Introdução à Ciência e Tecnologia dos Materiais

UNIVERSIDADE CÂNDIDO MENDES CAMPUS SANTA CRUZ

ENGENHARIA DE PRODUÇÃO / CIVIL

Introdução à Ciência e

Tecnologia

dos

Materiais

Wagner Marques

Sumário

INTRODUÇÃO ... 1

1. PROPRIEDADES DOS MATERIAIS ... 1

2. ESTRUTURAS CRISTALINAS ... 3

2.1 Cristalinidades ... 3

2.2 Sistemas cristalinos ... 4

2.3 Solução x Mistura ... 6

3. LIGAS DE FERRO-CARBONO ... 8

3.1 Diagrama de fases da liga Fe-C ... 9

3.2 Microconstituintes ... 10

3.3 Noção de obtenção dos aços e ferros fundidos ... 11

3.4 Sistema de classificação dos aços ... 13

3.5 Efeito dos elementos de liga nos aços ... 15

3.6 Diagrama “Tempo x Temperatura x Transformação” ... 16

3.7 Ferros fundidos ... 22

4. LIGAS NÃO FERROSAS... 24

4.1 Liga cobre-estanho (bronze) ... 24

4.2 Liga cobre-zinco (latão) ... 24

4.3 Liga cobre-níquel (monel) ... 24

4.4 Ligas de alumínio ... 25

4. LIGAS NÃO METÁLICAS ... 25

4.1 Plásticos ... 25

4.2 Cerâmicas ... 26

4.3 Outras ... 26

INTRODUÇÃO

Uma das coisas que torna o homem diferente dos outros animais que vivem em nosso planeta é a sua inteligência, que gerou um inconformismo por não entender como as

coisas “funcionam” no universo. Um grego, chamado Demócrito, sugeriu que toda a matéria seria composta de pequenas partículas, as quais chamou de átomos. Esta palavra grega quer dizer indivisível, e ele a usou porque achava que o átomo era tão pequeno que não podia mesmo ser dividido.

Hoje, sabemos que os átomos são formados por partículas ainda menores. São representadas pelos protons, neutrons e eletrons. A teoria diz que no átomo existe um núcleo formado pelos protons, que são partículas com carga elétrica positiva, e pelos neutrons, que são partículas com carga elétrica nula. Girando em órbitas ao redor desse núcleo, estão os eletrons, que são partículas com carga elétrica negativa.

A importância dessa descoberta reside no fato de que é necessário conhecer as estruturas que compõem cada um dos materiais, a fim de que possamos entender as

propriedades deles como um todo, uma vez que se refletem em função dos seus “pequenos componentes”.

1 – PROPRIEDADES DOS MATERIAIS

Vários tipos de materiais são usados na fabricação de um automóvel, como o aço, o ferro fundido, o plástico, a borracha. Cada um deles possui características próprias: grande parte dos ferros fundidos é duro e frágil, assim como o vidro, que também é transparente; o aço apresenta bastante resistência mecânica; o plástico é impermeável; a borracha é elástica. Todas essas capacidades próprias de cada material são o que chamamos de propriedades.

As propriedades mecânicas aparecem quando o material está sujeito a esforços de natureza mecânica. Essas propriedades determinam maior ou menor capacidade que o material tem para transmitir ou resistir aos esforços que lhe são aplicados. Essa capacidade é necessária não só no processo de fabricação, mas também durante a sua utilização. Do ponto de vista da indústria mecânica, esse conjunto de propriedades é considerado o mais importante para a escolha da matéria prima.

internas de atração existentes entre as partículas que compõem o material. A resistência à tração, por exemplo, é uma propriedade bastante desejável nos cabos de aço de um guindaste. A representação esquemática de alguns tipos de esforços mecânicos aos quais os materiais podem ser submetidos pode ser vista a seguir.

F F F F F

TRAÇÃO COMPRESSÃO TORÇÃO F

F F

F CISALHAMENTO FLEXÃO FLAMBAGEM

É evidente que os produtos têm de ser fabricados com as características necessárias para suportar esses esforços. Em materiais para a fabricação de molas é necessário que a elasticidade esteja presente. A elasticidade é a capacidade que o material possui de se deformar, quando submetido a um esforço, e de voltar à forma original, quando o esforço termina. Quando se fala em elasticidade, o primeiro material a ser lembrado é a borracha. No entanto, vale citar que o aço é utilizado na fabricação de molas, as quais necessitam dessa propriedade.

Um material pode ter também plasticidade. Isso quer dizer que, quando submetido a um esforço, ele é capaz de se deformar, sem se romper, e manter essa forma quando o esforço desaparece. Essa propriedade é importante para os processos de fabricação que exigem conformação mecânica, como, por exemplo, na fabricação de partes da carroceria de um veículo. Pode ser chamada também de ductilidade ou maleabilidade.

absorver essa energia e dissipá-la, sem que ocorra sua deformação, pois possuem tenacidade.

Se colocarmos dois cubos do mesmo tamanho, sendo um de chumbo e o outro de plástico, em uma balança com dois pratos, é fácil perceber que o prato com o cubo de chumbo descerá muito mais que o prato com o cubo de plástico. Isso ocorre porque o chumbo é mais denso que o plástico. Em outras palavras, cabe mais matéria dentro do mesmo espaço. Essa propriedade se chama densidade.

