UNIVERSIDADE DE CAXIAS DO SUL

Curso de Engenharia de Produção Curso de Engenharia Mecânica Curso de Engenharia Química

CCIIÊÊNNCCIIAA DDOOSS MMAATTEERRIIAAIISS

Produto Produção Qualidade Processos

Processamento

Microestrutura

PPrrooff.. AAlleexxaannddrree VViieecceellllii

Propriedades Desempenho

Custo

Manutenção

Composição

,, DDrr.. EEnngg.. CC..

Caxias do Sul 2006

Sumário 1. Introdução à Ciência dos Materiais ___________________________________________________________ 3

1.1. Um breve histórico do desenvolvimento de materiais __________________________________________________________________ 3 1.2. Apresentação dos tipos de materiais para peças técnicas _______________________________________________________________ 3 1.3. Panorama geral do uso de materiais - referência: indústria automotiva ____________________________________________________ 5

2. Propriedades______________________________________________________________________________ 6 2.1. Densidade: ___________________________________________________________________________________________________ 6 2.2. Propriedades Mecânicas: ________________________________________________________________________________________ 6 2.3. Propriedades Térmicas: ________________________________________________________________________________________ 11 2.4. Propriedades Elétricas e Magnéticas: _____________________________________________________________________________ 11 2.5. Propriedades Ópticas: _________________________________________________________________________________________ 12 2.6. Propriedades Químicas: ________________________________________________________________________________________ 12

3. Ligas Metálicas __________________________________________________________________________ 15 3.1. Metais Monofásicos___________________________________________________________________________________________ 15 3.2. Propriedades das Ligas Monofásicas ______________________________________________________________________________ 17 3.3. Classificação das Ligas Metálicas ________________________________________________________________________________ 19 3.4. Critérios de Seleção de Ligas Metálicas ___________________________________________________________________________ 21

4. Cristalinidade e Microestrutura _____________________________________________________________ 24 4.1. Reticulados Principais _________________________________________________________________________________________ 25 4.2. Ligação Metálica _____________________________________________________________________________________________ 27 4.3. Defeitos Cristalinos ___________________________________________________________________________________________ 27 4.4. Estrutura Granular dos Materiais: ________________________________________________________________________________ 28

5. Deformação dos Materiais__________________________________________________________________ 31 5.1. Deformação Elástica __________________________________________________________________________________________ 31 5.2. Direções e Planos dos Cristais ___________________________________________________________________________________ 31 5.3. Deformação Plástica __________________________________________________________________________________________ 32 5.4. Discordâncias________________________________________________________________________________________________ 34

6. Efeito da Temperatura nos Metais ___________________________________________________________ 38 6.1. Deformação a Quente _________________________________________________________________________________________ 40 6.2. Introdução aos Tratamentos Térmicos Industriais ____________________________________________________________________ 40

7. Metais Bifásicos e Diagramas de Equilíbrio____________________________________________________ 42 7.1. Diagramas de Equilíbrio Diversos ________________________________________________________________________________ 42 7.2. Diagrama de Equilíbrio Fe-C____________________________________________________________________________________ 44 7.3. Ligas Ferrosas _______________________________________________________________________________________________ 47

8. Efeito da Velocidade de Resfriamento nos Metais_______________________________________________ 50 8.1. Fases Metaestáveis____________________________________________________________________________________________ 50 8.2. Os Tratamentos Térmicos nos Aços ______________________________________________________________________________ 50 8.3. Endurecimento por Precipitação _________________________________________________________________________________ 52

9. Difusão _________________________________________________________________________________ 54 9.1. Tratamentos Termoquímicos ____________________________________________________________________________________ 54 9.2. Sinterização _________________________________________________________________________________________________ 56

10. Introdução aos Materiais Cerâmicos ________________________________________________________ 59 10.1 Processamento ______________________________________________________________________________________________ 61

11. Materiais Poliméricos ____________________________________________________________________ 63 11.1. Histórico __________________________________________________________________________________________________ 63 11.2. Definições básicas ___________________________________________________________________________________________ 63 11.3. Tipos de Polímeros e Características Gerais _______________________________________________________________________ 68 11.4. Processamento de Material Termoplástico ________________________________________________________________________ 74

Bibliografia _______________________________________________________________________________ 77 A presente apostila é material exclusivo de uso acadêmico, não podendo ser comercializada. O autor não se responsabiliza pelo uso inadequado da mesma.

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1. Introdução à Ciência dos Materiais 1.1. Um breve histórico do desenvolvimento de materiais Como sabemos, as necessidades concretas básicas do ser humano são:

Alimentos Energia Materiais

A importância histórica dos materiais pode ser avaliada pelas diferentes eras das civilizações trogloditas e antigas:

idade da pedra lascada: 10.000 aC idade da pedra polida: 4500 aC idade do cobre idade do bronze: 3000 a 1000 aC idade do ferro: 1000 aC a 1620 dC

A partir de 1620, tecnologias diversas passaram a ser integradas na indústria: tecnologia do ferro fundido: 1620 em diante tecnologia dos aços: 1850 em diante tecnologia das ligas leves: 1940 em diante

Os materiais podem ser classificados, atualmente, em quatro níveis, conforme o grau de conhecimento científico utilizado no seu desenvolvimento (Hornbogen, citado por Padilha(1)): 1. Materiais naturais: pedra, madeira, couro, borracha (látex), couro, cobre, etc. 2. Materiais desenvolvidos por meio de sistemática experimentação empírica: bronze, aço, latão, ferro fundido, vidro, concreto, etc. 3. Materiais desenvolvidos com auxílio de conhecimentos científicos: Alumínio e suas ligas, titânio e suas ligas, magnésio e suas ligas, aços inoxidáveis, termoplásticos, elastômeros, metal-duro. 4. Materiais projetados desenvolvidos quase que exclusivamente a partir de fundamentos científicos: superligas, ligas de efeito memória, aços de alta resistência, vidros metálicos, cerâmicas técnicas (SiAlON, Al2O3, ZrO2, etc.), semicondutores, materiais para reatores nucleares, etc. 1.2. Apresentação dos tipos de materiais para peças técnicas Durante as últimas gerações, nós presenciamos e nos beneficiamos com o desenvolvimento de numerosos novos sistemas tecnológicos. Uma grande fração da energia elétrica gerada vêem de plantas geradoras de força nuclear. Aviões a jato de alta velocidade carregam centenas de passageiros e carregarão muito mais em alguns anos em velocidades extraordinárias. Naves espaciais tripuladas já visitaram a lua e se preparam para levar a vida humana a outros planetas. Perto de todos nós, computadores de alta velocidade afetam a vida de todos nós, com velocidades de processamento cada vez maiores. Avanços na indústria eletrônica tem permitido o desenvolvimento de satélites de comunicação, televisão de alta resolução, laser em operações médicas sofisticadas e usuais. Cada uma destas tecnologias avançaram pelo desenvolvimento de novos materiais. Estes desenvolvimentos enfatizam a importância dos materiais como blocos de construção primária para desenvolvimentos de engenharia. Por outro lado, as propriedades dos materiais ditaram cada projeto e aplicação útil que o engenheiro pode desenvolver. Mas com a presente sofisticação da ciência dos materiais, não é raro requerer novos materiais, com novas propriedades para serem incorporados em projetos.

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Materiais são substâncias feitas ou compostas de alguma coisa (matéria). Alguns dos materiais encontrados comumente na vida diária são madeira, concreto, tijolo, aço, plástico, vidro, borracha, alumínio, cobre e papel. Há muitos tipos de materiais, bastando olhar ao nosso redor. A utilidade dos materiais para as necessidades atuais e futuras incentiva a pesquisa e o desenvolvimento de novos materiais. A Ciência dos Materiais é primariamente concebida com o intuito de desenvolver conhecimentos sobre a estrutura interna, propriedades e processamento de materiais. A Engenharia dos Materiais tem o objetivo principal de aplicar os conhecimentos sobre os materiais para que os mesmos possam ser convertidos em produtos desejáveis para a sociedade. Para mostrar como a Ciência dos Materiais interage com outros campos de estudo, é conveniente elaborar uma régua relativa ao campo observado, como abaixo:

Filosofia Física Nuclear

Ciência dos materiais

Engenharia Estrutural

10-16 10-12 10-8 10-4 104 cm 1

A relação entre a Ciência dos Materiais e a Engenharia dos Materiais envolve vários níveis de sofisticação científica e técnica. É necessário discutir esta relação em dois domínios importantes para a engenharia industrial: 1) Uso inteligente de materiais: Significa saber as limitações dos materiais, baseado no conhecimento dos fenômenos que podem ocorrer sob certas condições. Ex. a) Alteração das propriedades mecânicas de materiais dependentes da temperatura. b) Alteração das propriedades dos polímeros, quando expostos a radiações nucleares. 2) Relações entre Projeto e Desenvolvimento de Materiais: Em muitos sistemas de engenharia, a performance global do sistema é diretamente limitada pelas capacidades dos materiais dos componentes. Nestes casos, o objetivo da engenharia é balançar a vida útil exigida do equipamento, com a capacidade dos componentes suportarem toda a ação sobre eles. O projeto e a aplicação de materiais não podem ser otimizados separadamente, quando se está trabalhando perto do limite de capacidade do material. Ex.: Utilização de chapas de Fe-Si 3% para a fabricação de transformadores, levando em conta o aspecto de anisotropia da propriedade magnética (permeabilidade). 1.2.1. Tipos de Materiais: 1. Materiais Metálicos: São substâncias inorgânicas, as quais são compostas de um ou mais elementos metálicos e podem também conter elementos não-metálicos. Exemplos de elementos metálicos são: ferro, cobre, alumínio, níquel e titânio. Elementos não-metálicos como o carbono, nitrogênio e oxigênio podem estar contidos nos materiais metálicos. Metais tem uma estrutura cristalina, na qual os átomos são arranjados de uma maneira ordenada. Metais são bons condutores elétricos e térmicos. Muitos metais são relativamente resistentes e dúcteis na temperatura ambiente, e muitos mantêm boa resistência mesmo em altas temperaturas. Metais e suas ligas são divididos em duas classes comumente: metais ferrosos e metais não-ferrosos. 2. Materiais Poliméricos: A maioria dos materiais poliméricos consiste de longas cadeias moleculares orgânicas ou redes. Estruturalmente, a maioria dos materiais poliméricos são não-cristalinos, mas alguns consistem de uma mistura de regiões cristalinas e não-cristalinas. Devido 4

a sua natureza de sua estrutura interna, a maioria dos materiais poliméricos são pobres condutores de eletricidade. Em geral, os materiais poliméricos têm baixa densidade e amolecimento em baixas temperaturas. 3. Materiais Cerâmicos: São materiais inorgânicos, os quais consistem de elementos metálicos e não-metálicos quimicamente ligados. Podem ser cristalinos, não-cristalinos, ou mistura de ambos. A maioria dos cerâmicos tem alta dureza e resistência a alta temperatura, mas tendem a ter fratura frágil. Muitas partes de modernos motores de combustão interna são fabricadas em materiais cerâmicos. As vantagens dos materiais cerâmicos são: baixo peso, alta resistência e dureza, resistência ao calor e ao desgaste, atrito reduzido e propriedades de isolação. 4. Materiais Compósitos: São misturas de dois ou mais materiais. Muitos materiais compósitos consistem de um material de reforço e uma resina ligante compatível para obter características específicas e propriedades desejadas. Os compósitos predominantes são do tipo fibroso (fibras imersas em uma matriz) ou do tipo particulado (partículas imersas em uma matriz). Ex. Fibra de vidro em matriz poliéster ou epóxi. 1.3. Panorama geral do uso de materiais - referência: indústria automotiva A dissecação de um automóvel novo revela um conjunto de componentes envoltos por três grandes tipos de materiais: plástico, alumínio e aço. Enquanto os plásticos dominam o interior do veículo e o aço permanece como a escolha para os painéis exteriores, o alumínio continua a espalhar seus tentáculos sob o capô. De fato, o veículo multi-material não está limitado apenas nestes três tipos de materiais; está entrando em cena, para aplicações de interior e sob o capô, o magnésio. A quantidade média dos três grandes tipos de materiais utilizados em um veículo modelo 1996 foi:

112 kg de alumínio (segundo a Aluminium Association); 120 kg de plásticos (segundo a American Plastics Council); 807 kg de aço (segundo a American Iron and Steel Institute)

Dentro do guarda-chuva dos plásticos, os compósitos moldados em chapa ou SMC (Sheet Molding Composite) é o preferido para painéis exteriores. Embora 90% das novas aplicações sejam em painéis exteriores, componentes estruturais como tampas, grades, suportes de painéis e barras transversais estão sendo feitos por SMC. O primeiro carro elétrico da General Motors, o EV1, usa SMC na maioria dos painéis do veículo: capô, portas, teto, tampas, canais de drenagem. Os painéis são de SMC de baixa densidade, o qual incorpora microesferas de vidro, tendo uma densidade específica de 1,3. O SMC convencional tem densidade específica de 1,9 e o aço tem 7,85.

O alumínio cresceu em 80% nas aplicações veiculares nos últimos 5-10 anos e 58% do total consumido pela indústria automotiva é alumínio reciclado. Os motores se constituem na aplicação mais usual para o alumínio, seguida pela transmissão. A expectativa, segundo a ALCOA, que no ano 2015, cada veículo utilize de 250 a 340kg de alumínio. Há mais de 10 anos, o aço tem mantido seus 55% de peso do veículo (carros de passeio, veículos esportivos, caminhões leves e minivans) devido ao seu baixo custo (US$ 0,77 por kg nos USA). Para garantir o aço como a primeira escolha para o exterior do veículo, a indústria do aço está fazendo consideráveis estudos como o ULSAB (UltraLight Steel Auto Body), de modo a obter redução de peso da estrutura, baixo custo e melhor rigidez torcional, mantendo a facilidade de processamento.

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2. Propriedades 2.1. Densidade:

A definição clássica é "peso por unidade de volume". O valor inverso é chamado "volume específico". A tabela 2.1 mostra a densidade, de alguns metais mais conhecidos. Nas ligas metálicas, a densidade muda devido à incorporação de outros átomos com massa diferente, bem como às alterações na microestrutura. Tabela 2.1 - Densidade e temperatura de fusão de alguns elementos.

Elemento Símbolo Densidade (g/cm3) Ponto de fusão (°C) Alumínio Al 2,699 660

Berílio Be 1,848 1277 Carbono (grafita) C 2,25 3727

Cromo Cr 7,19 1875 Cobre Cu 8,96 1083

Chumbo Pb 11,36 327 Estanho Sn 7,30 232

Ferro Fe 7,87 1539 Manganês Mn 7,43 1245 Magnésio Mg 1,74 650

Molibdênio Mo 10,22 2610 Nióbio Nb 8,57 2468 Níquel Ni 8,90 1453 Ouro Au 19,32 1063

Titânio Ti 4,51 1668 Tungstênio W 19,3 3410

Vanádio V 6,10 1900 Zinco Zn 7,13 419

2.2. Propriedades Mecânicas: A resistência mecânica de um material é caracterizada pelo parâmetro chamado tensão, que é a resistência interna de um corpo a uma força externa aplicada sobre ele, por unidade de área. Considerando uma barra de área transversal A0 submetida a um esforço de tração F, a tensão (σ) é medida por: σ = F / A0

L

∆L L0

F

A0 Figura 2.1- Barra submetida a esforço de tração Com a aplicação da tensão σ, a barra sofre uma deformação ε. A carga F produz um aumento da distância L0, de um valor ∆L. A deformação é dada, então por:

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ε = ∆L / L0 onde: ∆L = L – L0 Deve-se observar que a tensão tem a dimensão de força por unidade de área e a deformação é uma grandeza adimensional.

A tensão pode ser relacionada com a deformação através da equação correspondente a lei de Hooke:

σ = E . ε

onde E é uma constante do material denominada módulo de elasticidade. A tabela 2.2 mostra módulos de elasticidade para vários metais e ligas.

Esta relação é válida para os materiais metálicos, dentro de uma região de um gráfico σ x ε, denominada região elástica.

