Apostila Senai

Curso Técnico em Mecânica

Materiais e Ensaios

Armando de Queiroz Monteiro NetoPresidente da Confederação Nacional da Indústria

José Manuel de Aguiar MartinsDiretor do Departamento Nacional do SENAI

Regina Maria de Fátima TorresDiretora de Operações do Departamento Nacional do SENAI

Alcantaro CorrêaPresidente da Federação das Indústrias do Estado de Santa Catarina

Sérgio Roberto ArrudaDiretor Regional do SENAI/SC

Antônio José CarradoreDiretor de Educação e Tecnologia do SENAI/SC

Marco Antônio DociattiDiretor de Desenvolvimento Organizacional do SENAI/SC

Confederação Nacional das Indústrias

Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial

Curso Técnico em Mecânica

Materiais e Ensaios

Fernando Darci Pitt

Florianópolis/SC2010

É proibida a reprodução total ou parcial deste material por qualquer meio ou sistema sem o prévio consentimento do editor. Material em conformidade com a nova ortografia da língua portuguesa.

Equipe técnica que participou da elaboração desta obra

Coordenação de Educação a DistânciaBeth Schirmer

Revisão Ortográfica e NormatizaçãoContextual Serviços Editoriais

Coordenação Projetos EaDMaristela de Lourdes Alves

Design educacional, Ilustração, Projeto Gráfico Editorial, Diagramação Equipe de Recursos Didáticos SENAI/SC em Florianópolis

AutorFernando Darci Pitt

SENAI/SC — Serviço Nacional de Aprendizagem IndustrialRodovia Admar Gonzaga, 2.765 – Itacorubi – Florianópolis/SCCEP: 88034-001Fone: (48) 0800 48 12 12www.sc.senai.br

Ficha catalográfica elaborada por Luciana Effting CRB14/937 - Biblioteca do SENAI/SC Florianópolis P688m

Pitt, Fernando Darci Materiais e ensaios / Fernando Darci Pitt. – Florianópolis : SENAI/SC,

2010. 87 p. : il. color ; 28 cm.

Inclui bibliografias.

1. Materiais. 2. Materiais – Testes. 3. Mecânica. 4. Metalografia. I. SENAI.

Departamento Regional de Santa Catarina. II. Título.

CDU 620.1

Prefácio

Você faz parte da maior instituição de educação profissional do estado. Uma rede de Educação e Tecnologia, formada por 35 unidades conecta-das e estrategicamente instaladas em todas as regiões de Santa Catarina.

No SENAI, o conhecimento a mais é realidade. A proximidade com as necessidades da indústria, a infraestrutura de primeira linha e as aulas teóricas, e realmente práticas, são a essência de um modelo de Educação por Competências que possibilita ao aluno adquirir conhecimentos, de-senvolver habilidade e garantir seu espaço no mercado de trabalho.

Com acesso livre a uma eficiente estrutura laboratorial, com o que existe de mais moderno no mundo da tecnologia, você está construindo o seu futuro profissional em uma instituição que, desde 1954, se preocupa em oferecer um modelo de educação atual e de qualidade.

Estruturado com o objetivo de atualizar constantemente os métodos de ensino-aprendizagem da instituição, o Programa Educação em Movi-mento promove a discussão, a revisão e o aprimoramento dos processos de educação do SENAI. Buscando manter o alinhamento com as neces-sidades do mercado, ampliar as possibilidades do processo educacional, oferecer recursos didáticos de excelência e consolidar o modelo de Edu-cação por Competências, em todos os seus cursos.

É nesse contexto que este livro foi produzido e chega às suas mãos. Todos os materiais didáticos do SENAI Santa Catarina são produções colaborativas dos professores mais qualificados e experientes, e contam com ambiente virtual, mini-aulas e apresentações, muitas com anima-ções, tornando a aula mais interativa e atraente.

Mais de 1,6 milhões de alunos já escolheram o SENAI. Você faz parte deste universo. Seja bem-vindo e aproveite por completo a Indústria do Conhecimento.

Sumário

Conteúdo Formativo 9

Apresentação 11

13 Unidade de estudo 1

Estrutura Química

Seção 1 - Classificação dos materiais

Seção 2 - Ligações químicas

Seção 3 - Estruturas crista-linas

Seção 4 - Defeitos cristalinos


Propriedades dos Materiais

Seção 1 - Propriedades físicas

Seção 2 - Propriedades químicas

Seção 3 - Propriedades mecânicas

13

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16

19


Materiais Metálicos Ferrosos

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 Não Ferrosos

Seção 1 - Os tipos de mate-riais metálicos não ferrosos


Metalografia

Seção 1 - Introdução

Seção 2 - Microscopia

Seção 3 - Preparação das amostras

Seção 4 - Preparação dos reagentes


Processamentos Térmicos


Seção 2 - Fatores de controle nos tratamentos térmicos

Seção 3 - Diagrama transfor-mação-tempo-temperatura (TTT)

Seção 4 - Tratamentos tér-micos

Seção 5 - Tratamentos ter-moquímicos


Ensaios


Seção 2 - Ensaios de oficina

Seção 3 - Ensaios não destru-tivos

Seção 4 - Ensaios destrutivos

Finalizando 81

Referências 83

Anexos 85

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8 CURSOS TÉCNICOS SENAI

Conteúdo Formativo

9MATERIAIS E ENSAIOS

Carga horária da dedicação

Carga horária: 45 horas

Competências

Avaliar as características e propriedades dos materiais em componentes mecâni-cos utilizando técnicas de ensaios.

Conhecimentos

▪ Tratamentos térmicos.

▪ Metalografia.

▪ Ensaios mecânicos (destrutivos e não destrutivos).

Habilidades

▪ Ler e interpretar desenhos técnicos.

▪ Identificar, selecionar e utilizar equipamentos e ferramentas de ensaios.

▪ Ler, interpretar e aplicar manuais, catálogos e tabelas técnicas.

▪ Aplicar normas técnicas de saúde, segurança e meio ambiente.

▪ Identificar materiais.

▪ Aplicar ensaios mecânicos.

▪ Especificar processos de transformação dos materiais.

▪ Estabelecer critérios de análise para as causas dos diferentes tipos de fraturas.

▪ Interpretar as estruturas metalográficas e analisar as mudanças que ocorrem por meio dos tratamentos térmicos.

▪ Preparar e analisar as amostras metalográficas dentro dos padrões técnicos.

▪ Aplicar ensaios destrutivos e/ou não destrutivos de acordo com a necessidade.

▪ Especificar o tratamento térmico adequado de acordo com a aplicação.


Atitudes

▪ Assiduidade.

▪ Proatividade.

▪ Relacionamento interpessoal.

▪ Trabalho em equipe.

▪ Cumprimento de prazos.

▪ Zelo com os equipamentos.

▪ Adoção de normas técnicas, de saúde e segurança do trabalho.

▪ Responsabilidade ambiental.

Apresentação

MATERIAIS E ENSAIOS

Prezado aluno, em sua vida profissional certamente você necessitará es-pecificar materiais para projetos mecânicos novos ou projetos voltados para manutenção e reforma. E ao seu dispor existirão milhares de op-ções de materiais metálicos, poliméricos, cerâmicos e compósitos. E qual selecionar? Para que este atenda a função que se propõe, deverá apresen-tar características físico-químicas e propriedades mecânicas adequadas, além de custo condizente.Os materiais envolvem os povos desde o início dos tempos. Seu desen-volvimento e o controle de suas propriedades além de oferecerem con-forto à humanidade, também proporcionam um maior desenvolvimento às nações. Na antiguidade o desenvolvimento de novos materiais e ligas foi tão marcante que deu nome às eras: idade da pedra, idade do bronze e do ferro.Neste livro você irá encontrar as principais classificações dos materiais, seus conceitos e propriedades e aprenderá os procedimentos para a realização de análises metalográficas sobre tratamentos térmicos, bem como os conceitos dos ensaios aplicados aos materiais. Bom estudo!

Fernando Darci Pitt

Fernando Darci Pitt é engenhei-ro de materiais pela Universi-dade Estadual de Ponta Grossa (UEPG), especialista em Gestão Empresarial pela Fundação Ge-túlio Vargas (FGV) e mestrando em Engenharia Química pela Universidade Regional de Blu-menau (FURB). Possui experiên-cia na área de processamento, desenvolvimento de materiais e de aditivos na indústria de transformação de polímeros por injeção. Atua como professor no SENAI/SC desde 2004 em cursos técnicos e de tecnologia (gradu-ação), ministrando disciplinas correlatas à Engenharia e Ciên-cia dos Materiais.

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Unidade de estudo 1

Seções de estudo

Seção 1 – Classificação dos materiaisSeção 2 – Ligações químicasSeção 3 – Estruturas cristalinasSeção 4 – Defeitos cristalinos


SEÇÃO 1Classificação dos materiais

Todos os materiais existentes no universo são classificados de acor-do com suas características físico-químicas e sua estrutura atômica em materiais metálicos, polimé-ricos, cerâmicos ou compósitos. Também é possível encontrar classificações mais específicas em função de suas aplicações como a dos semicondutores e biomate-riais.

Materiais metálicos: são mate-riais obtidos pelas combinações de elementos químicos metálicos, possuindo um número grande de elétrons não localizados que po-dem se movimentar livremente de um átomo a outro, o que lhe con-fere certas propriedades intrínse-cas a esta classe de materiais. São excelentes condutores de calor e eletricidade, opacos, normalmen-te de elevada resistência mecânica e geralmente com alto ponto de fusão. A ligação química predo-minante é a metálica. Exemplos: alumínio (Al), ferro (Fe), cobre (Cu), etc.

Figura 1 - Material Metálico: OuroFonte: NDT (2009).

Estrutura Química

Materiais cerâmicos: são mate-riais de estrutura tipicamente cris-talina cujas composições são entre elementos metálicos e não metáli-cos, geralmente formando óxidos, nitretos ou carbetos (Al2O3, Si3N4, WC, etc.). São excelentes isolantes térmicos e elétricos resistentes a altas temperaturas e ao desgaste, porém frágeis. Dependendo do método de fabricação, podem variar de cerâmicas densas a po-rosas. A ligação química predomi-nante é a iônica e em alguns casos pode existir a covalente.

Classificam-se em cerâmicas es-truturais, refratárias, vidros, abra-sivos, cimentos, materiais avan-çados, dentre outros. Exemplos: tijolos refratários, vidros, pisos de revestimento, selos mecânicos.

Materiais poliméricos: comu-mente conhecidos como plásticos e borrachas. São compostos orgâ-nicos de cadeia longa de origem natural ou sintética baseados nos hidrocarbonetos (carbono (C), hidrogênio (H), nitrogênio (N), dentre outros), geralmente oriun-dos do petróleo, gás natural, ou materiais naturais. Suas principais características são baixa densida-de, resistência à corrosão, isolante elétrico e pouco resistente ao ca-lor extremo. Dividem-se basica-mente em dois grandes grupos, os termoplásticos e os termorrí-gidos.

Cerâmicos: A palavra deriva do grego “keramos” que sig-nifica olaria.

Poliméricos: A palavra polí-mero deriva do grego (poli + mero) que significa “muitas partes”.


Materiais naturais: podem ser classificados originalmente como um material pertencente às três primeiras classes (metal, cerâmica ou polímero), de acordo com suas características. Exemplos: mine-rais (cerâmica), madeira, látex e peles (polímeros naturais).

DICA Leia mais sobre as classes de materiais acessando o site:

<http://www.mspc.eng.br/ciemat/cmat110.shtml>.

SEÇÃO 2Ligações químicas

Embora existam pouco mais de cem diferentes elementos quími-cos no universo, milhares de ma-teriais são criados pela combina-ção desses por meio de ligações químicas e arranjos atômicos. A estrutura atômica afeta as pro-priedades primárias: química, fí-sica, térmica, elétrica, magnética e óptica. Enquanto que as pro-priedades mecânicas do material são afetadas pela microestrutura e macroestrutura do material.

Átomos

O primeiro conceito sobre áto-mos foi proposto por Leucipo e Demócritos por volta do século V antes de Cristo. Naquele momen-to, postularam que a matéria não era infinitamente divisível, e sim composta por partículas minús-culas que a constituíam.

A ligação química predominante é a covalente. Exemplos: nylon (PA), polietilenos (PE), poli (te-reftalato de etileno) (PET).

Materiais compósitos: são obti-dos pela combinação de dois ou mais materiais distintos criando um novo material, cujas proprie-dades são superiores aos de ori-gem. As fases presentes são classi-ficadas em matriz e reforço, e este pode estar na forma de partículas ou fibras, dispersas ou uniformes.

