Materiais para Fabricação Mecânica

CENTRO UNIVERSITÁRIO FUNDAÇÃO DE SANTO ANDRÉ

Faculdade de Engenharia “Engenheiro Celso Daniel”

Notas do curso de

Materiais para Fabricação Mecânica

Prof. Claudemir J. Papini

Versão 2.0

2009

2

Classificação dos Materiais Materiais: Cerâmicos ; Poliméricos; Metálicos. Compósitos

Cerâmicos: - metais ligados a não metais (óxidos, nitretos e carbonetos) - ligações iônicas e covalentes - isolantes térmicos e elétricos - resistentes a altas temperaturas e ambientes corrosivos - duros mas frágeis.

Figura 1 - Ligação iônica

Poliméricos: - moléculas orgânicas sintéticas ou naturais (plásticos, borrachas, couro, seda, chifre).

- baseados no átomo de carbono (hidrogênio, flúor e outros não metais - ligações covalentes na cadeia e ligações secundárias intercadeias - leves - isolantes elétricos e térmicos - flexíveis - boa resistência à corrosão - baixa resistência ao calor

Figura 2 – Ligação covalente.

3

ligações de

van der

Waals

ligações de

van der

Waals

Figura 3 – Ligação Secundária ou de Van der Waals.

Metálicos: - combinação de elementos metálicos - grande número de elétrons livres - excelentes condutores de eletricidade e calor - opacos - quando polidos refletem a luz - resistentes mas deformáveis

- muito utilizados em aplicações estruturais

Figura 4 - Ligação metálica.

Compósitos: - buscam conjugar as propriedades de dois tipos de materiais distintos,

para obter um material superior.

4


Estrutura Cristalina – Prof. Claudemir J. Papini



5





Estrutura CristalinaComo os átomos estão arranjados em um sólido?

cristalregularmente; periodicamente

amorfoaleatoriamente; não periodicamente

6





Célula Unitária

bloco de construção básico da estrutura cristalina

Geometria

constantes de rede: a, b, c

ângulos interaxiais: , ,

7





8





9





10





11





12





13





14





15





16





17





18





19





Sistema Cristalino Tipo(s) de Rede Propriedades da

Célula Unitária

Triclínico P a, b, c, , ,

Monoclínico P, C a, b, c, 90, , 90

Ortorrômbico P, I, F, C a, b, c, 90, 90, 90

Tetragonal P, I a, a, c, 90, 90, 90

Romboédrico P a, a, a, , ,

Hexagonal P a, a, c, 90, 90, 120

Cúbico P, F, I a, a, a, 90, 90, 90

Sistemas Cristalinos

P (primitiva); I (innenzentrierte; corpo centrado); F (face centrada); C (base centrada); R (romboédrico)

20



Estruturas Típicas: CsCl

Exemplos: Latão (Cu-Zn); NiAl

Estrutura Cristalina: duas redes cúbicas simples interpenetradas



Estruturas Típicas: NaCl

Estrutura Cristalina: duas redes CFC interpenetradas

O Cristal Real: Defeitos Cristalinos


Defeitos Cristalinos – Prof. Claudemir J. Papini

1

• Os cristais descritos até agora são todos ideais ou seja, não possuem defeitos.

• Os cristais reais apresentam inúmeros defeitos, que são classificados por sua “dimensionalidade”.

Defeitos Puntiformes ou Adimensionais

Lacunas

Impurezas intersticiais e substitucionais

Defeitos Lineares ou Unidimensionais

Discordâncias (dislocations)

Defeitos de Superfície ou Bidimensionais

Interfaces e fronteiras de grão

Defeitos de Volume ou Tridimensionais

Vazios, fraturas, inclusões e outras fases.

21



2

Defeitos Pontuais

• Devido à agitação térmica, os átomos de um cristal real estão

sempre vibrando.

• Quanto maior a energia térmica (ou temperatura), maior será a

chance de átomos saírem de suas posições, deixando um vazio

em seu lugar.

• Por outro lado, dentro da rede cristalina existem inúmeros

interstícios, espaços vazios entre os átomos, nos quais é possível

alojar outros átomos.

• Finalmente, é praticamente impossível obter um material

infinitamente puro. Sempre haverá impurezas presentes na rede

cristalina.



átomo intersticial

átomo substitucional

pequeno

lacuna

Defeitos Puntiformes



átomo substitucional

grandedefeito de Frenkel

defeito de Schottky

Defeitos Puntiformes

22



Defeitos Lineares (Discordâncias)

•• Existe uma linha separando a seção perfeita da Existe uma linha separando a seção perfeita da seção deformada do material.seção deformada do material.

•• São responsáveis pelo comportamento mecânico São responsáveis pelo comportamento mecânico dos materiais quando submetidos à cisalhamento.dos materiais quando submetidos à cisalhamento.

•• São responsáveis pelo fato de os metais serem São responsáveis pelo fato de os metais serem cerca de 10 vezes mais “moles” do que deveriam.cerca de 10 vezes mais “moles” do que deveriam.

•• Existem dois tipos fundamentais de discordâncias:Existem dois tipos fundamentais de discordâncias:

Discordância em cunha;Discordância em cunha;

Discordância em hélice.Discordância em hélice.



Discordância em Cunha

Defeitos Lineares

Linha

da

discordância



Defeitos Lineares

Vetor de

Burgers

Linha da

Discordância

Discordância em Hélice

23



Defeitos de Superfície

• Contornos de grãos são zonas de difícil concordância cristalina entre grão adjacentes.

• Quando o desencontro da orientação é pequeno, da ordem de apenas poucos graus, é usado o termo contorno de grão de baixo ângulo. Esses contornos podem ser descritos em termos de arranjos de discordâncias.




Contorno de grãoContorno de subgrão

24




Material Polifásico

Contornos de grão

de fases distintasContornos de grão

de mesma fase

Contornos de Grão (Molibdênio 250x)

|Material Monofásico

Aço 1045)

Importância das discordâncias

Encruamento

25

26

Propriedades Mecânicas dos Materiais

As principais propriedades mecânicas dos materiais são: resistência mecânica,

elasticidade, ductilidade, tenacidade, resiliência, dureza e fluência. Cada uma delas está associada à habilidade do material resistir a forças mecânicas.

Conceitos Fundamentais

Tensão convencional, nominal ou de engenharia é definida como a força

aplicada por unidade de área:

A

F

onde: = tensão (Pa); F = força; A = seção transversal original (m2). Como efeito da tensão, ocorre a deformação que pode ser elástica ou plástica. A

deformação elástica é reversível (desaparece quando a tensão é removida).

A deformação elástica de um material é dada pela lei de Hooke, que descreve

uma relação linear entre tensão de deformação (), em que E é o módulo de elasticidade , ou módulo de Young:

= E .

Figura 5 - Deformação normal elástica (bastante exagerada)

O módulo de elasticidade (E) fornece uma indicação da rigidez do material e

depende fundamentalmente das forças de ligação interatômicas. Quanto maiores as forças de atração, maior é o módulo de elasticidade do material.

A deformação convencional, nominal ou de engenharia () representa a variação no comprimento a um dado instante e é definida por:

00

0-

l

l

l

ll

onde: l 0 = comprimento inicial de referência (carga zero ) (m);

l = comprimento de referência para carga P aplicada (m).

A deformação plástica é permanente e provocada por tensões que ultrapassam

o limite de elasticidade. É o resultado de um deslocamento permanente dos átomos que constituem o material e, portanto, difere da deformação elástica onde os átomos mantêm suas posições relativas.

27

Figura 6 - Na deformação plástica os átomos são deslocados por cisalhamento: (a) tração,

(b) compressão.

A ductilidade representa uma medida do grau de deformação plástica que foi

suportada quando da fratura. Corresponde à capacidade de um material em se deformar antes de se romper e pode ser expressa como alongamento percentual (AL%):

100x%0

0

l

llfAL

onde: lf = comprimento final do corpo de prova.

OBS: O valor de 0l deve ser especificado quando os valores do alongamento

percentual forem citados

Ensaios mecânicos Os ensaios mecânicos visam não somente medir as propriedades mecânicas,

mas também: - comparar estas propriedades em diversos materiais; - constatar influências das condições de fabricação, de tratamentos

térmicos e da utilização; - determinar qual o material mais adequado para determinado uso

Muitas vezes os ensaios mecânicos são realizados em corpos de prova, que são amostras representativas do material a ser analisado. Estes corpos de prova normalmente são confeccionados seguindo normas e especificações apropriadas.

Ensaio de tração

Consiste na aplicação de carga de tração uniaxial crescente em um corpo-de-

prova específico até a ruptura. Mede-se a variação no comprimento em função da carga. É o ensaio mecânico mais amplamente realizado, por ser relativamente simples e rápido e fornecer informações importantes para a fabricação e o projeto de peças e componentes.

28

(a) (b)

Figura 7 – Ensaio de tração: (a) maquina de teste com sistema automático de processamento de dados; b) corpo de prova fraturado em tração, com o extensômetro preso. (2)

A relação entre a tensão aplicada e a deformação resultante é acompanhada na

forma de um diagrama de tensão x deformação. O início da curva representa a deformação elástica e está de acordo com a lei de

Hooke, ou seja, a deformação é proporcional à tensão aplicada.

