MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO
SECRETARIA DE EDUCAÇÃO PROFISSIONAL E TECNOLÓGICA
INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA
CAMPUS JOINVILLE
DEPARTAMENTO DO DESENVOLVIMENTO DO ENSINO COORDENAÇÃO ACADÊMICA / MECÂNICA
TECNOLOGIA DOS MATERIAIS – I
SUMÁRIO
CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO ... 3
CAPÍTULO 2 – LIGAÇÕES ATÔMICAS ... 6
CAPÍTULO 3 – ESTRUTURA CRISTALINA ... 10
CAPÍTULO 4 – IMPERFEIÇÕES DA ESTRUTURA CRISTALINA ... 16
4.1 IMPERFEIÇÕES ESTRUTURAIS ... 17
4.2 DEFEITOS PONTUAIS ... 17
4.3. DEFEITOS LINEARES (DISCORDÂNCIAS) ... 19
4.4. DEFEITOS DE SUPERFÍCIES ... 20
4.5 RELAÇÃO ENTRE DEFEITOS E PROPRIEDADES MECÂNICAS ... 24
CAPÍTULO 5 – DIAGRAMAS DE FASE ... 26
5.1. A regra de fase ... 26
5.2 Sistemas Isomorfos ... 27
5.3 Sistemas Eutéticos ... 28
5.4 Sistemas eutetóides ... 29
5.4.1 Sistema Ferro Carbono ... 30
5.5 Desenvolvimento da microestrutura para o sistema ferro carbono ... 33
5.6 Interpretação do diagrama de fases ... 36
CAPÍTULO 6. METALOGRAFIA ... 38
6.1 Micrografia ... 38
CAPÍTULO 7. ENSAIOS MECÂNICOS ... 47
7.1 Ensaio de tração ... 47 7.2 ENSAIO DE DUREZA ... 54 7.2.1 DUREZA BRINELL ... 56 7.2.2 DUREZA ROCKWELL ... 58 7.2.3 DUREZA VICKERS ... 60 7.2.4 MICRODUREZA ... 63 7.3 ENSAIO DE IMPACTO ... 64
CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO
A disciplina de ciência dos materiais envolve a investigação da relação existente entre estrutura e propriedade dos materiais. Em contraste, a engenharia de materiais é, baseada na correlação entre propriedade e estrutura dos materiais, no processo de fabricação para produzir determinado conjunto de propriedades.
Virtualmente, todas as propriedades importantes dos materiais sólidos podem ser agrupas em seis grupos: mecânica, elétrica, térmica, magnética, ótica e deterioração. Para cada propriedade existe um tipo característico de estímulo capaz de provocar diferentes respostas. A propriedade mecânica relaciona a deformação produzido por um carregamento aplicado ou uma força, exemplos incluem módulo de elasticidade e resistência a tração. Para a propriedade elétrica, tais como condutividade térmica e constante dielétrica, o estímulo é um campo elétrico. O comportamento térmico dos materiais pode ser observado na condutividade térmica. Propriedades magnéticas demonstram a resposta do material na presença de um campo elétrico. Para propriedades óticas, o estímulo é radiação eletromagnética ou presença da luz. Finalmente, as características deteriorativas indicam a característica da reatividade química dos materiais.
Em adição a relação estrutura e propriedades, dois outros fatores devem ser considerados na ciência e engenharia dos materiais. Processamento e desempenho (aplicação). A respeito da relação entre estes quarto componentes, a estrutura do material depende de como ele sera processado. Mais, a desempenho do material dependerá de suas propriedades. Assim, a relação entre processo, estrutura, propriedade e desempenho é linear, como mostrado na figura 1.1.
Figura 1.1 – Relação entre processo, estrutura, propriedade .
Na figura 1.2, podemos ver um exemplo desta relação entre processo, estrutura, propriedade e aplicação. A fotografia mostra três discos colocados sobre uma folha, onde cada uma destas peças tem características diferentes, isto é, a da direita é opaca, a
central é translúcida e da esquerda transparente. O interessante é que estas três peças são do mesmo material, a alumina. A peça central é composta de numerosos cristais muito pequenos, a peça da esquerda é apenas um único cristal e a da direita é composta de numerosos cristais muito pequenos e com alta porosidade. Para se obter estas diferentes características em cada peça é necessário um processo de fabricação diferente para se obter diferentes estruturas.
Figura 1.2 – Diferentes propriedades para um mesmo material, obtidas de acordo com seu processo de fabricação
1.1 Classificação dos materiais
Os Materiais com que a Eng. de Materiais normalmente se envolve são os Metálicos, os Cerâmicos, os Polímeros. Este esquema é baseado principalmente na estrutura atômica e tipo de ligação atômica. Em adição, existem três outros grupos de importância para a área de engenharia dos materiais – compósitos, semicondutores e biomateriais.
Metálicos – Englobam todos os metais tanto ferrosos quanto não ferrosos. O metais ferrosos podem ainda ser divididos entre metais preciosos (ouro, paládio, platina e prata), metais básicos (são a maioria: alumínio, cobre, estanho, zinco, etc.), metais estratégicos (tório, silício, urânio) e metais refratários (tungstênio, vanádio, tântalo e nióbio).
Obs.: Materiais refratários são materiais que resistem bem ao calor e por isso são muito usados em revestimento de fornos. Normalmente são cerâmicos. Já os metais refratários são metais que possuem alta temperatura de fusão.
Cerâmicos - Alguns produtos são cerâmicas em sua origem: tijolo, telhas, azulejo, porcelanas de banheiro e até o vidro. Cerâmicos são bons isolantes elétricos e térmicos.
pequenas e simples unidades químicas (monômeros), ligadas covalentemente.
Compósitos - Compósitos são materiais formados pela combinação de dois ou mais materiais distintos que mantém as suas propriedades individuais e sem que haja interação química intencional entre eles, ou seja, são formados pela mistura de pelo menos dois materiais de grupos diferentes (metais + polímeros, cerâmicos + metais, etc). O pneu é um exemplo de compósito, pois é formado por fibras metálicas + borracha.
Semicondutores - Materiais semicondutores apresentam propriedades elétricas que são intermediárias entre metais e isolantes. Além disso, as características elétricas são extremamente sensíveis à presença de pequenas quantidades de impurezas, cuja concentração pode ser controlada em pequenas regiões do material (para formar as junções p-n). Os semicondutores tornaram possível o advento do circuito integrado que revolucionou as indústrias de eletrônica e computadores.
Ex: Si, Ge, GaAs, InSb, GaN, CdTe..
Biomateriais - são empregados em componentes para implantes de partes em seres humanos. Esses materiais não devem produzir substâncias tóxicas e devem ser compatíveis com o tecido humano (isto é, não deve causar rejeição). Metais, cerâmicos, compósitos e polímeros podem ser usados como biomateriais.
Fig 1.3 - Evolução da utilização dos materiais. Figura copiada do material do Prof. Arlindo Silva do Instituto Superior Técnico da Universidade de Portugal
CAPÍTULO 2 – LIGAÇÕES ATÔMICAS 2. INTRODUÇÃO
Os materiais sólidos são formados por átomos que são unidos por forças elétricas, formando o que chamamos de ligações químicas. Estas interações elétricas podem ser obtidas de diversas formas, formando diferentes tipos de ligações.
O comportamento de um material pode ser eficientemente previsto a partir da análise do mesmo aos níveis subatômico, atômico e microscópico. Assim, torna-se necessário examinar o mesmo, no tocante aos átomos que constituem o material, bem como o comportamento eletrônico dos mesmos. A estrutura de qualquer material é diretamente dependente dos tipos de átomo envolvidos e das ligações atômicas que eles formam. A base de qualquer unidade estrutural em ciência e engenharia de materiais é o átomo. O átomo consiste basicamente de três partículas subatômicas: prótons, elétrons e nêutrons. No centro do átomo localiza-se o núcleo, que é envolvido por uma nuvem de elétrons de densidade variável. Os elétrons, particularmente os mais externos, determinam a maioria das características elétricas, mecânicas, químicas e térmicas dos átomos e assim, o conhecimento básico do mesmo é necessário no estudo dos materiais.