O reforço é o responsável por impedir e/ou minimizar o meca-nismo de deformação. Esta classe de materiais está entre as de maior pesquisa na atualidade visto que conseguem agregar características de mais de um material em um produto final. A ligação entre a matriz e o reforço pode ser quí-mica e/ou física. Exemplos: nylon (matriz) com fibra de vidro (refor-ço), materiais esportivos de alumí-nio (matriz) com fibra de carbono (reforço), concreto (matriz) com agregados (reforço).

Materiais semicondutores: ma-teriais que apresentam proprie-dades elétricas intermediárias en-tre os condutores e os isolantes, propriedades estas que são extre-mamente sensíveis à presença de outros elementos, os quais podem ser incorporados propositalmen-te. Exemplos: componentes ele-trônicos, resistores, capacitores.

Biomateriais: também designa-dos de materiais biocompatíveis, possuem a propriedade de serem compatíveis com os tecidos do corpo humano. Não são rejeita-dos pelos organismos vivos nem liberam substâncias tóxicas nesses organismos. Exemplos: platina (Pt) e titânio (Ti) utilizados em próteses humanas.

Átomo: A palavra átomo surge do grego a = não /

tomo = divisível.


Também propunham que todas as características dos materiais, como gosto, cor, transparência, dentre outras, eram devido às for-mas dessas partículas. Por exem-plo, 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 completa-mente ultrapassada, para a épo-ca foi de grande valia, pois criou respostas físicas para aconteci-mentos que até então eram tidos como sobrenaturais ou por von-tade dos deuses.

Na Idade Média, a química pas-sou 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 bri-tânico John Dalton apresentou o que hoje se considera a primeira teoria atômica da era moderna. Diferentemente da teoria de De-mócritos, Dalton imaginou o áto-mo com sendo uma esfera com massa e propriedade característica de cada elemento, e que as trans-formações químicas poderiam ser explicadas em função dos rear-ranjos 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 apre-sentados, 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).

Figura 2 - Modelo Atômico de Niels Bohr

elétronsprótons

núcleonêutrons

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 com-pleta, o que geralmente se dá com 8 elétrons (regra do octeto), e para que isso ocorra pode haver compartilhamento ou transferência eletrô-nica, 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 hidro-gênio.

▪ Ligações metálicasUma 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 respon-sável pela condutibilidade termoelétrica.


▪ Ligações iônicasAs ligações iônicas ocorrem entre átomos com cargas diferentes, os cátions e os ânions, metais e não metais. Os átomos metálicos pos-suem normalmente 1, 2 ou 3 elé-trons na sua camada de valência, enquanto que os não metais pos-suem 5, 6 ou 7 elétrons na camada de valência. Formam-se sais, óxi-dos, nitretos, etc. Ao perder elétrons, a carga elé-trica do átomo se torna positiva, e ao ganhar, torna-se negativa, e pela diferença eletrônica os áto-mos se atraem.Como não há a presença de elé-trons livres que possam se movi-mentar livremente no material, as principais características são de isolamento elétrico, dureza e bai-xa deformação.

▪ Ligações covalentesA ligação predominante entre ele-mentos não metálicos, como nos hidrocarbonetos, é a covalente, na qual ocorre o compartilhamento do mesmo elétron por dois áto-mos.Os materiais podem ser sólidos, líquidos ou gases à temperatura ambiente, dependendo do núme-ro de átomos da molécula.Exemplo de materiais que pos-suem ligações covalentes são os polímeros.

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

SEÇÃO 3Estruturas cristalinas

A ordenação atômica varia de ma-terial para material de acordo com as ligações envolvidas e os proces-sos de fabricação, e se divide em dois grupos:

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

apresentam ordenação especial regular com ordenação a longas distâncias no nível atômico.

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

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

Estrutura cristalina

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


▪ 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 empacota-mento de 0,74.

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

aa

a

a

a

c ca

b b

ca

β

β

b

c

a

aaa

c

a

aa

de corpocentrado

de facecentrada

ortor-rômbico

monoclínico

triclínico

de facecentrada

de corpocentrado

cúbico

tetragonal

romboédrico

hexagonal

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 célu-la e o seu fator de empacotamen-to é de 0,68.

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

▪ Hexagonal compacta (HC)Neste tipo de estrutura os átomos se acomodam durante a solidifica-ção na forma de um hexágono. As faces superior e inferior possuem 6 átomos que formam um hexá-gono com um átomo central, en-tre elas um outro plano é compos-to por 3 átomos adicionais. Possui fator de empacotamento de 0,74.

a

c

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

A seguir, a Tabela 1 evidencia a es-trutura cristalina de alguns metais. Com algumas bolinhas de isopor e palitos tente montar estas estru-turas. Vamos, experimente!

Tabela 1 - Estrutura Cristalina de alguns Metais

Estrutura 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


Solidificação

O fenômeno físico de solidifica-ção é responsável pela passagem 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 normal-mente é denominado de grão.Geralmente materiais sólidos são policristalinos, ou seja, apresen-tam muitos grãos, pois muitos pontos de nucleação surgem du-rante o resfriamento do material. Já materiais monocristalinos, que possuem apenas um cristal em toda sua estrutura, são consegui-dos apenas por processos de fa-bricação 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 pratica-mente não ocorre uma vez que encontram barreiras pelo cami-nho, como outro grão que se de-senvolve 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:

<http://www.youtube.com/user/LMDMCETEC

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).


SEÇÃO 4Defeitos cristalinos

Por mais controlado que seja o processo de fabricação, não exis-te um cristal com todos os áto-mos 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 “defei-tos” 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 mi-croestrutura, tais como átomos intersticiais intencionalmente introduzi-dos no material, como o carbono (C) no aço.Acompanhe agora os principais defeitos.

▪ Defeitos pontuaisSão átomos faltantes ou ocupando posições irregulares na estrutura cris-talina 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, eletro-negatividades próximas e mesma valência.


Vacância

Vacância

Posição intersticialantes da difusão

Posição intersticialdepois da difusão

Figura 10 - Defeitos Pontuais: (A) Vacância, (B) Intertício


▪ Defeitos lineares

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

Figura 11 - Defeito Linear


▪ Defeitos planares

Outro defeito comum nas estru-turas cristalinas é o defeito planar, o qual ocorre quando a sequência atômica sofre distúrbios, gerando um novo sequenciamento ao lon-go da estrutura cristalográfica. Ainda, outro tipo de defeito planar é o gerado na interface entre dois cristais, conhecido como contor-no 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.


Relembrando

Nesta unidade você transi-tou por conceitos e termos importantes, como: classifi-cação dos materiais, átomos, ligações químicas, células unitárias, solidificação e de-feitos. Você aprendeu que os materiais são classificados de acordo com os elementos químicos presentes e suas li-gações. As principais classes são: metálica, polimérica, ce-râmica e compósitos. Apren-deu 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 amor-fos. Você também conheceu como ocorre a solidificação de um material cristalino e os defeitos que estarão pre-sentes nos cristais. Bastan-te, não? Mas não pense que acabou! Estamos apenas co-meçando... vamos juntos!

▪ 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 afe-tar grandemente a resistência do produto final dependendo de seu design.

Unidade de estudo 2

Seções de estudo

Seção 1 – Propriedades físicasSeção 2 – Propriedades químicasSeção 3 – Propriedades mecânicas


SEÇÃO 1Propriedades físicas

As principais propriedades dos materiais, como cor, densidade, dureza, resistência à corrosão, dentre outras, podem ser classifi-cadas como propriedades físicas ou químicas em função das mu-danças 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 proprieda-des mecânicas.

Quando um material recebe a aplicação de uma tensão, como resposta ele irá se deformar. Se o esforço for de baixa intensida-de, ao ser retirado o produto re-tornará à sua forma original, pois sofre somente o que se chama de deformação elástica. Já se o es-forço for de magnitude suficiente para gerar o escorregamento de planos cristalinos do material, fa-zendo com que as discordâncias se movimentem do interior do grão em direção ao seu contor-no, mesmo após a retirada desse esforço o material continuará de-formado, pois sofreu uma defor-mação plástica. Você conhecerá as características desses dois ti-pos de deformação mais à frente. Aguarde!

Propriedades dos Materiais

As propriedades físicas dos ma-teriais são aquelas que podem ser observadas diretamente no mate-rial, como densidade, cor, dureza, dentre outras. Algumas das pro-priedades físicas mais importantes estão listadas abaixo.

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 passa 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 des-gelo (fusão). Já a ebulição pode ser observada ao fer-ver essa mesma água.

Baixa intensidade: Relativo a cada material.


Densidade

É a relação da massa por unidade de volume:

ρ = m V

Massa específica

É a relação da densidade do ma-terial em estudo com a densidade da água a 4°C. Nesta temperatura a água tem uma densidade de 1 g/cm3.

Condutividade especí-fica

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

Expansão térmica

Quando um material é aquecido, ele recebe energia na forma de ca-lor, fazendo com que as ligações químicas entre os átomos vibrem com maior intensidade e com isso a sua distância interatômica au-mente. Essa expansão pode ser tanto linear e superficial quanto volumétrica. Industrialmente, cer-tos acoplamentos são feitos uti-lizando esta propriedade. Temos como exemplo a junção de uma engrenagem com um eixo: aque-ce-se essa engrenagem fazendo-a dilatar, e em seguida procede-se a união de ambos, ao resfriar o dis-positivo a engrenagem volta a se contrair e, desta forma, unindo-se fortemente ao eixo.

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

Condutividade e resistividade elétrica

Indica a capacidade dos elétrons se moverem através dos átomos uni-dos 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.

Transparência

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

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


SEÇÃO 2Propriedades químicas

Oxidação

Indica a capacidade de o mate-rial 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 for-mando o óxido de ferro, ou seja, a ferrugem.

Corrosão

Corrosão pode ser definida como sendo a deterioração do mate-rial que reage com o meio, sen-do 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 in-dicam qual é o grau de resistência à corrosão do material em deter-minado meio, como por exemplo, o cobre (Cu) que possui boa re-sistência à corrosão em ambientes marítimos. A corrosão é um processo eletro-químico 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.

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 exis-tirá uma pequena camada de ferrugem, ou seja, do óxido de ferro formado durante a oxidação desse metal.

SEÇÃO 3Propriedades mecânicas

As propriedades mecânicas são aquelas que envolvem a reação de um corpo como resposta a uma tensão aplicada, também apre-sentam as escalas de aplicação do produto, vida útil esperada e características de processamen-to 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.

Deformação

Deformação (elongação) é a res-posta do material a uma tensão aplicada sobre o mesmo. Quando submetidos a um esforço, os áto-mos alojados na estrutura crista-lina 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 tive-rem sido deslocados para outros sítios, não mais retornarão, defor-mando plasticamente o material.

Elongação: é a relação entre a va-riação 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 deforma-ção na forma final do produto de-nomina-se que o material sofreu uma deformação elástica. Esta deformação se dá de ma-neira microestrutural na estrutu-ra cristalina do material, gerando tensões nessa estrutura, porém sem causar a movimentação das discordâncias através do cristal (grão).

Figura 13 - Deformação Causada pela

Aplicação de Uma Força F sobre A

Seção Transversal de Área A0



Deformação plástica

Já quando aplicadas tensões for-tes o suficiente para deformar permanentemente o material, diz-se que esse material sofreu uma deformação plástica. Deformações plásticas são de-correntes da movimentação das discordâncias lineares no interior do cristal até a região do contor-no 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 pe-las deformações plásticas nos ma-teriais. Um exemplo deste proces-so é o encruamento, que gera uma distorção nos cristais e proporcio-na uma maior rigidez no material. Exemplos de conformação mecâ-nica com o propósito de melhorar a qualidade do metal são: extru-são, trefilação e laminação a frio.

DICA Aplicando um esforço sobre um elástico, este irá se de-formar e retornar à sua po-sição original após o esforço ser retirado, pois sofreu so-mente deformação elástica. Já uma goma de mascar, por exemplo, não retorna-ria mais ao seu tamanho ini-cial, pois sofre deformação plástica.

Tenacidade

A tenacidade indica a capacidade de um material absorver energia quando sujeito à deformação até se romper. Esta propriedade é de extrema importância, principal-mente 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.

Dureza

Na metalurgia considera-se como sendo a resistência de um material à deformação permanente pela aplicação de uma carga localiza-da, normalmente por meio de um identador de carboneto ou dia-mante. Já na mineralogia conside-ra-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 A dureza de um produto po-derá ser alterada em função de tratamentos térmicos ou termoquímicos.

