Apostila Materiais

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TECNOLOGIA DOS MATERIAIS Materiais substâncias com propriedades úteis e que o homem usa para fazer as coisas. Os materiais sólidos são classificados com base na estrutura atômica e ligações químicas em: Metálicos; cerâmicos, polímeros e compósitos Metálicos: Possuem ligações metálicas entre átomos, um grande numero de elétrons não localizados, extremamente bons condutores de eletricidade e calor, resistentes e deformáveis, divididos em ferrosos e não ferrosos Polímeros: Compostos por macromoléculas orgânicas, química baseada no carbono e hidrogênio, possuem estruturas moleculares muito grandes, baixa densidade e extremamente flexíveis, baixa condutividade térmica e elétrica baixa resistência mecânica, não servem para altas temperaturas. Cerâmicos: Denominação genérica dada a todos os materiais não metálicos e não-orgânicos. A grande variedade de materiais que se enquadram nessa classificação é composta por minerais argilosos, cimento e vidro. Pode ser combinação de metálicos com não metálicos. Isolantes para eletricidade e calor e mais resistentes a altas temperaturas, porém quebradiços Compósitos: Composição de dois ou mais tipos de materiais diferentes. Matriz – Fornece a estrutura Reforço – Fornece ás propriedades mecânica Ex: Fibra de vidro. Propriedades DOS MATERIAIS A determinação e/ou conhecimento das propriedades dos materiais é muito importante para a escolha do material para uma determinada aplicação, bem como para o projeto e fabricação do componente. Definem o comportamento do material, dependem do agrupamento e organização dos átomos. Todos os metais e ligas possuem em estado sólido uma estrutura cristalina bem definida. Devido à distribuição geométrica correta dos átomos, dispostos em planos e no espaço, os metais apresentam um Reticulado Espacial Cristalino Alotropia = dois ou mais estados cristalinos Sistemas cristalinos = É a forma do arranjo da estrutura substituindo átomos por pontos Estruturas cristalinas dos principais metais cúbico de corpo centrado (CCC): cromo, potássio, sódio metálico, etc. cúbico de faces centradas (CFC): alumínio, ferro, ouro, prata, etc Hexagonal compacta: magnésio. Propriedades mecânicas São aquelas que definem o comportamento do material segundo um determinado esforço a que ele pode ser submetido Resistência mecânica: É a propriedade apresentada pelo material em resistir a esforços externos, estáticos ou lentos. Tais esforços podem ser de natureza diversa, como sejam: tração, compressão, flexão, torção, cisalhamento. Resiliência: Capacidade de resistir a solicitações dinâmicas sem se deformar permanentemente Elasticidade: Propriedade apresentada pelos materiais em recuperar a forma primitiva tão depressa cesse o esforço que tenha provocado a deformação Plasticidade: É a propriedade que apresentam certos materiais de se deixarem deformar permanentemente assumindo diferentes tamanhos ou formas sem sofrerem rupturas, rachaduras ou fortes alterações de estrutura quando submetidos a pressões ou choques compatíveis com as suas propriedades mecânicas. O inverso da plasticidade é a fragilidade Maleabilidade: É a maior ou menor facilidade apresentada pelo material em se deformar sob ação de uma pressão ou choque, compatível com a sua resistência mecânica Ductilidade = Capacidade dos materiais de se deformarem sem se romperem. Maior ou menor deformação Dureza: É definida pela resistência da superfície do material à penetração, ao desgaste, e ao atrito, embora a primeira definição seja a mais comumente aceita. A dureza e a resistência á tração estão intimamente relacionadas Fluência: Fenômeno de alongamento contínuo e que pode conduzir à ruptura. Esta característica é típica de materiais ferrosos quando submetidos a cargas de tração constantes por longo tempo a elevadas temperaturas. Tenacidade: Mede a capacidade que o material tem de absorver energia até fraturar-se incluindo a deformação elástica e plástica quando essa energia