Tecnologia Dos Materiais - Formando

M .O .0 4

Formação Modular

IN ST ITU TO DO E M P R E G O E F O R M AÇ Ã O P R O F IS S IO N A L

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Colecção Título Suporte Didáctico Coordenação Técnico-Pedagógica

Apoio Técnico-Pedagógico

Coordenação do Projecto

MODULFORM - Formação Modular Tecnologia dos Materiais Guia do Formando IEFP - Instituto do Emprego e Formação Profissional Departamento de Formação Profissional Direcção de Serviços de Recursos Formativos CENFIM - Centro de Formação Profissional da Indústria Metalúrgica e Metalomecânica ISQ - Instituto de Soldadura e Qualidade Direcção de Formação

Autor

Paulo Peças

Capa

SAF - Sistemas Avançados de Formação, SA

Maquetagem e Fotocomposição Revisão Produção Propriedade

1.ª Edição Tiragem Depósito Legal ISBN

ISQ / Cláudia Monteiro OMNIBUS, LDA SAF - Sistemas Avançados de Formação Instituto do Emprego e Formação Profissional Av. José Malhoa, 11 1000 Lisboa Portugal, Lisboa, Janeiro de 1998 200 Exemplares 127-660-98 972-732-446-0

Copyright, 1998 Todos os direitos reservados IEFP Nenhuma parte desta publicação pode ser reproduzida ou transmitida por qualquer forma ou processo sem o consentimento prévio, por escrito, do IEFP

M.S.03

Produção apoiada pelo Programa Operacional Formação Profissional e Emprego, co-financiado pelo Estado Português, e pela União Europeia, através do FSE

Guia do Formando

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Actividades / Avaliação

Bibliografia

Caso de estudo ou exemplo

Destaque

Índice

Objectivos

Recurso a diapositivos ou transparências

Recurso a software

Recurso a videograma

M.T.03

Resumo

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Índice Geral

ÍNDICE GERAL I - INTRODUÇÃO AOS MATERIAIS

•

Metais

I.3

•

Cerâmicos

I.4

•

Polímeros

I.5

•

Semi-condutores

I.6

•

Materiais compósitos

I.7

•

Relacionamento entre estrutura e propriedades

I.8

• Propriedades

I.8

• Estrutura

I.10

• Processamento

I.11

•

Resumo

I.12

•

Actividades / Avaliação

I.13

II - ESTRUTURA DOS MATERIAIS: FASES E COMPOSIÇÃO

•

II.2

• Solubilidade e soluções

II.3

• Diagramas binários

II.5

• Diagramas eutécticos

II.8

• Reacções peritécticas

II.11

• Fases em polímeros orgânicos

II.13

Fases não cristalinas

II.14

• A fase vítrea

II.15

• Vidros óxidos

II.16

• Polímeros vítreos

II.18

M.T.03

•

Diagrama de fases

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IG . 1

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Índice Geral

•

Ligas ferro-carbono: Aços e ferros fundidos

II.18

•

Cerâmicos

II.21

• Reacção monotéctica e decomposição espinodal

II.22

• Sistemas multicompostos

II.23

Materiais compósitos

II.24

• Compósitos de fibras

II.24

• Compósitos laminados

II.25

• Compósitos de partículas

II.26

•

Resumo

II.27

•

Actividades / Avaliação

II.28

•

III - TRANSFORMAÇÕES DE FASE

•

Transformações de fase

III.2

•

Transformações isotérmicas e polifórmicas

III.2

• Transformações isotérmicas

III.2

• Transformações polifórmicas

III.5

Mecanismos de endurecimento

III.6

• Têmpera e revenido nos aços

III.6

• Endurecimento por precipitação

III.7

• Endurecimento por dispersão

III.7

• Outros mecanismos de reforço

III.7

Tratamentos térmicos

III.9

•

•

III.10

• Normalização

III.13

• Patentagem

III.14

•

Resumo

III.15

•

Actividades / Avaliação

III.16

M.T.03

• Recozimento

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IG . 2

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Índice Geral

IV - PROPRIEDADES MECÂNICAS

•

Tensão e deformação

IV.2

•

Deformação elástica

IV.4

•

Deformação plástica

IV.6

• Deformação viscosa viscoelástica

IV.6

• Carácter de escoamento plástico

IV.7

•

Ensaios Mecânicos

IV.10

• Ensaios de dureza

IV.10

• Ensaios de fadiga

IV.13

• Ensaio de flexão transversal

IV.13

• Desgaste, desbaste e maquinagem

IV.14

•

Resumo

IV.17

•

Actividades / Avaliação

IV.18

V - COMPORTAMENTO ELÉCTRICO, MAGNÉTICO E ÓPTICO DOS MATERIAIS

•

Propriedades eléctricas e térmicas

V.2

• Condutividade eléctrica

V.3

• Supercondutividade

V.5

• Propriedades térmicas

V.5

Propriedades magnéticas

V.8

• Diamagnetismo e paramagnetismo

V.8

• Ferromagnetismo

V.9

Propriedades ópticas

V.9

• Materiais ópticos

V.10

•

Resumo

V.12

•

Actividades / Avaliação

V.13

•

M.T.03

•

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IG . 3

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Índice Geral

VI - DETERIORAÇÃO DOS MATERIAIS

•

•

Corrosão de metais e ligas

VI.2

• Base electroquímica da corrosão

VI.2

• Processos de corrosão

VI.5

• Oito tipos de corrosão

VI.8

• Os metais resistentes

VI.9

Deterioração de cerâmicos

VI.10

• Reacção dos componentes

VI.11

•

Deterioração de polímeros

VI.12

•

Resumo

VI.16

•

Actividades / Avaliação

VI.17

VII - MATERIAIS PARA A INDÚSTRIA

•

•

VII.3

• Designações

VII.3

• Aços carbono

VII.4

• Aços ligados

VII.8

• Aços inoxidáveis

VII.9

• Aços ferramenta

VII.11

• Ferros fundidos

VII.13

Ligas não ferrosas

VII.16

• Cobre e suas ligas

VII.16

• Alumínio e suas ligas

VII.17

Materiais cerâmicos

VII.19

• Propriedades dos materiais cerâmicos

VII.22

M.T.03

•

Ligas ferrosas

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IG . 4

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• Aplicações dos materiais cerâmicos avançados

Índice Geral

VII.26

•

Electrónica

VII.28

•

Desgaste e corrosão

VII.28

•

Aplicações térmicas

VII.29

•

Combustíveis nucleares

VII.30

•

Vidros cerâmicos

VII.30

•

Maquinagem

VII.31

•

Motores e turbinas

VII.31

•

Resumo

VII.33

•

Actividades / Avaliação

VII.34

M.T.03

BIBLIOGRAFIA

B.1

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IG . 5

Introdução aos Materiais

M.T.03 Ut.01

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Introdução aos Materiais

OBJECTIVOS

No final desta unidade temática, o formando deverá ser capaz de:

•

Explicar os objectivos e identificar os vários tipos de materiais disponíveis no mercado;

•

Classificar de modo grosseiro as características de cada tipo de material;

•

Distinguir os vários tipos de estrutura;

•

Relacionar as propriedades com a estrutura.

TEMAS

• • • • • •

Metais Cerâmicos Polímeros Semi-condutores Materiais compósitos Relacionamento entre estrutura e propriedades

• •

Resumo Actividades / Avaliação

M.T.03

Ut.01

• Propriedades • Estrutura • Processamento

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I . 1

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Introdução aos Materiais

INTRODUÇÃO

Actualmente, qualquer ramo de engenharia está, no seu dia-a-dia, envolvido com materiais. A engenharia fabrica e processa materiais, projecta e constrói componentes ou estruturas utilizando materiais, selecciona materiais, analisa falhas e defeitos nos materiais ou, simplesmente, confia que os materiais que utiliza tenham o desempenho esperado. Para ter uma ideia da grande importância do estudo dos materiais basta tomar atenção ao ambiente que o rodeia. Que materiais encontra à sua volta? Betão, madeira, papel, aço, plástico? Veja como o seu “ambiente material” combina com os dados da fig.I.1, que mostra como os materiais baratos tendem a ser usados em grandes quantidades para a fabricação das coisas que nos rodeiam. Nesse aspecto económico, baseiam-se todas as utilizações dos materiais. 0 painel de comandos de um automóvel, anteriormente feito de metal ou madeira, é no modelo actual, provavelmente, um plástico (barato). 0 especialista em materiais deve levar em conta os muitos factores que determinam o custo final de um dado componente ou artigo. Esse senso económico é uma parte indispensável da perícia que se desenvolve através de longa experiência e estudo detalhado de um campo particular da ciência dos materiais.

Materiais

A maioria dos materiais é suficientemente complexa, de modo que nós aprendemos a usá-los mais por arte do que por ciência. 0 betão, um dos materiais mais comuns nos nossos dias, tem uma composição química largamente variável e a sua estrutura é um composto de muitos constituintes. Felizmente, para aplicações típicas como as fundações de uma casa, o construtor precisa meramente de especificar uma mistura padrão como “receita” para ter a resistência à compressão exigida. Se as exigências de engenharia forem maiores, como nas pontes de betão, o especialista em materiais precisará de fazer uso de extensa literatura e códigos sobre tópicos, tais como reforço com aço - “betão armado”. Para entender essa literatura ele necessitará de informação básica sobre vários tópicos: a natureza dos constituintes do betão, o carácter de ligação entre eles, as propriedades das barras de aço e a prevenção ao ataque corrosivo no aço. Pelo facto duma base semelhante ser necessária também para o uso efectivo de outros materiais, um dos maiores objectivos deste guia é criar uma base ampla para o entendimento do comportamento dos materiais. Em contraste com o tradicional, muitos materiais contemporâneos são o resultado directo da pesquisa científica e do desenvolvimento tecnológico. A síntese de moléculas orgânicas para formar plásticos resistentes é um exemplo. Os magnetos cerâmicos, cujas aplicações incluem o motor de uma máquina de barbear eléctrica, são um exemplo de um material cerâmico moderno “projectada com precisão molecular” - bem diferente da argila tradicional de um vaso ou de um prato. 0 semicondutor de silício de uma telefonia transistorizada é um excelente exemplo de um material integrado com o funcionamento de um produto.

M.T.03

Ut.01

Em geral, os materiais são classificados em três grandes grupos: cerâmicos, metálicos e polímeros. No entanto, com o desenvolvimento da ciência e tecnologia dos materiais surgiram mais dois grandes grupos de materiais cujas características são tão díspares dos três grupos convencionais, que merecem um tratamento específico. São os materiais compósitos e os semi-condutores.

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I.2

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Introdução aos Materiais

Custo (dólares por tonelada)

10

Titânio

4

Alumínio 10

3 Vidro

Nylon 10

2

Aço Madeira (compósito natural)

Polietileno

Tijolos

Cerâmico

Betão

Metálico

10

Polímero 1 10

3

10

5

7 10 Produção anual (toneladas)

10

9

10

11

a) Classe de material

Componentes típicos

Cerâmico

Óxidos

Duro, frági l, mau condutor térmico e eléctrico

Metálico

Átomos metálicos

Duro, dúctil, bom condutor térmico e eléctrico

Polímero

Longas cadei as de componentes orgânicos

Propriedades características gerais

Variável, geralmente elástico e dúctil

b)

Fig. I.1a), b) - Dados típicos sobre a produção de vários materiais. Os materiais baratos tendem a ser utilizados em grandes quantidades.

METAIS

Metais

M.T.03

Ut.01

Os metais e ligas têm como características gerais comuns boa conductividade eléctrica e térmica, resistência, tenacidade, ductilidade e enformabilidade elevadas e boa resistência ao choque. Este grupo de materiais inclui, entre outros, o aço, o alumínio, o magnésio, o zinco, o ferro fundido, o cobre, o titânio e o níquel. As características específicas destes materiais originam que sejam utilizados em estruturas e noutras aplicações onde exista a necessidade de suportar cargas permanentes elevadas. Os metais na sua forma pura são apenas usados ocasionalmente, utilizando-se frequentemente ligas que são combinações de metais, as quais possuem em geral uma panóplia de propriedades mais equilibrada. Na fig.I.2 está presente um exemplo em que se utilizam várias ligas de metais para diversas aplicações críticas.

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I.3

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Introdução aos Materiais

Fig. I.2 - Motor de um avião. As secções de compressão da parte da frente operam a baixas e médias temperaturas, sendo utilizadas ligas à base de titânio. A parte traseira, onde se dá a combustão, opera a alta temperatura, sendo utilizadas superligas à base de níquel. A carcaça do motor (não apresentada na imagem) atinge baixas temperaturas, utilizando-se neste caso alumínio e materiais compósitos pois pretende-se reduzir ao máximo o peso do motor.

CERÂMICOS

Os materiais cerâmicos (fig. I.3), tais como tijolos, vidro, refractários e abrasivos

Cerâmicos

possuem, em geral, baixa condutividade térmica e eléctrica sendo, por consequência, normalmente utilizados como isoladores. Os cerâmicos são resistentes e duros, mas também frágeis. Actualmente, surgiram novas técnicas que possibilitaram o desenvolvimento de cerâmicos para aplicações sujeitas a carga conjuntamente com temperatura, como é o caso de motores e turbinas. Estes materiais cerâmicos começam já a ter um mercado e indústria próprias, sendo designados por cerâmicos avançados. Os materiais cerâmicos possuem uma elevada resistência a alta temperatura e em certos meios corrosivos, possuindo ainda propriedades ópticas e eléctricas bastante específicas sendo utilizados em circuitos integrados, sistemas de

M.T.03

Ut.01

fibras-ópticas e numa grande variedade de sensores eléctricos e ópticos.

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I.4

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Introdução aos Materiais

Fig. I.3 - Vários componentes cerâmicos complexos fabricados pelas novas tecnologias de processamento de materiais cerâmicos.

POLÍMEROS

Os materiais poliméricos incluem a borracha, plásticos e muitos tipos de adesivos. Podem ainda ser incluídos neste grupo os polímeros naturais de estrutura celular, como a cortiça (fig.I. 4). Os polímeros artificiais são fabricados através da produção de longas estruturas moleculares de moléculas orgânicas, num processo conhecido como polimerização.

Polímeros

M.T.03

Ut.01

Fig. I.4 - Secções na cortiça (ampliação 300 x). À esquerda: secção perpendicular à secção radial; à direita: secção paralela à direcção radial. A direcção radial é perpendicular ao tronco da árvore.

Em geral, os polímeros possuem baixa condutividade térmica e eléctrica, baixa resistência, elevada ductilidade, não sendo indicados para aplicações a temperatura elevada. Os polímeros termoplásticos, nos quais as longas cadeias moleculares não estão ligadas rigidamente, possuem elevada ductilidade e enformabilidade; os polímeros termoendurecíveis possuem maior resistência, mas são, em geral, mais frágeis, devido às cadeias estarem extremamente constrangidas por ligações fortes (fig. I.5).

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I.5

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Introdução aos Materiais

Fig. I.5 - A polimerização ocorre quando pequenas moléculas se combinam para produzir uma grande molécula. À esquerda: estrutura de um polímero termoplástico; à direita: estrutura de um polímero termoendurecível.

Os polímeros são utilizados em muitas aplicações, sendo uma das mais nobres em componentes electrónicos (fig. I.6)

Fig. I.6 - Os polímeros são utilizados numa grande variedade de componentes electrónicos, como é o caso de vários componentes destas placas de computador.

SEMICONDUTORES

Os semicondutores são, hoje em dia, materiais indispensáveis para a construção de componentes electrónicos. O silício, o germânio e compostos tais como GaAs (arseneto de gálio), embora possuam baixa resistência mecânica, são essenciais para aplicações de electrónica, computadores e comunicações.

Semicondutores

M.T.03

Ut.01

Estes materiais permitem que a sua condutividade eléctrica possa ser controlada, podendo ser utilizados em transístores, díodos e circuitos integrados (fig. I.7). Em certos sistemas, a informação é transmitida por luz através de fibras ópticas; os semicondutores, que permitem converter luz em sinais eléctricos, são componentes essenciais destes sistemas.

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I.6

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Introdução aos Materiais

Fig. I.7 - Os microprocessadores dos computadores e outros componentes electrónicos baseiam-se no comportamento eléctrico único dos materiais semicondutores.

MATERIAIS COMPÓSITOS

Os materiais compósitos são constituídos por dois ou mais materiais, produzindo um material final com propriedades que não podem ser obtidas por nenhum dos materiais individuais. O betão, o aglomerado de madeira e a fibra de vidro são exemplos de materiais compósitos bastante simples. A cortiça e a madeira, que do ponto de vista de composição química podem ser considerados polímeros naturais, podem também ser considerados materiais compósitos celulares, visto apresentarem comportamentos distintos em diferentes direcções.

Compósitos

M.T.03

Ut.01

Com materiais compósitos é possível obter materiais leves, resistentes, dúcteis, resistentes a altas temperaturas ou com outras características que, de outra forma, não seriam possíveis obter. Um exemplo são as pontas de corte que são de elevada dureza e resistentes ao choque, propriedades impossíveis de obter num só material simultaneamente. As indústrias automóvel, aeronáutica e aeroespacial utilizam materiais compósitos em grande escala (ver fig. I.8), tais como polímeros reforçados com fibras de carbono.

Fig. I.8 - Exemplos de veículos que utilizam bastantes materiais compósitos

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I.7

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Introdução aos Materiais

RELACIONAMENTO ENTRE ESTRUTURA E PROPRIEDADES Na produção de um componente pretende-se que este possua forma e propriedades adequadas, que permitam um bom desempenho no tempo de vida esperado. Para cumprir estes objectivos, têm de ser considerados três aspectos fundamentais: a estrutura, o processamento e as propriedades do material. Quando se altera um destes três factores, pelo menos um dos outros também se altera. Deve-se, portanto, ter um conhecimento completo das interrelações entre estes três factores.

Propriedades As propriedades dos materiais podem ser divididas em dois grandes grupos: propriedades físicas e propriedades mecânicas (quadro I.1).