X B

OA – Parte elástica AB – Parte plástica X - ruptura

A

Deformação (ε)

Tensão (σ)

O

Figura 2.2 - Gráfico tensão x deformação da barra metálica da figura 1 A região elástica é a parte linear do diagrama mostrado na figura 2.2 (trecho OA). Se, em qualquer ponto deste trecho, a carga for aliviada, o descarregamento volta sobre a reta AO, sem apresentar qualquer deformação residual ou permanente. Terminada a zona elástica, atinge-se a zona plástica, onde a tensão e a deformação não são mais relacionados por uma simples constante de proporcionalidade, ocorrendo deformação permanente. 2.2.1. Resistência à tração: A resistência à tração é uma das propriedades mais importantes dos materiais, pois por intermédio de sua determinação, podem ser obtidas características significativas do material, tanto a nível de projeto, quanto de controle de qualidade. A resistência à tração, como também as outras propriedades mecânicas depende do tipo de material, do teor de elementos de liga, das condições de fabricação e tratamento, da estrutura, da temperatura, etc. Os valores obtidos nos ensaios de tração permitem ao projetista: 1. conhecer as condições de resistência do material sem que sofra deformação permanente; 2. superada a fase elástica, conhecer até que carga o material pode suportar, em condições

excepcionais. Além disto, o exame da fratura do corpo de prova, depois de realizado o ensaio, permite verificar o comportamento dúctil ou frágil do material e a presença de eventuais falhas originadas durante a sua fabricação (ex. porosidades de fundição). De um ensaio de tração convencional, são obtidos os seguintes dados do material: 1. Limite de resistência à tração: valor da máxima tensão suportada pelo material (MPa); 7

2. Limite de escoamento: tensão que caracteriza o início da fase plástica (MPa); 3. Alongamento após a ruptura: valor do alongamento permanente, medido no corpo de prova,

após o rompimento; 4. Coeficiente de estricção: redução percentual da área, medido no corpo de prova após o

rompimento.

X

O

σe

Deformação (ε)

Tensão (σ) σt Figura 2.3 – Gráfico tensão x deformação para um material dúctil Tabela 2.2 - Módulo de Elasticidade na temperatura ambiente.

Metal E (MPa) Liga Metálica E (MPa) Ferro 210.000 Aço carbono 210.000 Cobre 112.00 Latão 119.000

Alumínio 70.000 Ligas de Alumínio 74.200 Magnésio 43.750 Ligas de Magnésio 45.500 Chumbo 17.500 Ligas de Titânio 115.500

2.2.2. Resistência à torção e cisalhamento: As propriedades relacionadas com esforços de cisalhamento e torção são importantes em aplicações do tipo: • parafusos, rebites e vigas, que estão sujeitos ao "cisalhamento direto"; • eixos que estão sujeitos ao chamado "cisalhamento torcional" ou simplesmente "torção". A figura 2.4 ilustra estes dois tipos de cisalhamento. Figura 2.4 - cargas passíveis de produzir cisalhamento.

Cisalhamento por torque Mt = F x a τ = Mt . r / J r = raio qualquer J= momento de inércia de torção

F a

F

Cisalhamento duplo em um rebite τ = F/(2A)

Obs.: σ = tensão normal τ = tensão tangencial (cisalhante) 2.2.3. Dureza: 8

A dureza representa a resistência de um material à penetração de um corpo, pela aplicação de uma carga. Os tipos de ensaios comumente usados para medição de dureza são: 1. Ensaio de dureza Brinell: Utiliza uma esfera de aço de diâmetro D, forçada por uma carga P sobre o material, resultando em uma impressão no formato de uma calota, de diâmetro d. A dureza Brinell (HB) corresponde ao quociente da carga aplicada pela área da impressão e é expressa por:

2 2

2 PHB=.D(D- D -d )π

(kgf/mm2)

A impressão será tanto maior quanto mais mole for o material.

Superfície da peça

P

d

D

Figura 2.5 - Método Brinell de medição de dureza 2. Ensaio de dureza Rockwell: É o processo mais utilizado, devido a sua rapidez e facilidade de execução. O valor da dureza é um número proporcional à profundidade de penetração, sendo que no processo industrial, há duas faixas principais de dureza Rockwell: • Escala Rockwell B: para materiais de dureza média, na qual se usa como penetrador uma

esfera de aço de 1/16" de diâmetro e uma carga de 100 kgf; • Escala Rockwell C: para materiais mais duros, como o aço temperado, na qual se emprega

como penetrador uma ponta de diamante em forma de cone com ângulo de 120° e uma carga de 150 kgf.

(a) (b) Figura 2.6 – (a) Esquema de aplicação do penetrador para método de medição de dureza HRc. (b) Penetrador e peça no processo de medição HV. 3. Ensaio de dureza Vickers: É o processo empregado amplamente em trabalhos de pesquisa porque fornece uma escala contínua de dureza para uma determinada carga, podendo determinar a dureza desde materiais muito moles até extremamente duros.

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O penetrador consiste de uma ponta de diamante como forma de uma pirâmide quadrada e ângulo de 136°. As cargas variam de 5 a 120 kgf. A dureza Vickers (HV) é expressa pela seguinte fórmula:

HV = 1,8544 PL2 (kgf/mm2)

onde P é a carga sobre o penetrador e L é a média do comprimento das diagonais da impressão. 2.2.4. Tenacidade: A tenacidade está relacionada com a resistência ao choque ou impacto, isto é a aplicação de uma carga brusca e repentina. O comportamento dos materiais sob a ação destas cargas dinâmicas difere, em geral do comportamento quando sujeitos a cargas estáticas. A tenacidade corresponde à quantidade de energia necessária para provocar a ruptura e que depende fundamentalmente da resistência e ductilidade do material. O princípio básico do ensaio é medir a quantidade de energia absorvida por uma amostra, quando submetida à ação de um esforço de choque de valor conhecido. O método mais comum para metais é o do golpe mediante um peso em oscilação, na forma de um martelo pendular, chamado ensaio Charpy.

Corpo de prova

Epi = m.g.hi Epf = m.g.hf Eabsorvida = m.g.(hi – hf)

hf

hi

Figura 2.7 – Desenho esquemático de um martelo para ensaio Charpy. 2.2.5 Fadiga e falhas por fadiga Em peças e conjuntos de máquinas que estão sujeitos a variações das cargas aplicadas, ocorre comumente o aparecimento de flutuações nas tensões originadas. Tais tensões podem adquirir um tal valor que ainda que inferior à resistência estática do material pode levar à sua ruptura, desde que a aplicação seja repetida inúmeras vezes. A falha provocada desse modo é denominada "falha por fadiga". Essas falhas se iniciam em determinados pontos que poderiam ser chamados origens de tensões", como falhas superficiais ou mudanças bruscas de configuração geométrica. A "fadiga" é, então, um fenômeno que ocorre quando um membro sob tensão em uma máquina ou estrutura começa a falhar sob a ação de uma tensão muito menor que a equivalente à sua resistência estática, cuja tensão sendo de natureza cíclica. A olho nu, a superfície da fratura, que é geralmente normal à direção da principal tensão de tração, apresenta uma região lisa, devido à propagação da trinca e uma região áspera, correspondente à parte da peça que falhou de modo inesperado, quando a sua secção não apresentou mais suficiente resistência para suportar a carga.

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Figura 2.8 - Aspecto de uma fratura por fadiga, iniciada num canto vivo de um rasgo de chaveta de um eixo.

origem

Zona de ruptura final

2.3. Propriedades Térmicas:

A elevação da temperatura dos metais aumenta a amplitude de vibração dos átomos. Como conseqüência, ocorre uma expansão térmica do reticulado cristalino, isto é, ocorrem alterações dimensionais, expressas pelo "coeficiente linear de dilatação térmica", α, medido em 1/°C.

∆L= L0.α.∆t

L = L0 + ∆L = L0 + L0.α.∆t = L0.(1 + α.∆t) Esta expansão, com o aumento da temperatura, é muito importante para muitas operações metal-mecânicas, como fundição, forjamento, soldagem, tratamento térmico, etc. A elevação da temperatura leva à fusão do metal, cuja "temperatura de fusão" representa um ponto de transição importante em relação à organização dos átomos em sistemas cristalinos. O poder calorífico, expresso em cal/(g °C) é a quantidade de calor necessária para elevar 1°C a massa unitária de um material homogêneo. O calor específico (Cp) é definido como a relação entre a capacidade de armazenar calor do material e da água, ou seja a quantidade de calor necessária para elevar a massa unitária de um material de 1°C de temperatura para a quantidade de calor necessária para elevar de 1°C a mesma massa de água. O calor específico determina a quantidade de calor necessária nos processos metalúrgicos, tais como fundição e tratamento térmico. A condutibilidade térmica (k), expressa em (W.mm)/(mm2 °C) é a capacidade condutora de calor de uma substância e que depende não só da própria substância, como também do estado em que ela se encontra. 2.4. Propriedades Elétricas e Magnéticas: A Condutibilidade elétrica é a capacidade do metal de transmitir ou conduzir corrente elétrica. Sob este ponto de vista, os materiais podem ser classificados como condutores, isolantes ou semicondutores. A condutibilidade elétrica é devida à mobilidade dos elétrons e é medida em 1/(ohm.m).

O inverso da condutibilidade elétrica é a resistividade elétrica e se relaciona com a resistência elétrica por meio da seguinte fórmula:

R = ρ . L / A

onde: R = resistência em ohm ρ = resistividade elétrica em ohm.cm L = comprimento da amostra do material em cm A = área da secção transversal da amostra em cm2

c = 1/ρ = condutividade elétrica

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Tabela 2.3 - condutibilidade e resistividade elétrica de alguns metais

Metal Condutibilidade elétrica relativa %IACS

Resistividade elétrica (micro-ohm.cm)

Prata 108 1,468 Cobre 100 1,6

Alumínio 61 2,6 Ferro 18 8,8

O cobre é o metal mais usado para aplicações onde se exige boa condutibilidade elétrica, cujo item de controle é conhecido por %IACS, que significa: International Annealed Copper Standard, ou seja, Padrão Internacional de Cobre Recozido. O cobre isento de oxigênio tem condutibilidade mínima de 101%IACS.

A permeabilidade magnética µ é definida como a habilidade de um metal ser magnetizado ou habilidade de conduzir linhas magnéticas de força em comparação ao ar e ao vácuo. Os materiais ferromagnéticos (Fe, Co) possuem alta permeabilidade magnética. 2.5. Propriedades Ópticas:

Quando se dirige um feixe de luz sobre a superfície de uma substância sólida, nota-se que uma certa fração da intensidade de luz incidente é refletida. Nos metais a fração refletida é alta, enquanto que em vidros a fração refletida é baixa. A opacidade e a elevada refletibilidade dos metais são atribuídas à ação da radiação incidente, a qual estimula os elétrons a ocupar zonas vazias de maior energia, sendo a seguir absorvidos e, então reemitem luz da superfície do metal. As cores que os metais apresentam à ação da luz branca dependem da freqüência ou do comprimento de onda da luz incidente e da refletibilidade. Por exemplo, a prata apresenta cor branca devido à alta refletibilidade ao longo de toda região visível; já o cobre e o ouro absorvem comprimentos de onda mais curtos, com uma refletibilidade mais baixa e apresentam coloração avermelhada e amarelada respectivamente. 2.6. Propriedades Químicas: Relacionam-se com a resistência que os metais oferecem ao ataque pelo meio ambiente (corrosão) ou pelo efeito da temperatura (oxidação). A resistência à corrosão e à oxidação são, portanto, características de grande importância, em vista da influência que o meio circunvizinho (gasoso, líquido ou sólido) e a temperatura exercem sobre o metal, provocando diversos tipos de ataques corrosivos e oxidantes. Normalmente, a corrosão é medida em massa que se perde anualmente. Os custos de corrosão e dos processo de proteção à corrosão, isto é, os custos decorrentes da perda de máquinas, equipamentos e estruturas pelos processos corrosivos e os custos de aplicação de processos de proteção contra corrosão são significativos na economia mundial. A corrosão pode ser definida como um processo de destruição do material pela ação do meio ambiente. A seleção de materiais metálicos atendem inicialmente a requisitos de resistência mecânica e de fabricação; contudo, as considerações de sua resistência à corrosão e dos processos de proteção devem ser realizadas na fase de projeto do produto. Exercícios sobre Propriedades dos Materiais 2.1. Faça o cálculo das áreas das seguintes figuras geométricas:

h 12e b a d

a a b a

2.2. Qual a peça que está submetida à maior tensão? (a) Uma barra de aço circular de aço com diâmetro de 12,8 mm, sob a ação de uma carga de

50.000 N. (b) Uma barra de alumínio de 24,6 mm x 30,7 mm de seção transversal, sob a ação de uma carga

de 75.000 N. (c) Uma barra hexagonal de bronze, com e = 10 mm, sob a ação de uma carga de 20.000 N. 2.3. A tabela a seguir apresenta propriedades mecânicas de diversos materiais:

Liga

Diâmetro do corpo de

prova (mm)

Módulo de Elasticidade (E)

(N/mm2)

Limite de Escoamento

(N/mm2)

Limite de Resistência à

Tração (N/mm2) Ti-6Al-4V (liga de Titânio) 12,5 110.000 320 652 Liga de Alumínio 3003-H14 15 70.000 145 150 Aço Carbono SAE 1040 10 207.000 600 750 Monel 400 (liga de Níquel) 11 179.000 283 579

Considerando as definições: - Módulo de Elasticidade é a constante que caracteriza a inclinação na curva Tensão x

Deformação, na zona elástica. - Limite de Escoamento é a tensão necessária para iniciar a zona plástica, ocorrendo o mínimo

de deformação plástica (0,2%) - Limite de resistência à tração é a máxima tensão que pode ser suportada por um corpo de

prova. (a) Qual o material que pode ser submetido a maior força, de modo que ocorra um mínimo de

deformação plástica (0,2%)? Qual o valor desta força? (b) Admitindo-se que uma barra do material especificado em (a), com 6 metros de comprimento,

com a mesma área, esteja sendo solicitado por uma carga de 30000 N, qual o aumento total no comprimento do mesmo, em milímetros?

(c) Qual o material cujo corpo de prova pode ser submetido a maior força? Qual o valor desta força?

2.4. É necessário escolher uma chapa para separar a água circulando a 90°C e o ar (fluxo rápido) a 20°C. Tem-se as seguintes opções: (a) Chapa de aço comum com k = 0,050 (W.mm)/(°C.mm2) e 2,0 mm de espessura; (b) Chapa de aço inoxidável com k = 0,015 (W.mm)/(°C.mm2) e 1,0 mm de espessura (c) Chapa de alumínio com k = 0,22 (W.mm)/(°C.mm2) e 8 mm de espessura Qual das situações é a de menor transferência de calor?

Obs.: Fluxo térmico: Q = k.∆T / ∆x No caso (a): Q = 0,050. (90-20)/2,0 = 1,75 W/mm2 O que apresentar o menor fluxo térmico é o caso de menor transferência de calor entre a água e o ar.

2.5. É necessário escolher um fio para conduzir energia elétrica, com menor perda por aquecimento elétrico. Tem-se as seguintes opções: (a) Fio de cobre com ρ = 17 x 10-6 ohm.mm e diâmetro de 2,0 mm 13

(b) Fio de latão com ρ = 62 x 10-6 ohm.mm e diâmetro de 3,0 mm (c) Fio de alumínio com ρ = 29 x 10-6 ohm.mm e diâmetro de 2,5 mm

Obs.: para este cálculo, utilize um comprimento L padrão de 1 m = 1000 mm 2.6. Qual a massa de uma barra hexagonal de 1 metro de comprimento e e = 15mm? Exercícios complementares 2.7 Uma barra cilíndrica feita de cobre (E = 110.000MPa) com limite de escoamento de 240MPa deve ser submetida a uma carga de 6600 N. Se o comprimento da barra é de 380 mm, qual deve ser o seu diâmetro para permitir um alongamento de 0,5mm? 2.8 . Um fio de alumínio com 4 mm de diâmetro deve oferecer uma resistência que não seja superior a 2,5 Ω. Usando os dados da tabela 2.3, calcule o comprimento máximo do fio. 2.9 Um fio de alumínio com 10m de comprimento é resfriado desde 38º C até -1º. Qual será a variação de comprimento que este fio experimentará? (α = 23 x 10-6 / ºC) 2.10 Calcule a taxa de calor por milímetro quadrado através de uma parede de tijolos refratários de um forno que opera a 1000ºC. A face externa da parede do forno está a 100ºC e a parede tem 10cm de espessura. k = 1,3(W.mm)/(°C.mm2)

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3. Ligas Metálicas 3.1. Metais Monofásicos

Pense em uma solução líquida!!!! Mas o que é uma solução?

