga de determinado valor que se regista. A ponta 6 solidjria ccym um ferro que oscila com a frequencia de ressonbncia. 0 valor desta frequhcia varia em funggo do tamanho da impressCo que. deixa a ponta de diamante, caracterizando desta forma a dureza do material. A mossa 6 muito pequena, mas nCo Q necesshrio usar o microsc6pio para a medir, como o exige o dispositivo de Vickers ou no) caso da avaliapgo da microdureza. Atenda-se tambe'm ao facto de. que a superficie do metal, submetido ao ensaio, sofre deformap'aos insignificante, al6m de ser possivel automatizar o process0 de avaliaqHo da dureza. Ensaios de n&&iGa. Ale'm dos ensaios esthticos, as pepas s h o ~ submetidas ao ensaio de cargas alternadas de percussCo (dinbmicas)~ e a elevadas temperaturas. 0s ensaios de resiliencia efectuam-se utilizando um martinete especial, dito pdndulo de Charpy (fig. 10). Para os ensaios usam-se amostras normais incisas, colocadas nos apoios do martinete. Neste* existe um peso chamado pendulo que 6 levantado a urna determinadai alltura H e depois, se deixa cair, quebra a amostra e volta a subir a uma altura menor h. 0 valor da resiliencia KC (em J/cm2) 6 determinado como o trabalhlo gasto pel0 martelo-pdndulo para quebrar a amostra, calculando-se. pela f6rmula KC = AIF

K; d 6

sendo A o trabalho gasto para quebrar a amostra, cujo valor se calcula pela diferenpa entre as energias do p6ndulo antes e depois da martelada, em J ; F 6 a irea da seCo tranaversal dla amoslra no lugar da incisCo, em cm2. Este metodo de avaliapio da resili6ncia 6 o mais simples. Para facilitar os eilculos usain-se tabelas especiais elm que se aponta o trabalho realizado pel0 p6ndulo em funpCo dlo dngulo de levantamento do p6nFig. 10 dulo depois da deforinaplo dla Represellta~Eo esquemitica d o p h amostra. drllo de Charpy Ensaios de fadiga (de resist611cia h fadiga). S60 muitas as pepas d e miiquinas que sofrem, no decurso de seu trabalho, al6m de cargais testiiticas, tamb6m cargas alternadas (ciclicas) que variam de intensiidade, de sentido ou ainda destas duas caracteristicas, simultaneamente. Como resultado da utilizag5o prolongada da miquina, o metal das suas pepas a progressivamente do estado plistico para o frigiil (sofrendo ((fadiga))).Isto deve-se a que as cargas alternadas provocam a formag50: no seio do metal, de microfissuras que vCo crescend.0 e enfraquecem a coes5o entre os grSos de metal, levando a que a dest r u i ~ E oocorra a tens6es menores do que o limite de flu6ncia. Silo susceptiveis de fadiga os eixos das rodas de vagCo, as cambotas, ats palhetas de turbinas, as molas. A capacidade dos metais de resistirem h aio de cargas alternadas chama-se resistEncia h fadiga. Considera-se como limite da resist6ncia h fadiga a tens50 mixima que o metal pode ar durante um dado n6mero de ciclos sem sofrer destruipEo. 0 nGmero de ciclos pode variar de 10% lo7. Sabe-se que o mau acabamento da superficie de peqas (incis6es, rasgSes, corrosEo, defeitos de construgio) faz diminuir consideravelmente o limite da resistsncia 5 fadiga. 0 polimento perfeito e o endn~ e c i m e n t odas superficies das peqas permitem aumentar muito a resistgncia 5 fadiga e a duragCo das pepas e miquinas. 0 s ensaios de resistkncia h fadiga sCo realizados em diversas miquinas, dependendo do caricter especifico do trabalho das pepa,s. 0 s tipos mais frequentemente utilizados dessas miquinas sCo: as miiquiilas para ensaios de flex50 durante a rotapCo; as miquinas para ensaios alternados de tralo e compresslo; as miquinas para .ensaios de torpho. Ensaios de flusncia. SCo muitas as pepas de m6quinas -que trabalham submetidas a cargas estiticas a elevadas temperatura:~.

I

I

i

\

1 I

Trata-se de pepas de turbinas de vapor e ghs. dos equipamentos ntilizados na refinapCo de petr6leo e gis, etc. Diz-se j l d n c i a a capacidade dos metais de se alongarem lenta e prog~essivamente (ctfluirem))) quando submetidos a tens6es de trabalho constantes. a elevadas temperaturas. Se a flugncia do chumbo. aluminio e de muitas l i ~ a sso observa i6 h temperatura de 20d C, no apo ela s6 se verifica a partir da iemperatuia de 350-400" C. 0 chamado limite de flugncia constitui urna caracteristica quantitativa da flu6ncia. 0 s ensaios de flugncia efectuam-se com miquinas apropriadas, munidas de dispositivos de aquecimeilto e instrumentos para medir e manter automaticamente os valores necesshrios da temperatura durante o ensaio, assim como de dispositivos para avaliar a deformapio das amostras. SCo largamente empregues as inaquinas que trabalham a temperaturas pr6ximas de zero absoluto, As quais sofrem grandes alterapties, em primeiro lugar, a flu6ncia e a plasticidade das pepas. Foi assim que foi verificada a flu6ncia a temperaturas muito baixas, al6m de se revelar a altwapio de urna d r i e de propriedades meciinicas. A fragilidade a baixas temperaturas constitui urna das alterapSes nlais perigosas das propriedades mecdnicas, portanto ao avaliar as propriedades dos materiais de construpio precisamos de saber o limit e da fragilidade a baixas temperaturas isto 6, o momento em que o metal a do seu estado de plhstico e tenaz ao estado de frigil. Ensaios de duraptio. Al6m da flukncia, tem muita importlncia a duraplo das pepas submetidas constantemente a aties meclnicas. Esses ensaios realizam-se da mesma forma que os de flu6ncia, prolongando-se at6 h destruiplo das amostras.