A estrutura interna dos materiais é resultado da agregação de átomos obtida através de forças de ligação interatômicas. Esta agregação, em função das características de tais ligações, pode resultar nos estados sólidos, líquido e gasoso.
2.1 ENERGIA DE LIGAÇÃO
Porque os átomos se unem? Por que ao se unir os átomos diminuem a energia interna.
Relação entre energia de ligação e algumas propriedades:
Resistência mecânica: aumenta com a força máxima e com a profundidade do poço da curva de energia de ligação.
Pontos de fusão e de ebulição: aumentam com a profundidade do poço da curva de energia de ligação.
Coeficiente de expansão térmica: diminui com a profundidade do poço da curva de energia de ligação.
2.2 LIGAÇÕES QUÍMICAS
Basicamente, os átomos podem atingir uma configuração denominada de estável (menor energia) a partir de três maneiras, quais sejam: ganho de elétrons, perda de elétrons ou compartilhamento de elétrons. A facilidade em ganhar elétrons caracteriza o átomo como elemento eletronegativo; a facilidade em perder elétrons o caracteriza como sendo um elemento eletropositivo. Existem também os átomos que não apresentam facilidade em perder ou ganhar elétrons. Estas características atômicas resultam na existência de três tipos de ligações atômicas, denominadas como primárias ou fortes, que são :
LIGAÇÔES METÀLICAS, IÔNICAS e COVALENTES
Uma outra classe de ligações, denominadas de ligações fracas, pode ser encontrada em algumas substâncias. Estas ligações contribuem para a atração entre moléculas e são classificadas como forças de Van Der Walls (ligação secundaria). Estas moléculas são atraídas, pois nelas podemos ter polarização induzida ou permanente. Quanto maior esta polarização mais forte é á força de ligação entre as moléculas.
2.2.1. LIGAÇÃO IÔNICA:
envolve a transferência de elétrons de um átomo para outro
Figura 2.4- Formação da ligação iônica. LIGAÇÃO IÔNICA – características:
Metal + não-metal
Envolve a transferência de elétrons de um átomo para outro
Resulta da interação eletrostática entre um íon positivo e um íon negativo A ligação é não-direcional
Os materiais são duros e quebradiços
Bons isolantes térmicos e elétricos nos sólidos, mas em soluções aquosas e no estado de fusão são bons condutores elétricos.
2.2.2. LIGAÇÃO COVALENTE
Na ligação covalente está envolvido o compartilhamento de par(es) de elétron(s) entre os átomos ligantes.
Figura 2.6. Estrutura de uma ligação covalente, gás metano. LIGAÇÕES COVALENTES: Características
· Na molécula, existem forças covalentes que mantêm os átomos unidos;
· No estado sólido, as moléculas são mantidas por forças de Van der Waals fracas (mais fraca do que a atração eletrostática dos íons);
· Em virtude disto, para fundir ou evaporar compostos covalentes precisa-se de energia (DH) suficiente apenas para romper as forças de Van der Waals. Em virtude da fraca atração intermolecular, os compostos covalentes se apresentam como:
· Líquidos, com baixo ponto de ebulição, ou gases à temperatura ambiente; · Compostos sólidos que possuem baixa dureza e baixo ponto de fusão. · Isolantes: não conduzem corrente elétrica.
Compostos Covalentes que formam estrutura (Ex: SiC, C -Diamante)
Os átomos são mantidos unidos por ligações covalentes(fortes), formando estruturas cristalinas.
Em virtude da alta energia da ligação covalente, os compostos covalentes apresentam como:
Compostos sólidos que possuem alta dureza e alto ponto de fusão. Isolantes: não conduzem corrente elétrica.
2.2.3. LIGAÇÃO METÁLICA
(nuvem eletrônica) e íons positivos. Estes elétrons livres são originários da última camada de valência, fracamente presos ao átomo, e que estão livres dentro da estrutura metálica. A figura abaixo mostra as ligações metálicas observadas em metais.
Figura 2.7. Representação esquemática da ligação metálica. LIGAÇÕES METÁLICOS:Características
Os átomos de um metal estão unidos através da nuvem eletrônica, formando estrutura cristalina compactas.
Em virtude de possuir elétrons livres as ligações metálicas possuem as seguintes propriedades:
Sólidos cristalinos, de alto ponto de fusão e ebulição; São bons condutores de calor e energia;
Possuem elevada plasticidade e dutibilidade; Formam estruturas opacas.
2.3. LIGAÇÕES SECUNDÁRIAS
Até agora, temos considerado apenas a ligação primaria entre átomos, e vimos como ela depende da interação entre os elétrons de valência. A força motora para a ligação atômica primaria é a diminuição de energia que sofre os elétrons ligantes.
Contratando com as ligações primarias, as ligações secundarias são relativamente fracas, . A força motora para as ligações secundárias é a atração entre dipolos elétricos que existem nos átomos e moléculas.
Em geral, há dois tipos principais de ligações secundárias entre átomos ou moléculas, envolvendo dipolos elétricos: dipolos flutuantes (ou induzidos) e dipolos permanentes. É costume designar coletivamente estas ligações secundárias dipolares por ligações de Van der Waals.
CAPÍTULO 3 - ESTRUTURA CRISTALINA
3.1 NTRODUÇÃO
As propriedades dos materiais estão diretamente relacionadas com a estrutura cristalina destes materiais. Por exemplo, magnésio puro e não deformado tem uma estrutura cristalina que é muito mais frágil que o ouro ou a prata que tem outra estrutura cristalina. Ainda mais, existem diferenças significativas em propriedades entre materiais cristalinos e não cristalinos (amorfos), tendo a mesma composição. Os materiais sólidos podem ser classificados de acordo com a regularidade com que os átomos ou íons estão arranjados um em relação ao outro. Um material cristalino é aquele no qual os átomos estão ordenados em um arranjo repetido ou periódico em uma cadeia de átomos, isto é, como na solidificação os átomos se posicionarão em um padrão tridimensional repetitivo, no qual cada átomo é ligado ao seu átomo vizinho mais próximo. Todos os metais, muitos materiais cerâmicos e alguns polímeros formam uma estrutura cristalina sob condições normais de solidificação.
Como comentado anteriormente, as propriedades dos sólidos cristalinos dependem da estrutura cristalina do material. Existe um número extremamente grande de diferentes estruturas cristalinas, todas tendo uma ordem atômica de longo alcance. Quando descrevemos a estrutura cristalina, os átomos são considerados esferas sólidas tendo seus diâmetros bem definidos, isto é chamado modelo atômico de esferas sólidas,figura 3.1, nos quais as esferas representando os átomos vizinhos mais próximos se tocam.
Figura 3.1 – modelo atômico de esferas rígidas CÉLULA UNITÁRIA
A ordem atômica nos sólidos cristalinos indica que pequenos grupos de átomos formam um padrão que se repete. Assim, na descrição das estruturas cristalinas, é conveniente subdividir a estrutura em pequenas entidades repetitivas chamadas de célula unitária.
Como existem muitas possibilidades de estruturas cristalinas, dividiu-se elas em grupos de acordo com as configurações da célula unitária e/ou arranjo atômico. Tal maneira é baseada na forma geométrica da célula unitária, sem levar em consideração o posicionamento dos átomos na célula.
TABELA 3.1 – Os sistemas cristalinos
Muitos metais e não metais possuem mais de um sistema cristalino. Este fenômeno é conhecido como polimorfismo. Quando encontrados em elementos sólidos, é chamado de alotropia. A estrutura cristalina que prevalecerá depende da temperatura e pressão em que o material se encontra. Um exemplo bem conhecido é o carbono: o grafite é o estado polimorfo estável encontrado nas condições ambientes e o diamante é formado a pressões extremamente grandes. Outro exemplo, o ferro possui estrutura cristalina CCC a temperatura ambiente, que muda para CFC para 912°C. Muitas vezes a variação de densidade e outras propriedades físicas acompanham a transformação polimórfica.