é absorvida progressivamente, é dada pela energia consumida para fraturá-lo Propriedades tecnológicas (metalúrgicas) São as que conferem ao material uma maior ou menor facilidade de se deixar trabalhar pelos processos de fabricação usuais. As propriedades tecnológicas são: Fusibilidade: É a propriedade que o material possui de passar do estado sólido para o líquido sob ação do calor. Todo metal é fusível, mas, para ser industrialmente fusível, é preciso que tenha um ponto de fusão relativamente baixo. Soldabilidade: É a propriedade que certos metais possuem de se unirem, após aquecidos e suficientemente comprimidos. A soldabilidade depende do tempo em que o metal permanece num estado sólido-plástico, sob o efeito do calor produzido pela ação soldante. Temperabilidade: Propriedade que possuem alguns metais e ligas de modificarem a sua estrutura cristalina após um aquecimento prolongado seguido de resfriamento brusco, transformando a estrutura cristalográfica do material que, em conseqüência, altera todas as propriedades mecânicas. Tal propriedade caracteriza o aço com certo teor de carbono, assim, como determinadas ligas de alumínio, Usinabilidade: É a propriedade de que se relaciona com a resistência oferecida ao corte e é medida pela energia necessária para usinar o material, sob condições padrões. Fadiga: não chega a ser uma propriedade do material mais sim, um problema característico de materiais sujeitos a esforços cíclicos PROPRIEDADES TéRMICAS Condutividade térmica: São propriedades que possuem certos corpos de transmitir mais ou menos calor. Neste caso, materiais bons condutores de calor, na ordem decrescente de condutibilidade: Ag, Cu, Al, latão, Zn, Aço e Pb. Corpos maus condutores de calor, na ordem decrescente de condutibilidade: pedra, vidro, madeira, papel, etc. Dilatação: Propriedade pela qual um corpo aumenta quando submetido à ação do calor. A capacidade de dilatação de um material está relacionada ao chamado coeficiente de dilatação térmica, que pode ser: linear, superficial e volumétrico. Esta característica dos materiais deve ser considerada PROPRIEDADES ELÉTRICAS Condutividade elétrica. É a propriedade que possuem certos materiais de permitir maior ou menor capacidade de transporte de cargas elétricas. Propriedades eletromagnéticas Suscetibilidade magnética: Capacidade de reunir as linhas e força campo magnético. Ferromagnéticos – Paramagnéticos - Diamagnéticos Propriedades físicas Densidade: É a relação entre o peso de certo volume de um corpo e o peso de igual volume de água. É um número abstrato. Exemplo: Pb = 11,4 Cu = 8,9 Al = 2,7 Mg = 1,7 Peso específico: É o peso da unidade de volume do corpo. Por exemplo: o peso específico do aço é 7,8 kg/dm3. Propriedades químicas Resistência à corrosão: Quase todos os materiais são suscetíveis de corrosão por ataque químico. Para alguns materiais, a solubilização é importante. Em outros casos, o efeito da oxidação direta é o mais importante. Além disso, a resistência do material à corrosão química, devido ao meio ambiente, é da maior importância. Desde que freqüentemente, o ataque pela corrosão é irregular, é muito difícil medi-la. A unidade mais comum para a corrosão é polegadas de superfície perdida por ano. Solidificação dos Metais A fase líquida não possui nem a ordem perfeita dos cristais nem a plena desordem dos gases. Para ir ao estado sólido os átomos devem se agrupar, isto reduz a distância entre eles, às células unitárias se organizam apresentando um contorno de agregado de cristais irregulares (esses cristais recebem o nome de grãos). Tamanho dos grãos Durante a solidificação, os núcleos vão sendo formados e crescendo. Esses núcleos acabarão tendo um volume final que determinará o tamanho do grão O tamanho dos grãos dos metais depende da: - velocidade de nucleação: quantos núcleos se formam por unidade de tempo. - velocidade de crescimento: é a velocidade com que estes núcleos crescem A área de limites do grão tem um efeito importante em muitas propriedades