7. Propriedades tecnol6gicas dos metais

I

As pepas de miquinas e construp6es, al6m das propriedades fisico-quimicas e meclnicas, tgm de possuir tamb6m as chamadas propriedades tecnolbgicas, quer dizer, a susceptibilidade de fundipgo e moldagem (que depende da flu6ncia do metal em fuslo e da sua contra50), assim como a soldabilidade dos metais, a sua maleabilidade, etc. Chama-se soldabilidade a capacidade dos metais de se unirem quando aquecidos at6 ao seu estado plistico ou liquido. I3 soldivel o apo com baixo teor de carbono, sendo dificil de soldar a gusae os metais nCo-ferrosos. Trata-se de urna propriedade muito importante dos metais, urna vez que a soldadura constitui a t6cnica fundamental utilizada para a uniCo de estruturas e construpSes metilicas, por garant i r grande rendimento, economia e resistgncia. A lnaleabilidade Q a capacidade dos metais de serem trabalhados pela forja, laminagem, ou seja, de tomarem urna forma desejada com urna martelada o u compressCo, quer quando aquecidos ou arrefecidos.

I

I

meinto serve para avaliar a susceptibilidade do metal de ser estampad o a frio e estirado. Um ensaio de recalcamento permite avaliar a c.apa.cid,ade do metal arrefecido de tomar deterlninada forma q u a ~ ~ d o submet.ido A compress50 iiuma prensa. Na tabela 1 siio indicadas as proprieclades mechicas dos metais mais importantes. Capitulo 2 Fig. 11

Ensaios tecnol6gicos: - de flex?io sob detel.rninado'angu10; b - de flexlo at6 dobrar a amostra e tornar paralelas as suas extremidades; e -Ida flexlo dobrando a amostra a t e se tocarem as suas extrem ~ d a d e s ; d - de acbatamento dos tubos

a

A susceptibilidade do trabalho mechnico 6 a capacidade dos metais de serem trabalhados pel0 corte. Torna-se, por vezes, necess8rio. para a avaliaglo qualitativa ou comparativa das propriedades tecno16gicas dos metais, realizar ensaios apropriados de amostras tecno16gicas (fig. 11). 0 s ensaios dessas amostras verificam a faculdade dos metais de sofrerem determinadas deformag6es semelhantes 6s que se produzam nas condig6es de trabalho reais. Trata-se dos ensaios de flexiio, bobinagem, repusamento, recalcamento. 0 s ensaios d e flex50 siio realizados no caso dos produtos laminados ou soldados, com o fim de evitar, durante o seu fabrico, a fendilhagso, roturas, etc. 0 s ensaios de flex50 podem efectuar-se at6 a um determinads Bngulo de clobragem (fig. 11, a), at6 tornar paralelas as extremidades da amostra (fig. 11, F ) e at6 as mesmas se tocarem (fig. 11, c). Tamb6m se realizam os ensaios de aehatamento de tubos (fig. 11, d). 0s ensaios de bobinagem slo realizados em relaggo aos arames de metais. ferrosos a n5o-ferrosos com dilmetro de 0,2 a 10 mm. Bobina-se o arame, dando 5 a 10 voltas sobre um ferro cilindrico de determinado didmetro ou sobre um trogo do mesmo arame. 0 ensaio de repuxaTabela 1 Propriedades mecdnicas dos metais Metal

Alurninio Volfrdmio Ferro Cobalto Magn6sio Cobre Niquel Estanho Chum bo Titiinio Zinco

