CIABA EFOMMÁREA DE ENSINO DE MÁQUINASProf. – Carlos Abreu FilhoDisciplina – Materiais de Construção Mecânica carga horária – 60 horas aula.

Proporcionar ao aluno conhecimentos para utilizar e analisar os diferentes grupos de materiais metálicos empregados na construção e manutenção de navios, incluindo as máquinas e equipamentos, conforme estabelecido na Regra III/1 da Convenção STCW-78, como emendada e seu respectivo Código, Seção A-III/1, Tabela A-III/1.

1. PROPÓSITO GERAL DA DISCIPLINA

2. UNIDADES DE ENSINO E CONTEÚDOS

1 -Introdução à ciência dos materiais 1.1 - Importância do conhecimento da ciência dos materiais para as atividadesde construção e manutenção de navio, incluindo as máquinas e equipamentos;1.2 - Diferentes grupos de materiais utilizados na construção e manutenção denavios, máquinas e equipamentos; e1.3 - Ligas metálicas

2 -Estrutura atômica dos materiais 2.1 - Estruturas cristalinas, estabelecendo suas principais diferenças;2.2 - Estruturas amorfas;2.3 - alotropia ou poliformismo;2.4 - Sistemas cristalinos encontrados nos principais grupos de materiais; e2.5 - Principais imperfeições cristalinas.

3 -Propriedades gerais dos materiais 3.1 - propriedades mecânicas dos materiais;3.2 - importância das propriedades mecânicas nas atividades de construção e manutenção de navios, máquinas e equipamentos;3.3 - materiais para diferentes aplicações considerando os critérios estabelecidos pelas propriedades mecânicas;3.4 - propriedades tecnológicas dos materiais;3.5 - importância das propriedades tecnológicas nas atividades de construção e manutenção de navios, máquinas e equipamentos;3.6 - materiais para diferentes aplicações, considerando os critérios estabelecidos pelas propriedades tecnológicas, de uso ou utilização;3.7 - as propriedades de uso ou utilização dos materiais;

4 -Materiais metálicos ferrosos (Siderurgia)4.1 - matérias primas utilizadas no processo siderúrgico;4.2 - processo do alto-forno;4.3 - processo de transformação gusa-aço e gusa-ferro fundido;4.4 - principais ligas ferrosas;4.5 – Influência da constituição química nas propriedades apresentadas pelas principaisligas metálicas ferrosas;4.6 - os principais processos de transformações metalúrgicas ocorrentes nasligas metálicas ferrosas; e4.7 - as utilizações adequadas para as principais ligas metálicas ferrosas.

5 -Materiais metálicos não ferrosos 5.1 - principais materiais metálicos não ferrosos utilizados na construção de máquinas e equipamentos;5.2 - propriedades dos principais materiais metálicos não ferrosos utilizados na construção de máquinas e equipamentos; e5.3 - utilização dos materiais metálicos não ferrosos na construção de máquinas e equipamentos.6 -Princípios dos tratamentos térmicos 6.1 - princípios dos tratamentos térmicos;6.2 - etapas necessárias à realização da têmpera, revenimento e do recozimento dos aços;6.3 - fundamentos do processo de endurecimento por tratamento térmico dosnão metálicos;6.4 - processo de recozimento dos não metálicos;

BIBLIOGRAFIA1 1 - VAN VLACK, L. H. - VAN VLACK, L. H. Princípios de Ciências dos Materiais.Princípios de Ciências dos Materiais. 8 ed. São Paulo, Ed. Edgard 8 ed. São Paulo, Ed. Edgard Blücher LTDA, 1988.Blücher LTDA, 1988.

2 – FREIRE, J. M. 2 – FREIRE, J. M. Materiais de Construção Mecânica.Materiais de Construção Mecânica. Livros Técnicos e Científicos S.A. 1 ed., Livros Técnicos e Científicos S.A. 1 ed., Rio de Janeiro, 1977.Rio de Janeiro, 1977.

3 – REMY, A.; GAY, M.; GONTHIER, R. 3 – REMY, A.; GAY, M.; GONTHIER, R. MateriaisMateriais. Hemus, São Paulo, 1987.. Hemus, São Paulo, 1987.

4 – CHIAVERINI, Vicente. 4 – CHIAVERINI, Vicente. Tecnologia Mecânica.Tecnologia Mecânica. 1 ed. São Paulo, Ed. McGRAW-HILL do Brasil. 1 ed. São Paulo, Ed. McGRAW-HILL do Brasil. 1997. v.1.1997. v.1.

5 – CHIAVERINI, Vicente. 5 – CHIAVERINI, Vicente. Aços e ferros fundidos: Características gerais, tratamentos Aços e ferros fundidos: Características gerais, tratamentos térmicos, principais tipos.térmicos, principais tipos. 4ª ed. São Paulo, ABM, 1981. p. 504. 4ª ed. São Paulo, ABM, 1981. p. 504.

6 – COLPAERT, H. 6 – COLPAERT, H. METALOGRAFIA dos produtos siderúrgicos comuns. METALOGRAFIA dos produtos siderúrgicos comuns. 3 ed. São Paulo, Ed. 3 ed. São Paulo, Ed. Edgard Blücher LTDA, 1983.Edgard Blücher LTDA, 1983.

7 – CALLISTER, William. D. 7 – CALLISTER, William. D. Fundamentals of Materials Science and Engineering.Fundamentals of Materials Science and Engineering. 5th ed. New 5th ed. New York, Ed. John Wiley & Sons, Inc, 2001.York, Ed. John Wiley & Sons, Inc, 2001.

Introdução à ciência dos materiais

Historicamente o desenvolvimento e avanço das sociedades está fortemente ligado a habilidade de seus membros de produzir e manipular materiais para preencher suas necessidades.

Um grande avanço veio com a descoberta de que as propriedades dos materiais poderiam ser alteradas e melhoradas por tratamentos térmicos e ou através de combinações de diferentes materiais.

1.1 - Desenvolvimento e importância da Ciência dos Materiais.

Esta condição é tão marcante, que as diferentes eras de desenvolvimento das primeiras civilizações, eram referenciadas por diferentes níveis de desenvolvimento de materiais: Ex: idade da pedra e idade do bronze.

O homem primitivo utilizava somente materiais de ocorrência natural: pedra, madeira, argila, peles , etc. Com o tempo foram surgindo ao acaso, técnicas para produzir materiais de qualidade superior, como a cerâmica e alguns metais.

Entretanto, foi apenas nos últimos 60 anos que os cientistas vieram a entender a relação entre os elementos estruturais dos materiais e suas propriedades, possibilitando o desenvolvimento de centenas destes com a finalidade de atender as necessidades de nossa complexa sociedade. (Callister)

Atualmente a importância da ciência dos materiais reflete-se em diversos campos da atividade humana, entre os quais podem (resumidamente) serem citados:

Frequentemente, entraves ou “gargalos” no desenvolvimento de novas tecnologias, são atribuídos à lacunas na disponibilidade de grupos de materiais, que apresentem propriedades avançadas em condições de atender as condições limites estabelecidas em projetos.

Construção de máquinas e equipamentos Produção e acondicionamento de alimentos

Setor de transporte em geral

Medicina. Ex. Próteses

Informática e telecomunicações. Ex. chips e supercondutores

1.2 – Classificação dos Materiais

Os materiais sólidos tem sido convenientemente classificados nos seguintes grupos:

Metais

Polímeros

Cerâmicos

Cerâmicos

Cerâmicos são compostos entre elementos metálicos e não metálicos, frequentemente óxidos, nitretos e carbonetos. A vasta gama de materiais que cai dentro desta classificação inclui cerâmicas que são compostas de argila mineral, cimento e vidro.

Estes materiais são frequentemente maus condutores de calor e eletricidade. Com relação ao comportamento mecânico, cerâmicas normalmente são duras e frágeis (baixa tenacidade), conforme é indicado no quadro a seguir.

Gráfico comparativo de tenacidade à fratura

PolímerosOs polímeros incluem desde o plástico familiar a materiais de borracha. Os polímeros são compostos químicos de elevada massa molecular, resultantes de reações químicas de polimerização que resultam em grandes estruturas moleculares. estes materiais tipicamente têm baixas densidades e podem ser extremamente flexível. Muitos polímeros são empregados em conjunto com outros materiais com a finalidade de combinar propriedades, formando um sub-grupo de materiais chamados de compósitos. Ex. Fibra de vidro.

Materiais Metálicos

Metais são extremamente bons condutores de eletricidade e calor e não são transparentes para luz visível. Em alguns casos, apresentam propriedades desejáveis, como resistência mecânica e deformabilidade, justificando a ampla utilização em aplicações estruturais. Ex: ferro, cobre, alumínio, etc..

Liga metálica

É a união ou combinação de dois ou mais materiais metálicos (metaloide) com a finalidade de obter um produto final com propriedades mais adequadas para determinadas aplicações. Ex: Aço (ferro + carbono), Bronze (cobre + estanho), Latão (cobre + zinco), Aço inox ( Fe + C +Ni +Cr).

Quimicamente os materiais metálicos apresentam grande número de elétrons, porém não vinculados a determinados átomos. Muitas propriedades de metais são diretamente atribuíveis a estes elétrons.

Síntese da importância da ciência dos materiais:

Na construção mecânicaNa construção mecânica

PROJETOPROJETO

Nas Atividades ligadas à manutençãoNas Atividades ligadas à manutenção

EQUIPAMENTOEQUIPAMENTO OU OU

COMPONENTECOMPONENTE

MATERIAIS MATERIAIS DISPONÍVEISDISPONÍVEIS

MATERIAL MATERIAL ADEQUADOADEQUADO

IDENTIFICAÇÃO DO IDENTIFICAÇÃO DO MATERIALMATERIAL

PROCEDIMENTOSPROCEDIMENTOSMARTELARMARTELARAQUECERAQUECERSOLDARSOLDARUSINARUSINAR

2 – Estrutura atômica dos materiais

Modelo no qual os átomos constituintes agrupam-se para formar a micro e Modelo no qual os átomos constituintes agrupam-se para formar a micro e posteriormente a macro estrutura de um materialposteriormente a macro estrutura de um material

Dois modelos de formação são universalmente aceitos

Modelo dos materiais amorfos

Ocorre quando os átomos agrupam-se sem um padrão de repetibilidade no espaço tridimensional. Exemplo: Vidros, algumas cerâmicas e materiais sintéticos . Modelo dos materiais cristalinos

Ocorre quando os átomos agrupam-se em um padrão de repetição no espaço tridimensional. Exemplo: Materiais e ligas metálicas

Exemplo de modelo de cristalização na forma cúbica Padrão de repetibilidade - MEV

Existem 7 sistemas cristalinos originando podemos identificar 14 tipos diferentes de Existem 7 sistemas cristalinos originando podemos identificar 14 tipos diferentes de células unitárias, conforme quadro mostrado a seguir.células unitárias, conforme quadro mostrado a seguir.

Diferentes sistemas cristalinos.

Diferentes fases na solidificação de um material (metal) policristalino

(a) Formação dos primeiros sítios (células) de solidificação no meio líquido;

(b) Avanço da solidificação. Núcleos com diferentes direções de crescimento começam a encontrar-se;

(c) Estágios finais da solidificação, definição da forma e tamanho dos grãos

(d) Solidificação consumada, contorno dos grãos definidos. A forma final destes grãos irão ter forte influência em algumas propriedades do metal solidificado.

A forma final dos grãos resultantes tem grande influência no comportamento mecânico dos materiais.

Normalmente grãos mais finos ou refinados resultam em materiais com melhor capacidade de transmitir esforços mecânicos.

2 – Estrutura atômica dos materiais

Modelo no qual os átomos constituintes agrupam-se para formar a micro e Modelo no qual os átomos constituintes agrupam-se para formar a micro e posteriormente a macro estrutura de um materialposteriormente a macro estrutura de um material

Dois modelos de formação são universalmente aceitosModelo dos materiais amorfosOcorre quando os átomos agrupam-se sem um padrão de repetibilidade no espaço tridimensional. Exemplo: Vidros, algumas cerâmicas e materiais sintéticos . Modelo dos materiais cristalinos

Ocorre quando os átomos agrupam-se em um padrão de repetição no espaço tridimensional. Exemplo: Materiais e ligas metálicas

Exemplo de modelo de cristalização na forma cúbica Padrão de repetibilidade - MEV

Existem 7 sistemas cristalinos originando podemos identificar 14 tipos diferentes de Existem 7 sistemas cristalinos originando podemos identificar 14 tipos diferentes de células unitárias, conforme quadro mostrado a seguir.células unitárias, conforme quadro mostrado a seguir.

Diferentes sistemas cristalinos.

Diferentes fases na solidificação de um material (metal) policristalino

(a) Formação dos primeiros sítios (células) de solidificação no meio líquido;

(b) Avanço da solidificação. Núcleos com diferentes direções de crescimento começam a encontrar-se;

(c) Estágios finais da solidificação, definição da forma e tamanho dos grãos

(d) Solidificação consumada, contorno dos grãos definidos. A forma final destes grãos irão ter forte influência em algumas propriedades do metal solidificado.

A forma final dos grãos resultantes tem grande influência no comportamento mecânico dos materiais.

Normalmente grãos mais finos ou refinados resultam em materiais com melhor capacidade de transmitir esforços mecânicos.

Imagens metalográficas

Imagem metalográfica de amostra de aço

Imagem metalográfica de amostra de aço inox - MEV

Principais sistemas cristalinos (encontrados em materiais mais usuais)

Sistema cúbico – Neste caso, pode apresentar duas variações como mostrado a seguir:

Sistema cúbico de corpo centrado (ccc) – É o modelo de cristalização encontrado materiais como o ferro (abaixo de 910ºC), Cromo, Vanádio, Cromo, Vanádio, MolibdênioMolibdênio,, TungstênioTungstênio, Nióbio, Lítio, etc., Nióbio, Lítio, etc.

Sistema cúbico de corpo centrado

O principal parâmetro geométrico (parâmetro de rede) é a aresta do cubo unitário, como indicado na figura.

Célula unitária e parâmetro de rede (a).Número de átomos contidos em uma célula CCC

Vértices 1/8 x 8 = 1 átomo

Centro da célula = 1 átomoTotal = 2 átomos

Parâmetro de rede (a) em função do raio atômico

Do quadrado base de célula unitária

Relacionando com a diagonal principal

Portanto:

Quadrado base de célula

Fator de empacotamento:

Sistema cúbico faces centradas – É mais comum entre os metais do que o sistema CCC. Cristalizam segundo este modelo, entre outros, os seguintes materiais: cobre, alumínio, ouro, prata, etc.

Célula cúbica de faces centradas (CFC)Número de átomos contidos em uma célula CFC

Vértices 1/8 x 8 = 1 átomo

Centro das faces 1/2 x 6 = 3 átomos Total = 4 átomos

Parâmetro de rede (a) em função do raio atômico

De uma das faces do cubo

Fator de empacotamento:

Estrutura hexagonal compacta (HC)

A célula unitária do arranjo estrutural HC é formada por dois planos atômicos na forma de hexágonos, separados por um plano intermediário na forma triangular.

Cristalizam segundo este modelo, entre outros, os seguintes metais: magnésio

(Mg), zinco (Zn), cádmio (Cd), cobalto (Co), titânio (Ti) e berílio (Be).

Estrutura hexagonal compacta (HC)

A célula unitária do arranjo estrutural HC é formada por dois planos atômicos na forma de hexágonos, separados por um plano intermediário na forma triangular.

Cristalizam segundo este modelo, entre outros, os seguintes metais: magnésio

(Mg), zinco (Zn), cádmio (Cd), cobalto (Co), titânio (Ti) e berílio (Be).

Número de átomos contidos na célula HC

Vértices: 2 átomos

Faces: 1 átomo

Plano intermediário: 3 átomos

Total = 6 átomos

Cálculo do volume da célula

Parâmetro C

De uma das pirâmides internas formadas entre os átomos da base e do plano intermediário

Da vista de topo, é possível obter “d”

Cálculo do volume da célula

Parâmetro C

Fator de empacotamento FE = volume atômico / volume celular

Volume atômico:

Volume da célula = área do hexágono (base) X parâmetro c (altura do prisma)

Área do hexágono

Lembrando que: a = 2r (r = raio atômico)

Portanto: (4/3 x 3,14 x r3) ) x 6 = 25,12 r3 ;

Volume da célula = (3 x (2r)2 x √3) / 2) x 1,633 x 2r = 19,596 r3 √3

Relacionando:

Posições, direções e planos cristalinosFreqüentemente, é necessário identificar

posições, direções e/ou planos em um

cristal. Isto é particularmente importante no

caso dos metais e ligas metálicas que

apresentam propriedades que variam com a

orientação cristalográfica, chamados de

materiais anisotrópicos.

Os chamados planos e direções definidos como compactos, é de suma importância durante o processo de deformação plástica de materiais metálicos. Tal condição leva à necessidade de identificá-los para melhor compreender esses processos.Convenções foram estabelecidas, nas quais três índices foram estabelecidos para designar pontos, direções e planos cristalinos.A base para determinar estes índices, é a célula unitária, a partir de um sistema de coordenadas consistindo de três eixos (x, y e z), situado em um dos corners e alinhados com as arestas da célula, como mostra a figura a seguir

Orientações dos eixos cristalográficos.

Em cristalografia, o eixo x é a direção perpendicular ao plano do papel, o eixo y é a direção à direita do papel e o eixo z é a direção para cima; as direções negativas destes eixos são as opostas as orientações positivas

Posições em cristais cúbicos

A posição de qualquer ponto localizado dentro da célula unitária pode ser especificada em termos de múltiplos ou frações dos parâmetros de rede da célula.

Ou seja, a distância é medida em termos do número de parâmetros de rede, contados em cada direção, a partir da origem, até o ponto em questão.

As coordenadas das posições são os três números correspondentes às distâncias medidas, separados por vírgulas. A Figura a seguir mostra alguns exemplos de identificação de posições em cristais cúbicos.

Direções em cristais cúbicos

As direções cristalográficas são usadas para indicar uma orientação específica em um cristal simples ou em um material policristalino.

A notação usada para descrever essas direções é denominada índices de Miller. No sistema cúbico, as direções cristalográficas são obtidas a partir de seus componentes relativos a três eixos cartesianos

Determinando os índices de Miller das direções cristalográficas.

1 – Na maioria dos casos, um vetor de comprimento conveniente, é posicionado de tal forma que ele passa através da origem do sistema de coordenadas

O comprimento da projeção do vetor sobre cada eixo deve ser mensurado em termos inteiros ou frações dos respectivos parâmetros de rede relativos à cada eixo coordenado.

Os três valores encontrados devem ser divididos ou multiplicados por fator comum, a fim de reduzi-los ao menor valor inteiro.

Finalmente, os três valores, não separados por vírgula, são colocados entre colchetes. Para cada eixo considerado, é possível haver coordenadas negativas, neste caso, os índices apresentam barras na parte superior.

Exemplos de direções em cristais cúbicos

Planos em cristais cúbicos.

O conhecimento de determinados planos de átomos em um cristal, também é de suma importância, por exemplo, os metais deformam-se ao longo de planos de átomos que apresentam compacidade mais alta (planos mais densos).