ESTRUTURA DOS MATERIAIS METÁLICOS
Três estruturas cristalinas relativamente simples são encontradas na maioria dos materiais metálicos mais comuns: cúbica de face centrada, cúbica de corpo centrado e hexagonal compacta, e outra raramente encontrada: cúbica simples.
Estrutura Cúbica de Face Centrada – CFC
A maioria das estruturas cristalinas encontradas para materiais metálicos tem a célula unitária com a forma de um cubo, com átomos localizados em cada um dos cantos do cubo e centralizados em cada uma das faces deste mesmo cubo. Esta estrutura é chamada de cúbica de face centrada (CFC), figura 3.3 e figura 3.4. Alguns dos metais mais comuns possuem esta estrutura cristalina: cobre, alumínio, prata e ouro.
Figura 3.3 – Representação de uma estrutura CFC no modelo de esferas rígidas. Na figura 3.1 podemos ver um aglomerado maior com este tipo de estrutura cristalina.
Figura 3.4 – Representação dos átomos contidos no interior da célula unitária, e com átomos em dimensões menores
Outra estrutura cristalina comum entre os materiais metálicos é a estrutura cúbica de corpo centrado (CCC). Nesta estrutura temos um átomo em cada canto da célula unitária e um átomo no cento do cubo (figura 3.5a).
Figura 3.5 - (a)Representação de uma estrutura CFC no modelo de esferas rígidas, (b)Representação dos átomos contidos no interior da célula unitária, e (c)com átomos em
dimensões menores(d)podemos ver um aglomerado maior com este tipo de estrutura cristalina
Neste caso, o átomo do centro e os átomos nos cantos se tocam através da diagonal docubo.
Estrutura Cúbica Simples – (CS)
Um terceiro tipo de estrutura cristalina, mais rara de ser encontrada é a estrutura cúbica simples. Neste caso temos apenas átomos posicionados nos oito cantos da célula unitária,como pode ser visto na figura 3.6.
Figura 3.6 – Representação de uma estrutura cúbica simples no modelo de esferas rígidas
Devido a esta baixa densidade de empacotamento é que esta estrutura cristalina torna-se rara. Apenas o polônio (Po) apresenta esta estrutura.
Figura 3.7– Contagem do número de vizinhos mais próximos para uma estrutura cúbica simples
Estrutura cristalina Hexagonal Compacta – HC
Nem todos os metais tem célula unitária sob a forma cúbica, a última estrutura cristalina mais comum entre os metais a ser discutida é a forma hexagonal. A figura 9a mostra esta estrutura com esferas reduzidas a qual é chamada de estrutura hexagonal compacta (HC).Uma montagem de diversas células cristalinas hexagonais compacta é mostrada na figura3.9b . O topo e a base da célula consistem de seis átomos dispostos na forma hexagonal rodeando um átomo central. Outro plano contém três átomos adicionais para a célula unitária, situado entre as faces superior e inferior.
Figura 3.9 – (a) Representação de uma célula unitária hexagonal compacta com esfera reduzidas, (b) aglomerado com este tipo de célula cristalina.
Na tabela 3.2 estão listados alguns metais mais comuns com sua respectiva estrutura cristalina.
CAP 4 - IMPERFEIÇÕES DA ESTRUTURA CRISTALINA
Durante a solidificação, os Materiais sofrem o rearranjo de seus átomos que determina a estrutura cristalina dos mesmos. Dependendo do modo com que o líquido transforma-se em sólido, podem ocorrer defeitos no empilhamento e organização dos átomos, resultando em imperfeições estruturais. O tipo e a quantidade destas imperfeições afetam decisivamente algumas propriedades e o comportamento dos materiais cristalinos.
Com exceção de alguns poucos produtos conformados por sinterização(metalurgia do pó), todos os produtos metálicos passam necessariamente pelo processo de solidificação, em algum estágio de sua fabricação. Em geral, o processo de solidificação pode ser dividido em duas etapas:
a. Formação de embriões de cristais estáveis dentro do líquido ou etapa de nucleação, como mostra figura 4.1;
b. Transformação dos núcleos em cristais, ou etapa de crescimento.
Figura 4.1 Nucleação e crescimento das estruturas cristalinas.
A transformação líquido/sólido e a conseqüente formação da estrutura cristalina é observada na prática em duas situações diferentes, quais sejam: solidificação com nucleação e crescimento controlados e solidificação com nucleação e crescimento não-controlados. O primeiro caso envolve situações onde existe a necessidade de se produzir um sólido, onde a característica principal do mesmo é a qualidade do arranjo cristalino. Esta situação é geralmente encontrada na obtenção de insumos básicos para microeletrônica, onde a necessidade de monocristais perfeitos de silício, arseneto de gálio, etc, é fundamental.
4.1 IMPERFEIÇÕES ESTRUTURAIS
As estruturas cristalinas analisadas até aqui apresentam como característica básica,arranjos cristalinos muito bem definidos. Entretanto, os cristais observados na prática nunca são totalmente perfeitos, exibindo defeitos de diversas naturezas. Tais imperfeições afetam diretamente várias características dos materiais, como os parâmetros envolvidos na deformação plástica, na condutividade elétrica de semicondutores, na corrosão em metais e em processos de difusão atômica.
As imperfeições presentes em estruturas cristalinas podem ser de três tipos básicos, quais sejam:
¨ defeitos pontuais; ¨ defeitos em linha; ¨ defeitos de superfície. 4.2 DEFEITOS PONTUAIS
Os cristais podem apresentar defeitos em pontos isolados de sua estrutura, dando lugar às imperfeições de ponto.
Dentre as imperfeições pontuais, as mais importantes são: 1. vacâncias ou vazios;
2. átomos intersticiais; 3. átomos substitucionais..
O tipo de defeito mais simples é a vacância. As vacâncias são vazios pontuais causados pela ausência de átomos em algumas posições da rede cristalina, como mostra a figura 4.2.Este tipo de defeito pode ser produzido durante o processo de solidificação, como resultado de perturbações locais no crescimento do cristal. Uma outra causa destas imperfeições é o rearranjo atômico de um cristal já existente, devido à mobilidade de seus átomos. Nos metais, a concentração de vacâncias raramente passa de 1 para cada 104 átomos.
Figura 4.2. Defeito pontual - Vacância
Uma outra classe de defeitos são os átomos substitucionais e intersticiais estranhos à rede cristalina. Os átomos intersticiais são imperfeições causadas pela presença de
átomos estranhos nos interstícios da rede cristalina e os átomos substitucionais são defeitos provocados pela existência de átomos estranhos nos próprios vértices da rede cristalina, em substituição aos átomos que ali deveriam estar se não existissem vacâncias. Defeitos dessa natureza podem modificar o comportamento de certas propriedades. Por exemplo, a presença de uma quantidade muito pequena de átomos estranhos à rede cristalina do silício pode afetar, de modo significativo, a condutividade elétrica do mesmo. Estes dois tipos de defeitos pontuais são freqüentemente observados durante a formação das ligas metálicas,na forma de soluções sólidas.