I

Simbolo

A1 W Fe Co Rfg Cu Ni Sll Pb Ti Zn

I

Limite de resistbncia MPa

80-110 1100 250-350 700 170-210 200 400-500 20-40 18 300-450 150

Alongamento relative, %

40 21-55 3 15 60 40 44 50 20-28 5-20

Dureza B r ~ n e l l

20-37 160 50 125 25 35 60 5--10 4-6 85 30-42 -

Noq6es gerais da feoria das ligas

0 ejmprego dos metais puros na ind6stria Q muito limitado, uma vez que nem sempre s l o econ6micos e nem sempre t6m as propriedades des~ejadas.Tamb6m nem sempre se combinam, num dado metal, todas; as propriedades pretendidas, por exemplo, a dureza e a plasticidade. As propriedades electricas dos metais dependem da variag5o d a temperatura, alQm de possuirem elevado coeficiente de dilatag5o t6rmica7 etc. As ligas, diferentemente dos metais puros, podem adquirir quase todas as propriedades pretendidas. Chamam-se ligas as substlncias cristalinas obtidas atraves da combinaglo dos metais corn outros metais ou n5o-metais. Por exemplo, a gusa e o ago s60 ligas obtidas pela mistura do ferro com carbono, o l a t l o Q uma liga d e cobre com zinco. 0 s elementos que fazem parte das ligas chamam-se componentes. As ligas podem ser constituidas por dois, trcs ou quatro componentes. Na pritica industrial usam-se mais de 10 mil ligas, que devem satisfazer exigcncias rigorosas. Na energetics t6rmica e at6mica s601 indispensiveis grande refractarismo e elevada resistencia meclnica. 0 progress0 da electr6nica e da indGstria que utiliza semicondutores e laser exige o emprego de ligas de elevada pureza (at6 mais de 99,99996). No fabrico de miquinas de precis50 e automaticas e numa sQrie de outros sectores s5o necesskrias ligas que possuem combinaq6es raras de determinadas propriedades fisico-qiumicas. A obtenglo d e tais ligas nem sempre 6 ficil nas condig6es terrestres. Assim, por exemplo, a liga do aluminio com o volfr&mio,por possuir muito pequena- dellsidade a grande refractarismo, foi obtida pela U.R.S.S. apenas no espago c6smic0, numa estag'ao orbital. A pnreza dos metais ou suas ligas constitui um dos crit6rios mais importantes para a avaliagEo da sua qualidade. Um metal, depois de limpo de] impurezas, adquire propriedades tecnol6gicas muito especiais. Quando a fundiglo do metal se faz em fornos abertos, ele cont6m inevitavelmente impurezas, por estar em o com o ar. Por exemplo, o germ&nio e o silicio s6 siio dotadas das suas prolpriedades semicondutoras quando os seus cristais n6o tbm impnrezas devido ao seu o com o ar, condig50 esta que se torna muito dificil de satisfazer. Uma parte infima de impurezas jii n'ao 6 li~mitemjximo de pureza. No espago c6smico foi obtido um materi29

a1 semicondutor unico que 6 a liga do mercurio tellirico com o c6dmio telurico. Isto foi devido ao facto cle no espaGo cdsmico n i o }laver graviclade, al6m de existir um perfeito vscuo. 0 s semicomndutores deste tip0 t6m grande importlncia para a o b t e n ~ l o dos chamados termovisores, uma espQcie de transformaclores de raiios infravermellios. 0 s cientistas, hoje em dia, elahoram mQtoclos cle o b t e n ~ l otie ligas corn proprieclades magneticas especiais, de grande resistkncia mec6nica. Assim, por exemplo o arrefecimento instantlneo (lo metal em lus60, com urna velocidade igual a 1milhCo de graus pcor segunclo permite obter urna estrutura interna muito especial, semelhante A do vidro, praticamente desprovicla cle cristais. Por conseguinte, quanclo um metal goza destas caracteristicas no espaGo entre as suas particulas nCo h i zonas nas quais se possa desenvolver uma destrui$Eo do metal, quando submetido a tensijes, particularidade esta que torna sumamente resistente a estrutura interna desse metal. As propriedades das ligas diferem das dos seus componentes. Tern grande importlncia tamb6m o caricter especifico da forma como s e unem os componentes e como se desenvolvem os processos relacionaclos com a forma~Boda liga. Durante a soliclifica~Eodas ligas, nelas forrmam-se estruturas muito diferentes, tanto no que diz respeito A estrutura interna como As suas propriedades: misturas meclnicas, solia~ 6 e ss6lidas e compostos quimicos. Numa liga constituida por mistura meclnica h i cristais de todos os componentes. As ligas deste tip0 obtbm-se com qualquer propor@~o de componentes. Numa liga constituida por s o l u ~ h os6lida existe apenas urna rede cristalina que Q a do componente-disselvente, alo o que os Btomos do componente dissolvido ora permanecem dentro da rede cristalina do dissolvente, ora suprem os Btomos de dissolvente, ora, ainda, penetram na rede, no espaGo entre os Btomos d~o dissolvente. As solu~ijess6lidas dHo-se tambem com qualquer prop o r ~ 6 oclos componentes. Na liga constituicla por um composto qujimico verifica-se urna nova rede corn novas propriedades fisico-qujimicas e meclnicas. Trata-se de ligas que se obti5m com urna determanada e rigorosa p r o p o r ~ l odos componentes. E da estrutura interna das ligas que dependem as suas propriedades. AS ligas constituida~s por solu~ijessblidas s60 susceptiveis de serem trabalhadas pela corn\press50, temperatas e resistem bem As cargas de percusslo. As liga~s constituidas por compostos quimicos s l o muito duras, mas, em contrapartida, frigeis. As ligas constituidas por misturas m e c h i c a s sRo susceptiveis de moldagem. 8. TransformaqGes de fase nas ligas