(a) (b) Figura 8 – Curvas de tensão-deformação: (a)Comportamento típico da curva de engenharia até a fratura

do material; (b) detalhe mostrando a deformação elástica linear para ciclos de carga e descarga (1).

Com o auxílio da curva de tensão-deformação de engenharia pode-se definir vários parâmetros importantes, além dos já citados:

- Limite de escoamento: tensão que separa o comportamento plástico do elástico. Em casos onde é difícil a sua determinação, o limite de escoamento é definido por uma deformação permanente de 0,2%.

- Limite de proporcionalidade: máxima tensão acima da qual o material

não mais obedece à lei de Hooke, isto é, perde-se a linearidade entre a relação tensão-deformação.

- Limite de resistência: tensão (de engenharia) máxima que o corpo de prova resiste. A partir deste ponto as tensões de engenharia caem devido à estricção.

29

- Estricção: diminuição percentual da área de secção transversal do corpo

de prova (deformação não uniforme). - Tensão de ruptura: tensão (de engenharia) onde o corpo de prova se

rompe. - Alongamento uniforme: alongamento que ocorre até a estricção

(deformação uniforme). - Alongamento total: deformação que ocorre até a ruptura.

Figura 9 – Alguns parâmetros importantes definidos com o auxílio da curva de tensão-

deformação de engenharia (3)

O módulo de elasticidade também pode ser determinado por meio da curva de

tensão-deformação. Ele corresponde ao coeficiente angular da reta formada na região linear do diagrama, conforme é demonstrado na figura 8b.

Outras propriedades mecânicas importantes que também podem ser determinadas:

- Tenacidade: capacidade do material deformar-se plasticamente e absorver energia antes da ruptura ou quantidade de energia necessária para romper o material. Pode ser avaliada pela área total sob a curva tensão-deformação.

- Resiliência: capacidade de um material absorver energia quando deformado elasticamente e devolvê-la, quando o esforço é aliviado.

(a) (b)

Figura 10 – Representação esquemática das propriedades resiliência e tenacidade: (a) determinação gráfica; (b) valores comparativos entre dois tipos de aços (4).

30

A tensão de engenharia aplicada no ensaio não leva em conta a estricção. Esta

consideração é realizada aplicando-se a tensão real(r) que é definida como:

Ar

Fr

onde: Ar = área da secção reta do corpo de prova em cada instante do ensaio.

Figura 11 – Diagramas tensão-deformação nominal (ou de engenharia) e real (4).

Ensaio de compressão

É a aplicação de carga compressiva uniaxial em um corpo-de-prova. A

deformação linear obtida pela medida da distância entre as placas que comprimem o corpo versus a carga de compressão consiste na resposta desse tipo de ensaio, basicamente utilizado nas indústrias de construção civil e de materiais cerâmicos.

(a) (b)

Figura 12 – Ensaio de compressão: (a) amostra de rocha sendo ensaiada (2); (b) curvas tensão-deformação nominal e real para materiais dúcteis e não dúcteis sujeitos à compressão (4).

31

O comportamento elástico em compressão é comparável ao da tração. Na fase plástica o material dúctil terá sua área de seção transversal aumentada e o material frágil será rompido.

Em função da presença de trincas submicrométricas, os materiais frágeis são geralmente fracos em condições de tração. Por outro lado, esses materiais são resistentes à compressão.

Figura 13 – Comparação entre os comportamento a tração e a compressão: (a) ferro fundido; (b)

concreto (5).

Ensaio de Flexão

Em materiais frágeis, como as cerâmicas e metais duros, a determinação das

propriedades mecânicas por meio do ensaio de tração é muito difícil . O ensaio mais utilizado é o de flexão, que consiste na aplicação de uma carga crescente em determinados pontos de uma barra de geometria padronizada. Mede-se o valor da carga versus a deformação máxima.

O ensaio pode ser realizado em três pontos ou em quatro pontos.

Figura 14– Comparação entre os ensaios: (a) flexão em três pontos; (b) flexão em quatro pontos e (c)

ensaio de tração (segundo D. W. Richerson). A área hachurada representa a distribuição de tensão de tração ao longo do comprimento do corpo de prova (3).

A resistência a flexão (ou módulo de ruptura) é definida como a tensão máxima de tração na ruptura.

32

Figura 13 – Formulas para o cálculo do módulo de ruptura no ensaio de flexão: (a) três pontos; (b) quatro

pontos (segundo D. W. Richerson) (3).

Ensaio de dobramento O dobramento é caracterizado por induzir tensões de compressão numa parte

de uma seção transversal da peça e tensões de tração na parte restante.

Figura 15– Representação esquemática das tensões originadas por esforço de dobramento (4).

O ensaio de dobramento é mais qualitativo do que quantitativo. O objetivo

principal é verificar a ductilidade do material. O método mais comumente utilizado é o “dobramento livre”.

A ABNT define o Ângulo de Dobramento Alfa como: “ângulo de que girou, em relação à sua posição inicial, o eixo da parte ainda retilínea de qualquer dos ramos do corpo de prova”.

(a) (b)

Figura 16 – Ensaio de dobramento: (a) dobramento livre; (b) ângulo de dobramento segundo a ABNT (4).

33

Ensaios de dureza

Dureza: Medida da resistência de um material à deformação plástica localizada,

por exemplo, uma pequena impressão ou um risco.

Figura 17 – Deformação durante a penetração no ensaio de dureza. (4).

As técnicas de determinação de dureza são baseadas na ação de um

penetrador na superfície do material, sob condições controladas de carga e taxa de aplicação. Faz-se a medida da profundidade ou do tamanho da impressão e relaciona-se este valor com um número índice de dureza: quanto mais macio o material, maior e mais profunda é a impressão e menor é o número índice de dureza.

Ensaio de dureza Rockwell

O valor a dureza é um número relacionado à profundidade dos penetradores,

que pode ser esferas de aço endurecido (diâmetros de 1/16, 1/8, 1/4 e 1/2 polegada) ou cone de diamante (Brale).

Figura 18 – Ensaio de dureza Rockwell: (a) modelo de um analisador de dureza; (b) penetrador esférico

e cônico. (6).

Nos processos industriais, há três principais escalas de dureza Rockwell:

- Rockwell A, para materiais muito duros, em que o penetrador possui

ponta de diamante em forma de cone com ângulo ao vértice de 120o e a carga é de 60 kg.

- Rockwell B, para materiais de dureza média. Utiliza-se o penetrador de esfera de aço de 1/16” de diâmetro e carga de 100 kg.

34

- Rockwell C, para materiais mais duros. Penetrador é o cone de

diamante e a carga é de 150 kg. Na verdade, existem outras escalas, porém são menos utilizadas. Na TAB. 1 são

apresentadas estas escalas e alguns exemplos de aplicações.

Tabela 1 – Escalas de dureza Rockwell (4).

O sistema de aplicação da carga no ensaio Rockwell é simples, conforme é

demonstrado na FIG. 19. O ensaio Rockwell superficial utiliza outras escalas (N, T e W), como é

demonstrado na TAB.2, e é usado para peças muito finas ou peças com camada superficial dura e de pequena espessura.

A identificação da dureza Rockwell é feita pelo símbolo HR seguido da escala

apropriada. Exemplos: 80 HRB – dureza 80 na escala Rockwell B. 60 HR 30W – dureza Rockwell superficial 60 na escala 30W.

35

Figura 19 – Descrição do processo de ensaio de dureza Rockwell (6).

Tabela 2– Escalas de dureza Rockwell superficial (1).

Ensaio de dureza Brinell No ensaio de dureza Brinell uma esfera de diâmetro D, penetra no material pela

ação de uma carga P, resultando numa impressão com forma de calota esférica de diâmetro d. A dureza Brinell (H) é obtida pela expressão:

).(.

2

22 dDDD

PH

(kgf/mm2)

36

Figura 20 – Ensaio de dureza Brinell. (7).

Os cálculos podem ser facilmente dispensados por meio da utilizações de

tabelas (TAB. 3).

Tabela 3– Dureza Brinell em função do diâmetro da impressão (7).

Tanto a carga quanto o diâmetro da esfera dependem do material, devendo

serem adequados ao tamanho, à espessura e à estrutura interna do corpo-de-prova. Na verdade devem ser escolhidas cargas P e diâmetro D que mantenham as relações:

2D

Pconstante

0,3 D < d < 0,6 D

37

Na TAB. 4 são mostrados os principais fatores de carga padronizados e as respectivas faixas de dureza e indicações.

Tabela 4 – Padrões de carga padronizados para o ensaio de dureza Brinell. (7).

Na TAB. 5 são apresentados os diâmetros de esfera e os valores de carga mais

utilizados, em função do fator de carga escolhido.

Tabela 5 – Diâmetros de esferas e cargas utilizadas em função do fator de carga padronizados. (7).