Propriedades mecânicas Fluência • taxa de deformação • tensões críticas Ductilidade • % elongação • % estricção Fadiga • limite de encruamento • vida à fadiga Dureza • resistência à indentação • taxa de desgaste Impacte • energia absorvida • tenacidade • temperatura de transição Resistência • módulo • tensão de cedência • tensão de ruptura

Propriedades físicas Química • corrosão • refinação Densidade Electricidade • conductividade • dieléctrico (isolamento) • piezo ou ferroeléctrico Magnetismo • diamagnético • paramagnético • ferromagnético Óptica • absorção e cor • difracção • acção laser • fotocondução • reflexão,refracção e transmissão Térmica • capacidade calorífica • condutividade térmica • expansão térmica

M.T.03

Ut.01

Quadro I.1 - Propriedades dos materiais

O modo como o material reage perante a aplicação de uma força ou de um binário é descrito pelas propriedades mecânicas. As propriedades mecânicas mais comuns são a resistência, a ductilidade e rigidez (módulo de elasticidade). No entanto, também é importante conhecer como o material se comporta quando exposto a um choque violento e repentino (impacte), exposto continuamente a uma força cíclica (fadiga), exposto a altas temperaturas (fluência) ou sujeito a

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Propriedades

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I.8

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Introdução aos Materiais

condições de abrasão/erosão (desgaste). As propriedades mecânicas também determinam a facilidade com que um material pode ser enformado numa dada forma. As propriedades físicas, que incluem comportamento eléctrico, magnético, óptico, térmico, elástico e químico, dependem essencialmente da estrutura e do processo de fabrico. Pequenas alterações na composição química podem causar alterações significativas na condutividade eléctrica, principalmente nos materiais semicondutores. As diferenças entre os materiais ao nível das propriedades físicas são bastante significativas. A fig. I.9 apresenta um gráfico que compara a densidade de vários materiais, donde se conclui que, em geral, os metais são os que apresentam maior densidade e os polímeros níveis mais inferiores. Densidade (kg/m3 ) 4 Cerâmicos 3x10

10

WC

Platina Tungsténio Ouro

TiC ZrC

Chumbo Prata Cobre, Níquel Ferro, Aço Zinco

4

Al 2O3 , MgO Si N3 ,SiC 4 Rochas Vidro Ciment o

10

3

10

Metais

Polímeros

Compósitos

Cermetes

Titânio Alumí nio

PTFE

PRFV

Berílio

Gelo

PVC Epóxidos Nylon Poliestireno Polietileno Borrachas

PRFC

Madeiras

Espumas poliméricas

2

PRFV: polímero ref orçado a fibra de vidro PRFC: polímero reforçado a fibra de carbono

30

M.T.03

Ut.01

Fig. I.9 - Distribuição das densidades de vários materiais

As propriedades mecânicas vão influenciar a selecção de um dado material, pois este tem de possuir uma resistência tal que suporte as cargas a que vai estar sujeito. No entanto, como ilustra o gráfico qualitativo da fig.1.9, a resistência de um dado material depende da temperatura a que está sujeito, sendo portanto fundamental a consideração da temperatura de trabalho quando se efectua a selecção de um material para uma dada aplicação. Um dos exemplos interessantes é a utilização de materiais cerâmicos, os quais, em geral, possuem baixa resistência em aplicações onde estão sujeitos a carga elevada e simultaneamente a alta temperatura. Como decorre do gráfico, estes materiais são os que apresentam maior resistência a temperatura elevada.

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I.9

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Resistência Superliga de níquel Alumínio reforçado com fibras Cerâmico Alumínio

Polímero

2000 1000 Temperatura (ºC)

3000

Fig. I.10 - O aumento de temperatura origina a dimunuição de resistência do material

Estrutura Estrutura

No nível seguinte, considera-se o arranjo espacial dos átomos. Os metais, os semicondutores, alguns cerâmicos e alguns polímeros possuem um arranjo atómico bastante regular, ou seja, possuem estrutura cristalina. A estrutura do cristal influencia as propriedades mecânicas do material.

Átomos e arranjo

M.T.03

Ut.01

A estrutura de um material pode ser considerada a vários níveis, todos influenciando o desempenho do produto final (fig. I.11). Ao nível mais fino há a considerar a estrutura dos átomos que constituem o material. O arranjo dos electrões à volta do núcleo do átomo afecta significativamente o comportamento eléctrico, magnético, térmico e óptico, podendo também influenciar a resistência à corrosão. Para além disso, o arranjo electrónico condiciona o modo de ligação dos átomos, permitindo determinar o tipo de material - metal, cerâmico semicondutor ou polímero.

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I . 10

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Introdução aos Materiais

Fig. I.11- Quatro níveis de estrutura num material: (a) estrutura atómica; (b) estrutura cristalina; (c) estrutura dos grãos (alumínio 100x); (d) estrutura multifase (perlite e ferrite num aço arrefecido lentamente 1000x).

Na maioria dos metais, dos semicondutores, dos cerâmicos e em alguns polímeros, pode-se encontrar uma estrutura constituída por grãos. A dimensão e forma dos grãos é de extrema importância. Para certas aplicações da electrónica produzem-se, por vezes, materiais contendo apenas um grão ou um cristal simples.

Grãos

Finalmente, na maioria dos materiais, está presente mais de uma fase, tendo cada uma delas o seu próprio arranjo atómico e propriedades específicas. O controlo do tipo, dimensão, distribuição e proporção de cada fase permite controlar as propriedades do material.

Fase

Processamento Processamento

M.T.03

Ut.01

No processamento de materiais pretende-se dar a forma do componente desejado partindo de uma porção de material sem forma. Os metais podem ser processados por vazamento de um metal líquido num molde de fundição, pela junção de peças individuais de metal (soldadura, brasagem, soldobrasagem, colagem por adesivos), por enformação do metal sólido em formas úteis utilizando pressões elevadas (forjagem, extrusão, embutição, laminagem, dobragem), compactando pequenas partículas de metal numa massa sólida (metalurgia dos pós ou pulverometalurgia) ou removendo material (maquinagem). Do mesmo modo, os materiais cerâmicos podem obter forma através de técnicas de fundição, extrusão ou compactação, seguindo-se geralmente a operação de secagem e cozimento a elevada temperatura para que se extraiam os fluidos e se promova a ligação entre os vários constituintes. Os polímeros são produzidos geralmente por injecção de uma pasta num molde. Muitas vezes, um material é tratado termicamente a uma dada temperatura abaixo do seu ponto de fusão, com a finalidade de modificar a sua estrutura para que esta atinja uma forma mais favorável. O tipo de processamento utilizado depende das propriedades do material, ou seja, da respectiva estrutura.

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I . 11

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Introdução aos Materiais

RESUMO

O procedimento da selecção de um material, o processamento do material numa forma útil e a obtenção de determinadas propriedades envolve um processo complicado que exige o conhecimento das relações existentes entre a estrutura, as propriedades e o processamento do material. Os metais são materiais dúcteis, com conductividade eléctrica e térmica elevadas, sendo usados em aplicações que exijam o suporte de cargas de níveis elevados e em aplicações eléctricas. Os materiais cerâmicos apresentam normalmente baixa conductividade térmica, resistência mecânica elevada e elevada fragilidade, sendo por isso usados em aplicações que envolvam temperaturas muito elevadas sem suporte de carga. Os últimos desenvolvimentos da tecnologia permitiram obter materiais cerâmicos de composição química bastante controlada, o que permite a sua utilização em sistemas electrónicos e como ferramentas de corte. Os materiais poliméricos têm propriedades em geral muito variadas, no entanto, como característica geral, têm baixa resistência mecânica, baixa condutibilidade térmica e eléctrica e elevada elasticidade. Os materiais compósitos são uma junção de vários materiais que, combinados, permitem obter um material cujas propriedades não seriam possíveis de obter com nenhum dos materiais seus constituintes. Os materiais semicondutores têm hoje em dia uma importância capital no mundo da informática, sendo constituídos basicamente por materiais cerâmicos, também com estrutura bastante controlada.

M.T.03

Ut.01

A estrutura de um dado material influencia definitivamente o seu desempenho numa dada aplicação. A relação entre a estrutura, as propriedades e o processo de fabrico permite obter materiais com características diferentes mudando apenas um destes três factores.

Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando

Tecnolo gia dos Ma teriais ecnologia Materiais

I . 12

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Introdução aos Materiais

ACTIVIDADES / AVALIAÇÃO 1.

Que factor económico explica o facto de, na nossa civilização, o betão ser o material mais utilizado?

2.

Quais os materiais a utilizar para fabricar chávenas de café? Que propriedades específicas influenciam a escolha destes materiais?

3.

Na selecção de um material para a asa de um avião, quais as propriedades a ter em conta?

4.

Perante a análise feita para a questão anterior, qual o material que numa primeira análise cumpre os requisitos necessários para ser utilizado numa asa de avião?

5.

A primeira etapa para o fabrico de filamentos de tungsténio é realizada por pulverometalurgia e não por fundição. Explique porquê.

6.

O que distingue os cerâmicos dos outros materiais?

7.

Quais as principais propriedades dos materiais?

8.

O que é um material compósito?

9.

Dê exemplos de materiais cerâmicos.

M.T.03

Ut.01

10. Em geral, quais são os tipos de materiais que apresentam maior densidade?

Componente Prática Guia do Formando

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I . 13

Estrutura dos Materiais: Fases e Composição

M.T.03 Ut.01

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Tecnolo gia dos Ma teriais ecnologia Materiais Guia do Formando

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Estrutura dos Materiais: Fases e Composições

OBJECTIVOS

No final desta unidade temática, o formando deverá ser capaz de:

• • • • • • • • • • •

Definir os objectivos e a importância da utilização de um diagrama de fases; Mencionar que tipo de informação se pode obter a partir de um diagrama de fases; Aplicar a Regra da Alavanca; Nomear os tipos de transformações existentes; Identificar e prever a fase presente a cada temperatura para cada liga; Enumerar os tipos de fases possíveis em cada liga; Identificar e descrever o que é um aço; Explicar qual a importância da percentagem de carbono num aço; Identificar e descrever o que é um ferro-fundido; Identificar e descrever o que é um cerâmico; Reconhecer a importância das fibras nos materiais compósitos.

TEMAS

•

Diagrama de fases

• • • • •

•

Solubilidade e soluções Diagramas binários Diagramas eutécticos Reacções peritécticas Fases em polímeros orgânicos

Fases não-cristalinas

• A fase vítrea • Vidros óxidos • Polímeros vítreos

• •

Ligas ferro-carbono: Aços e ferros fundidos Cerâmicos

• Reacção monotéctica e decomposição espinodal • Sistemas multicompostos

•

Materiais compósitos

•

Compósitos de fibras

• Compósitos laminados • Compósitos de partículas Resumo Actividades / Avaliação

M.T.03

Ut.02

• •

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II . 1

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Estrutura dos Materiais: Fases e Composição

DIAGRAMA DE FASES

Existem várias aplicações industriais para os materiais puros, no entanto, é frequente a utilização de ligas ou de misturas de materiais em diversas aplicações, particularmente naquelas em que é exigida resistência mecânica. Existem dois tipos de ligas - ligas monofásicas (apenas com uma fase) e polifásicas (com várias fases). Em primeiro lugar, convém definir o que se entende por fase, e discutir a regra das fases. Fase - Uma fase possui as seguintes características: (a) o arranjo atómico ou estrutura é igual por toda a fase; (b) a composição química e as propriedades são praticamente constantes em toda a fase e (c) existe uma interface definida entre a fase e o meio circundante.

Fase

Por exemplo, quando se coloca um bloco de gelo numa câmara de vácuo (ausência de matéria) à temperatura ambiente, o gelo começa a fundir, e pode também ocorrer alguma formação de vapor de água. Nestas condições, existem três fases presentes - H2O sólida, H2O líquida e H2O gasosa. Cada uma destas formas de água é um fase distinta, cada uma possui um arranjo atómico particular e propriedades diferentes, estando definida uma fronteira entre cada fase. Neste caso particular, as fases têm todas a mesma composição química, não sendo este facto suficiente para que se designe todo o sistema como uma única fase. Regra das fases - A regra das fases (ou regra de Gibbs) descreve o estado do material, tendo a seguinte fórmula: F=C-P+2

Regra das fases

(II.1)

Na regra das fases, C é o número de componentes no sistema, normalmente elementos ou compostos; F é o número de graus de liberdade, ou o número de variáveis que se poderão variar independentemente sem se alterar o número de fases em equilíbrio (por ex.: temperatura, pressão ou composição); e P é o número de fases presentes. A constante 2 existente na equação indica que tanto a pressão como a temperatura podem variar.

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Ut.02

Como exemplo de utilização de um diagrama de fases, considere-se o caso do magnésio puro. Na fig.II.1 está ilustrado um diagrama de fases de um só componente (diagrama unitário), no qual as linhas dividem as fases sólida, líquida e gasosa. Apesar de existir apenas um componente, podem existir várias fases (uma, duas ou três) dependendo da temperatura e pressão: magnésio sólido, magnésio líquido, magnésio gasoso. A intersecção da linha isobárica referente à pressão atmosférica (1 atmosfera), representada na figura pela linha a tracejado, intersecta as linhas de separação de fases nos pontos habituais de temperatura de fusão e ebulição do magnésio. A pressões muito baixas, pode haver sublimação do material, ou seja, quando o material é aquecido passa directamente a vapor sem fundir.

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Estrutura dos Materiais: Fases e Composição

Suponha que as condições de vapor e temperatura são tais que se situem no ponto A do diagrama de fases da fig. II.1, o qual indica que o magnésio está completamente líquido. Neste ponto, o número de componentes (C) é 1 (magnésio) e o número de fases (P) é 1 (líquido). A regra das fases indica que: F = C - P + 2 = 1 -1 + 2 = 2

Pressão

(II.2)

B A

1 atm

Líquido

Sólido C

0

Gasoso

500 1000 Temperatura (ºC)

Fig. II.1 - Diagrama de fases de um só componente - magnésio

Existem dois graus de liberdade. Isto significa que, pelo menos dentro dos limites, uma variação da pressão ou da temperatura (ou de ambas) não modifica o número de fases ou a fase existente, mantendo-se, por isso, líquido. O ponto B situa-se na zona de divisão entre as duas fases: a porção sólida e a porção líquida do diagrama. O número de componentes C continua a ser um, mas o número de fases é 2 pelo que F=1, o que significa que existe apenas um grau de liberdade. Por exemplo, se a temperatura variar, a pressão tem de ser ajustada para que se mantenha a situação de coexistência das duas fases. No ponto C, existe coexistência das três fases. Daqui resulta que F=0, o que significa que não existe nenhum grau de liberdade; as três fases coexistem apenas se as duas variáveis (pressão e temperatura) foram fixadas. Este ponto é conhecido como ponto triplo.

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Ut.02

Solubilidade e Soluções Quando se combinam materiais diferentes ou quando se adicionam elementos de liga a um metal, produzem-se soluções. É importante o conhecimento da quantidade de material que se pode adicionar, sem que se produza uma segunda fase, ou seja, ter dados sobre a solubilidade de um material no outro.

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Considerem-se dois copos: um com água e outro com álcool. A água é uma fase e o álcool outra. Se água for colocada no copo de álcool e se misturar, produz-se uma fase. O copo contém uma solução de água e álcool que possui uma estrutura, propriedades e composição únicas. Pode-se, portanto, considerar que o álcool e a água são solúveis um no outro. Para além disso, possuem solubilidade ilimitada - quaisquer que seja a razão de água e álcool, produzse sempre só uma fase. No caso de se misturar água e óleo, não existe qualquer solubilidade, pelo que são insolúveis - quaisquer que sejam as quantidades estão sempres duas fases presentes iguais aos constituintes originais.

Solubilidade

Entre a água e o sal ocorre um fenómeno diferente. Considerando um copo de água vazio, ao colocar-se uma colher de sal, forma-se uma fase, constituída por uma solução aquosa de água e sal (água salgada). Se se continuar a adicionar sal, a partir de um dado momento, a água já não dissolve mais sal, havendo precipitação de sal no fundo do copo. Resultam assim duas fases, água salgada e sal. Este tipo de solubilidade designa-se por solubilidade limitada. Do mesmo modo, quando se mistura cobre líquido com níquel, produz-se apenas uma fase líquida (fig. II.2). Se o líquido for arrefecido até à temperatura ambiente, forma-se uma só fase. Após solidificação, os átomos de níquel e cobre não se separam, estando aleatoriamente distribuídos nos pontos da rede de uma estrutura cúbica de faces centradas. Dentro da fase sólida, a estrutura, as propriedades e a composição química são uniformes, não existindo qualquer interface entre os átomos de níquel e cobre. Portanto, o cobre e o níquel possuem solubilidade ilimitada. A fase sólida denomina-se solução sólida (fig. II.2).

Solução sólida

Cu Ni (a)

(b)

Solução sólida de Zn em Cu Composto de Cu em Zn

(c)

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Fig. II.2 - (a) O Cobre líquido e o Níquel líquido são completamente solúveis um no outro; (b) Liga sólida Cu-Ni apresentando solubilidade completa com os átomos de níquel e cobre ocupando posições aleatórias na rede; (c) Nas ligas Cu-Zn contendo mais de 30% de Zn, forma-se uma segunda fase devido à solubilidade limitada do Zinco no Cobre.

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Estrutura dos Materiais: Fases e Composição

Ao adicionar uma pequena quantidade de zinco líquido a cobre líquido, produz-se uma solução líquida. Quando a solução de Cobre-Zinco arrefece e solidifica, surge uma solução sólida com estrutura cúbica de faces centradas, com os átomos de zinco e cobre aleatoriamente distribuídos pelos pontos da rede. No entanto, se a solução líquida contém mais de 30% de zinco, o excesso de átomos de zinco combina-se com alguns átomos de cobre formando um composto, CuZn (fig. II.2). Neste caso, existem duas fases sólidas - uma solução sólida de cobre saturada em zinco (30%) e o composto CuZn. A solubilidade do zinco no cobre é limitada.

Diagramas binários De acordo com o referido, nos sistemas H2O-NaCl e Cu-Zn, as propriedades de um material com dois componentes podem ser fortemente afectadas pela composição química (expressa como a quantidade relativa X de um dos componentes). Para facilitar a leitura da influência desta variável no comportamento do material, utilizam-se, em geral, sistemas bidimensionais de temperatura-composição (TX), ficando a pressão constante a 1atm. A análise térmica (fig. II.3) é um método comum para a determinação experimental de diagramas de fases. Se um componente puro, como o óxido de níquel (NiO), é colocado na câmara do forno de um equipamento de análise térmica, a temperatura da amostra irá inicialmente aumentar uniformemente. fig. II.3(a). O aumento da temperatura por unidade de tempo, dT/dt, é proporcional à taxa de absorção de calor pela amostra, dq/dt,

dT dt

=

1

dq

Cp

dt

(II.3)

onde Cp é a capacidade calorífica a pressão constante. O aumento uniforme da temperatura continua até Tf, mas o calor absorvido é usado para fundir o componente sólido fornecendo o calor (latente) de fusão (DHf). O processo de fusão prossegue a temperatura constante por um tempo t, de modo que:

dq dt

t

=

∆Hf

Calor Latente Fusão

(II.4)

No fim desse tempo o componente sólido mudou completamente para a fase líquida. O líquido começa então a aumentar de temperatura de acordo com a equação, completando assim a curva de aquecimento da fig. II.3(a).