As ligas, em comparaGBo com os metais puros, tbm urna e s t r ~ t u r ~ a interna mais complexa. 0 s processos de cristaliza~loque se desenvolvem nelas sEo de maior complexiclade e diferem consideravelmentle dos que se d5o nos metais puros. A diferen~aconsiste fundamentalmente no facto de que as ligas n5o cristalizam a urna determinada

ternperatura, como ocorre no caso clos metais puros, mas possuem cluas temperaturas de cristaliza$iio: a do comeGo e a do fim da cristaliza~iio.No interval0 entre essas duas temperaturas h6 duas fases, ou seja, duas partes homogeneas do sistema: a fase liquida e os cristais formados. 0 s processos cle cristaliza~los l o factores que se devem ter em considera~lona escolha de metais para a moldagem, forja e outras t6cnicas de fabric0 de peGas, alQm dos regimes de tratamenlo t6rmic0, o que tem grande importbncia. Portanto, 6 necessirio conhecermos a temperatura de cristaliza~80das ligas. As temperaturas cle cristaliza~lo clos metais puros s5o conhecidas e est5o reunidas em tabelas apropriadas, ao o que as temperaturas de cristalizaG50 das ligas, por ser muito diverso o teor dos seus componentes, s l o numerosas e diferentes. Torna-se praticamente impossivel e desnecesstirio estudar as temperaturas de cristaliza$io de cada urna das ligas. Para este fim existem diagramas de estado especiais das ligas em que as temperaturas de cristaliza~50 das mesmas estEo representadas por curvas que, alQm disto, permitem determinar as caracteristicas especificas e o estado das ligas correspondentes quando se altera a sua composi~loem f u n ~ l oda variaglo da temperatura. 0 s diagramas de estado facilitam a correcta escolha de ligas para um determinado trabalho tecnolbgico, caracterizam as suas propriedades fisicas e mesmo as meclnicas. 9. NoqSo de diagramas d e estado das ligas

Existem diversos tipos de diagrama de estado das ligas em f u n ~ 5 o do n6mero de componentes que as constituem (duplos para o caso dos diagramas das ligas de dois componentes, triplos - para as ligas de tr6s componentes). Analisemos a seguir as mais importantes ligas de dois componentes que formam dois tipos de combina~ijes: mistura meclnica e s o l u ~ l os6lida. NEo vamos estudar aqui os diagramas de estado das ligas constituidas por compostos quimicos. Exemplos de ligas constituidas por mistura meclnica sEo: o chumbo antimbnio, o cobre - niquel, o aluminio - silicio, etc. 0 s diagramas de estado das ligas s5o t r a ~ a d o snas coordenadas temperatura teor. Vejamos o diagrama de estado deuma liga constituida por componentes que, quando no estado liquido, se tornam ilimitadamente solliveis, enquanto que no estado s6lido constituam urna mistura meclnica. Aos diagramas do primeiro tip0 pertence o diagrama de estado da liga chumbo - antimbnio. Para podermos tragar o diagrama, entre a infinidade de ligas de diversas concentra~ijes,escolhem-se trss ou quatro ligas supersaturadas de chumbo ou de antimhnio, para, logo depois, construir primeiro um diagrama auxiliar temperatura - tempo e, seguidamente, o diagrama fundamental temperatura - teor (fig. 12). No diagrama auxiliar, t r a ~ a m - s eas curvas de cristaliza~Eodo chumbo e do antim6nio de pureza absoluta marcando os pontos correspondentes As suas temperaturas de cristaliza~lo(327" C para

Filg. 13 Estruturas internas das ligas P b - Sb: a

Tempo

Pig. 12 Diagrama cle estado clas ligas Pb

Percentagem em peso de antimonio, %

- Sb

As temperaturas de cristaliZag50 correspondem os segmentos horizontais nas curvas 1 e 6 , respectivamente. Escolham-se quatro ligas com o seguinte teor de chumbo Pb e antim6nio Sb, em %: 1) Pb 95, Sb 5; 2) Pb 90, Sb 10; 3) Pb 87, Sb 13; 4) Pb 60, Sb 40. Tracemos as curvas de cristalizagZio destas ligas. A cristalizagZo da primeira liga (5%) di-se na seguinte forma: at6 300" C a liga permanece liquida, mas a partir de 300 "C a temperatura decresce lentamente, dando-se o inicio da cristalizagho do chumbo; a parterestante de liga liquida torna-se pobre em chumbo e , por conseguinte, rica em antim6nio. Quando o teor de antim6nio atinge 13 % d6-se a cristalizagho definitiva da liga, A temperatura d e 246 "C (ver o trecho horizontal da curva 2). A liga seguinte (com 10% de Sb) cristaliza de urna forma semelhante h da primeira, com a 6nica diferenga de que a temperatura do principio da cristalizagho 6 mais baixa; a temperatura do fim desolidificaggo Q a mesma, isto 6, 246 "C, sendo o teor de antim6nio nestas condig6es igual a 13% (curva 3). A terceira liga (curva 4) com 13% Sb e 87% Pb, permanece liquida at6 246 "C e logo, a esta mesma temperatura, atinge a sua cristalizagho definitiva, dando uma mistura mecinica de cristais. Esta liga que cristaliza a urna dada temperatura, a inferior para o sistema dado, dando urna mistura mecinica muito fina, tem o nome de eutdctica. A estrutura interna desta liga 6 uniforme. A cristalizagiio da quarta liga (40% Sb) comega a 400" C, com a libertagho dos cristais de antim6nio em excesso. A 1iga;liquida empobrece de antimbnio, e, quanto o teor de Sb atinge 13%, d6-se, a 246 "C, 'a sua cristalizagEo total definitiva. Transfiramos todos os pontos obtidos no diagrama temperatura-tempo para o diagrama fundamental e tracemos atraves deles urna curva, AEB. dita liquidus. Todas as ligas acima desta linha encontram-se no estado liquido. A linha MEN tem o nome de srjlidus. .o chumbo e 631" C para o antim6nio).