A representação do número de dureza Brinell deve ser seguida pelo símbolo HB,

sempre que se tratar do ensaio padronizado, com aplicação de carga por 15 segundos. Se outras condições forem adotadas o símbolo deve ser seguido por números que indicam as condições específicas do ensaio, conforme o exemplo a seguir:

85 HB 10/1000/30 tempo: 30 segundos carga: 1.000 kgf diâmetro da esfera: 10 mm Ensaio de dureza Vickers

Por este ensaio pode-se determinar a dureza desde materiais moles até

extremamente duros numa escala contínua. A dureza Vickers (HV) é baseada na resistência que o material oferece à

penetração de uma pirâmide de diamante de base quadrada e ângulo entre faces de 136o, sob uma determinada carga.

22

.8544,1

68sen2

d

F

d

FHV

2

21 ddd

38

(a) (b) Figura 20 – Ensaio de dureza Vickers: (a) penetrador; (b) medida do diâdmetro. (8).

Na FIG. 21 são apresentados possíveis tipos de impressão da dureza Vickers e

na FIG. 22 há uma comparação entre os resultados dos ensaios de dureza Vickers e Rockwell.

Figura 21 – Tipos de impressão Vickers: (a) perfeita; (b) em metais recozidos; (c) em metais encruados.

(4).

Figura 22 – Relação aproximada entre valores de dureza Rockwell e Vickers. (4)

39

Ensaios de microdureza

Estes ensaios são usados para determinar a dureza de pequenas peças de

precisão e verificar a dureza de pequenas áreas e de microconstituintes das ligas. O tipo de penetrador mais usado é o “Knoop” com carga variando desde poucos

gramas até 1 kgf por 15 segundos.

Figura 23 – Penetrador e impressão obtida pelo método Knoop de microdureza (4).

028,7.

102L

P

A

PHK

onde: HK = dureza Knoop; P = carga em kgf; L = comprimento da impressão em mm. Na FIG 24 estão imagens de micrografias de microdurezas.

(a) (b) Figura 24– Ensaios de microdureza: (a) Knoop, (b) Vickers. (8).

40

Como último comentário a respeito dos ensaios de dureza, pode-se destacar que existem relações entre os valores de dureza e a resistência à tração para alguns materiais. A expressão a seguir apresenta uma relação entre a dureza Brinell e aços carbono e liga e na FIG. 25 estão relações para o aço, o latão e o ferro fundido.

t = 0,36H

Figura 25 – Relações entre a dureza e o limite de resistência a tração para aço, latão e ferro

fundido (1).

41

Fratura

Qualquer processo de fratura envolve a formação e a propagação de trincas, em

resposta a uma tensão. Para materiais em engenharia, são possíveis dois modos de fratura: dúctil e frágil.

Fratura dúctil: ocorre uma extensa deformação plástica na vizinhança de uma

trinca que está avançando. Fratura frágil: as trincas espalham-se muito rapidamente com pouca

deformação plástica. Na FIG. 26 estão representadas ilustrações destes tipos de fraturas, na FIG. 27

está a representação da propagação de uma fratura tipo “taça e cone” (1) e na FIG. 28 estão fotografias de peças fraturadas.

Figura 26 – (a) Fratura altamente dúctil; (b)

fratura moderadamente dúctil e (c) fratura frágil sem qualquer deformação plástica (1).

(a) (b) (c)

Figura 27 – Estágios na fratura taça e cone: (a) empescoçamento inicial; (b) pequena formação

de cavidades; (c) coalescência de cavidades para formar uma trinca; (d) propagação de trinca; (e) fratura final por cisalhamento em ângulo de 45

o em relação à direção de tração (1).

42

(a) (b) Figura 28 – (a) Fratura tipo taça e cone no alumínio. (b) Fratura frágil em um aço doce(1).

Fratura transgranular: as trincas passam através dos grãos.

Para a maioria dos materiais cristalinos frágeis, a propagação da trinca corresponde à quebra sucessiva e repentina das ligações atômicas ao longo de planos cristalográficos de clivagem.

Fratura Intergranular: ocorre ao longo dos contornos de grão .

(a) (b) Figura 29 – Fractografias eletrônicas de varredura: (a) ferro fundido dúctil mostrando uma

superfície de fratura transgranular. Ampliação desconhecida. (b) Superfície de fratura intergranular. 50 X (1).

Ensaio de impacto

O choque ou impacto ocorre quando uma carga é aplicada repentina e

bruscamente. Os ensaios de impacto mais comuns são: Charpy, Izod e tração sob impacto

(FIG. 30).

43

Figura 30 – Ensaio de impacto: (a) corpo de prova utilizado nos ensaios Charpy e Izod; (b)

pêndulo de ensaio (1).

- O pêndulo é posicionado e adquire uma energia inicial; - Ao cair ele rompe o material e continua sua trajetória até sua posição final

(energia final). - A diferença entre as energias corresponde à energia absorvida pelo material. A energia absorvida na fratura varia muito com a temperatura de ensaio.

Realizando o ensaio à varias temperaturas pode-se determinar a faixa de temperatura de transição dúctil-frágil: a energia de impacto cai repentinamente ao longo de uma pequena faixa de temperatura (FIG. 31).

Figura 31 – Influência do teor de carbono sobre o comportamento da energia Charpy com

entalhe em “V” versus temperatura para aço.

44

Fadiga

A falha por fadiga ocorre quando um material é submetido à esforços cíclicos. A

tensão que um material pode suportar ciclicamente é muito menor que a suportável em condições estáticas

A falha por fadiga ocorre segundo as etapas: 1) O tensionamento cíclico causa deformações a frio e escorregamento

localizados; 2) A gradual redução da ductilidade nas regiões encruadas gera fissuras; 3) As fissuras concentram as tensões até que ocorra a ruptura completa. A falha por fadiga é de natureza frágil: mesmo em materiais dúcteis ocorre

pouca deformação plástica. Tensões Cíclicas: A tensão aplicada pode ser de natureza axial (tração-

compressão), de flexão (dobramento) ou torcional (torção). Em geral, são possíveis três modalidades diferentes de tensão oscilante-tempo, conforme é demonstrado na FIG. 32 (1).

Figura 32 – Variação da tensão ao longo do tempo: (a) ciclo de tensões alternadas, no qual a

tensão alterna desde uma tensão de tração máxima até uma tensão de compressão máxima de igual magnitude; (b) ciclo de tensões repetidas, no qual as tensões máxima e mínima são assimétricas em relação ao nível zero de tensão; (c) ciclo de tensões aleatórias (1).

No caso de tensões repetidas, diversos parâmetros são usados para caracterizar

o ciclo de tensões oscilantes:

(a)

(b)

(c)

45

Tensão média: 2

min

máx

m

Intervalo de tensão: min

máxi

Amplitude de tensões: 2

min

máx

a

Ensaio de fadiga No ensaio de fadiga, aplica-se uma carga com alteração de intensidade e

sentido e, por meio de um contador, controla-se o número de ciclos aplicados. As forças aplicadas podem ser de (FIG: - torção; - tração-compressão; - flexão; - flexão rotativa (FIGS. 33 e 34).

Figura 33 – Ensaio de flexão rotativa: (a) solicitação de flexão central; (b) solicitação de flexão no

extremo (9).

Figura 34 – Corpos de prova do ensaio de fadiga (9).

Curva S-N

Os resultados do ensaio de fadiga são apresentados na curva tensão-número de

ciclos (FIG. 35). Limite de resistência à fadiga: maior tensão que o material suporta um número

infinito de ciclos sem romper.

46

Resistência à fadiga: nível máximo de tensão que o material suporta, sem

falhar, para um número específico de ciclos.

Figura 35 – Amplitude da tensão em função do logaritmo do número de ciclos até a falha por

fadiga: (a) material que apresenta um limite de resistência à fadiga; (b) material que não apresenta um limite de resistência à fadiga (1).

Principais fatores que influem na resistência à fadiga: composições, projeto,

acabamento superficial, temperatura, tratamento superficial, microestrutura e condições ambientais.

Fluência Fluência é a deformação permanente dependente do tempo que ocorre sob

condições de tensões. O aumento da temperatura acentua este fenômeno. A fluência torna-se importante na faixa entre 0,4 Tf e o ponto de fusão (Tf=

temperatura de fusão em Kelvin). Na FIG. 36 está apresentada esquematicamente a variação do alongamento em função do tempo, obtida mediante ensaio de um corpo de prova de aço, submetido a uma carga constante, a uma temperatura superior a 400°C (10).

A ruptura por fluência ocorre, em temperaturas mais elevadas e cargas mais baixas, nos contornos de grão. Em temperaturas mais baixas, a fratura ocorre no interior dos grãos e sob cargas mais altas.

(b)

(a)

47

OA – deformação elástica (e um pouco plástica); AB – estágio inicial: deformação rápida; BC – estágio intermediário: velocidade constante; CD – estágio final: aumento da velocidade até a fratura.

Figura 36 – Curva de fluência, determinada em ensaio sob carga constante (10).