Liquidus e Solidus

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Ut.02

A curva da fig. II.3(b) mostra a pequena mas significativa diferença no comportamento de uma solução sólida de dois (ou mais) componentes. O processo de fusão ocorre agora numa faixa de temperatura. A fusão começa na temperatura solidus da liga e termina na temperatura liquidus. Quando os dados de uma série de ligas que cobrem uma faixa de composição são compilados, essas duas curvas de temperatura resultam na curva solidus (início da fusão com o aquecimento) e a curva liquidus (início da solidificação com o arrefecimento).

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Temperatura

Temperatura

Componente líquido

Solução líquida Temperatura líquidu s

Sólido mais líquido Temperatura de fusão Temperatura sólidus

Componente sólido Solução sólida

Tempo de aquecimento

Tempo de aquecimento

(a)

(b)

Fig. II.3 - Curvas esquemáticas de aquecimento, tipicamente obtidas durante a análise térmica de (a) um componente puro; (b) uma liga de solução sólida

O comportamento de uma solução sólida no aquecimento até à fusão, mostrada na fig. II.3, é característico de um sistema especial de dois componentes, que mostra solubilidade completa mútua dos dois componentes na fase sólida (e também nas fases líquida e vapor). Tomando o exemplo do sistema cerâmico NiO-MgO (fig. II.4) como ilustração da maneira de ler o diagrama, comece-se por escolher um sistema específico tal como l mol da liga X2. A liga é constituída por 20% mol (percentagem molar) de MgO da liga X2. Para especificar completamente o estado S do sistema, devemos também escolher um valor da segunda variável - temperatura (T). Se o ponto S(X,T) ficar numa região monofásica do diagrama, por ex.: S(X2,T3), então todo o material está na mesma fase, que se define por: Regra da alavanca Ponto: Liga de 20% mol de MgO à temperatura T3 Fase: Líquida Composições: 20% mol de MgO Quantidade: 1 mol Uma representação esquemática conveniente dessa condição da fase é simplesmente um círculo vazio, pois não seria vista nenhuma característica num exame microscópico (hipotético).

Fase Líquida

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Ut.02

Se a composição X2 for arrefecida lentamente a partir da temperatura T3, a fase sólida a começará a formar-se quando a temperatura alcançar a curva liquidus. A solidificação de uma liga em solução sólida difere daquela de um componente puro em dois aspectos importantes: a) a solidificação ocorre numa faixa de temperaturas ao invés de numa única temperatura de fusão (fig. II.3 b)); e b) a composição da fase sólida em equilíbrio com o líquido varia durante o curso da solidificação.

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Esse comportamento pode ser ilustrado tomando como exemplo o ponto

Solubilidade

S(X2,T2). Como este ponto está na região de duas fases do diagrama, o sistema consiste em duas fases: a fase líquida l e a fase sólida a. Os dois pontos L(X1,T2) e a(X3,T2) que representam essas duas fases estão nas extremidades da linha de união que passa pelo ponto S(X2,T2) do sistema. A análise de fases, nesse caso, é dada por: Regra da Alavanca Ponto: Liga de 20% de MgO à temperatura T3 Fases: Solução sólida α Composições: 36% mol de MgO (X3) Quantidades: (X2-X1)/(X3-X1) = 0.24 mol

Líquida 15% mol de MgO (X1) 1.00 - 0.24 = 0.76 mol

As composições das fases X1 e X3 são simplesmente lidas no eixo das composições, como indicado pelas linhas tracejadas verticais da fig.II.4, sendo possível calcular as quantidades das duas fases através destas composições. A quantidade de um dado componente (MgO, por exemplo) no sistema fica dividida entre as duas fases; assim: (MgO)s = (MgO)a + (MgO)L

(II.5)

Cada uma dessas quantidades pode ser expressa como o produto XA da composição X e a quantidade A do sistema ou da fase em questão, assim: X A =X A +X A 2

s

3

α

1

(II.6)

L

A quantidade total do sistema divide-se entre as duas fases e temos a relação: As = Aα + AL

(II.7)

Porém, AL pode ser eliminado da equação, resultando a regra da alavanca: A

α

A

X -X 2

1

(II.8)

X -X s

Regra da Alavanca

3

1

Isto é, a fracção Aα/As da fase α no sistema é a porção X2-X1 da linha de união

M.T.03

Ut.02

oposta à fase α, dividida pelo comprimento total da linha de união X3-X1.

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Fig. II.4 - Diagrama temperatura vs. composição (diagrama de fases) para P = 1 atm, do sistema NiO-MgO, que forma uma série de soluções sólidas. Este diagrama de fasesmostra a natureza da região bifásica (líquido e sólido). São mostradas três ilustrações esquemáticas de possíveis microestruturas.

Se se escolher As como sendo l mol., então a fracção Aα/As é numericamente igual a Aα, a quantidade de fase α. A finalidade da microestrutura esquemática presente na fig. II.4 para a análise de fases é mostrar uma possível distribuição da quantidade da fase α. A escolha do número e forma dos grãos α é arbitrária. Esse esquema ilustra um ponto importante em equilíbrio multifásico, isto é, as quantidades físicas são as fases L(X1,T2) e α(X3,T2), mas não o sistema S(X2,T2). X2 representa a composição química global do sistema.

Diagramas eutécticos A reacção eutéctica representa o comportamento que se verifica frequentemente em sistemas cerâmicos e metálicos; como exemplo, considere-se o sistema Prata-Cobre (fig. II.5).

M.T.03

Ut.02

A nova característica é a linha (a temperatura constante) de equilíbrio das três fases que envolve a fase líquida e as duas fases sólidas α e β. A fase α é uma solução sólida rica em prata. Para ligas que têm composições abaixo de 14% atómica de Cu ou acima de 95% atómica de Cu, as análises de fases são semelhantes àquelas descritas na secção anterior. Isto é, para temperaturas entre as curvas liquidus e solidus, a solução líquida muda para a solução sólida

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α (ou β); quando a temperatura solvus é alcançada, a fase β começa a formar-se nos grãos da fase α. O termo limite da solução sólida descreve fases como α e β, que se estendem somente sobre uma porção da faixa de composição do diagrama de fases.

Fig. II.5 - Diagrama de fases para o sistema Ag-Cu (P=1 atm). A fase líquida deste sistema sofre uma reacção eutéctica quando alcança 779ºC.

A reacção eutéctica ocorre para uma liga (como a liga 60% atómica de Cu), cuja composição passa pela linha de equilíbrio das três fases. O comportamento na temperatura eutéctica pode ser explicado usando a regra das fases, pois para as três fases (p) de um sistema de dois componentes (c) tem-se que: F = C + 2 - P = 2 +2 -3 = 1

Reacção Eutéctica

(II.9)

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Ut.02

O diagrama de fases ordinário é isobárico (a pressão constante), usualmente a 1atm. Em consequência, esse grau de liberdade foi usado, e F=0, e um sistema trifásico é invariante. Como nem a temperatura nem qualquer das composições químicas X das três fases podem variar (sem perda de uma das fases), as fases são representadas pelos três pontos a temperatura constante, isto é, uma linha horizontal. As fases são α (14% atómica de Cu), líquido (40% atómica de Cu) e β (95% atómica de Cu). A reacção eutéctica descreve a porção do processo de solidificação na qual uma das fases, o líquido, muda para as outras duas. Essa reacção pode ser escrita: L → α + β Para ver como a reacção eutéctica ocorre no comportamento global da solidificação, considere-se o arrefecimento da liga de 60% atómica de Cu na condição líquida. À medida que a liga arrefece, formam-se alguns cristais (primários) da fase β por solidificação do tipo da solução sólida na faixa de temperatura, a partir da curva liquidus até à linha eutéctica.

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A análise de fases a 780ºC, que fica logo acima da temperatura eutéctica, é dada por:

Reacção Eutéctica

Ponto: Liga de 60% atómica de Cu a 780ºC Líquido Fases: Solução sólida β Composições: ≈ 95%atómica Cu ≈ 40%atómica Cu Quantidades: (60-40)/(95-40) = 0,36 mol 1,00 - 0,36=0,64 mol A fase líquida tem agora a composição eutéctica (40% atómica Cu) e ao alcançar a temperatura eutéctica pode sofrer a reacção da equação anterior. Ao completar a reacção (digamos a 778ºC), todo o líquido eutéctico mudou para uma mistura fina das fases α e β, o microconstituinte eutéctico. A quantidade desse microconstituinte é 0,64 mol, a mesma que a quantidade de líquido logo acima da temperatura eutéctica. Se a liga solidificada for arrefecida lentamente (em condições de equilíbrio) até temperaturas mais baixas, tanto a fase α como β mudarão de composição ao longo da linha solvus. A 300ºC, por exemplo, a análise de fases é dada por: Ponto: Liga de 60% atómica de Cu a 300ºC β Fases: α Composições: 1% atómica Cu ≈100% atómica Cu Quantidades: 0,4 mol 0,6 mol A fotomicrografia correspondente na fig. II.5 mostra dois microconstituintes, a fase β primária e a eutéctica. As pequenas partículas de fase α e β que formam o microconstituinte eutéctico são geralmente chamadas α e β secundárias, mas são idênticas em composição e estrutura às fases primárias.

Aplicação Eutécticos

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Ut.02

Considere-se um material bastante utilizado para a realização de uniões de dois fios eléctricos: a solda de estanho. Esta liga é constituída por 50%Sn50%Pb, e é representativa de como uma reacção eutéctica é aplicada na prática. A liga contendo 60% em peso de Sn é preferida para algumas aplicações, porque funde a temperatura mais baixa (temperatura liquidus é 190ºC – fig. II.6); embora a liga eutéctica (62/48) possua uma temperatura de fusão mais baixa, o alto preço do estanho torna esta liga um pouco mais cara. A liga contendo somente 40% em peso de Sn, embora um pouco mais barata, tem a desvantagem de possuir uma temperatura liquidus mais elevada (240ºC) e de produzir menos microconstituinte eutéctico (necessário por causa da resistência mecânica). Assim, a liga 50/50 é uma escolha prática, baseada tanto no custo como no desempenho.

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Fig. II.6 - Diagrama de fase Pb-Sn

Reacções peritécticas Três fases podem sofrer várias reacções a temperatura constante. Embora a reacção eutéctica L→α+β seja a mais comum, outra reacção importante é a peritéctica: L+

β→α

Reacção Peritéctica

(II.10)

O comportamento de uma liga cuja solidificação seja efectuada por essa reacção é ilustrado esquematicamente para duas ligas Prata-Platina na fig. II.7. A liga 2, ao arrefecer a partir da região líquida, começa a formar a solução sólida β. A 1 186ºC essa liga é constituída por fase líquida e fase β (35%). Durante o arrefecimento pela horizontal peritéctica, a 1 185ºC, a liga sofre a reacção e torna-se inteiramente fase α (se o equilíbrio for alcançado). A sequência de desenhos da fig. II.7, que ilustra esse comportamento da solidificação, inclui um deles mostrando um estágio intermediário: a fase α, de início formada necessariamente na interface original entre as fases líquida e β, engloba os grãos β. Uma reacção posterior entre as fases líquida e β fica agora difícil: assim, raramente é alcançado o equilíbrio nas reacções peritécticas. É óbvio que, em geral, uma liga não tem exactamente a composição peritéctica (liga 2), mas tem alguma composição que passa pela horizontal peritéctica (liga 1). Consideremos 1 mol da liga 1, contendo 26% de Pt. Ao ser arrefecida até 1 340ºC, inicia-se a solidificação desta liga, formando-se a solução sólida β, com o conteúdo inicial de 84% atomica de Pt. Se considerarmos que o equilíbrio é mantido durante o arrefecimento, a análise de fases a uma temperatura imediatamente superior à temperatura peritéctica é dada por: Reacção Peritéctica

M.T.03

Ut.02

Ponto: Liga de 26% atómica de Pt a 1 186ºC Fases: Líquido β Composições: 20% atómica Pt 77% atómica Pt Quantidades: (77-26)/(77-20) = 0,89 mol 1,00 - 0,89 = 0,11 mol

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Estrutura dos Materiais: Fases e Composição

Fig. II.7 - Diagrama de fases Prata-Platina, utilizado para ilustrar o carácter das reacções peritécticas. A parte inferior do diagrama foi simplificada omitindo várias reacções no estado sólido.

Ao arrefecer abaixo da temperatura peritéctica, toda a fase b reagirá como uma porção da fase líquida (se for mantido o equilíbrio), e a liga consistirá em líquido mais fase a. Uma análise típica das fases nessa região aos 1100ºC é dada por: Ponto: Liga de 26% atómica de Pt a 1100ºC Fases: Líquido Composições: 10% atómica Pt Quantidades: (34-26)/(34-10) = 0.33 mol

α 34% atómica Pt 1,00 - 0,33 = 0,67 mol

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As microestruturas correspondentes às análises de fases efectuadas estão desenhadas na fig. II.7. De facto, a segunda microestrutura conteria uma fase β englobada pela fase α, como se ilustra para a liga 2.

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Fases em Polímeros Orgânicos A maioria das fases consideradas nas secções anteriores são aglomerações de unidades simples, moléculas como o MgO ou mesmo átomos individuais como o cobre ou a prata. Em contraste, as moléculas individuais que formam uma fase líquida ou sólida num polímero orgânico podem consistir em aproximadamente 104 monómeros. Um exemplo é a molécula de cadeia longa de polietileno. Entretanto, as moléculas individuais não são idênticas, mas variam de peso molecular (tipicamente numa faixa duma ordem de grandeza), em configuração e, frequentemente, em características estruturais tais como ramificações da cadeia principal. Assim, um homopolímero como o polietileno é análogo a um sistema cerâmico ou metálico multicomponente (ao invés dum sistema dum componente como o cobre). A natureza multicomponente de um polímero é a base do seu fraccionamento em porções (fracções) que têm vários pesos moleculares médios. Se um polímero for dissolvido num solvente adequado, a fracção com o maior peso molecular irá precipitar-se primeiro, a partir da solução, à medida que a temperatura diminuir gradualmente ou se adicionar um não-solvente. O fraccionamento é somente um exemplo de efeito das diferenças de peso molecular sobre as propriedades de um dado polímero. Uma característica dominante de estruturas poliméricas, às vezes mesmo no estado fundido, é a dificuldade de alcançarem o equilíbrio. Factores cinéticos são usualmente decisivos para determinarem as estruturas reais, de modo que o diagrama de fases usuais tem pouca utilidade. A imiscibilidade no estado sólido é, virtualmente, característica de todos os homopolímeros. Consequentemente, a “liga” dos homopolímeros é alcançada por meio de mistura mecânica. A imiscibilidade explica o fenómeno da separação de fases observada em alguns sistemas de polímeros. Por exemplo, se dois tipos de homopolímeros forem misturados, eles tenderão a separar-se na temperatura elevada do processo de moldagem ou fundição em duas fases puras. A fase menor é usualmente disforme, mas, às vezes, ocorre como esferas relativamente grandes. A separação de fases pode ser conseguida numa escala mais fina pelo uso de blocos de copolímeros (e com as úteis “moléculas de união” conectando fortemente as duas fases). A técnica de bloco de copolimerização permite que secções alternadas de uma cadeia simples sejam construídas a partir de dois monómeros diferentes, com muitos monómeros em cada secção. A molécula usada para fabricar o Kraton 101 consiste em três blocos, uma região central de polibutadieno com um peso molecular de 55 000, e dois blocos terminais de poliestireno, cada um com peso molecular de 11 000.

Moléculas Poliméricas

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Ut.02

A separação de fases nesse polímero ocorre somente até produzir pequenos domínios esféricos de poliestireno embebidos na matriz de polibutadieno, uma vez que os dois blocos imiscíveis de polímeros de cada cadeia estão conectados entre si. A interface de fases contém as secções da molécula do polímero onde os blocos de polímero se juntam. Pelo facto de o poliestireno ser um vidro rígido a menos de 100ºC, abaixo dessa temperatura os domínios vítreos ancoram efectivamente as cadeias de polibutadieno e, assim, evitam o escoamento, mas permitem deformação elástica. Se a relação dos pesos moleculares dos dois componentes for mais próxima da unidade, a separação de fases levará a uma estrutura do tipo de camadas ou de barras.

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Estrutura dos Materiais: Fases e Composição

FASES NÃO-CRISTALINAS Gases e líquidos. Embora as fases sólidas sejam de importância primordial no uso final da maioria dos materiais, as fases gasosa e líquida são frequentemente de interesse, especialmente em conexão com reacções que envolvam uma fase sólida. Por exemplo, a liga (“dopagem”) de semicondutores e a criação de camadas superficiais especiais em vários materiais pode ser feita de modo eficiente por um método que usa fase de vapor. A fase vapor é também um dos caminhos possíveis para o transporte de material no processo de mudança de forma de um sólido e é especialmente importante em formações geológicas de gelo. Muitos cálculos a respeito de gases envolvem meramente as leis do gás ideal; contudo, a pressões acima de ≈l02atm, são exigidas correcções adequadas para o comportamento não-ideal e para a transição para a fase líquida. Para além disso, a temperaturas bem altas, devem-se considerar dois processos adicionais. O primeiro processo, característico de gases moleculares como o hidrogénio (H2), é a dissociação em átomos neutros. Em temperaturas ainda maiores, o segundo processo, a ionização, ocorre e converte o gás que anteriormente era isolante num plasma condutor eléctrico, isso devido aos iões e electrões que são produzidos. Em pesquisas de energia nuclear, os plasmas são úteis como fontes de calor devido ao seu alto conteúdo térmico, e também devido ao facto de os átomos ionizados de um plasma sofrerem reacções químicas com especial facilidade.