- hipoeut6ctica;

b

- eutectica; c - hipereutectica

Todas as ligas chumbo-antimbnio, situadas abaixo dela, permanecem no estado s6lido. No interval0 entre o liquidus e o s6lidus a liga consta de duas fases: fase liquida e cristais de urn dos componentes. As ligas com o teor de antim6nio inferior a 13% Sb, por Eicarem A esquerda da liga eutkctica, chamam-se hipoeutdcticas, as que palssuam menos de 13% Sb t2m o nome de hipereutdcticas. A estrutura e as propriedades delas s5o muito diferentes. Nas ligas hipoeut6cticas, alQm da eutQctica. h i tamb6m cristais de chumbo em excesso (fig. 13, a), ao o que nas hipereutkcticas sobram cristais de antim6nio (fig. 13, c). A diferenga das estruturas determina a diferenga entre as propriedades das ligas. Para podermos determinar o estado da liga de qualquer composig'lo quimica e a quaisquer temperaturas. assim como para localizar o seu ponto de cristalizagho por meio do diagrarna, 6 de tragarmos, a partir do ponto que indique o teor, a concentragho da liga, urna perpendicular at6 A sua intersecgho com as linhas de liquidus e s6lidus (ver a fig. 12). Esses pontos de intersecgho correspodem ao inicio e o fim da cristalizag'lo da liga considerada. Por exemplo, suponhamos que Q necessirio determinar o estado e a estrutura da liga com 50% de anltim6nio, A temperatura de 400 "C. 0 ponto de intersecgho da perpendicular indicari que a liga com 50% de Sb possui duas fases: uwa liquida e urna sblida, isto 6, cristais de antimbnio, urna vez que este ponto fica na zona BEN do diagrama. 0 diagrama chumbo - antim6nio tem importgncia pr6tica na escolha de ligas para chumaceiras. Se atendermos As condig6es que se exigem das ligas desse tipo, isto 6, a combinagEo indispensivel de um metal brando de base corn inclus6es duras intersticiais, veremos que as ligas hipoeutQcticas sho imprbprias. urna vez que sho comstituidas por uma eut6ctica branda e cristais de chumbo macios, ao o que as ligas hipereutkticas, por constarem de urna eut6ctica branda e cristais de antim6nio duros, satisfazem as ditas condig6es. A base mole, durante o funcionamento das chumaceiras, vai-se desgastando, enquanto os cristais de antim6nio as protegem contra o desgaste excessivo. Nas cavidades de tamanhos microsc6picos que se produzem nas superficies de atrito mant6m-se bem o lubrificante. Dal infinidade de ligas hipereutecticas temos de escolher as ligas que nho sejam muito frigeis, mas com a temperatura de fnsho de

iioo 1600

1000 1

-

I ernpo

0

20 40 60

80 100

Percentagern em peso de niquel, %

Fig. 14 Diagrama de estado das ligas Cu - N i

340-360 "C, o que corresponde i tenlperatura cle moldagem das cliumaceiras. Satisfaze~nestas condipBes as ligas cujo teor de antimonio se situa dentro dos limites de 15 a 20% de Sb. 0 s diagramas do segundo tip0 correspondem i s ligas cujos couponentes, seja no estado liquid0 ou no sdlido, constituem uma solup5o. Pertencem i s ligas desse tip0 as de cobre - niquel, de ferro niquel, cobalto - crdmio, etc. 0 s diagramas de estado destas ligas s5o obtidas da mesma forma que os diagramas do primeiro tipo, isto 6, atraves da anhlise das curvas de arrefecimento das ligas con1 diversos valores do teor dos componentes. Vejamos a seguir o diagrama de estado das ligas cobre - niquel (fig. 14). A curva I refere-se ao cobre puro com o ponto de cristalizap50 de 1083 "C, ao o qule a curva 5 diz respeito ao niquel com o ponto de cristalizap50 de 1452 "C. A curva 2 6 prdpria da cristalizap50 de uma liga com o tear de niquel igual a 20%. 0 inicio da cristalizaplo dessa liga d6-se no ponto a , dando-se a cristalizap50 da malha de cobre em qua haja 20% de niquel. No ponto b a cristalizaplo termina. Da mesma forma se desenvolve a cristalizap50 das ligas corn 40% (curva 3 ) e 8 0 % (curva 4) de niquel, com a 6nica diferenpa de que os pontos do inicio (a, e a,) e os do fim (b,, e b,) da cristalizap50 da primeira liga s51o inferiores aos que possui a segunda liga. Transfiramos todos as pontos do inicio e do fim da cristalizap50 do cobre, do niquel e dam ligas citadas para o diagrama fundamental (fig. 14, da direita:). Depois de unirmos esses novos pontos, obteremos as linhas deliqu~ldus AaB e de s6lidus AbB. 0 cobre o e o niquel, acima da linha AaiB permanecem liquidos, enquanto abaixo da linha AbB se encontram no estado sblido. Na zona compreendida entre as linhas AaB h i duais fases: uma liga liquida e os cristais duma soluplo sdlida de niquel e cobre. 0 diagrama do segundo tip0 difere do primeiro pel0 facto de qule no primeiro caso se produz apenas uma malha cristalina e, portanto, n5o h6 nenhuma liga eutkctica, corno geralmente se observa nas ligas