Na maioria das aplicações de engenharia, a necessidade de propriedades específicas, faz com que o uso de materiais metálicos nem sempre esteja restrito aos metais puro. Na verdade, apenas em um número bastante limitado de aplicações, os metais podem ser encontrados na forma pura ou quase pura. Por exemplo, o cobre de alta pureza(99,99%) é usado na confecção de fios elétricos devido a sua elevada condutividade elétrica. O alumínio super-puro (99,99%) é usado na fabricação de objetos decorativos, poiso mesmo permite obter uma superfície melhor acabada. Por outro lado, a maioria dos materiais metálicos usados em engenharia, estão combinados com outros metais ou não metais. Estas combinações, denominadas de ligas metálicas, têm o objetivo de aumentar a resistência mecânica, a resistência à corrosão ou melhorar outras propriedades. Uma liga metálica, ou simplesmente uma liga, é a mistura de dois ou mais metais ou metais e não-metais. Estas ligas podem ter estruturas relativamente simples, como a de uma peça de bronze. O latão é essencialmente uma liga binária (dois metais),contendo70% em peso de Cu e 30% em peso de Zn. Por outro lado, certas ligas podem ser extremamente complexas como as superligas à base de níquel, denominadas comercialmente de Inconel 718 e usadas na confecção de peças de motores a jato. Estas ligas contém nominalmente em torno de 10 elementos. Um outro exemplo de liga metálica pode ser observado no aço, onde as estruturas CFC e CCC do ferro abrigam átomos de carbono. Esta combinação permite obter um material extremamente versátil, com aplicações bastante diversificadas. O tipo mais simples de liga metálica é aquele que forma uma solução sólida. Uma solução sólida é um sólido que consiste de dois ou mais elementos atomicamente dispersos em uma estrutura monofásica. Em geral existem dois tipos de soluções sólidas:
SUBSTITUCIONAL E INTERSTICIAL.
Nas soluções sólidas substitucionais formadas por dois elementos, os átomos do soluto podem ser substitutos dos átomos do solvente na rede cristalina. Na figura 4.3 é mostrado um plano de um cristal CFC contendo átomos do soluto substituindo os átomos do solvente. Neste caso, a estrutura do solvente não é alterada, sendo comum a distorção da rede cristalina, já que os átomos do soluto nem sempre exibem o mesmo diâmetro atômico dos átomos do solvente. A fração de átomos de um elemento que pode ser dissolvida em outro, é definida como solubilidade. O termo solubilidade significa a quantidade de um certo material A(soluto) que pode ser dissolvido em outro B (solvente) e varia de um valor muito pequeno,próximo de zero, até 100%. A solubilidade é dada em "% peso" e "% atômica".Assim, uma liga cobre-zinco com 20% em peso de zinco, possui, em 100 gramas da liga, 20 gramas de zinco e 80 gramas de cobre. Do mesmo modo, uma liga com 20% em átomos de zinco apresenta em cada 100 átomos de liga, 20 átomos de zinco e 80 átomos de cobre. Como as densidades dos materiais são diferentes, é evidente que 20% de zinco empeso não correspondem a 20% de zinco em átomos.
Figura 4.3 Plano(111) de um cristal CFC com o soluto substituindo o solvente.
O soluto intersticial é o que fica nos "vãos" da matriz. Estes vãos ou vazios são chamados de interstícios. As soluções sólidas intersticiais são formadas quando um átomo é muito maior que o outro. Por exemplo, o ferro a 1000ºC apresenta estrutura CFC com o maior vão de diâmetro igual a 1,0 Å. Assim estes "buracos" abrigam facilmente o hidrogênio (d=0,9 Å),o boro (d=0,92 Å) e com certa dificuldade, o carbono (d=1,5 Å). Entretanto, apesar dessa diferença, um máximo de 2,08 % em peso de carbono pode ser dissolvido intersticialmente no ferro a 1148ºC. A figura 4.4 ilustra esquematicamente a distorção da rede cristalina do ferro quando o carbono ocupa posições intersticiais na mesma.
Figura 4.4 Diagrama esquemático de uma solução sólida de carbono em ferro CFC,mostrando o plano (100). Note a distorção da rede cristalina do ferro.
4.3. DEFEITOS LINEARES (DISCORDÂNCIAS)
Os cristais podem apresentar defeitos alinhados e contínuos em sua estrutura, dando origem às imperfeições de linha. Os defeitos de linha, também chamados de discordâncias são defeitos que causam a distorção da rede cristalina em torno de uma linha e caracterizam-se por envolver um plano extra de átomos. Estas imperfeições podem ser produzidas durante a solidificação, na deformação plástica de sólidos cristalinos ou ainda como resultado da concentração de vacâncias. A presença deste defeito é a responsável pela deformação, falha e rompimento dos materiais.
A quantidade e o movimento das discordâncias podem ser controlados pelo grau de deformação (conformação mecânica) e/ou por tratamentos térmicos, podendo desta forma endurecer os materiais metálicos.
Os três principais tipos de defeitos em linha são conhecidos como: discordância em cunha,discordância em hélice e discordância mista.
Figura 4.5 Ilustração de uma discordância em cunha,que ocorre pela interrupção de um plano atômico.
4.4. DEFEITOS DE SUPERFÍCIES
Os cristais também apresentam defeitos que se estendem ao longo de sua estrutura,formando superfícies e denominados de imperfeições de superfície.
Esse tipo de imperfeição cristalina pode ser de três tipos: 1. superfícies livres;
2. contornos de grão; 4.4.1. SUPERFÍCIES LIVRES
Apesar de serem consideradas o término da estrutura cristalina, as superfícies externas de um cristal são consideradas defeitos cristalinos, já que o número de vizinhos de um átomo superficial não é o mesmo de um átomo no interior do cristal (figura 4.6). Os átomos superficiais possuem vizinhos apenas de um lado, tem maior energia e assim, estão ligados aos átomos internos mais fragilmente.
Figura 4.6 Apesar de ser considerada o término da estrutura cristalina, as superfícies externas de um cristal são consideradas defeitos cristalinos, já que o número de vizinhos de um átomo superficial não é o mesmo de um átomo no interior do cristal.
4.4.2. CONTORNOS DE GRÃO
Uma barra de cobre puro, embora contenha um único elemento, possui vários grãos, ou seja, regiões onde a estrutura cristalina tem a mesma orientação. Durante a solidificação,vários núcleos sólidos surgem no interior do líquido, como é apresentado na figura 4.7.Numa fase seguinte, denominada de crescimento, estes núcleos crescem e se juntam,formando nestas "juntas", uma região conhecida como contorno de grão. Como os diversos grãos não apresentam necessariamente a mesma orientação cristalográfica, como pode ser visto na figura 4.8, o encontro dos mesmos cria superfícies de contato dentro do cristal.
Figura 4.7 Formação de um material policristalino: (a) Etapa de nucleação; (b) Etapa decrescimento; (c) Material policristalino.
Figura 4.8 Os grãos de um material policristalino não apresentam uma mesma orientação cristalográfica.
O tamanho de grão de um material policristalino é importante ser conhecido, já que o número de grãos tem papel significativo em muitas propriedades dos materiais,especialmente na resistência mecânica. Em baixas temperaturas, até metade da temperatura de fusão do material, os contornos de grão aumentam a resistência do material através da limitação do movimento de discordâncias. Em altas temperaturas pode ocorrer o escorregamento de contornos de grão ou seja o mecanismo de deformação plástica nestas temperaturas é o de fratura intergranular. Este mecanismo é um dos responsáveis pela queda da resistência mecânica do material em temperaturas elevadas. Na produção de peças submetidas a temperaturas mais próximas a de fusão do material, como é o caso de turbinas de avião, são utilizados processos de fundição com
crescimento direcional e controlado. Isto permite obter um sólido com um número de grãos pequeno e indicado para temperaturas de trabalho elevadas. A tabela 4.1 apresenta a padronização do tamanho de grão cristalino segundo a ASTM.
Figura 4.9 Micrografias de aço baixo carbono, atacado com Nital (H2NO3 + álcool) e o respectivo tamanho de grão segundo a ASTM (X 100):
Como os contornos de grão são regiões onde os átomos estão fragilmente ligados uns aos outros, a ação de um ataque químico permite revelar o mesmo, pois nestes pontos é mais fácil "arrancar" os átomos, em comparação com regiões no interior do grão, como mostra afigura 4.9. A região do contorno de grão aparece mais escura no microscópio devido a menor capacidade de reflexão de luz da mesma (figura 4.10).
Tabela 4.1Tamanho de grão segundo a ASTM.
O contorno grão tem átomos fragilmente interligados e assim, em tal local é mais fácil"arrancar" os átomos da estrutura cristalina em comparação com o interior do grão.