Os metais são bons condutores de eletricidade, pois possuem alta condutividade elétrica, ou seja, se deixam percorrer facilmente pela corrente elétrica. Já quando o material oferece resistência à passagem da corrente elétrica, dizemos que ele possui alta resistividade. Essa é a propriedade dos materiais que são maus condutores elétricos. Para que você não leve choque elétrico, os fios elétricos são recobertos por um material plástico, pois esse material resiste à passagem da corrente elétrica.

Existem outros materiais que são capazes de absorver e conduzir grande quantidade de calor. A essa propriedade chamamos de condutividade térmica. Também os metais são bons condutores de calor.

As propriedades químicas são aquelas que se manifestam quando o material entra em contato com outros materiais ou com o ambiente. Elas se apresentam sob a forma de presença ou de ausência de corrosão. O alumínio, por exemplo, é um material que, em contato com o ambiente, resiste bem à corrosão. Já o ferro na mesma condição se oxida, ou como dizemos, enferruja, pois não resiste bem à corrosão. Tal propriedade é denominada resistência à corrosão.

2 - ESTRUTURAS CRISTALINAS

2.1 - CRISTALINIDADES

Uma molécula tem regularidade estrutural porque as ligações existentes determinam um número específico de vizinhos para cada átomo e a orientação no espaço dos mesmos. Portanto, uma repetição deve existir ao longo de determinadas substâncias. A maioria dos materiais de interesse para a mecânica tem arranjos atômicos, que também são repetições, nas três dimensões, de uma unidade básica, denominada célula unitária, as quais darão origem às estruturas conhecidas como cristais.

idêntico ao arranjo em todos os outros cubos. Logo, se conhecermos a estrutura das células unitárias que se repetem, podemos descrever a estrutura do cristal.

Cristalização do cloreto de sódio – NaCl

2.2 - SISTEMAS CRISTALINOS

Qualquer empacotamento atômico deverá se encaixar em um dos principais tipos de cristais. O mais simples e mais regular deles envolve três conjuntos, mutuamente perpendiculares, de planos paralelos,

CÚBICO SIMPLES: esta estrutura é hipotética para metais puros, mas nos fornece um excelente ponto de partida. Além de as três dimensões a, também chamadas de parâmetro

cristalino, serem iguais e os três eixos mutuamente perpendiculares, há posições equivalen-

tes em cada célula. A estrutura contém apenas um átomo metálico por célula unitária. Apenas 1/8 de cada átomo cai dentro da célula. Esta é a razão pela qual os metais não se cristalizam na estrutura cúbica simples. Para este caso, apenas 52% do espaço da célula unitária encontra-se ocupado, ou seja, o arranjo apresenta um fator de empacotamento (FE) de 0,52.

CÚBICO DE CORPO CENTRADO: o ferro tem estrutura cúbica de corpo centrado (ccc) à temperatura ambiente. A célula unitá-

ria tem um átomo em cada vértice do cubo e um outro átomo no centro do cubo. Cada átomo de ferro, em uma estrutura cúbica de corpo centrado, é cercado por oito átomos de ferro adjacentes. Há dois átomos por célula unitária neste tipo de estrutura. Um átomo está no centro do cubo e oito oitavos estão nos oito vértices. O fator de empacotamento deste sistema cristalino aumenta para 0,68

Embora o ferro, à temperatura ambiente, seja o material mais comum com uma estrutura ccc, podemos ainda citar o cromo (Cr) e o tungstênio (W) que também apresentam a mesma estrutura.

z

y

x

a

a

Líquido + açúcar sólido

A figura ao lado mostra a solubilidade do açúcar comum na água, de acordo com seu limite de solubilidade. Todas as composições à esquerda da curva correspondem a uma única fase, pois todo o açúcar está dissolvido na fase líquida, ao passo que, com porcentagens mais elevadas de açúcar, que correspondem ao lado direito da curva, é impossível dissolver

CÚBICO DE FACES CENTRADAS: além de um átomo em cada vértice da célula unitária, há um no centro de cada face e nenhum no centro do cubo. Estruturas cúbicas de faces centradas (cfc) são mais comuns que as estru-

turas cúbicas de corpo centrado. Alumínio (Al), cobre (Cu), prata (Ag), chumbo (Pb) e níquel (Ni) possuem este arranjo atômico. Cada célula unitária de uma estrutura cfc possui quatro átomos. Os oito oitavos dos vértices contribuem com um átomo e as seis metades nos centros das faces com um total de três. Trata-se da estrutura cúbica de maior fator de empacotamento, alcançando o valor de 0,74.

2.3 – SOLUÇÃO X MISTURA

Antes de apresentarmos o diagrama de fases da liga Fe-C, faz-se necessária, para um melhor entendimento, uma breve explanação sobre soluções e misturas. Uma solução fica constituída, quando reunimos dois ou mais componentes para formá-la, e, ao observá-la, identificamos apenas uma fase; caso contrário, ou seja, quando identificamos mais de uma fase, dizemos, então, que se trata de uma mistura.

T (°C) 100

50

0

% de açúcar 0 20 40 60 80 100 % de H2O 100 80 60 40 20 0

Composição

completamente o açúcar; logo, teremos uma mistura de duas fases, açúcar sólido e um

“xarope” líquido. Esse exemplo mostra a variação da solubilidade com a temperatura, além

Solução líquida (xarope)

Sal + solução 23,3%

NaCl

Esse outro gráfico mostra um sistema de maior importância prática que o primeiro. Apresenta quatro campos distintos: solução líquida (uma única fase), mistura de gelo e solução líquida (uma fase sólida e outra líquida), mistura de sal e solução líquida (uma fase sólida e outra líquida) e mistura de gelo e solução sólida (duas fases sólidas).

de demonstrar um método simples de colocar em gráfico a temperatura como uma função da composição química.