Para identificar planos cristalinos em cristais cúbicos, a notação dos índices de Miller deve ser usada. Nesse caso, os índices de Miller são definidos como sendo os inversos das coordenadas de interceptação do plano de interesse com os eixos x, y e z.

O procedimento básico para determinar os índices de Miller para planos em um cristal cúbico devem seguir a seguintes orientações:

1. Identificar os pontos nos quais o plano intercepta os eixos x, y e z em termos de frações ou inteiros do número de parâmetros de rede; deve ser observado que se o plano passar na origem, essa deve ser movida (ou utiliza-se um plano paralelo que não passe pela origem);

2. Obter os inversos das interseções;

3. Eliminar os índices fracionários, mas não reduzi-los ao menor inteiro;

4. Colocar os índices entre parênteses, observando que, se algum deles for negativo, deve ser representado com uma barra sobre ele. Genericamente, as letras h, k e l entre parêntese são usadas para indicar os índices de Miller de um plano, ou seja, (h k l). 5.Famílias de planos (planos equivalentes ) são representadas pelos índices de Miller entre chaves. Ex:

Exemplos de identificações de planos em células cúbicas

Exemplos de índices de Miller para planos

Interceptos =

Índices de Miller =

Interceptos =

Índices de Miller =

Exemplo de procedimento para identificar plano passando na origem.

1 – Desde que o plano passa na origem, uma nova origem deve ser adotada, transladando a origem de O para O’.

2 – O plano é paralelo à direção X, logo a intersecção é no infinito (∞) e o inverso é 0 (zero)3 – O plano intercepta o eixo Y em -1 (um parâmetro de rede atrás da nova origem). Neste caso, o inverso é -1.4 – A projeção do plano intercepta o eixo Z na altura equivalente a metade de um parâmetro de rede, ou seja, 1/2, e portanto, o inverso é 2.

Densidade atômicas em células cúbicas

A partir da identificação de diferentes direções e planos nos modelos cristalinos, é possível estabelecer, entre estes, qual ou quais apresentam maior densidade atômica.

Densidade linear atômica

Densidade linear é definida como o número de átomos por unidade de comprimento cujos centros estão contidos sobre um vetor que especifica uma dada direção cristalográfica

Ou seja:

Unidade[ L-1]

Deve ser considerado o compartilhamento de células na direção considerada.

Exemplo:

Calcular a densidade linear para a célula unitária de cobre na direção cristalina [1 1 0]

Número de centros de átomos contidos no comprimento do vetor direção

3 centros

Átomos compartilhados na direção do vetor

Os átomos X e Z são compartilhados cada um com uma célula adjacente na direção considerada, restando 1/2 átomo em cada corner

Total de átomos 1/2 + 1 + 1/2 = 2 átomos

Comprimento do vetor direção = 4 raios atômicos

Portanto

DLA = 2 / (4 x raio atômico do cobre) = 2/ (4 x 1,278 x 10 -8) = 3,91 x 10 7 cm -1

Densidade Planar

De maneira análoga, a densidade planar (DP) é considerada como sendo o número de átomos por unidade de área que são centrados em determinado plano cristalino

Deve ser considerado o compartilhamento de átomos nas duas direções do plano.

Unidade[ L-2]

Exemplo:

Calcular a densidade planar para a célula unitária CFC no plano (1 1 0)

Número de átomos contidos no plano, considerando o compartilhamento.

2 átomos = ( 1/4 em cada corner + (1/2 + 1/2) Faces)

Área do plano

Portanto: DP = 2 / 8 R 2 √2

= a x (a √2) = 8 R 2 √2 a = Parâmetro de rede;R = Raio atômico.

Defeitos ou imperfeições cristalinas

As propriedades de alguns grupos de materiais são fortemente influenciadas pela presença das imperfeições cristalinas.

Por exemplo, as propriedades mecânicas de alguns importantes materiais, são incrementadas pela adição de impurezas adequadas no processo de formação de ligas metálicas.

Tem sido idealmente assumido que existe uma perfeita ordem na distribuição atômica em uma estrutura cristalina.

Entretanto, tal modelo de solidificação não existe, um grande número de situações que afastam-se do padrão ideal são facilmente encontradas na grande maioria dos materiais. Estas variações são denominadas de defeitos ou imperfeições cristalinas.

Nem sempre a presença das imperfeições é adversa, em algumas situações, são propositalmente inseridas.

Entende-se como defeito cristalino qualquer irregularidade na rede cristalina tendo uma ou mais de suas dimensões na ordem de um diâmetro atômico.

Classificação dos defeitos cristalinos:Defeitos de ponto.O mais simples dos defeitos de ponto são os vazios. São caracterizados pela ausência de átomos em posições que deveriam estar ocupada na rede cristalina.

Os defeitos intersticiais são defeitos de ponto nos quais um átomo posiciona-se em posição na rede cristalina onde deveria haver um vazio (interstício). São menos comuns que os vazios, em decorrência da grande deformação que provoca na rede cristalina.

Impurezas em metaisMesmo com técnicas modernas e extremamente sofisticadas é difícil refinar metal a nível de pureza que exceda 99,9999%.

Mesmo neste nível de refino 1022 a 1023 átomos de impurezas estarão presentes em um metro cúbico de material.Em decorrência, a maioria dos materiais metálicos utilizados na construção de máquinas e equipamentos, são na verdade, ligas metálicas.Na maioria das vezes, átomos de impurezas são adicionados intencionalmente. Em alguns casos, são provenientes do processamento inicial do material, podendo ser altamente indesejáveis. Ex: fósforo e enxofre no ferro.

A adição intencional, busca melhora de propriedades como resistência mecânica, resistência à corrosão, melhora de soldabilidade etc.

Solução sólidaA solução sólida forma-se quando átomos de impurezas (soluto) são adicionados aos átomos do material principal ou solvente, sendo mantida a sua estrutura cristalina e sem a formação de nova estrutura (fase). A adição de átomos de soluto na formação de soluções sólidas resulta na ocorrência de defeitos de pontos na estrutura cristalina, em uma das condições indicadas a seguir.

Solução sólida substitucional

Ocorre quando átomos de soluto substituem átomos de solvente na rede cristalina. Ex: Ligas Cu-Ni

Algumas características de solvente e soluto favorecem à formação de soluções substitucionais. As principais são:

Tamanho do raio atômico – Normalmente as S.S.S. só ocorrem quando a diferença entre os raios atômicos é menor do que 15%.

Solução sólida intersticial

Quando o raio atômico do soluto é consideravelmente menor que o raio do solvente, este tende a ocupar os vazios (interstícios) na rede cristalinas, originando as soluções sólidas intersticiais. Ex. Aço ( Fe + C).

Estrutura cristalina – Para um elevado nível de solubilidade na forma de S.S.S. é necessário que solvente e soluto apresentem a mesma estrutura cristalina.

PROPRIEDADES GERAIS DOS MATERIAIS.São particularidades associadas aos materiais que estabelecem seu grau de adequação em diferentes condições de uso, observando critérios tais como: Capacidade de transmitir esforços mecânicos;Facilidade de transformação por processos usuais de fabricaçãoMeio ambiente de uso ou utilização

PROPRIEDADES MECÂNICAS;

São diretamente relacionadas com a capacidade do material de transmitir esforços mecânicos sem apresentar deformações permanentes (que inviabilizem o uso posterior do material) ou rupturas.

CLASSIFICAÇÃO DAS PROPRIEDADES

De acordo com cada critério observado, as propriedades são classificadas em três principais grupos.

PROPRIEDADES TECNOLÓGICAS; PROPRIEDADES DE USO OU UTILIZAÇÃO

PROPRIEDADES MECÂNICAS

Ou seja, refletem o comportamento mecânico do material, que por sua vez, é a relação entre o grau de deformação apresentado pelo material em decorrência de determinada carga ao qual estará sujeito.

As principais propriedades mecânicas são:

Resistência mecânica;

Resiliência; Elasticidade Dureza

As propriedades mecânicas são mensuradas a partir de criteriosos ensaios realizados em laboratórios , nos quais, procura-se reproduzir a condições encontradas em serviço.

A confiabilidade dos ensaios é garantida pela observância das normas ou padrões estabelecidos por entidades classificadoras internacionais, entre as quais a ASTM (American Society For Testing and Materials)

Resistência mecânicaO grau de resistência mecânica apresentado por um determinado material é avaliado pelo seu comportamento quando sujeito a carregamentos definidos como estáticos ou lentos (monotônicos), entre os quais, tração, compressão, cisalhamento e torção.

Tenacidade

Ductilidade;

Cargas estáticas ou lentas (monotônicas)

Medida da resistência mecânica dos materiaisEnsaio de traçãoUma das formas mais usuais de avaliar a resistência mecânica de um material é a através do ensaio de tração, embora, dependendo do interesse ligado à utilização do material, possam ser realizados ensaios de compressão, cisalhamento e torção.

Neste ensaio, um corpo de prova com dimensões padronizadas, é submetido a uma carga monotônica (crescimento lento) na direção axial, provocando deformações que levam até a ruptura.

Exemplo de corpo de prova.

Aparato para teste de tração

Registros do ensaio de tração

Durante a realização do ensaio, são feitos dos principais registros:

Tensão desenvolvida no corpo de prova. É a relação entre a carga (força) aplicada e a área da seção transversal do corpo de prova.

Onde:

= Esforço (tensão de tração) desenvolvido no material (N/m2 ) = Pascal ;

= Força aplicada em cada intervalo de medição (N)

= Área da seção transversal medida antes do ensaio.

Deformação específica.

É a relação entre a variação de comprimento a cada intervalo de medição e o comprimento inicial do corpo de prova.

Ou seja:

Onde:

= Deformação relativa (adimensional)

= comprimento final do corpo de prova (rompido)

= comprimento inicial do corpo de prova .

Diagrama tensão x deformação.

O diagrama tensão x deformação materializa os resultados obtidos no ensaio de tração. Trata-se de um diagrama cartesiano no qual as grandezas , Tensão (ordenada) e deformação específica (abscissa) são relacionados indicando o comportamento do material nas diversas fases do ensaio.

A partir deste diagrama é possível se obter dados para avaliar a resistência além de outras importantes propriedades mecânicas. A seguir é apresentado um diagrama tensão x deformação clássico.

Dependendo da natureza e do comportamento do material, o diagrama originado pode apresentar diferentes aspectos. Alguns exemplos são apresentados a seguir.

Pontos notáveis do diagrama σ x ε

Diagrama σ x ε

σ p = Tensão limite de proporcionalidade;σ y = Tensão limite de escoamento;σ f = Tensão de fratura ou ruptura;σ u = Tensão última ou tensão máxima.

Diagrama σ x ε

α

Caracterização da resistência mecânica.

Na zona elástica (Intervalo OA), tensão é proporcional à deformação, ou seja: a relação σ/ε é uma constante cujo valor é igual a tangente do ângulo α indicado no diagrama. Nesta condição é observada a lei de Hooke aplicada aos materiais (σ = E.ε). O coeficiente de proporcionalidade E, denominado de módulo de rigidez longitudinal do material ou coeficiente de Young é numericamente igual a tangente do ângulo α.

Diagrama σ x ε

α

Caracterização da resistência mecânica.

O módulo de rigidez (E) ( as vezes citado como módulo de elasticidade) é considerado um forte indicador do nível de resistência mecânica dos materiais, ou seja: Quanto maior o módulo, maior é a capacidade do material de transmitir esforços ocasionados por cargas estáticas ou lentas.

A seguir é apresentado uma tabela resumida com valores de módulo de rigidez de alguns importantes materiais.

Valores tabelados de módulo de rigidez a temperatura ambiente

Embora o módulo de rigidez seja um parâmetro usual para a definição das propriedades mecânicas, frequentemente o parâmetro utilizado para projetar componentes de maquinas, é a tensão limite de escoamento.

Comparando os dois materiais no gráfico a seguir, qual apresenta maior resistência mecânica?

Embora o material B venha a consumir maior nível de energia até a sua ruptura, o módulo de rigidez do material A é maior (maior ângulo em relação à horizontal) e, portanto, tem maior resistência mecânica.

Na prática este limite de tensão é o máximo valor de esforço que o material pode transmitir sem apresentar deformações plásticas ou permanentes, condição essencial na grande maioria dos projetos de componentes mecânicos.A utilização do limite de escoamento como indicador de resistência mecânica é importante sobretudo devido a maior sensibilidade a alterações nas condições dos materiais tais como: tratamentos térmicos, adição de elementos de liga ou mesmo variação de temperatura.

Comportamento do ferro em três níveis de temperaturas

Em alguns casos, como por exemplo no ensaio de materiais muito plásticos, o limite de escoamento é determinado, projetando-se uma deformação em torno de 0,2% como mostrado a seguir.

DuctilidadeDuctilidade é outra importante propriedade mecânica . No ensaio de tração, representa o grau de deformação plástica apresentado pelo material até a sua fratura. Materiais que apresentam pouca ou nenhuma fratura, são denominados de materiais frágeis, o comportamento contrário é característico dos materiais dúcteis.

O gráfico ao lado indica o comportamento diferenciado apresentado por materiais frágeis e dúcteis por ocasião do ensaio de tração.

O conhecimento da ductilidade dos materiais é importante no mínimo por dois aspectos:1 – Índica o grau de deformação plástica apresentado pelo material antes da fratura e;2 – Especifica o grau de deformação permitido ao material quando transformado por processos de conformação mecânica. Neste caso, a ductilidade pode ser entendida como uma propriedade tecnológica.

Normalmente um material é considerado frágil quando apresenta valor de deformação antes da ruptura menor do que 5%

Em termos de alongamento percentual:

Onde:

= comprimento final da amostra após a ruptura

= comprimento inicial da amostra antes da ruptura

Em termos de redução percentual de área:

Onde:

= Área inicial (antes do ensaio)

= Área reduzida na região de fratura

Medida de ductilidadeA ductilidade pode ser avaliada quantitativamente tanto pelo alongamento percentual quanto pela redução percentual de área na região de fratura. Ou seja:

A seguir são apresentados alguns valores de ductilidade (% EL) para alguns metais e ligas metálicas utilizados na construção de máquinas se equipamentos.

As figuras a seguir apresentam seções fraturadas para o caso de fraturas dúcteis e frágeis.

Fratura dúctil Fratura frágil

Propriedades mecânicas de materiais.

Resiliência Resiliência é a propriedade mecânica relacionada à capacidade do material de absorver energia quando é deformado elasticamente. O índice indicador da resiliência, é o módulo de resiliência(Ur), o qual é a energia por unidade de volume requerida para deformar um material (completamente descarregado) até o limite de escoamento.

A resiliência pode ser quantificada como sendo a área sob o diagrama tensão x deformação nos limites da zona elástica. Ou seja:

Utilizando a lei de Hooke (σ = E.ε) na equação anterior:

Ou seja:Quanto maior for o limite de escoamento e menor a rigidez maior será a resiliência do material.Materiais utilizados na fabricação de molas devem apresentar elevada resiliência.

TenacidadeTenacidade é a propriedade mecânica que é relacionada com a capacidade dos materiais de absorver energia, até a ruptura, quanto sujeitos a transmissões de esforços que superem seus limites de resistência

Para carregamentos monotônicos (estáticos ou lentos), a tenacidade do material pode ser avaliada pela área sob o diagrama tensão x deformação

A principal diferença em relação a medida de resiliência, é que no caso da tenacidade, considera-se a energia absorvida nas regiões elásticas e plástica. Esta condição é indicada na figura a seguir.

Diagrama comparativo entre resiliência e tenacidade.

A unidade de tenacidade é a mesma de resiliência, ou seja: energia / volume. No sistema internacional: Joule / m3

Para um material apresentar boa tenacidade, além de boa resistência mecânica, este também deve apresentar boa ductilidade.

O ensaio destrutivo denominado de Charpy é utilizado para avaliar a tenacidade dos materiais utilizando carregamentos dinâmicos.

Neste ensaio, é utilizado um pendulo de massa conveniente, que após ser elevado a determinado altura, é liberado de encontro a amostra de material ser avaliado.A amostra deve quebrar-se em um único golpe. A diferença da altura do pendulo após o golpe em relação a posição inicial é a medida da tenacidade

Esquema do ensaio Charpy,

Embora o material A apresente melhores índices indicadores de resistência mecânica, O fato do material B apresentar maior ductilidade leva a uma maior absorção de energia até a ruptura, tornando este material mais tenaz.

Navio tanque quebrado por propagação de fratura frágil de trincas

DurezaDureza é definida como a propriedade mecânica relacionada com a resistência ao desgaste superficial ou ainda a resistência a deformação plástica localizada.

Avaliações quantitativas de dureza são baseadas na ação de endentadores ou marcadores forçados contra a superfície do material avaliado, sob condições controladas de carga e taxa de aplicação.

A profundidade ou tamanho da marca resultante (rechaço) é a principal referência para determinar o valor correspondente à dureza do material.

Medidas de dureza são mais freqüentes do que qualquer outro teste mecânico, isto deve-se principalmente aos seguintes pontos:

1 – São de execução simples, sem necessidade de grande preparação do material;

2 – São ensaios não destrutivos, ou seja, a amostra não é fraturada nem excessivamente deformada;3 – Outras propriedades mecânicas podem ser estimadas a partir do ensaio de dureza, como por exemplo a resistência mecânica.

Relação entre dureza e resistência mecânica.

Medidas de dureza

O teste de dureza Brinell consiste em comprimir lentamente uma esfera (endentador ou penetrador) de aço temperado, de diâmetro D, sobre uma superfície plana, polida e limpa de um metal, empregando carga F, durante um tempo t, produzindo uma calota esférica de diâmetro d.

Teste de dureza Brinell

No ensaio padronizado Brinell a esfera de aço endurecido ou metal duro tem 10 mmde diâmetro com uma carga de 500 a 3000 kgf com incrementos de 500 kgf. A carga total é normalmente aplicada por10 ou 15 segundos no caso de ferro fundido ou aço , podendo chegar a 30 segundos para outros metais.

Determinação da dureza Brinell a partir do ensaio.

O número da dureza Brinell é função da magnitude da carga e do diâmetro da impressão resultante no material. O diâmetro é medido com lupa graduada em duas direções ortogonais e o resultado é empregado na relação a seguir: Onde:

D = diâmetro da esfera;Di = diâmetro do impressão;F = Carga em kgf

Representação padronizada do resultado de dureza Brinell

Ensaio de dureza RockwellUtiliza um endentador na forma de diamante cônico ou esfera de aço endurecido. Na primeira fase do teste é aplicada uma pré-carga (10 kgf) sobre a superfície do material.

Medição de dureza Rockwell

Após a penetração estabilizar no ponto de equilíbrio, então é aplicada a carga principal ( 60 100 ou 150 kgf), aumentando a penetração a partir da condição inicial. Após isto, a carga é aliviada ao nível da carga inicial, havendo recuperação da deformação localizada e estabilizando em nova posição.

Medição de dureza RockwellFinalmente, a medida entre as duas posições de equilíbrio é a referência

para determinar o número de dureza Rockwell conforme indicado a seguir.

De acordo com as diferentes condições utilizadas na medição existem diferentes escalas de dureza Rockwell como mostrado a seguir:

Quadro geral de ensaios de dureza

Comparações entre diversas escalas de dureza