A temperatura em que a fratura muda de transgranular para intergranular é

chamada “temperatura eqüicoesiva”. Abaixo desta temperatura pode ocorrer um endurecimento por deformação (encruamento). Acima desta temperatura, a velocidade de escorregamento se sobrepõe ao efeito do encruamento e a fluência tem continuidade, mesmo sob baixas tensões.

Ensaios de fluência

Na maioria das vezes o ensaio de fluência é realizado sob tração, utilizando

corpos de prova semelhantes ao ensaio de tração (FIG. 37). Aplica-se uma determinada carga numa dada temperatura e avalia-se a deformação do corpo de prova ao longo do tempo.

Figura 37 – Aparelho para ensaio de fluência (4).

48

Como os ensaios são muito demorados, mas, mesmo assim, de duração relativamente curta quando comparados à vida real da peça, é possível uma extrapolação dos dados (FIG. 38).

Figura 38 – Desenvolvimento de relações tensão-deformação-temperatura de curvas de fluência

(4).

No ensaio de ruptura por fluência são utilizadas cargas superiores visando a

ruptura do corpo de prova. Neste ensaio a tensão e a temperatura são mantidas constantes e obtêm-se como resultados o tempo para a ruptura do corpo de prova, o alongamento e a estricção na fratura.

Na FIG. 39 está um gráfico de tensão-tempo de ruptura (4). No ensaio de relaxação é avaliada a recuperação da deformação quando se

descarrega um corpo de prova submetido a uma tensão de fluência (FIG.40).

49

Figura 39 – Gráfico esquemático representativo dos dados obtidos no ensaio de “resistência à

ruptura (4).

Figura 40– Recuperação da deformação, após descarregamento (4).

50

Propriedades Elétricas

A resistência elétrica (R) e a corrente elétrica (i) estão relacionadas com a diferença de potencial (U) por meio da expressão:

iRU .

A diferença de potencial é medida em volts (V) ou em J/C, a corrente em ampère

(A) ou em C/s e a resistência elétrica é medida em ohm () ou em V/A. O valor de R depende do material e da geometria do condutor e é, para muitos

materiais, independente da corrente elétrica.

Resistividade elétrica () é uma propriedade elétrica independente da

geométrica da amostra. A unidade oficial de é m, mas ela é freqüentemente

expressa em cm e está relacionada com a resistência elétrica (R) da seguinte maneira:

l

RA

onde: A é a área de secção reta perpendicular à direção da corrente; l é a distância entre dois pontos em que a tensão é medida.

Condutividade elétrica () é o inverso da resistividade e indica a facilidade com

que um material conduz corrente elétrica. É medida em (m)-1 ou (cm)-1:

1

Em função dos valores de condutividade ou de resistividade, os materiais podem ser classificados como condutores, semicondutores ou isolantes, como é apresentado na TAB. 6.

Tabela 6 – Resistividade elétrica de alguns materiais (3).

51

Mecanismos de condução e bandas de energia

A condutividade elétrica de um material depende do número de condutores ou

transportadores de carga por unidade de volume(n), da carga(q) e da sua mobilidade(m):

= n . q. m

Tanto o número de condutores como a sua mobilidade dependem da temperatura.

Os condutores ou transportadores de carga podem ser ânions, cátions, elétrons e vazios eletrônicos. A condução iônica desempenha um papel importante nos líquidos, porém nos sólidos os principais transportadores de energia são os elétrons. Em um átomo isolado os elétrons ocupam determinados níveis e subníveis de energia (FIG. 41). Em um cristal contendo milhôes de átomos os níveis sobrepõe-se e são substituídos por bandas densamente preenchidas (FIG. 42).

Figura 41 – Energia dos elétrons dos diversos níveis e subnívies (3).

Figura 42 – Origem das bandas de energia devido à aproximação dos átomos(3).

52

Nível de Fermi (EF): Em uma determinada banda de energia, semi-preenchida e

a 0 K, o nível de Fermi é a energia do estado de mais alta energia. A FIG. 43 apresenta os quatro tipos característicos de estrutura de bandas de energia. Nela podem ser observadas as bandas de valência, proibida e de condução.

Figura 43 – Principais tipos de estruturas de bandas de energia em sólidos a 0 K. a) condutor metálico

com a banda de condução parcialmente ocupada (metal bivalente, ex. cobre); b) condutor metálico com superposição de banda de valência (totalmente preenchida) com a banda de condução vazia (metal bivalente, ex. magnésio); c) isolante; d) semicondutor (Eg= “energy band gap”). (3).

A alta condutividade elétrica dos materiais metálicos é devida ao grande número

de condutores de carga (elétrons livres) que podem ser facilmente promovidos acima do nível de Fermi. Qualquer fato que dificulte o movimento dos elétrons reduz o condutividade elétrica, por exemplo: vibração térmica (aumento da temperatura), átomos de soluto e defeitos cristalinos (FIGS. 44 e 45).

Figura 44 – Variação da resistividade elétrica de alguns metais em função da temperatura(10).

A condução elétrica nos sólidos iônicos é o resultado da soma das contribuições

eletrônicas e iônicas. A importância de cada contribuição depende do material, da sua pureza e principalmente da temperatura. Frequentemente a contribuição iônica é predominante pois o número de elétrons na banda de condução é muito baixo.

A estrutura de bandas dos polímeros tradicionais é típica de isolantes. Nos polímeros isolantes de alta pureza a condução é eletrônica. Por outro lado, a condução iônica pode ser ativada pela presença de impurezas, catalizadores ou pelo aumento da temperatura.

A condução eletrônica dos sólidos iônicos e covalentes, em geral, aumenta como a temperatura. Nos iônicos, ao contrário dos covalentes, aumenta abruptamente ao se fundir.

53

Figura 45 – Variação da resistividade elétrica de alguns metais em função das impurezas(10).

Comportamento dielétrico

Um material dielétrico é um material isolante que apresenta, em nível atômico ou

molecular, regiões carregadas positivamente separadas de regiões carregadas negativamente. As propriedades dielétricas são muito importantes no desempenho de um isolante. A rigidez dielétrica indica em que grau o material é isolante.

Os materiais ferroelétricos são materiais dielétricos que podem apresentar

polarização na ausência de campo elétrico (FIG. 46).

Figura 46 – Titanato de bário: (a) célula unitária tetragonal; (b) projeção mostrando o deslocamento dos

íons Ti+4

e O-2 em relação ao centro da face (1).

Os materiais piezoelétricos são materiais dielétricos nos quais a polarização

pode ser induzida pela aplicação de forças (tensões) externas (FIG. 47).

54

Figura 47 – Efeito da aplicação de tensão mecânica na polarização de um material piezoelétrico: (a)

ausência de tensão e de polarização; (b) presença de tensão e ausência de polarização; (c) presença de tensão e de polarização (3).

Propriedades Térmicas Capacidade Térmica (Calorífica) (C): está relacionada com a habilidade de um

material para absorver calor da sua vizinhança externa. Representa a quantidade de energia exigida para produzir um aumento unitário de temperatura.

C= dQ (J/mol k)

dT dQ= energia necessária para produzir uma mudança; dT= variação de temperatura. O calor específico (c) representa a capacidade calorífica por uma unidade de

massa (J/kg K) e pode ser em volume constante (cv) ou em pressão constante (cp). Para a maioria dos sólidos, a principal modalidade de assimilação de energia

térmica é pelo aumento de energia vibracional dos átomos (ondas elásticas com alta freqüencia). Um quantum (energia permitida) de energia vibracional é chamado de fônon.

Há outros mecanismos de absorção de energia, porém são menores que a contribuição vibracional. Em materiais que possuem elétrons livres existe uma contribuição eletrônica em que os elétons absorvem energia por meio do aumento da sua energia cinética.

Expansão Térmica (dilatação): A maioria dos materiais sólidos expande

quando é aquecido e contrai quando é resfriado (na ausência de transformações de fase).

O coeficiente de dilatação linear é definido por:

L= lf – li

l1(Tf –Ti)

Onde: l= comprimento

T= temperatura f= final i= inicial

55

Em termos de volume:

V= Vf – Vi V1(Tf –Ti)

Para materiais isotrópicos V= 3L.

Materiais que apresentam energia de ligação forte possuem coeficiente de

dilatação térmico baixo (FIG. 48).

Figura 48 – Energia e expansão: (a) sólido fortemente ligado; (b) sólido com ligações fracas. Com

adições iguais de energia térmica, o espaçamento interatômico médio varia menos num material cujo mínimo de energia seja mais profundo. A expansão se torna mais pronunciada a altas temperaturas (11).

Na FIG. 49 é apresentada a expansão térmicade diversos materiais.

Figura 49 – Expansão térmica de diversos materiais cerâmicos, metálicos e poliméricos (3).

56

Condutividade térmica: é a capacidade de um material transferir calor de uma

região de maior temperatura para outra de menor temperatura.

dx

dTkq

onde: q= fluxo de calor (J/m2 ou W/m2); k= condutividade térmica (W/m K)

dx

dT= gradiente de temperatura no meio condutor.