Figura 4.10. A região do contorno de grão aparece mais escura no microscópio devido à menor capacidade de reflexão de luz da mesma.
(a) material não atacado quimicamente
(b) material atacado quimicamente monofásico (c) material atacado quimicamente difásico 4.4.3. MACLAS
As maclas constituem um outro tipo de defeito de superfície e podem surgir a partir de tensões térmicas ou mecânicas. Tal defeito de superfície ocorre quando parte da rede cristalina é deformada, de modo que a mesma forme uma imagem especular da parte não deformada (figura 4.11).
O plano cristalográfico de simetria entre as regiões deformadas e não deformada,é chamado de plano de maclação. A maclação, ocorre em direções específicas chamadas de direções de maclação.
4.5 RELAÇÃO ENTRE DEFEITOS E PROPRIEDADES MECÂNICAS Discordâncias
¨ Interferem na deformação plástica dos materiais. ¨ Sua presença facilita a deformação
Figura 4.12- Distorção na estrutura causado pela discordância.
A quantidade e o movimento das discordâncias podem ser controlados pelo grau de deformação (conformação mecânica) e/ou por tratamentos térmicos (contorno de grão,soluções sólidas etc..).Os defeitos causados pelas soluções sólidas (intersticiais e substitucionais), contorno de grão e deformação mecânica causam deformação na estrutura cristalina dificultando a movimentação das discordâncias aumentando a resistência à deformação do material.
Figura 4.13 Deformação da estrutura causada pela presença de impurezas substitucionais.
Quando um átomo de uma impureza esta presente, o movimento da discordância fica restringido, ou seja, deve-se fornecer energia adicional para que continue havendo escorregamento. Por isso soluções sólidas de metais são sempre mais resistentes que seus metais puros constituintes. Quando a solubilidade da solução sólida é ultrapassada, começará a se formar dentro da estrutura uma nova fase, esta causará uma
Figura 4.14 Precipitados de prata no cobre
Numa liga de cobre com prata se colocarmos até 8% de prata formamos uma solução sólida, se colocarmos mais que 8%(limite de solubilidade da prata no cobre, conforme tabela 4.2 começamos a formar uma segunda fase ou seja começamos a formar uma estrutura de prata, que chamamos de precipitado.
Figura 4.15 Comparativo entre resistência a deformação e tipo de defeito.
O contorno de grão interfere no movimento das discordâncias, ao alcançar um contorno há uma mudança de direção dos cristais, e para esta discordância continuar se movimentando ela deverá mudar de direção.
CAPÍTULO 5 - DIAGRAMAS DE FASE
O perfeito conhecimento dos diagramas de equilíbrio das ligas metálicas é de vital importância, por proporcionar conhecimentos de várias transformações, escolha das ligas,noções sobre as propriedades e, principalmente, o bom êxito dos tratamentos térmicos.
O diagrama fornece informações de qualquer liga, tais como início e fim de solidificação ou fusão, fases em equilíbrio a determinadas temperaturas, composição química destas fases,variação das quantidades relativas das fases com a temperatura, constituintes, etc. É,portanto, um resumo dos históricos térmicos de todas as ligas dos mesmos componentes.
5.1. A regra de fase
O que é uma fase? É uma porção quimicamente e estruturalmente homogênea da microestrutura. Uma microestrutura de única fase pode ser policristalina, como na figura 5.1,onde cada grão difere do outro apenas na orientação cristalina, não na composição química.
Figura 5.1 – microestrutura do molibdênio comercialmente puro.
Um erro que o iniciante comete é confundir fase com componente, o qual é uma substância química distinta da qual a fase é formada. Por exemplo, níquel e cobre são de natureza similar e podem formar uma solução sólida como da figura 5.2. Esta solução sólida se apresentará como uma fase na microestrutura.
Figura 5 .2 – solução sólida Ni-Cu.
Para certas composições químicas, o resultado é duas fases, cada qual mais rica em um componente. Um exemplo clássico é de uma estrutura chamada perlita, mostrada na figura 5.3, a qual consiste de camadas alternadas de ferrita (Fe α)e cementita (Fe3C).
Figura5.3 – Microestrutura de 02 fases (perlita), encontrada em aço eutetóide (0,76%C). Um diagrama de fase é qualquer representação das variáveis de estado associadas com microestruturas através da regra de fases de Gibbs. Os diagramas de maior uso na engenharia são os diagramas binários, representando sistemas de dois componentes. Os diagramas ternários representam sistemas de três componentes.
5.2 Sistemas Isomorfos
A figura 5.4 apresenta um diagrama isomorfo simples onde os pontos TCu e TNi
representam as temperaturas de fusão dos componentes Cu e Ni respectivamente. O diagrama é formado por uma região de uma única fase líquida, uma região de uma única fase sólida, representada por α e uma região de duas fases (líquido L + sólido α ). As curvas que separam as regiões de uma fase da região de duas fases são as linhas liquidus e solidus. Estas indicam que há uma diferença fundamental de comportamento na solidificação de um metal puro e de uma solução sólida. Enquanto que o primeiro se solidifica a uma única e definida temperatura, a liga da solução sólida inicia a solidificação em uma temperatura entre os pontos de fusão de seus componentes e não o faz isotermicamente, ou seja, solidifica-se dentro de um intervalo de temperaturas (faixa 2-3 da figura 5.5, para uma composição Co da liga).
Figura 5.4 – Diagrama isomorfo.
Figura 5.5 - Resfriamento de uma liga de composição Co (35% Ni) 5.3 Sistemas Eutéticos
São os caracterizados pela reação eutética, isto é, decomposição isotérmica de uma fase líquida em duas sólidas durante a solidificação e reação inversa na fusão.
A figura 5.6 apresenta um diagrama eutético para o sistema chumbo-estanho, onde a solubilidade no estado sólido é restrita. Os pontos A e B representam os pontos de fusão dos componentes da liga. A adição de chumbo no estanho (ou vice-versa) faz com que o ponto de fusão do último diminua. O ponto eutético é exatamente o ponto de intersecção entre as linhas liquidus. A liga correspondente à composição na qual as duas linhas se
α e β solidificadas simultaneamente na forma de uma mistura eutética. Nas fases α e β os dois metais estão completamente solúveis um no outro nas proporções indicadas para as diversas temperaturas.
As ligas à esquerda da eutética são chamadas hipoeutéticas e as da direita são chamadas hipereutéticas.
Figura5.6 - Diagrama eutético com solubilidade sólida parcial - Sistema chumbo-estanho(fonte: Shackelford).
5.4 Sistemas eutetóides
São caracterizados pela reação eutetóide, isto é, a decomposição isotérmica de uma fase sólida em duas outras fases sólidas durante o resfriamento e a reação inversa no aquecimento.
γ →α + β
Um diagrama esquemático para um sistema eutetóide está representado na figura 5.7a. Pode-se interpretá-lo simplesmente como a combinação de dois diagramas simples, um isomorfo e outro eutético (fig 5.7b).
Figura5.7 - Sistema eutetóide (a) completo e (b) dividido em dois diagramas simples, um isomorfo e um eutético.
5.4.1 Sistema Ferro Carbono
O diagrama Fe-C é aquele normalmente utilizado para o estudo dos aços e dos ferros fundidos, materiais de extrema importância para a indústria metalúrgica e mecânica. Ele encontra-se representado na figura 5.8. As ligas ferro-carbono ainda hoje representam os materiais de maior utilização prática. Isto se deve ao fato de que estas ligas podem apresentar uma grande variação nas suas propriedades pela simples variação na quantidade de carbono e ainda possibilitam que se tenha uma gama maior de propriedades se considerarmos a possibilidade de deformação plástica e os tratamentos térmicos. A base para que este material tenha estas características está principalmente atrelado ao fato de que o ferro puro apresenta transformação alotrópica e que o carbono forma uma solução sólida intersticial com o ferro. Isto conduz a uma série de possibilidades de transformações, cada uma com suas microestruturas típicas,resultando na grande variação das propriedades. As transformações em uma liga ferro carbono são influenciadas basicamente pela temperatura e pelo teor de carbono. Se considerarmos apenas este dois fatores poderemos montar um mapa das transformações que irão ocorrer, o qual será chamado de diagrama de equilíbrio. Nesta representação podemos ver as fases que estarão presentes para cada temperatura e composição e também os pontos que são fundamentais para a compreensão das transformações. A seguir faremos algumas considerações a respeito do diagrama.