dos metais, especialmente na resistência mecânica. Este limite é denominado "contorno do grão. Em temperaturas mais baixas provocam um aumento de resistência mecânica dos metais, porque dificultam o movimento das deslocações sob tensão. A temperatura elevada pode ocorrer escorregamento ao longo dos limites do grão e estes se tornam regiões de fraqueza. A American Society for Testing of Materials (ASTM) criou um índice do tamanho de grão dos aços, através da seguinte equação: N = 2n-1 onde: N é o número de grãos observados por polegada quadrada, quando o metal é examinado ao microscópio com um aumento de 100x n é o número do tamanho de grão ASTM. Considerando os grãos, as microestruturas dos metais monofásicos podem ser diferenciadas de três maneiras: Tamanho de grão; Forma do grão e Orientação preferencial Defeitos durante a solidificação dos metais -Bolhas: vazios oriundos de gases dissolvidos no líquido e que ficaram retidos no lingote fundido. Para se evitar as bolhas utilizam-se, desoxidantes. Ex: Fe-Si, Fe-Mn, que evitam a formação de CO ou CO2, pois se combinam com o O2. -Trincas: são ocasionadas pelas tensões excessivas que se desenvolvem durante o resfriamento ou ainda devido ao formato desigual das peças, impedindo o resfriamento uniforme. -Segregação: ao solidificar um metal, as impurezas como: fósforo e enxofre, não são tão solúveis no estado sólido como no líquido, portanto são repelidas para o líquido quando a solidificação se propaga. A solidificação cominha da periferia para o centro, portanto é no centro que as impurezas se acumulam, esse fenômeno é denominado segregação. -Rechupe: a solidificação de um metal se inicia pelas partes que estão em contato com as paredes do molde ou na parte superior, onde o metal está exposto ao ar. O metal ao passar do estado líquido para o sólido diminui seu volume, portanto aparecerá uma região central no lingote ou peça que se chama rechupe. Defeitos Cristalinos: Defeito é uma imperfeição ou um "erro" no arranjo periódico regular dos átomos, uma cristalização nunca é perfeita. Os defeitos cristalinos afetam muitas das propriedades físicas, mecânicas e elétricas dos materiais. Eles podem ser pontuais ou lineares em um cristal. Podem envolver uma irregularidade: Na posição dos átomos ou No tipo de átomos O tipo e o número de defeitos dependem do material, do meio ambiente, e das circunstâncias sob as quais o cristal é processado. . (a ) Lacuna. (b) Intersticial Por que os defeitos são importantes? Os defeitos, mesmo em concentrações muito pequenas, podem causar uma mudança significativa nas propriedades de um material. Sem a presença de defeitos: Os metais seriam muito mais resistentes; Os cerâmicos seriam muito mais tenazes; ---------------------------------------------------------------------------- ---------------------------- Definições: Austenita: é a solução sólida do carbono em ferro gama. Ferrita: é a solução sólida do carbono em ferro alfa. Cementita: o carboneto de ferro (Fe3C). Grafita: a variedade alotrópica do carbono (estrutura cristalina hexagonal). Perlita: ferrita + cementita AQUECIMENTO DO AÇO O que acontece com o aço ao ser aquecido? No caso de aço não ligado que contém 0,4% de carbono: - em temperatura de 300°C a estrutura do aço ao carbono é igual a sua estrutura na temperatura ambiente: ferrita (cor branca) e perlita (cor preta); - em temperatura de 723°C inicia-se uma transformação em sua estrutura: a ferrita transforma-se em austenita e a cementita da perlita se decompõe; - em temperatura de 800°C toda a estrutura do aço transforma-se em austenita. O gráfico anterior ilustra uma região de mudança de fase em intervalo de temperatura: A ferrita e a perlita transformam-se em austenita. Essa região é chamada zona crítica: área em que as células unitárias do ferro CCC se transformam em CFC, durante o aquecimento do aço. A austenita forma-se no aço a partir de 723° C. Encontra-se na região acima da zona crítica, na zona de austenitização, conforme se pode observar no