constituidas por uma mistura mecbnica. Alem disto, nas ligas cobreniquel o inicio e o fim da cristalizaglo, devido aos diferentes teores dos seus componentes decorrem a temperaturas diferentes. HA ligas em que podem estar presentes ao mesmo tempo todos os tipos de combinapBes analisadas: mistura meciinica, s o l u ~ 5 os6lida e compostos quimicos. Um exemplo de ligas deste tip0 constituem o ago e a gusa (ferro fundido). A variapho das propriedades das ligas em funp5o da sua estrutura interna determina as suas aplicapties tQcnicas na pritica. As ligas constituidas por misturas s l o susceptiveis de moldagem. Isto Q prdprio especialmente das ligas eutbcticas, por possuirem elevada fluidez e mais baixa temperatura de fus5o. As ligas hipoeut6ticas e hipereuteticas tambbm sho empregues para a moldagem, embora a sua fluidez seja um tanto inferior, o que resulta na tendGncia para a fendilllap50 e fissuraplo. Portanto, para a moldagem usam-se ligas cuja estrutura interna 6 prdxima de que tem a liga eutbctica. As ligas constituidas por misturas s5o largamente usadas no fabrico de fusiveis para as redes de fornecimento elbctrico, de soldas, assim como de chumaceiras. As ligas constituidas por solupBes s6lidas s5o as que com maior frequcncia se utilizam na priitica, por serem mais duras e resistentes do que os seus componentes, alQm de possuirem elevada plasticidade cujo valor, muitas vezes, Q superior ao que t6m os elementos constituintes dessas ligas. Trata-se das ligas de cobre-zinco (latgo), de cobre-niquel, etc. Praticamente, podem obter-se ligas de cohre-niquel cuja dureza e resisthcia s l o superiores Bs do cobre, com a mesma plasticidade, sendo muito empregues no fabrico de pepas sujeitas a pancadas e ao desgaste e resistentes a tais cargas. As ligas desse tip0 t6m uma resist6ncia elQctrica superior B que possuem os metais puros, devendo satisfazer a condip50 de que o valor dela n5o varia com a mudanpa da temperatura. Trata-se das ligas de niquel com crbmio (dito nicrdmio) indispenshveis para o fabrico da aparelhagem de medipties electricas, rebstatos, etc. As ligas constituidas por solupBes d i d a s , devido i sua elevada plasticidade, s5o de f i c i l tratamento por compresszo, isto 6, da forja, laminagem, estampagem, sendo muito resistentes i corroszo e de fhcil tratamento' tbrmico. As ligas constituidas por compostos quimicos possuem elevada dureza, grande tenacidade (resistcncia) e resist6ncia electrica considerhvel. Por vezes a sua dureza Q 10 vezes superior h dos componentes puros que as constituem. Assim, por exemplo o cobre e o estanho s5o metais moles, ao o que os cristais de composto na liga de cobre com estanho possuem elevada dureza. 0 ferro e o carbon0 s5o materiais brandos, enquanto que os compostos quimicos formados por esses elementos s5o de grande dureza. As ligas constituidas por compostos quimicos s5o empregnes para o fabrico de ferramentas cortantes, mas, devido B sua elevada fragilidade, s5o impr6prias para o tratamento por compresslo.