Uma solução líquida é uma substância formada pela mistura de duas substâncias (solvente + soluto), onde: - Solvente: em maior quantidade. Ex. Água - Soluto: em menor quantidade. Ex. sal

Água 2 fases

Azeite Água + sal

1 fase

A mistura dos dois formam água salgada (solução), o qual é homogênea (apenas 1 fase) ou monofásica. Aumentando-se a quantidade de soluto em uma determinada temperatura ocorrerá a “precipitação” de uma nova fase (no caso o excesso de sal), tornando-se uma solução bifásica (heterogênea). Ao ponto (quantidade de soluto) em que ocorrerá a precipitação chamamos de “limite de solubilidade”.

Sal precipitado

Água + sal 1 fase

No caso da ciência dos materiais, vamos tratar apenas das soluções sólidas ou ligas. Por exemplo:

Latão = cobre + zinco (monofásica até aproximadamente 40% Zn) Bronze = cobre + estanho (monofásica até aproximadamente 10%Sn) Aço = ferro + carbono (polifásica na temperatura ambiente) Monel = cobre + níquel (monofásica)

Qual a diferença para o usuário entre o metal puro e a liga? Suas propriedades, principalmente. Como o soluto interage com o solvente? 1) No metal puro, os átomos estão organizados formando o chamado arranjo cristalino,

conforme o modelo de esferas abaixo, de uma forma simplificada:

Interstício Átomo

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2) Na liga, pode-se ter duas situações: - o átomo do soluto pode substituir um átomo do solvente, formando uma solução

substitucional. Por exemplo: latão, bronze, Cu-Ni, etc. - um átomo pequeno pode se localizar no interstício (espaço vazio entre os átomos), formando

uma solução intersticial. Por exemplo: Fe-C na forma γ (temperatura acima de 723°C para liga com 0,8%C)

A figura abaixo ilustra três situações puntuais no arranjo cristalina de materiais metálicos. O primeiro deles (a) é um caso de vacância (vazio), ou seja a falta de um átomo no arranjo. Nos demais casos tem-se a presença de átomos estranhos no arranjo cristalina, formando soluções sólidas (ligas). (b) é uma solução sólida substitucional e (c) é uma solução sólida intersticial.

Observe a deformação do arranjo, próximo às situações puntuais indicadas.

Questionário: 3.1. Dê exemplos de aplicações de materiais puros. 3.2. Conforme já vimos, elementos estranhos são adicionados intencionalmente a um especificado material, a fim de melhorar as suas propriedades. Citamos o latão (Cu+Zn) e o bronze (Cu+Sn), que formam soluções sólidas. O arranjo cristalino deste tipo de solução sólida é alterado comparativamente ao metal puro (solvente)? 3.3. Cobre e níquel podem ser misturados em qualquer proporção e formam uma estrutura monofásica. Entretanto, no bronze, o estanho pode ser misturado ao cobre até uma determinada proporção. Neste caso, o estanho em excesso, além da quantidade correspondente à solubilidade sólida forma uma outra fase. Como se chama este limite? 3.4. Explique como a relação entre raios atômicos influencia na solubilidade sólida máxima em uma liga.

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3.2. Propriedades das Ligas Monofásicas Como na vida profissional, normalmente utilizamos ligas (monofásicas ou polifásicas) e precisamos conhecer suas propriedades e aspectos de seleção. A figura 3.1. mostra a mudança de propriedades com o aumento do percentual do elemento de liga.

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Figura 3.1. - Propriedades físicas das ligas cobre-níquel recozidas. (Van Vlack, Ed. Campus) 3.5. Vamos interpretar os gráficos da figura 3.1:

1. O que acontece com as propriedades mecânicas, a medida que aumenta o teor do elemento de liga? observe a diferença da tendência entre a resistência mecânica e o alongamento!

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2. O que acontece com a condutividade elétrica do metal, a medida que aumenta o teor de

elemento de liga? 3.3. Classificação das Ligas Metálicas Os metais puros possuem inúmeras propriedades que os tornam importantes sob o aspecto de aplicação industrial. Os processos metalúrgicos geralmente produzem os metais com uma quantidade de substâncias estranhas que varia, em geral, de menos de 0,01% até cerca de 2% em peso. Essas substâncias estranhas ou impurezas, freqüentemente são difíceis de serem removidas durante a fabricação, afetam mais ou menos as propriedades dos metais. Se essa influência é, entretanto, mínima ou nula, diz-se que o metal é comercialmente puro. Na prática, pois, um metal puro não necessita ser 100% deste elemento, mas sua pureza pode ir de 99,00 a 99,999%. Na maioria dos casos, elementos são adicionados intencionalmente a um metal, com o fim de melhorar suas propriedades específicas. Se nesta adição, o elemento se tornar parte integral da fase sólida, esta se chama "solução sólida". Os metais são geralmente empregados na forma de ligas, ou seja, substâncias que consistem em misturas íntimas de dois ou mais elementos químicos, dos quais pelo menos um é metal, e possuindo propriedades metálicas. Exemplos de ligas: 1. Ligas de Alumínio: O alumínio com uma densidade relativa de 2,7 é cerca de três vezes mais leve, para o mesmo volume, do que os aços; contudo, a sua resistência mecânica é menor, exigindo para a mesma solicitação uma dimensão maior para o componente mecânico. As propriedades de densidade, resistência mecânica, tenacidade à fratura, resistência à corrosão, condutibilidade elétrica e térmica e aparência agradável (importante para o design), associadas ao custo de aquisição e de fabricação devem ser consideradas para a seleção deste material. O alumínio e suas ligas são classificados em duas categorias: trabalhados e fundidos e cada uma delas tem um sistema de designação diferente, conforme o principal elemento de liga presente. 2. Ligas de Cobre: O cobre e suas ligas constituem um grupo de materiais metálicos das mais antigas e diversificadas utilizações. Esses materiais reúnem um conjunto de características que justificam o amplo espectro de uso, como elevada condutibilidade elétrica e térmica, elevada resistência à corrosão, moderada resistência mecânica e facilidade de serem submetidos a diversos processos de fabricação. O sistema de classificação do cobre pela composição se encontra na tabela 3.2.

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Tabela 3.1 - Principais ligas de alumínio Classificação das

ligas Tipo composição química

LIGAS 1100 99,00%(min)Al; 0,12%Cu 2024 93,5%Al; 4,4%Cu; 0,6%Mn; 1,5%Mg TRABALHADAS 3003 98,6%Al; 0,12%Cu; 1,2%Mn; 4032 85%Al; 12,2%Si; 0,9%Cu; 1%Mg; 0,9%Ni 6061 97,9%Al; 0,6%Si; 0,28%Cu; 1%Mg; 0,2%Cr 7075 90%Al; 1,6%Cu; 2,5%Mg; 0,23%Cr; 5,6%Zn LIGAS PARA 206.0 0,1%Si; 4,6%Cu; 0,35%Mn; 0,25%Mg; 0,15%Fe(máx),

0,22%Ti, Al (restante) FUNDIÇÃO 360.0 9,5%Si; 0,5%Mg; 2%Fe(máx), Al (restante) 413.0 12%Si; 2%Fe(máx), Al (restante) A535.0 0,18%Mn; 7%Mg; Al (restante) 712.0 0,6%Mg; 0,5%Cr; 5,8%Zn; 0,2%Ti, Al (restante) 850.0 1%Cu; 1%Ni; 6,2%Sn; Al (restante) Tabela 3.2 - cobre e ligas de cobre trabalhadas

Sistemas Subsistemas Metais e Ligas típicas (UNS) cobre eletrolítico tenaz C11000 COBRE cobre desoxidado com fósforo C10300, C10800 Cobre isento de oxigênio C10100, C10200 Liga Cu-Ag C11300, C11400 COBRE Liga Cu-Cr C18200, C18400 LIGADO Liga Cu-Te C14500 Liga Cu-Cd C14300, C14310, C16200 Liga Cu-Zr C15000 Ligas Cu-Zn (latões) C21000, C26000 Ligas Cu-Sn (bronzes) C52100, C52400 LIGAS DE Ligas Cu-Ni (cupro-níqueis) C70600, C7100, C71500 COBRE Ligas Cu-Ni-Zn (alpacas) C74500, C75200 Ligas Cu-Al (Ampco®) C60600, C61000 Ligas Cu-Si C65100, C65500 Ligas Cu-Be C17000, C17200, C17500

3. Ligas de magnésio: O magnésio é um metal de baixa densidade com propriedades mecânicas relativamente elevadas - particularmente em temperaturas altas - quando ligado com elementos endurecedores. Tem boa usinabilidade, soldabilidade e resistência à corrosão. As ligas do sistema magnésio-alumínio-zinco possuem boas características de fundibilidade e ductilidade, associadas à elevada resistência mecânica em temperatura ambiente ou até 120°C. As ligas típicas deste sistema são AZ91C para fundição em areias ou moldes permanentes e a AZ91A para fundição sob pressão. 4. Aço: liga de Fe + C, cujo carbono varia de quase 0%, até em torno de 2%. Muitos outros elementos de liga são adicionados para obter as mais diversas características, para muitas aplicações. A tabela 3.3. mostra a especificação de aços de baixa e média liga segundo a norma AISI ou SAE, enquanto que as tabelas 3.4. e 3.5. mostram alguns dos principais aços para aplicações específicas, utilizados na região.

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Tabela 3.3- nomenclatura de aços de baixa e média liga (mais utilizados) Número

AISI ou SAE Composição Exemplos

10xx aço carbono simples 1020, 1045, 1060 11xx aço carbono resulfurado 1112 41xx cromo (0,4 a 1,2%), molibdênio (0,08 a 0,25%) 4140 43xx níquel (1,65 a 2%), cromo (0,4 a 0,9%), molibdênio (0,2 a 0,3%) 4340 61xx cromo (0,7 a 1%), vanádio (0,1%) 6150 86xx níquel (0,3 a 0,7%), cromo (0,4 a 0,85%), molibdênio (0,08 a 0,25%) 8620, 8640 92xx silício (1,8 a 2,2%) 9215

Tabela 3.4. - nomenclatura de aços para matrizes e ferramentas (mais utilizados).

Número AISI

Composição química (%) C Cr Ni Mo W V

Marcas comerciais

Aplicações

M2 0,90 4,25 ....... 5,0 6,2 1,9 VWM-2 ferramentas de torno, brocas e alargadores, fresas, machos, brochas, estampos de corte, ferramentas para extrusão a frio, calibradores, mandris de trefilação, etc.

D2 1,5 12,0 ........ 0,8 ......... 0,6 VD2 matrizes para estampar, para cunhar, para repuxamento, punções, calibres.

D3 2,2 12,0 0,5 ...... ........ 0,6 VC130 estampos de corte, punções, facas para corte de chapas, ferramentas para laminação de roscas, para trabalhar com madeira, etc.

O1 0,95 0,5 ........ ....... 0,5 0,2 VND machos, cossinetes, brochas, punções, facas para corte de papel, estampos e matrizes em geral, etc.

W1 0,7/1,5 0,15máx ......... ........ ........ ...... VET-3 matrizes de cunhagem, de corte a frio, ferramentas para repuxar chapas, talhadeiras, ponteiros, etc.

P20 0,35 1,7 ........ 0,4 ....... ........ VP20-A moldes de injeção de plástico

H13 0,35 5,0 ...... 1,5 ....... 1,0 VH-13 matrizes e punções de forjamento, moldes para plástico, matrizes de recalcamento a quente, moldes para fundição sob pressão.

Tabela 3.5. - nomenclatura de aços resistentes à corrosão (inoxidáveis) mais usados.

Número AISI ou SAE

Composição química (elementos principais)

Tipo Aplicações

304 0,08%C - 18%Cr - 8%Ni austenítico Equipamentos para processamento químico e de alimentos. Artigos domésticos. Boa capacidade de soldagem e conformação.

316 0,08%C - 18%Cr - 8%Ni - 2%Mo austenítico produtos que exigem melhor resistência à corrosão que o aço 304.

430 0,12%C máx - 16/18%Cr ferrítico decoração de interiores, equipamentos de cozinhas, peças de fornos, etc.

420 0,36/0,45%C - 12,5/14,5%Cr - 1%Ni máx. martensítico cutelaria, instrumentos cirúrgicos, eixos de bombas, válvulas, parafusos, mancais de esfera, etc.

3.4. Critérios de Seleção de Ligas Metálicas O projeto de peças deve levar em conta diversos fatores que são inter-relacionados de forma nem sempre simples. Os requisitos de desempenho, quer na fase de sua fabricação, quer na fase de sua utilização como componente de um sistema, são estabelecidos de maneira a compatibilizar a função exigida da peça com as possibilidades de sua fabricação a partir de materiais metálicos, cerâmicos ou plásticos. Como são muitas as possibilidades de processos de

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fabricação e de tipos de materiais, é fundamental atender o requisito de menor custo de fabricação para uma qualidade industrial especificada. A análise dos fatores que influenciam o projeto do produto (concepção da peça) e do processo de fabricação (a maneira de obtenção da peça) é fundamental para a seleção mais conveniente dos materiais constituintes das peças. As funções requeridas de um produto determinam as especificações necessárias para o projeto, como as de desempenho, que consistem num conjunto de características que permitem a utilização do produto de forma eficiente; enquanto que as especificações do projeto se compõem de uma gama de indicações técnicas referentes à forma, às dimensões, às tolerâncias, ao acabamento e aos materiais constituintes do produto que permitem atender às especificações de desempenho.

a) Especificações de desempenho. Deve-se avaliar: a) Requisitos de desempenho b) Coeficiente de segurança

b) Especificações de projeto. Deve-se avaliar: a) Dimensionamento das peças componentes e conjuntos com base nos tipos de

solicitação mecânica (estática e dinâmica) e na resistência dos materiais disponíveis.

b) Indicação dos materiais constituintes das peças e dos processos de fabricação. A seleção do material deve ser efetuada considerando também a seleção do processo de fabricação da peça. Enquanto a seleção do material para atender os requisitos de projeto do produto baseia-se nos aspectos de resistência, durabilidade e segurança de desempenho associados ao baixo custo de aquisição, no projeto do processo é fundamental a seleção do material, a fim de minimizar os custos de fabricação. A matéria-prima adquirida para a fabricação dos componentes deve apresentar características compatíveis com as exigências do projeto do produto e do processo, como: 1. Composição química 2. Histórico: processos anteriores (ex.: tratamentos térmicos e mecânicos) 3. Forma: geometria 4. Tamanho 5. Acabamento superficial Deve-se levar em conta, também, na seleção de matérias-primas:

♦ quantidades a serem adquiridas; ♦ qualidade, considerando a aplicação; ♦ custos de aquisição; ♦ energia consumida; ♦ fatores ambientais: disposição pós-uso.

A capacidade dos materiais selecionados em se adaptarem aos processos de fabricação é um fator fundamental na seleção de material e processo. Portanto, para cada processo, define-se o comportamento do material no processamento. Assim, as principais propriedades de fabricação são: 1. fundibilidade: capacidade do material penetrar completamente no molde de fundição e

produzir peça sem defeito e com as características mecânicas especificadas; 2. conformabilidade plástica: capacidade dos materiais de serem deformados, tomando a forma

de uma matriz.

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3. usinabilidade: capacidade de retirada de cavaco, sem apresentar desgaste excessivo na ferramenta de usinagem.

4. soldabilidade: capacidade de união de peças através do processo de soldagem, garantindo-se uma junta com qualidade compatível ao material de base.

5. endurecibilidade: capacidade de obter peças com maior resistência, após tratamento térmico ou termo-mecânico.

6. capacidade de receber tratamentos superficiais.

Tamanho dos lotes Equipamento disponível Energia consumida Facilidades operacionais

Composição Condição Acabamento Defeitos prováveis Disponibilidade

Fundibilidade Soldabilidade Estampabilidade Forjabilidade Capacidade de revestimento Endurecibilidade

CUSTO

Características de produção

Características da matéria-prima

Propriedades de fabricação

Projeto de Processo

Propriedades a serem atendidas

Dimensão Forma Tolerância

AcabamentoProjeto do Produto

Seleção de Materiais Metálicos

Figura 3.2 – Fatores que influenciam na seleção de ligas metálicas.

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4. Cristalinidade e Microestrutura

As propriedades são manifestações da estrutura do material em diversos níveis. Torna-se importante, portanto, estudar a estrutura dos materiais nestes diversos níveis, desde a organização dos átomos até as formações macroestruturais (presença de bolhas, segregações, alinhamentos, etc.). A maioria dos materiais de interesse para o engenheiro tem arranjos atômicos, que são repetições nas três dimensões de uma unidade básica. O arranjo atômico faz com que os átomos fiquem próximos entre si, existindo um determinado número de átomos vizinhos (os mais próximos), caracterizando o chamado “empacotamento atômico”.

CRISTALINIDADE: Uma molécula tem uma regularidade estrutural, porque as ligações

covalentes determinam um número específico de vizinhos para cada átomo e a orientação no espaço dos mesmos. Materiais cristalinos são os que exibem ordem de longo alcance na posição e na seqüência de átomos ou moléculas. Materiais amorfos não possuem ordem de longo alcance, sendo que os átomos ou moléculas não são periodicamente localizados ao longo de longas distâncias. Porém, usualmente possuem ordem de curto alcance.

RAIO ATÔMICO: A distância de equilíbrio entre os centro de dois átomos pode ser considerada como a soma de seus raios. No ferro metálico, a distância média entre os centros dos átomos é 0,2482 nm. O fator que mais influencia na distância interatômica é a temperatura, sendo que qualquer aumento desta, aumenta o espaçamento médio entre os átomos, acarretando a expansão térmica dos materiais.

Os metais ao se solidificarem, cristalizam, ou seja passam de um estado de distribuição aleatória (líquido) para um estado com posições definidas e ordenadas, que se repetem em três dimensões, formando uma figura geométrica regular, denominado sistema cristalino. Deste sistema cristalino é possível extrair apenas uma célula ou reticulado unitário.

Tabela 4.1. Os sete sistemas cristalinos:

Sistema Eixos Ângulos Axiais Cúbico a1 = a2 = a3 Todos os ângulos = 90°

Tetragonal a1 = a2 ≠ c Todos os ângulos = 90° Ortorrômbico a ≠ b ≠ c Todos os ângulos = 90° Monoclínico a ≠ b ≠ c dois ângulos = 90° e um ≠ 120°

Triclínico a ≠ b ≠ c Todos os ângulos diferentes e todos ≠ 90° Hexagonal a1 = a2 = a3 ≠ c Ângulo = 90° e 120°

Romboédrico a1 = a2 = a3 Todos os ângulos iguais, mas não 90°

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Figura 4.1- sistemas cristalinos

4.1. Reticulados Principais Os átomos dos materiais metálicos podem ser agrupados, dentro do sistema cúbico em dois diferentes tipos de repetição: cúbico de corpo centrado (CCC) e cúbico de faces centradas (CFC), enquanto que no sistema hexagonal, os átomos se agrupam no sistema Hexagonal Compacto (HC).

4.1.1. Cúbico simples: É uma estrutura hipotética, mas favorece a compreensão. Para este tipo de célula unitária, tem-se um átomo em cada vértice, representando um oitavo de cada um dos átomos dentro da célula.

4.1.2. Cúbico de Corpo Centrado: O ferro, na temperatura ambiente, tem estrutura CCC, e cada átomo de ferro está cercado por oito átomos de ferro adjacentes. Há dois átomos por célula unitária em uma estrutura ccc, sendo que um está no centro e oito oitavos estão nos oito vértices.

4.1.3. Cúbico de Faces Centradas: O cobre tem estrutura CFC, onde um átomo está em cada vértice e em cada face do cubo. O alumínio, o cobre, o níquel, a prata e o chumbo possuem este tipo de reticulado. Cada célula unitária de uma estrutura cfc possui quatro átomos.

a) Célula unitária CCC b) Célula unitária CFC

a4r

a

4r

Figura 4.2. – Principais cristais cúbicos.

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4.1.4. Hexagonal Compacto: A figura 4.3. mostra o reticulado HC, encontrado no magnésio, titânio e o zinco. Tabela 4.2. - Materiais e seus reticulados

Exemplos CCC Cr, Fe(α), Mo, W CFC Al, Fe(γ), Ni, Cu, Ag, Pb HC Mg, Zn, Ti

Figura 4.3. - Célula unitária Hexagonal Compacta Exercícios E4.1. Calcule o parâmetro da célula CCC e o da célula CFC. No caso do sistema cúbico, o parâmetro da célula é o lado do cubo formado.

Respostas:

a r3CCC =

4. a r2CFC =

4.

E4.2. A prata é CFC e seu raio atômico é 0,1444 nm. Qual o comprimento do lado de sua célula unitária? E4.3. O ouro tem estrutura cristalina CFC. O parâmetro de seu reticulado é 0,4078 nm e sua massa atômica é 197 g/mol. Calcule a sua densidade.

Obs: 6,02 x 1023 átomos → Massa atômica do elemento (g) 1 átomo → m (g)

E4.4. Calcule o raio do maior vazio intersticial no retículo do ferro gama (CFC). O raio atômico do átomo de ferro é R=0,129 nm no retículo CFC e o maior vazio intersticial ocorre no (½, 0, 0), (0, ½, 0), (0,0, ½), ... O raio do átomo de carbono é rC=0,075 nm

26

4.2. Ligação Metálica

Mas afinal, o que une os átomos metálicos entre si? Se um átomo apresenta apenas uns poucos elétrons de valência, estes podem ser

removidos com relativa facilidade, enquanto que os demais elétrons são firmemente ligados ao núcleo. Isto origina uma estrutura formada por íons positivos (núcleo e elétrons que não pertencem a camada de valência) e elétrons livres. Como os elétrons de valência podem se mover livremente dentro da estrutura metálica, formam a nuvem eletrônica.

–+ + + +

++ – +Nuvem– –

+

+

+

+++–

–– – –– – –

Íon positivo

– –

Figura 4.4. – Ligação metálica

É por causa da natureza da ligação metálica, que os átomos de um metal podem ser visualizados como esferas rígidas.

Como as propriedades condutividade elétrica e condutividade térmica dos metais podem ser explicadas?

Os elétrons livres dão ao metal sua condutividade elétrica elevada, pois podem se mover livremente sob a ação de um campo elétrico. Da mesma forma, a alta condutividade térmica dos metais está associada à mobilidade dos elétrons livres, que podem transferir energia térmica de um nível de alta temperatura para outro de baixa.

4.3. Defeitos Cristalinos Defeito é uma imperfeição ou um "erro" no arranjo periódico regular dos átomos em um cristal. Podem envolver uma irregularidade: ♦ na posição dos átomos ♦ 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. Veremos alguns defeitos no decorrer do texto, como vazios, discordâncias, contorno de grão, etc. 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 dispositivos eletrônicos do estado sólido não existiriam; ♦ os metais seriam muito mais resistentes;

27♦ os cerâmicos seriam muito mais tenazes;

♦ os cristais não teriam nenhuma cor; 4.4. Estrutura Granular dos Materiais: Estrutura interna é definida como o arranjo de elétrons e átomos dentro do metal. Deve-se observar que um dado material com determinada composição química, a estrutura interna não é constante, podendo variar grandemente, dependendo de: (1) como o material foi fabricado (condições de processamento); (2) sob que condições o material se encontra em serviço (temperatura, pressão, agentes corrosivos, etc.). A análise da estrutura é feita, em geral, a nível da resolução de microscópios ópticos (10-1200x) ou de microscópios eletrônicos (2000-100.000x). Esta estrutura observada é chamada de microestrutura.

Um conjunto de células unitárias forma o cristal com contornos geométricos, o qual, ao adquirir os contornos irregulares pelo seu crescimento e devido aos pontos de contato de cada conjunto, passa a chamar-se grão. Esses grãos são ligados entre si por um limite, denominado contorno de grão.

Figura 4.5. - estrutura granular de uma material puro. As propriedades mecânicas dos metais dependem fortemente do tamanho do grão, por isto 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 ♦ Orientação preferencial

Forma de grão

diferente Tamanho de grão diferente

Com e sem orientação preferencial

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Questionário 4.1. Quando dois cristais podem ser chamados de polimorfos? Exemplifique, indicando a(s) temperatura(s) de transformação alotrópica. Resposta: Dois cristais são ditos polimorfos quando, embora tenham estruturas cristalinas diferentes, apresentam a mesma composição química. Ex.: Fe

1540 1400 910 Temp. amb.

Líquido Feγ (CFC) Feα (CCC)

T (°C) Feδ (CCC) Veja a descontinuidade do Ferro no gráfico abaixo! Ocorre uma contração do material em 910°C, quando do aumento do volume específico pelo efeito da dilatação térmica.

Volume específico (cm3/g)

910

T (°C)

4.2. O titânio tem uma estrutura HC (a=0,2956 nm; c=0,4683 nm) abaixo de 880°C e uma estrutura CCC (a=0,332 nm) acima desta temperatura. MTi=47,9 g/mol

a) o titânio se expande ou se contrai ao ser aquecido a esta temperatura? b) Calcular a variação de volume em cm3/g.

4.3. Pode-se considerar qualquer obstáculo que atrapalhe a continuidade da organização dos átomos (arranjo atômico) como sendo uma imperfeição. Um exemplo mais óbvio é a superfície externa do material. Qual a diferença entre os átomos da superfície e do interior do material? 4.4. Qual o procedimento que torna possível observar os grãos e seus contornos no microscópio, como na figura 4.5.? 4.5. Por que os contornos são mais facilmente atacados quimicamente (processo de corrosão), que o interior dos grãos? 29

4.6. Um aço tem tamanho de grão ASTM 8. Qual a área média observada por grão em uma superfície polida?

N = 28-1 = _________ grãos/pol2 a 100x de ampliação ou _________ .(100x100) = ___________ grãos/pol2 a 1x de ampliação

Logo, área de um grão = 1/ _______________ = _________________ pol2/grão (neste tamanho não dá para ver a olho nu!)

4.7. Qual o significado do termo grão equiaxial? 4.8. Explique como se formam os grãos no material metálico.

. . . . . . .

(1) (2) (3)

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5. Deformação dos Materiais

Os materiais, quando submetidos a um esforço de natureza mecânica, tendem a deformar-se. Conforme a sua natureza, o comportamento varia durante a deformação. Podem apresentar apenas deformação elástica até a ruptura, como no caso de elastômeros, ou sofrer apreciável deformação plástica antes da ruptura, como nos metais e termoplásticos. 5.1. Deformação Elástica A deformação elástica é resultado de uma pequena elongação ou contração do retículo cristalino na direção da tensão (tração ou compressão) aplicada. átomo

Sem tensão externa Sob tensão de compressão Sob tensão de tração Figura 5.1. Deformação elástica no nível atômico.

Lembre-se que a deformação é proporcional a tensão na zona elástica, conforme a lei de Hooke. Quanto mais intensas as forças de atração entre os átomos, maior é o módulo de elasticidade E. Qualquer elongação ou contração de uma estrutura cristalina em uma direção, causada por uma tensão, produz uma modificação na dimensão perpendicular (lateral). A relação entre a deformação lateral εx e a deformação longitudinal εy é chamada de coeficiente de Poisson:

ν = - εx / εy

A direção cristalina influencia no módulo de elasticidade do material? Resposta: Os materiais não são isotrópicos em relação ao módulo de elasticidade. Por exemplo, o ferro tem um módulo de elasticidade variando de 290.000 MPa na direção [1 1 1] a 130.000 MPa na direção [1 0 0]. O conhecido valor de E=210.000 MPa é, na verdade, um valor médio, pois o material é policristalino. ATENÇÃO: observe apenas que cada direção tem um nome. Ex. [100], [111]

Isotrópico: a propriedade especificada é igual em qualquer direção. Anisotrópico: a propriedade especificada varia conforme a direção.

5.2. Direções e Planos dos Cristais Para cristais cúbicos, os índices de direção cristalográfica são componentes de vetor da direção ao longo de cada eixo e reduzidos aos menores inteiros. Veja a figura 5.2(a).

Muitas vezes é necessário se referir aos planos de átomos dentro da estrutura cristalina e, para isto, utiliza-se uma codificação chamada índices de Miller (figura 5.2.b).

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(a) (b)

(1 0 0)

(1 1 0)

z

y

x

[2 0 1]

[1 1 0]

[0 1 0]

[1 1 1]

z

y

x

Figura 5.2. – Ilustração de direções cristalinas (a) e de planos cristalinos (b). 5.3. Deformação Plástica

Na prática, qual a importância da região elástica do material? Bem, a maioria das peças, estruturas e equipamentos que fabricamos não devem sofrer modificações na sua forma com o tempo. Por exemplo, não queremos montar um telhado sobre uma estrutura metálica, e o peso deste telhado deformar algumas tesouras, podendo ocasionar um efeito catastrófico. Por isto, projetamos esta estrutura para suportar apenas deformação elástica.

Muito bem, então, na Engenharia, apenas devemos nos preocupar com a região elástica? Não, pois muitas das peças fabricadas, para terem a forma desejada devem sofrer uma deformação plástica, através de processos específicos.

A deformabilidade permanente é muito importante na prática, pois permite a realização de conformação mecânica, ou seja de operações mecânico-metalúgicas muito empregadas na fabricação de peças metálicas. Veja a figura 5.3.

Figura 5.3 - processos de conformação mecânica usuais: (a) laminação; (b) forjamento; (c) extrusão; (d) trefilação.(VanVlack, Ed. Campus, pág.211)

A capacidade dos metais de serem deformados de modo permanente é chamada de plasticidade.

O processo de conformação pode ser realizado em diferentes temperaturas, de modo que surge dois termos clássicos: trabalho mecânico a frio e trabalho mecânico a quente. A separação entre os dois se dá pela temperatura de recristalização, definida como "a menor 32

temperatura na qual uma estrutura deformada de um metal trabalhado a frio é restaurada ou é substituída por uma estrutura nova, livre de tensões, após a permanência nessa temperatura por um tempo determinado".

A deformação de um material em um processo é medida pela redução na área da seção transversal, isto é:

r = [ A0 – Af ] / A0 Onde A0 e Af são, respectivamente, a área inicial e a área final.

Figura 5.4 – Efeito nos grãos obtido com processos de conformação a frio: (a) laminação; (b) trefilação.

A deformação plástica resultante do trabalho mecânico a frio (abaixo da temperatura de recristalização) provoca o chamado fenômeno de encruamento, isto é aumento da dureza através da deformação a frio. A tabela 5.1. mostra o efeito do encruamento sobre as características mecânicas de alguns metais e ligas metálicas. Observe no gráfico a seguir a alteração do alongamento e do limite de resistência com a % de deformação a frio.

Limite de Resistência à tração

alongamento

Deformação a frio (%) Tabela 5.1. - Efeito do encruamento sobre características mecânicas

Liga Estado Resistência à tração (MPa)

Alongamento (%)

Dureza Brinell

Aço ABNT Normal 336 38 120 1010 Trabalhado a frio 910 2 265

Aço AISI 301 Normal 770 60 165 Trabalhado a frio 1295 9 380

Alumínio puro Normal 91 40 23 Trabalhado a frio 168 10 44

Latão para Normal 336 55 70 cartuchos Trabalhado a frio 770 14 155

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Com a deformação mecânica, os grão são alongados na direção do esforço mecânico aplicado. Com o encruamento, podem haver perdas nas propriedades do material, como diminuição da condutibilidade elétrica, aumento das perdas magnéticas e diminuição da resistência à corrosão. Existem materiais que possuem um comportamento conforme o seguinte gráfico tensão x deformação. Este material poderia ser conformado através de processos de deformação a frio, como dobramento? Por que?

ε

x = rupturax

σ 5.4. Discordâncias

Elas têm uma forte influência sobre as propriedades mecânicas dos metais e de alguns cerâmicos. Características das discordâncias: ♦ elas são criadas devido às condições de processamento (a forma usada na fabricação do

material) e por forças mecânicas que atuam sobre o material. ♦ estão quase sempre presentes nos cristais reais. ♦ em um material típico, aproximadamente 5 de cada 100 milhões de átomos (0.000005%)

pertencem a um defeito tipo discordância. Em uma porção de material de 10 cm3 (cerca do tamanho de um dado de seis lados), haverá aproximadamente 1017 átomos que pertencem a defeitos tipo discordância.

Figura 5.5 – Discordâncias (linhas) mostradas através de um microscópio eletrônico de transmissão.

O tipo mais simples de discordância pode ser visto como um semiplano atômico extra, inserido na estrutura, o qual termina em qualquer lugar do cristal. A extremidade do meio plano é a discordância, conforme mostra a figura abaixo.

Considerando o "plano extra" que está dentro do cristal, observa-se claramente que o cristal está distorcido junto ao plano de escorregamento.

34

A figura 5.7. ilustra como uma discordância se move através do cristal, sob a aplicação de uma tensão de cisalhamento. Pela aplicação da tensão, o átomo c pode mover-se para a posição c' indicada na figura. Se isso acontecer, a discordância mover-se-á de uma distância atômica para a direita. A contínua aplicação da tensão levará à movimentação da discordância em etapas repetidas. O resultado final é que o cristal é cisalhado no plano de escorregamento de uma distância atômica. Isto significa que as discordâncias estão ligadas a deformação permanente (escorregamento dos planos atômicos).

Figura 5.6 – Discordância em cunha mostrando distorção do cristal

Figura 5.7 – Movimento de discordância

Figura 5.8 – Discordância em hélice

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Cada etapa do movimento da discordância, requer somente um pequeno rearranjo de átomos nas vizinhanças do plano extra. Resulta disso que uma força muito pequena pode mover uma discordância.

O movimento de uma discordância através de todo o cristal produz um degrau na superfície do mesmo, cuja profundidade é de uma distância atômica. Como uma distância atômica em cristais metálicos é da ordem de alguns nanometros, esse degrau evidentemente não é visível a olho nu.

Além das discordâncias em cunha, existem as discordâncias em hélice ou helicoidais. A designação 'hélice' para esse defeito do reticulado deriva do fato de que os planos do reticulado do cristal formam uma espiral na linha da discordância (figura 5.8).

Questionário 5.1) A região da discordância possui maior energia? Por que? 5.2) Ao calcular o limite de resistência dos metais com base em um modelo de cristal perfeito, obtém-se o valor de E/20. Os metais não são tão resistentes, portanto, o modelo não é adequado e deve existir um outro mecanismo relacionado com o processo de deformação plástica. Qual é este mecanismo? Resposta: A explicação para a discrepância entre os limites de escoamento calculado e real reside no fato de que os cristais não são perfeitos, pois contém defeitos, sendo que as discordâncias são o tipo de defeito responsável por este fato.

5.3) O tamanho de grão (TG) tem influência marcante nas propriedades mecânicas das ligas metálicas (também dos materiais cerâmicos), conforme a figura abaixo:

Os responsáveis por esta alteração nas propriedades são os contornos de grão. Qual o

efeito deles na mudança das propriedades? Resposta: Conforme aumenta o número de discordâncias ao longo do plano, a força de cisalhamento necessária também aumenta. Entretanto, isto não é importante, a menos que haja a interferência de algum fator estrutural (barreira), tal como o contorno de grão. Um empilhamento de discordâncias, tal como na figura abaixo aumenta a resistência do metal para o escorregamento posterior.

Plano de escorregamento Contorno de grão

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5.4) Como pode-se observar pela figura 3.1., o limite de resistência aumenta, com o aumento da % de elemento de liga na solução sólida. O que acontece, em nível de estrutura cristalina, para ocorrer tal fato?

5.5) Considerando a tensão de cisalhamento efetiva τ na direção de escorregamento, τ = F/A cos(λ) cos(φ)

φ λ

Direção de escorregamento

F F

a) Quando τ é máximo? Obs.: isto ocorre em materiais dúcteis. No caso de materiais frágeis, estes rompem com φ = 0 b) Pegue uma barra de giz e execute um esforço de torção e verifique o ângulo de quebra por torção (observe que o mesmo é frágil). No caso de materiais dúcteis este mesmo ângulo é igual a zero.

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6. Efeito da Temperatura nos Metais

Os cristais plasticamente deformados tem mais energia que os cristais não-deformados, devido a existência de grande quantidade de discordâncias. Como é possível reacomodar os átomos?

Aquecendo o material acima da temperatura de recristalização durante um certo tempo.

Tabela 6.1. – Temperaturas de recristalização para alguns metais e ligas de uso comum. Material Temperatura de

Recristalização (°C) Cobre eletrolítico (99,999%) 121

Cu – 5%Zn 315 Cu – 5%Al 288 Cu – 2%Be 371

Alumínio (99,0%) 288 Ligas de alumínio 315 Níquel (99,99%) 571

Ligas de Magnésio 252 Ferro eletrolítico 398

Aço de baixo carbono 538 Zinco 10

Chumbo -4 Estanho -44

A manutenção do material a uma temperatura suficientemente elevada faz com que a

vibração térmica dos átomos permita maior mobilidade das discordâncias. Mesmo em temperaturas inferiores a temperatura de recristalização, as discordâncias são bastante móveis para formar arranjos regulares e mesmo se aniquilarem (somente as discordâncias de sinais opostos). Este processo é chamado de RECUPERAÇÃO e, embora não mude a microestrutura, restaura parcialmente a maciez (menor resistência e maior ductilidade).

Figura 6.1. – Mudança de propriedades e estrutura com a recuperação e a recristalização.

A maciez original é inteiramente restaurada pelo aquecimento acima da temperatura de recristalização, quando se formam novos grãos com baixa densidade de discordâncias. Os grãos se desenvolvem até que a estrutura toda esteja RECRISTALIZADA. A microestrutura resultante é equiaxial. Veja a figura 6.1. 38

Os principais fatores que afetam a recristalização são:

1. uma quantidade mínima de deformação prévia: se o trabalho a frio prévio é zero, não há energia de ativação para a recristalização e ficam mantidos os grão originais;

2. quanto maior a deformação prévia, menor será a temperatura de recristalização; 3. quanto menor a temperatura, maior o tempo necessário à recristalização; 4. quanto maior a deformação prévia, menor será o tamanho de grão resultante (pois será

maior o número de núcleos a partir dos quais crescerão os novos grãos). OBS: Uma estrutura de grãos grosseiros apresenta propriedades mecânicas pobres, ao passo que um tamanho de grão fino fornece ao material alta resistência sem diminuir-lhe muito a ductilidade.

5. adições de elementos de liga tendem a aumentar a temperatura de recristalização (pois retardam a difusão).

Figura 6.2. – crescimento de grão durante recristalização (Gulhaév, pág. 103) 6.1. Como que o tamanho médio dos grãos de um metal monofásico pode aumentar com o tempo, da forma mostrada na figura 6.2?

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6.2. O processo de crescimento de grão é reversível? Como fazer para diminuir (refinar) o tamanho de grão?

6.1. Deformação a Quente Com o trabalho a quente, não ocorre o fenômeno de encruamento, pois a estrutura é restaurada (amolecimento) devido ao recozimento simultâneo. As principais razões para o uso do trabalho a quente são: 1. A energia necessária para deformar é menor; 2. o metal adquire maior capacidade de deformar-se sem fissuração; 3. algumas heterogeneidades das peças, como porosidades, são praticamente eliminadas pelo

trabalho a quente; 4. estruturas grosseiras podem ser eliminadas, transformando-se em grãos menores. 6.2. Introdução aos Tratamentos Térmicos Industriais

Para fabricar uma sanfona de termostato é necessário executar os seguintes processos: 1. Corte de um disco de bronze fosforoso de 25 mm de diâmetro e 0,55 mm de espessura. 2. Embutimento na forma de um copo de 14,2 mm de diâmetro e 11 mm de altura. 3. Estiramento (extrusão) até diâmetro de 13,6 mm, e 18 mm de altura (0,3 mm de parede) 4. Estiramento (extrusão) até diâmetro de 12,78 mm e 31 mm de altura (0,16mm de parede) 5. Estiramento (extrusão) até diâmetro de 12,52 mm e 40 mm de altura (0,10 mm de parede) 6. Corrugamento na forma de sanfona

O copo não pode ser conformado continuamente até o final (sanfona), pois ocorrerá rompimento. O que é feito, então, para aumentar a ductilidade, visto que houve o aumento da dureza no processo de conformação mecânica a frio?

É feito um processo chamado de recozimento, no qual a peça é aquecida em um forno acima da temperatura de recristalização durante um determinado tempo. Tal processo de recozimento envolve difusão, e portanto é grandemente dependente da temperatura e do tempo. Temperatura de recozimento para ligas Cu-Sn: 580-600°C

Este exemplo ilustra a necessidade de um processo de tratamento térmico, parte do

processo de fabricação de uma peça. O tratamento térmico é o conjunto de operações de aquecimento a que são submetidos os materiais metálicos, sob condições controladas de temperatura, tempo, atmosfera e velocidade de esfriamento, com o objetivo de alterar as suas propriedades. O termo recozimento se refere a um tratamento térmico no qual um material é exposto a uma temperatura elevada por um período de tempo prolongado, sendo ele então resfriado lentamente. Normalmente, o recozimento é realizado com os objetivos de:

1. aliviar as tensões 2. tornar o material mais mole, dúctil e tenaz 3. produzir uma microestrutura específica

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Como podem ser desenvolvidas tensões internas nas peças metálicas? (1) através de processos de deformação plástica, como usinagem, conformação, etc. (2) através de resfriamento não-uniforme de uma peça que foi fabricada ou processada em temperatura elevada, tal como em uma solda ou uma fundição. (3) uma transformação de fases que seja induzida mediante resfriamento onde as fases de origem e de produto tenham características diferentes. Distorção e empenamento podem ocorrer se essas tensões residuais não forem eliminadas, podendo ser removidas através de um processo de recozimento chamado de alívio de tensões. Os tratamento térmicos são realizados em fornos de diferentes tipos de construção, variando quanto ao tamanho e volume da carga, ao tipo de aquecimento (óleo, gás, eletricidade), ao tipo de meio (atmosfera gasosa, sal fundido, material granular, vácuo), a capacidade de automação do processo, etc.

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7. Metais Bifásicos e Diagramas de Equilíbrio No capítulo 3 estudamos que ao atingir o limite de solubilidade ocorre uma precipitação. Isto é, ocorre a formação de um precipitado. Em uma mistura de água e sal é fácil entender! Mas como fica em uma solução metálica sólida?

A ocorrência de uma segunda fase deve-se ao grau de solubilidade entre os componentes da mistura. Estes são exemplos de precipitados chamados de partículas de segunda fase.

Veja na figura 7.1., onde há a formação de inclusões de óxido de cobre no cobre (quase) puro! Inclusões? São impurezas presentes no material, como o caso dos óxidos, sulfetos e fosfetos, por exemplo. Elas são decorrentes do processo de fabricação do material ou da matéria-prima utilizada.

Figura 7.1. - Inclusões de óxido de cobre (Cu2O) em cobre de alta pureza (99,26%) laminado a frio e recozido a 800 °C. 7.1. Diagramas de Equilíbrio Diversos

Um dos tipos de diagramas binários mais simples está ilustrado abaixo. Neste caso,

tratam-se de ligas Sn-Pb.

Figura 7.2. - Diagrama de equilíbrio para ligas Pb-Sn (Shackelford).

Alguns dos diagramas que trabalharemos em sala de aula estão ilustrados a seguir:

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43

Figura 7.3 - Diagrama de fases alumínio-silício e microsestruturas de metais puros e de ligas com diferentes composições. Ligas com menos que 12%Si são ditas hipoeutéticas e ligas com 12%Si são conhecidas como eutéticas e com mais de 12%Si são ditas hipereutéticas (HTG). 7.2. Diagrama de Equilíbrio Fe-C O diagrama de equilíbrio Fe-C é de grande importância para entender os tratamentos térmicos que são feitos nos mais diversos tipos de aço. O diagrama possui vários campos, com nomes específicos para as microestruturas: 1. ferrita (ferro α): é a estrutura de ferro puro na temperatura ambiente (abaixo de 723°C). É

muito dúctil e é ferro-magnético abaixo de 766°C. Tem estrutura CCC, cujos espaços interatômicos são pequenos e bem alongados, de forma que praticamente não há condições de abrigar o átomo de carbono.

2. austenita (ferro γ): tem estrutura CFC, cujos espaços interatômicos são maiores que a ferrita, de modo que a solubilidade máxima de carbono é de cerca de 2%. Não é ferromagnética.

3. ferro δ: tem estrutura CCC, sendo similar a ferrita. Ocorre acima de 1400°C e portanto tem pouca importância dentro do escopo desta disciplina.

4. cementita: como a ferrita praticamente não solubiliza o carbono, este deve formar uma segunda fase, a qual é chamada de cementita ou carbeto de ferro, cuja fórmula química é Fe3C. É muito dura e sua presença junto com a ferrita aumenta a resistência mecânica do material. Tem o inconveniente de ser frágil.

5. perlita: é uma mistura de duas fases: ferrita + cementita, conforme a figura 7.4(b). A microestrutura resultante é uma matriz de ferrita com lamelas de cementita. A liga Fe-C com 0,8%C é 100% perlítica.

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Figura 7.4 - Diagrama Fe-C

Figura 7.5- Formação de perlita. Reação eutetóide: no diagrama Fe-C, a reação eutetóide é Feγ ↔ Feα + Fe3C e ocorre na temperatura de 723°C. A composição eutetóide corresponde a 0,8%C. A figura 7.4 mostra a transformação correspondente a esta reação física.

Calcular o percentual de ferrita e cementita existente na perlita.

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Reação eutética: no diagrama Fe-C, a reação eutética é L ↔ Feγ + Fe3C e ocorre na temperatura de 1130°C, com a composição de 4,3%C.

(a) (b) (c) Figura 7.6 – Estruturas do aço: (a) ferrita; (b) perlita; (c) austenita. Exercícios: 7.1. Considerando uma liga de ferro-carbono, com 0,45% C na temperatura ambiente, responda:

Perlita (escura)

Ferrita proeutetóide (branca)

a) Qual o percentual total de cementita? b) Qual o percentual total de ferrita? c) Qual o percentual de ferrita proeutetóide (livre)? d) Qual o percentual de cementita proeutetóide (livre)? e) Qual o percentual de perlita? f) Qual o percentual de austenita? 7.2. Idem para uma liga ferro-carbono, com 1,0% C na temperatura ambiente.

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Cementita proeutetóide (contorno de grão)

Perlita (cementita + ferrita) no interior do grão

7.3. Ligas Ferrosas

As ligas ferrosas são aquelas onde o ferro é o constituinte principal. Seu amplo uso é

resultado de três fatores: (1) compostos que contém ferro existentes em quantidades abundantes na crosta terrestre; (2) o ferro metálico e as ligas de aço podem ser obtidas por processos relativamente econômicos; (3) as ligas ferrosas são extremamente versáteis, podendo ser adequadas para uma ampla variedade de propriedades físicas.

Destacam-se a s seguintes ligas ferrosas: 1. Aços para construção mecânica Os aços comuns, além do carbono que é o seu principal elemento de liga, apresentam manganês, silício, fósforo e enxofre como elementos sempre presentes, em função das matérias-primas que foram utilizadas na fabricação do ferro gusa e do aço. O carbono é o elemento de liga mais importante pois é responsável pela dureza no estado recozido e pela sua temperabilidade. De acordo com a finalidade do aço, tem-se uma material com composição química, microestrutura e tratamentos térmicos ou mecânicos específicos. Assim, tem-se aços para fundição, estruturais, para chapas, para tubos, para arames, para molas, para usinagem fácil, para cementação e nitretação, etc. Em geral, estes aços apresentam baixo ou médio teores de elementos de liga.

2. Ferros fundidos As ligas ferro-carbono com teor de carbono superior a 2% são chamados de ferros fundidos. Entretanto, está presente o elemento silício, de modo que estas ligas são consideradas ternárias (Fe-C-Si), podendo resultar uma outra fase chamada grafita ou carbono livre. Um dos efeitos do silício é modificar a composição do eutético, que no diagrama binário corresponde a 4,3%C. Utiliza-se o conceito de "carbono equivalente" para estudar o efeito do silício, o qual é representado pela fórmula: CE = %C + 1/3(%Si + %P) O silício tem um efeito grafitizante, ou seja favorece a formação de grafita (decomposição da cementita). Assim, Fe3C → 3Fe (α) + C (grafita)

Um dos materiais metálicos mais utilizados na indústria é o ferro fundido cinzento. É uma liga Fe-C-Si de fácil fusão e moldagem, excelente usinabilidade, resistência mecânica satisfatória e boa capacidade de amortecimento. Ele é obtido pelo processo de fundição e resulta em uma matriz semelhante ao aço, podendo conter ferrita+perlita em diferentes proporções. Entretanto, possui a grafita como fase extra, conforme a figura 7.7. 47

Figura 7.7 - aspecto metalográfico de um ferro fundido cinzento perlítico.

Ferrita (branca)

Nódulo de grafita (preto)

Figura 7.8 - aspecto metalográfico de um ferro fundido nodular ferrítico.

Mecanicamente, o ferro fundido cinzento é fraco e frágil comparado com o aço, quando submetido à tração, pois as extremidades dos veios são afinadas. O seu teor de carbono varia entre 2,5 e 4% e o de silício entre 1,2 e 3%. A norma ABNT classifica este material em classes, de FC10 a FC40, de modo que os dois últimos dígitos representam o limite de resistência a tração em kgf/mm2. O Ferro fundido nodular é uma liga de excelente resistência mecânica, tenacidade e ductilidade, pois a grafita tem formato esferoidal (figura 7.8).

3. Aços Inoxidáveis Os aços inoxidáveis são altamente resistentes à corrosão em uma variedade de ambientes. Seu elemento de liga predominante é o cromo, com teor mínimo de 11%, tendo a resistência à corrosão melhorada com adições de níquel e de molibdênio. Os aços inoxidáveis estão divididos em três classes, conforme sua estrutura: martensítica, ferrítica e austenítica. Os aços inoxidáveis martensíticos são capazes de serem endurecidos no processo de têmpera, formando a martensita como microestrutura principal. Os aços inoxidáveis ferríticos são compostos pela fase ferrítica (α), enquanto que os austeníticos pela fase austenítica (γ). Os ferríticos e austeníticos somente aumentam a sua dureza mediante encruamento. Tanto os aços martensíticos, quanto os ferríticos são magnéticos, entretanto, os austeníticos (na forma recozida) não são magnéticos.

4. Aços para Ferramentas e Matrizes Os principais requisitos desta família de aços são: 48

- alta dureza à temperatura ambiente; - elevada resistência ao desgaste; - alta tenacidade; - excelente resistência mecânica; - boa dureza a quente; - boa usinabilidade; - elevada temperabilidade; - granulação fina.

A composição química destes aços pode ser simplesmente com carbono ou, na maioria dos casos, com a presença de elevados teores de liga, como tungstênio, cromo, vanádio, molibdênio, etc. Todos os aços para ferramentas e matrizes são utilizados no estado temperado e revenido, cujas etapas de tratamento térmico são mais sofisticadas que para aços comuns. Os aços para ferramentas e matrizes podem ser classificados da seguinte maneira:

• aços temperáveis em água • aços para trabalho a frio • aços para trabalho a quente • aços resistentes ao choque • aços rápidos

Figura 7.9 - Molde de lentes automotivas feito de aço CSM21XL da Crucible (≈ 1.2892),

produzido pela Prospect Mold, Akron, Ohio (Fonte: Crucible, 2002).

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8. Efeito da Velocidade de Resfriamento nos Metais 8.1. Fases Metaestáveis Muitos dos materiais de uso comum contêm fases que são metaestáveis, ou seja, fases que não se transformam na fase de equilíbrio, embora tenham mais energia que esta. Ex.: A fase martensita da liga Fe-C: obtida através de um resfriamento rápido a partir da temperatura de austenitização, a tendência seria a formação de ferrita + cementita (fases de equilíbrio). Entretanto, o processo de saída do carbono de dentro da célula CFC (figura 8.1.a) requer tempo (exige difusão), o qual não é propiciado por um resfriamento rápido. Então, ocorre a transformação para CCC e o carbono fica retido dentro da célula, muito embora não haja espaço para acomodá-lo. Assim, ocorre uma distorção da célula CCC, formando uma célula tetragonal de corpo centrado. A distorção causa tensões internas, que são percebidas através da alta resistência mecânica e dureza da martensita, muito embora tenha grande fragilidade. A martensita é obtida através de um processo industrial chamado têmpera. A elevada fragilidade pode ser diminuida através de um processo de aquecimento em temperatura relativamente baixa chamado de revenimento (revenido).

(a) (b) (c) Figura 8.1 – (a) Austenita (Feγ - CFC) com átomo de carbono no interstício. (b) Ferrita (Feα – CCC), onde não há espaço intersticial para acomodar um átomo de carbono. (c) Célula tetragonal de corpo centrado (martensita), resultante da distorção de uma célula CCC, causada pelo átomo de carbono no interstício (Smith, W., pág. 483) 8.2. Os Tratamentos Térmicos nos Aços 8.2.1. Normalização: É um tratamento térmico utilizado para aços, utilizado para refinar grãos e produzir uma distribuição de tamanhos mais uniforme e desejável. Faz-se o aquecimento a uma temperatura de aproximadamente 55 a 85°C acima da temperatura crítica superior (linha A3 e Acm), a qual é dependente da composição química. Após ser dado tempo suficiente para que a liga esteja completamente transformada em austenita (austenitização), faz-se o resfriamento ao ar. 8.2.2. Recozimento Pleno: É um tratamento térmico usado com freqüência em aços com baixos e médios teores de carbono, que serão usinados ou deformados plasticamente. A liga é austenitizada totalmente (abaixo de 0,8%C) ou parcialmente (acima de 0,8%C) e, após, a liga é resfriada no forno. O resultado é uma perlita grosseira (mais fase proeutetóide, se for o caso), relativamente dúctil, porém uniforme.

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8.2.3. Coalescimento: visa-se a produção da estrutura chamada "esferoidita" ou "perlita globular", que confere ao aço uma dureza muito baixa, que propicia condições que facilitam

certas operações de deformação a frio e a usinagem. É aplicado sobretudo em aços de alto teor de carbono e consiste em aquecer-se o material a uma temperatura logo abaixo da linha A1 por tempo relativamente longo, ou oscilando em torno de A1. 8.2.4. Têmpera + Revenimento: O objetivo fundamental da têmpera das ligas ferro-carbono é obter uma estrutura martensítica, o que exige resfriamento rápido, de modo a evitar a transformação da austenita em ferrita e perlita ou em perlita e cementita. Aquece-se o aço acima de sua linha crítica (A1), durante o tempo necessário, em função da seção das peças, seguido de resfriamento rápido em um meio, geralmente óleo e água. A martensita possui uma dureza de 65 a 67HRc. O revenimento visa corrigir os excessos da têmpera ou seja, aliviar as tensões e corrigir a excessiva dureza e conseqüente fragilidade do material, melhorando sua tenacidade. É realizada imediatamente após a têmpera, a temperaturas abaixo da linha crítica A1.

Figura 8.2. Material coalescido, mostrando cementita globular sobre matriz ferrítica a 1000x (fonte: Callister, pág. 210).

Figura 8.3. Microfotografia da estrutura martensítica.

8.2.5. Têmpera Superficial: Tem por objetivo produzir um endurecimento superficial, pela obtenção de martensita apenas na camada externa do aço. É um tratamento rápido, comumente utilizando o processo de aquecimento por indução. Na têmpera por indução, o calor é gerado na própria peça por indução eletromagnética, utilizando-se de bobinas de indução, através das quais flui uma corrente elétrica. Pode-se controlar a profundidade de aquecimento pela forma da bobina, espaço entre a bobina de indução e a peça, taxa de alimentação da força elétrica, freqüência e o tempo de aquecimento.

Figura 8.4 – processo de têmpera por indução e seção de uma peça tratada

51

8.3. Endurecimento por Precipitação Este fenômeno físico é muito comum em ligas de alumínio de alta resistência, mas está sendo utilizada modernamente em aços para aplicações especiais. O objetivo do endurecimento por precipitação é criar em uma liga, uma dispersão densa de finas partículas precipitadas em uma matriz. As partículas precipitadas agem como obstáculos ao movimento de discordâncias e, por isto, aumentam a resistência da liga tratada termicamente. Este processo envolve três etapas básicas: 1. Solubilização(solutionizing): A peça é colocada em uma temperatura tal que produza uma

solução sólida monofásica. 2. Resfriamento rápido (quenching): resulta uma solução sólida supersaturada. 3. Envelhecimento (aging): processo de endurecimento por precipitação, formando precipitados

finamente dispersos.

T (°C) L

β + L α

α + L

β α + β

T1 T2 x Percentagem de B Ex.: Liga de alumínio com 4% Cu: 1. Tratamento de solubilização: 515°C 2. Resfriamento rápido em água até a temperatura ambiente 3. Envelhecimento artificial na faixa de 130-190°C Questionário: 8.1. Se a liga x% de B (gráfico acima) for resfriada lentamente, onde a fase β irá precipitar?

8.2. Se a liga x% de B for resfriada rapidamente, onde ocorrerá a precipitação durante o envelhecimento?

8.3. Se a liga for superenvelhecida (excesso de temperatura no processo de precipitação), como serão as propriedades mecânicas da liga?

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Tabela 8.1. – Dados gerais do aço para moldes VP50IM da Villares Metals que é tratado por endurecimento por precipitação (fonte: www.cimm.com.br).

Composição Química C= 0.15 % ; Mo= 0.3 % ; Mn= 1.55 % ; Si= 0.3 % ; Ni= 3 % ; S= 0.12 % ; Cu= 1 % ; Al= 1 %

Características Gerais

Aço endurecível por precipitação, desenvolvido especialmente para fabricação de moldes para a injeção de termoplásticos. Sua usinabilidade permite o fornecimento no estado solubilizado, para posterior envelhecimento ou solubilizado e envelhecido, dispensando o tratamento térmico final. * Excelentes propriedades mecânicas em qualquer direção. * Elevado grau de pureza. * Excelente usinabilidade. * Boa polibilidade e resposta à texturização. * Excelente resposta à Nitretação. * Boa resistência ao desgaste. * Excelente soldabilidade. * Elevada estabilidade dimensional e de forma.

Estado de Fornecimento

Solubilizado, com dureza na faixa de 30-35 HRC, para envelhecimento após usinagem de acabamento. Envelhecido com dureza na faixa de 40-42 HRC.

Envelhecimento

Devido à sua elevada estabilidade dimensional e de forma, realizar o envelhecimento após a peça acabada. O ciclo de aquecimento deverá ser em patamares a cada 100°C, com tempo de patamar de 30 minutos para cada 25 mm da menor espessura, para evitar que as tensões de usinagem provoquem distorções. A temperatura de envelhecimento é igual a 500°C. O tempo em temperatura deve ser de no mínimo 4 horas e no máximo de 6 horas. Após envelhecimento a peça deve ser resfriada em ar calmo. Caso a peça tenha sido solubilizada novamente, realizar o envelhecimento somente após atingir a temperatura ambiente. Não é necessário envelhecer no mesmo dia da solubilização.

Solubilização

Aquecer lenta e uniformemente até 400°C, a uma taxa de 100°C/h. Em seguida, no máximo a 300°C/h, aquecer até a temperatura de solubilização entre 880/920°C, manter até a completa homogeneização e a seguir resfriar em ar forçado. O resfriamento pode ser realizado em óleo próprio para têmpera, agitado e aquecido de 40/60°C, até a peça atingir a temperatura de 100°C, resfriando em seguida ao ar calmo até a temperatura ambiente.

53

9. Difusão Difusão é o fenômeno de transporte de material através do movimento de átomos. A difusão é um processo que depende do tempo para transferir massa.

Como pode ocorrer movimentos atômicos para novas posições? (desconsiderando a ação de campos elétricos) Movimentos atômicos para novas posições serão observados se a temperatura for suficiente para fornecer a energia necessária para retirar o átomo de sua posição original no reticulado. 9.1. Tratamentos Termoquímicos

Pode-se melhorar as propriedades superficiais dos aços, especialmente, através da mudança da composição química da superfície.

Freqüentemente, é necessário especificar um material com superfície dura, que resista a abrasão. Uma possibilidade é aplicar algum revestimento duro (metalização, cromagem, ceramização), porém as alterações superficiais são mais comuns. Estas alterações são normalmente executadas através de tratamentos térmicos. Quais as duas formas de tratamento superficial? (1) a região superficial pode receber um tratamento térmico diferente daquele dado ao material abaixo da superfície ou (2) a composição da região superficial pode ser alterada.

Das duas formas, a segunda envolve a difusão de elementos pela superfície (do exterior para o interior da peça), tendo-se como exemplos a nitretação e a cementação. Baseado no texto abaixo, explique (em português) como é o processo de cementação de um aço. Many rotating or sliding steel parts such as gears and shafts must have a hard outside case for wear resistance and a tough inner core for fracture resistance. In the manufacture of a carburized steel part, usually the parts is machined first in the soft condition, and then, after machining, the outer layer is hardened by some case-hardening treatment such as gas carburizing. Carburized steels are low-carbon steels which have about 0.1 to 0.25%. However, the alloy content of the carburized steels can vary considerably depending on the application for which the steel will be used. In the first part of the gas-carburizing process, the steel parts are placed in a furnace in contact with gases containig methane (CH4) or other hydrocarbon gases at about 927°C. The carbon from the atmophere diffuses into the surface of the gears so that after subsequent heat treatments the gear are left with high-carbon hard cases. Obs.: steel parts: peças de aço gear: engrenagem shaft: eixo hard outside case: camada dura wear resistance: resistência ao desgaste tough inner core: núcleo tenaz fracture resistance: resistência à fratura carburized part: peça cementada soft condition: condição macia gas carburizing: cementação à gás low-carbon steel: aço de baixo carbono alloy: liga furnace: forno heat treatment: tratamento térmico. case-hardening treatment: tratamento de endurecimento superficial

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Periferia da peça

Movimento dos átomos de carbono

Núcleo da peça: 0,2%C

Figura 9.1.- Microestrutura (100x) mostrando a periferia de uma engrenagem cementada. 9.1. Baseado nas leis de Fick, responda (Van Vlack, item 4-14, pág. 98):

a) o que permite que átomos se movimentem de um ponto a outro em uma solução sólida, homogeneizando o material?

Primeira lei de FICK: J = -D dCdx

b) Cite três influências sobre o coeficiente de difusão D. 9.2. Explique, com base no gráfico abaixo, como influi a segunda lei de Fick em um processo de cementação de uma engrenagem de aço de baixo teor de carbono1.

Segunda lei de FICK: dCdt

D d Cdx

= ( )2

2

tempo de cementação

camada

55

1 Baixo teor de carbono: até 0,25%C

Nitretação: o endurecimento superficial é obtido pela difusão do nitrogênio, quando o aço é aquecido numa determinada temperatura, quando o aço é aquecido em torno de 550°C, durante determinado tempo. A camada superficial apresenta-se suficientemente dura, com elevada resistência ao desgaste, boa resistência à fadiga e à corrosão (figura 9.2).

Figura 9.2 – camada de compostos e zona de difusão de uma peça nitretada sob plasma. (fonte:

Lima et al, 2005)

9.2. Sinterização 9.3. O que é sinterização?

9.4. Para nós, tem especial aplicação a sinterização sólida, visto que muitas peças de certos metais e cerâmicas são produzidas por este processo. a) Por que estes materiais são preparados desta forma?

b) Qual o princípio envolvido na sinterização sólida? a) as partículas antes da sinterização possuem duas superfícies adjacentes (Fig. 9.3.a) b) os grãos após a sinterização possuem um contorno. A força motora da sinterização é a

redução da área superficial e portanto da energia superficial (Fig.9.3.b)

(a) (b)

Figura 9.3 – Processo de difusão durante sinterização. Átomos difundem para a área de contato, criando pontes e reduzindo o tamanho dos poros (Askeland, 211).

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Os poros (que podem ser vistos como um aglomerado de buracos!!!) ocorrem com freqüência em peças fundidas e estão presentes nos materiais e/ou componentes obtidos pela metalurgia do pó. A figura 9.4 apresenta a superfície de ferro puro durante o seu processamento por metalurgia do pó. Note-se que, embora a sinterização tenha diminuído a quantidade de poros, bem como melhorado sua forma (os poros estão mais arredondados), ainda permanece uma porosidade residual.

(a) (b) Figura 9.4 - (a) Compactado de pó de ferro – compactação uniaxial em matriz de duplo efeito a 550MPa. (b) Compactado de pó de ferro após a sinterização a 1150°C, por 120min em atmosfera de hidrogênio.