T (°C) 20 10 0 -10 -20

%NaCl 0 5 10 15 20 25 30 % H2O 100 95 90 85 80 75 70

As faixas da esquerda (gelo + solução) e da direita (sal + solução) são chamadas de faixas de solidificação, pois é onde está ocorrendo a passagem do estado líquido para o estado sólido e vice-versa do sistema em questão. Abaixo de –21°C somente observamos o estado sólido, ao passo que o estado líquido varia de acordo com as curvas de solubilidade. Somente existe um ponto em que haverá a passagem direta do estado líquido para o sólido e vice-versa, o qual chamamos de ponto eutético. Nessas circunstâncias, teremos uma única fase sólida.

Esse diagrama explica, também, as baixas temperaturas atingidas pelos oceanos. A água do mar é uma solução de água e sal com cerca de 1,5% de NaCl, a qual pode ser resfriada a 0°C e se manter completamente líquida, conforme observamos na figura acima. Se pensarmos em temperaturas mais baixas, verificaremos a explicação para a formação

dos “icebergs”.

A leitura e a análise desse tipo de diagrama permitem determinar a composição química de cada fase presente e, aplicando-se a regra da alavanca, podemos descobrir qual a quantidade relativa de fases presentes em cada um dos pontos. Por exemplo, podemos fazer uma análise de como se comporta uma composição formada por 10% de cloreto de sódio (NaCl) e 90% de água (H2O), quando coloca a uma temperatura de -10ºC, e verificar

tanto a composição química de cada fase presente como a quantidade relativa de cada uma dessas fases.

Solução líquida (salmoura)

Gelo + solução

+ líquído

O mesmo procedimento pode ser utilizado para uma liga metálica formada entre o cobre (Cu) e o níquel (Ni), também conhecida como monel, adotando-se como referência, por exemplo, o ponto em que temos 55% de Cu e 45% de Ni, quando aquecida à temperatura de 1250ºC. Nessa situação, que análise pode ser feita dessa liga quanto à quantidade relativa de fases e suas composições químicas?

T (°C) 1500 1400

1300

1200

1100

% Cu 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 % Ni 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

Diagrama de fases da liga Cu-Ni

3 - LIGAS DE FERRO-CARBONO

Os aços, que são essencialmente ligas ferro-carbono, oferecem exemplos da maioria das reações e microestruturas disponíveis para a mecânica, a fim de ajustar as propriedades dos materiais. Além disso, as ligas ferro-carbono se tornaram o material estrutural predominante nas construções e fabricações.

A versatilidade dos aços como materiais estruturais é evidenciada pelos muitos tipos de aços que são manufaturados. De um lado, temos aços doces usados em latarias de automóveis. De outro lado, os aços duros e tenazes usados na fabricação de engrenagens. Alguns aços possuem resistência à corrosão elevada. Aços para aplicações elétricas possuem características magnéticas especiais, e assim por diante. Os diagramas de fase podem ser usados para ajudar a explicar cada uma das características descritas acima.

líquido

0 1 2 3 4 6 7 %C

T (ºC)

1600

910

723

 +Fe3C

 + Fe3C

 +líquido

líquido

Fe3C +líq.



 +

  +δ δ

δ + líquido

Diagrama de fases da liga Fe-C

3.1 - DIAGRAMA DE FASES DA LIGA Fe-C

A figura a seguir mostra o diagrama de fases ou diagrama de equilíbrio completo para o sistema ferro-carbono. Este diagrama pode ser usado como um “mapa” a partir do

qual se podem determinar as fases presentes, para qualquer temperatura e composição química, desde que a liga esteja em equilíbrio. Esta liga é diferenciada de acordo com o teor de carbono presente. Até a quantidade de 2,11% a liga é considerada como um aço e acima desta quantidade passamos a ter os ferros fundidos.

0,8

910

T(°C) 950

900 

850 800

  +   + Fe3C 750

723°C 700

 + Fe3C

%C 0 0,5 1,0 1,5 composição química

Região eutetoide do diagrama de fases da liga Fe-C

3.2 – MICROCONSTITUINTES

FERRITA OU FERRO

:

ambiente é denominada ferrita ou ferro . A ferrita é muito mole e dúctil; na pureza em que é encontrada comercialmente, seu limite de resistência é inferior à 32kgf/mm2. É um material ferro-magnético a temperaturas abaixo de 766ºC. Possui a estrutura cristalina cúbica de corpo centrado.

AUSTENITA OU FERRO

:

denominada austenita ou ferro . É a forma estável do ferro puro entre 910ºC e 1400ºC. Fazer uma comparação direta entre as propriedades mecânicas da austenita e da ferrita é difícil, pois devem ser comparadas em temperaturas diferentes. Entretanto, na faixa de temperaturas na qual é estável, a austenita é mole e dúctil e, consequentemente, se presta bem para os processos de fabricação. Muitos aços são laminados em temperaturas de 1100ºC ou acima, com o ferro na forma cúbica de faces centradas. A austenita não é ferro-magnética em nenhuma temperatura.

CEMENTITA OU CARBETO DE FERRO: nas ligas ferro-carbono, o excesso de carbono em relação ao limite de solubilidade deve formar uma segunda fase, a qual é frequentemente o carbeto de ferro ou a cementita. A composição da cementita corresponde à fórmula Fe3C. Isto não significa que existam moléculas de Fe3C, mas, simplesmente, que

Quando comparada com a austenita e a ferrita, a cementita é muito dura. A presença de carbeto de ferro em um aço junto à ferrita aumenta muito a resistência do mesmo. Entretanto, a cementita pura é frágil e relativamente fraca.