A condutividade térmica total (k) é a soma das contribuições das vibrações (kf) (fônons) e da movimentação dos elétrons livres(ke):

kekfk

Nos metais puros, Ke>>kf, devido aos elétrons livres. Os elementos de liga e as impurezas diminuem a condutidade térmica.

Nos materiais cerâmicos, os principais responsáveis pela condução térmica são os fônons (kf>>ke), acarretando uma pior condução. A presença de íons em solução sólida, fases amorfas e poros diminuem ainda mais a condutividade.

A condução térmica nos polímeros também é atribuída aos fônons. Como os polímeros são parcial ou totalmente amorfos, a condutividade é ainda menor que nos cerâmicos.

Na TAB. 7 estão algumas propriedades térmicas de diversos materiais.

Tabela 7 – Propriedades térmicas de vários materiais (1).

57

Materiais Metálicos As ligas metálicas podem ser classificadas como ferrosas e não ferrosas. As

ligas ferrosas são aquelas onde o ferro é o constituinte principal. . Na Fig. 50 está um esquema de classificação destas ligas.

Figura 50 – Esquema de classificação para várias ligas ferrosas (1).

As ligas ferrosas são as mais produzidas entre os metais devido a vários fatores: - abundância de compostos que contêm ferro; - podem ser produzidas com técnicas relativamente econômicas; - são muito versáteis. Sua principal desvantagem é a suscetibilidade à corrosão. As principais ligas ferrosas são os aços e os ferros fundidos, que são formados a

partir da combinação do ferro com o carbono Alotropia do Ferro: o ferro puro caracteriza-se pela capacidade de apresentar

diferentes formas cristalinas no sistema cúbico:

- até 912°C ferro alfa () ou ferrita de estrutura cúbica de corpo centrado (CCC) que dissolve pouco carbono (Fig.51b);

- 912°C a 1394°C ferro gama () ou austenita de estrutura cúbica de face centrada (CFC) que possui uma maior capacidade de solubilização de carbono (Fig 51a);

- 1394°C a 1538 °C ferro delta () de estrutura CCC.

- 1538°C temperatura de fusão do ferro puro.

58

(a) (b) (c) Figura 51 – (a) Célula unitária CFC da austenita com um átomo de carbono no maior vazio intersticial

situado na aresta da célula cúbica; (b) célula unitária CCC da ferrita indicando um menor vazio intersticial entre os átomos da aresta do cubo; (c) célula unitária TCC (tetragonal de corpo centrado) do ferro resultante da distorção da célula unitária CCC causada pelos átomos de carbono (será discutido mais a seguir) (10).

Diagrama de fases ferro-carbeto de ferro (Fe-Fe3C) A cementita é o carbeto de ferro de fórmula química Fe3C. Exercício: Qual a porcentagem (em massa e em número de átomos) de carbono

na cementita? Dados: massa atômicas: Fe= 55,8; C=12,0.

Na Fig. 52 está uma parte do diagrama de fases ferro-carbono que é, na

verdade, um diagrama Fé-Fe3C pois vai até 6,7% de carbono. Podemos destacar dois pontos importantes neste diagrama:

- Ponto eutético: um líquido transformando-se em dois sólidos. - Ponto eutetóide: uma fase sólida transformando-se em duas outras fases

sólidas. Definição de aço: seguindo Chiaverini “aço é a liga ferro-carbono contendo

geralmente entre 0,008% até aproximadamente 2,14% de carbono, além de certos elementos residuais, resultantes dos processos de fabricação” (12).

0,008% máxima solubilidade do carbono no ferro à temperatura ambiente.

2,14% quantidade máxima de carbono que se dissolve no ferro e que ocorre a 1148°C.

59

Figura 52– Diagrama de fases para o sistema ferro-carbeto de ferro (1).

Aço eutetóide (0,76% de carbono): é formado (na temperatura ambiente,

quando resfriado lentamente) exclusivamente por perlita (Fig 53). Perlita: composição bifásica formada por camadas alternadas (lamelas) de

ferrita (ferro ) e cementita (Fe3C).

Figura 53 – (a) Representações esquemáticas das microestruturas para uma liga ferro-carbono de

composição eutetóide (0,76% C) acima e abaixo da temperatura eutetóide; (b) fotomicrografia de um aço eutetóide mostrando a microestrutura da perlita (1).

(a)

(b)

60

Aços hipoeutetóides (carbono abaixo de 0,76%): são formados (na

temperatura ambiente, quando resfriado lentamente) por ferrita proeutetóide e perlita (Fig. 54).

(a) (b) Figura 54 – (a) Transformação de um aço-carbono hipoeutetóide (0,4% C) em arrefecimento lento (10);

(b) fotomicrografia de um aço com 0,38% de carbono que possui uma microestrutura composta por perlita e ferrita proeutetóide. Ampliação 635x (1).

Aços hipereutetóides (carbono entre 0,76 e 2,14% de C): são formados (na

temperatura ambiente, quando resfriado lentamente) por cementita proeutetóide e perlita (Fig. 55).

(a) (b) Figura 55 – (a) Transformação de um aço-carbono hipereutetóide (1,2% C) em arrefecimento lento; (b)

fotomicrografia deste aço mostrando sua microestrutura composta por perlita e cementita proeutetóide. Ampliação 1000x (10).

61

Propriedades mecânicas dos aços-carbono

As propriedades mecânicas dos aços-carbono resfriados normalmente, isto é,

com a transformação total da austenita, dependem basicamente da sua composição química e da sua microestrutura. Estes fatores não são independentes, já que a composição química interfere na ocorrência dos vários constituintes estruturais que compõem os aços. Na Tab. 8 são apresentadas algumas das propriedades destes constituintes que estão intimamente relacionadas às propriedades mecânicas dos aços (Tab. 9 e Fig. 56).

Tabela 8 – Propriedades dos microconstituintes dos aços. As propriedades da perlita variam de acordo

com a espessura de sua estrutura (12).

Tabela 9 – Propriedades mecânicas dos aços em função do teor de carbono (12).

Figura 56 – Representação gráfica da influência do teor de carbono nas propriedades mecânicas dos

aços (12).

62

A microestrutura dos aços, porém, não depende apenas da sua composição química, mas também do estado ou condição de fabricação (fundido – Fig. 57; trabalhado a quente ou a frio – Figs. 58 e 59), do tamanho de grão austenítico (Tab. 10) e da velocidade de resfriamento (tratamentos térmicos que serão abordados mais a seguir).

Figura 57 – Aspecto comum de um aço moldado, no estado bruto de fusão. Parte da estrutura é acicular

e parte é rendilhada (12).

Figura 58 – Aspecto micrográfico de um aço duro encruado por martelamento a frio. Ataque: reativo de

nital. Aumento: 200 vezes (12).

63

Figura 59 – Influência do encruamento sobre as curvas de tensão-deformação em um aço de baixo

carbono (12).

Tabela 10 – Efeito do tamanho de grão austenítico sobre algumas características dos aços (12).

Classificação dos aços

Os aços podem se classificados em grupos, com base em suas propriedades

comuns: a- composição, como aços-carbono e liga; b- processo de acabamento, como aços laminados a quente ou a frio; c- forma do produto acabado, como barras, chapas , tubos, perfis, etc. A classificação mais comum e que é adotada no Brasil pela ABNT (Associação

Brasileira de Normas Técnicas) considera a composição química dos aços e é baseada nas normas AISI (American Iron and Steel Institute) e SAE (Society of Automotive Engineers). Na Tab. 11 estão algumas designações de aços-carbono e baixa liga adotados pela AISI, SAE e UNS (Unifield Numbering System). As letras X referem-se à porcentagem de carbono.

64

Tabela 11 – Sistemas SAE, AISI e UNS de classificação dos aços (12).

Os aços também podem ser classificados de acordo com o seu teor de carbono: Aços com baixo teor de carbono (<0,25%) - São formados por ferrita e perlita. - Não respondem a tratamentos térmicos para formar martensita. - São moles e fracos mas possuem uma boa ductilidade e tenacidade. - São os mais produzidos. - Usináveis, soldáveis e baratos. Principais aplicações: carcaças de automóveis, formas estruturais, chapas

usadas em tubulações, etc. Aços com médio teor de carbono (0,25% a 0,6%)

- Podem ser endurecidos por tratamentos térmicos (têmpera). - Usados normalmente na condição de martensita revenida. - São mais resistentes, porém têm menos ductilidade e tenacidade que os

baixo carbono. Aplicações: rodas e trilhos de trens, componentes estruturais e peças de

máquinas que exigem alta resistência. Aços com alto teor de carbono (>0,6%)

- Duros e resistentes. - Menos dúcteis entre os aços. - Usados na condição endurecida e revenida. - Resistentes ao desgaste e à abrasão. - Podem ser ligados com cromo, vanádio, tungstênio, molibdênio para

aumentar a dureza e a resistência. Aplicações: ferramentas de corte, matrizes para moldes de conformação, facas e

lâminas de corte, molas e arames de alta resistência.

65

Aços-liga

Segundo Chiaverini (12) “aço-liga é o aço carbono que contém outros elementos

de liga ou apresenta os elementos residuais em teores acima dos considerados normais”. Podem ser classificados como:

- baixo teor de liga (abaixo de 8%); - alto teor de liga (acima de 8%). Os elementos de liga são adicionados para: a) aumentar a dureza e a resistência mecânica; b) uniformizar a resistência ao longo de peças grandes; c) diminuir o peso das peças (pelo aumento da resistência); d) conferir resistência à corrosão; e) aumentar a resistência ao calor e ao desgaste; f) aumentar a capacidade de corte; g) melhorar as propriedades elétricas e magnéticas. Os requisitos de (a) a (c) são alcançados com adições de elementos de liga na

faixa de até 5%. Ocorrem pelo aumento da resistência da ferrita e pela formação de outros carbonetos além do Fe3C.

As características de (d) a (g) requerem teores maiores de elementos de liga, provocando maiores alterações na ferrita e a formação de carbonetos mais complexos.

Os elementos de liga alteram as transformações das ligas de ferro. Na Fig. 60 estão diagramas mostrando alguns tipos possíveis de alterações e na Tab. 12 estão os efeitos específicos de alguns elementos de liga.

Figura 60 – Possíveis alterações de diagramas de equilíbrio para ligas de ferro. Tipa A: estabilizadores

da austenita; tipo B: estabilizadores da ferrita (12).

66

Tabela 12 – Efeitos específicos dos elementos de liga nos aços (12).

67

Tabela 12 – Efeitos específicos dos elementos de liga nos aços – continuação (12).

68

Tabela 12 – Efeitos específicos dos elementos de liga nos aços – continuação (12).

69

Ferros Fundidos

Apresentam teores de carbono acima 2,14% (Fig. 61), além de outros elementos

de liga. A sua microestrutura e o comportamento mecânico dependem da composição e do tratamento térmico.

Figura 61 – Diagrama de equilíbrio Fe-C (12).

A cementita é metaestável:

Fe3C 3Fe() + C (grafita) Por isso, na maioria dos ferros fundidos, o carbono existe na forma de grafita,

que pode ser promovida pela presença de silício acima de 1%. Os tipos de ferros fundidos mais comuns são: Cinzento: possui silício entre 1,0% e 3,0%. A grafita apresenta-se em forma de

veios ou lamelas (Fig. 62). Fig. 62 – Ferro cinzento: os flocos escuros de

grafita estão encerrados em uma matriz de ferrita. Ampliação 500X (1)

70

Propriedades: - fácil fusão e moldagem; - boa resistência mecânica; - excelente usinabilidade; - boa resistência ao desgaste; - boa capacidade de amortecimento (Fig. 63).

Figura 63 – Comparação entre as capacidades relativas de amortecimento: (a) aço e (b) ferro fundido

cinzento (1).

Branco: possui menor teor de silício e carbono quase que inteiramente

combinado (Fe3C). São duros e resistentes ao desgaste (Fig. 64). Fig. 64 – Ferro branco: as regiões claras de

cementita estão circundadas por perlita, que possui a estrutura em camadas do sistema ferrita-cementita. Ampliação 400X (1)

Maleáveis: ferro branco que sofreu um tratamento térmico de maleabilização:

parte, ou a totalidade, de carbono combinado transforma-se em grafita na forma de rosetas (Fig. 65). O carbono também pode ser eliminado.

Propriedades: - boa resistência mecânica; - usináveis; - boa resistência à corrosão.

71

Fig. 65 – Ferro maleável: rosetas

escuras de grafita (grafita de recozimento) em uma matriz de ferrita. Ampliação 150X (1)

Nodular (ou dúctil): a grafita está na forma esferoidal (obtida pela adição de Mg

ou Ce) (Fig. 66). Suas propriedades mecânicas dependem do tratamento térmico, mas em geral, é dúctil, tenaz, resistente e possui um elevado limite de escoamento.

Fig. 66 – Ferro nodular (dúctil): os nódulos

escuros de grafita estão circundados em uma matriz de ferrita. Ampliação 500X (1)

Ligas não Ferrosas

São usadas em situações em que as ligas ferrosas levam desvantagens, como: - materiais mais leves; - melhores condutores de eletricidade; - resistência à corrosão em ambientes específicos. São classificados de acordo com o seu metal básico, ou de acordo com alguma

característica inerente a um grupo.

72

Cobre e suas ligas: o cobre puro é muito mole, dúctil e resistente à corrosão. A

formação de ligas visa a aprimorar suas propriedades. Principais ligas de cobre: Latões: zinco como principal elemento de liga (Fig. 67).

Figura 67 – Diagrama de fases para o sistema cobre-zinco (1).

Algumas aplicações: bijuterias, cápsulas para cartuchos, radiadores, moedas,

instrumentos musicais, etc. Bronze: vários elementos de liga (estanho, alumínio, silício e níquel). São mais

resistentes que os latões e possuem um elevado nível de resistência à corrosão. Aplicações: discos de embreagens, bastões de solda, mancais, buchas, anéis de

pistões, etc. Na Tab. 13 estão várias ligas de cobre com suas propriedades e principais

aplicações. Alumínio e suas ligas: as principais propriedades do alumínio são as seguintes:

- baixa densidade (2,7 g/cm3); - alta condutividade térmica e elétrica; - resistência à corrosão em ambientes comuns; - elevada ductilidade; - estrutura CFC; - baixa temperatura de fusão (660°C). Principais elementos de liga: cobre, magnésio, silício, manganês e zinco. Aplicações: estruturas de aeronaves, latas de bebidas, carcaças de ônibus,

peças automotivas, etc. Na Tab. 14 estão algumas ligas de alumínio com suas propriedades e aplicações.

73

Tabela 13 – Propriedade e aplicações de algumas ligas de cobre (13).

74

Tabela 14 – Propriedade e aplicações de algumas ligas de alumínio (13).

Magnésio e suas ligas: as principais propriedades do magnésio são:

- menor densidade entre os metais estruturais (1,7 g/cm3); - estrutura HC; - mole com pequeno módulo de elasticidade; - temperatura de fusão baixa (651°C); - relativamente estáveis quimicamente. Principais elementos de liga: alumínio, zinco, manganês e algumas terra raras. Aplicações: aeronaves e mísseis e como substituto de plásticos de engenharia. Titânio e suas ligas: as principais propriedades do titânio são: - densidade de 4,5 g/cm3; - elevado ponto de fusão: 1668°C; - resistência específica excepcional; Aplicações: estruturas de aeronaves, veículos espaciais, indústrias de petróleo e

química, próteses, etc. Metais refratários: são os metais que possuem temperaturas de fusão

extremamente altas: nióbio (2468°C), molibdênio (2610°C), tântalo (2996°C) e tungstênio (3410°C).

75

Na Tab. 15 estão vários metais não ferrosos com suas características, propriedades e aplicações.

Tratamentos Térmicos

Os tratamentos térmicos são o conjunto de operações de aquecimento e

resfriamento a que são submetidas as ligas metálicas, sob condições controladas de temperatura, tempo, atmosfera e velocidade de resfriamento. São muito utilizados em aços com alto teor de carbono ou elementos de liga.

Principais obejtivos: - aumentar ou diminuir a dureza; - aumentar a resistência mecânica; - melhorar a resistência ao desgaste, à corrosão e ao calor; - modificar as propriedades elétricas e magnéticas; - remover tensões internas; - melhorar a ductilidade, a trabalhabilidade e as propriedades de corte. Curvas em C ou TTT: o aumento da velocidade de resfriamento altera as

condições de equilíbrio do diagrama Fe-C e, portanto, as condições de formação dos constituintes normais resultantes da transformação da austenita.

Ocorre um fenômeno de inércia, resultando num atraso da transformação da austenita (Figs. 68 e 69).

Figura 68 – Curva da reação isotérmica representativa da transformação da austenita em perlita (14).

Figura 69 – Representação esquemática do progresso da transformação da austenita, a uma

temperatura constante abaixo da crítica (14).

76

Tabela 15 – Propriedade e aplicações de alguns metais não ferrosos (13).

77

Na Fig.70 é apresentado um diagrama de transformação isotérmica de um aço eutetóide onde podemos destacar as seguintes linhas:

I= início da transformação da austenita; F= fim da transformação da austenita; Mi= início da transformação da martensita; Mf= fim da transformação da martensita.

Figura 70 – Representação esquemática do diagrama de transformação isotérmica de um aço eutetóde

(12).

Na maioria dos tratamentos térmicos, o resfriamento é contínuo e não

isotérmico. Por este motivo, são traçadas curvas TTT para resfriamento contínuo, as quais se localizam pouco abaixo das curvas para resfriamento isotérmico (Fig. 71).

Figura 71 – Representação esquemática do diagrama de transformação para resfriamento contínuo (12).

78

O entendimento das curvas fica mais claro examinando-se várias velocidades de resfriamento, conforme a Fig. 72.

Figura 72 – Representação esquemática da sobreposição de curvas de esfriamento no diagrama de

transformação para resfriamento contínuo (12).