Gases e Líquidos

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Ut.02

As muitas maneiras pelas quais os líquidos são empregues em Ciência dos Materiais - como matéria-prima, produto intermediário, agente para transferência de calor - são evidentes a partir da classificação dos líquidos fornecida no quadro II.1. A grande variedade de aplicações resulta das características específicas dos vários líquidos. Estas características podem ser julgadas qualitativamente a partir da natureza da ligação do sólido correspondente. Por exemplo, os líquidos metálicos e iónicos são ambos condutores eléctricos (embora por meio de mecanismos diferentes), ao passo que os demais líquidos são não-condutores. A difracção de raios X mostra que a estrutura dum líquido, determinada próximo do seu ponto de congelamento, tem alguma semelhança com uma estrutura cristalina em regiões locais. O número de átomos vizinhos mais próximos é aproximadamente 10% menor que no sólido, existindo uma quantidade de “espaço vazio” correspondente.

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Estrutura dos Materiais: Fases e Composição

Tipo

Exemplos

Uso típico

Monoatómico

Hélio, Árgon, Azoto

Fins criogénicos (baixa temperatura)

Molecular

Benzeno, tetracloreto de carbono

Benzeno como solvente para substâncias orgânicas

Molecular associado

Amónia, Água

Soluções aquosas de sais inorgânicos

Iónico

Carbonato de Lítio

Células combustíveis , processo electrolítico para alumínio

Polimérico

Polímeros orgânicos, Silicone

Próteses, produtos de beleza, vestuário

Metálico

Ferro, Sódio

Fabrico de aços

Quadro II.1 - Classificação dos líquidos

Classificação dos Líquidos

A fase vítrea Quando um líquido é arrefecido até à sua temperatura de congelamento, usualmente o processo de cristalização converte-o num sólido cristalino (fig. II.8). Alguns líquidos não cristalizam ao serem arrefecidos para baixas temperaturas, por possuírem configurações moleculares complexas ou de cinética lenta; não obstante, formam uma estrutura rígida conhecida como estrutura vítrea.

Fase Vítrea

Em materiais para os quais a cristalização é possível, dois factores principais determinam se um dado líquido irá cristalizar ou formar um vidro durante o arrefecimento. Primeiro, se a taxa de arrefecimento for suficientemente alta, em princípio, qualquer líquido poderá ser convertido em vidro. Segundo, se a “base” na estrutura cristalina é de difícil produção a partir da estrutura líquida, a cristalização será lenta, e a formação dos vidros será favorecida.

Vidros Metálicos

M.T.03

Ut.02

Os metais, os cerâmicos e os polímeros exibem comportamentos qualitativamente diferentes com respeito a este fenómeno. Nos cristais metálicos, a base contém poucos átomos, geralmente só um, e, portanto, a regra é a fácil cristalização. Vidros metálicos podem ser produzidos somente por técnicas especiais como arrefecimento splat ou recozimento na laminagem de gotas de ligas líquidas adequadas. Os vidros metálicos são objecto de pesquisa actual com vista a aplicações futuras, dadas as suas propriedades não usuais. Devido ao facto de os cristais cerâmicos serem usualmente mais complexos que cristais metálicos, a formação de vidro é comum em materiais cerâmicos, embora geralmente acompanhada também pela cristalização. Valores elevados de viscosidade originam a formação de estruturas vítreas, enquanto que um cerâmico que fundido seja fluido facilita o rearranjo de átomos na estrutura cristalina.

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Estrutura dos Materiais: Fases e Composição

Faixa de transformação Volume

vítrea Líquido estável Líquido metaest ável

Líquido Processo de + cristalização cristais

Comportamento durante arrefecimento rápido

Fase vítrea Comportamento durante arrefecimento lento

Cristais

Temperatura de transição vítrea

Temperatura de fusão

Tg

Tf Temperatura

Fig. II.8 - Alterações de volume num líquido durante a cristalização ou na transição para o estado vítreo

A cristalização de polímeros de cadeia longa deve superar duas dificuldades estruturais: a) as bases simples raramente são possíveis, e b) o rearranjo adequado dos segmentos de cadeia existentes é conseguido somente pela difusão lenta de troços completos de uma cadeia, sem romper e reformar ligações (em contraste com o comportamento de metais e cerâmicos, onde um dado átomo pode transferir uma ligação dum vizinho para outro com certa facilidade). A formação de estruturas vítreas é a regra na maioria dos polímeros, e a cristalização tem um papel secundário.

Cristalização de Polímeros

Podemos entender o processo da formação de estruturas vítreas a partir dum líquido ordinário estável (no canto superior direito da fig. II.8). Consideremos que o líquido não cristaliza no arrefecimento ao passar de Tf, mas que se torna um líquido metaestável e diminui gradualmente em volume quando o arrefecimento continua. À temperatura de transição vítrea Tg (cujo valor exacto depende da taxa de arrefecimento), as unidades estruturais do material não têm tempo de se reorganizar como um líquido, e o material rígido resultante possui estrutura vítrea. O valor experimental obtido para Tg depende da escala de tempo da experiência. Durante o longo tempo de arrefecimento lento, por exemplo, as unidades estruturais têm mais tempo para se reorganizar e, assim, Tg é menor.

M.T.03

Ut.02

Vidros óxidos Os objectos de vidro que se vêem diariamente são feitos principalmente de sílica (SiO2). A estrutura e ligação desse tipo de vidro são semelhantes, porém, àquelas da SiO2 e dos silicatos. O arranjo estrutural do vidro, de SiO2 puro, é grandemente modificado. Exemplos de tais modificadores de estrutura são

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Vidros Óxidos

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Na2O, K2O, K2O, Li2O, CaO.MgO e PbO. Com o aumento da quantidade do modificador, o número médio de ligações Oxigénio-Sílico que formam uma ponte entre dois átomos de sílicio diminui como se segue: Relação O/Si no vidro

Ligações O/Si de ponte por átomo de silício 4 3 2

2 2,5 3

Duas ligações de ponte por átomo de silício poderiam corresponder, por exemplo, a uma estrutura de cadeia linear, e qualquer aumento posterior na quantidade de modificador reduziria o comprimento da cadeia. O efeito principal de um modificador é baixar a temperatura de fusão e de trabalho, diminuindo a viscosidade. As composições e propriedades de vidros típicos estão listadas no quadro II.2. O vidro de cal de soda, além da vantagem de ser feito com matéria-prima barata, tem também a conveniência prática das baixas temperaturas de trabalho.

Composição, %peso

Tipo

Propriedades ou usos SiO2

Na2O

K 2O

Al 2O3

Outro

72

14

-

1

9CaO

Vidro de sílica

99,5

-

-

-

0,4 MgO

Altas tmperaturas, baixo coeficiente de expansão

Vidro de sílica 96%

96,3

< 0.2

< 0,2

0,4

3B2 O3

Comparável ao anterior

Borosilicato

80,5

3,8

0,5

2,2

13B 2O3

Resist. ao calor e a produtos químicos

Cristal

54

1

8

-

37PbO

Alto índice de refracção

Vidro de superfície endurecida

55

16

2

19

4TiO2

Vidro temperado; Automóveis

Pyrex

56

Vidro de cal de soda

2CaO -

-

20

15MgO 4TiO2

Vidro de janela

Utensílios de cozinha

Quadro II.2 - Vidros óxidos típicos

M.T.03

Ut.02

A maioria das operações de conformação de vidros (estampagem, desenho, etc.) começa à temperatura correspondente ao ponto de trabalho, mas pode continuar enquanto o vidro arrefece. No ponto de amolecimento, um vidro pode ainda deformar-se por causa do seu próprio peso. No ponto de recozimento, as tensões podem ser removidas em tempo convenientemente curto (alguns minutos). A partir do ponto de deformação (ou em temperaturas mais baixas), um vidro pode ser arrefecido rapidamente sem introduzir tensões residuais permanentes e perigosas.

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A resistência do vidro pode ser aumentada por reforço superficial, no qual a composição da superfície é mudada por meio de troca de iões. O artigo acabado é fabricado a partir dum vidro cuja estrutura contém um catião pequeno, como o do lítio. Depois, o artigo é colocado num banho de sal fundido que contém um catião grande (sódio ou potássio) e é tratado por poucas horas numa temperatura abaixo do ponto de deformação. Durante esse tempo, o ião grande substitui o pequeno numa camada superficial de cerca de 0,1mm de espessura. Como as tensões de tracção são a causa de falhas em vidros, o vidro reforçado pela superfície exibe um valor de resistência à tracção bastante aceitável.

Propriedade do Vidro

Polímeros vítreos As propriedades dos polímeros podem ser utilmente modificadas, combinando dois (ou mais) monómeros diferentes numa cadeia polimérica longa. Um método de produzir tais copolímeros é a polimerização por adição na presença dos dois monómeros. Por exemplo, se monómeros do estireno e monómeros do butadieno estiveram presentes na relação 1:3, a polimerização resulta num copolímero contendo cerca de 25% de monómeros do estireno distribuídos ao acaso com monómeros de butadieno. Esse polímero é conhecido como SBR (borracha-estireno-butadieno) e é a fonte de borracha sintética para usos tais como em pneus. Se a relação de monómeros é invertida durante a polimerização, o copolímero resultante tem uma composição bem diferente e é um material duro com significativa fragilidade.

Polímeros Vítreos

LIGAS FERRO-CARBONO: AÇOS E FERROS FUNDIDOS

É verdade que o aço duma lâmina de faca é endurecido de modo que ela fique afiada durante o uso, mas o mesmo aço era macio quando a lâmina da faca estava a tomar forma no processo de forjamento. Assim, o aço é um material especialmente útil porque é macio e trabalhável nalgumas condições, mas pode-se tornar duro e resistente por um tratamento térmico antes do seu uso. Aço

Qual é a razão para que o ferro seja o metal mais usado? A resposta é simples: ele tem o menor custo. As formas mais baratas do ferro são os ferros fundidos, fabricados na sua fundição local refundindo o produto do alto forno (ferro gusa) e vazando-o na forma desejada. A estrutura de ferro fundido branco, que contém 3% em peso de C mais elementos de liga, pode ser facilmente interpretada usando-se o diagrama de fases Ferro-Carbono, fig. II.9.

Ferro Fundido

M.T.03

Ut.02

Quantos dos objectos de aço comuns foram tratados termicamente? Pode-se fazer facilmente um teste de dureza por riscagens. Uma lata, um armário metálico ou a chapa de um automóvel são constituídos por chapa que não terá sido endurecida. Use a ponta duma lâmina de faca para fazer um pequeno risco na lata. Verá que riscará facilmente. Uma lâmina de barbear ou de serra, que estará endurecida, quase não será afectada pela faca. Como base para compreender vários processos de endurecer metais, incluindo o endurecimento do aço, consideraremos agora aspectos da falta de equilíbrio nos diagramas de fase.

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Por causa da grande quantidade de carboneto de ferro, o ferro fundido branco é muito duro, mas também é frágil. Nas zonas das peças onde a dureza é necessária para se ter resistência ao desgaste, procura-se formar pequenas regiões de ferro fundido branco em peças constituídas por outros tipos de ferro fundido. O uso principal do ferro branco, porém, é na produção de ferro fundido maleável. O aquecimento prolongado do ferro fundido branco por volta de 850ºC produz a reacção:

Ferro Fundido Branco

Fe3C (cementite)→ 3Fe + C (grafite)

M.T.03

Ut.02

Se o ferro fundido for então arrefecido lentamente até à temperatura ambiente, mesmo a cementite da perlite se grafitiza. A estrutura final do ferro fundido maleável resultante, fig. II.9, consiste em partículas de grafite numa matriz de fase x. A reacção da equação anterior mostra um aspecto surpreendente das ligas Ferro-Carbono.

Ferro Fundido Maleável

Fig. II.9 - Diagrama de fases ferro-carbono e fotomicrografias que ilustram o comportamento sem equilíbrio de um aço eutectóide (0.8% C) e de ferros fundidos típicos

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A grafite é uma fase estável: a cementite é somente metaestável. Não obstante, na maioria dos aços, e mesmo em muitos tipos de ferro fundido, a Fe3C tem estabilidade suficiente para existir por milénios a temperaturas moderadas.

Ferro Fundido Cinzento

O ferro fundido cinzento difere do ferro fundido branco por ter um teor um pouco maior de carbono (e também silício, um elemento de liga que promove a grafitização). Se o ferro líquido se solidificar de modo relativamente lento, serão produzidos flocos de grafite em vez da fase Fe3C. A microestrutura mostrada na fig. II.9 resulta quando a matriz de fase γ se transforma em perlite (constituída por lamelas paralelas de fase α e cementite). O ferro fundido cinzento tem resistência relativamente baixa porque poderão ocorrer fissuras ao longo dos flocos de grafite de baixa resistência. São obtidas resistência e ductilidade bastante superiores se a grafite formar nódulos durante a solidificação (como resultado da inoculação com adições adequadas de elementos de liga logo antes de vazá-lo). A microestrutura dum ferro fundido nodular típico está patente na fig. II.9. O aço difere do ferro fundido por conter menos de 2% em peso de C; consequentemente, não ocorre nenhuma reacção eutéctica durante a solidificação do aço. Este é usado de modo limitado na forma de fundidos, mas a maioria dos aços é empregue na condição trabalhada, como chapas ou barras previamente laminadas a quente a partir dos lingotes originais (vazados a partir dos fornos de fusão de aços).

Aços

A reacção eutectóide pode ser descrita de modo especialmente fácil para um aço com a composição eutectóide, ou seja, 0,8% em peso de C. A 900ºC (acima da horizontal eutectóide), esse aço consiste em grãos de fase γ (austenite), fig. II.9. Durante o arrefecimento lento (por exemplo, dentro do forno), ao passar pela horizontal eutectóide, a fase γ sofre a reacção eutectóide

γ → α + Fe3C

(II.11)

Reacção Eutectóide

e decompõe-se em perlite grossa, uma mistura de lamelas de ferrite (clara) e cementite (escura). Por outro lado, se o arrefecimento ocorrer mais rapidamente (no ar), a fase γ arrefece a uma temperatura mais baixa antes de se decompor em perlite. Essa perlite tem um espaçamento lamelar menor e é mais dura. Poderá ocorrer uma reacção completamente diferente se um aço aquecido (até à fase γ) for mergulhado em água. Ocorrerá uma transformação sem difusão próximo da temperatura ambiente e a produção de microconstituinte muito duro, a martensite. Quando a liga líquida de 3% de peso em C alcança cerca de 1 250ºC, a solidificação começa com a formação de fase γ (austenite), que é uma solução sólida do carbono em ferro γ CFC. Logo acima da temperatura eutéctica, a análise de fases é dada por: Dendrites Líquido (L) 4,3% em peso de C 1,00 - 0,57 = 0,43

M.T.03

Ut.02

Ponto: Liga de 3% em peso de C a 1150ºC Fases: Austenite (γ) Composições: 2% em peso de C Quantidades: (4,3-3,0)/(4,3-2,0) =0,57

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A fase γ forma-se em dendrites (em forma de árvore), o que determina a forma irregular do constituinte escuro da fotomicrografia. Durante o arrefecimento posterior, o líquido sofre a reacção eutéctica e forma uma mistura de cementite e austenite; a austenite adicional soma-se às dendrites já formadas, em vez de formar um constituinte eutéctico separado com a cementite. Um eutéctico deste tipo é designado por eutéctico divorciado; a cementite aparece como um constituinte branco entre as dendrites. O estágio final da formação estrutural de um ferro fundido branco é a reacção eutectóide. Logo acima da temperatura eutectóide, a análise de fases é dada por: Ponto: Liga de 3% em peso de C a 750ºC Fases: Austenite (γ) Composições: 0,8% em peso de C Quantidades: (6,7-3,0)/(6,7-0,8) =0,63

Cementite

Cementite (Fe3C) 6,7% em peso de C 1,00 - 0,63 = 0,37

A cementite não é afectada durante o arrefecimento, mas a austenite sofre a transformação eutectóide e transforma-se em perlite, a qual consiste numa mistura íntima de quase 88% de ferrite e 12% de cementite. A perlite é o microconstituinte escuro na estrutura do ferro fundido branco.

CERÂMICOS

O método de produzir cerâmicos comuns (tijolos, placas, etc.) difere bastante daquele usado para os materiais metálicos. O ferro, por exemplo, é reduzido a partir do seu minério (Fe2O3 mais impurezas) e é fundido numa operação no alto forno; e a maioria das impurezas, como SiO2 e Al2O3, fica no resíduo de escória. Um tijolo cerâmico, por outro lado, é feito a partir de argilas retiradas da terra e que contêm quantidades variáveis de impurezas. É adicionada água à argila para produzir plasticidade para a operação de enformação; outras matérias-primas podem ser adicionadas para fins específicos, tais como promover a formação duma fase vítrea. Depois de enformado e seco, o tijolo é aquecido (queimado) num forno (mufla) a uma alta temperatura. Os principais grãos cristalinos, como os de Al2O3, não se fundem, mas ficam ligados pela fase vítrea que se forma durante a queima. Outras mudanças importantes são a formação de poros e a transformação de várias fases cristalinas por meio de reacções de estado sólido. Polimorfismos

M.T.03

Ut.02

Como já vimos para os sistemas em solução sólida NiO-MgO, os diagramas de fases são úteis para interpretar a estrutura dos cerâmicos. Também, duas reacções adicionais - a monotéctica e a espinoidal - são importantes para o comportamento de muitos cerâmicos. Outras complexidades são a presença das fases sólidas vítrea e cristalina, a ocorrência de estruturas sem equilíbrio e a existência duma dada composição em diferentes formas cristalinas (polimorfismo). Nesta secção, consideraremos vários desses aspectos em sistemas de cerâmicos típicos.

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Reacção monotéctica e decomposição espinoidal O vidro comum é baseado na sílica, mas contém tipicamente vários comportamentos adicionais. A relação de fases em tais vidros de muitos componentes é, em geral, do tipo mostrado pelo diagrama mais simples de dois componentes para o sistema SiO2-CaO. A porção desse diagrama com a fase intermédia CaO.SiO2(CaSiO3) é fornecida na fig. II.10. A principal característica é a reacção monotéctica:

L’ → α + L’’

(II.12)

A existência de duas composições líquidas L’ e L’’ requer um comportamento

Reacção Monotéctica

não usual na região líquida do diagrama; a continuidade da fase líquida usual é interrompida por um “hiato” no qual coexistem duas fases líquidas - um hiato de miscibilidade. Ignorando por um momento as linhas tracejadas do diagrama, consideremos as mudanças que ocorrem durante o arrefecimento de várias composições nesse sistema sob condições de equilíbrio. As quatro composições indicadas no diagrama são exemplos dos quatro tipos qualitativamente diferentes de comportamento. As composições 3 e 4 não passam pela horizontal monotéctica, elas só experimentam a solidificação do tipo eutéctico, discutida anteriormente para o sistema Ag-Cu. Os materiais cerâmicos estão frequentemente num estado de não-equilíbrio. Para explicar as estruturas metaestáveis análogas àquelas que ocorrem no vidro, linhas adicionais (tracejadas) foram adicionadas ao diagrama da fig. II.10. Primeiro, o hiato de miscibilidade foi estendido pelas linhas de equilíbrio metaestável, até temperaturas abaixo da horizontal monotéctica. Essa construção reflecte o facto de que o processo de formação duma fase sólida pode prosseguir de forma tão lenta que as fases líquidas (ou vítreas) podem

M.T.03

Ut.02

continuar a existir em temperaturas baixas com arrefecimento ordinário.

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Estrutura dos Materiais: Fases e Composição

Fig. II.10 - Diagrama de fases do sistema SiO2 - CaSiO3, ilustrando um hiato de miscibilidade e as curvas espinodais. O diagrama foi simplificado pela omissão das mudanças polimórficas das fases sólidas

Decomposição Espinoidal

M.T.03

Ut.02

O par mais interno de linhas tracejadas da figura supramencionada, chamadas curvas espinodais, inclui uma faixa de composição dentro da qual pode ocorrer um tipo especial de reacção, a decomposição espinoidal. Essa reacção faz com que uma fase uniforme (como uma solução líquida) se separe num arranjo de minúsculas regiões de aproximadamente 100Å, que apresentam composições diferentes. A separação de fases desse tipo ocorre na cerâmica vítrea listada no quadro II.2. Depois que o objecto de vidro foi enformado da maneira usual a temperatura elevada, a decomposição espinoidal ocorre espontaneamente durante o arrefecimento. As minúsculas regiões de fase resultantes incluem um tipo que é rico em TiO2. Aquecer o vidro a uma temperatura moderada produzirá microcristais ricos em TiO2, embebidos numa matriz vítrea. Quando a temperatura é aumentada, a matriz cristaliza-se nos microcristais. A estrutura final da cerâmica vítrea tem, então, granulação fina e quase completamente cristalina.

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Sistemas multicompostos Muitos materiais cerâmicos úteis (refractários, porcelanas, etc.) e ligas metálicas (aço inoxidável, alumínio endurecível por envelhecimento, etc.) não contêm apenas dois componentes importantes, mas três ou mais. Os princípios que usamos para equilíbrio em sistemas de dois componentes aplicam-se também a esses sistemas multicompostos, mas são observadas dificuldades de dois tipos no uso prático desses princípios. Primeiro, a dificuldade de determinar os dados para um sistema multicomposto de n componentes aumenta grandemente quando n aumenta, e, portanto, existem relativamente poucos diagramas ternários e muito poucos com maior número de componentes. Segundo, a visualização de equilíbrio com vários componentes envolve espaço multidimensional e torna-se cada vez mais difícil quando n passa de 3.

MATERIAIS COMPÓSITOS

Materiais que possuem combinações especialmente úteis de propriedades (peso, resistência mecânica e tenacidade) são frequentemente uma mistura de dois ou mais constituintes bem diferentes. Um dos constituintes, ainda que leve e resistente, pode ser muito frágil para ser usado sozinho. Outro constituinte pode ser duro e dúctil, porém, apresentar resistência insuficiente. Quando combinados adequadamente num material compósito, esses dois constituintes podem formar um material com excelentes propriedades. Diariamente, servimonos de muitos materiais compostos: osso, madeira e concreto são alguns exemplos. Combinações simples de metais, cerâmicos e polímeros fornecem correntemente novos materiais para extraordinárias exigências dos veículos destinados à exploração do espaço extraterrestre ou da plataforma oceânica. Ao discutir os vários aspectos do amplo assunto dos materiais compósitos, podemos distinguir convenientemente três modos de combinação de dois constituintes: compósitos de fibra, compósitos laminados e compósitos de partículas.

Compósitos de fibras

M.T.03

Ut.02

A resistência dos materiais típicos aumenta grandemente se ao material é dada forma duma fibra fina. No caso do vidro ou do polímero nylon (quadro II.3) o aumento, ao passar duma barra ordinária para uma fibra, é mais que um factor de 10.

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Tamanho ( µm)

Resistência (107 N/m2)

Rigidez (1010 N/m2)

Densidade (103 kg/m 3)

100

300

45

2,4

5

200

100

0,2

Vidro

10 10 4 (barra)

200 7

8 8

2,5 2,5

Nylon

10 104 (barra)

70 7

0.3 0.3

1,1 1,1

25

300

20

1,9

Material Boro Grafite

Aço

Quadro II.3 - Características das fibras

A vantagem na resistência duma fibra é especialmente importante em materiais que, como o boro e a grafite, têm grande rigidez elástica. Quando incorporada num material compósito com uma matriz dúctil, essa fibra suporta a maior parte da carga e é protegida contra fractura pela matriz circundante. Um exemplo é o composto Borsic-Alumínio, onde a fibra de boro tem alta resistência e rigidez com baixo peso, ao passo que a liga matriz alumínio confere ao composto ductilidade e tenacidade. Um comprimento contínuo da fibra de boro é inicialmente preparado por deposição da quantidade de boro sobre um fio de tungsténio de 10 µm. À fibra aplica-se então uma camada fina de carboneto de silício (SiC) para completar a produção de fibras Borsic. Finalmente, fibras Borsic alinhadas de modo adequado são embebidas por uma liga de alumínio ao seu redor. Durante o uso em temperaturas elevadas, a cobertura de carboneto de silício retarda as reacções indesejáveis entre o boro e o alumínio.

Fibras

Uma estrutura de fibra semelhante, mas em escala mais fina, pode ser produzida numa liga eutéctica, fazendo com que a fase mais resistente tome a forma de barras longas dentro da fase dúctil. O procedimento usado para esse fim é a solidificação unidireccional, na qual se faz solidificar lentamente a liga líquida numa direcção especificada (por exemplo, ao longo do comprimento duma lâmina de turbina de motor de avião a jacto). Os plásticos são mais resistentes, inclusive à distorção em temperaturas moderadas, quando reforçados com longas fibras de vidro (material compósito largamente usado nos cascos de barcos e em mobília moldada).

Estrutura da fibra

O osso e madeira (de base polímérica) são compósitos de fibra que ocorrem naturalmente em biomateriais. O osso obtém a sua resistência a partir duma matriz do mineral duro apatite (fosfato de cálcio) e a sua tenacidade a partir de fibras curtas da proteína colágeno.

Compósitos Naturais

M.T.03

Ut.02

Devido à importância da madeira como material estrutural, é um bom exemplo para ilustrar uma propriedade universal dos compósitos de fibra a anisotropia variação duma dada propriedade em função da direcção em que é medida. Se um pedaço de madeira for carregado em tracção na direcção longitudinal das fibras, a resistência é cerca de 10 vezes maior que para o carregamento na

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Estrutura dos Materiais: Fases e Composição

direcção radial. A rigidez elástica mostra uma anisotropia semelhante. A explicação desse comportamento está na natureza fibrosa da madeira, a qual pode ser vista de modo especialmente claro quando se corta uma tábua de uma árvore. As longas células tubulares são as células traqueóides, as quais são compostas de longos polímeros fibrosos de celulose ligados por uma resina natural, a lignina. As células traqueóides que se formam na Primavera (madeira primitiva) podem diferir em tamanho ou estrutura daquelas que se formam em posteriores estações do ano (madeira tardia). Essa diferença é visível na forma de anéis. As células traqueóides longitudinais são intertorcidas com raios (medulares) - células orientadas radialmente. Naturalmente, a estrutura celular é mais capaz de suportar uma carga longitudinal de que uma carga transversal.

Compósitos laminados Quando são necessárias boas propriedades em todas as direcções dum objecto plano, camadas finas dum material podem ser ligadas com um segundo material para formar um compósito laminado. Um exemplo bem conhecido é o aglomerado de madeira, no qual as camadas de madeira são empilhadas de modo que a direcção longitudinal fique em ângulos rectos em camadas adjacentes. Depois de colado com um polímero termoendurecível, o composto resultante tem propriedades isotrópicas no plano da placa do aglomerado. Quando um tecido (algodão, papel, mantas de fibra de vidro para fornos, asbestos, etc.) é usado como uma única camada, uma técnica semelhante de ligação produz os plásticos laminados. Estes têm a rigidez dum plástico e excelente resistência por causa do reforço dado ao tecido. Outros tipos de compósitos laminados empregam somente uma camada de um segundo material matriz ou criam mesmo um novo efeito. Um exemplo desse comportamento é a tira bimetálica, resultado da junção de duas chapas de metais que mostram diferentes expansões térmicas. Esse tipo de material compósito é a parte fundamental do controlador de temperatura do forno caseiro. Quando a temperatura aumenta, a maior expansão de um dos metais faz com que a tira venha reflectir elasticamente e a quebrar o contacto eléctrico. Um material compósito visto em muitas cozinhas é o aço inoxidável revestido com cobre (material utilizado, por exemplo, nas frigideiras). Uma simples camada de cobre no fundo de uma panela de aço inoxidável é suficiente para distribuir o calor da chama de modo mais uniforme, por causa da alta condutividade térmica do cobre.

Compósitos de partículas Já se considerou um exemplo desse tipo comum de material compósito no qual as partículas duras de poliestireno agem para reforçar a matriz de butadieno. A borracha dos pneus dos automóveis é, também, um desses compósitos. Neste caso, as partículas finas de negro fumo servem como fase reforçadora, e aumentam a resistência da borracha ao rasgamento e ao desgaste.

M.T.03

Ut.02

Os carbonetos de silício, permitem que os carbonetos duros (mas frágeis) sejam usados como ferramentas de corte, porque a matriz de cobalto (≈10%) confere a rigidez adequada a esse compósito. O compósito de partícula mais

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Estrutura dos Materiais: Fases e Composição

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comum é o betão, que consiste em partículas grossas (cascalho ou pedra moída), partículas finas (areia) e a matriz de cimento (usualmente derivada de cimento Portland). Os três constituintes sólidos são bem misturados com uma quantidade mínima de água necessária para obter a fluidez adequada. Depois de o betão ser aplicado e consolidado, o constituinte de cimento “cura” por reacção com a água (hidratação). Essa reacção, que também ligas as partículas de reforço, já terá começado após algumas horas, mas requer semanas, ou mesmo meses, para alcançar a resistência máxima.

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Estrutura dos Materiais: Fases e Composição

RESUMO Os diagramas de fases são uma ferramenta indispensável para o técnico ou o engenheiro que lida com materiais. Este tipo de diagrama fornece informação fundamental sobre os domínios de solubilidade dos constituintes da liga, a várias temperaturas. Sabendo as características de cada fase, é possível prever o comportamento do material quando solicitado numa aplicação específica. Os diagramas da fases permitem identificar eventuais transformações que uma dada liga pode sofrer, possibilitando uma utilização mais consistente dos materiais disponíveis. Existem vários tipos de transformação, cada um originando propriedades diferentes nas ligas: transformação eutéctica, peritéctica e monotéctica. No caso das ligas ferro-carbono, surgem dois tipos de ligas fundamentais: os aços e os ferros fundidos. Os aços apresentam uma percentagem de carbono em peso inferior a 2%, não sofrendo, por isso, a transformação eutéctica. Por outro lado, tanto os ferros fundidos como os aços sofrem uma reacção eutectóide.

M.T.03

Ut.02

Os diagramas de fase apresentam as fases constituintes de uma dada liga a uma dada temperatura, no caso de a liga ter arrefecido desde o estado líquido em condições de equilíbrio. No caso de arrefecimentos mais rápidos, os diagramas de fase também são úteis pois podem dar uma ideia do comportamento do material assim processado.

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Estrutura dos Materiais: Fases e Composição

ACTIVIDADES / AVALIAÇÃO

1. Embora o magnésio seja um material bastante leve, não é normalmente utilizado em veículos espaciais. Porquê? 2. Por que razão o diagrama de um só componente apresentado na fig. II.1 tem a designação de diagrama de fases ? 3. Se, na fig. II.1, P=1atm e T=800ºC, quantos graus de liberdade se podem utilizar mantendo o magnésio na fase sólida? 4. Indique duas diferenças entre o modo de solidificação de uma liga e de um componente puro. 5. Determine a temperatura liquidus, solidus e o intervalo de solidificação para a liga 40% de MgO (fig. II.4). 6. Para a mesma liga do exercício solicitado no ponto 5, indique as fases presentes a 2 600ºC, 2 300ºC e 1 800ºC. 7. Determine os graus de liberdade na liga do exercício solicitado no ponto 5, às temperaturas de 2 600ºC, 2 300ºC e 1 800ºC. 8. Qual a composção eutéctica da fig. II.5 (em %atomica de Cu)? Essa composição do líquido ocorre durante a solidificação de uma liga de 80% atómica de Cu? 9. O polietileno não pode ser tratado como um componente do mesmo modo que o cobre. Porquê? 10. Em termos de estrutura, a fase líquida é mais semelhante à fase gasosa ou a uma estrutura cristalina? 11. Que alteração ocorre na curva de volume vs. temperatura (durante o arrefecimento) na temperatura de transição vítrea Tg? 12. Qual o papel do Na2O e do CaO no vidro de cal de soda apresentado no quadro II.2? 13. Qual a diferença entre polímeros termoplásticos e termoendurecíveis? 14. Em geral, o mesmo material pode ser utlizado como refractário e como abrasivo. Quais as duas características comuns aos refractários e aos abrasivos?

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15. Porque é que os diagramas de fase são também designados por diagramas de equilíbrio?

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Estrutura dos Materiais: Fases e Composição

16. Por que é que a falta de equilíbrio é mais provável de ocorrer em reacções que envolvem fases sólidas do que em fases líquidas? 17. Qual a distinção fundamental entre ferro fundido e aço? 18. Explique porque é que uma chapa de madeira se quebra mais facilmente numa direcção?

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19. Que porção de um material compósito contribui mais para a resistência mecânica: a matriz ou o material de reforço?

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Transformações de Fase

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Transformações de Fase

OBJECTIVOS

No final desta unidade temática, o formando deverá ser capaz de:

•

Definir os objectivos e a importância das transformações de fase;

•

Explicar os fenómenos de solidificação;

•

Ler um diagrama TTT;

•

Estabelecer a diferença entre transformações isotérmicas e polimórficas;

•

Identificar as condições para um material ser tratável termicamente;

•

Explicar o objectivo de uma têmpera;

•

Explicar o objectivo de endurecimento por precipitação;

•

Explicar o objectivo de um endurecimento por dispersão;

•

Enumerar e caracterizar os vários tipos de tratamentos térmicos e os campos de aplicação;

•

Estabelecer a diferença entre os vários tipos de recozimento.

TEMAS

• •

Transformações de fase Transformações isotérmicas e polifórmicas

• Transformações isotérmicas • Transformações polifórmicas

•

Mecanismos de endurecimento

• • • •

•

Têmpera e revenido nos aços Endurecimento por precipitação Endurecimento por dispersão Outros mecanismos de reforço

Tratamentos térmicos

• Recozimento • Normalização • Patentagem Resumo Actividades / Avaliação

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• •

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Transformações de Fase

TRANSFORMAÇÕES DE FASE

A maioria dos materiais é sujeito a uma ou mais transformações de fase no curso de fabrico. Por exemplo, o aço é fabricado no estado líquido e sofre uma transformação para o estado sólido ao arrefecer até à temperatura ambiente. Um tratamento térmico envolvendo a formação de uma estrutura cristalina diferente pode ser efectuado com a finalidade de se aumentar a resistência, através de uma transformação de fase no estado sólido. Um aspecto importante das transformações de fase é a sua ocorrência indesejada durante a utilização dos materiais. Apenas um número muito reduzido de materiais é utilizado em condições de equilíbrio e, portanto, podem ocorrer transformações de fase de vários tipos com velocidade apreciável, caminhando para o equilíbrio. As transformações de fase indesejáveis são especialmente prováveis de ocorrer a altas temperaturas ou em ambientes corrosivos. Dos muitos exemplos que ocorrem diariamente, consideremos a situação de retirar uma garrafa de refrigerante do congelador. Inicialmente, o líquido não se altera, mas após uns momentos inicia-se a formação de cristais de gelo que se espalham rapidamente pelo líquido. O resultado final é uma mistura saborosa de gelo aromatizado e líquido enriquecido. Este exemplo de uma reacção líquidosólido ilustra três aspectos importantes das transformações de fase:

• • •

Congelação

existência de uma “força motriz” que incentivou a reacção do líquido, pois este estava abaixo do seu ponto de solidificação; a reacção de solidificação foi impedida por uma barreira de formação inicial (nucleação) de minúsculos cristais (núcleos) de gelo. A pequena agitação ajudou a ultrapassar essa barreira; uma vez que a nucleação foi alcançada com sucesso, os núcleos cresceram rapidamente e formaram a massa final de gelo.

Pode-se então concluir que existe a necessidade de uma força motriz para que se efectue qualquer transformação de fase.

TRANSFORMAÇÕES ISOTÉRMICAS E POLIMÓRFICAS

Transformações isotérmicas

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Consideremos o exemplo dos aços para melhor se ilustrar este tipo de transformações. Como se referiu, um aço pode ser endurecido por tratamento térmico. Se a fase estável austenite de um aço eutectóide (0.8% C) for arrefecida logo abaixo da temperatura de transformação em equilíbrio, ocorre uma transformação com difusão. Nesta transformação, o processo de crescimento envolve a reorganização da fase inicial em fases bem diferentes (ferrite e cementite).

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Transformações de Fase

A transformação da austenite num dado aço pode ser resumida convenientemente no diagrama TTT (tempo-temperatura-transformação) desse aço. O diagrama de um aço típico é ilustrado na fig. III.1(c). As curvas isotérmicas da fig. III.1(a) fornecem dados para construir um diagrama TTT. São utilizadas amostras de pequena dimensão, aquecidas por forma a se ter austenite uniformemente na amostra, pelo que são mantidas a 850ºC. As amostras são, então, arrefecidas numa fracção de segundo até à temperatura de transformação isotérmica (400ºC, no caso da figura). Após vários tempos de transformação, as amostras individuais são temperadas em água, polidas e examinadas ao microscópio, para determinação da percentagem de transformação ocorrida. Os tempos de início (3s) e fim (300s) da transformação são, então, lançados em gráfico ao longo da horizontal de 400ºC da fig. III.1(c), para ajudar a formar as curvas de início e fim que compõem todo o diagrama TTT. O diagrama TTT consiste em duas áreas, correspondentes a tratamentos de austenite arrefecida instantaneamente até uma temperatura onde a austenite é metaestável. Acima da temperatura Ms, a austenite sofre uma transformação com difusão para uma ou duas fases estáveis, a ferrite e a cementite. Existem várias regiões de transformação, como se ilustra na fig. III.1(c), mas uma característica comum é a curva de transformação isotérmica. Abaixo da temperatura Ms, a austenite transforma-se, sem difusão, para formar martensite. A quantidade de transformação aumenta com o sobrearrefecimento abaixo de Ms (fig. III.1b), mas, numa dada temperatura, a quantidade característica da transformação fica completa em cerca de 10-6s. Por exemplo, quando a austenite é temperada de 850ºC para 300ºC, forma-se 50% de martensite durante o arrefecimento entre a temperatura Ms e 300ºC. Se a amostra for mantida a essa temperatura, não se forma virtualmente nenhuma martensite adicional.

Diagrama ATT

Martensite

Se o conteúdo de carbono num aço for inferior ao valor eutectóide (0,8%C), ocorre uma reacção proeuctóide quando a austenite for arrefecida a cerca de 900ºC. No aço de 0.4% em peso de C (aço hipoeutectóide) da fig. III.1(c), a reacção proeutectóide produz a fase ferrite. Para conteúdos de carbono maiores que 0,8% (aços hipereutectóides), a cementite pode-se formar durante o arrefecimento como uma camada frágil nos contornos de grão da austenite original. Quando se temperam ferramentas de alto teor em carbono (brocas, facas, etc.), deve-se evitar a reacção proeutectóide. No tratamento térmico dos aços “hipo”, a ferrite proeutectóide pode formar uma rede de contornos indesejáveis se a taxa de arrefecimento for muito baixa.

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A transformação isotérmica da austenite em temperaturas na faixa de cerca de 350ºC a 550ºC produz o microconstituinte bainite. Tal como a perlite, a bainite é uma mistura de ferrite e cementite, mas, ao contrário do crescimento cooperativo das duas fases que ocorre na perlite, o crescimento é iniciado pela formação de placas de ferrite. A cementite forma-se, então, paralelamente às placas de ferrite ou no interior delas.

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Transformações de Fase

ecnologia Materiais Tecnolo gia dos Ma teriais Fig. III.1 - Curvas experimentais típicas de (a) transformação isotérmica, (b) transformação no arrefecimento utilizada para a construção do (c) diagrama TTT de uma aço

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Transformações de Fase

Como se ilustra no digrama TTT da fig. III.1(c), a dureza de um dado aço aumenta à medida que o produto de transformação se forma a temperaturas sucessivamente mais baixas. Uma causa importante desse comportamento, para além da diminuição dos espaçamentos entre as regiões de cementite, é o aumento correspondente da densidade de deslocações originadas por tempos de solidificação extremamente curtos.

Bainite

Transformações polimórficas Um exemplo de transformações polimórficas (muitas formas) é o ferro, o qual é ferro g (CFC) acima de 910ºC, mas é ferro a (CCC) abaixo dessa temperatura. Este polimorfismo no ferro leva, nas ligas Ferro-Carbono, a transformações úteis da austenite nas várias estruturas que envolvem a solução sólida a (perlite, bainite e martensite). Outros exemplos importantes de metais polimórficos são o urânio, o titânio e o zircónio. Embora o polimorfismo seja relativamente raro nos metais, é comum em compostos cerâmicos. Por exemplo, a sílica existe em sete formas diferentes.

Transformações Polifórmica

Outro exemplo importante de cerâmico é a zircónia. Este óxido tem um elevado ponto de fusão (2 700ºC), e é quimicamente inerte, sendo por isso um material atractivo para aplicações em cadinhos, permutadores de calor e bocais de vazamento de metal fundido. Entre a temperatura de fusão e 2 370ºC, a zircónia tem uma estrutura cúbica, entre 2 370ºC e 1 100ºC tem uma estrutura tetragonal e tem uma estrutura monoclínica abaixo de 1 100ºC. A transformação entre a estrutura tetragonal e monoclínica é realizada sem difusão (como a da martensite). Quando a forma monoclínica da zircónia é aquecida logo acima de 1 100ºC, inicia-se a transformação para a forma tetragonal. A extensão da transformação aumenta quando a temperatura aumenta até cerca de 1 200ºC, passando a zircónia completamente para a forma tetragonal. De modo semelhante, se a zircónia tetragonal for arrefecida abaixo de 1 100ºC, a transformação para a forma monoclínica ocorre na faixa de temperatura até 900ºC, quase independentemente da taxa de arrefecimento. Assim, um refractário feito de zircónia sofre uma transformação monoclínica-tetragonal cada vez que a sua temperatura passar de 1 100ºC, tanto no aquecimento como no arrefecimento. As duas formas polimórficas diferem em volume 7,5% e, portanto, a transformação repetida pode pôr em causa a estabilidade estrutural de um dado componente. Fase Monoclínica

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A solução deste problema envolve a estabilização da fase cúbica da alta temperatura pela adição de MgO ou CaO. O efeito destas adições é criar uma grande região de solução sólida cúbica, estendendo-se a temperatura bastante baixa, até 1 400ºC. Embora a fase cúbica seja instável a temperaturas mais baixas, podendo eventualmente transformar-se, essa transformação ocorre com difusão necessitando de um certo tempo. Seriam necessárias cerca de 10 horas, mesmo à temperatura que origina um tempo de transformação menor. Os refractários comerciais de zircónia estabilizada contêm cerca de 10%mol de CaO e consistem em ambas as fases, cúbica e monoclínica, à temperatura ambiente. A fase cúbica tem suficiente estabilidade para se desprezar a ocorrência de transformação em serviço normal. A presença da fase monoclínica aumenta a resistência ao choque térmico.

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Transformações de Fase

MECANISMOS DE ENDURECIMENTO

Em virtude da resistência adequada ser uma exigência primária da maioria dos

Endurecimento

materiais, são utilizados vários métodos para aumentar a resistência dos metais, polímeros e cerâmicos. O método mais comum é utilizar elementos de liga. Um exemplo no caso dos metais, é a adição de zinco ao cobre para formar latão. A presença de 30% em peso de zinco na solução sólida aumenta a resistência à tracção do cobre em cerca de 50%. Outro método de endurecimento muito utilizado é a deformação plástica permanente, como, por exemplo, a laminagem e a trefilagem. A resistência de muitos materiais, incluindo a dos compósitos, depende do pequeno tamanho das partículas ou fibras que reforçam a matriz.Uma grande vantagem do aumento de resistência através de uma transformação de fase relativamente a outros métodos, é o facto de que pode ser aplicado a um objecto inteiro. Por exemplo, um eixo de um automóvel pode ser maquinado no forma desejada enquanto o aço está macio. O tratamento térmico posterior pode então fazer o aço sofrer as transformações de fase que o endurecem e reforçam, enquanto que o eixo retém a sua forma original.

Têmpera e revenido nos aços O tratamento térmico nos aços, com a finalidade de aumentar a resistência, consiste habitualmente em duas operações. A primeira é a têmpera e a segunda é o revenido. Na primeira fase, o aço é aquecido até formar austenite e depois é arrefecido rapidamente formando-se martensite. Na segunda fase, a martensite formada é tornada mais dúctil, sendo aquecida a uma temperatura relativamente baixa. O ferro puro, não contendo carbono, não pode ser temperado por tratamento

Têmpera

térmico. Com o aumento do conteúdo em carbono, a martensite obtida através de uma têmpera adequada aumenta a dureza, como ilustra a fig. III.2. O conteúdo em carbono de um aço também determina a temperatura necessária para produzir a fase austenítica. Um aço com 0,4% de C em peso, se for aquecido logo acima de 733ºC, contém apenas 50% de austenite. Para obter 100% de austenite durante um tempo de aquecimento convenientemente curto, deve-se utilizar uma temperatura de cerca de 830ºC. Por outro lado, com aços de alto teor de carbono, a austenitização pode ser realizada a temperaturas um pouco acima da temperatura eutectóide. Essas temperaturas mais baixas têm a vantagem de manter um tamanho de grão pequeno da austenite e, também,

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reduzir a possibilidade de empenos e fissuras durante a têmpera do componente.

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Transformações de Fase

Fig. III.2 - Dados para ligas Ferro-Carbono mostrando o efeito do conteúdo de carbono na dureza da martensite e na temperatura para produzir a fase austenítica

O objectivo do tratamento térmico de revenido é diminuir a fragilidade da martensite e, também, aliviar o nível de tensões residuais internas produzidas pela contracção desigual da peça durante a têmpera. O revenido consiste simplesmente em tratar termicamente o aço temperado a temperaturas entre 100ºC e 700ºC, durante cerca de 1 hora, por cada 25,4 mm de secção, e depois arrefecer lentamente. Por exemplo, o revenido a 200ºC modifica completamente a martensite conferindo-lhe alguma ductilidade, mantendo quase o mesmo nível de dureza. O revenido a 400ºC decompõe a martensite numa mistura de partículas finas de cementite, numa matriz de ferro CCC. Este tratamento diminui significativamente a dureza, mas confere boa ductilidade.

Revenido

Endurecimento por precipitação Embora tanto o endurecimento do aço como o endurecimento por precipitação envolvam habitualmente dois tratamentos térmicos, os dois tipos de endurecimento são substancialmente diferentes. O primeiro tratamento térmico para o endurecimento por precipitação, o tratamento de solubilização, deixa a liga relativamente macia. Neste tratamento, o material é aquecido até uma temperatura alta para a dissolução de um ou mais elementos de liga e é, depois, temperado, para que estes elementos se mantenham em solução sólida. Esta situação contrasta com a de um aço em que os elementos, neste estado, conferem maior resistência ao material.

Precipitação

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O material solubilizado é, então, aquecido – tratamento de precipitação – o que permite que uma fase rica no elemento (ou nos elementos) de liga precipite a partir da solução sólida em condições controladas. Essa transformação endurece o material. No caso dos aços, o revenido tende a conferir maior ductilidade ao material.

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Transformações de Fase

A precipitação é um exemplo de transformação com difusão, e é capaz de endurecer qualquer metal ou cerâmico adequadamente ligado. Voltando ao caso dos aços, o endurecimento martensítico dos aços é actualmente o único caso em que o material endurece por transformação sem difusão. Um material em que é utilizado este tratamento de endurecimento por precipitação é nas ligas de alumínio. O alumínio, quando ligado com elementos tais como o cobre, silício e manganês, presta-se a este tratamento, resultando ligas com elevada resistência. As ligas Al-Cu constituem os duralumínios, cuja resistência é incrivelmente superior à do alumínio simples, que é utilizado, por exemplo, nos caixilhos das janelas. Estes materiais, também denominados ligas leves, têm aplicações onde a resistência é um factor preponderante, tal como nas jantes dos automóveis.

Duralumínio

Endurecimento por dispersão O endurecimento por dispersão de metais e cerâmicos é produzido por pequenas partículas de uma segunda fase, se o espaçamento entre partículas for, apenas, cerca de 100 Å. Ocorre então uma competição entre dois mecanismos para o movimento de uma deslocação ao longo do plano de escorregamento, contendo partículas da fase dispersa.

Dispersão

Quando o espaçamento entre partículas é grande, a deslocação pode-se arquear entre as partículas vizinhas, deixa de ser linha e passa a ser um anel em volta de cada partícula. A tensão de corte necessária a esse processo age contra a tensão da linha de deslocação e é proporcional ao inverso da distância. Quando o espaçamento entre partículas é suficientemente pequeno, a tensão necessária para passar entre as partículas do modo descrito é maior do que aquela necessária para as cortar. A distribuição das partículas finas, que provoca o endurecimento por dispersão, pode ser produzida por meio de precipitação ou aquelas podem ser misturadas mecanicamente com a matriz para formar um composto. Exemplo do último tipo são os pós de alumínio sinterizados e níquel com óxido de tório disperso (TD), que são constituídos, respectivamente, por partículas de alumina finas em alumínio e de óxido de tório.

Outros mecanismos de reforço Ordem-desordem

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Existem diagramas de fases especiais que levam ao endurecimento pela decomposição espinodal e por meio de transformações ordem-desordem. A decomposição espinodal dos vidros inorgânicos é um exemplo (fig. II.10). Um processo de endurecimento importante envolve a conversão de uma estrutura vítrea para uma estrutura predominantemente cristalina (vitro-cerâmica: pyrex) por meio de um tratamento térmico adequado. Para esse fim, são necessárias duas fases. Deve existir uma fase, em menor escala, com uma forte tendência para a cristalização, sob a forma de uma fina dispersão sobre a fase principal, que é uma fase relativamente estável. A separação de fases desse tipo pode ocorrer de diversas maneiras, mas a decomposição espinodal parece ser um mecanismo especialmente efectivo. No pyrex ilustrado no quadro II.7, a fase em menor escala é um vidro rico em ThO2. Depois de conformar o vidro na forma pretendida, aquece-se a peça para que se dê a nucleação da fase em menor escala, mas não na fase principal. Um aumento posterior da temperatura produz a cristalização da fase principal na imensidão de núcleos existentes, e resulta uma estrutura final de granulação fina e quase completamente cristalina.

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Transformações de Fase

O tratamento termomecânico é o uso combinado de trabalho mecânico e tratamento térmico para produzir estruturas de alta resistência impossíveis de obter por outro tipo de operação isolada. Um exemplo é o fio de aço patenteado, feito por meio de trefilagem a frio de um aço que tenha sido tratado termicamente para ter uma estrutura de perlite fina.

Tratamento Termomecânico

TRATAMENTOS TÉRMICOS

Para além da têmpera e revenido, existem tratamentos térmicos aplicados aos aços, cuja finalidade não é o endurecimento, mas a homogeneização da composição química e estrutura ou, ainda, o refinamento do grão. Estes tratamentos térmicos baseiam-se em transformações de fase, sendo fundamental para a sua realização uma análise cuidada do diagrama de fases Ferro-Carbono e das curvas TTT do aço em causa. Um aspecto importante nos tratamentos térmicos é a nomenclatura utilizada relativamente a temperaturas e linhas do referido diagrama, e que é a seguinte: A1

-

temperatura de transformação austenite <=> perlite

Temperaturas Típicas

A3

-

temperatura de transformação de ferro a <=> ferro g

A4

-

temperatura de transformação do ferro g <=> ferro d

Ac1

-

temperatura a que se inicia a transformação da perlite em austenite eutectóide, no aquecimento

Ac3

-

temperatura em que termina a transformação da ferrite em austenite, no aquecimento

Accm -

temperatura a que se completa a solução da cementite na austenite, no aquecimento

Actuando na composição química e na velocidade de arrefecimento, a partir da fase austenítica podem obter-se as diversas microestruturas que deverão ser seleccionadas de acordo com a utilização pretendida para o aço. Essas microestruturas podem ser obtidas por tratamento térmico que pode ser simples ou complexo, isto é, consistir numa operação ou série de operações durante a(s) qual(is) se sujeita o material a um ou mais ciclos térmicos. Tipos de Tratamentos

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Um tratamento térmico envolve condições iniciais como velocidade de aquecimento, temperatura atingida e manutenção desta, e condições que vão decidir a estrutura final como velocidade de arrefecimento, temperatura a que se processa a transformação pretendida e eventuais aquecimentos posteriores (fig. III.3).

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Transformações de Fase

Fig. III.3 - Esquema das condições de arrefecimento para diferentes tratamentos térmicos: 1) recozimento anisotérmico; 2) recozimento isotérmico; 3) têmpera martensítica; 4) têmpera por etapas; 5) têmpera isotérmica bainítica

Recozimento Este tratamento tem por fim restituir ao aço as características que foram alteradas por tratamento mecânico ou térmico anterior, regularizar as estruturas brutas de fusão, obter estruturas favoráveis à maquinagem ou deformação a frio, atenuar heterogeneidades ou, ainda, eliminar ou reduzir tensões internas.

Recozimento

Define-se recozimento como o tratamento térmico que consiste no aquecimento e manutenção a determinada temperatura, seguido de arrefecimento lento, através do domínio de transformação perlítica. Para que um recozimento seja correctamente efectuado, torna-se necessário atender aos seguintes factores: Aquecimento

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1. Aquecimento - A temperatura a atingir depende do tipo de recozimento a efectuar e da composição química do aço, particularmente do teor em carbono. Quando se realiza um recozimento com austenitização completa é necessário que a peça seja austenitizada em toda a secção. Se introduzirmos a peça à temperatura de austenitização para que ela fique austenitizada sem problemas, será necessário que ela tenha pequenas dimensões. Contudo, se a peça é de grandes dimensões e de perfil complicado, este processo pode conduzir a estados de tensões perigosos,

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Transformações de Fase

no interior da peça, devidos à diferença de dilatação entre o centro e a periferia da peça. Estas dilatações são consequência das diferenças de temperatura, pois a periferia atinge a temperatura do forno rapidamente em relação ao centro, verificando-se a transformação da perlite em austenite, em primeiro lugar, na periferia, e só posteriormente no centro. Estas variações de volume criam na peça um estado de tensão, que é tanto maior quanto maior for o teor em carbono do aço, ou seja, quanto maior é a transformação perlite-austenite. 2. Estado da superfície do aço - Influencia também o tempo de duração do aquecimento. Assim, se um aço apresenta superfícies brilhantes, a duração do aquecimento é duas a três vezes maior do que se tratar de superfícies rugosas. Tempo de Recozimento

4. Atmosfera do forno - A fim de evitar oxidações excessivas das superfícies das peças, ou mesmo descarburação do aço, torna-se necessário trabalhar numa atmosfera controlada ou protectora, ou sob vácuo, impedindo-se o acesso do oxigénio às peças introduzindo-as em caixas com um material protector (carvão, ferro fundido, cal).

Atmosfera

5. Arrefecimento - O arrefecimento deve ser lento, de modo a permitir uma transformação na estrutura final, gradual e completa. Para isso, deixa-se arrefecer as peças dentro do forno ou colocam-se em cal em pó, areia bem seca ou cinza, ou qualquer outro meio que assegure um arrefecimento lento. Este deve ser tanto mais lento quanto maior for o teor em carbono. Todavia, depois da transformação completa, cuja temperatura para a velocidade de arrefecimento considerada pode ser obtida do diagrama de arrefecimento contínuo, a peça pode arrefecer mais rapidamente, ou mesmo ao ar. Na prática, o arrefecimento mais conveniente consegue-se fechando as unidades de alimentação do forno e abrindo a porta até que se possa manusear o aço. Se se utilizar um forno contínuo, o aço é submetido gradualmente a regiões de temperatura cada vez mais baixas, podendo mesmo, no final, ser mergulhado em água, desde que as peças não sejam de elevada espessura, pois neste caso podem-se criar tensões internas.

Arrefecimento

Existem vários tipos de recozimento, que variam essencialmente nos tempos e temperaturas a que se sujeita o material, embora as propriedades finais do

Tipos de Recozimento

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3. Tempo de permanência à temperatura escolhida - O tempo deve ser o suficiente para que toda a estrutura inicial se transforme e dê uma solução sólida de austenite homogénea. Essa permanência não deve ser demasiada para evitar um crescimento de grão indesejável ou mesmo a queima do material, nem deve ser reduzida, pois a não-transformação da estrutura inicial prejudicará os tratamentos posteriores e a estrutura final. Estes processos envolvem mecanismos de difusão, pelo que necessitam de um certo tempo de manutenção. A duração deste estágio varia com a massa das peças, com a temperatura do tratamento, com o tipo de aço e com o estado inicial e final do material. O tempo de manutenção pode ser encurtado, desde de que, para tal, se utilizem fornos de sais em que a transmissão de calor se faz de um modo mais eficaz do que no caso de se utilizar fornos de mufla.

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Transformações de Fase

aço sejam completamente distintas. Existem três grandes grupos de tipos de recozimento, que a seguir se indicam, assim como as suas características principais. O Grupo I consiste nos recozimentos com homogeneização completa, sendo a temperatura atingida no aquecimento superior a Ac3 ou a Acm, para que se dê a austenitização completa. Dentro deste grupo, existem três sub-tipos de recozimentos: homogeneização, crescimento de grão e isotérmico. O recozimento de homogeneização, também chamado de difusão, tem por fim melhorar as propriedades das peças tratadas, à custa duma melhor distribuição em toda a massa dos componentes químicos ou dos constituintes estruturais. No recozimento de crescimento de grão, pretende-se dar ao material maior ductilidade, para que possa ser mais facilmente deformável. O aumento do tamanho de grão resulta dum aquecimento a temperatura elevada, desde que ultrapasse a temperatura de coalescência, dependendo do tempo de permanência a essa temperatura. O consequente aumento de tamanho de grão varia com o tipo de aço. No recozimento isotérmico, pretende-se reduzir notavelmente o tempo de ciclo de recozimento, por um lado e, por outro, obter microestruturas melhor definidas devido a um melhor controlo da distância interlamelar da perlite.

Homogeneização

No Grupo II englobam-se os recozimentos com austenitização incompleta, sendo a temperatura atingida entre Ac1 e Ac3. Neste grupo existem três sub-tipos de recozimento: globulização, afinação de grão e isotérmico com austenitização incompleta. Globulização

O terceiro Grupo engloba os recozimentos subcríticos, nos quais a temperatura atingida é inferior a Ac1. Dentro deste grupo destacam-se os recozimentos de restauração ou recuperação, de recristalização e de desgaseificação. Embora nos recozimentos subcríticos o aquecimento seja realizado a uma temperatura abaixo da zona crítica, seguido de arrefecimento a velocidade conveniente, são também considerados recozimentos, visto que a estrutura final é sempre mais estável.

Recuperação

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O processo de globulização baseia-se fundamentalmente num mecanismo de difusão controlada, que provoca o arredondamento e o crescimento dos grãos, já que não existe a austenitização completa. Este tipo de estrutura globulizada é útil nos aços para ferramentas (0,6 - 1,4% de carbono) e nos aços ligados, em que é necessário melhorar a sua maquinabilidade. Enquanto que os aços-carbono necessitam de globulização total (a presença duma pequena porção de estrutura lamelar influencia drasticamente a maquinabilidade), os aços de baixo teor em elementos de liga necessitam apenas de uma globulização parcial (50% de estrutura lamelar, 50% de estrutura globulizada). No recozimento de regeneração ou de afinação do grão, o aquecimento faz-se um pouco acima de Ac1, sem manutenção prolongada, seguindo-se um arrefecimento a velocidade conveniente, a fim de afinar ou regularizar o grão do aço. O grão final será tanto mais fino quanto o aquecimento e arrefecimento se sucederem mais rapidamente. Este tipo de recozimento permite aumentar significativamente a resistência de um aço sem diminuir a tenacidade (a têmpera aumenta a resistência mas torna o aço frágil).

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III . 12

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Transformações de Fase

O recozimento de recuperação ou de restauração tem como objectivo recuperar, pelos menos parcialmente, as propriedades físicas ou mecânicas sem modificar, aparentemente, a estrutura. Se as tensões no material não forem muito elevadas, o recozimento de restauração é suficiente para as eliminar, senão totalmente pelo menos parcialmente, reduzindo assim a possibilidade de rotura do material (alívio de tensões). Este tratamento é normalmente aplicado a aços deformados a frio, que contêm elevados níveis de tensões residuais devido ao trabalho mecânico neles exercido. No entanto, quando a deformação plástica sofrida pelo material, durante o trabalho a frio, é elevada, o tratamento de restauração não é suficiente para que o material readquira as suas propriedades anteriores. Neste caso, submete-se o material, também ou somente, a um tratamento de recozimento de recristalização. Este tratamento conduz o material a uma nova estrutura sem mudança de fase, obtendo-se uma melhoria da ductilidade e uma perda de resistência. Neste recozimento formam-se novos grãos à custa dos grãos deformados e a sua dimensão, após tratamento, varia com o tamanho de grão original e com a quantidade de trabalho a frio realizado antes do recozimento. O recozimento de desgaseificação consiste no aquecimento e conservação a uma temperatura inferior a Ac1, conveniente para que se libertem os gases contidos no metal, em especial o hidrogénio, através do aumento da sua velocidade de difusão. Apesar desta classificação atrás apresentada, existem termos técnicos comuns que completam a designação de recozimento, indicando o aspecto da superfície, sendo importante referi-los:

•

recozimento branco (brilhante): é efectuado em atmosfera controlada, de modo que a superfície se apresenta isenta de óxidos ou apenas com leve coloração;

•

recozimento negro: as condições ambientais levam a criar ou conservar, na superfície, óxidos negros e aderentes;

•

recozimento azul: é feito a temperatura e ambiente tais que uma superfície polida se apresente no final recoberta de uma película de óxido aderente de aspecto azulado e brilhante;

•

recozimento em caixa: operação feita num compartimento ou reservatório fechado em condições de minimização de oxidação.

•

recozimento duplo: quando se pretende obter um material com muito baixa dureza, fazem-se dois recozimentos: o primeiro, em geral, de regeneração e o segundo subcrítico.

Desgaseificação

Normalização

M.T.03

Ut.03

Este tratamento consiste no aquecimento de peças a temperaturas de 25 a 50°C acima da temperatura crítica de transformação Ac3 para os aços hipoeutectóides, seguindo-se o arrefecimento ao ar, após adequada manutenção da temperatura durante um certo tempo (fig. III.3). Com a normalização pretende-se alcançar uma estrutura homogénea e um grão fino, além da eliminação de irregularidades estruturais provocadas por tratamentos mecânicos a quente, e a eliminação de tensões residuais. A anisotropia devido à textura é consideravelmente reduzida, assegurando uma melhor reproductibilidade das propriedades.

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III . 13

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Transformações de Fase

Nas peças grandes, a normalização substitui por vezes o recozimento, para evitar que o arrefecimento muito lento dentro do forno dê lugar a um grão demasiado grosso. A microestrutura final dos aços não-ligados é constituída por perlite lamelar muito fina e grãos mais regulares do que os recozimentos de difusão. As características mecânicas são, portanto, superiores às do recozimento.

Normalização

Para alguns aços ligados, este tratamento permite uma estrutura de têmpera; são os chamados “aços de autotêmpera”, o que quer dizer que a velocidade de arrefecimento ao ar é demasiado rápida para se obter uma estrutura do domínio perlítico. Nestes casos, a estrutura ferrito-perlítica só se consegue com uma velocidade muito mais lenta (arrefecimento dentro do forno) ou por recozimento isotérmico.

Patentagem O tratamento conhecido sob o nome de “patentagem” não é mais que um recozimento isotérmico em que a temperatura do banho para esse fim é de cerca de 530°C, para um aço de 0,7% de carbono. Obtém-se uma microestrutura eutectóide, cuja perlite é muito fina e praticamente irresolúvel ao microscópio óptico. Este tratamento térmico aproveita as notáveis características de ductilidade e tenacidade das estruturas perlíticas finas. Consiste tipicamente numa austenitização completa, seguida de arrefecimento em banho de sais a uma temperatura que garanta a transformação completa da austenite numa perlite muito fina.

M.T.03

Ut.03

A resistência mecânica do aço, em geral aço-carbono ou carbono-manganês, de composição aproximadamente eutectóide, após este tratamento, não é ainda comparável à obtida por têmpera e revenido, mas o material tem uma óptima ductilidade.

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III . 14

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Transformações de Fase

RESUMO

O fenómeno de solidificação de um material é constituído por três passos fundamentais: a formação do embrião, a nucleação e a solidificação propriamente dita. As ligas solidificam de modo distinto dos materiais puros. Devido à existência do sobrearrefecimento constitucional, as ligas solidificam sob a forma de colunas e dendrites. O controlo e conhecimento das transformações isotérmicas permitem obter as propriedades finais pretendidas para um dado material, através de tratamento térmico. Um dado material pode ser processado no estado bastante dúctil e, após se obter a forma final da peça, efectua-se um tratamento de endurecimento, o qual pode ser uma têmpera e revenido (nos aços) ou um tratamento de solubilização e precipitação (no caso dos duralumínios).

M.T.03

Ut.03

Os tratamentos térmicos dos aços (tratáveis termicamente) permitem a obtenção de um aço com as propriedades mais diversas. Os tratamentos térmicos de recozimento, normalização e patentagem são os mais utilizados industrialmente.

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III . 15

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Transformações de Fase

ACTIVIDADES / AVALIAÇÃO

1.

Quais os três factores que controlam um processo típico de transformação de fase?

2.

Dê um exemplo mostrando que uma mudança polimórfica num material puro está relacionada a uma transformação de fases de uma liga baseada nesse material.

3.

Indique pelo menos quatro métodos de aumentar a resistência de vários materiais.

4.

Qual a principal finalidade de um tratamento de revenido de um aço temperado?

5.

Cite três mecanismos de reforço de materiais (excepto a têmpera e a precipitação).

6.

Qual a grande diferença entre um tratamento térmico de recozimento e um tratamento de normalização?

7.

Em que se baseiam os tratamentos térmicos? Todos os materiais são tratáveis termicamente?

8.

Qual a informação que se pode obter de um diagrama TTT?

9.

O que entende por martensite?

10. O que distingue a martensite da bainite? 11. O que entende por transformação polimórfica? 12. Quais as consequências de um tratamento de têmpera? 13. Se um aço está exposto a temperatura elevada durante muito tempo, qual o tratamento térmico a efectuar para reabilitar este aço? 14. Ao aumentar a percentagem de carbono num aço, quais as consequências em termos de têmpera? 15. Que tipos de recozimento existem?

M.T.03

Ut.03

16. Quanto à superfície como se podem classificar os recozimentos de um aço?

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III . 16

Propriedades Mecânicas

M.T.03 Ut.01

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Propriedades Mecânicas

OBJECTIVOS

No final desta unidade temática, o formando deverá ser capaz de:

•

Explicar os objectivos e a importância do conhecimento das propriedades mecânicas dos materiais;

•

Definir o conceito de tensão e aplicá-lo à selecção de um material;

•

Identificar deformação elástica, plástica e viscoelástica;

•

Explicar a importância de tensão de cedência e tensão de rotura;

•

Explicar o signifcado prático de módulo de Young;

•

Desenhar a curva típica de deformação de um aço, de um cerâmico e de plástico;

•

Distinguir o comportamento mecânico de um aço macio e um aço temperado, e relacioná-lo com as propriedades mecânicas;

•

Explicar o significado de coeficiente de encruamento;

•

Identificar o ensaio mecânico mais adequado para a selecção de um material numa aplicação específica;

•

Estabelecer a relação entre propriedades mecânicas e resistência ao desgaste.

TEMAS

• • •

Tensão e deformação Deformação elástica Deformação plástica

• Deformação viscosa e viscoelástica • Carácter de escoamento plástico

•

Ensaios Mecânicos

• Ensaios de dureza • Ensaios de fadiga • Ensaio de flexão transversal • Desgaste, desbaste e maquinagem Resumo Actividades / Avaliação

M.T.03

Ut.04

• •

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IV . 1

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Propriedades Mecânicas

TENSÃO E DEFORMAÇÃO

As propriedades mecânicas de um material influenciam determinantemente a sua aptidão para uma dada aplicação. Para melhor se compreender o que significa resistência mecânica, é útil o conhecimento dos fenómenos de deformação dos materiais. A não-deformação dos materiais parece descrever mais precisamente o comportamento de objectos materiais úteis, como uma cadeira, uma mesa e o piso sobre estes objectos. De facto, esses objectos robustos deformam-se um pouco à medida que são usados, mas essa deformação não é notada; cada um sofre uma deformação elástica. Pode-se demonstrar facilmente as características essenciais da deformação elástica usando uma fita elástica comum. Enrola-se uma fita de borracha num gancho suspendendo na outra extremidade um peso (talvez uma chávena) que faça a fita esticar-se moderadamente. Se o comprimento da fita de borracha for de 100 mm antes do carregamento e depois da chávena pendurada for de 150 mm, a deformação elástica é:

∆L

variação do comprimento

= comprimento original

150 - 100

= Lo

Deformação

= 0,5 (50%) 100

Se o peso das chávenas for duplicado (duas chávenas), a deformação é o dobro da anterior, ou seja, 100% em vez de 50%. Isto é, a deformação é proporcional ao peso (força aplicada). Quando se remover a força, a deformação desaparecerá e a fita de borracha retornará ao comprimento inicial. Esta experiência simples evidencia duas características principais da deformação elástica: a) a deformação é proporcional à tensão aplicada (força por unidade de área), e b) a tensão é recuperada quando a tensão é removida. A curva tensão versus a deformação para a borracha da fig. IV.1 mostra o comportamento elástico até uma deformação de cerca de 300%. Tensão

Embora os equipamentos e as estruturas sejam, na sua maioria, projectadas para operar dentro da faixa de comportamento elástico, as tensões podem, acidentalmente, elevar-se a valores muito altos (como numa colisão de automóvel). A deformação elástica pode ser seguida directamente pela fractura,

Resistência

M.T.03

Ut.04

Pode-se realizar uma experiência semelhante com um pedaço de aço com uma área da secção praticamente igual à da fita de borracha. (abrindo um clips de aço apenas na dobra central, tem-se uma amostra de aço com um gancho na extremidade). O peso de uma chávena provoca novamente uma deformação elástica, mas essa deformação é tão pequena (menos de 1 µm) que o olho humano não detectará. Deformações semelhantes e extremamente pequenas ocorrem durante o uso corriqueiro da maioria dos materiais estruturais. A curva tensão versus deformação da fig. IV.1 para o aço mostra comportamento elástico somente até uma deformação de 0,1%. A tensão correspondente é, no entanto, bastante grande e corresponde à colocação de 5 kg no clips.

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IV . 2

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Propriedades Mecânicas

como é mostrado pela curva tensão versus deformação para Al2O3 na fig. IV.1, representativa de materiais cerâmicos à temperatura ambiente. Do ponto de vista da segurança da operação, um comportamento mais desejável é a deformação plástica, ilustrada na fig. IV.1 pela deformação extensiva do aço antes da fractura. A deformação plástica (como um pára-choques amachucado dum automóvel) é permanente, ao contrário da deformação elástica, não sendo recuperável quando a tensão que provocou a deformação é removida.

Tensão nominal F/Ao, N/m2

20 (b) Aço macio 1,0 15

Deformação plástica

10

Deformação elástica

(c) Borracha natural cruzada (leia ↑→) 0,5

(d) Polimetil-metacrilato (ensaiado a122º C)

5

0

0

5

10

15

20

Tensão nominal ( F/Ao,N/m2(escala para borracha)

Deformação nominal ( ∆L/Lo) x 100, em % (escala para borracha) 0 200 400 600 800 25 x 107 1,5 x 107 Fractura (a) Al2O3

0 25

Deformação nominal ( ∆L/Lo) x 100, em %

Fig. IV.1 - Curvas de tensão de tracção vs. deformação, ilustrando quatro tipos de comportamento durante a deformação: (a) elástica; (b) plásticas (antecedida de elástica); (c) elastomérica e (d) viscoelástica.

Comportamento Elástico

M.T.03

Ut.04

Os materiais poliméricos exibem muitos tipos de comportamento pós-elástico, dependendo da sua composição e estrutura. Uma borracha reticulada, por exemplo, desvia da proporcionalidade entre tensão e deformação acima de uma deformação de 300%. A deformação nessa faixa é denominada elastomérica. Quando a tensão é removida, as deformações muito grandes envolvidas são totalmente recuperadas, porque as largas moléculas de polímero são reticuladas. Na ausência de ligações cruzadas, as cadeias podem deslizar umas em relação às outras e produzir deformação plástica. Os dados para o polimetilimetacrilato (Lucite) ilustram a deformação típica de um polímero amorfo. A curva tensão versus deformação seria significativamente diferente se a velocidade de carregamento fosse apreciavelmente mais rápida ou mais lenta. Essa é uma característica do comportamento viscoelástico, o qual envolve vários mecanismos, mas tem como característica uma dependência pronunciada da velocidade de carregamento e, também, da temperatura.