Figura 9.5 – esquema para a moldagem do corpo a verde pela prensagem uniaxial (Shackelford, pág. 425). Obs.: Green compact: corpo a verde filled: preenchido lower: inferior Fill shoe: sapata leveled: nivelado upper: superior

Punch: punção pressed: prensado inner: interno Die: matriz ejected: ejetado outer: externo Core rod: guia Cavity: cavidade Powder: pó

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Deve ter surgido uma pergunta: como moldar a peça para ser sinterizada? Na figura 9.5 está sendo mostrado o método mais comum, prensagem uniaxial, o qual forma o corpo a verde, que será transformado em peças como da figura 9.6, após a sinterização. A figura 9.7 ilustra um outro processo moderno de produção de peças chamado de injeção de pó metálico (powder injection molding).

Figura 9.6 – Alguns produtos fabricados por metalurgia do pó (prensagem uniaxial).

Figura 9.7 – Representação da moldagem por injeção de pó metálico (tese de doutorado de Luís Manuel Mendonça Alves – UTL, Portugal, 2004).

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10. Introdução aos Materiais Cerâmicos Cerâmicos são materiais inorgânicos, não-metálicos, os quais consistem de elementos metálicos (Al, Mg, Cr, ...) e não-metálicos (O, N, C,...) ligados por ligações iônicas e covalentes. Ex.: vidro, tijolos, pedra, concretos, abrasivos, refratários, etc. Obs. Ligação Iônica: Resulta da atração mútua entre íons positivos e negativos. Átomos de elementos como o sódio e o cálcio, com um e dois elétrons na camada de valência, respectivamente, perdem facilmente estes elétrons externos e se tornam íons positivos. Por outro lado, os átomos de cloro e oxigênio facilmente recebem um ou dois elétrons na camada mais externa, respectivamente, de modo a completar oito elétrons nesta camada. Uma força de atração coulumbiana entre íons positivos e negativos promove a ligação entre íons vizinhos de carga oposta. É errado pensar que os íons originários do sódio e do cloro se juntem aos pares, pois se isto acontecesse, haveria uma atração muito grande entre os íons formando o par, e uma atração pequena entre os outros pares. Como conseqüência, o sólido NaCl não poderia existir.

-

+

-

-

-

-+

+

+ +

A carga negativa é atraínegativas. Conseqüentemente, opor íons de sódio, sendo a atraçã Obs.: Ligação Covalente: Muitcom um átomo adjacente. O ehidrogênio H2 . A ligação covalente imexemplo do diamante, que é o inteiramente por carbono. O diapode ser usado por fazer ferrampoços de petróleo. As ligaçõescarbono também são unidos foplano, diferentemente da rede 3simplesmente empilham-se uns fracas. Os planos de átomos depor isto a grafita é um importan

da por todas as cars íons cloro ficam eo igual em todas as

as vezes, um átomoxemplo mais simpl

plica em intensas fmais duro materialmante é importante

entas de corte afi covalentes tambémrtemente através dD das ligações do dsobre os outros, se carbono podem ente lubrificante!

+

gn d

pe

o pa

e i

ndtã

as positivas e a carga positiva por todas as volvidos por íons cloreto, e os íons cloretos ireções.

ode se neutralizar, compartilhando elétrons s deste compartilhamento é a molécula do

rças de atração entre os átomos, como no encontrado na natureza e que é constituído orque é a substância mais dura conhecida, e

das, tais como as usadas em perfuração de se encontram na grafita, cujos átomos de ligações covalentes, mas só dentro de um amante. Estes planos de átomos de carbono o as forças de união entre os planos, muito o deslizar facilmente uns sobre os outros, e

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(a) (b)

Figura 10.1. – (a) estrutura do diamante; (b) estrutura da grafita. Vidros

Materiais Cerâmicos

Há dois grupos de cerâmicas:

1. cerâmicas tradicionais: argila, síli- refratários (ZrO2, SiO2, Al2O3- abrasivos (SiC, WC, Al2O3, S

2. Cerâmicas avançadas: Al2O3, SiC

MgO: refratários usado para temperaturasArgila = Al2Si2O5(OH)4 ZrO2: zircônia (CFC) Al2O3: alumina (HC) Características dos materiais cerâmicos: - em geral cristalinos (exceção: vidro) - possuem ligações covalentes ou iônic- alta temperatura de fusão - duros e frágeis, em geral (baixa tenac- excelente estabilidade química, de ma- usualmente isolantes elétricos e térmi

Produtos Argilosos

s

Refratário

Abrasivos

Cimentos

Cerâmicas avançadas

ca, feldspato (alumino-silicato, Na, K, Ca) -SiO2) iO2, diamante industrial)

, Si3N4, ZrO2

elevadas (1650°C a 2500°C)

as

idade e ductilidade) neira geral (ligações fortes) cos

60

A ausência praticamente total de escorregamento nos materiais cerâmicos tem como conseqüência: - não são dúcteis - resistem a tensões de compressão - resistem pouco a tensões de tração

Contorno de grão Poro CONCENTRAÇÃO DE TENSÕES FRATURA Fissura 10.1 Processamento Processo de fabricação de peças cerâmicas por conformação de particulados: Pó Corpo a verde Corpo sinterizado Formato e dimensões Fases e microestrutura final preliminares Conformação Pré-sinterização/sinterização Tendo os pós misturados, as peças a verde são obtidas pelos seguintes processos mais usuais:

1. Prensagem uniaxial: semelhante a figura 9.3. 2. Colagem de barbotina (fundição por suspensão): figuras 10.2 e 10.3. 3. Compressão isostática: figura 10.4. 4. Extrusão 5. Moldagem por injeção: figura 9.7.

Figura 10.2 – (a) molde em gesso; (b) preencher o molde com uma solução aquosa com partículas cerâmicas em suspensão; (c) vazar o excesso; (d) molde+camada formada; (e) abre-se o molde e retira-se a peça (Shackelford).

61

Figura 10.3 – Esquema do processo de colagem por barbotina (Shackelford, pág. 448)

Figura 10.4 – Isolador de vela de motor de combustão produzida por compressão isostática. (a) seção transversal de um molde; (b) peça a verde; (c) peça a verde usinada; (d) peça sinterizada; (e) peça acabada; (f) conjunto montado (Smith).

Após a conformação faz-se a sinterização, que é a operação de consolidação do compactado a verde. Há um aumento da resistência mecânica do compactado e o desenvolvimento da microestrutura final do material. A energia motriz para a sinterização é fornecida pela diminuição da energia superficial do material, alcançada pela substituição dos poros por contornos de grãos, assim como pelo aumento do tamanho de grão.

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11. Materiais Poliméricos 11.1. Histórico

1828 – WOHLER sintetizou a uréia. Até esta data os químicos não se preocupavam com a química orgânica, pois achavam que existia na natureza uma “força vital”: materiais orgânicos apenas poderiam ser obtidos por processos naturais.

O

H

H

H

H N – C – N

1839 – Charles e Nelson Goodyear transformaram o látex de Hevea brasiliensis em um elastômero útil: borracha vulcanizada utilizando enxofre. 1868 – John Hyatt ganhou U$ 10.000 por apresentar um substituto do marfim para bolas de bilhar: nitrato de celulose. 1909 – o químico belga Baekland utilizou fenol+formaldeído e originou o termofixo Bakelite. Início da década de 30 – Wallace Carothers (Du Pont) conseguiu uma fibra de alto grau de polimerização (25000) através da reação de condensação entre glicóis e ácidos dibásicos. A patente do Nylon foi depositada em 1938 (hexametileno diamina e ácido adípico) 1945 – utilização do nylon em pára-quedas. 1950 – Rápida expansão dos plásticos

♦ Conhecimento da química e da tecnologia envolvida ♦ Abundância de matérias-primas baratas ♦ Pouca energia para moldar artigos de plástico ♦ Desenvolvimento de técnicas eficientes de transformação e moldagem.

A teoria química de macromoléculas foi desenvolvida por Herman Staudinger

11.2. Definições básicas

Em primeiro lugar é necessário conhecer o material polimérico de uma forma geral antes de explorar suas aplicações particulares. Isto porque estes materiais fazem parte de uma categoria muito ampla. Os polímeros incluem os elastômeros, adesivos, fibras, filmes, polímeros naturais modificados, termoplásticos tradicionais e de engenharia, e os termofixos.

Os plásticos são descritos como materiais compostos principalmente por grandes moléculas. Os plásticos são sólidos que podem ser moldados em uma geometria, através do seu amolecimento ou fusão. Entretanto, como estas moléculas podem se organizar? As moléculas são grupos de átomos (carbono, hidrogênio, nitrogênio, oxigênio e outros) que juntados em arranjos específicos propiciam um material com certas propriedades. Pelo uso de certas reações química, algumas moléculas podem ser combinadas em cadeias. Veja a figura seguinte:

Molécula qualquer

Forças reativas químicas

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POLÍMERO = MUITAS PARTES. Polímero é uma grande molécula que é constituída por pequenas unidades que se repetem, denominadas MEROS.

- C – C – C – C – C – C – C – C – C -

Ligações formadas por causa das reações químicas

São partes unidas umas às outras por ligações químicas.

PLÁSTICOS: • TERMOPLÁSTICOS • TERMOFIXOS

BORRACHAS (ELASTÔMEROS) Os termoplásticos requerem aquecimento para moldar (tomar forma) e, depois de resfriado, retém a forma. Possuem longas cadeias de átomos de carbono ligados covalentemente. Átomos de N, O, S também fazem parte da cadeia principal, algumas vezes. Os termofixos possuem uma forma permanente após curados por uma reação química. Consistem de uma rede de átomos de carbono ligados covalentemente formando um sólido rígido. Veja a figura abaixo:

Uma peça de resina termofixa possa ser considerada uma molécula gigante, pois toda ela é unida por ligações covalentes. Quando usar uma ou outra resina? (Van Vlack, pág. 185)

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Termofixa: mais resistentes e usadas em temperaturas mais altas. Utilizada em menores volumes de produção. Termoplástica: preenchem um molde mais intrincado com facilidade. Os resíduos podem ser reprocessados, o que torna econômico e ecologicamente indicado.

REAÇÕES DE POLIMERIZAÇÃO Polimerização pelo crescimento da cadeia:

MONÔMEROS (moléculas simples que reagem para formar polímeros)

POLÍMERO (molécula de cadeia longa) C2H4 CH2 = CH2 etileno Mero do etileno Polietileno, onde – C – C –

n

– C – C – n é o grau de polimerização (GP)

Quais os métodos de polimerização?

Processo de polimerização por adição: é a incorporação sucessiva de monômeros na cadeia principal. Ex. Polietileno.

(R – O – CH2 – CH2 •) + CH2 = CH2 → (R – O – CH2 – CH2 – CH2 – CH2•)

Processo de Polimerização por condensação: monômeros reagem quimicamente de modo a produzir polímeros lineares, ocorrendo a formação de um subproduto.

Ex.: PA6.6 (nylon):

N – (CH2)6 – N + C – (CH2)4 – C

O

O H

H HO OH

H O O

+ H2O

OH NH2 –(CH2)6 – NH – C– (CH2)4 – C

H Hexametileno diamina ácido adípico Hexametileno adipamida (nylon 6.6) + água Por que chamamos de “resinas poliméricas”?

Normalmente as moléculas poliméricas estão na forma de flocos ou grânulos, embora algumas vezes possam ser líquidos viscosos. Resina é, então, qualquer líquido ou sólido que mais tarde será moldado em uma peça plástica.

E todas as resinas são sintéticas, isto é feitas pelo ser humano ou alteradas por ele?

Muitos materiais poliméricos não ocorrem naturalmente, como o polietileno, o nylon,. Entretanto, existem polímeros naturais, como a borracha natural, o algodão, a madeira, o couro, etc.

Por exemplo, qual a diferença entre um polímero amorfo e um cristalino?

Amorfo tem um arranjo desordenado das moléculas. Ex.: PVC, SAN, PS, PC, ABS.

65

Cristalino: arranjo ordenado e uma repetição regular de estruturas atômicas ou moleculares no espaço. Ex.: Poliéster (PBT, PET), PP, PE, PA (nylon), POM (acetal).

Em alguns termoplásticos, a estrutura química permite que as cadeias (macromoléculas) se dobrem e se empacotem juntas de uma maneira organizada. As regiões organizadas mostram características de cristais, de modo que os termoplásticos que apresentam regiões desta natureza são chamados de semicristalinos. Todos os termoplásticos semicristalinos apresentam regiões desorganizadas (amorfas) entre as regiões cristalinas.

Pelo que se observa em catálogos, a cristalinidade é definida pelo “grau de cristalinidade”. Este parâmetro pode variar dentro de que faixa de valores, nos polímeros?

Varia de 100% amorfo a altamente cristalino (até cerca de 95%)

Os líquidos cristalinos compõem uma família polimérica a parte, pois possuem cadeias

rígidas e paralelas umas às outras. Tem-se como o exemplo o polímero LCP Vectra da empresa Tycona.

Pode-se comparar os polímeros segundo a tabela abaixo: Propriedade Polímero

semicristalino Polímero amorfo Polímero

Líquido Cristalino Densidade Alta Baixa Alta Resistência Mecânica Alta Baixa a mais alta Módulo de Elasticidade Alto Baixo o mais alto Ductilidade Baixa Alta a mais baixa Resistência a fluência Alta Baixa Alta Max. Temperatura de uso Alta Baixa Alta Contração Alta Baixa a mais baixa Fluidez Alta Baixa a mais alta Resistência química Alta Baixa a mais alta Transparência Usualmente opaco Transparente Sempre opaco

A tabela abaixo ilustra a relação entre a cristalinidade, densidade e formato da cadeia polimérica: 66

PEBD (LDPE) PELBD (LLDPE) PEAD (HDPE)

Densidade (g/cm3) 0,92-0,93 0,922-0,926 0,95-0,96

Cristalinidade (%) 65 80 95

Desenho

A estrutura molecular é sempre a mesma para todos os polímeros?

Não, as caraterísticas físicas de um polímero dependem do peso molecular, da forma da cadeia polimérica e da estrutura das cadeias moleculares. As modernas técnicas de síntese permitem considerável controle de várias possibilidades estruturais, por exemplo:

1. Polímeros lineares: são aqueles cujos meros estão dispostos em seqüência formando uma cadeia simples, que lembra a massa do espaguete. Alguns polímeros com estruturas lineares são: polietileno, cloreto de polivinil (PVC), poliestireno, polimetil metacrilato, nylon e fluorcarbonos.

2. Polímeros ramificados (branched): são aqueles que possuem cadeias laterais conectadas à cadeia principal. Estas cadeias reduzem a densidade polimérica, devido a redução da eficiência de empacotamento. Todos os polímeros lineares podem também ser ramificados.

3. Polímeros com ligações cruzadas (crosslinked): As cadeias lineares adjacentes são unidas em várias posições por ligações covalentes. As borrachas tem ligações cruzadas obtidas através de um processo chamado “vulcanização”.

Moléculas fracamente reticuladas: elásticas

4. Polímeros tridimensionais (Network): São polímeros com grande quantidade de ligações cruzadas, formando uma rede espacial. Epóxi e fenol-formaldeído fazem parte deste tipo.

Moléculas fortemente reticuladas: rígidas

Explique o processo de vulcanização

É a adição em um processo industrial, de enxofre na borracha para impedir que, ao serem tensionadas, as moléculas escorreguem umas em relação às outras. Os átomos de carbono das moléculas são ligados por enxofre que se comportam como âncoras.

Se o mero tem importância fundamental na descrição do polímero, então as propriedades do polímero também estão fortemente vinculadas ao mero. Conhecer a estrutura polimérica tem como objetivo básico entender a sua influência nas características e propriedades do material, como: grau de cristalinidade, propriedades mecânicas, químicas, térmicas e elétricas. Da mesma forma é possível entender porque os polímeros se deformam elasticamente e plasticamente.

67

Também, a incorporação de aditivos no material polimérico pode modificar uma série de propriedades, como resistência mecânica, resistência à abrasão, tenacidade, estabilidade térmica, rigidez, deteriorabilidade, cor e resistência à propagação de chamas. Usualmente, o termoplástico é adquirido peletizado pelo transformador e pronto para ser injetado. O fornecedor, ao preparar o material, acrescenta ao mesmo aditivos, cargas e pigmentos para conferir-lhes qualidades que o torne atraente para o transformador.

Na definição de termoplástico as forças de Van der Waals são fundamentais para o comportamento do polímero. Mas o que são estas forças de Van der Waals?

São ligações secundárias, mais fracas, que também contribuem para a atração interatômica.

Exemplo para a atuação das ligações de Van der Waals no PVC está na figura abaixo (fonte: Askeland), em que os átomos de hidrogênio de uma cadeia são atraídos mutuamente pelos átomos de cloro da outra cadeia.