Figura 5.8 – Representação do Diagrama Fe-C
Em primeiro lugar deve ser observado que o diagrama vai somente até 6,7% de carbono. Isto se deve ao fato de que as ligas acima deste teor não têm qualquer importância comercial. Em segundo lugar deve ficar claro que as ligas comerciais não são constituídas apenas por ferro e carbono, mas podem ter em sua composição outros elementos de liga além de pequenas quantidades de impurezas que são inerentes ao processo de obtenção do material. Assim sendo, o diagrama não representa fielmente o que sucede na prática,mas como pequenas quantidades de outros elementos não produzem grandes alterações,podemos utilizá-lo como base para o nosso estudo.
Em um diagrama de equilíbrio as fases são sempre representadas por letras gregas mas no caso das ligas ferro carbono estas fases além de serem identificadas por letras gregas também receberam um nome. Desta forma teremos as fases denominadas ferrita,austenita e cementita, que podem ou não estar presentes na microestrutura do material,dependendo do teor de carbono e da temperatura.
Observando-se o diagrama nota-se que este apresenta vários pontos que merecem ser destacados. O primeiro deles é o que corresponde a uma composição de 2,14% de carbono a 1148 ºC. Este ponto representa uma fronteira entre as ligas ferro-carbono que são caracterizadas como aços e as ligas que são caracterizadas como ferro fundido. Assim, aço é uma liga com menos de 2,14% de carbono e ferro fundido é uma liga com mais de 2,14%de carbono. A escolha deste ponto deve-se ao fato de que, quando resfriamos um aço desde o estado líquido, este sempre passará por uma faixa de temperaturas em que a sua microestrutura será composta de uma única fase chamada austenita, o que não acontece para os ferros fundidos que possuem teores de carbono
acima deste valor.
A austenita, também chamada fase γ, é uma fase derivada do ferro γ que como se sabe é formado por uma estrutura cúbica de faces centradas. Quando combinamos o ferro com o carbono forma-se uma solução sólida intersticial em que é mantida a estrutura cristalina original do ferro .
Para temperaturas inferiores, o fato de o ferro passar para ferro produz o aparecimento de uma nova fase chamada fase α ou ferrita. A ferrita também é uma solução sólida intersticial de ferro e carbono e, a exemplo da fase γ, é mantida a estrutura cristalina cúbica de corpo centrado do ferro.
Devido ao fato de que as duas fases citadas acima possuem diferenças em sua estrutura cristalina, existe também uma grande diferença de solubilidade do carbono entre elas. Como já foi visto, os interstícios da estrutura CFC são maiores do que os interstícios da estrutura CCC. Isto conduz a uma solubilidade do carbono que pode chegar a 2,14% (aproximadamente 9% em átomos) na temperatura de 1148 ºC para a austenita e somente0,022 % (aproximadamente 0,1% em átomos) a 727 ºC para a ferrita. Como pode ser observado no diagrama, a solubilidade do carbono não é fixa para estas fases, podendo variar com a temperatura. Desta maneira a austenita e a ferrita só apresentarão a sua solubilidade máxima nas temperaturas indicadas acima, variando tanto para temperaturas superiores como para temperaturas inferiores. Além disso, o carbono é um elemento estabilizador da austenita, e como podemos ver no diagrama, quando tivermos ferro puro a temperatura mínima em que a austenita é estável é de 912 ºC ,mas à medida que o teor de carbono cresce esta temperatura vai diminuindo até que, para 0,76% de carbono chegamos ao mínimo de 727 ºC. A partir daí a temperatura aumenta novamente até atingirmos o máximo de 2,14% para 1148 ºC. No caso da ferrita ela é estável até 912 ºC na ausência de carbono e na medida em que aumenta o teor a temperatura diminui até que se atinja a solubilidade máxima de 0,022% C a 727 ºC. Abaixo desta temperatura a solubilidade diminui novamente chegando praticamente a zero na temperatura ambiente. Como existe um limite de solubilidade do carbono tanto na austenita quanto na ferrita, o excesso de carbono poderá propiciar a formação de uma terceira fase que é chamada de cementita e que possui estrutura cristalina ortorrômbica, ainda em solução sólida intersticial com 6,7% de carbono. Isto acontece para teores de carbono maiores do que 0,76% acima de 727 ºC e abaixo de 1148 ºC e, para teores maiores do que 0,022%, abaixo de 727 ºC. Desta maneira teremos no diagrama regiões em que o aço é monofásico e regiões em que é bifásico. As regiões monofásicas podem ser formadas por austenita ou por ferrita e as regiões bifásicas podem ser formadas por austenita e ferrita, austenita e cementita ou ferrita e cementita.
Outro ponto importante que deve ser observado é o que ocorre para a composição de0,76% de carbono a 727 ºC. Este ponto, chamado ponto eutetóide, é o lugar do diagrama em que temos a convivência simultânea das três fases citadas acima, isto é, quando resfriamos o aço teremos a transformação da austenita em ferrita e cementita. Especificamente para esta composição a temperatura permanece constante enquanto a transformação não se completar totalmente. Neste ponto ocorre a seguinte reação:
γ →α + β
Quando tivermos outros elementos fazendo parte da composição do aço, o teor de carbono correspondente ao ponto eutetóide será deslocado mais para a esquerda ou para a direita e a temperatura em que ocorre esta reação irá aumentar ou diminuir. Esta é uma das influências dos elementos de liga dos aços . As outras influências dos elementos de liga serão analisadas nos capítulos subseqüentes.
5.5 DESENVOLVIMENTO DA MICROESTRUTURA PARA O SISTEMA FERRO CARBONO
Diversos tipos de microestruturas podem ser produzidas em ligas de aço. Estas podem ser obtidas em função da porcentagem de carbono e o tratamento térmico. Veremos agora as microestruturas obtidas para um resfriamento muito lento mantendo o equilíbrio entre fases para aços eutetóides, hipoeutetóides e hipereutetóides.
AÇO EUTETÓIDE:
Para uma liga eutetóide (0,76%C), resfriada a partir de uma temperatura dentro da região da fase γ (digamos 800°C), ponto a, teremos uma liga composta inteiramente da fase austenita com uma composição de 0,76% C e microestrutura correspondente mostrada na figura 6.11c . No processo de resfriamento (deslocando-se para baixo na linha xx’) não ocorrerá mudanças nesta microestrutura até atingir a temperatura de 727°C (temperatura eutetóide).Ultrapassando esta temperatura ocorrerá a reação eutetóide, obtendo uma microestrutura que consiste de camadas alternadas de ferrita α e cementita Fe3C, que se
formam simultaneamente durante a transformação. Esta microestrutura representada esquematicamente na figura ponto b, e na figura , é chamada de perlita. Mecanicamente, a perlita tem propriedades intermediárias entre a ferrita mole e dúctil e a dura e frágil cementita. Subseqüente resfriamento da perlita a partir do ponto b, não produzirá mudanças significativas na microestrutura.
Figura 5.11- (a) Porção do diagrama de fases Fe-C mostrando microestrutura obtida para o resfriamento de uma composição eutetóide;(b) microestrutura da austenita;(c) microestrutura da perlita.