Ductibilidade

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

um material sob esforço até seu rompimento, normalmente asso-ciada à formação de filamento, ou seja, quanto mais dúctil for um material, maior será a capacida-de desse material ser deformado plasticamente por meio dos pro-cessos de conformação mecânica como: trefilação, laminação, etc. Materiais que exibem alta ducti-bilidade são o ouro (Au), o cobre (Cu), o alumínio (Al), dentre ou-tros.

DICA Você sabia que é possível dar um “nó” no ferro? Em sua próxima aula de labo-ratório tente fazer isso uti-lizando um aço 1020 redon-do de ¼. Aqueça a região a ser dobrada acima dos 1100 °C e faça o nó.

Maleabilidade

É uma propriedade muito seme-lhante à ductibilidade, porém en-quanto esta indica a capacidade de um material ser deformado para a formação de filamentos, a male-abilidade se refere à capacidade de um material ser laminado. Um material de uso cotidiano que exi-be alta maleabilidade é o alumínio (Al), com o qual é possível formar o papel alumínio. O ouro (Au) é o material que exibe maior capaci-dade de ser laminado.


Fragilidade

A fragilidade é uma propriedade com características opostas à ductibi-lidade, 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 mate-rial exibir uma fratura frágil (tijolo colocado sobre uma mesa de vidro x tijolo lançado sobre uma mesa de vidro). Já a diminuição das temperatu-ras limita a mobilidade das ligações químicas, o que acaba por enrijecer o material e, consequentemente, torná-lo mais frágil.

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 descarre-gado.

Relembrando

Nesta unidade de ensino você conheceu as princi-pais 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 impres-cindível uma aprendizagem significativa em torno desse conceito. Se você ainda esti-ver com dúvida sobre alguma propriedade, é hora de voltar e estudar um pouco mais. Pesquise mais sobre as pro-priedades mecânicas na lite-ratura especializada. Vamos! Concentre-se em sua apren-dizagem!

Unidade de estudo 3

Seções de estudo

Seção 1 – SiderurgiaSeção 2 – Ligas metálicasSeção 3 – Microconstituintes do açoSeção 4 – Aço-ligaSeção 5 – Aço ferramentaSeção 6 – Aços inoxidáveisSeção 7 – Ferros fundidos


SEÇÃO 1Siderurgia

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

Minério

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

Materiais Metálicos Ferrosos

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.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.

Figura 15 - Minério de Ferro

Fonte: Industry Player (2009).

Alto-forno (redução)

A redução do minério de ferro em ferro-gusa se dá no alto-for-no, 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 cal-cário e tem por objetivo a sepa-ração das impurezas do processo que sairão na forma de escória.Já o coque é obtido a partir de carvão vegetal ou mineral aque-cido a temperaturas superiores a 1000 °C em câmaras herméticas. O resultado final será um mate-rial rico em carbono. Atua como combustível e agente carburante no processo.

Esquema deoperação de um

alto forno

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Inje

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Alimentador

1200°C

1650°C

500°C

Figura 16 - Alto-Forno

Fonte: MSPC Informações Técnicas (2009).


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 ele-mentos 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 geral-mente é de 4-5% para níveis mui-to baixos, podendo ser inferior a 0,1%. A maior parte desse aço é solidificada em lingotamento con-tínuo ou convencional na forma de tarugos ou blocos.

Figura 17 - Lingotamento ContínuoFonte: STEEL Production (Processes & Products) (2009).

Laminação

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

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

SEÇÃO 2Ligas 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 incor-poração de outros elementos ao material base com o propósito de lhe conferir propriedades diferen-ciadas, como por exemplo, uma melhor resistência à corrosão e a altas temperaturas de trabalho ou simplesmente para aumentar sua resistência mecânica.Historicamente, os primeiros ma-teriais metálicos utilizados pelo homem eram feitos de liga de co-bre (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); ▪ aço inoxidável – ferro (Fe),

carbono (C), cromo (Cr) e níquel (Ni); ▪ bronze – cobre (Cu) e esta-

nho (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 lin-gotes ou já dos produtos acaba-dos. Como exemplo, pode-se des-tacar 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 no-vas 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 envol-vidos, mais especificamente, as ligas metálicas ferrosas.

Solução sólida

Ocorre quando outros elementos de liga são dissolvidos na estrutu-ra cristalina sem que seja gerada uma nova fase. Poderão ocupar posições intersticiais ou simples-mente substituir os átomos da es-trutura cristalina. De uma forma ou outra, a dife-rença do tamanho atômico dos átomos envolvidos gerará tensões internas na estrutura cristalina de compressão ou tração nas regi-ões ocupadas pelo soluto. Como consequência, o deslizamento dos planos cristalinos e a movimenta-ção das discordâncias necessitarão de maior energia. Por exemplo, a adição de 30% de níquel em cobre aumenta a sua resistência de tra-ção de 172 para 379 MPa.

Soluto: elemento que será dissolvido, exemplo: o açúcar do xarope.

Solvente: meio em que o so-luto será dissolvido. Solvente universal: água.


Diagrama 1 - Classificação das Ligas Ferrosas



Segunda fase

Quando se adiciona elementos que não são solúveis, ou que têm solubilidade incompleta na ma-triz, haverá a formação de uma segunda fase resultante da preci-pitação desse soluto. Como resul-tado, a resistência, a ductibilidade, a rigidez e a resistência à corrosão sofrerão alterações, tanto para mais quanto para menos, de acor-do com os elementos envolvidos e a forma com que eles se preci-pitam.O ferro fundido é um exemplo da formação de uma segunda fase oriunda da precipitação do ele-mento 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 3Microconstituintes do aço

Ao analisar a microestrutura do aço em função do percentual de carbono e condições de resfria-mento, será possível observar di-ferentes microestruturas, as quais por sua vez também apresentaram características mecânicas particu-lares. Essas microestruturas são chamadas de microconstituintes. Os microconstituintes podem ser identificados no diagrama de equilíbrio ferro – carbono (Fe-C) 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, perli-ta, austenita e martensita.

Figura 19 - Diagrama de Equilíbrio Ferro – Carbono (Fe-C)


Ferrita

O ferro α (ferrita) apresenta uma estrutura cristalina cúbica de cor-po centrado (CCC), baixa dureza, baixa resistência mecânica, grande ductibilidade e é ferromagnético. A solubilidade máxima de carbo-no (C) é de 0,008% à temperatura ambiente, e pode ser também de-signado 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 microconstituin-tes.

Figura 20 - Micrografia de uma Estru-

tura Ferrítica (Ferro Α)


Cementita

A saturação do carbono (C) na ferrita ou na austenita forma a cementita, ou carboneto de ferro (Fe3C), que é uma fase metaestá-vel 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

com 1,4% de Carbono. A Cementida é

a parte ao redor dos Grãos de Perlita



Perlita

A perlita em si não é uma fase, e sim a combinação de duas fases, ferrita e cementita. Estas se for-mam de forma intercalada com uma proporção de aproximada-mente 88,5% e 11,5%, respectiva-mente.Microconstituinte muito comum na maioria dos aços, contribui sig-nificativamente para o aumento da resistência destes. Sua forma-ção ocorre a partir do resfriamen-to 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 per-lita em toda sua microestrutu-ra. 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.

Figura 22 - Micrografia de uma

Estrutura Perlítica


Austenita

Acima de 727 °C o ferro α (ferri-ta) sofre uma transformação po-limórfica e passa a se arranjar em uma estrutura cristalina cúbica de face centrada (CFC), passando a ser designado como ferro Υ (aus-tenita).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 te-nacidade, resistência mecânica e é não magnética. Processos de tratamento térmi-co como têmpera requerem que o aço seja austenitizado para en-tão 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 mu-danças no volume do material, uma vez que o fator de empaco-tamento das duas estruturas é li-geiramente diferente. A alteração volumétrica pode ser responsável pela criação de tensões internas em peças tratadas termicamente.

Figura 23 - Micrografia de uma

Estrutura Austenítica


Reação eutetóide: a rea-ção eutetóide ocorre em aços ao carbono comum

a uma temperatura de 727 °C e 0,76% de carbono. Nessa re-ação toda a austenita (ferro Υ) é transformada em perlita (fer-rita mais cementita em lamelas alternadas).


Martensita

A martensita é uma fase metaes-tável de ferro (Fe) supersaturado com carbono (C), obtida pelo tra-tamento térmico de têmpera. O aço austenitizado é resfriado rapi-damente sem que dê tempo para que o carbono (C) difunda dessa estrutura na qual está dissolvido e forme o Fe3C. Obrigando, en-tão, que o ferro (Fe) se arranje em uma estrutura tetragonal de corpo centrado (TCC) que retém o car-bono (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 deseja-das. Por ser uma fase metaestável, e estar longe do equilíbrio, não apa-rece no diagrama de equilíbrio da liga ferro carbono (Fe-C). O grau de martensita formada dependerá da quantidade de carbono e ou-tros elementos de liga e também do gradiente de resfriamento ao qual o aço for submetido.

Figura 24 - Micrografia de uma Estru-

tura Martensítica


Martensita revenida

A martensita obtida pelo trata-mento térmico de têmpera pode ser muito dura e rígida, porém também frágil para muitas aplica-ções. Com o propósito de alcan-çar alta dureza, no entanto com uma certa ductibilidade e tena-cidade, a martensita poderá ser submetida ao tratamento térmico de revenimento. O resultado será uma martensita revenida mais fa-ses de ferro a e cementida.

Bainita

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

SEÇÃO 4Aço-liga

Embora a designação para o aço seja de uma liga ferro (Fe) car-bono (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 res-ponsáveis por suas propriedades. Abaixo de 0,008% de carbono (C) a liga formada é designada de fer-ro doce.

Aço baixa liga

A terminologia de aços ligados é utilizada para designar a liga de ferro (Fe) e carbono (C) com ou-tros elementos de liga em percen-tuais inferiores a 5%.

Aço alta liga

Aços alta liga possuem em sua composição pelo menos 5% de elementos de liga, os quais pro-porcionarão características es-peciais ao aço em função de sua quantidade, proporções e trata-mento térmico a que o aço for submetido.

Nomenclatura

Ao redor do planeta existem mui-tos organismos de normatização que buscam padronizar metodo-logias, processos, nomes, etc. Para as ligas de aço comercial não é diferente, elas são codificadas de acordo com normas desses orga-nismos.

Entre as nomenclaturas destacam-se: UNS – Unified Numbering System; ASTM – American Society for Testing and Materials; DIN – Deuts-ches Institut für Normung; JIS – Japanese Industrial Stan-dards; 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 Na-mes 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

Aços segundo a Sae

Designação SAE

Tipo

1xxx Aço carbono

2xxx Aço níquel

3xxx Aço cromo níquel

4xxx Aço molibdênio

5xxx Aço cromo

6xxxAço ao cromo

Vanádio

7xxx Aço tungstênio

8xxxAço ao cromo níquel vanádio

9xxxAço ao silício man-

ganês

xxBxx Aço boro

xxLxx Aço chumoFONTE: adaptado de Chiaverini (2002).

Os dois primeiros algarismos de-finem 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 5Aço ferramenta

Os aços utilizados na fabricação de ferramentas de uso industrial requerem propriedades mecânicas específicas, como resistência ao choque, resistência para o traba-lho a quente, capacidade de corte a frio, dentre outras. São produzidos com severas tole-râncias de composições químicas e propriedades físicas. Os princi-pais elementos químicos presen-tes em quantidades relativamente grandes são tungstênio (W), mo-libdênio (Mo), vanádio (V) e cro-mo (Cr). São classificados de acordo com suas propriedades e aplicações.

Tabela 3 - Classificação de Aços Ferramenta

AISI Definição Exemplo Aplicações comuns

WAço ferramenta temperável em água

W2 Matrizes para cunhagem

SAço ferramenta resistente ao choque

S1 Estampos, culelaria

PAço ferramenta para moldes para plástico

P20Moldes para injeção de plástico

OAço ferramenta temperável em óleo

O1Ferramentas para dobra de chapas

AAço ferramenta temperável ao ar

A2Ferramentas de corte e repuxo

DAço ferramenta para trabalho a frio

D6Matrizes para conformação a frio de aços

HAço ferramenta para trabalho a quente

H13Matrizes para trabalho a quente de aços

MAços rápido ao molibdênio

M2Ferramentas de corte e usinagem

Fonte: CIMM (2009).

Aço temperável em água (W)

Tem alta resistência ao desgaste e à abrasão e boa tenacidade. Den-tre os aços ferramenta é o que apresenta melhor soldabilidade. Porém pode apresentar trincas e distorções durante o tratamento térmico.