gráfico. A austenita tem uma estrutura cúbica da face centrada (CFC), apresentando menor resistência mecânica e boa tenacidade. Não é magnética. DIAGRAMA DE EQUILIBRIO Fe – C TRATAMENTOS TÉRMICOS De modo geral, o tratamento térmico consiste em aquecer e resfriar uma peça de metal para que ela atinja ás propriedades mecânica desejadas como dureza, elasticidade, ductibilidade e resistência a tração, que são chamadas propriedades mecânicas do metal. A peça adquiri esta propriedade sem que se modifique o estado físico do metal. Processo A peça de aço deve ser colocada em um forno com temperatura definida para o tipo de material, durante o tempo que foi calculado para alcançar o efeito desejado. Retira-se com segurança do forno com o uso de uma tenaz e submete-se ao resfriamento. O resultado desse processo é a mudança nas propriedades mecânicas do aço, e dependem de três fatores: - Temperatura de aquecimento - Velocidade de resfriamento - Composição química do material Fatores de influência nos tratamentos térmicos. O tratamento térmico representa um ciclo tempo temperatura, de modo que, basicamente, os fatores a considerar são os seguintes: aquecimento, tempo de permanência à temperatura e resfriamento. Aquecimento. Considerando como objetivo fundamental do tratamento térmico a modificação das propriedades mecânicas do material, verifica-se que isto só é conseguido mediante uma alteração da sua estrutura. Nestas condições, a liga considerada deve ser aquecida a uma temperatura que possibilite tal modificação. Esta temperatura corresponde geralmente valores acima da temperatura de recristalização do material; no caso dos aços chamamos de temperatura crítica. No aquecimento deve ser considerado o fator velocidade de aquecimento, que não pode ser muito lenta, caso contrário haverá excessivo crescimento de grão, Ou muito rápida, o que poderá provocar empenamento ou mesmo aparecimento de fissuras. Tempo de permanência à temperatura. A influência do tempo de permanência à temperatura de aquecimento é mais ou menos idêntica a influência da máxima temperatura de aquecimento, ou seja, o tempo à temperatura deve ser suficiente para que as peças se aqueçam de modo uniforme através de toda sua seção. Deve-se evitar tempo além do estritamente necessário para que isto ocorra, pois pode haver indesejável crescimento de grão, além da oxidação de determinadas ligas. Resfriamento. A escolha do meio de resfriamento é fundamental no processo de tratamento térmico e depende essencialmente da estrutura final desejada. O aumento do percentual do carbono na liga é o responsável pelo aumento da dureza do aço. Esse aumento do carbono se traduz pelo aumento da cementita na mistura. Com os tratamentos térmicos podemos modificar as formas de cristalização do aço e a disposição do carbono na liga, modificando, assim, a dureza do material. A modificação da forma de cristalização é conseguida através da velocidade de resfriamento podendo endurecer ou "amolecer" o material. TIPOS DE TRATAMENTOS TÉRMICOS Existem duas classes de tratamentos: Os tratamentos térmicos: que por simples aquecimento e resfriamento, modificam as propriedades de toda a massa do aço. Os tratamentos termoquímicos: que modificam as propriedades somente numa fina camada superficial da peça. Nesses tratamentos a peça é aquecida juntamente com produtos químicos e posteriormente resfriada. TRATAMENTOS TÉRMICOS Recozimento Esse tratamento térmico tem por objetivo redução da dureza que os aços possam apresentar devido a processos anteriores tais como: conformação a frio (encruamento), tratamentos térmicos, processos de soldagem, fundição ou outros processos que gerem endurecimento. Torna o aço mais homogêneo, melhora sua ductilidade tornando-o facilmente usinável. O tratamento consiste em elevar-se a temperatura da peça até a transformação completa em austenita e resfriar-se lentamente. de uma maneira geral, indica-se o resfriamento com a peça envolvida em areia para os aços de baixo carbono e o resfriamento controlado dentro do forno, para os aços de alto carbono. Após o recozimento a perlita se apresenta mais grosa resultando daí uma menor dureza e resistência Normalização Pode ser também chamado de recozimento de normalização. O seu objetivo é dotar o aço de suas características normais (material laminado a quente e resfriamento ao ar). A normalização refina a granulação do aço; apaga vestígios de tratamentos térmicos anteriores; elimina microestruturas brutas de fundição; regulariza microestruturas em juntas soldadas. As peças Normalizadas apresentam dureza média e uma boa resistência mecânica ao contrário das peças recosidas que são bem macias; maleáveis e pouco resistentes. O tratamento consiste em aquecer o material até a temperatura de transformação da austenita e fazer-se resfriamento ao ar. As microestruturas obtidas na normalização são semelhantes às do recozimento apenas com a diferença de que a perlita se apresenta mais fina resultando daí uma maior dureza e resistência. Revenimento É um tratamento térmico subcrítico (abaixo da temperatura de transformação da austenita) Tem como objetivo aliviar as tensões na martensita reduzindo significativamente sua fragilidade reduzindo conseqüentemente a dureza obtida na têmpera. A microestrutura obtida é chamada martensita revenida. As temperaturas do revenido podem variar de acordo com o desejo de maior ou menor alívio de tensões internas e a sua conseqüente perda de dureza. Altas temperaturas de revenido podem estar entre 550/650° C e baixas temperaturas estão entre 300/400° C. Resfriamento ao ar. Têmpera O tratamento de têmpera consiste em elevar-se o material à temperatura de transformação da austenita e resfriar-se o material rapidamente. Esse resfriamento deve ser mais rápido quanto menor for o teor de carbono no material. Podemos utilizar como meios de resfriamento desde a salmoura gelada, passando por resfriamento em água gelada, água à temperatura normal, óleo, ar soprado ou ar normal. Os tratamentos de têmpera também podem apresentar diversas maneiras de serem efetuados. Temos a têmpera comum com pouco controle no resfriamento ou as têmperas mais elaboradas que por isso mesmo recebem os nomes de austêmpera ou martêmpera. A microestrutura que se deseja obter na têmpera comum é a martensita. Essa microestrutura apresenta elevada dureza, elevada resistência mecânica e elevada fragilidade. A têmpera comum causa um grau elevado de tensões internas podendo gerar trincas e empenos em peças mais delicadas. Outro resultado dessa têmpera é a perda de tenacidade. Para reduzir esses inconvenientes é indicado a seguir um tratamento de revenimento. Para se entender os tratamentos térmicos a seguir é necessário conhecer as curvas TTT. As curvas, Temperatura, Tempo, Transformação (TTT) são características que os aços apresentam no resfriamento. Visto em um gráfico x, y (temperatura, tempo) elas assim se apresentam: Vejamos, então como podemos aproveitar essas características dos aços ao serem resfriados. Quando queremos obter uma transformação na estrutura interna de uma peça de aço, devemos aquecê-la a uma temperatura acima da linha de transformação da austenita. Ao resfriá-la podemos fazê-lo mais ou menos lentamente. A distância (tempo) entre o zero e o ponto "a" no gráfico varia para cada tipo de aço podendo ser muito grande ou menor que zero. Por isso devemos conhecer essas curvas do aço que queremos temperar para que possamos utilizar o tipo de têmpera mais adequado. Quando a curva do resfriamento, devido à sua pouca velocidade corta as curvas "1 " e "2 " no seu ponto alto obtemos uma microestrutura no material formada por perlita grosseira (recozimento). Quando a velocidade de resfriamento é um pouco maior temos como microestrutura, no material, a perlita fina (normalização). Quando essa velocidade é muito grande e não corta as curvas temos a formação de martensita (têmpera comum). Martêmpera A martêmpera tem por objetivo obter na peça tratada uma estrutura de martensita como na têmpera