AÇO HIPOEUTETÓIDE:
Considere um aço com conteúdo de carbono menor que a composição eutetóide, entre0,022%C e 0,76%C; esta liga é chamada de liga hipoeutetóide. Resfriando esta liga,representado na figura 5.12a, pela linha yy”, a partir de uma temperatura igual a 875°C,ponto c, onde teremos somente austenita (figura 5.11b), obtemos a seguinte
situação: no ponto d (775°C), dentro da região α + γ, ambas as fases irão coexistir de acordo com a microestrutura mostrada no esquema da figura 5.12a. Onde as partículas de ferrita irão se formar ao longo dos contornos de grão da fase austenita γ, ponto e. Continuando o resfriamento até o ponto f, abaixo da temperatura eutetóide, toda a fase γ que estava presente na temperatura Te, se transformará em perlita de acordo com a reação eutetóide, e para a fase α já existente numa temperatura acima da temperatura eutetóide, não ocorrerá nenhuma transformação. Assim a ferrita α estará presente tanto na perlita quanto como uma fase formada durante o resfriamento através da região α + γ. Esta ferrita é chamada de ferrita pró-eutetóide e a ferrita presente na estrutura perlítica é chamada ferrita eutetóide.
Figura 5.12 – (a)Porção do diagrama de fases Fe-C mostrando esquematicamente o resfriamento de uma liga hipoeutetóide; (b) Microestrutura obtida para uma liga hipoeutetóide.
AÇO HIPEREUTETÓIDE:
Microestrutura e transformações análogas resultam para um resfriamento de uma liga hipereutetóide, que contém entre 0,76 e 2.14%C, as quais são resfriadas a partir de temperaturas dentro do campo de fase austenita. Neste caso é a fase Fe3C que se
formará ao longo dos contornos de grãos da fase γ, como mostrado na figura 5.13a. Esta cementita é chamada de cementita pró-eutetóide, que se forma antes da reação eutetóide. E, é claro,a austenita que existia antes da reação eutetóide se transforma toda em um estrutura perlítica, resultando numa microestrutura que consiste de perlita e cementita próeutetóide como constituintes, figura 5.13b.
Figura 5.13- (a) porção do digrama de fases Fe-C mostrando o desenvolvimento da microestrutura para uma liga hipereutetóide. (b) microestrutura obtida para uma liga hipereutetóide.
5.6 INTERPRETAÇÃO DO DIAGRAMA DE FASES.
Para um sistema binário com composição e temperatura conhecidas, em equilíbrio, três informações estão disponíveis: (1) as fases que estão presentes, (2) a composição destas fases e (3) a porcentagem ou fração das fases presentes.
Fases presentes A determinação de quais as fases presentes é relativamente simples. Deve-se localizar o ponto temperatura-composição no diagrama e verificar com qual(is) fase(s) o campo defases correspondente está identificado.
Determinação da composição de fases A primeira etapa na determinação da composição de fases consiste em se localizar o ponto temperatura-composição correspondente no digrama de fases. Se apenas uma fase esta presente, o procedimento é trivial: a composição desta fase é simplesmente a mesma composição global da liga. Para uma liga que possui composição e temperatura localizadas em uma região bifásica deve-se seguir o seguinte procedimento:
1. Constrói-se um linha de amarração* através da região bifásica à temperatura da liga. 2. Anotam-se as interseções da linha de amarração a partir destas interseções comas fronteiras entre as fases em ambos os lados.
3. Traçam-se linhas perpendiculares à linha de amarração a partir dessas interseções até o eixo horizontal das composições, onde a composição em cada uma das respectivas fases pode ser lida.
Determinação da quantidade de fase As quantidades relativas das fases presentes em condições de equilíbrio também podem ser calculadas com auxílio do diagrama de fases.
A solução é óbvia em uma região monofásica:uma vez que somente uma fase esta presente, a liga é composta inteiramente por aquela fase, isto é, o percentual é de 100%.Se a posição para dada composição e temperatura cai em uma região bifásica, a linha de amarração deve ser utilizada com o seguinte procedimento, chamado regra da alavanca:
1. A linha de amarração é construída através da região bifásica na temperatura da liga. 2. A composição global da liga é localizada sobre a linha de amarração
3. A fração de uma fase é calculada tomando-se o comprimento da linha de amarração desde a composição global da liga até a fronteira entre fases com a outra fase e então dividindo-se esse valor pelo comprimento total da linha de amarração.
4. A fração da outra fase é determinada de maneira semelhante.
5. Se forem desejadas as porcentagens das fases, a fração deve ser multiplicada por 100. No emprego da regra da alavanca, os comprimentos dos segmentos da linha de amarração podem ser determinados ou pela medição direta no diagrama de fases, usando-se uma régua com escala linear, ou mediante a subtração das composições conforme estas sejam lidas no eixo das composições.
ATENÇÃO: É fácil confundir os procedimentos anteriores para a determinação da composição das fases e das porcentagens de cada fase presente; assim torna-se importante fazer um resumo. As composições das fases são expressas em termos percentuais em peso dos componentes ( por exemplo, %p Ni, %p Cu). Para qualquer liga que consista em uma única fase, a composição da quela fase é a mesma que a
linha de amarração, cujas extremidades determinam as composições das respectivas fases. Em relação às porcentagens das fases, quando existe uma única fase, a liga é composta totalmente por aquela fase. Por outro lado, para uma liga bifásica, é utilizada a regra da alavanca, na qual é tomada a razão entre os comprimentos dos segmentos da linha de amarração.
Figura – 5.14 (a) Diagrama de fases Cu-Ni, adaptado do Callister 7ª edição; (b) Uma porção do diagrama de fases Cu-Ni, para o qual as composições e quantidades das fases estão determinadas.
CAPÍTULO 6. METALOGRAFIA
Para se ter uma idéia aproximada da natureza de certos materiais metálicos ou de como certas peças foram fabricadas, pode-se usar os seguintes exames elementares:
a) Aspecto da superfície. b) Aspecto da fratura. c) Ação da lima.
d) Centelhas ao esmeril.
e) Atração pelo imã, sonoridade, etc.
Estes exames elementares são rápidos, econômicos e dão ao analista experimentando uma série de informações básicas. Entretanto, com o incremento da tecnologia, um controle mais severo tornou necessário o exame em laboratório, com outros meios, ou seja, com máquinas, aparelhos ou instrumentos que forneçam, de preferência, um valor numérico que servirá para o confronto com normas e especificações.
Este procedimento constitui um critério justo e seguro na avaliação das qualidades dos materiais, contribuindo para a correção dos defeitos e para melhoria da qualidade. Ambos os controles, na oficina e no laboratório, se completam perfeitamente.
6.1 MICROGRAFIA
Consiste no estudo dos produtos metalúrgicos, com o auxílio do microscópio,permitindo observar a granulação do material, a natureza, forma, quantidade e distribuição dos diversos constituintes ou de certas inclusões, etc. Estas observações são de grande utilidade prática.
O sucesso na obtenção de uma análise e interpretação precisa de uma estrutura através do uso do microscópio ótico é a preparação adequada da amostra o qual deve representar fielmente a mesma na sua versão original. As amostras adequadamente preparadas devem ter:
- Superfície extremamente lisa e plana, isenta de riscos de qualquer natureza ou dimensão;
- Superfície isenta de qualquer mancha e qualquer outro tipo de imperfeição que atrapalhe a análise;
- Superfície intacta em termos de inclusões, ou compostos intermetálicos que possam ser removidos com facilidade;
- Superfície isenta de trincas ocorridas na preparação da amostra (aquecimento,pressão e queda da amostra;
- Superfície inalterada em termos estruturais devido ao aquecimento ou pressão durante a preparação;
- Superfície isenta de incrustação devido a inserção de materiais estranhos(baquelite, resina) principalmente para materiais porosos;
Para assegurar uma superfície com características originais a preparação da amostra deve ser levada com muitos cuidados, além disso um entendimento do que se deseja obter durante cada etapa da preparação é algo de fundamental importância.
localização do corpo de micrografia é em geral indiferente; se, porém, não for e revelar anomalias ou heterogeneidades, o observador poderá localizar corpos de prova em vários pontos, caso julgue de interesse um exame mais detalhado dessas regiões. Quando se trata de uma peça pequena é ela diretamente seccionadas. A posição de onde é tirado um corpo de prova a fim de ser usado para um estudo metalográfico, depende do fim a que se destina o ensaio. Para atingir esse fim, os corpos de prova devem ser representativos das condições existentes.. Deve ser organizado um fichário com o máximo de informações sobre ao ensaios realizados, incluindo ainda a localização das amostras, um número capaz de identificar a seção que foi tomada, se transversal,longitudinal ou em ângulo; a direção de laminação ou forjamento, análise química,tratamento térmico e qualquer outro dado necessário a um completo histórico. Preparação de Amostras A preparação de amostras para observação estrutural exige uma preparação cuidadosa e adequada. O tempo necessário para uma boa preparação depende da composição química, tratamento térmico submetido, fases presentes e do material. Pode-se dizer que em alguns casos a preparação da amostra requer algumas horas e em outros casos são necessários até dias.