A: resfriamento lento (no forno) – perlita grosseira= baixa dureza. B: resfriamento mais rápido (ao ar) – perlita mais fina= dureza mais elevada. C: velocidade de resfriamento maior (óleo) – perlita ainda mais fina= dureza

maior. D: resfriamento ainda mais rápido – a curva de resfriamento não toca na curva

de fim de transformação da austenita= perlita e martensita. F: resfriamento muito rápido (água) – a curva de resfriamento não toca a curva

de transformação da austenita, ou seja, não há transformação de austenita em perlita, apenas a passagem para martensita (Mi e Mf)= produtos mais duros.

E: a velocidade de resfriamento tangencia a curva I, sendo denominada

velocidade de têmpera ou velocidade crítica de resfriamento: a menor velocidade de resfriamento que produzirá uma estrutura totalmente martensítica.

Microconstituintes resultantes dos tratamentos térmicos: a perlita (fina ou

grossa) e a martensita são obtidas por resfriamento contínuo. A bainita é obtida, na maioria dos casos, por resfriamento isotérmico. É semelhante à perlita, porém com disposição diferente para a ferrita e a cementita. A bainita superior é formada por ripas finas e paralelas com dureza relativamente baixa (40 a 45 RC). A bainita inferior apresenta-se em forma de placas finas e é mais dura (50 a 60 RC).

A martensita é resultante de uma transformação sem difusão da austenita. Isso

ocorre de maneira que a austenita (CFC) sofre uma transformação polimórfica para martensita que possui uma estrutura tetragonal de corpo centrado (Fig. 51c), ou seja, a martensita é uma solução sólida supersaturada de carbono no ferro alfa, resultando numa distorção no reticulado CCC que provoca uma extrema dureza.

Fatores que afetam a posição das curvas em C:

- Composição química; - Tamanho de grão da austenita; - Homogeneidade da austenita.

79

Processos comuns de tratamento térmico dos aços

No recozimento a velocidade de esfriamento é sempre lenta (Fig. 73) e o

aquecimento pode ser feito a temperaturas superiores à crítica (recozimento total ou pleno) ou inferiores (recozimento para alívio de tensões internas). É utilizado quando se deseja:

- remover tensões devido a tratamentos mecânicos à frio ou à quente, tais como o forjamento e a laminação;

- diminuir a dureza para melhorar a usinabilidade do aço; - alterar propriedades mecânicas; - ajustar o tamanho do grão.

Figura 73 – Diagrama esquemático de transformação para recozimento pleno (12).

A normalização é um tratamento semelhante ao anterior quanto aos objetivos.

A diferença consiste no fato de que o resfriamento posterior é menos lento (Fig. 74). Visa refinar a granulação grosseira de peças de aço fundido, que são também aplicadas em peças depois de laminadas ou forjadas, ou seja na maioria dos produtos siderúrgicos. É também usada como tratamento preliminar à tempera e ao revenido, visando produzir uma estrutura mais uniforme e reduzir empenamentos.

Figura 74 – Diagrama esquemático de transformação para normalização (12).

80

A têmpera consiste no resfriamento rápido da peça de uma temperatura

superior à crítica, com a finalidade de se obter uma estrutura com alta dureza (denominada estrutura martensítica). Embora a obtenção deste tipo de estrutura leve a um aumento do limite de resistência à tração do aço, bem como de sua dureza, há também uma redução da maleabilidade e o aparecimento de tensões internas. Procuram-se atenuar estes inconvenientes através do revenido (Fig. 75).

Figura 75 – Diagrama esquemático representativo de têmpera e revenido (14).

O revenido geralmente sucede à têmpera, pois além de aliviar ou remover

tensões internas, corrige a excessiva dureza e fragilidade do material e aumenta a maleabilidade e a resistência ao choque. A temperatura de aquecimento é inferior à 723° (crítica), e os constituintes obtidos dependem da temperatura a que se aquece a peça.

Tratamentos isotérmicos

A austêmpera é realizada por meio do aquecimento até a temperatura de

austenitização, permanência nesta temperatura até a completa equalização. Resfriamento rápido até a faixa de formação da bainita, permanência nesta temperatura até completa transformação da austenita em bainita e resfriamento qualquer até temperatura ambiente (Fig. 76).

Figura 76 – Diagrama esquemático do diagrama de transformação para austêmpera (12).

81

A martêmpera visa a diminuição da probabilidade de empenamento. Consiste

no resfriamento brusco até a temperatura ligeiramente acima da faixa de formação da martensita, manutenção desta temperatura até a sua uniformização e resfriamento moderado até a temperatura ambiente (Fig 77).

Figura 77 – Diagrama isotérmicos mostrando os tratamentos de martêmpera convencional e martêmpera

modificada (14).

Materiais Poliméricos (15)


Materiais Poliméricos – Prof. Claudemir J. Papini

• Materiais poliméricos são compostos orgânicos com

composição química baseada em carbono, hidrogênio e outros

elementos não-metálicos. Suas características principais são

enormes estruturas moleculares (daí o nome polímeros, que

significa muitos meros, unidade de formação de uma molécula),

baixa densidade e alta flexibilidade. Alguns polímeros naturais

são derivados de plantas e animais, tais como, madeira, borracha,

algodão, lã, couro e seda. Outros polímeros naturais, como

proteínas, enzimas, amidos e a celulose são de fundamental

importância em processos biológicos e fisiológicos ns animais e

plantas. Alguns polímeros são sintetizados a partir de moléculas

orgânicas pequenas, sendo conhecidos como polímeros sintéticos,

como plástico e borracha.

DefiniçõesDefinições



• Moléculas dos polímeros: nos polímeros as

moléculas (macromoléculas) são constituídas de

muitos segmentos repetidos ou unidades chamadas

meros.

• Monômero: molécula constituída por um único

mero.

• Polímero: macromolécula constituída por vários

meros.

• Polimerização: reações químicas intermoleculares

pelas quais os monômeros são ligados na forma de

meros à estrutura molecular da cadeia.


82





„

83



Monômeros e polímeros mais comunsMonômeros e polímeros mais comuns



Etileno Etileno glicolglicol Ácido Ácido adípicoadípico

84



Grupos funcionais obtidos na polimerização Grupos funcionais obtidos na polimerização

por condensaçãopor condensação



Massa molarMassa molar

85





Estrutura dos Polímeros

86



Estrutura dos Polímeros



87



Tipos de distribuição dos diferentes monômeros nas moléculas dos copolímeros:

(a) aleatória, (b) alternada, (c) em bloco e (d) ramificada

CopolímerosCopolímeros

(a)(a)

(b)(b)

(c)(c)

(d)(d)



88



MicroestruturaMicroestrutura



MicroestruturaMicroestrutura

89





Efeito do grau de cristalinidade e da massa molar

nas características físicas do polietileno (PE)

Nota: Esses Comportamentos dependem da

temperatura

90



Propriedades Térmicas

Os polímeros podem ser classificados em termoplásticos e

termofíxos.

Termoplásticos

• Parcialmente cristalinos ou totalmente amorfos.

• Lineares ou ramificados.

• Podem ser conformados mecanicamente repetidas vezes,

desde que reaquecidos (são recicláveis).

• Como as cadeias são ligadas apenas por forças de Van

der Waals, estas ligações podem ser facilmente rompidas

por ativação térmica, permitindo o deslizamento das

cadeias.Exs.: polietileno, PVC, polipropileno, poliester, acrílicos, nylons, ABS,

policarbonatos, fluor-plásticos (Teflon).



Termofixos

• Podem ser conformados plasticamente apenas

em um estágio intermediário de sua fabricação.

• O produto final é duro e não amolece com o

aumento da temperatura.

• Eles são insolúveis e infusíveis.

• Mais resistentes ao calor do que os

termoplásticos.

• Completamente amorfos.

• Possuem uma estrutura tridimensional em rede

com ligações cruzadas.Exs.: poliuretano, fenóis, epoxies, Neoprene

91



Transições térmicas

Nota: não existem polímeros 100% cristalinos (se fossem, eles passariam

diretamente do estado cristalino para o líquido viscoso).



Transições térmicasTransições térmicas

92



Transições térmicasTransições térmicas



Utilização do polímero de acordo com a temperaturaUtilização do polímero de acordo com a temperatura

93





Propriedades Mecânicas

Tensão x DeformaçãoTensão x Deformação

Relação entre a tensão e a deformação para: A- polímero

rígido e quebradiço, B- polímero rígido e plástico, C- polímero

elastomérico

94



Propriedades MecânicasTensão x DeformaçãoTensão x Deformação



95





Tensão x DeformaçãoTensão x Deformação

Influência da temperatura na relação entre a tensão e a

deformação para o poli(metacrilato de metila)

96



Propriedades mecânicasPropriedades mecânicas• Altas taxas de deformação: o material apresenta comportamento

rígido.

• Baixas taxas de deformação: o material apresenta comportamento

dúctil.

• Ligações cruzadas: inibem o movimento das moléculas,

aumentando a resistência do polímero e tornando-o mais frágil.