Aço resistente ao cho-que (S)

Esta classe de aço ferramenta apresenta grande tenacidade e re-sistência 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 tem-perável ao óleo (O)

Esta classe de aços apresenta uma grande temperabilidade, o que permite que sejam temperados ao óleo.

Aço ferramenta tem-perável 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.


Porém sua resistência à abrasão é moderada.

Aço ferramenta para trabalho a frio (D)

Utilizado para usinagem, confor-mação e processamento de mate-riais à temperatura ambiente ou pouco elevada. As principais ca-racterísticas são a elevada dureza, a resistência à abrasão e a tenaci-dade.

Aço ferramenta para trabalho a quente (H)

São aços cuja temperatura de apli-cação pode superar os 200 ºC, e nestas condições devem apresen-tar resistência ao desgaste, ao cisa-lhamento e à abrasão, mantendo a alta dureza conseguida por têm-pera, a resistência ao desgaste e sua tenacidade. Ainda possui alta resistência à fadiga térmica.

Aço rápido ao molib-dênio (M) ou ao titânio (T)

São aços de elevada dureza e re-sistência 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.

Figura 25 - Ferramentas de Usinagem em Aço Rápido

Fonte: Portal da Usinagem (2009).

SEÇÃO 6Aços inoxidáveis

Dentre os muitos tipos de aço, uma classe se destaca para traba-lhos em que a elevada resistência a ambientes corrosivos e altas tem-peraturas 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 fí-sicas que se deseja para aplicações específicas. Para sua nomenclatura normal-mente é utilizada a equivalência dos nomes comerciais com a nor-ma AISI e classificam-se em cin-co grupos de acordo com a mi-croestrutura básica e o tratamento térmico possível. Acompanhe!

Austeníticos

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

AISI: American Iron and Steel Institute.


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 con-têm entre 16% e 30% de cromo (Cr), e cujas propriedades mecâ-nicas não são alteradas pelos tra-tamentos térmicos. Suas caracte-rísticas 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 mecâni-cas 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. Apre-sentam boa resistência à corrosão aliada à resistência mecânica, além de melhor soldabilidade do que os aços inoxidáveis austeníticos.

Endurecíveis por preci-pitação

O teor de níquel (Ni) é reduzido, aproximadamente 4%, porém ou-tros elementos como o cobre (Cu) são adicionados com o propósito de promover a precipitação. Sua resistência à corrosão é equivalen-te aos austeníticos e suas proprie-dades mecânicas semelhantes aos martensíticos. Aços inoxidáveis ferríticos, mar-tensíticos e duplex exibem a pro-priedade de serem ferromagnéti-cos, enquanto os demais são ferro não magnéticos, ou seja, não são atraídos por imãs. A característica de resistência à oxidação (inoxidáveis) se dá gra-ças à formação de uma fina pe-lícula de óxido de cromo muito aderente e impermeável ao oxigê-nio (O) e a muitos outros produ-tos químicos corrosivos.

Tabela 4 - Classificação dos Aços Inoxidáveis

Elementos de liga (principais)

MicroestruturaMicroestrutura Endurecibilidade Exemplos

Série AISI 4XX (ao cromo)

Martensítica Endurecível AISI 416 / 420

Ferrítica Não endurecível AISI 430

Série AISI 3XX (ao cromo / níquel)

Autenítica Não endurecívelAISI 302 / 303 / 316

Não endurecívelAISI 321 (Ti) / AISI 347 (Nb) - estabilizados

Duplex Não endurecíveis AISI 329

Fonte: adaptado de Chiaverini (2002).

Inoxidáveis: Resistentes à corrosão.


SEÇÃO 7Ferros fundidos

Pelo estudo do diagrama de equi-líbrio Fe-C (Ferro – Carbono) de-fine-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 elemen-to 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 nódu-los é o responsável pelas proprie-dades do material como a absor-ção à vibração. A palavra “ferro fundido” poderá ser abreviada em algumas literaturas por FºFº.

A grafita livre é quem determina as propriedades mecânicas e tam-bém 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 carbo-no (C) é eutético, e acima de 4,3% até 6,67% será hipereutético.

Tabela 5 - Composição Típica de Ligas de Ferro Fundido

Composição típica (%)

Ferro fundido

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 compactada

2,5 – 4,0 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

Fonte: Chiaverini (2002, p. 495).

Maleável

Perlítico

FºFº

Maleável

Ferrítico

FºFº

FºFº

Branco Cinzento

Perlítico

FºFº

Cinzento

Ferrítico

FºFº

Dúctil

Perlítico

FºFºDúctil

Ferrítico

FºFº

Tem

pe

ratu

ra

Ferros Fundidos

Comerciais M /CegResfriamento

Fe3C C

Rápido

P + Fe3C

Moderado

P + Gf

Lento Moderado

P + Gn

Lento

α + Gnα + Gf

Rápido

P + Gr

Lento

α + Gr

G

Fe3C

FºFº

P

α

: Cementita

: Ferrita

: Grafita

: Perlita

: Ferro Fundido

Abreviaturas:

~ ~

~ ~

~ ~

Reaquecimento a:

~700 C - 30min°

Figura 26 - Microconstituintes Típicos dos Ferros Fundidos



Ferro fundido cinzento

O carbono livre (grafita) se en-contra na forma de lamelas, carac-terizando dessa forma uma fratu-ra de coloração cinza-escuro. O restante desse carbono está como carboneto (Fe3C). Apresenta ex-celente absorção a vibrações, por esse motivo é muito utilizado em estruturas de máquinas e equipa-mentos, além de ser fácil de fun-dir e usinar, no entanto, apresenta baixa resistência mecânica e fratu-ra frágil.

Figura 27 - Micrografia de um Ferro

Fundido Cinzento Ferrítico


Figura 28 - Comparação entre a Amplitude de Vibração de um Aço e um Ferro

Fundido em Função do Tempo


Ferro fundido branco

Praticamente todo o carbono está retido na forma combinada de carboneto (Fe3C) devido às suas condições de fabricação com me-nos 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.

Figura 29 - Micrografia de um Ferro

Fundido Branco

Fonte: Chiaverini (2002, p. 253).


Ferro fundido maleável

O ferro fundido maleável é obti-do por meio do tratamento térmi-co de maleabilização a partir do ferro fundido branco. A grafita se transformará em nódulos.

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

Ferro fundido nodular

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 responsá-vel por essa ductibilidade.

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

Ferro fundido vermicular

Também conhecido como com-pacted graphite iron (CGI), foi des-coberto ao acaso durante a fun-dição do ferro fundido nodular e seu uso se dá há mais de 30 anos, porém somente na última década passou a ser empregado em com-ponentes mais complexos como blocos de motores, substituindo o cinzento. Leva em sua composi-ção magnésio (Mg) em uma faixa muito estreita, elemento este que faz com que a grafita livre se for-me como estrias grossas (seme-lhante a vermes), origem do nome vermicular.


Relembrando

Nesta unidade de ensino nos concentramos nas ligas me-tálicas. Você aprendeu sobre siderurgia, as classificações das principais ligas metáli-cas ferrosas e a sua nomen-clatura. Conheceu ainda os microconstituintes principais dessas ligas. Na próxima unidade você aprenderá sobre materiais metálicos não ferrosos. Ain-da há muito pela frente. Con-tinuemos juntos!

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.

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

Unidade de estudo 4

Seções de estudo

Seção 1 – Os tipos de materiais metáli-cos não ferrosos


SEÇÃO 1Os tipos de materiais metálicos não ferrosos

Alumínio (Al)

O alumínio (Al) se destaca pela sua elevada condutibilidade tér-mica e elétrica aliada a uma baixa densidade, além de ser o elemento metálico mais abundante na cros-ta 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 tratamen-tos térmicos que lhe conferem maior dureza e rigidez, além de formar ligas com propriedades di-ferenciadas com inúmeros outros metais, como cobre (Cu), manga-nês (Mn), magnésio (Mg), dentre outros. A condutibilidade térmica e elétrica, por exemplo, é altamen-te 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 aero-náutica, naval, de transporte, de condutores elétricos, trocadores de calor, da construção civil, utili-dades domésticas e muitas outras. É um dos metais mais reciclados, visto sua facilidade de recolhi-mento e seu preço de revenda, aliados a um consumo energético de até vinte vezes menor do que a sua obtenção a partir do seu mi-nério natural, a bauxita.

Materiais Metálicos Não Ferrosos

Chumbo (Pb)

Do latim plumbum, tem densidade de 11,340 g/cm3 e ponto de fusão de 327 °C. Sua aparência é bran-ca azulada quando cortado, em contato com o ar se oxida ficando cinza. Embora tóxico e pesado, é mui-to utilizado em construção civil, baterias, munição, proteção con-tra raios X, ligas de solda, lastros, gaxetas, tipos de pigmentos, tipo-grafia, etc. As propriedades que o tornam interessante industrial-mente são sua alta maleabilidade, flexibilidade, lubricidade, além da condutibilidade elétrica. Em con-trapartida, 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 es-pessura aplicadas com o mesmo propósito. Forma ligas com outros metais como antimônio (Sb), estanho (Sn), cobre (Cu), etc.

DICA O chumbo é um metal pe-sado que pode provocar graves danos à saúde hu-mana. Pesquise mais sobre a toxicologia do chumbo na internet.

Recolhimento: Como latas de bebidas, por exemplo.


Cobre (Cu)

O cobre (Cu) é um dos primei-ros metais utilizados pelo ho-mem. Tem coloração avermelha-da brilhante e possui densidade de 8,950 g/cm3 com um ponto de fusão de 1083 °C. Dentre suas propriedades mecâni-cas, destacam-se a ductibilidade e maleabilidade, o que permite que seja estampado, estirado, confor-mado. Ainda como um excelente condutor térmico e elétrico é am-plamente 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 es-tanho).

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 ele-mento de liga em aços inoxidáveis e aços resistentes ao calor, por exemplo, também é muito empre-gado 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.

Estanho (Sn)

O estanho (Sn) se caracteriza como um material branco pratea-do com densidade de 7,310 g/cm3 e ponto de fusão de 231 °C.

Utilizado pela humanidade a mi-lhares de anos, formando liga com o cobre (Cu): bronze. A con-tribuição para o desenvolvimento humano foi relevante a ponto de nomear uma era, a idade do bron-ze, que ocorreu aproximadamente entre os anos 4000 e 1000 a.C. Possui baixa ductibilidade, porém apresenta boa resistência à oxida-ção em muitos meios, é utiliza-do para recobrir outros metais e assim agir como proteção à cor-rosão. Um exemplo clássico é a “lata”, que é uma folha de flan-dres (aço de baixo teor de carbo-no) 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 cor-rosão em meios pouco agressivos, é utilizado em aplicações estrutu-rais. Pode-se destacar seu uso na indústria naval, bélica, aeronáuti-ca, automobilística, além de com-ponentes eletroeletrônicos. Seu uso na forma de ligas se dá pre-dominantemente com o alumínio (Al).

Cobre: Do latim cuprum.

Cromo: Do grego chrôma e do latim chromium.

Estanho: Do latim stagnun.

Magnésio: Do latim mag-nesium.


Relembrando

Nesta unidade você conhe-ceu um pouco sobre outros materiais metálicos não fer-rosos, aqueles mais utilizados na indústria metal mecânica, e suas principais característi-cas. Na próxima unidade de estudos você estudará a des-crição dos ensaios metalo-gráficos, conhecendo desde os procedimentos para pre-paração das amostras até os reagentes mais aplicados no ataque químico de ligas fer-rosas e de alguns metais não ferrosos.Continue antenado!

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, pode-se destacar sua resistência à oxida-ção e à corrosão, boa resistência mecânica e característica ferro-magnética. Tais propriedades di-ferenciam 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 ní-quel, 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 elasticida-de, 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 dióxi-do de titânio (TiO2), além de par-ticipar 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 carac-terísticas de alta dureza e ponto de fusão.As principais aplicações são em ferramentas de corte como bro-cas e pastilhas, filamentos de lâm-padas, eletrodos não consumíveis em soldas TIG, além de também ser empregado como elemento de liga.

Zinco (Zn)

O zinco (Zn) é um metal de co-loração branco azulada com den-sidade 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 aplica-ções se dão em função dessa pro-priedade como, por exemplo, o processo de galvanização. Também é utilizado como pig-mento, 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 apli-cação do zinco como metal de proteção ao aço. Vamos! Não custa tentar!

Níquel: Do alemão kupfer-nickel.

Titânio: Do latim titanium.

Tungstênio: Do latim wol-framium.

Zinco: Do latim zincum.

