Experimento 1: Observação da estrutura de metais.

Disciplina: BC1105 – Materiais e Suas Propriedades.

Discentes: Fábio Luis de Melo Paulon

Fernando Henrique Gomes Zucatelli Nathalie Minako Ito

Pedro Caetano Oliveira Thiago Rodrigues Brito

Turma: A/Diurno Profº. Dr. Gerson Luiz Mantovani

Santo André, 27 de Outubro de 2010.

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1. INTRODUÇÃO • Aços Carbonos:

Os aços são ligas ferro-carbono que podem conter concentrações apreciáveis de outros elementos de liga. As propriedades mecânicas são sensíveis ao teor de carbono, que é normalmente inferior a 1%p. Alguns aços mais comuns são classificados de acordo com a concentração de carbono. Os aços-carbono contêm apenas concentrações residuais de impurezas além do carbono e um pouco de manganês [1].

A partir de uma análise de diagrama de equilíbrio pode-se classificar as fases do aço em ferrita, austenita, cementita e perlita.

Ferrita é a fase do aço na qual o Ferro se encontra na estrutura cristalina Cúbica de Corpo Centrado (CCC). Possui dureza bastante baixa e quando o tamanho do grão é suficientemente grande pode ser empregado para aplicações como anéis de vedação metal-metal na indústria do petróleo [2]. Austenita é o ferro com estrutura Cúbica de Face Centrada (CFC), possuindo dureza elevada [2]. A cementita ocorre quando a solubilidade do Carbono na ferrita é excedida. A dureza é elevada. A Perlita consiste em um conjunto de lamelas de ferrita e cementita com a mesma orientação cristalográfica. Conjuga uma matriz dúctil (ferrita) e um reforço alinhado de alta dureza (cementita), embora não seja caracterizada por elevada tenacidade à fratura, tem elevada dureza, alta resistência mecânica, resistência ao desgaste e resistência à fadiga e tenacidade à fratura bastante razoáveis [2].

• Recozimento: Tratamento aplicado ao aço no qual ele é aquecido acima ou dentro da zona crítica,

seguido de um resfriamento lento (Ex: dentro do prórpio forno). Este tratamente visa a restituir ao material propriedades alteradas por algum outro tratamento térmico ou mecânico anterior e também visa refinar e homogeneizar estruturas brutas de fusão (material que não sofreu outro tratamento após solidificar) [2].

O recozimento “apaga” as estrutura resultantes de tratamenteo térmicos ou mecânicos anteriores sofridos pelo material porque, ao passar pela zona crítica, ocorrem a nucleação e crescimento de novos grãos de austenita, qualquer que seja a microestrutura do material antes do aquecimento. Posteriormente a austenita se decompõe em condições de resfriamento lento em ferrita, perlita ou cementita [2].

A ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas) baseou-se na norma americana da SAE (Society of Automotive Engineers) para elaborar a sua classificação dos aços [3].

No Aço Carbono ABNT 1010, os dois primeiros dígitos significam um aço cujo componente predominante na liga é o carbono, sendo os demais elemento em teores muitos baixos (impurezas), os dois últimos dígitos indicam o teor centesimal de Carbono, ou seja, 0,10% de carbono [3]. O Aço Carbono ABNT 1045, possui 0,45% de Carbono na composição. O maior teor de carbono confere maior dureza ao aço [3].

• Alumínio: O alumínio é um metal leve, apresenta microestrutura CFC, peso específico de

2,7g/cm3 a 20°C, boa condutibilidade térmica e relativamente alta condutibilidade elétrica (62% de do Cobre) e térmica. É não-magnético. Possui baixo ponto de fusão (660°C) e alto de ebulição (2000°C) o que permite trabalhá-lo em processos de fundição e moldagem. Também possui boa resistência à corrosão, devido à estabilidade de seu principal óxido (Al2O3), que se forma na superfície do metal [3].

A resistência mecânica do Alumínio é baixa, em torno de 5 a 6 kgf/mm2. Apesar da microestrutura CFC. Sua leveza e condutibilidade elétrica o tornam ua boa escolha para

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linhas de transmissão, mesmo sendo pior condutor que o cobre, seu peso específico economiza o custo de torres de transmissão [3].

Sua condutiblidade térmica, aliada a resistência à corrosão permitem que ele seja usado largamente em utensílios domésticos como panelas, que também são de fáceis conformação mecânica se comparadas com os aços [3].