• Ligações intermoleculares secundárias: inibem o movimento

molecular. Essas ligações são mais fracas que as ligações

covalentes.

• Massa molar: a resistência mecânica aumenta com a massa molar

(para valores relativamente baixas (<104) de massa molar).

• Orientação molecular: pode ser induzida através de uma pré-

deformação.



97



Materiais Cerâmicos (15)



• Materiais cerâmicos são materiais inorgânicos e não-

metálicos. A maioria dos materiais cerâmicos consiste

em compostos formados entre elementos metálicos e

não-metálicos, para os quais as ligações atômicas são

totalmente iônicas ou predominantemente iônicas com

alguma natureza covalente. O termo cerâmico vem do

grego keramikos, que significa matéria prima queimada,

indicando que a otimização das propriedades desses

materiais são normalmente atingidas através de um

processamento em alta temperatura, conhecido por

ignição.

.


98





99





100





Vidros

101





102





103



Argilas



104



Compósitos (15)



Compósitos

São materiais que buscam conjugar as São materiais que buscam conjugar as propriedades de dois tipos de materiais distintos, propriedades de dois tipos de materiais distintos, para obter um material superior. para obter um material superior.

De uma maneira geral, podeDe uma maneira geral, pode--se considerar um se considerar um compósito como sendo qualquer material compósito como sendo qualquer material multifásicomultifásicoque exiba uma porção significativa das que exiba uma porção significativa das propriedades de ambas as fases que o constituem, propriedades de ambas as fases que o constituem, de tal modo que é obtida uma melhor combinação de tal modo que é obtida uma melhor combinação de propriedades.de propriedades.

105



Resistência específica:

Resistência/densidade

Parâmetro crítico em aplicações que exigem

materiais fortes e de baixa densidade.

Ex: indústria aeroespacial. O custo alto do

material é compensado pela economia de

combustível obtida na redução de peso.



0

20

40

60

80

100

120

Ti-

5A

l-2

.5S

n

epox

i

Al

204

8

aço

10

40

vid

ro/e

pox

i

Al 2

O3/e

pox

i

Carb

on

o/e

pox

i

kevla

r/ep

ox

i

ma

dei

ra

Res

istê

nci

a es

pec

ífic

a (m

m)



Muitos materiais compósitos são compostos

por apenas duas fases: uma é chamada de

matriz, que é contínua e envolve a outra

fase, chamada freqüentemente de fase

dispersa.

As propriedades dos compósitos são uma

função das propriedades das fases

constituintes, das qualidades relativas e da

geometria da fase dispersa.

106



A genealogia dos compósitos

Particulados Reforçados por Fibras Estruturais

Partículas

grandes

Reforçados

por

dispersão

Contínuas Descontínuas Laminados Painéis

sandwich

Materiais compósitos

Alinhadas Orientação

aleatória



Particulados

Partículas grandesPartículas grandes

CermetsCermets (cerâmico/metal)(cerâmico/metal)

Ex: Ex: CarbetoCarbeto cimentadocimentado composto de partículas ultracomposto de partículas ultra--

duras de duras de carbetoscarbetos (WC ou (WC ou TiCTiC) numa matriz metálica ) numa matriz metálica

(Co ou (Co ou NiNi). Utilizado como ferramentas de corte para ). Utilizado como ferramentas de corte para

aços.aços.

Polímero/metalPolímero/metal

Ex: Ex: BorrachaBorracha para pneus composta por um para pneus composta por um elastômeroelastômero

e “e “carboncarbon--blackblack”, partículas de carbono, que ”, partículas de carbono, que

aumentam o limite de resistência, tenacidade e aumentam o limite de resistência, tenacidade e

resistência a abrasão.resistência a abrasão.

107



Particulados (cont.)Cerâmico/cerâmicoCerâmico/cerâmico

Ex: Ex: ConcretoConcreto, formado por cimento, areia, cascalho e água. As , formado por cimento, areia, cascalho e água. As partículas de areia partículas de areia preechempreechem os espaços deixados pelo cascalho. os espaços deixados pelo cascalho. Areia e cascalho são mais baratos do que o cimento.Areia e cascalho são mais baratos do que o cimento.

Ex: Ex: Concreto armadoConcreto armado, composto por concreto e barras de ferro ou , composto por concreto e barras de ferro ou aço que melhoram a resposta mecânica do material. Aço é aço que melhoram a resposta mecânica do material. Aço é adequado porque tem o mesmo coeficiente de dilatação do adequado porque tem o mesmo coeficiente de dilatação do concreto, não é corroído neste ambiente e forma boa ligação com concreto, não é corroído neste ambiente e forma boa ligação com o o concreto.concreto.

Ex: Ex: Concreto Concreto protendidoprotendido ((prepre--stressedstressed), composto por concreto e ), composto por concreto e barras de aço que são mantidas sob tensão barras de aço que são mantidas sob tensão trativatrativa até o concreto até o concreto endurecer. Após a solidificação, a tração é liberada, colocando endurecer. Após a solidificação, a tração é liberada, colocando o o concreto sob tensão compressiva. Desta forma, a tração mínima concreto sob tensão compressiva. Desta forma, a tração mínima para fraturar a peça será muito maior porque é preciso primeiro para fraturar a peça será muito maior porque é preciso primeiro superar a tensão compressiva residual.superar a tensão compressiva residual.



Reforçados por fibras

Princípio de funcionamentoPrincípio de funcionamento

Uma fibra de um dado material é muito mais forte do que o Uma fibra de um dado material é muito mais forte do que o material como um todo, porque a probabilidade de encontrar material como um todo, porque a probabilidade de encontrar uma trinca de superfície que leva à fratura diminui com a uma trinca de superfície que leva à fratura diminui com a diminuição do volume da amostra.diminuição do volume da amostra.

Ex: Ex: WhiskersWhiskers, pequenos monocristais que são usados como , pequenos monocristais que são usados como fibras em compósitos. Por serem monocristais perfeitos são fibras em compósitos. Por serem monocristais perfeitos são extremamente insensíveis a fratura.extremamente insensíveis a fratura.

Tipos mais comunsTipos mais comuns

Fibras de vidro em matriz de Fibras de vidro em matriz de epoxiepoxi

Fibras de carbono em matrizes de polímeros Fibras de carbono em matrizes de polímeros

Ex: mastro de Ex: mastro de windsurfwindsurf

108



Resposta mecânica

O comportamento mecânico de compósitos será, em O comportamento mecânico de compósitos será, em geral, anisotrópico.geral, anisotrópico.

Duas expressões matemáticas foram formuladas para Duas expressões matemáticas foram formuladas para representar a dependência do módulo de elasticidade representar a dependência do módulo de elasticidade (E) em relação à fração volumétrica das fases (E) em relação à fração volumétrica das fases constituintes no caso de um compósito bifásico. constituintes no caso de um compósito bifásico. Essas equações de regra de misturas estimam que o Essas equações de regra de misturas estimam que o módulo de elasticidade deve ficar entre um limite módulo de elasticidade deve ficar entre um limite superior (u) e um limite inferior (l):superior (u) e um limite inferior (l):



Carga Longitudinal

Limite Superior

Ec(u) = EmVm + EfVf

Onde: V = fração volumétrica

c = compósito

m = matriz

f = fibra

109



Carga transversalCarga transversal

Limite inferior

Ec(l) = EmEf /(VmEf + VfEm)



Resposta mecânica (cont.)

As condições As condições isostrainisostrain e e isostressisostress são os são os limites superior e inferior dos valores das limites superior e inferior dos valores das propriedades mecânicas dos compósitos.propriedades mecânicas dos compósitos.Ex: Fibra de vidroEx: Fibra de vidro

Matriz: Matriz: epoxiepoxi

E = 6.9x10E = 6.9x1033MpaMpa

Fibra: vidroFibra: vidro

E = 72.4x10E = 72.4x1033MpaMpa

VVff = 60%= 60%

EEclcl = 0.4 x 6.9 + 0.6 x 72.4= 0.4 x 6.9 + 0.6 x 72.4

= 46.2 x 10= 46.2 x 103 3 MPaMPa

EEctct = = 6.9 x 72.4 6.9 x 72.4 =15.1 x 10=15.1 x 1033MpaMpa

0.4 x 72.4 + 0.6 x 6.90.4 x 72.4 + 0.6 x 6.9

110



Resposta mecânica (cont.)



Compósitos estruturais

Formados por materiais homogêneos e Formados por materiais homogêneos e compósitos, com propriedades dependentes da compósitos, com propriedades dependentes da orientação relativa dos componentes.orientação relativa dos componentes.

Laminados: formados por camadas sucessivas de um Laminados: formados por camadas sucessivas de um compósito anisotrópico, com orientações alternadas.compósito anisotrópico, com orientações alternadas.

Ex: Compensado de madeiraEx: Compensado de madeira

SandwichSandwich: formados por folhas separadas por uma : formados por folhas separadas por uma camada de material menos denso.camada de material menos denso.

Ex: DivisóriasEx: Divisórias

111

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Materiais para Fabricação Mecânica