comum, porém devemos controlar o resfriamento para que quando a temperatura alcançar a linha Mi (início da formação da martensita) esse resfriamento é retardado de maneira que a transformação se complete mais lentamente. O meio de resfriamento é normalmente óleo ou sal fundido. O material é mantido maior tempo entre as duas linhas de transformação para que a formação da martensita se dê de maneira uniforme, gerando menores tensões internas. Em seguida a peça é resfriada a qualquer velocidade. Esse tratamento normalmente necessita o tratamento de revenimento para aliviar tensões residuais. Austêmpera É um tratamento de endurecimento dos aços que consiste em aquecer o material acima da temperatura de formação de austenita manter essa temperatura até a completa transformação e fazer um resfriamento brusco até uma temperatura ligeiramente acima da linha Mi. Esse processo é obtido através da manutenção do material em banho de chumbo ou sal (fundidos) (260 a 440° C). Deixando o material a uma temperatura constante durante o tempo em que a linha de resfriamento ultrapassa as curvas "1" e "2" na altura de transformação da bainita (sempre em temperatura constante). A temperatura escolhida depende da dureza que queremos obter. Quanto mais baixo no gráfico atingimos a bainita maior endurecimento vamos conseguir. Esse tratamento dispensa o revenimento por gerar baixas tensões internas. É normalmente indicado para temperar peças delicadas onde os empenos e as deformações são críticos. A desvantagem desse tratamento é que ele não pode ser feito em aços de baixa temperabilidade além de ser um tratamento mais caro. TRATAMENTOS TERMOQUÍMICOS Cementação A finalidade da cementação é fazer com que um aço de baixo teor de carbono (macio) fique com a superfície dura, reunindo assim as duas características ideais de uma peça. Que seja macia o suficiente para não partir com a continuidade de choques e não se desgastar por abrasão nos pontos onde se atrite com outras peças, como nos mancais. Esse tratamento é feito aquecendo a peça em um ambiente rico em carbono, o material do ambiente em que fica a peça pode ser sólido, líquido ou gasoso. A peça deve permanecer nesse ambiente por um tempo suficiente para que o carbono migre através do material da peça tornando assim, a superfície rica em carbono. A espessura da camada dura depende do tempo de permanência da peça nesse ambiente. Essa permanência a alta temperatura faz com que cresça demasiadamente a granulação do material cementado. Para que isso não aconteça o aço deve ser especial para cementação, quer dizer, deve ter elementos de liga que iniba o aumento do grão, com a temperatura. Após o tratamento superficial (cementação) a peça deve ser temperada para que a camada superficial, rica em carbono adquira a dureza desejada. Muitas vezes esse endurecimento é feito através da têmpera por indução. Nitretação É um tratamento semelhante à cementação. Apenas em vez do uso da atmosfera de carbono, utiliza-se uma atmosfera rica em nitrogênio. Esse elemento combina-se com alguns elementos de liga do aço (principalmente o alumínio), formando nitretos que têm elevada dureza. Esse tratamento tem como vantagem sobre a cementação o fator de não necessitar têmpera e ainda aumentar a resistência da peca à fadiga e à corrosão. Tem ainda a vantagem de utilizar temperaturas menores que a com menores riscos de empenos da peça nitretada. Tanto na nitretação como na cementação o interior da peça não sofre modificações consideradas. Carbonitretação O meio carbo-nitretante é uma atmosfera gasosa, contendo carbono e nitrogênio ao mesmo tempo. A atmosfera pode ser constituída pelos seguintes gases: Gás de gerador – 77 a 89% Gás natural – 9 a 15% Amônia – 2 a 8% A temperatura vária de 700º. a 900º. C e o tempo de tratamento é relativamente pequeno; a espessura das camadas carbo-nitretadas vária de 0,07 a 0,7 mm A carbonitretação é usada, geralmente em peças de pequeno porte, como componentes de relógios e aparelhos eletrodomésticos.