• Laminação: A Laminação é um processo de transformação mecânica que consiste na redução da

seção transversal por compressão do metal, por meio da passagem entre dois cilindros de aço ou ferro fundido com eixos paralelos que giram em torno de si mesmos (Figura 1). Esta seção transversal é retangular e refere-se a produtos laminados planos de alumínio e suas ligas, compreendendo desde chapas grossas com espessuras de 150 mm, usadas em usinas atômicas, até folhas com espessura de 0,005 mm. Existem dois processos tradicionais de laminação de alumínio: laminação a quente e laminação a frio. Atualmente, a indústria também utiliza-se da laminação contínua [4].

Figura 1 – Ilustração do processo de laminação. [5]

Os principais tipos de produtos laminados são: chapas planas ou bobinadas, folhas e

discos. • Fundição:

A fundição é um dos primeiros processos industriais utilizados na produção de artigos de metal. As propriedades do alumínio oferecem excelentes condições, para que se possa produzir grandes quantidades de peças mantendo uma qualidade uniforme [5]. O material é fundido e vazado dentro de moldes com o formato final após a solidificação do material. O processo de fundição torna-se econômico quando há uma demanda para um número considerável de peças. As peças fundidas de alumínio têm suas principais aplicações na área automotiva e de transportes. Pode-se citar blocos de motor, caixas de câmbio, rodas para automóveis entre outros [5].

2. OBJETIVOS

É objetivo deste experimento observar estruturas de materiais, relacionando-as com suas propriedades e aplicações.

3. PARTE EXPERIMENTAL

• Preparo da amostra para a análise. Primeiro, utilizando um torno, cortou-se, de forma cuidadosa e utilizando-se de

refrigeração para não alterar as propriedades do material escolhido, um pedaço longitudinal e outro transversal do material para que tivesse uma visão mais ampla das estruturas que compõem as amostras.

Após cortadas, as faces cortadas foram embutidas em baquelite, utilizando uma embutidora metalográfica. Assim que esta etapa estiver completa, lixa-se a peça obtida

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apenas em um sentido, depois de lixada, ela é polida repetidas vezes, sendo a cada polimento, muda-se o sentido em 90º do sentido anterior, para evitar defeitos.

Por ultimo, realiza-se o ataque químico em cada peça, de acordo com o material que foi escolhido. No caso do alumínio, foi utilizada a água régia (mistura de ácido nítrico e ácido clorídrico concentrado, geralmente na proporção 1:3). Para os aços carbono o ataque foi feito com Nital 3% (solução de 3% de ácido nítrico HNO3 e 97% de etanol). Os ácidos atacam preferencialmente o contorno de grão e assim é possível ter uma visão geral na microscopia.

• Análise das amostras: Utilizando um microscópio convencional, fez-se uma análise visual da amostra para que

os alunos tivessem uma visão geral das estruturas pelas quais cada material é formado. Após a familiarização com as estruturas, o grupo recolheu imagens do microscópio que melhor mostrassem os contornos de grão das amostras para tratamento de dados e análise posterior. O microscópio possuía capacidade de ampliação de 100x e 500x. Sendo 10x do próprio microscópico e o outro fator da lente objetiva.

4. RESULTADOS E DISCUSSÃO

A amostra de Aço Carbono ABNT 1010 foi recozida e trefilada, a outra amostra de Aço Carbono ABNT 1045 foi apenas recozida.

As imagens obtidas com uso do microscópio para o aço carbono 1010 estão na Figura

2, e para o 1045 na Figura 3.

Figura 2 – Fotografia ao microscópio amostra Aço Carbono ABNT 1010 (à esq. 100x e à dir. 500x).

Figura 3 – Fotografia ao microscópio amostra Aço Carbono ABNT 1045 (à esq. 100x e à dir. 500x).

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Para o cálculo do tamanho de grão, de acordo com a norma ASTM-E112, utilizou-se a equação n = 2N-1, em que N é o tamanho do grão e n é o número de grãos por polegada quadrada [6].

Para o cálculo de n, a partir de um retângulo, (ni+ ne/2 +nc/4)/A100x, em que ni é o número de os grãos inteiros no retângulo, ne os grãos cortados por arestas, nc os grãos nos cantos e A100x a área do retângulo na ampliação de 100x.

Para o Aço Carbono ABNT 1010, obteve-se n= 7,129 grãos/pol2, assim, N = 3,834 pol2; e para o Aço Carbono ABNT 1045, obteve-se n= 9,681 grãos/pol2, assim, N = 4,275 pol2.

Assim, os grãos do segundo aço, são maiores que do primeiro, como pode ser concluído intuitivamente pela imagem. A contagem de grãos, no entanto, foi feita visualmente, devendo ser considerados erros do observador.

As partes brancas das Figuras 2 e 3 são de ferrita, e as partes pretas são de perlita. Como pode-se observar, há mais perlita no aço ABNT 1045 (Figura 3) do que no aço ABNT 1010 (Figura 2), fato explicado por haver mais carbono em um, e conseqüentemente mais cementita, o que implica em mais perlita.

Para a análise das amostras de Alumínio, obteviram-se imagens com uso do microscópio para o alumínio laminado estão na Figura 4 e para o alumínio fundido na Figura 5.

Figura 4 – Fotografia ao microscópio amostra Alumínio Laminado (à esq 100x e à dir 500x).

Figura 5 – Fotografia ao microscópio amostra Alumínio Fundido (à esq. 100x e à dir. 500x).

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Como o alumínio não sofreu ataque, não é possível determinar o tamanho dos grãos. A amostra fundida apresenta matriz típica de material fundido, i.e., precipitados arredondados e dispersos de forma diferentes, que provavelmente apareceram em momentos diferentes durante o estágio de solidificação. Para os materiais não-ferrosos, entre eles o Alumínio, as fases não costumam ter nomes, sendo chamadas de fase α, β ou γ dependendo do número de elementos na liga. A fase α ou matriz de fundo é rica em Alumínio, é possível ver alguns precipitados, provavelmente Zinco.

5. CONCLUSÃO

Conforme visto, o Aço Carbono ABNT 1010 tem menor teor de carbono, o que implica em maior densidade de ferrita em relação às outras fases, e como a ferrita tem estrutura Cúbica de Corpo Centrado, o material tem menos dureza e resistência mecânica, direcionando-o para aplicações onde essas características não são importantes. Sua boa ductilidade e conformabilidade a frio fazem com que o material seja usado na fabricação de parafusos, rebites, chapas, dutos e componentes industriais de baixa resistência [7].

O Aço Carbono ABNT 1045 tem maior teor de carbono, o que implica em maior presença da estrutura Cúbica de Face Centrada, através da fase da perlita. Essa característica dá maior resistência mecânica ao material, que também apresenta ótima forjabilidade, boa soldabilidade e má usinabilidade, sendo um Aço padrão de média resistência. É aplicado em peças forjadas, engrenagens, eixos, componentes estruturais e de máquinas [7].

Ligas de Alumínio são amplamente utilizadas pela engenharia devido à sua grande variedade de propriedades, como por exemplo para fuselagens de aviões, motores, compressores, corpos de válvulas de transmissão, vagões de carga, cascos de barcos, janelas/esquadrias, antenas de rádio e televisão, parafusos/porcas/arruelas, móveis, empacotamento de alimentos, ferramentas e escadas portáteis, etc. [3].

6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] CALLISTER JR., William D. Ciência e Engenharia de Materiais uma introdução. 7.ed. Rio de Janeiro, LTC,2008.

[2] COLPAERT, Hubertus. Metalografia dos produtos siderúrgicos comuns. 4.ed.São Paulo, Blucher, 2008.

[3] CHIAVERINI, Vicente. Tecnologia Mecânica: Materiais de Construção Mecânica. 2.ed. São Paulo, McGraw Hill, v.3. 1986.

[4] ALUMÍNIO: Processos de Produção: Laminação. Disponível em <http://www.abal.org.br/aluminio/processos_laminacao.asp>. Acesso em 09 de out. 2010

[5] ALUMÍNIO: Processos de Produção: Fundição. Disponível em <http://www.abal.org.br/aluminio/processos_fundicao.asp>. Acesso em 09 de out. 2010

[6] HOSFORD, William F. Physical Metallurgy. 1.ed. Florida,Taylor & Francis Group, 2005.

[7] COMERCIAL Gerdau. Aços ao Carbono. Disponível em <http://www.comercialgerdau.com.br/produtos/acos_especiais_aocarbono.asp>. Acesso em 15 de out. 2010