I

,I

10. Transformag6es estruiurais nas ligas ferro-carbono

A composi~boquimica das ligas ferro-carbon0 Q muito complexa. Ale'm do componente fundamental que Q o carbono, cont6m muitas outras impurezas. Repare-se que a influgncia exercida por essas impurezas na temperatura de cristaliza~ioe na estrutura interna dos componentes das ligas deste tip0 nEo Q grande. Portanto, o diagrama das ligas ferro-carbono deve ser considerado como diagrama de ligas de dois componentes ferro-carbono. I3 um diagrama complicado e, para o compreendermos, devemos ter uma ideia clara do que ocorre nas ligas ferro-carbon0 durante o seu aquecimento e arrefecimento para sabermos com certeza as temperaturas a que se d i o nelas o comego e o fim da solidifica$io (fusEo) e qua1 Q a sua estrutura interna depois de solidificadas. Tudo isso permite conhecer as propriedades das ligas e escolher as temperaturas apropriadas para o tratamento t6rmico das mesmas. A complexidade desse diagrama deve-se tambQmao facto de serem diferentes as redes cristalinas do ferro a temperaturas diferentes e com teor de carbono diferente. Portanto, no ferro combinado com o carbono podem existir diversas estruturas internas: ferrite, austenite, cementite, perlite. Chama-se ferrite F uma solug50 s6lida de carbono em ferro-a. Trata-se de urna estrutura interna que se dii no ago apenas a temperaturas inferiores a 727 "C. 0 teor de carbono na ferrite Q muito reduzido: com urn valor minimo A temperatura normal do ambiente 0,006% e um valor maxim0 a 727 "C igual a 0,02 %. 1;: a estrutura que corresponde ao aGo mais macio cuja dureza Q de 80-100 HB. A austenite A Q a designa~ioda solu$Eo s6lida do carbono no ferro-y que dissolve bem o carbono, cujo teor no ago constitui 2,14% a 727 "C. A dureza da austenite n i o 6 grande (170 -220 HB), sendo suficientemente grandes a sua tenacidade, plasticidade e resist6ncia A corrosio. A sua estrutura Q antimagnktica. A cementite C ou carbureto de ferro (Fe,C) Q uma combinagEo quimica do ferro com o carbono, sendo o teor miiximo deste hltimo 6,67 %. 1;: o tip0 mais duro de estrutura interna do ago (700-800 HB) A cementite Q bastante resistente, mas muito friigil e magnQtica. A perlite P 15 uma mistura de ferrite com cementite. Existem duas variedades de perlite: lamelada (constituida por lamelas de cementite) e granulada (constituida por gr'ios de cementite). A perlite granulada Q mais dura e resistente do que a perlite lamelada, ocupando uma posi~Eointermedia entre a ferrite e a cementite (200-220HB). A perlite contQm0,896 de carbono e possui elevadas a elasticidade e resisthncia, sendo 1-160 muito grande a sua plasticidade. No diagrama das ligas ferro-carbono podem ser consideradas as transformagBes que se dCo nas ligas com o teor de carbono at6 6,67% (6 a quantidade m6xima de carbono que se pode dissolver no ferro).

d l . Diagrama de estado das ligas ferro-carbono

Atraves do diagrama de estado das ligas ferro-carbon0 analisam-se s s processes de cristaliza~iioque se dHo nas ligas de ferro-carbon0 (agos e gusa) durante o seu aquecimento, assim como as transformag6es produzidas nas suas estruturas internas quando arrefecidas lentamente a partir do seu estado de f u d o at6 A temperatura normal do ambiente (fig. 15). No sistema de coordenadas desse diagrama, as atbcissas correspondem aos valores do teor de carbono de 0 a 6,67 %. As ligas, no diagrama, ficam divididas em dois grupos com propriedlades diferentes. As ligas que conthm 0-2,14% de carbono sEo rnaleiiveis e tgm o nome de agos, ao o que aquelas que contcm 2,14-6,67% de carbono s i o gusas (ferro fundido). A transforma$Eo die todas as ligas ferro-carbon0 em fusiio em ligas s6lidas dita cristalizaGCo primiiria, dCse na linha de liquidus ACD. Repare-se que as ligas com 4,3% de carbono cristalizam na linha AC, produzindo a~usteniteA , enquanto as ligas cujo teor de carbono seja superior a1 4,396, cristalizam na linha CD, produzindo a cementite C1. A liuha AECF Q o s6lidus. Abaixo desta linha todas as ligas ferro-carbono permanecem no estado s6lido (ap6s a cristaliza~iio). Nas ligas ferro-carbono, depois de solidificadas, surgem cliversas eatruturas internas. 0 ponto C ( 4 3 % de carbono) 6 um ponto eutbc-

AGO

Fig. 15

X

Dljagrama de estado das ligas ferro-carbon0

Gusa

tic0 en1 que se cruzam as linhas A C e CD. E l e corresponde B tempe!ratura de 1'147 "C a que se solidifica a liga com o teor de carbon10 indicado, devendo reparar-se, porQm, que ao mesmo tempo se separam da liga em fusgo os cristais de austenite e de cementite primiria~, danclo origem a urna mistura eutectica chamada ledeburite L. A estrntura interna desta filtima Q constituida por urna mistura homog6nesa de cristais de austenite e cementite primiria (A CI). A cementite diz-se primfiria porque se separa directamente da liga liquida. As gusas com o teor de carbono inferior a 4,3% t6nn a nome de hipoeute'cticas. A sua cristalizapiio dCse a temperaturas situadas na linlla A C , libertando a austenite, ao o que termina a tenlperaturas correspondentes B linha E C . Com a diminuipgio posterior da temperatura a solubilidade do carbono decresce, n5io podendo a austenite deter a cementite, razgo por que se produz a setp a r a ~ 5 oda cementite que, neste caso, se chama secundfiria C2. Por conseguinte, nas gusas 1lipoeutQcticasestgo presentes tr6s estrut11i.a~:L + A C2. Com a diminuigiio posterior da temperatura, ;I cementite continua a separar-se da austenite. Quando o seu teor atingir 0,896. a austenite, a 727 "C, comepa a transformar-se em perlite. Deste modo, na gusa hipoeutQctica, em caso do arrefecimentco lento e progressive, surge a estrutura L P C2. As gusas com o teor de carbono superior a 4,3% t6m o nome d~e Izipereuticticas. A sua cristalizapiio d8-se a temperaturas corresponrleutes B linha C D . Nestas condip6es dfi-se a separapiio da cementite prim8ria C1. A cristalizap50 termina a 1147 "C e corresponde A linlla CF. Esta estrutura permanece constante, por conseguinte, durantle llnl arrefecimento lento e total, nas gusas hipereutQcticasconserva-se a estrutura L C1. A austenite, fazendo parte da eutQctica ledeburitica, transforma-se, a 727 "C, em perlite. No fabrico de mfiquinaa ~lsam-segusas hipoeutQcticase euthcticas, ao o que as hipereutQcticas, por serem muito frfigeis, sgo imprdprias para esse efeito. No diagrama de estado das ligas ferro-carbono, dispensa-se mais a tengiio B parte esquerda, isto 6, aos apos, urna vez que o tratamento tPrmico assenta precisamente nas transformap6es produzidas nestes metais. Vejamos pormenorizadamente essas transformapaes. A soliclificap'ao que corresponde ilinha A E d i origem A formapgo da austenite A; com a diminuip'ao da temperatura essa austenite sofre a cristalizapgo secundfiria relacionada com a modificapgo de malha cristalina, ou seja, a transformap'io do ferro-y em ferro-a, que,tamb6m diz respeito A solubilidade do carbono nessas fases, separando-se da austenite, a ferrite e a cementite secundiria C2. No ponto S, que corresponde ao teor de carbono 0 , 8 % , a austenite, a 727 "C, desintegra-se totalmente, dando origem a urna mistura dr; ferrite corn cementite C2, que se chama perlite P. 0 ago destas caracteristicas tem o nome de eutecto'ide. Atenda-se a que os apos corn o teor de carbono inferior a 0,8% se denominam hipoeutecto'ides e aqueles cujo teor de carbono Q superior a 0 , 8 % , hipereutecto'ides. A transformap50 do ferro puro, ando de ferro-y para ferro-a,

dfi-seB temperatura de 911 "C. No diagrama este process0 corresponde ao ponto G. A desintegrapiio da austenite nos apos hipoeutectdides comega a temperaturas situadas na linha GS, com libertapiio da ferrite F. Portanto, com a diminuipgo posterior da temperatura cresce o teor de carbono na austenite restante, e quando o teor de carbono atinge 0,8% (a 727 "C), a austenite fica completamente transformada em perlite. Desta forma, no apo hipoeutect6ide, no caso do seu arrefecimento lento e total, surge a estrutura P F. No apo hipereutect6ide o comepo da desintegrapgo da austenite corresponde A linha SE. Com a diminuipgo da temperatura a austenite supersaturada de carbono separa-se tomando a forma de cementite secundiria C2. Quando o teor de carbono na austenite for igual a 0 , 8 % , esta , A temperatura de 727 "C, fica transformada em perlite. Por conseguinte, no apo hipereutect6ide durante o arrefecimento lento C2. e completo surge a estrutura P A linha GSE chama-se linha dos pontos criticos superiores ou linha do comepo da desintegrapgo da austenite (durante o arrefecimento). Esta linha designa-se por Ac, - durante o aquecimento, e por A r , - durante o arrefecimento. A curva P S K (A temperatura de 727 "C) tem o nome de linha dos pontos criticos inferiores ou linha das transformap6es perliticas (durante o arrefecimento). Ela designa-se por Ac,- durante o aquecimento e por A r , - durante o arrefecimento. O diagrama de estado das ligas ferro-carbon0 permite estabelecer os regimes de temperatura da cristalizapiio dos apos e das gusas brancas, assim como os regimes de tratamento por compress50 a quente (forjadura, laminagem, estampagem), os regimes de tratamento tQrmiCO, etc. Quando o arrefecimento Q muito lento, a oristalizap50 pode desenvolver-se com urna dinhmiea tab que o carbono tame a forma de grafite. As ligas ferro-carbon0 que cont8m carbono sob a forma de grafite chamam-se gusas cinzentas. No presente manual o diagrama de estado dessas gusas niio se analisa, urna vez que a sua importdncia prfitica 6 muito grande.

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Capitulo 3

Ligas ferro-carbon0 As ligas ferro-carbono incluem a gusa e o apo. A gusa Q um.materia1 men& caro que se utiliza no fabrico de mhquinas e susceptive1 de moldagem, alhm de ser muito usado na obtenpgo dos apos. 12. No~8esgerais sobre o fabrico da gusa. Processes fecnologicos e produtos obfidos nos aHos fornos I

No jabrico da gusa usa-se como mathria prima o minQrio de ferro. Trata-se de minerais que contgm ferro numa quantidade suficiente para tornar econ6mico o seu emprego industrial. 0 s minQrios de