Geralmente as amostras devem ter no máximo em torno de 1cm x 1cm para ser analisado. Assim na obtenção de uma amostra à partir de uma peça grande deve-se conhecer claramente o objetivo da análise, para que se possa escolher a seção (longitudinal ou transversal) local a ser retirado (centro, superfície). A norma ASTM E3-95 e ABNT poderão contribuir para a análise.
6.1.1 Corte da Amostra
A Figura 6.1 sintetiza um dos problemas mais sérios que podem acontecer na análise de um material. Nota-se que dependendo da seção escolhida para observação o aspecto é totalmente diferente. Na Figura 6.1 (a) mostra um corte na seção transversal de uma barra e está exemplificando como poderiam aparecer as inclusões, enquanto que na Figura 6.1(b)mostra como poderia aparecer as inclusões na seção longitudinal. Na Figura 6.1 (a) seria ideal um estudo da distribuição das inclusões, enquanto que na Figura 6.1 (b) seria mais adequado um estudo para o tipo de inclusões e tamanho.
Figura 6-1 Corte de uma barra para obtenção de amostras para observação no microscópio ótico.(a) seção transversal e (b) seção longitudinal.
Na Figura 6.2 ilustra o problema de homogeneidade da amostra a ser analisada. Como na maioria das análises, a superfície e o centro de uma barra apresentam uma estrutura
diferente. Na Figura 6.2(a) é exemplificado o caso de um aço onde é observado grãos equiaxiais com baixo teor de carbono devido a descarbonetação superficial enquanto que na região central da barra observa-se uma estrutura de grãos equiaxiais de ferrita com a presença de perlita nos contornos de grão.
Na Figura 6.2(b) é mostrada a estrutura de uma peça fundida mostrando a presença de grão colunares na superfície devido a uma extração de calor unidirecional pelas paredes do molde com uma alta taxa de resfriamento. A região central é constituída de grãos equiaxiais e uniformes mostrando que a extração de calor foi lenta. Para a amostra em estudo é recomendável o exame macrográfico para analisar a variação estrutural da amostra bem como a espessura da camada com grãos colunares.
Figura 6-2 Análise de homogeneidade da barra observando seção transversal da Figura 6.1.
Observando esquema da Figura 6.2(a) a variação estrutural para um aço com baixo conteúdo de carbono e no esquema da Figura 6.2(b) para uma peça fundida mostrando a variação na forma dos grão.
Durante a etapa de corte da seção escolhida, lixamento grosseiro e em menor escala durante o lixamento final e o polimento pode resultar numa zona do metal deformado sendo que a mesma é induzida nesta etapa se as devidas precauções não forem tomadas. A Figura 6.3 mostra uma zona de deformação permanente indicando que o limite elástico foi ultrapassado e a zona de deformação é bastante visível onde os grão apresenta um alinhamento bastante visível. Também é mostrado esquematicamente uma região totalmente fragmentada junto a superfície, uma região fortemente deformada e uma região levemente deformada. Observa-se que a amostra após o corte foi devidamente preparada envolvendo a etapa de lixamento, polimento e ataque químico e mesmo assim a deformação inicialmente introduzida não foi retirada.
Figura 6-3 Deformação superficial da amostra metálica durante a preparação (a) estrutura de aço após um corte inadequado, (b)esquema da mesma amostra mostrando os diferentes níveis de deformação.
A Figura 6.4 mostra esquematicamente o efeito do abrasivo e a superfície da amostra onde a interface da deformação não uniformemente distribuída, dependente da ação do abrasivo.
Figura 6-4 Efeito do abrasivo mostrando esquematicamente a extensão da camada deformada (a)após lixamento, (b) após polimento grosseiro, (c) após polimento final.
6.1.2 Embutimento da amostra
O embutimento da amostra é necessário para facilitar as etapas subseqüentes da preparação com o objetivo de obter uma superfície plana e paralela, além de proteger a superfície para evitar arredondamento, deve-se selecionar uma resina de maior dureza quando deseja-se observar a superfície da peça.
O embutimento da amostra pode ser feita em material polimérico, tendo duas possibilidades:
- Polímero termorrígido (baquelite, resina acrílica) exige pressão para compactação e aquecimento para cura (Máximo de 200oC);
- Polímero termoplástico (resina poliéster) transparente, não requer pressão e a temperatura de cura é bem menor que comparada com o baquelite.
A necessidade do embutimento de amostras metalográficas é de grande importância em micrografia, pois além de facilitar o manuseio de peças pequenas, evita que corpos de prova com arestas rasguem a lixa e o pano de polimento, bem como evita o abaulamento dos corpos de prova durante o polimento, o que influencia bastante na observação microscopia(facilita a observação dos bordos, que ficam planos). O embutimento pode ser:
- a frio – quando se usa resinas sintéticas de polimerização rápida;
- a quente – quando a amostra é embutida em materiais termoplásticos por meiode prensas.
6.1.3 Lixamento ou pré-polimento
A finalidade do lixamento é remover a deformação plástica produzida durante o corte da amostra e obter uma superfície plana e paralela. Nesta etapa utiliza-se lixas abrasivas com granulometrias decrescentes sendo que as mais usuais são: #240, #320, #400, #600 e #1200.
É recomendada a utilização de água para remoção do material extraído da superfície de lixamento e principalmente para manter a temperatura próxima da ambiente para não alteraras características estruturais da amostra. Esta última recomendação se aplica principalmente nos casos de lixamento mecânico.
A passagem para uma lixa de granulometria menor deve ser feita quando houver um desaparecimento total dos riscos da anterior. É imperativo que a mudança de uma lixa para outra a amostra e as mãos do operador sejam bem lavadas para evitar contaminação com material da lixa anterior. Para obter bons resultados deve-se girar a amostra em 90o para facilitar a observação dos riscos da lixa anterior.
O parâmetro fundamental nesta etapa é a pressão aplicada sobre a amostra pois a mesma controla a profundidade do risco e também a deformação sobre a superfície da amostra. Além da pressão externa aplicada contra a amostra há a pressão exercida pelo meio lubrificante devido a pressão superficial.
O lixamento é essencialmente o processo de preparação de uma superfície lisa e plana da amostra metalográfica para o subseqüente polimento. Para isto, começa-se por lixar a amostra em lixas de granulação cada vez menor, mudando de direção (90º) em cada mudança de lixa até desaparecerem os traços da lixa anterior.
6.1.4 Polimento
Esta etapa pose ser considerada uma das mais importantes no processo de preparação de amostras para observação no microscópio ótico.
Utiliza-se uma politriz cujo princípio é um prato giratório com um pano adequado qual é impregnado com uma suspensão de abrasivo. O abrasivo deve Ter um tamanho de partícula uniforme e o abrasivo de diamante é um dos que preenche este requisito, além de apresentar alta dureza, ser inerte e baixo coeficiente de atrito. Outra característica é que essas partícula mantém a sua forma e tamanho durante o processo de abrasão e produz uma alta taxa e uniforme de remoção do material causando uma mínima deformação.
Outros abrasivos comumente usados são: óxido de alumínio, óxido de cério, óxido de cromo. O óxido de alumínio é amplamente utilizado e são disponíveis em duas versões:
