CURSO FIC DESENHISTA MECÂNICO DISCIPLINA: MATERIAIS PARA CONSTRUÇÃO MECÂNICA PROF: LORENA BRAGA

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1 Ministério da Educação - MEC Secretaria de Educação Profissional e Tecnológica (SETEC) Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Ceará CURSO FIC DESENHISTA MECÂNICO DISCIPLINA: MATERIAIS PARA CONSTRUÇÃO MECÂNICA PROF: LORENA BRAGA

2 Ministério da Educação MEC Secretaria de Educação Profissional e Tecnológica (SETEC) Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Ceará MATERIAIS PARA CONSTRUÇÃO MECÂNICA PROF. LORENA BRAGA DESENHISTA MECÂNICO 1

3 CRÉDITOS Presidente Dilma Vana Rousseff Ministro da Educação Aloizio Mercadante Oliva Secretaria de Educação Profissional e Tecnológica Marco Antonio de Oliveira Reitor do IFCE Virgílio Augusto Sales Araripe Pró-Reitor de Extensão Zandra Maria Ribeiro Mendes Dumares Pró-Reitor de Ensino Reuber Saraiva de Santiago Pró-Reitor de Administração Tássio Francisco Lofti Matos Pró-Reitor de Pesquisa, Pós Graduação e Inovação Auzuir Ripardo de Alexandria Diretor Geral Campus Fortaleza Antonio Moises Filho de Oliveira Mota Diretor de Ensino Campus Fortaleza José Eduardo Souza Bastos Coordenador Geral - Reitoria Jose Wally Mendonça Menezes Coordenador Adjunto - Reitoria Armênia Chaves Fernandes Vieira Supervisão Reitoria André Monteiro de Castro Daniel Ferreira de Castro Coordenador Adjunto - Campus Fortaleza Fábio Alencar Mendonça Supervisores Daniel Gurgel Pinheiro Franscisca Margareth Gomes de Araújo Francisco Alexandre de Souza George Cajazeiras Silveira José Roberto Bezerra Nildo Dias dos Santos Orientadores Deborah Almeida Sampaio Antônio Indalécio Elaboração do conteúdo Lorena Braga Diagramação Francisco Emanuel Ferreira Mariano 2

4 O QUE É O PRONATEC? Criado no dia 26 de Outubro de 2011 com a sanção da Lei nº /2011 pela Presidenta Dilma Rousseff, o Programa Nacional de Acesso ao Ensino Técnico e Emprego (Pronatec) tem como objetivo principal expandir, interiorizar e democratizar a oferta de cursos de Educação Profissional e Tecnológica (EPT) para a população brasileira. Para tanto, prevê uma série de subprogramas, projetos e ações de assistência técnica e financeira que juntos oferecerão oito milhões de vagas a brasileiros de diferentes perfis nos próximos quatro anos. Os destaques do Pronatec são: Criação da Bolsa-Formação; Criação do FIES Técnico; Consolidação da Rede e-tec Brasil; Fomento às redes estaduais de EPT por intermédio do Brasil Profissionalizado; Expansão da Rede Federal de Educação Profissional Tecnológica (EPT). A principal novidade do Pronatec é a criação da Bolsa-Formação, que permitirá a oferta de vagas em cursos técnicos e de Formação Inicial e Continuada (FIC), também conhecidos como cursos de qualificação. Oferecidos gratuitamente a trabalhadores, estudantes e pessoas em vulnerabilidade social, esses cursos presenciais serão realizados pela Rede Federal de Educação Profissional, Científica e Tecnológica, por escolas estaduais de EPT e por unidades de serviços nacionais de aprendizagem como o SENAC e o SENAI. Objetivos Expandir, interiorizar e democratizar a oferta de cursos de Educação Profissional Técnica de nível médio e de cursos e programas de formação inicial e continuada de trabalhadores; Fomentar e apoiar a expansão da rede física de atendimento da Educação Profissional e Tecnológica; Contribuir para a melhoria da qualidade do Ensino Médio Público, por meio da Educação Profissional; Ampliar as oportunidades educacionais dos trabalhadores por meio do incremento da formação profissional. Ações Ampliação de vagas e expansão da Rede Federal de Educação Profissional e Tecnológica; Fomento à ampliação de vagas e à expansão das redes estaduais de Educação Profissional; Incentivo à ampliação de vagas e à expansão da rede física de atendimento dos Serviços Nacionais de Aprendizagem; Oferta de Bolsa-Formação, nas modalidades: Bolsa-Formação Estudante; Bolsa-Formação Trabalhador. Atendimento a beneficiários do Seguro-Desemprego; 3

5 SUMÁRIO Apresentação da disciplina... 5 Aula 1 Introdução ao estudo dos materiais... 6 Tópico 1 Definições da ciência e engenharia dos materiais... 7 Aula 2 Propriedades Mecânicas: Fundamentos e Ensaios mecânicos Tópico 1 Propriedades mecânicas, químicas e tecnológicas Tópico 2 Ensaios mecânicos Aula 3 Diagrama de fases Tópico 1 Sistema Ferro-carbono Aula 4 Tratamentos térmicos e tratamentos termoquímicos dos aços Tópico 1 Tratamentos térmicos dos aços Tópico 2 Tratamentos termoquímicos dos aços Aula 5 Materiais Ferrosos Tópico 1 Aços e Ferros Fundidos Aula 6 Materiais Não-Ferrosos Tópico 1 Ligas de Cobre e Alumínio Aula 7 Cerâmicas e Polímeros Tópico 1 Materiais cerâmicos Tópico 2 Polímeros Referências Bibliográficas Anexo 1 Tabela classificação de aços

6 APRESENTAÇÃO DA DISCIPLINA Nós desfrutamos diariamente de todos os benefícios gerados pela diversidade e aplicabilidade dos vários tipos de materiais. Desde os primórdios os seres humanos utilizam os materiais para satisfazer suas necessidades. O desenvolvimento e o avanço das sociedades têm estado intimamente ligados às habilidades dos seus membros em produzir e manipular diferentes tipos de materiais. E o que são Materiais? Materiais são substâncias com propriedades que as tornam úteis na construção de máquinas, estruturas, dispositivos e produtos. Em outras palavras, são componentes do universo que o homem utiliza para fazer e adequar coisas. Atualmente existe uma grande variedade de materiais. Sendo que os profissionais da área tecnológica, no nosso caso da área de mecânica, devem conhecer as propriedades, características e comportamento destes elementos que lhe são disponíveis para aplicação em componentes mecânicos. A disciplina de Materiais para construção mecânica tem como objetivo conhecer os princípios gerais que norteiam as propriedades dessas substâncias estruturais. Conhecimentos que devem fazer parte das bases tecnológicas de um profissional da àrea metal-mecânica. Nesse eixo temático serão abordados primeiramente os processos de obtenção das principais ligas metálicas ferrosas, aços e ferros fundidos, bem como suas propriedades, classificações e aplicações. A próxima etapa consistirá no estudo de ligas não ferrosas com suas propriedades e aplicaçõe. Finalizando com uma breve abordagem sobre alguns polímeros técnicos empregados na área metal-mecânica. Essa apostila é apenas um recurso didádico e pouco aprofundado do universo de conhecimento que envolve a ciência dos materiais. Dessa forma, para um estudo mais detalhado é impressindível a busca por literatura específica e especializada no assunto. No final da apostila são sugeridos alguns livros e sites na internet que podem ser utilizados para ampliar seus conhecimentos. 5

7 AULA 1 Introdução ao estudo dos Materiais Nessa primeira aula serão apresentadas algumas definições importantes para orientar o estudo em questão, abordando relações e fundamentos básicos para o entendimento geral de conceitos posteriores. Ao final dessa aula você deverá ser capaz de diferenciar o estudo da ciência dos materiais, da engenharia dos materiais e dos materiais para construção mecânica. Listar algumas propriedas dos materiais que determinam a sua aplicabilidade. Classificar os principais materiais sólidos, citando suas distintas características químicas. Identificar a diferença entre composição e estrutura. E a relação entre processamento e desempenho de um determinado material. Objetivos Apresentar a relação entre Ciência dos Materiais e Engenharia de Materiais Apresentar os critérios para a seleção de um material Apresentar a classificação dos materiais. 6

8 TÓPICO 1 Definições da Ciência e Engenharia dos Materiais Objetivos do tópico: Definir ciência e engenharia de materiais e seus objetivos Apresentar a relação entre composição, estrutura, processamento e propriedades/ desempenho de um material. Classificar as principais propriedades dos materiais A ciência dos materiais envolve a investigação das relações que existem entre as estruturas e as propriedades dos materiais. A engenharia de materiais consiste, com base nestas correlações estrutura-propriedade, no projeto, desenvolvimento e aperfeiçoamento de técnicas de processamento dos materiais. A ciência e engenharia de materiais são campos intimamente interligados e interdisciplinares. Os Materiais para construção mecânica são aqueles cujas propriedades, características e comportamento são disponíveis para aplicação em componentes mecânicos. O estudo dos materiais tem como objetivos: o desenvolvimento de materiais já conhecidos visando novas aplicações ou visando melhorias no desempenho, o desenvolvimento de novos materiais para aplicações conhecidas ou o desemvolvimento de novos materiais para novas aplicações. A estrutura de um material está geralmente relacionada ao arranjo de seus componentes internos, que depende da composição ou natureza química dos materiais. A estrutura pode ser analisada em diferentes escalas: Estrutura em escala atômica (menor ou igual a nm = 10-9 m)) Nanoestrutura (da ordem de nm) Microestrutura (alguns mm = 10-6 m até mm) Macroestrutura (normalmente igual ou maior que mm) As propriedades de um material determinam o tipo e a intensidade da resposta a um estímulo imposto ao material. As principais propriedades dos materiais podem ser agrupadas em: Mecânicas: deformação com a carga ou força aplicada (Ex.: módulo de elasticidade e resistência) Elétricas: resposta à aplicação de um campo elétrico (Ex.: condutividade elétrica e constante dielétrica) Térmicas: comportamento à temperaturas altas ou baixas (Ex.:condutividade térmica e capacidade calorífica) Magnéticas: resposta à aplicação de um campo magnético (Ex.: permeabilidade e densidade do fluxo magnético) Ópticas: resposta à radiação eletromagnética ou luminosa (Ex.: índice de refração) Deteriorativas (ou de degradação): reatividade química dos materiais (Ex.: corrosão, oxidação, desgaste) 7

9 Na figura 1 é possível observar as diferentes escalas das estruturas do alumínio fundido utilizado na fabricação de um motor. Figura 1: Estruturas em diferentes escalas Além da estrutura e das propriedades, dois outros componentes importantes estão envolvidos na ciência e na engenharia de materiais, quais sejam, o processamento e o desempenho. Figura 2: Os quatro componentes do estudo dos materiais e sua interrelação 8

10 Com respeito às relações entre esses quatro componentes; estrutura, propriedades, processamento e desempenho, a estrutura de um material irá depender da maneira como ele será processado. Além disso, o desempenho de um material será uma função das suas propriedades. Assim a inter-relação entre processamento, estrutura, propriedades e desempenho pode ser na ilustrada através da figura VOCÊ SABIA? Que um material com a mesma composição química pode dá origem a materiais distintos dependendo da diferença na estrutura e nas técnicas de processamento aplicadas, afetando assim algumas propriedades Muitas vezes um problema de materiais consiste na seleção do material correto dentre muitos milhares de materiais disponíveis. Existem vários critérios nos quais a decisão final está normalmente baseada: As condições de operação a que será submetido o referido material, as propriedades requeridas para tal aplicação, o tipo de degradação que o material sofrerá em serviço e finalmente, a consideração talvés mais convincente é a econômica. Um material pode reunir um conjunto ideal de propriedades, porém com custo elevadíssimo. Por isso, quanto mais familiarizado estiverem técnicos, engenheiros e cientistas com as várias características e relações estrutura-propriedade, assim como as técnicas de processamento dos materiais, mais capacitado e confiante ele estara para fazer escolhas ponderadas de materiais com base nesses critérios. Classificação dos Materiais Os materiais sólidos foram agrupados convenientemente de acordo com três classificações básicas: metais, cerâmicas e polímeros. Esse esquema está baseado principalmente na composição química e na estrutura atômica, e a maioria dos materiais se enquadra dentro de um ou de outro grupo distinto, embora existam alguns materiais intermediarios. Alem disso, existem tres outros grupos de materiais de engenharia importantes, os compósitos, os semicondutores e os biomateriais. Vejamos uma explicação sucinta dos diferentes tipos de materiais e as características que os representam. Metais: Os materiais metálicos consistem normalmente em combinações de elementos metálicos. Eles possuem um grande número de elétrons não localizados, isto é, esses elétrons não estão ligados a qualquer átomo em particular. Muitas das propriedades dos metais são atribuídas diretamente a esses elétrons. Os metais são condutores extremamente bons de eletricidade e calor, e não são transparentes a luz visível; uma superfície metálica polida possui uma aparência brilhosa. Além disso, os metais são muito resistentes, ao mesmo tempo em que são deformáveis, o que é responsável pelo seu amplo uso em aplicações estruturais. 9

11 Cerâmicos: As cerâmicas são compostos formados entre elementos metálicos e elementos não metálicos; na maioria das vezes elas são compostas por óxidos, nitretos e carbetos. A grande variedade de materiais que se enquadra nessa classificação inclui as cerâmicas compostas por minerais argilosos, o cimento e o vidro. Tipicamente, esses materiais são isolantes a passagem de eletricidade e calor, e são mais resistentes a altas temperaturas e ambientes severos do que os metais e os polímeros. Em relação ao seu comportamento mecânico, as cerâmicas são duras, porém são muito frágeis e quebradicas. Polímeros: Os polimeros incluem os materiais comuns de plástico e borracha que conhecemos. Muitos deles são compostos orgânicos que tem sua quimica baseada no carbono, no hidrogênio e em outros elementos não-metálicos. Além disso, eles possuem estruturas moleculares muito grandes. Tipicamente, esses materiais possuem baixas densidades e podem ser extremamente flexíveis. Compósitos: Os materiais compósitos consistem em combinações de dois ou mais materiais diferentes. A fibra de vidro é um exemplo familiar, onde fibras de vidro são incorporadas no interior de um material polimérico. Um compósito é projetado para exibir uma combinação das melhores características de cada um dos materiais componentes. Assim, a fibra de vidro adquire a resistência do vidro e a flexibilidade do polímero. Muitos dos desenvolvimentos recentes na área de materiais têm envolvido materiais compósitos. Semicondutores: Os semicondutores são utilizados em função das suas características elétricas peculiares, possuem propriedades elétricas intermediárias entre aquelas exibidas pelos condutores elétricos e os isolantes. Além disso, as características elétricas desses materiais são extremamente sensíveis à presença de minúsculas concentrações de átomos de impurezas cujas concentrações podem ser controladas dentro de regiões do espaço muito pequenas. Os semicondutores tornaram possível o advento dos circuitos integrados, que revolucionaram totalmente as indústrias de produtos eletrônicos e computadores (para não mencionar a nossa vida) ao longo das duas últimas décadas. Biomateriais: Os biomateriais são empregados nos componentes implantados no interior do corpo humano para substituição de partes do corpo doentes ou danificadas. Esses materiais não devem produzir substâncias tóxicas e devem ser compatíveis com os tecidos do corpo (não devem causar reações biológicas adversas). Todos os materiais citados: metais, cerâmicas, polímeros, compósitos e semicondutores, podem ser usados como biomateriais. Além dessa classificação tradicional podemos destacar ainda os materiais avançados, os materiais inteligentes e a nanotecnologia. Materiais avançados: Os materiais utilizados em aplicações de alta tecnologia são algumas vezes chamados de materiais avançados. Por alta tecnologia subentendemos um dispositivo ou produto que opera ou que funciona utilizando princípios relativamente intricados e sofisticados; os exemplos incluem os equipamentos 10

12 eletrônicos, computadores, sistema de fibra ótica, espaçonaves, aeronaves e foguetes militares. Esses materiais avançados consistem tipicamente em materiais tradicionais cujas propriedades foram aprimoradas ou em materiais de alto desempenho desenvolvidos recentemente. Além disso, eles podem ser de todos os tipos de materiais, e são em geral relativamente caros. Materiais Inteligentes: Os materiais inteligentes consistem em um grupo de materiais novos e de ultima geração que estão atualmente sendo desenvolvidos e que terão influencia significativa sobre muitas das nossas tecnologias. O adjetivo inteligente implica que esses materiais são capazes de sentir mudanças nos seus ambientes e então responder a essas mudanças de uma maneira predeterminada, como também ocorre com os organismos vivos. Nanotecnologia: é uma ciência relacionada à manipulação da matéria ao nível molecular, visando à criação de novos materiais, substâncias e produtos, com uma precisão de átomo a átomo. A Nanotecnologia está emergindo como a próxima revolução tecnológica, com eventuais efeitos sobre todos os aspectos da vida. Essa habilidade em se arranjar cuidadosamente os átomos proporciona oportunidades para o desenvolvimento de propriedades mecânicas, elétricas, magnéticas e de outras naturezas que não seriam possíveis de qualquer outra maneira. A isso chamamos de abordagem de baixo para cima ; o estudo das propriedades desses materiais é conhecido por nanotecnologia, onde o prefixo nano indica que as dimensões dessas entidades estruturais são da ordem do nanometro (10-9 m) SAIBA MAIS! - Em 2020, com a nanotecnologia, a indústria vai fabricar materiais 100 vezes mais resistentes que o aço, carros que não arranham, espelhos antiofuscantes, aviões mais leves, roupas que regulam a temperatura do corpo, jornais eletrônicos de plástico semelhante ao papel, tintas que mudam de cor, aquecedores solares baratos, bolas de basquete que não perdem a elasticidade. O casco dos navios será repelente à água com menos atrito, eles gastarão menos combustível. Todos os materiais que você descarta, inclusive os não-recicláveis, poderão virar outros objetos. O futuro respeitará, como nunca, a máxima de Lavoisier: Tudo se transforma Exercícios 1) Como podem ser alteradas as propriedades dos materiais? 2) A que se refere a estrutura dos materiais? 3) Como podem ser agrupadas as propriedades dos materiais sólidos? 4) Para cada uma das propriedades dos materiais metálicos, relacione um estímulo e sua resposta. 5) De acordo com suas classificações básicas, como foram classificados os materiais sólidos? Relacione as características de cada um desses materiais. 11

13 AULA 2 Propriedades Mecânicas: Fundamentos e Ensaios mecânicos As propriedades mecânicas dos materiais dependem da composição química e da microestrutura. A composição, a natureza das ligações, a estrutura cristalina e os defeitos de um material têm grande influência na resistência mecânica e na ductilidade dos materiais metálicos. As propriedades mecânicas são fundamentais em muitas tecnologias emergentes e tradicionais. Na produção de aviões, por exemplo, as ligas de alumínio usadas em componentes aeronáuticos devem ser leves, resistentes e capazes de suportar a cargas cíclicas durante longos períodos de tempo. Os aços da construção de estruturas, como pontes e edifícios, devem ter resistência adequada para não comprometer a segurança das edificações. O objetivo dessa aula é apresentar os conceitos básicos associados às propriedades mecânicas dos materiais metálicos. Vamos analisar também alguns procedimentos básicos de testes que são utilizados para avaliar várias propriedades. Objetivos Apresentar a classificação e definição dos vários tipos de propriedades mecânicas dos materiais Apresentar algumas propriedades químicas e tecnológicas Apresentar alguns ensaios utilizados para determinação das propriedades 12

14 TÓPICO 1 Propriedades mecânicas, químicas e tecnológicas Objetivos do tópico: Definição dos fundamentos das propriedades dos matérias metálicos Definição de propriedades químicas e tecnológicas As propriedades mecânicas constituem uma das características mais importantes das ligas metálicas ferrosas em suas várias aplicações, visto que o projeto e execução de componentes mecânicos estruturais são baseados nestas propriedades. As propriedades mecânicas definem o comportamento do material quando sujeito a esforços de natureza mecânica e correspondem às propriedades que, num determinado material, indicam a sua capacidade de transmitir e resistir aos esforços que lhe são aplicados, sem romper ou sem que produzam deformações incontroláveis. A determinação das propriedades mecânicas dos materiais, pode ser obtida através de ensaios mecânicos, que será abordado num próximo tópico. A propriedade mecânica que geralmente está associada com componentes mecânicos estruturais e a resistência mecânica. Outras propriedades mecânicas são elasticidade, ductilidade, dureza, tenacidade, resiliência e outras. A caracterização dessas propriedades pode ser vista a seguir: a) Resistência mecânica pode-se conceituar resistência mecânica como sendo, a capacidade dos materiais de resistir a esforços de natureza mecânica, como tração, compressão, cisalhameto, torção, flexão e outros sem romper e/ou deformar-se. Porém, o termo resistência mecânica, abrange na prática um conjunto de propriedades que o material deve apresentar, dependendo da aplicação ao qual se destina. É muito comum para efeito de projeto relacionar diretamente resistência mecânica com resistência à tração. b) Elasticidade é a capacidade que o material apresenta de deformar-se elasticamente. A deformação elástica de um material acontece quando o material é submetido a um esforço mecânico e o mesmo tem suas dimensões alteradas, e quando o esforço é cessado o material volta as suas dimensões iniciais. c) Ductilidade e/ou Plasticidade é a capacidade que o material apresenta de deformar-se plasticamente ou permanentemente antes de sua ruptura. A deformação plástica de um material ocorre quando o material é submetido a um esforço mecânico e o mesmo tem suas dimensões alteradas, e quando o esforço é cessado o material permanece com as dimensões finais. d) Dureza essa propriedade embora tenha mais de uma caracterização, tecnicamente a definição mais utilizada é: Dureza é uma medida da resistência do material a deformações plásticas localizadas. Associada a essa propriedade, temos a resistência ao desgaste e a resistência à abrasão. e) Resiliência é a capacidade do material absorver e devolver energia sem deformação permanente. Essa propriedade tem validade no campo elástico. 13

15 f) Tenacidade é a capacidade do material de absorver energia antes de sua ruptura. Outra definição para esse termo é a capacidade que o material apresenta de resistir a esforços de impacto. Propriedade Química Uma propriedade importante, que servirá de critério para escolha do material que deverá ser empregado na construção de máquinas e/ou equipamentos, é a resistência à corrosão, e pode ser definida como: A resistência que o material apresenta a deterioração, por ação química ou eletroquímica do meio ambiente. Propriedades Tecnológicas No processamento de componentes mecânicos, certas propriedades tecnológicas devem ser consideradas, para que o material a ser processado tenha um comportamento que não comprometa seu desempenho tanto durante o processamento, como em sua utilização. Essas propriedades derivam-se das propriedades físicas, químicas e físicoquímicas dos materiais, mas que devido a sua importância são tratadas como uma nova classe de propriedades, que são: a) Usinabilidade de um material pode ser definida como uma grandeza tecnológica, que expressa por meio de um valor numérico comparativo (índice ou percentagem) um conjunto de propriedades de usinagem do material, em relação a um outro tomado como padrão. b) Conformabilidade é a capacidade do material de ser deformado plasticamente, através de processos de confomação mecânica. Essa propriedade está associada a ductilidade ou plasticidade do material. c) Temperabilidade ou endurecibilidade de aços está diretamente relacionada com a capacidade que os mesmos tem de endurecer da superfície em direção ao núcleo, considerando-se a quantidade de martensita formada durante o resfriamento. d) Soldabilidade é a capacidade que os materiais tem de ser unidos pelo processo de soldagem, tendo por objetivo a continuidade das propriedades físicas (mecânicas) e químicas dos mesmos. e) Sinterabilidade é a capacidade dos materiais na forma de pó, apresentarem difusão no estado sólido, ativada por energia térmica, obtendo-se como produto final, coesão do material na forma desejada. Exercícios 1) Qual a diferença entre deformação elástica e deformação plástica? 2) Pesquise: módulo de elasticidade e limite de resistência à tração. 3) Explique as propriedades de resiliência e tenacidade de um material 4) Qual a importância do estudo das propriedades dos materiais? 14

16 TÓPICO 2 Ensaios Mecânicos Objetivos do tópico: Apresentar a importância da normalização dos ensaios Apresentar os fundamentos sobre ensaio de tração, dureza e impacto. Os materiais para construção mecânica são submetidos a ensaios, para avaliar suas características, propriedades e comportamento a determinadas condições previamente estabelecidas. O conhecimento dessas informações são fundamentais para aplicação adequada dos materiais. Os ensaios geralmente são normalizados, para que se estabeleça uma linguagem comum entre usuários e fornecedores de materiais A normalização tem por objetivo fixar os conceitos e procedimentos gerais que se aplicam aos diferentes métodos de ensaios. Suas principais vantagens são: a) tornar a qualidade do produto mais uniforme; b) reduzir os tipos similares de materiais; c) orientar o projetista na escolha do material adequado; d) permitir a comparação de resultados obtidos em diferentes laboratórios; e) reduzir desentedimentos entre produtor e consumidor. Serão apresentados os principais ensaios mecânicos utilizados na determinação das propriedades mecânicas dos materiais: ensaio de tração, ensaios de dureza e ensaio de impacto. As duas principais finalidades dos ensaios são: Permitir a obtenção de informações rotineiras do produto ensaios de controle: no recebimento de materiais de fornecedores e no controle final do produto acabado; e Desenvolver novas informações sobre os materiais no desenvolvimento de novos materiais, de novos processos de fabricação e de novos tratamentos. Os ensaios podem ser classificados de acordo com a integridade do componente testado. Desse modo quando o componente é destruído ou danificado durante o ensaio este é denominado destrutivo. Quando o componente em teste não sofre nenhum dano durante o ensaio denomina-se uma técnica não-destrutiva. Ensaio de Tração O ensaio de tração consiste na aplicação de carga de tração uniaxial crescente em um corpo-de-prova específico até a ruptura. Mede-se a variação no comprimento (l) como função da carga (P). Trata-se de ensaio amplamente utilizado na indústria de componentes mecânicos, devido a vantagem de fornecer dados quantitativos das propriedades mecânicas dos materiais. Entre as principais destacam-se: Limite de Resistência à tração (L.R.), Limite de Escoamento (L.E.), módulo de elasticidade (módulo de Young), ductilidade, tenacidade e outros. Os resultados fornecidos pelo ensaio de tração são fortemente influenciados pela temperatura, pela velocidade de deformação, 15

17 pela anisotropia do material, pelo tamanho de grão, pela porcentagem de impurezas, bem como pelas condições ambientais, além da importância da uniformidade e grau de rugosidade do corpo de prova a ser ensaiado SAIBA MAIS! Anisotropia é a capacidade de um material exibir diferentes valores de uma propriedade em diferentes direções cristalográficas Para o ensaio de tração utilizam-se corpos de prova preparados segundo as normas técnicas, por exemplo, para materiais metálicos a norma da ABNT é a NBR As dimensões dos corpos de prova devem estar de acordo com a capacidade da máquina de ensaio. Normalmente são utilizados corpos de prova de seção circular ou de seção retangular (figura 3), porém se pode ensaiar também tubos, arames, fios e outros. Figura 3: Tipos mais usados de corpos de prova para ensaio de tração O equipamento de ensaio registrara um gráfico de tensão x deformação (figura 13) e a partir dele poderemos obter os dados quantitativos das características mecânicas dos materiais. Cada material apresenta uma curva de tensão x deformação Aplicando-se forças crescentes e de sentidos opostos nas extremidades de um corpo de prova (figura 4) pode-se observar, através de instrumentos, a variação do comprimento do corpo de prova (ΔL) em função da força aplicada (F). Devemos lembrar o conceito de tensão e deformação, que pode ser definido como: Tensão (σ) é o quociente da força (F) (carga) aplicada pela área inicial (A) da seção transversal do corpo de prova (σ = F/A). A tensão geralmente é expressa em MPa ou N/mm 2. Deformação (ε) é a variação de comprimento (ΔL), por unidade de comprimento (L), entre dois pontos situados sobre superfície da parte útil do corpo de prova (ε = ΔL. A) deformação é geralmente expressa em porcentagem (%). 16

18 Figura 4: comportamento típico da curva tensão-deformação com detalhes do corpo de prova deformado ao longo da curva. A seguir teremos a descrição dos dados quantitativos das características mecânicas e/ou das propriedades mecânicas que podem ser obtidos com o ensaio de tração. a) Módulo de elasticidade (ou módulo de Young) analisando-se o diagrama tensão x deformação, na região elástica, nota-se que os materiais principalmente os metais e suas ligas obedecem a lei de Hooke. Essa lei baseia-se na proporcionalidade entre tensão e deformação obtida, pode ser descrita da seguinte forma: Onde: σ = tensão (MPa) ; ε = deformação ; E = módulo de elasticidade. O módulo de elasticidade esta relacionado com a rigidez do material, quanto maior o módulo de elasticidade maior a rigidez, materiais que apresentam elevado módulo de elasticidade não fletem facilmente. O módulo de elasticidade está relacionado com a força de ligação entre os átomos do material. b) Limite de escoamento (tensão de escoamento) pode ser caracterizado também por ser o limite de elasticidade ou limite de proporcionalidade. Representa o início da plasticidade do material. Como, em alguns casos, é difícil determinar-se a tensão máxima para a qual não há deformação residual plástica, define-se o limite de escoamento para uma deformação permanente de 0,2%. c) Limite de resistência à tração (LRT) - É a tensão máxima que o corpo de prova resiste. A partir desta tensão, as tensões caem, devido à estricção do corpo de prova. d) Tensão de ruptura - É a tensão na qual ocorre ruptura do corpo de prova. e) Estricção - É a diminuição da área da secção transversal do corpo de prova. Ensaio de Dureza Inicialmente os testes de dureza nos minerais foram realizados através de riscos de um mineral sobre o outro e foi desenvolvida uma escala denominada de Mohs que é uma determinação qualitativa de avaliação da dureza. 17

19 Técnicas de quantificar a dureza de um material vêm sendo desenvolvidas a muitos anos, e baseiam-se em pequenas indentações (deformações), produzidas por um penetrador que é forçado contra a superfície do material a ser testado, sob condições controladas de carga e velocidade de aplicação da mesma. O material mole tem uma indentação maior (deformação maior), e por isso tem baixo índice de dureza. Em seguida serão apresentados brevemente três ensaios de dureza: dureza Brinell, dureza Vickers e dureza Rockwell. a) Dureza Brinell (HB) - O ensaio consiste em comprimir lentamente uma esfera de aço, de diâmetro D, sobre uma superfície plana por meio da aplicação de uma carga P. A compressão da esfera na superfície do material causa uma impressão permanente. Esta impressão tem a geometria de uma calota esférica, de diâmetro d. b) Dureza Vickers (HV) - Neste caso, o penetrador é uma pirâmide de diamante de base quadrada e com ângulo de 136 entre as faces opostas. A impressão, quando vista ao microscópio óptico, tem a geometria de um losango retangular de diagonal l. c) Dureza Rockwell (HR) - Este ensaio utiliza a profundidade de penetração, sob ação de uma carga constante, como medida de dureza. O ensaio é muito rápido, pois o resultado é lido automaticamente. Os penetradores são do tipo esférico (esfera de aço temperado) ou cônico (diamante com 120 de conicidade). Existem vários tipos de dureza Rockwell. Os mais utilizados são: Rockwell B (penetrador esférico, φ = 1,59 mm, carga 100 kg) e Rockwell C (penetrador de diamante, carga 150 kg). Ensaio de impacto O tipo mais comum de ensaio de impacto é o ensaio Charpy. Neste ensaio, o corpo de prova é biapoiado horizontalmente e recebe o impacto de um pêndulo de peso especificado. O corpo de prova sofre uma flexão sob impacto e fratura com uma alta taxa de deformação. Os resultados do ensaio de impacto são geralmente apresentados como a energia absorvida no processo de fratura do corpo de prova. A energia absorvida no processo de fratura varia muito com a temperatura de ensaio. Por esta razão são realizados ensaios em várias temperaturas. Exercícios 1) Saiba mais, pesquise sobre os tipos de ensaios citados durante essa aula, quais os equipamentos empregados para realização dos ensaios, quais as normas utilizadas para materiais metálicos ferrosos, quais as propriedades podem ser determinadas com cada ensaio? 2) Pesquise também sobre os tipos de ensaios não-destrutivos. 18

20 AULA 3 Diagrama de fases O desenvolvimento da microestrutura em uma liga está relacionado às características do seu diagrama de fases (ou equilíbrio), que fornece informações valiosas sobre os fenômenos da fusão, fundição, cristalização e outros. Esta aula apresenta e discute a interpretação do sistema ferro-carbono e o desenvolvimento de microestruturas em equilíbrio quando submetidas a resfriamento, para diversas situações. Ao final dessa aula você deverá ser capaz de determinar, para o sistema ferrocarbono, uma liga hipoeutetóide ou hipereutetóide. Identificar a temperatura e a composição de um eutético e eutetóide. E ainda identificar a fase proeutetóide. Objetivos Apresentar o desenvolvimento de microestruturas no resfriamento de ligas Apresentar um sistema eutético e reações eutetóide Apresentar o sistema Ferro-Carbono. 19

21 TÓPICO 1 Sistema Ferro-Carbono (Fe-C) Objetivos do tópico: Definição as fases presentes no sistema Fe-C Apresentar desenvolvimento da microestrutura com resfriamento Apresentar definições de eutético, eutetóide, hipoeutetóide, hipereutetóide. De todos os sistemas de ligas binárias, a que possivelmente seja a mais importante e o sistema ferro e carbono. Tanto os aços quanto os ferros-fundidos, principais materiais estruturais em todas as culturas tecnologicamente avançadas, são essencialmente ligas ferro-carbono. Figura 5: Diaraga de fases para o sistema Ferro-Carbono A figura 5 mostra o diagrama binário Fe-C para teores de carbono até 6,7%. Nessa concentração, se forma o composto intermediário carbeto de ferro, ou cementita (Fe 3 C). O sistema Fe-C pode ser dividido em duas partes: uma porção rica em ferro (figura 19) de maior interece comercial inclui todos os aços e ferros fundidos; e a outra (não mostrada) com teor entre 6,7 e 100%C (grafita pura). O ferro puro, no aquecimento, experimenta duas mudanças em sua estrutura cristalina antes de se fundir. À temperatura ambiente em sua forma estável, chamada 20

22 ferrita ou ferro α, possui uma estrutura cristalina CCC. A ferrita experimenta uma transformação, após aquecimento, mudando de fase, de ferrita (α) para austenita (γ) CFC, ou ferro γ, a 912 C. Esta austenita persiste até 1394 C, temperatura na qual a austenita CFC se reverte de volta para a fase CCC conhecida como ferrita (δ), que finalmente se funde a 1538 C. Todas estas mudanças são visíveis ao longo do eixo vertical esquerdo do diagrama de fases. O carbono é uma impureza intersticial no ferro e forma uma solução sólida com a ferrita α, ferrita δ e também com a austenita. Na ferrita α, com estrutura CCC, a solubilidade máxima do carbono é de 0,022% a 727 C. Embora o carbono esteja presente em concentrações relativamente baixas, ele influencia de maneira significativa as propriedades mecânicas da ferrita. Essa fase é relativamente macia, pode tornar-se magnégica a temperaturas abaixo de 768 C. A autenita, ou fase γ, é estável à temperaturas superiores a 727 C. A solubilidade máxima do carbono na austenita é 2,14% e ocorre a 1147 C. A austenita é nãomagnética. A ferrita δ é virtualmente a mesma ferrita α, exceto pela faixa de temperatura de estabilidade. A ferrita δ é estável somente a temperaturas elevadas e não tem importância tecnológica, portanto, não será discutida. A cementita (Fe 3 C) se forma quando o limite de solubilidade para o carbono na ferrita α é excedido a temperaturas abaixo de 727 C (região fase α + Fe 3 C). O Fe3C também coexistirá com a austenita entre as temperaturas de 727 C e 1147 C. A cemenita é muito dura e frágil; a resistência de alguns aços é aumentada substancialmente pela sua presença. É uma fase metaestável. É magnética à temperatura de 210 C e tem estrutura cristalina ortorrômbica. Na figura 19 observando as regiões binárias existe um eutético localizado a 4,3%C e a 1147 C. Uma reação eutética significa facilmente fundido e nesse caso, o líquido se solidifica para formar as fases austenita e cementita. Pode-se também notar a existência de outra transformação de fase, onde uma fase sólida se transforma em duas fases outras fases sólidas, reação titulada de reação eutetóide para o sistema ferro-carbono numa composição de 0,76%C, em peso, e numa temperatura de 727 C. Esta reação eutetóide pode ser representada por: 21

23 Considere uma liga de composição eutetóide (0,76%C, em peso) resfriada a partir de uma temperatura situada na região da fase γ a 800 C, na figura 6, movendo-se para baixo ao longo da linha vertical xx'. Figura 6: representação esquemática da microestrutura acima e abaixo do eutetóide Ao se cruzar atemperatura de 727 C no ponto b, a austenita se transforma de acordo com a reação eutetoide mostrada anteriormente. A microestrutura pode ser distinguida pelas suas camadas alternadas de lamelas das duas fases (α e Fe3C) que se formam simultaneamente durante a transformação. Esta microestrutura é chamada de Perlita. Mecanicamente, perlita tem propriedades intermediárias entre a ferrita dúctil e macia e a cementita dura e frágil. Ligas do tipo hipoeutetóide possuem composição menor do que o eutetóide. Na figura 7-a, condiderando uma composição C o à esqueda do eutetóide, entre 0,022 e 0,076%C, a uma temperatura de aproximadamente 875 C, ponto c (fase completamente austenítica). A microestrutura final, no ponto f, é composta por perlita mais ferrita proeutetóide (formada antes do eutetóide). Ligas do tipo hipereutetóides possuem composição maior do que o eutetóide, entre 0,76 e 2,14%C, resfriadas a partir de temperaturas dentro do campo da fase γ. Considere uma liga com composição C 1, na figura 7-b, sendo resfriada. A microestrutura final, ponto i, será formada por perlita e cementita proeutetóide como microconstituintes. 22

24 a) b) Figura 7: Representação esquemática de microestrutura para composição a) hipoeutetóide; b) hipereutetóide. Ligas ferrosas são aquelas em que o ferro é o principal componente, mas o carbono ou outros elementos de liga podem está presentes. No esquema de classificação de ligas ferrosas baseado no teor de carbono, existem três tipos: ferro, aço e ferro fundido. Ferro comercialmente puro contêm menos do que 0,008%C, em peso, composto quase que exclusivamente de fase ferrita a temperatura ambiente. As ligas ferro-carbono que contêm entre 0,008 e 2,11%p C, são classificadas como aços. Embora um aço possa conter até 2,11%C, em peso, na prática, raramente as concentrações de carbono excedem 1,0%p C. Ferros fundidos são classificados como ligas ferrosas com teor de carbono entre 2,11 e 6,70%p C. Entretanto, ferros fundidos comerciais normalmente possuem menos do que 4,5%C, em peso. Exercícios 1) Qual a distinção entre reação eutética e eutetóide, quais as microestruturas formadas durante o resfriamento do sistema Fe-C? 2) O que é um aço hipoeutetóide e hipereutetóide. 3) Quais as principais características das fases: ferrita, austenita, cementita e perlita? 23

25 AULA 4 Tratamentos térmicos e tratamentos termoquímicos dos aços Tratamento térmico é o conjunto de operações de aquecimento e resfriamento a que são submetidas as ligas metálicas, sob condições controladas de temperatura, tempo, atmosfera e velocidade de resfriamento, com o objetivo de alterar as suas propriedades ou conferir-ihes características determinadas. Além dos tratamentos térmicos também serão discutidos nessa aula os Tratamentos termoquímicos, que são processos que visam a adição por difusão, de carbono, nitrogênio ou boro na superficie na superfície do aço. Abordaremos os principais tipos de tratamentos témicos e termoquímicos aplicados às ligas ferrosas. Objetivos Apresentar alguns processos de tratamentos térmicos Apresentar alguns processos de tratamentos termoquímicos 24

26 TÓPICO 1 Tratamentos térmicos de aços Objetivos do tópico: Definição do objetivo dos tratamentos térmicos Apresentar principais tipos de tratamentos térmicos Aços e ligas especiais são submetidos a diversos tratamentos térmicos, com vistas à otimização de suas propriedades. Os tratamentos térmicos dos aços especiais englobam uma das mais amplas faixas de temperatura dentre os processos industriais, variando desde tratamentos com temperaturas abaixo de 0 C até austenitização de aços rápidos, a 1280 C. Além disse, diversas taxas de resfriamento são empregadas, visando permitir a obtenção da exata estrutura desejada. É claro que para realização destes tratamentos são necessários fornos e outros aparatos auxiliares. Os principais tratamentos térmicos abordados nesta aula são: Recozimento Normatização Têmpera Revenimento Os três primeiros envolvem transformações de fase a partir da austenita. Obviamente, as diversas estruturas possíveis de se obter na transformação de austenita estão associadas a diferentes propriedades, desde o máximo de ductilidade e mínimo de dureza, característico das estruturas ferríticas, até elevados valores de dureza e menor ductilidade associados à martensita. RECOZIMENTO O recozimento visa reduzir a dureza do aco, aumentar a usinabilidade, facilitar o tratamento a frio. Estudaremos dois tipos de recozimento: Recozimento pleno Recozimento subcritico/alívio de tensões Recozimento Pleno Consiste em austenitizar o aço aquecendo-o a temperaturas acima da sua temperatura de austenitização e resfrindo-o lentamente a seguir. Deve-se preferir temperaturas de austenitização mais altas quando se deseja estrutura perlitica. Nos casos em que o tempo de transformação for excessivo nesta temperatura, pode-se transformar parcialmente em alta temperatura, seguido-se o restante da transformação em temperatura mais baixa. Existem portando, duas possibilidades de 25

27 transformação da austenita: a) Transformação Isotérmica; b) Resfriamento contínuo, normalmente no interior do forno. Recozimento Subcrítico / Alívio de Tensões No recozimento subcrítico o aquecimento se dá a uma temperatura abaixo da temperatura de austenitização. O recozimento subcrítico é usado para recuperar a ductilidade do aço trabalhado a frio (encruados). Quando se executam operações de deformação a frio, a dureza aumenta e ductilidade diminui, podendo ocorrer ruptura. Normalmente o aquecimento do aço carbono é na faixa de 600 a 680 C, seguindo de resfriamento ao ar. Tratamentos de alívio de tensões também são aplicados quando se deseja reduzir tensões residuais em estruturas ou componentes após soldagem, fabricação etc. NORMALIZAÇÃO A normalização consiste na austenitização completa do aço, seguida de resfriamento ao ar. É indicada normalmente para homogeneização da estrutura após forjamento e antes da têmpera ou revenimento. Comparando-se a estrutura normalizada com a recozida para um aço hipoeutetóide tem-se, na normalizada em termos de propriedades mecânicas, a dureza e a resistência mecânica mais elevadas, ductilidade mais baixa e resistência ao impacto semelhante. Para aços hipereutetóides, distribuição uniforme dos carbonetos existentes, devido a dissolução mais completa dos carbonetos na austenitização para a normalização do que para o recozimento. A normalização pode ser usada para melhorar a usinabilidade e o trabalho a quente. TÊMPERA Uma das características mais importantes dos aços, como materiais de construção mecânica, é a possibilidade de desenvolver combinações ótimas de resistência e tenacidade (medida pela resistência ao impacto). A estrutura que classicamente permite tais combinações é a estrutura martensítica revenida. A têmpera consiste em resfriar o aço, após austenização, a uma velocidade suficientemente rápida para evitar as transformações perlíticas e bainíticas na peça. Desse modo, obtem-se estruturas metaestável martensítica. Para o controle da taxa de resfriamento utilizam-se diversos meios de têmpera, com diferentes capacidades de extração de calor (resfriamento). Os meios de têmpera mais comuns são: água, óleo e ar, embora outros meios líquidos ou gasosos possam ser empregados. Enquanto no recozimento não se encontram tensões residuais nas peças durante o resfriamento, a severidade com que este ocorre na têmpera faz surgir tensões no 26

28 interior do material. Dependendo da magnitude das tensões resultantes podem ocorrer: deformações plásticas (empeno da peça) e ruptura (trincas de tempera). REVENIMENTO No estado como temperado, a martensita, além de ser muito dura, e tão fragil que ela não pode ser usada para a maioria das aplicações; também, quaisquer tensões internas que possam ter sido introduzidas durante a têmpera tem um efeito enfraquecedor. Peças deixadas permanecem nesta condição de alto tensionamento externo ocorre grande risco de trincas. Para se atingir valores adequados de resistência mecânica e tenacidade deve-se, logo após a têmpera, proceder ao revenimento. Este tratamento consiste em aquecer uniformemente até uma temperatura abaixo daquela de austenitização (250 a 600 C), mantendo o aço nesta temperatura por tempo suficiente para equalização de temperatura e obtenção das propriedades desejadas (Figura 8). A estrutura resultante do revenimento em acos temperados é a martensita revenida. Exercícios Figura 8: Ciclo de têmpera mais revenimento 1) O que é um tratamento térmico? 2) Quais os principais tipos de tratamentos térmicos? 3) Fale sobre o recozimento. 4) Como proceder para normalizar um aço? Fale sobre as propriedades mecânicas depois da normalização. 5) Fale sobre a têmpera. Qual estrutura é obtida depois de temperar um aço? Essa estrutura tem aplicação prática? Por que depois da tempera é normalmente feito o revenimento? 6) Explique o tratamento de revenimento. 27

29 TÓPICO 2 Tratamentos termoquímicos de aços Objetivos do tópico: Definição do objetivo dos tratamentos termoquímicos Apresentar principais tipos de tratamentos termoquímicos O objetivo principal de um tratamento termoquímico é aumentar a dureza e a resistência ao desgaste da superfície, ao mesmo tempo em que o núcleo do material se mantem dúctil. Os processos utilizados são: Cementação Nitretação Cianetação Carboretação Boretação Os fatores que influenciam no controle do processo são: Potencial do meio, em que a peça esta imersa (sólido, líquido ou gasoso) para a realização do tratamento de fornecer o elemento químico. Capacidade da peça de absorver este elemento químico. Isto está relacionado com a solubilidade e difusão do elemento químico no aço. CEMENTAÇÃO Consiste na introdução de carbono na superfície de aço, de modo que este, depois de tratado apresente uma superfície mais dura. Para se produzir uma combinação de uma superfície dura com nucleo tenaz, deve-se partir de um aço com baixo carbono e aquecê-lo, geralmente, entre 815 a 950 C. A cementação pode ser feita por via: sólida, gasosa ou líquida. Cementação Sólida - As peças de aço são acondicionadas em caixas metálicas de aço baixo carbono ou de aço inoxidável, onde se adiciona carvão de madeira ou coque, ativador (carbonato de bário e/ou de sódio) e um óleo ligante. A camada cementada varia de 0,6 a 6 mm dependendo das condições de tempo e temperatura empregadas. Essa profundidade, na prática é medida através da dureza. Vantagens: Pode utilizar uma grande variedade de fornos e não precisa de atmosfera controlada; é econômica para pequenos lotes de peças, ou peças muito grandes; Exige uma menor experiência do operador. Desvantagens: Não é indicada para camadas finas que devem ser controladas dentro de uma tolerância estreita; é difícil o controle de carbono na superfície; as taxas de aquecimento e resfriamento são mais lentas devido a inércia térmica da caixa e do material cementante. 28

30 Cementação Gasosa - A peca a ser cementada é colocada em um forno com atmosfera de potencial de carbono controlado. O gás utilizado é geralmente o gás natural (80 a 90% de CH 4 e 10 a 20% de C 2 H 6 ), o propano (C 3 H 8 ), o butano (C 4 H 10 ), e mais recentemente o álcool etílico volatilizado (C 3 H 5 OH). A camada cementada varia de 0,5 a 2,0 mm, usualmente, e depende, além do tempo e da temperatura, do potencial de carbono no forno. Vantagens: processo mais limpo que por via sólida; melhor controle de teor de carbono e da espessura da camada cementada; processo rápido e apto a produção contínua. Desvantagens: custo alto dos equipamentos; requer pessoal habilitado. Cementação Líquida - Consiste em se manter o aço em um banho de sal fundido numa temperatura de 840 a 900 C. A profundidade da camada cementada depende da composição do banho e principalmente da temperatura utilizada. As camadas podem variar de 0,08 a 3,0mm. O processo ocorre de forma muito rápida, comparados a cementação líquida e sólida. Vantagens: obtenção de apreciáveis profundidades de penetração em tempo relativamente curto; possibilidade de operação contínua, pela colocação ou retirada das peças, enquanto outras ainda estão em tratamento. Desvantagens: Necessidade de limpeza posterior em alguns casos. NITRETAÇÃO Nitretação é o processo de introdução superficial de nitrogênio no aço, pelo aquecimento do mesmo entre 500 a 570 C, para formar uma camada dura de nitretos. A resistência ao desgaste e a resistência à fadiga aumentam consideravelmente após a nitretação das peças. As temperaturas utilizadas são menores do que na cementação, na nitretação existe uma menor tendência de causar trincas no material. As principais razões para se utilizar a nitretação são: Obtenção de altíssima dureza superficial e alta resistência ao desgaste; melhorar a resistência a fadiga e a corrosão. A nitretacao pode ser feita a gás ou em banho liquido. Nitretação a gás - Consiste em submeter a peça a uma atmosfera de amônia, entre 500 e 550 C. Basicamente são empregados aços que contem elementos formados de nitretos como alumínio, cromo e vanádio. Durante a nitretação ocorre um ligeiro aumento dimensional das peças e isto deve ser levado em conta no projeto das mesmas. Nitretação líquida - O aquecimento é feito na mesma faixa de temperatura da nitretação a gás, utilizando um banho a cianetos. Os aços empregados são: carbono, ferramenta, inoxidável e resistente ao calor. A grande vantagem sobre a nitretação a gás é que, além de utilizar aço carbono, os tempos são bem menores. A desvantagem é que a camada nitretada também é menor, de 0,015 contra 0,7mm na nitretacao a gás. 29

31 CIANETAÇÃO Consiste em aquecer o aço em temperaturas que variam de 760 a 870 C, em um banho de sal fundido, de modo que a superfície do aço absorva carbono e nitrogênio. A cianetação produz uma camada dura e resistente ao desgaste. As profundidades de penetração do carbono e do nitrogênio e, por consequência, a dureza, variam com a temperatura e com o tempo, variando de 0,006 a 0,15mm. CARBONITRETAÇÃO Também conhecido como cianetação seca, cianetação a gás ou nitrocarnonetação, é um processo de introduzir carbono e nitrogênio no aço a partir de uma mistura gasosa apropriada. O carbono provem de um gás rico em carbono e o nitrogenio a partir de amonia. é um processo misto da cementação a gás e a nitretação a gás, sendo realizadas em temperaturas intermediárias entre os dois processos (700 a 900 C). O objetivo da carbonitretação é formar no aço uma camada resistente ao desgaste de 0,07 a 0,7mm. Por empregar temperaturas menores que a cementação gasosa, produz um menor nível de tensões na peça. A resistência à fadiga e ao impacto são maiores em peças do que nas cementadas a gás. Em contrapartida a profundidade da camada endurecida é menor que na cementação. A carbonitretação também é mais limpa que a cianetação a gás, assim, em peças com formas complicadas ou com pequenos furos a operação de retirada do sal da cianetação é difícil, e aí a carbonitretação é mais indicada. BORETAÇÃO Consiste no enriquecimento superficial em boro no aço pela difusão química, com formação de boretos de ferro. A boretação pode ser gasosa, liquida ou solida. A boretacao gasosa, éum processo de custo elevado e extremamente tóxico. A boretação líquida utiliza banhos de sais, não tóxicos, mas apresenta dificuldade da remoção de sal de boro na peça, o que encarece o processo. A boretação sólida tem sido a mais empregada, possui como fontes de boro as seguintes substâncias: boro puro, ferroboro, e carboneto de boro. A boretação sólida é de baixo custo, segura e utiliza equipamentos simples. A camada boretada e extremamente dura, apresentando, também, uma grande resistência a corrosão. Os aços empregados na boretação são: aços carbono, ferramenta e inoxidável. A boretação é empregada em eixos, engrenagen, tubulações para transporte de metais não ferrosos líquidos (alumínio e zinco, por exemplo) entre outras várias aplicações. Exercícios 1) Fale sobre os tratamentos termoquímicos, quais os principais tipos? 2) Fale sobre a cementação e diferencie em sólida, líquida e gasosa. 3) Fale sobre a nitretação e diferencie entre seus dois tipos. 4) Diferencie cianetação, carbonitretação e boretação. 30

32 AULA 5 Materiais Ferrosos O Ferro é o metal mais utilizado pelo homem. A abundância dos minerais, o custo relativamente baixo de produção e as múltiplas propriedades físico-químicas que podem ser obtidas com adição de outros elementos de liga são fatores que dão ao metal uma extensa variedade de aplicações. Alguns metais (cobre, por exemplo) podem ser empregados no estado quimicamente quase puro. Entretanto, isso não ocorre com o ferro. No uso prático, está sempre ligado ao carbono e a outros elementos e, assim, no âmbito da ciência dos materiais e também na linguagem do dia a dia, a palavra ferro pode ser entendida como uma liga dos elementos químicos ferro, carbono e outros. Os aços e ligas especiais têm sido classificados de diferentes maneira. São métodos usuais de classificação: a) Classificação baseada em características do aço ou liga. Ex: propriedades mecânicas, composição química; b) Classificação baseada no emprego do aço ou liga. Ex. aços para ferramentas, para construção mecânica. Essa aula abordará os processos siderúrgicos de obtenção dos aços e ferros fundidos, apresentará a classificação para as ligas ferrosas dependendo do percentual de carbono presente (classificação baseada nas características), além de abordar os materiais para construção mecânica (classificação baseada no emprego), apresentará também os tipos de ferros fundidos e suas propriedades. Objetivos Apresentar processos siderúrgicos de obtenção dos aços e ferros fundidos Apresentar os tipos de ferros fundidos, propriedades e aplicações Apresentar a classificação dos aços 31

33 TÓPICO 1 Aços e Ferros Fundidos Objetivos do tópico: Definição dos tipos de ligas ferrosas Apresentar processos de produção de aço Classificação dos aços e ferros fundidos As ligas metálicas ferrosas são divididas em aços e ferros fundidos de acordo com o percentual de carbono presente e da presença de outros elementos. Os itens a seguir dão algumas definições básicas. Aço: A definição mais antiga e tradicional dos aços é que são ligas ferro-carbono que contém entre 0,008 e 2,14% em peso de carbono. Na prática, entretanto, os aços raramente ultrapassam o teor de carbono de 1,0% e podem apresentar uma série de outros elementos de liga. Existem milhares de aços que possuem composições e/ou tratamentos térmicos diferentes. De acordo com o conceito moderno, o que define um aço é a microestrutura e o tratamento térmico ou termodinâmico, que influem na microestrutura e propriedades do material. Pode ser classificado em Aço-carbono contêm carbono e um pouco de manganês além de impurezas residuais; e Aço-liga com adição intensional de elementos de liga. Ferro fundido: designação genérica para ligas de ferro-carbono com teores de carbono acima de 2,11%. Na prática a maioria contém entre 3 e 4,5%C e outros elementos de liga. Produção de ligas metálicas ferrosas À metalurgia do aço, da-se o nome de siderurgia. São apresentadas aqui, algumas informações resumidas sobre a produção siderúrgica, sem maiores detalhes. A produção do aço a partir do minério é dada pela redução quimica do óxido nele contido com o carbono. O equipamento usado é um forno de formato cilíndrico vertical e de grande altura, por isso chamado de alto-forno (figura 9). São basicamente três ingredientes colocados no alto-forno (fisicamente alimentados na parte superior do forno através de transportadores e outros equipamentos): 1) O minério de ferro, isto é, a substância que contém o óxido; 2) O calcário (rocha a base de carbonato de cálcio), cuja função básica é a remoção de impurezas; e 3) O coque, que é o agente combustível e redutor. O coque é normalmente produzido na própria siderúrgica, através da queima parcial do carvão mineral. Isso é necessário para remover o material volátil do carvão e, assim, aumentar sua resistência mecânica de forma a suportar a carga de minério e calcário. O gás que sai da parte superior do forno e destilado para obter produtos como benzol, naftalina e outros. Após esse processo, o gás ainda tem poder combustível e pode ser usado na própria siderúrgica ou distribuído para outros consumidores. 32

34 O ferro que sai do alto-forno, denominado ferro-gusa, contém elevados teores de carbono e de impurezas. Há necessidade, portanto, de um processo de refino para transformá-lo em aço de utilidade prática. Um dos principais processos é o Siemens- Martin, que consiste no aquecimento, por determinado período, do ferro-gusa misturado com sucata de aço, em temperaturas na faixa de 1650 C. Esses fornos são constituídos de um mufla de tijolos refratários para receber a carga que pode ser sólida ou líquida, e de dois pares de câmaras recuperadoras, também de tijolos refratários. Figura 9: Esquema simplificado da operação de um alto forno Efeito dos elementos de liga De um modo geral ao introduzir-se elementos de liga nos aços, visam-se os seguintes objetivos: Alterar as propriedades mecânicas, aumentar a usinabilidade, aumentar a temperabilidade, conferir durezaa quente, aumentar a capacidade de corte, conferir resistência ao desgaste, à corrosão e à oxidação, e modificar as características elétricas e magnéticas. Os elementos de liga são introduzidos em terores e em número variado. A tendência moderna é adicionar vários elementos de liga simultaneamente em teores baixos ou médios para conferir características especiais aos aços. Classificação dos Aços Como foi visto anteriormente, esse material se divide em duas classes os aços carbono e os aços ligas. Sendo que os aços ligas também se subdividem em aços baixa e alta liga, dependendo do teor de elementos de liga. Se for abaixo de 5%é considerado 33

35 de baixa liga, sendo superior a 5% é denominado de alta liga. A figura 10 possui uma representação esquemática dessa classificação Os aços ao carbono podem ser subdivididos também em aços baixo, médio e alto carbono, com teores que variam aproximadamente de: 0,008 a 0,3% para os baixos carbonos, de 0,3 a 0,5% para os aços de médio teor de carbono e aços alto carbono acima de 0,5%, conforme classificação da ABNT. Figura 10: Esquema de classificação para várias ligas ferrosas Aços baixo carbono não respondem a tratamentos para formar martensita; o aumento de resistência pode ser obtido através de trabalho a frio. Pode apresentar microestruturas contendo ferrita e perlita. São ligas relativamente moles e fraca, mas possuem ductilidade e tenacidade excepcionais.são usináveis, soldáveis e baratos. Utilizados em componentes de carcaças de automóveis, formas estruturais (vigas, canaletas), tubulações e outras. Aços médio carbono podem ser tratadas termicamente por austenitização, têmpera e revenimento para melhorar as propriedades mecânicas. Termicamente tratadas são mais resistentes que os aços baixo carbono, porém com redução na ductilidade e tenacidade. São empregadas em rodas e trilhos de trens, engrenagens, virabrequins e outras peças de máquinas e componentes estruturais. Aços alto carbono são mais duros, mais resistentes, porém menos dúcteis dentre todos os aços carbono. São normalmente utilizados em condição endurecida e 34

36 revenida. Esses aços possuem resistência especial ao desgaste e à abrasão. Utilizados como ferramentas de corte e matrizes para a modelação e a conformação de materiais. Aços inoxidáveis classificados como aços de alta liga, são altamente resistentes à corrosão em uma variedade de ambientes. Seu elemento de liga predominante é o cromo, em uma concentração de pelo menos 11%. A resistência à corrosão também pode ser melhorada através da adição de outros elementos de liga como níquel e o molibdênio. São divididos em basicamente três classes dependendo da fase predominante como: martensíticos, ferríticos e austeníticos. Considerando a classificação de acordo com o emprego do aço, os aços para construção mecânica, são divididos em: a) aços para fundição; b) aços estruturais; c) aços para chapas; d) aços para tubos; e) aços para arames, fios e molas; f) aços de usinagem fácil; g) aços para cementação e nitretação e h) aços para fins especiais. No anexo 1, segue alguns aços utilizados na construção mecânica e suas principais características e aplicações. Sistema de classificação dos aços Associações técnicas especializadas classificam os aços pela sua composição química, dando origem aos sistemas SAE e AISI (americanos), DIN (alemão), ABNT (brasileiro). Tabela 1: Classificação dos aços ABNT/SAE Aço Carbono 10xx Aço carbono 11xx Aço carbono ressulfurado 12xx Aço carbono ressulfurado e resfosforado Aço Baixa Liga (construção mecânica) 13xx Mn 1,75 23xx Ni 3,5 25xx Ni 5,0 31xx Ni 1,25; Cr 0,6 33xx Ni 3,5; Cr 1,55 40xx Mo 0,25 41xx Cr 0,5 ou 0,95; Mo 0,12 ou 0,2 43xx Ni 1,8; Cr 0,5 ou 0,8; Mo 0,25 46xx Ni 1,55 ou 1,8; Mo 0,2 ou 0,25 47xx Ni 1,05; Cr 0,45; Mo 0,2 48xx Ni 3,5; Mo 0,25 Aços Inoxidáveis 2xx Austenítico (Cr, Ni, Mn) 3xx Austenítico (Cr, Ni) 4xx Ferrítico (Cr) 4xx Martensítico (Cr) 35

37 O sistema de classificação empregado pela ABNT (Associação Brasileira de Normas Técncas) é basicamente o mesmo usado pelo AISI (American Iron and Steel Institute) e pela SAE (Society of Automotive Engineers). Nestes sistemas, os aços são divididos em grupos principais e, dentro destes grupos, em famílias de características semelhantes. Estas famílias são designadas por conjuntos de algarismos, em geral 4. Assim, um aço 4340, é da família 43, isto é, com 1,8%Ni, 0,08%Cr, 0,25%Mo e com 40 centésimos de portento de C, ou seja, 0,4%C. A tabela 1 apresenta a classificação da ABNT para alguns aços. Classificação dos Ferros Fundidos O ferro fundido, normalmente é obtido da fusão do ferro gusa com sucata (até 50%), em fornos elétricos. O carbono está presente nos ferros fundidos sob duas formas: Grafite (carbono puro) ferro fundido cinzento, nodular, e parcialmente no maleável. Cementita (carboneto de ferro Fe3C) ferro fundido branco, e parcialmente no maleável. Os principais elementos que influenciam, na obtenção do tipo de ferro fundido, são o silício e o manganês, sendo que o primeiro elemento químico favorece na obtenção do ferro fundido cinzento e o segundo elemento químico favorece na obtenção do ferro fundido branco. Ferro fundido cinzento apresenta uma microestrutura com flocos de grafita circundados por uma matriz de ferrita alfa ou perlita. É relativamente fraco e frágil quando submetido à tração, a resistência e ductilidade são maiores sob compressão. Eles são eficientes no amortecimento de enrgia vibracional. Utilizado nas estruturas de base para máquinas e equipamentos pesados sujeitos à vibração. Ferro fundido dúctil (ou nodular) sua microestrutura possui grafita na forma de nódulos ou partículas com formato esférico, circundada por matriz ferrítica ou perlítica, dependendo do tratamento térmico. Comparado ao ferro cinzento o ferro nodular apresenta maior resistência e ductilidade. Utilizado em válvulas, corpo de bombas, engrenagens, virabrequins e outros componentes de automóveis e máquinas. Ferro fundido branco - caracteriza-se por apresentar fratura com aparência esbranquiçada, com grãos grosseiros. São duros, de difícil usinagem, apresentam notável resistência a abrasão. Utilizados em cilindros laminadores em trens de laminação. Ferro fundido maleável obtido apartir do aquecimento do ferro branco a temperaturas entre 800 e 900 C por um período de tempo prolongado. Apresenta uma microestutura com grafita na forma de rosetas circundada por uma matriz de ferrita ou perlita, dependendo da taxa de resfriamento. Possui alta resistência, ductilidade e maleabilidade considerável. Empregado em barras de ligação, engrenagens de transmissão tubulações e peças para serviços marítimos, em ferrovias e em outros serviços pesados. A figura 11 apresenta a microestrutura dos ferros fundidos. 36

38 a)ferro cinzento b)ferro nodular c)ferro branco d)ferro maleável Figura 11: micrografias óticas de vários ferros fundidos, as regiões escuras são grafita e a regiões claras ferrita alfa. Exercícios 1) Fale sobre a fabricação do ferro gusa e qual a sua importância na fabricação do aço. 2) Comente sobre os efeitos do carbono na ferro, fale sobre as propriedades adquiridas e modificadas com o aumento do teor de carbono. 3) Defina Aço e Ferro Fundido. 4) Fale sobre os Ferros Fundidos, liste os tipos, definindo-os falando sobre suas propriedades. 5) Fale sobre os aço, liste os tipos, definindo-os falando sobre suas propriedades. 37

39 AULA 6 Materiais Não-Ferrosos O aço e outras ligas ferrosas são consumidos em quantidades extraordinariamente grandes, podem ser fabricados com facilidade e relativa economia. Entretanto, eles possuem algumas limitações bem definidas como: densidade relativamente alta; condutividade elétrica comparativamente baixa e suscetibilidade à corrosão em alguns ambientes. Assim sendo, para muitas aplicações, torna-se vantajoso e necessário utilizar outras ligas que possuam combinações de propriedades mais apropriadas. O sistema de ligas é classificado ou de acordo com o seu metal básico, ou de acordo com alguma característica que um grupo de ligas compartilha. Essa aula discute algumas características dos metais e suas ligas como: cobre e alumínio. Apresenta ainda, as principais propriedades e aplicações dessas ligas. Objetivos Apresentar as principais características das ligas não-ferrosas Apresentar as propriedades e aplicações das ligas não-ferrosas 38

40 TÓPICO 1 Ligas de Cobre e Alumínio Objetivos do tópico: Definição dos tipos de ligas não-ferrosas. Apresentações das propriedades e aplicações de ligas cobre e alumínio. As ligas não-ferrosas são ligas metálicas de elementos cuja matriz exclui o ferro; assim, incluem ligas à base de cobre, alumínio, magnésio e titânio. Nesse texto apresentaremos de forma breve apenas as ligas de cobre e alumínio, com suas propriedades e aplicações. Cobre e suas ligas O cobre, quando não se encontra na forma de ligas, é tão mole e dúctil que é muito difícil de ser usinado. É altamente resistente à corrosão em diversos ambientes. A maioria das ligas de cobre não pode ser endurecida ou ter sua resistência melhorada através de tratamento térmico, utilizando-se para isso a deformação plástica a frio ou a formação de soluções sólidas. As ligas de cobre mais comuns são os latões, onde o zinco é o elemento de liga predominante. alguns dos usos comums das ligas de latão incluem as bijuterias, cápsulas de cartuchos, radiadores automotivos, instrumentos musicais, componentes eletrônicos e moedas. Os bronzes são ligas de cobre com outros elementos de liga incluindo o estanho, o alumínio, o silício e o níquel. Essas ligas possuem relativamente mais resistência do que os latões, ainda com elevada resistência à corrosão. Em geral elas são utilizadas em mancais, buchas, discos de embreagem, molas e outras aplicações onde são exigidas boas propriedades de tração e alta resistência à corrosão. As ligas de cobre-berílio possuem excelente combinação de propriedades, com altos limites de resistência à tração, excelentes propriedades elétricas e de resistência à corrosão, além de resistência à abrasão. Essas ligas são caras devido à adição de berílio. São utilizadas em mancais e buchas do trem de pouso de aeronaves a jato, molas e instrumentos cirúrgicos e dentários SAIBA MAIS! No projeto de para um disjuntor elétrico (relé abre e fecha), o contato entre as superfícies condutivas pode causar desgaste e resultar em aumento da resistência de contato e formaçãode arco. Uma alta dureza minimizaria o desgaste, mas os materiais de contato devem permitir que a alta corrente passe através da conexão sem superaquecer ou formar arco. O material deve possuir boas condutividade elétrica e resistência ao desgaste. Uma liga de cobre relativamente pura, endurecida por dispersão pode ser empregada, por exemplo, uma liga de cobre-alumínio

41 Alumínio e suas ligas O alumínio e suas ligas são caracterizados por uma densidade relativamente baixa (2,7 g/cm 3, em comparação com uma densidade de 7,9 g/cm 3 para o aço), a condutividade elétrica e térmica são elevadas, com resistência à corrosão em alguns ambientes comuns. Possui comportamento não magnético. Apresentam boa conformabilidade e elevada ductilidade. A limitação do alumínio está na sua baixa temperatura de fusão, o que restringe a temperatura máxima de aplicação. O alumínio é não tóxico e pode ser reciclado, gastando apenas cerca de 5% da energia necessária para produzi-lo a partir da alumina. Por isso, a reciclagem do alumínio é bem sucedida. A resistência mecânica do alumínio pode ser aumentada através de deformação plástica a frio e mediante a formação de ligas. Ambos os processos tendem a diminuir a resistência à corrosão. Os principais elementos de liga incluem o cobre, o magnésio, o silício, o manganês e o zinco. As ligas de alumínio podem ser empregadas em utensílios de cozinha, vasos e tubulações de pressão, trocadores de calor, tanques de combustível, mobília, estrutura de aeronaves e outras aplicações SAIBA MAIS! No projeto de um tamque para armazenar combustível de hidrogênio líquido em um ônibus espacial, o hidrogêncio líquido é armazenado a uma temperatura abaixo de -253 C; portanto, o tanque deve ter boas propriedades em condições criogênicas. Ele está sujeito a altas tensões, particularmente quando a aeronave está em órbita e ceve ter uma boa tenacidade à fratura para minimizar as chances de uma fratura catastrófica. Finalmente, deve ser leve para permiitr o aumento da carga útil aou a redução do consumo de combustível. Uma liga leve de alumínio pode ser utilizada, como por exemplo, uma liga de alumínio-lítio Exercícios 1) Pesquise mais sobre as ligas de cobre e suas aplicações 2) Pesquise mais sobre as ligas de alumínio e suas aplicações 3) Pesquise outras ligas não metálicas suas propriedades e aplicações 40

42 AULA 7 Cerâmicas e Polímeros Nessa aula será abordada uma síntese das principais características, propriedades e aplicações referentes aos polímeros e materiais cerâmicos. As cerâmicas são formadas por ligações interatômicas entre metais e não-metais, podendo ser totalmente iônicas ou predominantemente iônicas com alguma natureza covalente. O termo cerâmica vem da palavra grega keramikos, que significa matériaprima queimada, indicando que as propriedades desejáveis desses materiais são normalmente atingidas através de um processo de tratamento térmico a alta temperatrua conhecido por ignição. As cerâmicas tradicionais cuja matéria-prima é a argila são a louça, a porcelana, os tijolos, as telhas, azulejos e vidros. As novas cerâmicas são empregadas na indústria de componentes eletrônicos, computadores, indústria aeroespacial. Os polímeros são formados por moléculas gigantescas chamadas macromoléculas. Dentro de cada molécula, os átomos estão ligados entre si através de ligações interatômicas covalentes, cujo esqueleto principal é formado por uma série de átomos de carbono. Essa longas moléculas são formadas por unidades mero, as quais se repetem sucessivamente ao longo da cadeia. O termo mero tem sua origem na palavra grega meros, que significa parte; um único mero é chamado de monômero; o termo polímero foi criado para significar muitos meros. Objetivos Apresentar as principais propriedades e aplicações das cerâmicas e dos polímeros. 41

43 TÓPICO 1 Materiais Cerâmicos Objetivos do tópico: Definição dos principais tipos de cerâmicas Apresentar as propriedades e aplicações das cerâmicas As cerâmicas são materiais inorgânicos que apresentam alta dureza e alta temperatura de fusão. Elas incluem cerâmicas mono e policristalinas, vidros e vidrocerâmicas. As cerâmicas típicas são isolantes elétricos e térmicos, têm boa estabilidade química e elevada resistência em compressão. Um resumo de alguns materiais cerâmicos mais empregados pode ser observado com algumas aplicações: Alumina (Al2O3) é utilizada como refratário de fornos de fusão de metais e em outras aplicações sujeitas a altas temperaturas e alta resistência mecânica. Diamante (C) é o material mais duro que existe e também é uma cerâmica. Diamantes industriais são utilizados como abrasivos para desbaste e polimento. Além disso, em ferramentas de corte e em joias. Sílica (SiO2) é provavelmente o material cerâmico de uso mais amplo e que constitui a base de vidros e vidro-cerâmicas. Cerâmicas à base de sílica são usados em isolantes térmicos, refratários abrasivos e em vidrarias de laboratório. Carbeto de Silício (SiC) - apresenta ótima resistência à oxidação mesmo em temperaturas superiores à temperatura de fusão do aço, sendo utilizado em equipamentos de siderurgia. Empregado para recobrir metais com filmes finos para proteção das temperaturas externas. Nitreto de Silício (Si3N4) tem propriedades similares às do carbeto de silício, embora sua resistência à oxidação e à alta temperatura seja inferior. Pode ser empregado em componentes automotivos e de turbinas a gás. Dióxido de titânio ou titânia (TiO2) é usado em cerâmicas eletrônicas e como pigmento de cor branca em tintas. Partículas finas de titânia têm sido adicionadas a protetores solares para proteger contra raios ultravioleta do sol. Zircônia (ZrO2) ou óxido de zircônio, utilizado na fabricação de cerâmicas empregadas em sensores de gás oxigênio dos automóveis, cerâmicas eletrônicas, refratários e fabricação de joias. As cerâmicas policristalinas, em geral, têm um comportamento mecânico frágil, em parte devido à porosidade. A maioria das cerâmicas policristalinas não se deforma plasticamente a menos que sejam solicitadas em taxas de deformação e temperaturas especiais. A porosidade limita a resistência em suportar um carregamento mecânico sob tração. As cerâmicas têm papel-chave em muitas aplicações tecnológicas, como na eletrônica, óptica e na área de energia. Cerâmicas avançadas isolam termicamente e possuem boas propriedades em alta temperatura. exemplos de aplicações de cerâmicas avançadas são trajas de cartões de crédito, materiais de circuitos eletrônicos de silício, placas protetoras em ônibus espacial, fibras ópticas de comunicações, vidros de 42

44 segurança. Cerâmicas tradicionais são empregadas como refratários em metalurgia, na construção civil e em objetos de uso doméstico. A síntese de pós cerâmicso tradicionais envolve o tratamento de insumos minerais com etapas de trituração, moagem e queima. Esses processos são baratos e muito utilizados. O processamento de cerâmicas avançadas é comumente conduzido por meio da prensagem e sinterização SAIBA MAIS! O ônibus espacial emprega cerca de pastilhas de cerâmica reutilizáveis, leves e muito porosas, protegem a estrutura de alumínio contra o calor gerado durante a reentrada na atmosfera terrestre. Essas pastilhas são feitas de fibras de sílica pura e coloidal, revestidas com um vidro borossilicato Exercícios 1) Quais as principais ligações atômicas nas cerâmicas? 2) Quais as características típicas das cerâmicas? 3) por que o limite de resistência à tração é tão inferior ao de compressão? 4)Cite os principais tipos de cerâmicas e suas aplicações. 5) Pesquise sobre as várias aplicações das cerâmicas avançadas. 43

45 TÓPICO 2 Polímeros Objetivos do tópico: Definição dos tipos de polímeros Apresentar as propriedades e aplicações dos polímeros A maioria dos polímeros, sólidos ou líquidos, possui carbono como base; contudo, também podem ser inorgânicos, como os silicones baseados na estrutura Si-O. Os plásticos são materiais compostos pelo polímero que contém aditivos, tais como fibras, cargas, pigmentos, entre outros, que podem melhorar ainda mais suas propriedades. Os plásticos incluem termoplásticos (convencionais ou de engenharia) e matérias termorrígidos ou termofixos. O adjetivo plástico refere-se a um polémero de alta massa molecular, sólido como produto acabado. Os polímeros podem ser classificados em: termoplásticos, termofixos e elastômeros. Os termoplásticos são compostos de cadeias longas produzidas pela união de monômeros; eles têm comportamento mecânico plástico e dúctil. As cadeias podem ou não ter ramificações e cadeias individuais estão entrelaçadas (nós físicos). Há ligações relativamente fracas do tipo van der Waals entre átomos de diferentes cadeias. A estrutura assemelha-se a árvores que crescem emaranhadas. Ainda empregados na analogia, as árvores podem ter ou não ramos, e, apesar de emaranhadas, nenhuma árvore está presa à outra. Consequentemente, nos termoplásticos, as cadeias podem ser destraçadas pela aplicação de uma tensão trativa. Os termopláticos podem ser amorfos ou cristalinos. Quando aquecidos, amolessem e fundem e, assim, podem adquirir formas de diversos objetos. Os temoplásticos são reciclados com facilidade. Os termoplásticos são aplicados em juntas de tubulação, mancais, fibras, filme fotográfico, fitas de gravação, embalagens, caixas elétricas, componentes automotivos, adesivos, revestimentos e isolamentos elétricos, revestimentos de sistemas hidráulicos e outros. (Ex. Acrílicos, poliamidas (náilon), polietileno, vinis) Os Polímeros termofixos são compostos por longas cadeias (lineares ou ramificadas) de moléculas muito ligadas umas nas outras (reticulação) para formar estruturas de rede tridimencional. Polímeros termofixos (termoestáveis ou em rede) são como diversos barbantes amarrados uns aos outros em vários pontos, e não apenas entrelaçados. Cada barbante pode ter outros barbantes laterais amarrados a ele. Os termofixos são, em geral, mais resistentes, porém mais frágeis que os termoplásticos. Os termofixos não se fundem quando aquecidos, mas começam a se decompor. Eles não podem ser reprocessados com facilidade depois da reação de reticulação ter ocorrido e, assim, a reciclagem torna-se difícil. Apresentam altas temperaturas de transição vítrea, boa resistência mecânica e comportamento frágil. Os temofixos são empregados em moldes elétricos, ralos, carcaças de motores, telefones, acessórios elétricos, capacetes, componentes de carroceria de automóveis, cadeiras, ventiladores. (Ex. Epóxi, Fenólicos, poliéstere) 44

46 Elastômeros são conhecidos como borrachas. Eles têm uma deformação elástica bastante grande, superior a 200%. As cadeias são reticuladas o que torna possível deformações elásticas muito grandes mesmos na ausência de deformação plástica. Uma maior quantidade de reticulações aumenta a rigidez dos componentes poliméricos e reduz a quantidade de deformação elástica. Os elastômeros são usados em tiras de borracha, pneus de automóveis, anéis de vedação, mangueiras e isolamento para fios elétricos. Os polímeros são feitos de macromoléculas produzidas pela união de moléculas menores, denominadas monômeros, utilizando reações de polimeralização por condensação ou por adição. Os plásticos são materiais poliméricos que podem conter outros aditivos que melhoram suas propriedades. Comparados com a maioria dos metais e cerâmicas, os plásticos têm baixa resistência mecânica, dureza e temperaturas de fusão. Todavia, também têm uma baixa densidade e boa resistência química. Polimerização é o porcesso segundo o qual as unidades monoméricas se unem umas às outras para gerar cada uma das moléculas gigantes constituintes. Na maioria das vezes, as matérias-primas para os polímeros sintéticos são derivadas do carvão e de produtos da indústria do petróleo, os quais são compostos por moléculas que possuem baixos pesos moleculares. Os processos de fabricação dependem do comportamento mecânico dos polímeros. Os processos de extrusão, moldagem por ingeção, moldagem por comformação a temperatura controladas, vazamento, estampagem e fiação tornam-se adequados devido ao comportamento viscoelástico dos termoplásticos. O caráter irreverssível das ligações de polímeros termo fixos limita seu processamento a menos técnicas, tais como moldagem por compressão, moldagem por transferência e moldagem pó ingeção reativa SAIBA MAIS! Dr. Wallace Hume Carothers, da empresa DuPont, foi o primeiro pesquisador a sintetizar o náilon por volta de Em 1939, Charles Stine, tamvém da DuPont, relatou a descoberta da primeira fibra têxtil sintética a um grupo de mulheres reunidas na Feira Mundial de Nova York. Essas fibras foram aplicadas primeiro na confecção de meias femininas de náilon, que se tornaram populares devido à sua resistência. Hoje o náilon é usado em centenas de aplicações Exercícios 1) Defina polímero termoplástico, termofixo e elastômero 2) Para quais aplicações elétricas e ópticas os polímeros são usados. Dê exemplos. 3) Quais as principais vantagens dos polímeros em relação as cerâmicas e metais? 4) O que é polimerização? 45

47 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ASKELAND, D. R.; PHULÉ, P.P., Ciência e Engenharia dos Materiais. 1ª edição, Cengage Learning, São Paulo, 2008, v. único, 594 p. CALLISTER JR., W. D. Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução. 5ª Edição, LTC Editora, Rio de Janeio, 2002, 589 p. CHIAVERINI, V. Aços e Ferros Fundidos. 6ª Edição, Associação Brasileira de Metais, São Paulo, 1990, 561 p. CHIAVERINI, V. Tecnologia Mecânica: Materiais de construção mecânica. 2ª Edição, Mc- Graw Hill, São Paulo, 1986, v.3, 382 p. CHIAVERINI, V. Tecnologia Mecânica: Estrutura e propriedades das ligas metálicas. 2ª Edição, Mc-Graw Hill, São Paulo, 1986, v.1, 266 p. PADILHA, A.F. Materiais de Engenharia: microestrutura e propriedades. 1ªedição, editora Hemus, Curitiba-PR, 2000, 342 p. SILVA, A.L.V. da C. e MEI, P. R. Aços e Ligas Especiais. 3ª edição, Editora Blucher, São Paulo, 2010, v. único, 646 p. VAN VLACK, L. H. Princípios de ciência dos materiais. 13ª edição, Editora Blucher, São Paulo, 2000, 420 p. PASCOALI, S. ; GONÇALVES, F.J. F. e MARTINS, M. Apostila de Tecnologia dos Materiais I módulo 2. Curso técnico de eletrotécnica. CEFET/SC, Disponível em: teriais.pdf. Acesso em: 19 jul PASSOS, L. Apostila de ciência e tecnologia dos materiais. Faculdades integradas Einstein de Limeira, Disponível em: Acesso em: 19 jul DUTRA, K. H e FREITAS, V. D. Apostila de tecnologia dos materiais. CEPEP escola técnica. Disponível em: Acesso em: 19 jul Sites: ABM Associação Brasileira de Metalurgia, Materiais e Mineração: ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas: 46

48 Gerdau produtora de aço: ArcelorMittal siderúrgica produtora de aço: ABPol Associação Brasileira de Polímeros: ALMACO Associação Latino-Americana de Materiais Compósitos: CMDMC Centro Multidisciplinar de desenvolvimento de materiais cerâmicos: Tornearia Virtual (blog): 47

49 Anexo 1 Classificação e aplicação dos aços 48