Unidade de estudo 5

Seções de estudo

Seção 1 – IntroduçãoSeção 2 – Microscopia Seção 3 – Preparação das amostras Seção 4 – Preparação dos reagentes


SEÇÃO 1Introdução

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 microconsti-tuintes e precipitados que só se-rão visíveis através do uso de mi-croscópios óticos ou eletrônicos. Empregando-se técnicas de análi-se metalográfica será possível ava-liar as fases presentes, bem como a sua quantificação com o uso de técnicas específicas de análise, e o uso de relações estatísticas tam-bém é possível. O conhecimento das fases pre-sentes, do tamanho e forma dos grãos, da densidade, além de ou-tras características que são possí-veis de serem avaliadas pela aná-lise metalográfica, pode estimar quais serão as propriedades me-cânicas do material naquela con-dição. A observação dessas microestru-turas permite inclusive a identifi-cação de algumas ligas quanto ao percentual de elementos de liga e ao tratamento térmico sofrido. Em relação ao percentual de car-bono, pode-se avaliar, por exem-plo, se um aço é hipo ou hipereu-tetóide. Já uma microestrutura martensítica indica que esse aço foi submetido a um tratamento térmico de têmpera, por exemplo.

Metalografia

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, po-rém a análise se resume a curtos espaços de uma superfície que é ampliada várias vezes.

SEÇÃO 2Microscopia

O microscópio é o equipamento responsável por ampliar a proje-ção da superfície que será anali-sada. Esse aumento pode ser de poucas dezenas até milhares de vezes. Para as análises das microestrutu-ras dos materiais metálicos, bem como de outras classes de mate-riais, três tipos de microscopia podem ser utilizados: microscopia ótica (MO) com faixa de aumen-to de 1 a 1.500 vezes, microscopia eletrônica de varredura (MEV) com aumento de 10 a 20.000 ve-zes e a microscopia eletrônica de transmissão (MET) com aplica-ção 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 cam-po iônico (MCI), tem resolução inferior a 1 Å.

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

A microscopia ótica é aplica-da para análise de grandes áreas, além de sua utilização ser simples e rápida, é também de baixo cus-to. 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 identifi-cados, como discordâncias e pe-quenas inclusões.


SEÇÃO 3Preparação das amostras

Para que uma análise metalográ-fica seja executada, é necessá-ria uma correta preparação das amostras quanto a sua superfície e reagente de ataque.

Corpo de prova

O primeiro passo é a retirada da amostra do material a ser analisa-do. 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 alte-rações 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 se-gura.

Microscopia ótica

O microscópio ótico é o mais simples de todos e também o mais empregado na indústria para as análises metalográficas de me-tais, 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 (pró-ximo ao olho do observador) e a objetiva (perto da amostra). Mi-croscópios modernos podem ain-da estarem equipados com filmes polarizadores, prismas, espelhos, monitores, câmaras de captura, li-gados a computadores equipados com softwares de tratamento de imagens, etc. A multiplicação do aumento da objetiva pela ocular será o aumento total do micros-cópio. A micrografia observada é obtida através da reflexão de um feixe de luz que incide sobre a amostra, a qual por possuir diferentes dire-ções cristalográficas em cada grão os revela ao observador.

A refrigeração deve ser suficien-temente alta a fim de evitar que a superfície cortada sofra alterações em sua microestrutura decorren-tes de deformações por trabalho térmico.A determinação da seção de corte será de acordo com as informa-ções 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 tér-micos, dentre outros. Já o corte longitudinal permite a avaliação de detalhes de solda, extensão de tratamentos térmicos, além da identificação de trabalhos mecâni-cos, aos quais a amostra foi sub-metida.

Embutimento

Amostras com dimensões muito pequenas devem ser montadas sob um suporte que possibilite o seu manuseio, além de evitar aci-dentes e preservar a qualidade do corpo de prova. Esse processo conhecido como embutimento pode ser executado utilizando re-sinas plásticas a quente ou a frio. São empregadas as resinas de ba-quelite, 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 qua-lidade e a rapidez da fixação.

Lixamento

A operação de lixamento visa eli-minar as imperfeições mais pro-fundas 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.

Oculares

Caminho da LuzAnalisador

EspelhoDifusor

IluminadorPolarisador

DiafragmaLentes Condensadoras

Seção Polida

Pla�na Giratória Graduada

Controlede Foco

Figura 33 - Princípio de Funcionamento de um Microscópio


O lixamento é a etapa anterior ao polimento e, portanto, a sequên-cia 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 su-perfície 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 amos-tra deve ser cuidadosamen-te lavada.

Polimento

O objetivo do polimento é elimi-nar os riscos deixados na etapa de lixamento, como abrasivo aplica-se pasta diamantada ou de alumi-na. O equipamento utilizado para o polimento é a politriz.

Figura 34 - PolitrizFonte: Teclago (2009)

Limpeza

Uma vez polido, o corpo de prova deve ser lavado, seco e acondicio-nado em local livre de umidade caso não seja atacado instantanea-mente, a fim de evitar o surgimen-to 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 en-xaguada com álcool. A secagem deve ocorrer com um jato de ar quente, a fim de eliminar da su-perfície qualquer resíduo do sol-vente utilizado.

Ataque

Se uma amostra apenas prepara-da por lixamento e polimento foi analisada em um microscópio óti-co, o que se verá é uma superfície uniforme, sem distinção das mi-croestruturas. Isso acontece por-que a luz que incide do microscó-pio encontra uma superfície plana e sem relevos. Existem muitos métodos de ata-que da superfície, como eletro-lítico, físico, térmico, etc. O co-mumente aplicado em análises metalográficas em nível industrial é o ataque químico, que será res-ponsável por gerar o contraste necessário e assim possibilitar a visualização dos diferentes mi-croconstituintes, fases, inclusões, poros, trincas, etc.

Durante o ataque, a superfície da amostra sofrerá transforma-ções eletroquímicas decorrentes do processo de oxidorredução. Constituintes quimicamente mais pobres agirão como ânodos rea-gindo com os elementos mais no-bres. As soluções de ataque podem ser aquosas ou alcoólicas de sais, ba-ses ou ácidos, bem como vapores destes. O contraste final obtido será dependente do tempo e da temperatura do ataque. O ata-que 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).

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 bai-xo ponto de fusão, para que haja a neutralização do ataque, bem como a completa limpeza e reti-rada de possíveis resíduos da sua


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 devida-mente preparada é levada ao mi-croscópio e antão analisada. Alo-ja-se a amostra sobre o suporte do microscópio e através da compo-sição entre as lentes ocular e obje-tiva se define o aumento desejado na visualização e, por fim, basta apenas regular o foco do micros-cópio.

A imagem formada pode ser ob-servada diretamente através da ocular do microscópio ou captu-rada e projetada em monitores, ou ainda transferida para softwares específicos de análise.

Exame microscópico

A análise deve iniciar com a me-nor ampliação possível, a qual vai sendo aumentada gradativamente até se obter uma clareza adequa-da para a análise das micrografias, seus contornos de grão, inclusões, etc.Nesta etapa a experiência do ope-rador será o diferencial entre uma análise correta e bem detalhada, de outra com baixo nível de qua-lidade.

SEÇÃO 4Preparação dos reagentes

A preparação das amostras é ape-nas uma das etapas da análise me-talográfica, esta também exige a correta escolha dos reagentes de ataque. Ligas mais nobres, por exemplo, exigirão reagentes mais fortes, enquanto que aços ao car-bono comum, reagentes mais fra-cos serão os indicados. A tabela a seguir apresenta alguns reagentes utilizados nessa análise, bem como sua composição e apli-cação:


Tabela 6 - Reagentes para Ataques Químicos para Análise Metalográfica

Reagente Composição Aplicação

Água oxigenada/amoníaco

1 parte de água oxige-nada a 3%

1 parte de amoníaco

Reativos para contornos de grãos do cobre

Lixívia de solda

10g hidróxido de sódio

90 ml água destilada Ligas de alumínio

Ácido

fluorídrico

0.5 ml ácido fluorí-drico

99.5 água destilada

Nital a 3%

97 ml álcool etílico

3 ml ácido nítrico concentrado

Ligas de aço baixa e alta liga, estru-turas martensíticas, algumas ligas de magnésio, ferro fundido

Nital a 10%

90 ml de álcool etílico

10 ml de ácido nítrico concentrado

Ataques profundos em ligas de aço para revelar microconstituintes especiais. Também aplicado para aços alta liga, cementadas, etc.

Água Régia

8 ml ácido nítrico concentrado

12 ml ácido clorídrico concentrado

1000 ml álcool etílico

Aços inoxidáveis, aços de alta liga

Reativo de Vilella

3 partes glicerina

1 parte de ácido nítri-co concentrado

2 partes de ácido clo-rídrico 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

Relembrando

Nesta unidade de ensino você estudou conceitos e termos essenciais à Unidade Curricular Materiais e En-saios, como: microestrutura, microscopia, metalografia e reagentes. Aprendeu o pro-cedimento para fazer a análi-se da microestrutura de uma liga metálica e os principais reagentes utilizados. A se-guir você terá a oportunida-de de conhecer os conceitos dos tratamentos térmicos e termoquímicos amplamente utilizados na indústria metal mecânica. Continue antena-do!

Unidade de estudo 6

Seções de estudo

Seção 1 – IntroduçãoSeção 2 – Fatores de controle nos trata-mentos térmicosSeção 3 – Diagrama transformação-tempo-temperatura (TTT)Seção 4 – Tratamentos térmicosSeção 5 – Tratamentos termoquímicos



Tratamento térmico pode ser re-sumido como sendo o conjunto de operações de aquecimento e resfriamento em condições con-troladas de tempo e temperatura, as propriedades mecânicas dos materiais metálicos serão altera-das sem que haja mudança em sua composição. Podem ser aplicados para endu-recer, refinar a microestrutura, amolecer, tornar mais dúctil, ali-viar tensões de trabalhos mecâ-nicos, 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 me-lhoria de uma propriedade causa perda de outra. Como exemplo, o aumento de dureza diminui a duc-tibilidade do material, tornando-o mais frágil.

SEÇÃO 2Fatores de controle nos tratamentos térmicos

Para que um tratamento térmico atinja seu objetivo, é necessária uma escolha criteriosa de qual tra-

TratamentosTérmicos/Termoquímicos

tamento será empregado na peça acabada, e ainda garantir que os fatores como aquecimento, tem-po de permanência, resfriamento e atmosfera do forno sejam con-trolados.

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 mate-rial estará completamente austenitizado, ou seja, todo o carboneto de ferro estará dis-solvido 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 trin-cas. A temperatura final de aqueci-mento é praticamente fixa para cada liga metálica. Quanto maior for o seu aquecimento além dessa temperatura, maior será a garan-tia da completa dissolução dos

carbonetos na estrutura austení-tica, porém por outro lado have-rá um crescimento dos grãos da austenita que poderão influenciar nas propriedades mecânicas finais pretendidas, como a dureza.

Tempo de permanên-cia

O tempo de permanência na tem-peratura crítica antes de iniciar o resfriamento tem influência se-melhante ao da temperatura má-xima de aquecimento. Quanto maior o tempo, maior a certeza da completa austenitização. De for-ma prática, geralmente se aplica a relação de 1h de permanência na temperatura para cada polega-da de espessura do material a ser tratado. Tempos muito longos, além de também favorecerem o cresci-mento dos grãos, podem ainda gerar a oxidação ou descarbone-tação do material.

Resfriamento

Dentre todos os fatores de con-trole, 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


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 ha-ver uma oxidação superficial inde-sejada, visto que longos períodos de permanência a altas temperatu-ras favorecem essa formação.O meio de resfriamento modera-do é em ar, o produto final após atingir sua temperatura crítica e nela permanecer pelo tempo ne-cessário, é então retirado do for-no e deixado resfriar no ambiente. Pode ainda haver o sopro de ar para que a velocidade de resfria-mento seja um pouco mais rápi-da. Para aços ao carbono comuns, este meio favorece a diminuição de dureza e rigidez do aço, já para alguns aços ferramentas, especi-ficamente 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), nes-sa ordem, com ou sem agitação, são os meio mais severos de res-friamento. A estrutura final apre-sentará maior dureza, rigidez e também fragilidade. São os res-ponsáveis, ainda, por uma maior profundidade de têmpera se assim a composição do aço permitir. No caso dos aços, a estrutura forma-da geralmente será a bainita e/ou a martensita. Meios de resfriamento muito se-veros, por outro lado, poderão gerar grandes concentrações de tensões internas na peça final a ponto de formar trincas e empe-namentos.

DICA Ao utilizar óleo como meio refrigerante, deve-se certi-ficar de que a quantidade é suficiente a fim de evitar que sua temperatura se eleve muito, pois caso isso ocorra o mesmo poderá inflamar pro-vocando 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 forma-ção de uma camada de óxido na superfície ou ainda a descarbone-tação, que causa o amolecimento da superfície do material devido à retirada de carbono desta. A fim de evitar tais inconvenien-tes, pode-se utilizar uma atmosfe-ra 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 3Diagrama transforma-ção-tempo-temperatu-ra (TTT)

Conforme estudado na seção an-terior, a velocidade de resfriamen-to é o fator-chave na transforma-ção das fases. O aço austenitizado,

Severa: Drástica.


por exemplo, poderá se transfor-mar em perlita grosseira, perlita fina, bainita e martensita, além de ferrita e cementida, de acor-do com o percentual de carbono existente na liga. Cada um desses microconstituintes possui pro-priedades mecânicas diferencia-das, desde alta ductibilidade (fer-rita), até a alta dureza (cementita). O controle dessas transformações se dá pela velocidade de resfria-mento, como visto anteriormen-te. Os gradientes de resfriamento (velocidade) são determinados pelos diagramas transformação-tempo-temperatura, ou simples-mente, diagramas TTT. Cada liga exibirá uma característica diferen-ciada.

Estes diagramas permitem a iden-tificação 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 su-perior 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 fa-ses, 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 conse-guidos neste tipo de resfriamento.

Figura 36 - Diagrama TTT para um aço Eutetóide (0,76%C)


Já a ilustração a seguir também representa o diagrama TTT de um aço eutetóide, porém nela estão destacados o início e o final da transforma-ção 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.

Figura 35 - Possíveis transformações de fase da austenita em função do gradien-

te de resfriamento



Figura 37 - Diagrama TTT para aço Eutetóide (0,76%C), Transformação de ferro

Υ para perlita.


γ γ

γγ

γ γ

γ

Tempo (s)

Tem

pe

ratu

ra (

°C)

1s 1min 1h 1 dia

1400

1200

1000

800

105

104

103

102

101

500

600

700

A727°C

B

C

D

Austenita (Estável)Temperatura

Eutetóide

Perlita GrosseiraFerrita

Perlita Fina

Transformação

Austenita -> PerlitaDemonstra a ocorrência

da Transformação

Tem

pe

ratu

ra (

°F)

Fe C3

α

Nota-se a partir dos diagramas TTT que quanto mais para a esquerda o “cotovelo” estiver, maior será a severidade do meio refrigerante neces-sária 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.

Tempo (s)

Tem

pera

tura

(°C)

Temperatura Eutetóide

Tem

pera

tura

(°F)

105

104

103

102

10110-1

600

700

800

500

400

300

100

200

1400

1200

1000

800

600

400

200

Taxa de

resfriamento

crítico Martensita

(início)

Martensita+

Perlita

Martensita Perlita

140°C/s

35°C/s

0

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 intrinse-camente ligada à sua composição.

Temperabilidade: capaci-dade de um material ser endurecido por meio do tratamento térmico de têmpera.


Na ilustração a seguir é apresen-tado um diagrama TTT no qual a curva de resfriamento lento cru-za o início e o final da região de formação de perlita grosseira, a estrutura final é obtida.

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

Cen

tro

i

eS

ru

ep

fíce

Tem

pe

ratu

ra

Ae3

Mi

Mf

Tempo, esc. log.

Curva de Resfriamento

PRODUTO: PERLITA (OU PERLITA EFERRITA OU PERLITA E CEMENTITA)

▪ Recozimento isotérmico (cíclico)Assim como no recozimento ple-no, o aço é aquecido acima de sua temperatura crítica e nela mantido pelo tempo necessário para sua completa austenitização. O res-friamento do recozimento isotér-mico, contudo, diferencia-se do resfriamento do recozimento ple-no. O aço é rapidamente resfria-do a uma temperatura abaixo de sua zona crítica e, então, mantido até que ocorra a completa trans-formação isotérmica dos cons-tituintes. 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 tem-po ainda de recozimento poderá ser menor do que o anterior.

SEÇÃO 4Tratamentos térmicos

Os tratamentos térmicos envol-vem o aquecimento do material acima de sua temperatura crítica e então um resfriamento contro-lado. Pode ter tanto propósito de endurecer o aço quanto torná-lo mais dúctil. Os fatores predomi-nantes na etapa de resfriamento são o tempo e o meio refrigerante aplicado.Abaixo, são explicados os concei-tos fundamentais de cada trata-mento e seu objetivo.

Recozimento

O tratamento térmico de recozi-mento tem por objetivo melho-rar as propriedades do aço con-ferindo-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 recozimen-to podem ser quatro. Acompanhe!

▪ Recozimento pleno (recozimento total)Aquece-se o material acima de sua temperatura crítica e nela é man-tido até a completa solubilização do carbono e outros elementos na estrutura austenítica. O res-friamento segue-se no interior do forno de forma lenta e controlada a fim de se obter constituintes de acordo com o diagrama de equilí-brio ferro-carbono.

A manutenção da temperatura do material para que ocorra a trans-formação isotérmica pode ser conseguida em banhos de sais ou de chumbo fundido. Transformação isotérmica: trans-formação que ocorre a uma tempe-ratura constante.

▪ Recozimento para alívio de tensões (subcrítico)O aço é aquecido abaixo de sua temperatura crítica com o propó-sito de aliviar as tensões criadas durante a solidificação ou trans-formações mecânicas, como a es-tampagem.

▪ Esferoidização (coalescimento)A esferoidização objetiva melho-rar 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 carbo-no (C). Em aços de baixo teor de carbono (C) o material esferoidi-zado será muito mole e viscoso. Consiste no aquecimento do ma-terial a uma temperatura ligeira-mente inferior à zona crítica e nela ser mantido por um longo período, e então submetê-lo a um esfriamento lento e controlado.


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

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6

1800

1700

1600

1500

1400

1300

1200

1000

900

800

700

600

Normalização

Recozimento Pleno

Tem

pe

ratu

ra (

°C)

Tem

pe

ratu

ra (

°F)

Esferoidização

Composição (%C)

A1

A3

Acm

Normalização

Neste processo o material é aque-cido acima de sua temperatura crí-tica e então resfriado lentamente ao ar. Como resultado final, have-rá uma grande recristalização dos grãos deixando o material mais dúctil e com menor dureza. Pro-cesso aplicado em materiais que irão sofrer conformação plástica moderada ou profunda. A estrutura final obtida se dife-rencia da conseguida pelo reco-zimento pleno em função de ser mais refinada. É aplicada a peças laminadas ou forjadas, como tra-tamento preliminar à têmpera, etc.

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

Tem

pe

ratu

ra

Ae3

Mi

Mf

Tempo, esc. log.


PRODUTO: PERLITA (OU PERLITA EFERRITA OU PERLITA E CEMENTITA)

Ce

ntro

Sup

erfície

Têmpera

Da mesma forma que o recozi-mento ou a normalização, o aço é aquecido acima de sua zona crí-tica e mantido nela até a sua com-pleta 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 mar-tensita, e como já visto em seções anteriores, conferirá dureza e rigi-dez 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 exi-bem alta dureza e baixa ductibili-dade. O meio e o gradiente devem ser selecionados de acordo com o aço, a forma e as dimensões do produto a ser temperado.

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

Tem

pe

ratu

ra

Ae3

Mi

Mf

Tempo, esc. log.


PRODUTO: MARTENSITA REVENIDA

Ce

ntro

Su

pe

rfície

REVENIDO ÀDUREZA DESEJADA

Transformação

Em peças temperadas, além da dureza superficial final obtida, ainda é controlada a profundida-de 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 resfria-mento. Como consequência da têmpera, tensões internas inevitáveis se-rão formadas no interior das pe-ças temperadas, as quais poderão provocar desde empenamentos até trincas. Com o propósito de se atenuar esse inconveniente, aplica-se um novo tratamento tér-mico que é o revenimento.

Revenimento

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


Como mencionado, além de ali-viar as tensões criadas durante a têmpera, também proporcio-nará a diminuição da dureza fi-nal. Quanto maior for o tempo e a temperatura de revenimento, menor será a dureza, como você pode observar:

Austêmpera

O tratamento térmico por aus-têmpera, assim como o recozi-mento, a normalização e a têmpe-ra, 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 pratica-mente não necessita de um pós-tratamento de alívio de tensões, uma vez que a completa rea-ção de austenita em bainita gera muito menos concentrações de tensões internas, além de mini-mizar consideravelmente a for-mação de trincas no material.

Martêmpera

A martêmpera é muito semelhan-te 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 ten-sões internas. A peça a ser temperada é aquecida acima de sua temperatura crítica e nesta mantida pelo tempo neces-sário para sua completa austeniti-zação. Em seguida, é rapidamente resfriada, normalmente em banho de óleo ou sais, até uma tempe-ratura ligeiramente superior ao início da formação da martensi-

Figura 43 - Dureza Final em Função do Tempo e da Temperatura de Revenimento


Tempo (s)

105

104

103

102

101

70

65

60

55

50

45

40

35

30

Du

reza

Ro

ckw

ell

HR

C

1min 1h 1 dia

700

600

500

400

300

205°C (400°F)

315°C (600°F)

425°C (800°F)

535°C (1000°F)

Du

reza

Bri

ne

llFigura 44 - Curva de Resfriamento para Austêmpera


tempo (escala log)

transformação

bainita

austenita + bainita

austenita

+ perlita

perlita

austenita

sup

erf

ície

cen

tro

°C

A

M1

Mr

Figura 45 - Curva de Resfriamento para MartêmperaFonte: MSPC Informações Técnicas (2009).

tempo (escala log)

transformação

bainita

austenita + bainita

austenita

+ perlita

perlita

austenita

sup

erf

ície

cen

tro

°C

A

M1

Mr

bainita

revenido para a

dureza desejada


▪ Têmpera por chamaA superfície da peça é aquecida por uma chama de oxiacetileno até a temperatura de austenitiza-ção do aço e então resfriada rapi-damente por meio de um jato de água. Consegue-se assim a forma-ção de uma estrutura martensítica somente na superfície do produ-to, mantendo seu núcleo com as propriedades mecânicas originais.

▪ Têmpera por indução O processo de endurecimento su-perficial por têmpera por indução é muito semelhante ao por têmpe-ra por chama. A diferença princi-pal está na forma de aquecimento da peça que se dá por indução ele-tromagnética, gerando um campo eletromagnético que induz um potencial elétrico na própria peça.

▪ Têmpera por laserUm feixe de laser é dirigido sobre a superfície da peça e assim con-segue seu aquecimento localizado. O resfriamento ocorre através da própria condutibilidade térmica do material, o qual retira rapida-mente esse calor.

DICA Aços submetidos a um tra-tamento de têmpera super-ficial também requerem um revenimento posterior.

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 re-quer o processo de revenimento posterior.

Patenteamento

O patenteamento é aplicado ge-ralmente a arames e barras. Nes-te processo o material também é austenitizado por completo e en-tão submetido a um resfriamento contínuo, geralmente em banho de chumbo fundido, e mantido em uma temperatura aproximada de 510 a 540°C por alguns segun-dos, formando uma estrutura per-lítica 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 patente-amento tem um resfriamento suficientemente lento para interceptá-lo.

Têmpera subzero

Resfriamento de um aço a uma temperatura abaixo de zero du-rante o tratamento térmico a fim de transformar a austenita retida em martensita.

Endurecimento por pre-cipitação (envelhecimento)

Este tipo de tratamento térmico é largamente aplicado a ligas de metais não ferrosos, como o co-bre (Cu) e o alumínio (Al), além de algumas poucas ligas de aços. Em algumas ligas de não ferrosos o endurecimento por envelheci-mento pode ocorrer de forma na-tural à temperatura ambiente.O material é mantido a uma tem-peratura relativamente baixa por um longo período, o que ocasio-nará a precipitação de componen-tes ou fases da liga na forma de carbonetos e nitretos, por exem-plo.

Têmpera superficial

Em muitos casos pode ser inte-ressante obter uma alta dureza somente na superfície do mate-rial, mantendo o seu núcleo com alta ductibilidade e tenacidade. Algumas aplicações se fazem ne-cessárias a essas propriedades, por exemplo, alguns tipos de eixos. Este tipo de têmpera permite, ain-da, uma melhor precisão dimen-sional de peças planas, menores riscos de aparecimento de fissu-ras, possibilidade de endurecer so-mente uma área específica, dentre outras vantagens. O tempo de aquecimento é muito curto, geralmente poucos segun-dos, o que produz uma nítida su-perfície entre a região endurecida e o restante da seção.


Boretação

Neste tratamento termoquímico é promovido o enriquecimento su-perficial com boro (B). Promove alta resistência à abrasão superfi-cial.

Carbonitretação

Tanto o carbono (C) quanto o nitrogênio (N) enriquecem simul-taneamente a superfície dos aços. Consegue-se alta resistência su-perficial.

Cementação

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 profundi-dade de cementação é dependen-te da temperatura de cementação. Ao final essas peças são subme-tidas 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 ele-mentos de liga formando nitretos complexos. É aplicado a produtos que requeiram alta resistência ao atrito.

▪ Encruamento é o endureci-mento causado pela deformação a frio do material na sua zona plástica. Quanto maior for o encruamento, maior será a resis-tência que o material irá exibir. Forjamento, laminação a frio e trefilação são alguns dos proces-sos de fabricação que melhoram as propriedades mecânicas do material pelo encruamento. O encruamento é decorrente da interação das discordâncias com barreiras que limitam sua movi-mentação, 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 maleabi-lidade e menor fragilidade.

SEÇÃO 5Tratamentos 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 abrasi-vidade, menor atrito, maior po-libilidade, dentre outras proprie-dades, porém sem perder as suas propriedades mecânicas originais como ductibilidade, tenacidade, resistência à fadiga, etc. São exe-cutados por meio da aplicação de calor em um meio apropriado.

Relembrando

Nesta unidade de ensino você aprendeu as caracte-rísticas dos principais trata-mentos térmicos e termo-químicos aplicados aos aços. Conheceu os meios aplicados para os resfriamento e fi-cou sabendo dos principais parâmetros que devem ser controlados durante um tra-tamento térmico.Na próxima unidade de estu-do, descreveremos os ensaios necessários para o controle das propriedades mecânicas. Continue conosco!

Unidade de estudo 7

Seções de estudo

Seção 1 – IntroduçãoSeção 2 – Ensaios de oficina Seção 3 – Ensaios não destrutivosSeção 4 – Ensaios destrutivos



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 se-gregar o material e deixar o clien-te frustrado, ainda poderia causar graves acidentes. Imagine a bito-la de um cabo de aço sendo de-terminada pelo próprio uso, por exemplo, em um elevador cheio de pessoas. Com o desenvolvimento das ci-ências e da indústria, ao longo das últimas décadas muitos mé-todos foram desenvolvidos com o propósito de gerar informações confiáveis sobre os materiais en-saiados e prever qual será sua res-posta quando aplicados em nível industrial ou doméstico, ou ain-da avaliar a própria peça acabada quanto à sua integridade física. A avaliação do produto final pas-sou a ser obrigatório para deter-minar se atende às rigorosas nor-mas técnica de segurança, por exemplo, na indústria automo-bilística e de aviação, bem como também os materiais que o com-põem. Evitando dessa forma cus-tos 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”?

Ensaios

Ensaiar significa aplicar um material ou dispositivo a testes metodológicos deter-minados em normas ou con-venções e por fim comparar os resultados obtidos com va-lores tabelados ou desejados.

Esses ensaios podem ser realiza-dos no próprio ambiente de tra-balho ou em laboratórios equipa-dos para tal, na própria peça ou em corpos de prova. Os ensaios não destrutivos realizados na pró-pria peça não deixam marcas no produto, já os ensaios destrutivos realizados em corpos de prova normalmente danificam os mes-mos, destruindo-os ou pelo me-nos gerando deformações consi-deráveis. O primeiro ensaio desenvolvido foi o visual, no qual o inspetor verificava a integridade do pro-duto 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 defi-ciência visual como daltonismo, podem considerar defeitos como descontinuidades, ou vice-versa.

Norma técnica: é a ex-pressão utilizada para

designar procedimentos me-todológicos padronizados que são seguidos em âmbito na-cional ou mundial e ofere-cem as especificações de materiais, métodos de aná-lise 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), den-tre muitas outras.


SEÇÃO 2Ensaios de oficina

Os ensaios de oficina têm por objetivo a determinação de algu-mas propriedades do material de forma qualitativa e instantânea. Podem ser úteis para classificar diversos materiais quanto às suas durezas e composições de carbo-no, bem como identificar mate-riais pelo som emitido e sua co-loração.Por meio do ensaio de lima é pos-sível determinar a dureza de um material em relação a outro, quan-to mais mole for, mais fácil será o corte do cavaco.

Figura 46 - Ensaio por Lima

Fonte: Cozaciuc (1996, p. 12).de um

veículo

Já pelo ensaio por centelha, de-termina-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.

Figura 47 - Ensaio por Centelha

Fonte: Cozaciuc (1996, p. 12).

Com o ensaio de dobramento, pode-se testar a capacidade de deforma-ção de um material, sua resiliência e resistência à fadiga. Já pela colora-ção, 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 emiti-do. O som emitido pelo ferro fundido é mais baixo e abafado, enquanto do aço mais alto, já do bronze é estridente (sino).

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 3Ensaios 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 utili-zados na determinação da existência de microfissuras na superfície da peça. Consiste na aplicação de um líquido que penetra nessas desconti-nuidades superficiais e posteriormente é revelado com o auxílio de outro líquido ou luz ultravioleta.


Este método surgiu nas oficinas de trens e tinha como objetivo inicial a identificação de trincas em peças de vagões e locomoti-vas. Após a lavagem da peça com água fervente ou solução cáustica, ela era mergulhada em uma mis-tura 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 marcan-do a camada branca de giz. O método de óleo e giz apresen-tava muitos erros, pois não havia controle dos produtos utiliza-dos (óleo, giz, querosene e álco-ol), suas proporções, tempos e quantidade envolvidas. Somente algumas décadas depois da sua invenção foi aprimorado com o desenvolvimento de líquidos pe-netrantes 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 políme-ros e cerâmicas não porosas e pode identificar descontinuidades na ordem de até 0,001 mm de lar-gura (não visível a olho nu).Como limitação, destaca-se com um ensaio capaz de revelar so-mente descontinuidades superfi-ciais, 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 pene-trante. 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 ferromag-néticos 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 cam-po magnético formado aplicar partículas ferromagnéticas. As falhas no material gerarão um campo de fuga do fluxo eletromagnético e em con-sequência 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 so-mente ferromagnéticas, ou seja, podem ser atraídas por imãs ou campos eletromagnéticos artificiais.Embora simples, este ensaio pode ser aplicado somente a materiais mag-netizáveis, como o aço e ligas ferrosas.

Figura 49 - Campo de Fuga Eletromagnética



SEÇÃO 4Ensaios 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 uti-lizados na mecânica.

Ensaio de tração

O ensaio de tração pode ser con-siderado o mais importante entre os destrutivos, visto sua facilidade e rapidez de execução, reprodutivi-dade dos resultados, aliado, ainda, a um baixo custo de execução. Este ensaio consiste em aplicar uma força longitudinal uniaxial a um corpo de prova, distribuí-da uniformemente ao logo des-te, 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 dimen-sões e métodos de fabrica-ção determinados em norma, possibilitando a comparação dos resultados, valores típicos da literatura. Uma das nor-mas que especifica as dimen-sões desses corpos de prova é a ASTM E-8.

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 en-quanto que no aço pode chegar a 5.900 m/s.Utilizando esse princípio, o ensaio por ultrassom é capaz de identificar a exis-tência de descontinuidades no interior da peça e indicar sua posição exata.

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 so-bre tubos de imagem acoplados a monitores ou computadores. A for-mação 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.

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

Material a ser inspecionado

Filme

Descontinuidade

radiação

Fonte


Figura 52 - Máquina Universal De Tração


garras de fixaçãodo corpo de prova

cabeçote móvel

base fixa

unidades de controle

corpo deprova

registradorgráfico

▪ TensãoTensão (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

▪ DeformaçãoDeformação 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.

Figura 53 - Corpo de Prova Antes e Depois do Ensaio de Tração


corpo de prova antes do ensaio de tração

corpo de prova depois do ensaio de tração

Lf

Lo

O procedimento consiste em fixar o corpo de prova em um equipa-mento conhecido como máquina universal de tração. Esta máqui-na 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 ve-locidade constante e controlada (causará a deformação do corpo de prova). O acionamento pode se dar por fuso ou de forma hidráu-lica. A velocidade e a temperatura do ensaio são fatores que afetam consideravelmente os resultados. Durante todo o ensaio, sistemas de medida registram a defor-mação 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 téc-nico responsável pelo ensaio po-derá determinar a máxima defor-mação plástica do material e sua tensão correspondente, pontos de escoamento, módulo de rigi-dez, máxima deformação e tensão suportada pelo material no ponto de ruptura, dentre outras infor-mações de igual relevância. Antes de continuar a estudar o ensaio de tração e as proprieda-des mecânicas possíveis de serem obtidas, é importante rever alguns conceitos.


ε = Lf - Lo * 100L0

DICA Verifique na prática os con-ceitos de resistência à tração e deformação fazendo o se-guinte experimento: pegue duas linhas de pesca, uma mais fina e outra mais gros-sa. Amarre uma extremida-de de cada em um suporte alto e na outra ponta pendu-re 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 defor-mação elástica ou também ocorreu a deformação plás-tica.

▪ 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:

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

Limite de proporcionalidade/Módulo de elasticidade: num primeiro momento o diagrama exibe uma característica line-ar, que correspondente à região de deformação plástica sofrida pelo corpo de prova. Essa rela-ção pode ser representada pela equação conhecida como lei de Hooke, a qual fornece a constante de proporcionalidade do material (E), também designada como mó-dulo 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 elasti-cidade e, por conseguinte, menor será sua deformação para uma dada tensão aplicada. É como um elástico mais duro, necessita-se aplicar mais força para deformá-lo na mesma razão do que um elástico mais mole. As forças entre as ligações entre os átomos de um metal são as res-ponsáveis pelo módulo de elas-ticidade, e como essas são cons-tantes, deste modo, o módulo de elasticidade é uma das proprieda-

des mais constantes dos metais. Porém, são afetadas pela tempera-tura, adição de elementos de liga e processamentos térmicos. O ponto (A) do diagrama indica a máxima tensão que o material suporta 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 ma-terial, o que caracteriza o começo da deformação permanente.

DICA Lembre-se, a tensão (σ) é uma relação entre a for-ça (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 suportará, pois rearranjan-do a equação teremos: F=σ.S0. O material se comportará como uma mola dentro da sua região de proporciona-lidade.


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

MetalMódulo 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) 17Fonte: 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 suportará. 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 suportará.

Ensaio de compressão

O ensaio de compressão consiste em comprimir um corpo de prova entre duas placas que se aproximam a uma velocidade constante, con-forme 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 re-sultados 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 com-posição, o ensaio de tração não se aplica a esse material, e também a sua aplicação será para suportar esforços compressivos como em pilares e vigas.

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. Ma-teriais muito rígidos e frágeis exibirão pouca ou nenhuma es-tricção antes da ruptura.


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

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

Dureza

Esta propriedade característi-ca dos materiais que expressam resistência a deformações plás-ticas do sólido está diretamen-te ligada à força das ligações atômicas. Pode ser definida de forma simples como sendo a re-sistência ao risco ou à penetra-ção de um material por outro. O termo dureza poderá apresen-tar significados de acordo com a área que estiver sendo aplicado. Na mecânica, considera-se a resis-tência à penetração de um mate-rial duro em outro, na usinagem como sendo a resistência ao corte do material, na metalurgia é a re-sistência ao desgaste após o mate-rial sofrer um tratamento térmico, já para a mineralogia, é definido como sendo a resistência ao risco que um mineral oferece ao ser ris-cado por outro.

▪ Dureza MohsA primeira escala de dureza criada foi a Mohs em 1812 pelo mine-ralogista 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 - flu-orita, 5 - apatita, 6 - feldspato, 7 - quartzo, 8 - topázio, 9 - coríndon e safira, enquanto que a 10 é atri-buída ao diamante que é o mate-rial natural mais duro da natureza. Ela não corresponde à dureza ab-soluta 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 con-venientemente 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 tem-perado, a escala 6.

▪ Dureza BrinellEste ensaio, criado pelo engenhei-ro sueco Johan August Brinell em 1900, passou a ser amplamente utilizado para definir a dureza de materiais metálicos, pois associa a carga aplicada à impressão dei-xada na peça. É representado pe-las letras HB, uma abreviatura de Hardness Brinell “dureza Brinell’. Consiste em comprimir lenta-mente uma esfera de aço de diâ-metro (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:

O diâmetro da calota esférica im-pressa 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 pos-suem uma estrutura interna uni-forme, como o ferro fundido cinzento, este é um método larga-mente utilizado, pois abrange uma área maior de contato durante o ensaio. Materiais muito elásticos tam-bém podem acusar uma dureza diferente da real, pois ao se reti-rar a carga aplicada, a impressão deixada poderá ser comprimida fazendo-a aparecer menor do que realmente é.