11.3. Tipos de Polímeros e Características Gerais

Alguns polímeros conhecidos: Polietileno, PVC, Poliestireno, PMMA, PTFE, PP, Poliacrilonitrila, PET (Polietileno Tereftalato). Como diferenciá-los?

A diferença básica destes polímeros está na estrutura de repetição dos meros. Veja a seguir os meros destes polímeros e suas características e aplicações principais

Mero Nome Características Aplicações principais

PE - Polietileno - baixa propriedade mecânica - excelente resistência

química

Filmes e frascos para embalagens de produtos alimentícios, farmacêuticos e químicos. Utensílios domésticos. Brinquedos.

PVC – Cloreto de Polivinil

- alta resistência química - reistência à chama elevada - são adicionados outros compostos: plastificantes, estabilizadores de calor, lubrificantes, pigmentos, cargas.

Forração de móveis e de estofamentos de carros. Revestimentos de fios e cabos elétricos. Tubulações de água. Pisos. Embalagens rígidas e transparentes. Calçados.

PP - Polipropileno - temperatura de deflecção por calor maior que PE

- baixo custo - propriedades mecânicas

regulares - excelente resist. química

Párachoques de automóveis. Carcaças de eletrodomésticos. Recipientes em geral. Brinquedos. Carpetes. Material hospitalar. Recipientes para uso em fornos de microondas.

PMMA – Poli (metacrilato de

- amorfo - boa resistência química

Painéis, letreiros, vidraças. Suportes transparentes. Fibras

– CH2 – CH2 –

– CH2 – C –

H

Cl

68

CH3

– CH2 – C –

H

– CH2 – C –

OCH3

C = O

CH3

metila) (acrílico)

- semelhante ao vidro - boa resistência ao risco, ao impacto e às intempéries

ópticas.

PS - Poliestireno - Claro, sem-odor, sem gosto, certa fragilidade, transparente, sem resistência ao risco e a solventes. Amorfo.

- Também usado como copolímero: HIPS, SAN

Utensílios domésticos rígidos. Brinquedos. Embalagens e frascos para cosméticos e alimentos.

PTFE - Politetrafluoretileno

- TEFLON (DuPont) - Densidade: 2,13 a 2,19 g/cm3 - Baixa reatividade química - Baixo coeficiente de fricção - Baixa aderência

Válvulas, torneiras, gaxetas, engrenagens, anéis de vedação. Revestimentos antiaderentes para panelas.

PAN - Poliacrilonitrila

- alta resistência mecânica - boa resistência a solventes - usado para fabricação de

fibras - baixa cristalinidade

Fibras têxteis macias e leves como lã. Precursor para a fabricação de fibras de carbono

–(OOOC–C6H4COO– –CH2CH2)–

PET (Polietileno Tereftalato)

- pode estar em estado amorfo (transparente), parcialmente cristalino e altamente cristalino

- alta resistência mecânica, química e térmica.

- Baixa permeabilidade a gases

Como fibra: mantas para filtros industriais e para contenção de encostas. Como filme: fitas magnéticas. Em radiografia. Como artefato: frascos para bebidas gaseificadas. Embalagens.

– CH2 – CH –

– CF2 – CF2 –

– CH2 – C –

H

C≡N

Um termo muito utilizado em catálogos de especificação de materiais poliméricos é “copolímero”. Qual o significado deste termo?

Os pesquisadores estão continuamente procurando por novos materiais que possam ser mais facilmente e economicamente sintetizados e fabricados, com propriedades melhoradas ou combinações melhores de propriedades que as oferecidas pelos chamados “homopolímeros”, abordados até este momento. Os polímeros com misturas de monômeros são chamados de copolímeros.

Eles podem ter 4 configurações básicas: aleatório, alternado, em bloco ou ramificado (graft). Os copolímeros mais conhecidos são: ABS (acrilonitrila-butadieno-estireno), SAN (estireno-acrilonitrila) e EVA (etileno-acetato de vinil). As borrachas sintéticas são freqüentemente copolímeros: SBR (Styrene-butadiene rubber) é um copolímero aleatório utilizado para fabricar pneus; NBR (borracha nitrílica) é um outro copolímero aleatório composto de acrilonitrila e butadieno, o qual é altamente elástico e resistente a solventes orgânicos; mangueiras para transporte de gasolina são feitas de NBR.

O Mylar é usado como filme de isolamento das bobinas dos motores elétricos. Que material é este?

No dia-a-dia encontramos muitos materiais vendidos sob nome comercial (trade names), sendo que alguns passam a designar o material, principalmente dentro das fábricas. O Mylar é um filme de resina poliéster, fabricado pela Du Pont, cujo tipo é Polietileno Tereftalato (PET). O PET também muito usado para fabricação das famosas garrafas de refrigerantes.

Mas as resinas poliésteres não são materiais termofixos? Na produção de caixas térmicas, por exemplo, usa-se resina poliéster com fibra de vidro.

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O poliéster também pode ser um termofixo, tendo excelentes propriedades elétricas e baixo custo. É usado em capacetes, barcos de fibra, componentes automotivos, poltronas, hélices, etc.

É interessante ter dados destes materiais a mão, pois são os polímeros mais comuns. Entretanto, muitos outros materiais de alto desempenho já estão disponíveis no mercado, infelizmente com os preços um tanto elevados. Veja a comparação destes materiais mais comuns, comparado com o PEEK (Poliéter-éter-cetona)2:

Tipo de Plástico PE PS PET Nylon PC PTFE PEEK

Preço (US$/kg) 1,00 1,20 1,65 3,10 3,90 14,50 79,50

Os plásticos de Engenharia são os materiais mais caros?

Não, necessariamente, mas tendem a ser. Na verdade, a maioria das resinas identificadas como termoplásticos de engenharia possuem as seguintes características, que as fazem ter um maior custo: 1. Alta resistência e rigidez, comparável a muitos metais, quando ajustada a diferença no

peso. 2. Retenção das propriedades mecânicas em largas faixas de temperatura, especialmente em

altas temperaturas. 3. Boa tenacidade. 4. Boa estabilidade dimensional na faixa de temperatura de uso normal. Deve-se saber que

os plásticos estão sujeitos ao fenômeno de “fluência” (creep), que é a tendência dos materiais de mudar suas dimensões sob carga, enquanto em uso em temperatura normal.

5. Capacidade do material resistir a fatores ambientais, tais como água, solventes, luz UV e oxigênio.

6. Boas propriedades elétricas em alguns casos. De uma forma geral, os plásticos de engenharia são aqueles que têm um balanço de propriedades (químicas, mecânicas, elétricas e térmicas) que são úteis para aplicação em engenharia. O quadro a seguir (fonte: baseado em dados da Tycona) ilustra uma relação entre desempenho do polímero (performance) e preço:

702 Strong, A.B, Plastics, Prentice-hall, 1996, pág. 9. Dados de 1995.

Tabela para os seguintes polímeros de engenharia, abordando principais características e aplicações típicas: Poliamida (PA), Acetal (POM), Poli-óxido fenileno (PPO), Polibutileno tereftalato (PBT) e Polisulfeto de fenileno (PPS).

Polímero Características Aplicações

Acetal (POM) – (CH2 – O)–

- excelente estabilidade dimensional - excelente resistência à fadiga - baixa absorção de água - cristalinidade: 75% - excelentes propriedades mecânicas

Engrenagens em geral. Componentes de precisão em equipamentos industriais, eletrônicos e elétricos. Válvulas de aerossol. Zípers. Ogivas de canetas.

PA – poliamida (Nylon) - Peças que requerem baixo atrito; - tem excelentes propriedades mecânicas; - absorvem umidade. - Boa resistência à fadiga, à abrasão e ao impacto

Como fibra: tapetes, carpetes, roupas, meias, fios de pesca, cerdas de escova;Como artefatos: engrenagens, material esportivo. Componentes de eletrodomésticos.

Polisulfeto de fenileno (PPS).

- rigidez em elevadas temperaturas - boas propriedades químicas e mecânicas - Altíssimo módulo de flexão e alta resistência à fluência

- Boas propriedades elétricas e retenção destas propriedades mesmo a 147°C;

- Altíssima estabilidade dimensional e baixíssima absorção de umidade

Câmaras de sucção de compressores, termostatos, capacitores, refletores de automóveis metalizados, bobinas, pistão de cilindro de freios;

- alta energia de impacto - alta estabilidade dimensional - amorfo, semelhante ao vidro - boa resistência à chama e às intempéries

Janelas de segurança. Escudos de proteção. Painéis de instrumentos. Capacetes. Mamadeiras. CD’s. Artigos médicos. Lanternas de instrumentos.

Poli-óxido fenileno (PPO) Noryl (GE) - alta rigibilidade e resistência mecânica - resistência química a muitos ambientes - excelentes propriedades dielétricas - baixíssima absorção de água

Conectores elétricos, componentes de tubos de imagem de TV; peças para automóveis.

Polibutileno tereftalato (PBT)

- Excelentes propriedades elétricas e retenção destas propriedades mesmo após exposição prolongada a altas temperaturas

caixa de fusíveis, teclados, conectores, caixa de tomada, mecanismos internos de espelhos de retrovisores, plugues;

Policarbonato (PC)

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e condições de umidade; - Excelente resistência química a vários produtos químicos;

- Alta estabilidade dimensional da peça moldada;

- Alta temperatura de deflexão térmica (tipos reforçados) e excelente resistência à degradação térmica;

- Baixa absorção de umidade e boa estabilidade hidrolítica comparado às poliamidas.

Material Densidade (g/cm3) σt (MPa) Temp. máx. uso (°C) Nylon 6.6 1,14 62-83 82-150 Poliacetal (POM) 1,42 69 90 Policarbonato (PC) 1,2 62 120 PBT 1,31 56 120 PPO 1,08 52-66 80-105 Polisulfona 1,24 70 150 PPS 1,34 69 260

Parece que o comportamento mecânico do polímero é extremamente importante. Como é a deformação mecânica do polímeros?

A aplicação de tensão no polímero produz uma deformação e melhora o alinhamento das moléculas. Como resultado, a curva σ xε não é análoga a dos metais, porque o módulo de elasticidade aumenta quando a tensão está aplicada diretamente sobre a cadeia do polímero, devido ter ocorrido o alinhamento.

Semicristalino orientado

Semicristalino orientado

ε

semicristalino amorfo

σ

A orientação tende a aumentar a cristalização, melhorando as propriedades dos polímeros. Como é o caso da fabricação de fibras artificiais?

O processo de extrusão que é usado na fabricação de fibras artificiais provoca um aumento adicional na resistência através da orientação molecular (e cristalização).

Os polímeros podem ser comparados diretamente com os metais?

Os polímeros são em muitos aspectos mecanicamente diferentes que os metais. Por exemplo, o módulo de elasticidade do polímeros pode ser tão baixo quanto 7 MPa, quanto alcançar 4000 MPa em plásticos muito rígidos. Os módulos de elasticidade dos metais são muito mais altos, variando entre 48.000 a 410.000 MPa. Os valores de resistência mecânica máxima para os polímeros são na ordem de 100 MPa, enquanto para alguns metais chega a 4100 MPa. E, enquanto os metais raramente se alongam plasticamente mais que 100%, alguns

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polímeros altamente elásticos podem experimentar alongamentos de mais de 1000%. Em compensação, as características mecânicas dos polímeros são muito sensíveis a mudanças de temperatura.

Exemplos de propriedades mecânicas dos materiais plásticos: veja a tabela (Callister): Material Densidade

específica Limite de resistência

mecânica (MPa) Limite de

escoamento (MPa) Alongamento

após ruptura (%) Tg

(°C) Tm

(°C)

Polipropileno 0,9 – 0,91 31 – 41,4 31 – 37,2 100 – 600 -18 175

Nylon 6.6 1,13 – 1,15 75,9 – 94,5 44,8 – 82,8 15 – 300 57 265

Que fatores influenciam de modo que tenhamos essa variação nas propriedades mecânicas?

Em primeiro lugar, o peso molecular altera principalmente os valores de resistência mecânica. Também o grau de cristalinidade pode ter uma significante influência nas propriedades mecânicas, já que afeta as ligações secundárias. Para regiões cristalinas, nas quais as cadeias moleculares são mais empacotadas em um arranjo ordenado, existem ligações secundárias extensivas entre os segmentos das cadeias adjacentes. Nas regiões amorfas, prevalecem menos ligações secundárias devido ao desalinhamento da cadeia. Como conseqüência, para polímeros semicristalinos, a resistência aumenta com o aumento do grau de cristalinidade. Realmente, para entender é preciso conhecer a forma das regiões amorfas e cristalinas. Veja a Figura abaixo, que mostra regiões amorfas e cristalinas(Callister, pág. 467).

Orientação tipo sanfona formando lamelas

Quais os outros fatores que influenciam na variação das propriedades mecânicas de um polímero?

Em uma base comercial, uma das mais importantes técnicas usadas para melhorar as propriedades mecânicas é deformar o polímero sob tensão. É um processo chamado “drawing”, muito usado para a produção de fibras e filmes. É o mesmo que o encruamento nos metais. Da mesma forma que nos metais, pode-se fazer um recozimento (annealing) nos polímeros semicristalinos previamente deformados para modificar a sua estrutura.

O que são as temperaturas Tg e Tm indicadas na tabela?

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Tm (temperatura de fusão cristalina) é a temperatura quando a quantidade de energia térmica de entrada do sistema seja suficiente para superar as energias de ligação da estrutura cristalina. A partir desta temperatura, o material é considerado líquido, pois flui livremente.

Tg (temperatura de transição vítrea) é a temperatura a partir da qual, as regiões amorfas adquirem progressivamente mobilidade.

A tabela indica ainda nylon 6.6. O que significa 6.6?

Quantidade de carbono no mero (6 + 6)

Os catálogos de nylon sempre citam a característica higroscópica deste material. Também, no caso do Poliacetal (POM – polioximetileno), cita-se sempre a baixíssima absorção de umidade. O que diferencia estes dois polímeros?

O POM é um material apolar, enquanto que o Nylon é polar e atrai moléculas polares como a água.

Fonte: Tycona

11.4. Processamento de Material Termoplástico

Muitos processos diferentes são usados para transformar grânulos plásticos em produtos com determinadas formas.

1. Moldagem por injeção: É um dos mais importantes métodos de processamento usados para

materiais termoplásticos. A figura 11.1. mostra a seqüência de operações de um processo de injeção para materiais plásticos.

a) os grânulos de plásticos são levados pelo giro de um parafuso; b) os grânulos são fundidos à medida que são empurrados pela hélice do parafuso;

quando há suficiente material fundido no final do parafuso, o mesmo pára de girar. c) O parafuso é movido ao longo de seu eixo e injeta o material plástico através de uma

abertura, passando este por canais até uma cavidade de um molde fechado. d) O parafuso é retraído e a peça acabada é ejetada.

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Figura 11.1. – Seqüência de operações de injeção de peças plásticas (Smith, pág. 346).

2. Extrusão: Produtos como tubos, hastes, lâminas, mangueiras, etc. são produzidos por este

processo. Neste processo, a resina termoplástica é alimentada para dentro de um cilindro aquecido e o plástico fundido é forçado através de uma abertura (matriz) por um parafuso que gira (Figura 11.2). A figura 11.3 mostra uma variação da extrusão para a produção de um compósito com fibras de vidro.

Figura 11.2. – Desenho esquemático de uma extrusora de material plástico (Smith, pág. 347).

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Figura 11.3 – compósito produzido por pultrusão. 3. Moldagem por sopro: Na moldagem por sopro, um cilindro ou tubo de plástico aquecido

chamado parison é colocado no molde (figura 11.4a). O molde é fechado e o fundo do tubo é cortado pelo molde (b). Ar comprimido é alimentado através do molde para dentro do tubo, o qual expande para completar o molde; a peça é resfriada com ajuda do ar comprimido (c).

Figura 11.4 – Seqüência de passos da moldagem por sopro. A = linha de ar comprimido; B = matriz; C = molde; D = seção do tubo. (Smith, pág. 348).

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Bibliografia 1. Callister Jr., W.D., Ciência e Engenharia de Materiais - Uma Introdução, Ed. LTC, 2002. 2. Chiaverini, V., Tecnologia Mecânica, volume III - Processos de Fabricação e

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Campus, 1984. 5. Callister, W., Materials Science and Engineering – An Introduction, John Wiley & Sons,

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