PERLITA: para o teor de 0,8% de carbono, à temperatura de 723ºC, ocorre uma reação do sistema Fe-C, denominada reação eutetoide, onde há formação simultânea de ferrita e cementita, a partir da austenita de composição eutetoide. Como se formam simultaneamente, a ferrita e a cementita estão intimamente misturadas. Esta mistura é caracteristicamente lamelar, isto é, composta de camadas alternadas de ferrita e cementita. A microestrutura resultante, denominada perlita, é muito importante na tecnologia do aço, pois pode ser formada em quase todos os tipos de aços por meio de tratamentos térmicos adequados.

3.3 – NOÇÃO DE OBTENÇÃO DOS AÇOS E FERROS FUNDIDOS

Antes de falarmos sobre a obtenção do aço, é necessário sabermos como é produzido o ferro gusa, já que este é o ponto de partida para a fabricação do aço. A metalurgia do ferro consiste essencialmente na redução dos óxidos dos minérios de ferro (manganês), mediante o emprego de um redutor, que é um material a base de carbono (carvão), o qual atua igualmente como combustível e, indiretamente, como supridor do carbono para as ligas ferro-carbono de alto carbono, que são os principais produtos do alto-forno. São utilizados também os fundentes, cuja função é combinar-se com as impurezas

do minério e com as cinzas do carvão, formando as chamadas “escórias”. O principal

fundente é o calcário (CaCO3 - carbonato de cálcio).

A figura a seguir mostra a seção transversal típica de um alto-forno moderno, que é utilizado para a produção do ferro gusa. Como se vê, trata-se de uma estrutura cilíndrica de grande altura. O forno propriamente dito é constituído essencialmente de cadinho, rampa, cuba e topo.

cadinho rampa cuba topo ou goela

ventaneira

furo de corrida do gusa furo de

corrida da escória

Seção transversal de um alto-forno

cubilô

A cuba, também de forma tronco-cônica, tem a seção menor voltada para cima, no topo ou goela, que é onde se situa o sistema de carregamento, sendo o mais comum chamado de copo e cone. Este sistema tem por objetivo realizar uma distribuição uniforme da carga e evitar a evasão de gases para a atmosfera.

Num alto-forno existem duas correntes de materiais responsáveis pelas reações que se verificam: uma corrente sólida, representada pela carga que desce gradativamente e uma corrente gasosa que se origina pela reação do carbono do carvão com o oxigênio do ar soprado pelas ventaneiras, que sobe em contracorrente.

O principal produto do alto-forno é o ferro gusa, cuja utilização pode ser feita nas aciarias, para onde é

encaminhado ainda no estado líquido e transformado em aço, ou nas fundições que se utilizam de lingotes de ferro gusa já no estado sólido.

Basicamente, o ferro gusa é uma liga ferro-carbono de alto teor de carbono e teores variáveis de silício, manganês, fósforo e enxofre, devido à natureza das matérias primas empregadas no alto-forno e ao processo de produção. Os lingotes de ferro gusa são transformados em ferro fundido, após a sua fusão nos cubilôs e vazamento em moldes.

P e S) se encontram em teores elevados, a sua transformação em aço, que é uma liga de mais baixos teores de C, Si, Mn, P e S, corresponde a um processo de oxidação, reduzindo a porcentagem daqueles elementos a teores desejados.

Em consequência, na transformação do ferro gusa em aço, utilizam-se “agentes oxidantes”, os quais podem ser de natureza gasosa ou sólida. Desta forma, os processos para a produção do aço podem ser classificados de acordo com o agente utilizado. Nos processos pneumáticos, o agente oxidante é o ar ou o oxigênio. Nos conversores Bessemer, Thomas e de sopro lateral, é soprado ar sob pressão e no conversor de sopro pelo topo é introduzido oxigênio, o que provoca temperaturas de reação mais elevadas que nos outros conversores. Estes processos produzem uma reação fortemente exotérmica, não necessitando de prévio aquecimento das cargas.

Por outro lado, nos processos elétricos, os agentes oxidantes são substâncias sólidas, contendo óxidos, devendo ser aquecidas as cargas para a realização das reações. Este processo permite um controle muito maior da composição química do aço, de modo que não somente aços de baixo carbono, como também de médio e alto carbono, além de aços liga, podem ser produzidos.

3.4 – SISTEMA DE CLASSIFICAÇÃO DOS AÇOS

A Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) adotou como Norma Brasileira, por indicação do seu ABNT/CB-28 - Comitê Brasileiro de Siderurgia, a norma Mercosul NM 87:1996, e sua errata nº 1 de junho de 2000, originando a NBR NM 87, de outubro de 2000, para classificação dos aços, segundo sua composição química.

DESIGNAÇÃO AISI-SAE TIPOS DE AÇOS 10XX Aços carbono comuns

11XX Aços de fácil usinagem, com alto S 12XX Aços de fácil usinagem, com altos P e S 13XX Aços Mn com 1,75% de Mn médio 15XX Aços Mn com manganês acima de 1,00% 40XX Aços Mo com 0,25% de Mo médio

41XX Aços Cr-Mo com 0,40 a 1,10% de Cr e 0,08 a 0,35% de Mo

43XX Aço Ni-Cr-Mo com 1,65 a 2,00% de Ni, 0,40 a 0,90% de Cr e 0,20 a 0,30% _{de Mo}

46XX Aço Ni-Mo com 0,70 a 2,00% de Ni e 0,15 a 0,30% de Mo 47XX Aço Ni-Cr-Mo com 1,05% de Ni, 0,45% de Cr e 0,20% de Mo 48XX Aço Ni-Mo com 3,25 a 3,75% de Ni e 0,20 a 0,30% de Mo 51XX Aço Cr com 0,70 a 1,10% de Cr

61XX Aço Cr-V com0,60 a 0,95 de Cr e 0,10 a 0,15% de V

86XX Aço Ni-Cr-Mo com 0,55% de Ni, 0,50% de Cr e 0,20% de Mo 87XX Aço Ni-Cr-Mo com 0,55% de Ni, 0,50% de Cr e 0,25% de Mo 88XX Aço Ni-Cr-Mo com 0,55% de Ni, 0,50% de Cr e 0,30 a 0,40% de Mo

AÇOS INOXIDÁVEIS

AISI C Si Mn P S Cr Ni Mo APLICAÇÕES 303 0,15 1,00 2,00 0,20 0,15 17,00a

19,00 8,00 a 10,00

---- Peças produzidas em máquinas operatrizes.

305 0,12 1,00 2,00 0,045 0,03 18,00 a 20,00

8,00 a 12,00

---- Peças fabricadas pôr meio de severas deformações a frio.

316 0,031 a 0,08

1,00 2,00 0,045 0,03 16,00 a 18,00 10,00 a 14,00 2,00 a 3,00

Peças que exigem alta resistência a corrosão localizada: equipamentos cirúrgicos, indústria químicas, equipamentos que sofram ação da maresia, aplicações criogênicas em geral. 410

0,15 1,00 1,00 0,04 0,03 11,50 a 13,50

---- ---- Cutelaria, válvulas.

631 0,07 a 0,12

0,50 0,50 a 1,00

0,045 0,03 16,00 a 18,00

7,00 a 9,00

3.5 – EFEITO DOS ELEMENTOS DE LIGA NOS AÇOS

FÓSFORO (P): foi considerado por muito tempo um elemento exclusivamente nocivo, devido à fragilidade a frio que confere aos aços, sobretudo aos de alto teor de carbono. Apresenta, no entanto, alguns aspectos favoráveis, como o aumento da dureza, da resistência à tração, da resistência à corrosão e da usinabilidade em aços de fácil usinagem.

ENXOFRE (S): promove a chamada “fragilidade a quente”, pois forma o sulfeto de ferro

(FeS) que apresenta um ponto de fusão muito baixo em relação ao do aço. Nessas condições, faz-se necessária a adição de manganês (Mn), com quem o enxofre tem maior afinidade, formando o sulfeto de manganês (MnS), cujo ponto de fusão é elevado, eliminando a fragilidade a quente.

MANGANÊS (Mn): além de atuar como agente dessulfurante, formando o sulfeto de manganês (MnS) e produzindo aços de fácil usinagem, age também como elemento desoxidante, reagindo com o oxigênio e evitando, assim, o desprendimento de bolhas.

SILÍCIO (Si): a função principal do silício é a de agente desoxidante. Ele aumenta ligeiramente a dureza e a resistência mecânica do aço, sendo, ainda, o elemento de liga para chapas elétricas e magnéticas.

ALUMÍNIO (Al): é o desoxidante mais eficiente, pois reage com o oxigênio, formando inclusões em partículas diminutas, com menor efeito nocivo para o aço. Além disso, é um dos principais elementos de liga nos aços para a nitretação, por apresentar grande afinidade pelo nitrogênio (N), facilitando a sua penetração.

CROMO (Cr): aumenta a resistência à corrosão, à oxidação e ao desgaste (em aços com alto teor de carbono). Aumenta, também, a endurecibilidade, além de melhorar a resistência a altas temperaturas.

NÍQUEL (Ni): aumenta a tenacidade e a resistência dos aços. Juntamente com o cromo em teores elevados produz os aços inoxidáveis de boa resistência à corrosão.

MOLIBDÊNIO (Mo): proporciona, assim como o cobalto, uma granulação fina aos aços, elevando a dureza e a resistência a quente. Melhora a resistência à corrosão dos aços inoxidáveis e produz maior profundidade de endurecimento.

VANÁDIO (V): aumenta a endurecibilidade e promove o refino do grão, tendo como consequência, um aumento da resistência mecânica. Aparece em quase todas as ligas que compõem os aços rápidos.

TUNGSTÊNIO (W): promove maior capacidade de corte aos aços, pois forma partículas duras e resistentes ao desgaste. Acrescenta, ainda, dureza e resistência a altas temperaturas, conservando o fio de corte das ferramentas, mesmo quando aquecidas ao rubro.

3.6 - DIAGRAMA “TEMPO-TEMPERATURA-TRANSFORMAÇÃO”

O diagrama de equilíbrio estudado e a localização da zona crítica como aparece para o Fe-C são para condições de esfriamento muito lento. Os microconstituintes resultantes da transformação da austenita (ferrita, cementita e perlita), de acordo com sua quantidade relativa, permitem uma variação nas propriedades mecânicas dos aços. Esse efeito dos constituintes obtidos pela decomposição lenta da austenita sobre as propriedades mecânicas dos aços, embora apreciável, está longe de se comparar, no entanto, ao efeito que pode ser conseguido pelo rápido esfriamento da austenita. Se for aumentada a velocidade de esfriamento da austenita, não haverá tempo suficiente para uma completa movimentação atômica e as reações de transformação da austenita se modificam, podendo mesmo deixar de se formar os constituintes normais, como a perlita, e surgirem novos constituintes de grande importância para a aplicação dos aços.

Num aço eutetoide, por exemplo, ao se atingir certa velocidade mais rápida de resfriamento, a uma temperatura mais baixa, aparece junto com a precedente, uma nova

transformação, dando origem a um constituinte completamente diferente, a ‘martensita’.

série de pontos de início e de fim de transformação, os quais ligados entre si originam duas

curvas em forma de C. Essas curvas são chamadas de curvas ‘TTT’(temp

o-temperatura-transformação).

Representação esquemática do diagrama de transformação isotérmica de um aço

O exame dessas curvas, para o aço eutetoide visto anteriormente, revela o seguinte: a) A linha horizontal na parte superior do diagrama representa a linha inferior da zona

crítica, isto é, a linha A1 à temperatura de 723ºC;

b) A linha em forma de C marcada por I define o tempo necessário para que a transformação da austenita em perlita se inicie;

c) A linha também em forma de C e marcada por F define o tempo necessário para que a transformação da austenita em perlita se complete;

d) À temperatura de cerca de 200ºC, a linha Mi e mais abaixo a linha Mf indicam o

aparecimento de outro tipo de transformação, a qual tem lugar instantaneamente, independente do tempo;

e) Logo abaixo de A1 , zona em que a velocidade de transformação é muito baixa, forma-se

perlita lamelar, de granulação grosseira e de baixa dureza;

austenita

t (s) 0

723 T (ºC)

martensita

Mf

Mi

austenita

perlita

bainita

F I

austenita

elevada. Para diferenciá-lo de perlita lamelar normal, esse constituinte é chamado de perlita fina ou troostita. É a forma mais dura da perlita e a que apresenta as lamelas mais finas, que dificilmente são perceptíveis ao microscópio;

g) À temperatura entre 550ºC e 200ºC, novamente há necessidade de um tempo mais longo para se iniciar a transformação da austenita. Nessa faixa de temperaturas, o produto de transformação resultante varia de aspecto, desde um agregado de ferrita e carbeto de ferro muito fino, em torno de 450ºC, até um constituinte em forma de agulhas com

coloração escura, em torno de 200ºC, denominada ‘bainita’;

h) Finalmente, na faixa de temperaturas de Mi (em torno de 200ºC) até Mf (em torno de

100ºC) forma-se um constituinte novo, totalmente diverso dos anteriores, a martensita. Sua aparência e forma são semelhantes às da bainita, ou seja, apresenta-se em agulhas, mas com coloração mais clara.

Comparando-se os diagramas a seguir de um aço hipoeutetoide e de um aço hipereutetoide, podemos concluir que o aumento no teor de carbono tende a deslocar a curva em C para a direita, ou seja, retarda o início e o fim da reação para a formação da perlita. Ou ainda, quanto menor o teor de carbono, tanto mais difícil de se obter por esfriamento, mesmo que muito rápido, a estrutura unicamente martensítica.

austenita

t (s) 0

723 T (ºC)

martensita

Mf

Mi

austenita

perlita

bainita

F I

Diagrama T-T-T para um aço hipereutetoide

A figura a seguir superpõe curvas de esfriamento no diagrama ‘TTT’, da qual

T (ºC)

723

0

I

F

Mi

Mf

t (s) A B

C D

Curvas de resfriamento no diagrama T-T-T

Com o esfriamento mais rápido, ao ar por exemplo (curva B), o aço apresentará perlita mais fina, com dureza mais elevada. Com velocidade de esfriamento maior, em óleo por exemplo (curva C), a velocidade de esfriamento agora é tal que a curva de esfriamento não toca na curva de fim de transformação , de modo que a transformação em perlita apenas se inicia, interrompendo-se em seguida e, ao atingir a linha Mi, a austenita que não

se transformou passa a martensita, cuja formação termina em Mf. A estrutura resultante

dessa velocidade de esfriamento é simultaneamente perlita e martensita.

Com esfriamento muito rápido (curva D), em água, verifica-se que a curva de esfriamento não toca a curva de transformação, de modo que não há transformação da austenita em produto lamelar, mas passagem à martensita. Logo, os aços esfriados mais rapidamente são os mais duros.

Pode-se notar que há uma velocidade de esfriamento à qual corresponde uma curva de esfriamento que tangencia a curva C de início de transformação. A essa velocidade de esfriamento chama-se velocidade de têmpera e indica que é desnecessário esfriar-se o aço mais rapidamente para que se produza estrutura martensítica. Pode-se, pois, definir a velocidade crítica de esfriamento como a menor velocidade de esfriamento que produzirá estrutura inteiramente martensítica.

t (s) 0

T (ºC)

723

Mi

Mf

I F

núcleo superfície

Velocidades maiores de esfriamento podem ocasionar consequências sérias, como tensões internas excessivas, empenamentos das peças e até mesmo o aparecimento de fissuras. Isto significa que, ou devem ser sacrificadas as propriedades finais do aço mediante um tratamento térmico com esfriamento menos drástico, ou se deve procurar um aço que possibilite obtenção de máxima dureza com menor velocidade de esfriamento.

Existe um outro microconstituinte para o qual não há uma curva de esfriamento que permita a sua formação. De fato, só é obtido em tratamento isotérmico, isto é, tratamento em que o esfriamento é interrompido na temperatura correspondente à formação da bainita para, depois que esta se formou, prosseguir até a temperatura ambiente.

Como se pode ver a seguir, a velocidade de esfriamento pode ser afetada pela seção da peça, pois é óbvio que o interior da peça, caso seja de grandes dimensões, se esfria mais lentamente que a sua superfície. A diferença é tanto maior quanto maior for a velocidade de esfriamento e, evidentemente, quanto maior for a seção da peça.

Efeito da seção da peça no resfriamento

Em água ou salmoura (meios drásticos), a superfície esfriou com velocidade superior à velocidade crítica de esfriamento, ou seja, a superfície adquiriu inteiramente a estrutura martensítica e, portanto, a máxima dureza. O centro da peça sofreu parcialmente a transformação da austenita em perlita, tendo a parte não transformada passado a martensita, ou seja, o centro adquiriu, em parte, dureza máxima. Em óleo, só a superfície passou parcialmente a martensita e no ar nem mesmo a superfície.

peça não endureceu nem parcialmente. A drasticidade do resfriamento pode ser representada, da menor para a maior velocidade, da seguinte forma:

FORNO DESLIGADO

AR

TRANQUILO

VENTILADO

ÓLEO PARADO

EM AGITAÇÃO

ÁGUA

PARADA

EM AGITAÇÃO

SALMOURA PARADA

EM AGITAÇÃO

No que se refere à composição química, os elementos de liga, ao serem adicionados aos aços, deslocam as curvas de início e de fim de transformação para a direita, ou seja, retardam a transformação. A consequência mais importante desse deslocamento e, portanto, do retardamento nas transformações, consiste na maior facilidade de obter, por esfriamento, a estrutura martensítica. Na realidade, conforme os elemento de liga presentes, pode-se ter formação quase que somente de martensita mesmo com esfriamento lento.

Representando os tratamentos térmicos ciclos tempo-temperatura- transformação, os fatores a serem inicialmente considerados são o aquecimento, o tempo de permanência à temperatura e o resfriamento. Além desses, outro de grande importância é a atmosfera do recinto de aquecimento, visto que a sua qualidade tem grande influência sobre os resultados finais dos tratamentos térmicos. Cada um desses fatores influencia de determinada forma nos tratamentos térmicos.

3.7- FERROS FUNDIDOS

relaciona-se com sua tendência grafitizante, ou seja, promove a decomposição do Fe3C em

ferro e carbono, e este último sob a forma de grafita.

FERROS FUNDIDOS BRANCOS: praticamente todo o carbono se apresenta na forma combinada de carbeto de ferro (Fe3C). Suas propriedades fundamentais, devido justamente

a alta quantidade de cementita, são elevadas dureza e resistência ao desgaste. Com isso, a usinabilidade fica prejudicada. A produção industrial do ferro fundido branco é feita através do coquilhamento, que consiste em derramar-se o metal líquido em moldes metálicos, onde o metal se resfria rapidamente e praticamente todo o carbono fica retido na forma combinada. Algumas das aplicações do ferro fundido branco são em equipamentos de manuseio de terra, mineração, moagem, rodas de vagões.

FERROS FUNDIDOS MALEÁVEIS: como material alternativo, desenvolveu-se um tipo de ferro fundido branco, o qual submetido a um tratamento térmico especial, chamado maleabilização, adquire maleabilidade, ou seja, a liga se torna mais tenaz. A maleabilização é um tratamento térmico que consiste num aquecimento prolongado, em condições previamente estabelecidas (temperatura, tempo e meio), de modo a provocar a transformação de parte ou da totalidade do carbono combinado em grafita. Algumas das aplicações dos ferros fundidos maleáveis são em flanges, tubos, peças de válvulas, bielas, virabrequins, certas engrenagens, cubos de rodas.

FERROS FUNDIDOS CINZENTOS: entre os ferros fundidos esta é a liga mais usada, devido à fácil fusão e moldagem, boa resistência mecânica, excelente usinabilidade, boa resistência ao desgaste e boa capacidade de amortecimento. Estas propriedades estão relacionadas à presença do carbono livre na forma de grafita. A produção do ferro fundido cinzento é feita mediante um resfriamento lento, o qual proporciona maior quantidade de carbono livre ou grafita. Esta liga pode ser submetida a tratamentos térmicos, como os aços. Algumas das aplicações dos ferros fundidos cinzentos são em bases de máquinas, carcaças metálicas, mesas de máquinas operatrizes, engrenagens, blocos de motor.

metal fundido é rapidamente derramado sobre a liga nodulizante. Também se aplicam tratamentos térmicos a essas ligas. Algumas das aplicações dos ferros fundidos nodulares são em válvulas e corpos de bomba, serviços de petróleo, água salgada e ambiente cáustico, tubos de escapamento de motores diesel.

4 - LIGAS NÃO FERROSAS

4.1 – LIGA COBRE-ESTANHO (BRONZE)

Os bronzes comerciais apresentam teor de estanho variando de 2 a 10%, podendo chegar a 11% nas ligas para a fundição. À medida que se aumenta o teor de estanho, aumentam a dureza e as propriedades relacionadas com a resistência mecânica. Além disso, possuem elevada resistência à corrosão, o que amplia o seu campo de emprego.

Frequentemente, adiciona-se chumbo para melhorar as propriedades lubrificantes e a usinabilidade. Devido à sua boa condutibilidade elétrica e melhor resistência mecânica que o cobre puro, é empregada em contatos, componentes de aparelhos elétricos, na construção mecânica como parafusos, rebites, porcas, entre outros.

4.2 – LIGA COBRE-ZINCO (LATÃO)

Essas ligas contêm zinco em teores que variam de 5 a 50%, o que significa que existem inúmeros tipos de latões. À medida que o teor de zinco aumenta, ocorre também uma diminuição da resistência à corrosão em certos meios agressivos, levando à corrosão preferencial do zinco. Devido a sua elevada conformabilidade a frio, é utilizado para pequenos cartuchos de armas e, devido a sua cor dourada atraente, emprega-se na confecção de medalhas. É utilizada também na confecção de ferragens.

4.3 – LIGA COBRE-NÍQUEL (MONEL)

4.4 – LIGAS DE ALUMÍNIO

As ligas de alumínio-cobre possuem boa resistência mecânica e excelente usinabilidade, porém suas resistências à corrosão e à oxidação são baixas. As ligas alumínio-silício possuem elevada resistência à corrosão, mas são muito frágeis, devido a sua estrutura grosseira em função da presença do silício. As ligas alumínio-magnésio são as que apresentam a melhor combinação de características mecânicas, resistência à corrosão, usinabilidade, além de poderem ser facilmente anodizadas. As ligas alumínio-estanho são empregadas principalmente para confecção de mancais e buchas, devido a seu alto limite de fadiga e boa resistência à corrosão pela ação de óleos lubrificantes dos motores de combustão interna.

As ligas de alumínio são empregadas na indústria aeronáutica na fabricação de fuselagens, motores, hélices, tanques; na indústria automobilística como tambores de freio, corpos de carburadores, pistões, bombas de combustível; na indústria naval como bote salva-vidas; na indústria de aparelhos eletrodomésticos como componentes de aspiradores, de ferros elétricos, de máquinas de lavar pratos, de batedeiras.

5 - LIGAS NÃO METÁLICAS

5.1 – PLÁSTICOS

Uma das principais ligas não metálicas são os plásticos. As matérias primas para a fabricação dos plásticos provêm do carvão mineral, do petróleo ou de produtos vegetais. As propriedades principais comuns à maioria dos plásticos são leveza, resistência à deterioração pela umidade, baixa condutividade elétrica e térmica. Há dois grupos gerais de plásticos: termofixos ou termoestáveis e termoplásticos.

Os plásticos termofixos exigem geralmente calor e pressão para a moldagem. Na primeira aplicação de calor, os materiais termofixos tornam-se moles e plásticos, mas, prosseguindo no processo de aplicação de calor, eles se transformam quimicamente e endurecem. Em geral, a temperatura utilizada para a fabricação desse material é em torno de 150°C, durante cerca de 3min, variando a pressão de acordo com a superfície da peça. Atingindo o grau de dureza, assim permanecem e mesmo reaquecidos não se tornam moles. Sob intenso calor, é óbvio, haverá combustão do material. São exemplos de plásticos termofixos o epóxi, o poliéster, as resinas, o baquelite, entre outros.

termoplásticos podem amolecer seguidamente sob a ação do calor e endurecer novamente quando resfriados. Entre os mais importantes termoplásticos situam-se o PVC (cloreto de polivinila), o náilon, os acrílicos, os policarbonatos.

Os vinílicos (PVC) são instáveis e degradam-se rapidamente sob a ação da luz e do calor, formando produtos escuros de baixa qualidade, sendo aplicados em tubos e revestimentos de tanques. O náilon é um dos termoplásticos mais conhecidos, de início empregado na indústria têxtil, agora, na indústria do plástico, são aplicados em buchas, engrenagens e barras. Os acrílicos correspondem a termoplásticos com resistência ao choque e às intempéries, além de ótima claridade óptica. Possuem aplicação em peças transparentes para aviões, rádios e televisores. Os policarbonatos são semelhantes ao acrílico, transparentes e de maior resistência aos impactos, porém de baixa resistência à abrasão, utilizados em carros blindados, trens e outros. Encaixam-se nesse grupo os poliuretanos que são aplicados conforme a exigência de sua densidade, principalmente para a absorção de vibrações.

5.2 – CERÂMICA

O termo cerâmico é mais familiar como adjetivo para designar certos objetos de arte. Para a mecânica, entretanto, os materiais cerâmicos abrangem uma grande variedade de substâncias naturais e sintéticas, tais como o vidro, os tijolos, as pedras, o concreto, a porcelana, os refratários para altas temperaturas e muitas outras. A característica que todos esses materiais têm em comum é que são constituídos por metais e não metais. Existem muitas fases cerâmicas, pois muitas são as combinações possíveis de átomos metálicos e não metálicos. Em geral, as fases cerâmicas têm propriedades diferentes dos materiais metálicos e dos plásticos. Na realidade, podemos admitir que as cerâmicas encontram-se numa faixa de transição entre as ligas metálicas e as não metálicas.

5.3 – OUTRAS

como em certas máquinas, cabos de ferramentas e aplicações semelhantes, onde as mesmas devem aliar à resistência à compressão, boa resistência ao choque, ou seja, tenacidade.

6 - BIBLIOGRAFIA

CHIAVERINI, Vicente. Aços e ferros fundidos. 6ª ed. São Paulo: Associação Brasileira de Metais, 1988.

CHIAVERINI, Vicente. Tecnologia mecânica: materiais de construção mecânica. 2ª ed, vol I, II e III.. São Paulo: Macgraw Hill, 1986.