▪ Dureza VickersEste método difundido a partir de 1925 leva o nome da Companhia Vickers-Armstrong Ltda que fa-bricou os equipamentos para me-dir este tipo de dureza. É simboli-zado 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 impres-são deixada no material calculada através das diagonais (d), sendo muito conveniente para chapas fi-nas e materiais de baixa dureza, já que é possível controlar a carga.

HB = 2.F π.D(D-Ѵ̄ ˉ̄ ˉ̄ ˉ̄ ˉ D2-d2 )


Embora o ensaio seja demorado e exija uma preparação cuidado-sa do material a ser ensaiado, tem como vantagens deixar impres-sões pequenas, apresentar gran-de precisão de medidas, além da escala contemplar as durezas dos mais diversos materiais.

▪ Dureza RockwellÉ um dos métodos mais utiliza-dos na indústria e laboratórios, pois fornece a leitura da dureza diretamente no próprio equipa-mento de ensaio, evitando dessa forma erros operacionais, além de ser extremamente rápido e bara-to. Sua indicação se dá pelas le-tras 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 associa-do 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 pré-carga de 10 kgf (para ensaio Ro-ckewell normal) ou de 3 kgf (para ensaio de dureza Rockwell super-ficial) 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 pro-fundidade de penetração indica a dureza do material pela leitura direta no próprio mostrador da máquina de ensaio.

Figura 56 - Procedimento de Ensaio


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” 150Fonte: ASTM E 18-03 (2003).

HV = 1,8544.F d2


Tabela 9 - Escala de Durezas Rockwell Superficial

Símbolo PenetradorCarga principal

(kgf)

15N Cone de diamante 15



15T Esfera de 1/16” 15



15W Esfera de 1/8” 15



15X Esfera de ¼” 15



15Y Esfera de ½” 15

30Y Esfera de ½” 30

45Y Esfera de ½” 45Fonte: 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 dia-mante 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 KnopA dureza Knop (HK) é utilizada para microdurezas, em que um identa-dor piramidal de diamante é pressionado contra a superfície. Este méto-do é normatizado pela ASTM D1474.

Figura 57 - Identadores para Ensaio de Dureza


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


▪ Dureza ShoreEste método foi desenvolvido pela empresa fabricante de instru-mentos Albert F. Shore em 1920 e é largamente utilizado na média de dureza de polímeros, como borra-chas e elastômeros. É normatiza-do pela ASTM D 2240 (Standard Test Method for Rubber Property – Durometer Hardnes).Uma vez que polímeros normal-mente são muito elásticos e não mantêm a impressão do identador quando este é retirado, o método faz a leitura direta da dureza du-rante 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

A fadiga é uma fratura abrupta do material sob uma carga inferior à máxima suportada por este, quan-do submetido a esforços cíclicos que são tensões que se repetem continuamente, normalmente ca-racterizada por uma função senoi-dal.

Figura 58 - Tensão Cíclica

Fonte: Souza (1982, p. 110).

A falha pode iniciar a partir de descontinuidades superficiais ou inter-nas 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 mate-rial ou peça acabada podem suportar para uma dada tensão aplicada. Repetindo-se esse ensaio com diferentes tensões, é possível construir um gráfico que representa o número de ciclos suportados em função da tensão aplicada.

Figura 59 - Curva Tensão X Número de Ciclos (Resistência À Fadiga)



A curva representa a máxima re-sistência 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.

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

A forma da peça final é determi-nante para a resistência à fadiga. Cantos vivos, mudanças bruscas de espessura e encontro de pa-redes são concentradores de ten-sões 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 aca-bamento superficial também afe-tam 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, re-tangular ou quadrada assentado sobre dois apoios a distância pre-estabelecida a fim de dobrá-lo. A carga aplicada normalmente não é mensurada, somente as ca-racterísticas finais da dobra são avaliadas. A geração de trincas ou mesmo fissuras no material indica que ele não passou no teste. Des-se modo, pode ser considerado um resultado qualitativo somente e não quantitativo, pois não asso-cia um valor numérico para o re-sultado.

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.

Figura 60 - Ensaio de Dobramento


Da mesma forma que os ensaios apresentados anteriormente, a ve-locidade de dobramento e a tem-peratura do corpo de prova são variáveis que devem ser controla-das e seguidas conforme normas, pois afetarão o resultado final. Por exemplo, temperaturas mais altas proporcionarão uma maior duc-tibilidade e, consequentemente, poderão mascarar os resultados desejados.

DICA Com o auxílio de dois alica-tes tente dobrar um arame galvanizado e avalie o re-sultado 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 aqueci-da 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 mate-riais, é possível determinar o momento fletor, o momento de inér- cia da barra em função de sua geometria, dentre outras propri-edades.

Ensaio de impacto

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


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

Os materiais quando submetidos a esforços bruscos poderão apresen-tar 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 fragilmen-te 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 suporte 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 libe-rado. 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 sol-to) 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


DICA Da física, energia potencial (Ep) é igual a massa (m) do corpo multiplicada pela ace-leração 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 di-vidido por dois Ec=(m.v2)/2.


Embora este ensaio seja ampla-mente utilizado nas indústrias para avaliar propriedades mecâ-nicas de um material, ele fornece valores qualitativos que servirão para comparar dois materiais di-ferentes. Os valores, porém, não podem ser extrapolados para apli-cações práticas, uma vez que nes-tas a geometria, a espessura, bem como as demais características do corpo serão completamente dife-rentes do corpo de prova ensaia-do. 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 CharpyOs corpos de prova do tipo Char-py são subdivididos em mais três tipos (A, B e C). Caso a queda do martelo não provoque a sua com-pleta 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.

Figura 62 - Corpos de Prova do Tipo Charpy

Fonte: ASTM E23-07ae1 (2007).

▪ Ensaio de Impacto IzodO 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


Figura 64 - Ensaios Charpy e Izod


Ensaio de fluência

A deformação plástica observada em um material quando está sujei-to a um esforço constante abaixo do seu limite de escoamento (den-tro da zona elástica) por um lon-go período de tempo é definida como fluência. As movimentações das falhas in-ternas 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 apre-sentados anteriormente que são executados em um curto espaço de tempo, este poderá levar cen-tenas ou até milhares de horas de teste. Por esse motivo, não é geralmente utilizado nas indús-trias para caracterizar materiais que necessitem ser enviados ao cliente no menor tempo possível, e sim utilizado normalmente em centros de pesquisa e desenvolvi-mento de materiais.

DICA Se você pendurar uma sacola plástica, dessas de mercado, com carga inferior à sua má-xima 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 pro-priedades mecânicas de um ma-terial quando estiver sujeito a um esforço de torção, como por exemplo, um eixo de automóvel. Os procedimentos são relativa-mente simples, porém envolvem cálculos de resistência dos mate-riais de certa complexidade para chegar aos resultados. Os corpos de prova normalmen-te 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 li-gada 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 pode-rá ser dúctil ou frágil, dependen-do do material e das condições de ensaio. Como resultado, constrói-se um gráfico de tensão x deformação, a partir do qual podem ser avalia-dos o momento de torção, o mó-dulo de elasticidade transversal, o limite de proporcionalidade, o limite de escoamento, bem como a ductibilidade e tenacidade do material.

Ensaio de cisalhamento

Em aplicações mecânicas, a de-terminação da propriedade de resistência ao cisalhamento deve ser executada com muito cuidado, pois o corte pode ser tanto deseja-do quanto repugnado em algumas aplicações.A estamparia normalmente en-volve o corte de chapas ou outros perfis metálicos a fim de dar for-ma aos produtos finais. Já em es-truturas metálicas de uma cober-tura, por exemplo, os parafusos também estarão sujeitos à força cisalhante e devem suportá-la, pois caso contrário esta se des-mancharia. 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.

Cisalhar: significa cortar.


A tensão cisalhante é dada pela seguinte equação:

TC = F S

Sendo que a força (F) exercida so-bre 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


DICA Você já deve ter reparado que armários e prateleiras são fixados nas paredes uti-lizando parafusos resistentes e mais grossos. O que acon-teceria se eles fossem fixa-dos com parafusos finos? Já pensou no estrago que cau-sariam? Observe que os pa-rafusos estão sofrendo uma força cisalhante.

Ensaio de embutimento

Na estamparia, além do corte de chapas, também ocorre a confor-mação destas em produtos acaba-dos como lataria de automóveis, fogões, lavadoras e panelas.Durante a estampagem o material é estirado (ocorre o afinamento da chapa) e estampado por um pun-ção para dentro da matriz. A cha-pa deve exibir grande ductibilida-de, pois caso contrário o material rasgaria durante esse processo.Este ensaio pode identificar pe-quenas heterogeneidades que os ensaios de tração e dobramento, por exemplo, não acusariam. Es-sas 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 fixa-da 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 re-produz de forma controlada as condições reais de conformação do produto. Dois tipos de proce-dimentos são os mais usados, o Erichsen e o Olsen.

▪ Ensaio ErichsenUm 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 rup-tura. A propriedade determinada é o índice Erichsen, ou seja, a pro-fundidade 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


A análise do copo formado indica como a chapa se comportará du-rante a estampagem dos produtos finais, tanto em relação à aparên-cia final quanto à qualidade.

▪ Ensaio OlsenO procedimento de ensaio é mui-to semelhante ao utilizado no en-saio Erichsen, porém neste caso a chapa é cortada em discos com 76 mm de diâmetro e o punção es-férico 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 confor-mação.

Figura 67 - Ensaio de Embutimento

Olsen



Saiba mais

http://www.youtube.com/user/LMDMCETEChttp://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.shtmlhttp://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 es-tudos você aprendeu que existem muitos ensaios que são utilizados para o contro-le de propriedades das ligas metálicas e produtos acaba-dos aplicados na indústria metal mecânica. Viu ainda que esses ensaios são classi-ficados 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...


Finalizando

Prezado aluno, ao cursar esta unidade curricular de Materiais e Ensaios você teve a opor-tunidade 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, es-pecificamente, você aprendeu sobre ligas metálicas ferrosas, seus microconstituintes e clas-sificação 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 trata-mentos 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 es-trutura 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 apresen-tados aqui, retome o estudo deste material. Bom estudo nas próximas unidades!

Referências


▪ ANDREUCCI, R. Ensaios por líquidos penetrantes. São Paulo: Associação Brasilei-ra de Ensaios Não Destrutivos e Inspeção, 2008. Apostila para download. Disponível em: <http://www.abende.org.br/down2/apostilalp.pdf>. Acesso em: 07 set. 2009.

▪ ASHBY, M. F.; JONES, D. R. H. Engineering materials 1: an introduction to properties, applica-tions 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 mate-rials. 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. Dispo-nível em: <http://www.cienciadosmateriais.org>. Acesso 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 ferra-menta. Disponível em: <http://www.cimm.com.br/portal/noticia/index_geral/?src=/material/acos_ferramentas>. Acesso em: 01 jul. 2009.

▪ COZACIUC, I. Mecânica: ensaios de materiais. São Paulo: Globo, 1996. 208 p. (Tele-curso 2000. Profissionalizante).

▪ INDUSTRY PLAYER. Business simulation game. 2009. Disponível em: <http://www.in-dustryplayer.com/licenceinfo.php?licid=000008>. Acesso 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: <http://www.mspc.eng.br/ndx_ciemat0.shtml>. Acesso em: 01 jul. 2009.

▪ NDT Resource Center. Introduction to materials and processes. Disponível em: <http://www.ndt-ed.org/EducationResources/CommunityCollege/Materials/cc_mat_index.htm>. Acesso em: 01 jul. 2009.


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

▪ PANORAMIO. 2009. Disponível em: <http://www.panoramio.com/photo/11393161>. Acesso em: 05 jul. 2009.

▪ PORTAL da Usinagem. Disponível em: <http://portaldausinagem.com/page17.php>. Aces-so em: 01 jul. 2009.

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

▪ STEEL Production (Processes & Products). HSC geography case study. Disponível em: <http://www.aiw.org.au/resources/geographyhsc/hscflowchart.htm>. Acesso em: 01 jul. 2009.

▪ TECLAGO. Disponível em: <http://www.teclago.com.br>. Acesso 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)


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 420Fonte: Callister (2002).

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