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IV . 3

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Propriedades Mecânicas

DEFORMAÇÃO ELÁSTICA Existem dois conceitos fundamentais na deformação elástica dos materiais: a definição de tensão e a definição de deformação. A causa física da deformação é sempre uma força F. Para tratamentos quantitativos, o seguinte conceito de tensão tem várias vantagens:

σ (tensão) = F/A

(IV.1)

Tensão

Não é somente a área A da amostra que se tem em conta, mas também as tensões, que podem representar adequadamente a “condição de solicitação” que existe nos vários locais do material. Esta definição de tensão permite comparar características dos materiais independentemente da geometria e dimensão. Por exemplo, se um varão de aço de 100 mm2 de secção solicitado pelos extremos suporta uma força de 100 kg, então um varão do mesmo material com uma secção de 1 000 mm2 suporta 1 000 kg. Embora tensão e deformação ocorram simultaneamente, os dois conceitos são diferentes: tensão é força por unidade de área e deformação é deslocamento. Mais exactamente, a deformação mede o deslocamento de pontos de um corpo em relação aos pontos vizinhos. Se toda a amostra se mover (deslocar) ao longo de uma mesa ou se um disco girar, não se produz qualquer variação na distância entre pontos do corpo; esses movimentos são conhecidos como “movimentos do corpo rígido”. Os movimentos globais dos pontos dum corpo podem ser decompostos em a) movimentos do corpo rígido e b) deslocamentos que dão lugar a mudanças de forma e dimensões. Muitos materiais tecnicamente importantes a temperaturas usuais (metais, cerâmicas, polímeros cristalinos, madeira) comportam-se elasticamente com tensões aplicadas relativamente pequenas. A deformação elástica é simples, porque a dependência do tempo é desprezível e a influência da temperatura está parcialmente incluído nas constantes que descrevem o comportamento dum dado material.

Deformação Elástica

A lei de Hooke descreve quantitativamente a relação linear entre as características de tensão e deformação da deformação elástica. A forma bem conhecida da lei de Hooke é σ = Eε para deformação à tracção (e à compressão); a constante de proporcionalidade E é conhecida como módulo de Young. Pelo facto de se pretender, em geral, calcular a deformação, essa equação é normalmente escrita como:

Lei de Hooke

(IV.2)

M.T.03

Ut.04

ε = σ/E

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IV . 4

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Propriedades Mecânicas

Para aplicações em aeronaves espaciais, onde a leveza é importante, o factor de projecto apropriado envolve a densidade: Rigidez Módulo de Young

Rigidez específica

=

 densidade

E

=

 = N.m/kg ρ

Com respeito a esse factor, o boro é superior ao aço numa relação de 190/25≈ 8, de acordo com os dados do quadro IV.1. Isso significa que a um elemento estrutural pode ser dada a resistência desejada à deformação elástica (rigidez) somente com um oitavo de peso de boro, em comparação a um projecto semelhante de aço. O compósito Borsic-Alumínio toma vantagem da alta rigidez específica do boro. Os compósitos que empregam grafite ou alumina em fibra oferecem uma vantagem ainda maior. Materiais

Módulo de Young

Rigidez específica

10 10 N/m2

10 6 N.m/kg

100 230 45 65 10 8 7 20 41

5 000 580 190 46 39 32 26 25 21

1 0.07 0.06 12 0,3 0,04

16 1 1 13 3 0,4

Grafite Alumina Boro Carboneto de Tungsténio Pyrex Vidro de Sílica Ligas de Alumínio Aço Tungsténio Madeira: longitudinal radial tangencial Ligas de Cobre Nylon Polietileno

M.T.03

Ut.04

Quadro IV.1 - Propriedades elásticas de materiais representativos, à temperatura ambiente

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IV . 5

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Propriedades Mecânicas

DEFORMAÇÃO PLÁSTICA

Em contraste com a simplicidade da deformação elástica, a deformação plástica ocorre de vários modos distintos. No entanto, o resultado final é sempre a deformação permanente. Um exemplo típico é a enformação duma peça da carroçaria dum automóvel, como o tecto. Nesse processo, uma potente bomba hidráulica dobra uma chapa plana de aço sobre os contornos duma forma maciça de aço adequada, chamada “matriz”. Quando a pressão é removida, a chapa de aço retém essencialmente a forma que foi dada pela matriz. Consegue-se o mesmo tipo de deformação plástica quando se dobra e se deforma permanentemente um clips de aço. Pode-se observar um tipo bem diferente de deformação plástica esticando um pedaço de película de polietileno, por exemplo, ou de embrulho plástico de alimentos. Sob deformação pequena e momentânea, a película comporta-se elasticamente, mas se se mantiver a mesma força por um tempo mais longo, ver-se-á a película plástica aumentar de tamanho. A deformação dum clips depende somente da tensão aplicada; a deformação dum plástico típico depende da velocidade e da duração da aplicação da força, assim como da tensão. Para entender essa diferença básica de comportamento, deve-se considerar primeiro a deformação dependente do tempo.

Comportamento Plástico

Deformação Viscosa e Viscoelástica Tomando como exemplo o caso do vidro, tem-se que este material possui um escoamento viscoso, sendo a taxa de deformação proporcional à tensão aplicada. A equação seguinte relaciona a tensão aplicada σ com a taxa de deformação dε/dt, para o escoamento viscoso newtoniano, dε/dt = σ/η

Deformação Plástica

(IV.3)

onde η é o coeficiente de viscosidade. Essa equação, com valores adequados de η, descreve a deformação duma larga variedade de materiais. Esta equação aplica-se, é claro, a virtualmente todos os líquidos, incluindo os metais líquidos, vidro líquido e polímeros fundidos típicos. No entanto, aplica-se também aos materiais sólidos sob certas condições, como de seguida se descreve. Comportamento Viscoso

M.T.03

Ut.04

O comportamento viscoso dum polímero é significativamente diferente daquele observado no vidro, por causa das diferenças na estrutura. O vidro de sílica tem a estrutura onde cada átomo está fortemente ligado na sua posição. As ligações individuais são ocasionalmente rompidas por energia térmica; na presença duma tensão aplicada, as ligações reformam-se com vizinhos diferentes, permitindo com isso a ocorrência de deformação permanente. Num polímero, contudo, o processo termicamente activado não é o rompimento duma ligação forte da cadeia, mas apenas a alteração do ângulo entre átomos de carbono da cadeia (deformação elástica) e o deslize de uma cadeia em relação aos seus vizinhos (deformação permanente). Consequentemente, quando uma tensão é aplicada a um polímero amorfo, a taxa de deformação resultante tem tanto uma componente elástica como uma viscosa.

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IV . 6

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Propriedades Mecânicas

Mesmo os materiais cristalinos, como o aço, podem deformar-se de maneira viscosa, mas apenas sob pequena tensão a temperaturas altas, próximas do ponto de fusão. Uma tensão muito baixa para produzir o escorregamento entre planos atómicos é capaz de influenciar na maneira como ocorre o movimento de deslocações, causando assim a lenta deformação conhecida como fluência. A fluência obedece à lei do escoamento viscoso e a taxa de deformação é proporcional à tensão durante a maior parte da deformação por fluência.

Tensão / Temperatura

No ensaio de tracção simples de um pedaço de embrulho plástico, a deformação de muitos polímeros está numa larga região de transição entre o comportamento perfeitamente elástico e o idealmente viscoso. Em temperaturas acima da transição vítrea Tg, a componente viscosa torna-se mais importante, e numa certa faixa de temperatura o termo “deformação elástica” escreve bem o efeito combinado dos dois mecanismos para determinar o comportamento observado. O comportamento viscoelástico é particularmente evidente nos polímeros amorfos, e, portanto, o tratamento seguinte focaliza principalmente esses materiais. Se a um material elástico é dada uma deformação instantânea ε e (após um tempo arbitrário) a tensão no material deformado for medida, a relação entre a tensão e a deformação é dada pelo módulo de Young. Este resultado é independente do tempo. Quando o mesmo tipo de experiência é realizado com um polímero vítreo logo acima da sua temperatura de transição vítrea, o módulo M(t) correspondente deve ser escrito como: M(t) = σ(t)/ε

Deformação Instantânea

(IV.4)

À medida que o tempo de ensaio aumenta, M(t) diminui gradualmente porque a tensão σ diminui quando o polímero altera gradualmente a sua estrutura interna em resposta à deformação constante ε.

Carácter de Escoamento Plástico Tensão de Cedência

M.T.03

Ut.04

Como ilustra a fig. IV.1, o comportamento global da deformação dum material é fornecido convenientemente pela sua curva de tensão versus deformação. Os materiais cerâmicos à temperatura ambiente, como a alumina, em geral mostram deformação plástica desprezável. Para aqueles materiais (metais e polímeros) que experimentam considerável escoamento plástico, os dois valores seguintes de tensão são importantes: a tensão de cedência - a tensão com a qual começa a deformação plástica - e a resistência à tracção - a tensão nominal máxima que uma amostra pode suportar antes da fractura. A tensão de cedência é especialmente significativa porque os equipamentos e estruturas devem, na sua maioria, operar na faixa elástica, e, portanto, a tensão com que a deformação plástica ocorre em primeiro lugar é um factor importante de projecto. Geralmente a definição mais usada para a tensão de cedência é a tensão de cedência de 0,2% de deformação plástica, ilustrada na curva de tensão versus deformação do aço temperado da fig. IV.2 a).

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IV . 7

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É traçada uma linha recta paralela à porção elástica da curva, mas dela

Resistência à Tracção

deslocada por 0,2% ao longo do eixo das deformações. A tensão de cedência é, então, definida como a tensão na qual a curva tensão versus deformação cruza a linha paralela à elástica pela origem, mas deslocada de 0,2%. Nalguns metais (como o aço macio, fig. IV.1) e em muitos polímeros (cristalinos, especialmente) a tensão diminui quando começa a deformação plástica, fig. IV.2 b).

Fig. IV.2 - Curvas tensão vs. deformação ilustrando o significado da tensão de cedência e resistência à tracção para dois tipos de comportamento à deformação

A resistência à tracção, como a tensão de cedência, aparece de modo diferente

Estricção

na curva tensão versus deformação para os dois tipos de material mostrados na fig. IV.2. Ela ocorre no fim da curva para a maioria dos materiais, mas coincide com a maior tensão nominal (força dividida pela área inicial) para os materiais que exibem o fenómeno de estricção ilustrado na fig. IV.3. Em ambos os casos, a resistência à tracção representa a maior tensão nominal que um material é capaz de suportar antes da fractura. Devido à importância dos materiais metálicos para estruturas maciçamente solicitadas, o método analítico ilustrado na fig. IV.3 é geralmente usado para aproximar a sua deformação

M.T.03

Ut.04

plástica.

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IV . 8

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Fig. IV.3 - Ilustração esquemática das características de um comportamento plástico

No quadro IV.2 estão representadas as propriedades mecânicas de alguns materiais. As constantes K e n são relativas à deformação plástica uniforme. O coeficiente n mede o aumento de resistência do material resultante da deformação aplicada. A resistência aumenta devido ao ancoramento das deslocações nas fronteiras de grão e nas impurezas do material. Como é necessária uma energia superior para continuar o movimento das deslocações, a resistência do material aumenta, ficando encruado.

Material

Aço macio recozido Aço com 0,6%C temperado e recozido Aço ligado laminado a frio Aço inoxidável Cobre, recozido Latão (70%Cu e 30%Zn) Alumínio recozido Liga de Alumínio endurecida por precipitação

Encruamento

Tensão de cedência

Constante K

10 7 N/m2

10 5 N/m2

21 52 65 60 6 8 4 31

50 127 110 128 32 90 18 70

Coeficiente de encruamento

0,28 0,15 0,14 0,45 0,54 0,49 0,20 0,16

M.T.03

Ut.04

Quadro IV.2 - Valores de tensão de cedência, constante K e coeficiente de encruamento para metais e ligas representativas

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IV . 9

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ENSAIOS MECÂNICOS

A resistência e a ductilidade de um dado material industrial variam bastante, dependendo dos detalhes da sua composição e tratamento. Os dados referentes a ensaios de tracção mostrados no quadro IV.3 podem servir de exemplo. Embora o nylon em forma de fibras extrudidas tenha alta resistência à tracção, este material não-extrudido tem resistência inferior a um décimo, mas alonga-se mais de 300% antes da fractura. De modo semelhante, a resistência dum aço não-temperado é apenas cerca dum terço daquela do aço temperado, embora a sua ductilidade seja maior por um factor de cerca de 5. Variações menos drásticas das propriedades ocorrem de lote para lote em materiais usados em operações de produção em massa, sendo empregados vários testes especializados para verificar se um dado lote está adequado para a fabricação e para o subsequente uso. Por exemplo, uma chapa de aço que vai ser usada na carroçaria dum automóvel pode sofrer um teste de estampagem quando um punção faz a chapa adquirir uma forma côncava. A severidade da estampagem é de tal forma determinada que um aço impróprio à operação industrial de enformação apresenta fissuras durante o ensaio. Material

Fibras de nylon Ligas de Titânio Plásticos reforçados com fibra de vidro Aço Temperado Ligas de Alumínio Alumina Poliestireno Madeira, longitudinal

Tensão de cedência

Elongação à fractura

Resistência específica

10 7 N/m2

%

10 3 N.m/kg

90 150 60 200 50 20 7 1

40 10 3 5 10 0 2 0,5

800 320 300 250 180 80 60 15

Quadro IV.3 - Resistência e ductilidade de materiais representativos, à temperatura ambiente

Ensaios de Dureza Uma vez que um dado tipo de material tenha sido caracterizado adequadamente e a sua performance num processo de enformação tenha si determinada, o ensaio de dureza pode servir como um controlo conveniente e barato para a produção rotineira. Um instrumento típico (fig. IV.4) usa uma carga conhecida para forçar um penetrador numa área plana e lisa do material a ser ensaiado.

M.T.03

Ut.04

Quando a carga é removida após um tempo fixo, cerca de 10 segundos, o mostrador indica o número de dureza correspondente à profundidade da penetração do penetrador. Pelo uso duma carga apropriada e de um tipo próprio de penetrador, pode ser obtida uma medida sensível de dureza para materiais

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IV . 10

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Propriedades Mecânicas

que vão desde polímeros macios até cerâmicos duros. A técnica do ensaio de microdureza permite um ensaio semelhante de microconstituintes individuais vistos ao microscópio. Uma classificação de dureza usada principalmente para minerais é a escala Mohs de dureza (quadro IV.4) - baseada na capacidade que tem uma substância dura de riscar outra mais mole. Por exemplo, o vidro comum riscará o ferro ou o cobre, mas uma lima de aço temperado pode ser usada para riscar vidro.

Mineral de referência

Número de Mohs 1

Talco

Gipsite Calcite

3

Fluorite Apatite

5

Fedspato Quartzo Topázio Corundum Diamante

6 7 8 9 10

Escala de Mohs

Exemplos típicos Chumbo Polietileno Poliproleno Alumínio Unha Cobre Clips Vidro de cal de soda Vidro de sílica Aço temperado

Carboneto de tungsténio

Quadro IV.4 - Escala de durezas de Mohs

M.T.03

Ut.04

Fig. IV.4 - Máquina de ensaios de dureza Rockwel

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IV . 11

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Propriedades Mecânicas

Quadro IV.5 - Escala comparativa dos vários ensaios de dureza

Ensaios de fadiga Uma condição comum de serviço (num eixo de automóvel, por exemplo) envolve muitas repetições ou reversões da tensão aplicada. A deformação plástica ocorre, então, apenas numa escala microscópica, mas leva eventualmente à fractura por fadiga. O parâmetro apropriado de projecto, a resistência à fadiga,

Fadiga

M.T.03

Ut.04

é obtido a partir de ensaios que simulam as condições de serviço.

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IV . 12

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Propriedades Mecânicas

Fig. IV.5 - Curva S-N típica obtida num ensaio de fadiga

Numa máquina típica de ensaios de fadiga, um corpo de prova especialmente preparado é sujeito a repetições dum ciclo pré-estabelecido de solicitações, com a tensão máxima alcançando um valor fixo S. O corpo de prova sofre fractura após um número N de ciclos. Quando são traçados os pares de valores (S,N), fig. IV.5, a curva para a maioria dos materiais aproxima-se a uma assíntota, o limite de fadiga. Abaixo dessa tensão, um corpo de prova pode suportar um número infinitamente grande de ciclos sem se romper. O limite de fadiga determinado por ensaios de laboratório é geralmente menor do que a tensão de cedência. Deve ser usado um valor ainda menor de tensão para fins de projecto por causa do efeito adverso da rugosidade superficial, de riscos ou de pequena corrosão da superfície.

Ensaio de flexão transversal Para materiais frágeis, a preparação e o ensaio adequado de corpos de prova de tracção são difíceis; mas é geralmente empregado um ensaio de flexão mais simples, porém menos preciso. O material (como uma cerâmica estrutural ou um carboneto sinterizado) é preparado na forma dum corpo de prova longo, com secção circular ou rectangular. O corpo de prova é suportado em dois pontos separados pela distância L e é carregado no centro ou próximo das

M.T.03

Ut.04

extremidades, como na fig. IV.6.

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IV . 13

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Propriedades Mecânicas

Fig. IV.6 - Dois tipos de carregamento utilizados em ensaios de flexão de barras longas de materiais frágeis

Na fórmula:

σmax = M . c/I

M é o momento flector máximo, c é a distância do centro do corpo de prova às fibras mais externas e I é o momento de inércia da secção. No carregamento de três pontos, a tensão máxima de tracção ocorre apenas nas fibras inferiores imediatamente abaixo da força aplicada. No carregamento de quatro pontos, a tensão máxima de tracção ocorre nas fibras superiores em toda a extensão entre os dois suportes. Em virtude da fractura tender a ocorrer na região de tensão máxima de tracção, o ensaio de carregamento em quatro pontos requer uma área maior do corpo de prova e fornece resultados mais uniformes. À medida que a força aumenta gradualmente durante o ensaio de flexão, os dados significativos obtidos são a deflexão máxima antes da fractura e o valor de σmax com o qual ocorre a fractura, conhecido como resistência à flexão ou módulo de ruptura.

Flexão

Desgaste, desbaste e maquinagem Quando se escreve com um lápis, está-se a fazer bom uso do fenómeno de desgaste. Em geral, desgaste é a perda de material a partir de superfícies deslizantes em contacto. Na sua maioria, os exemplos de desgaste são indesejáveis; por exemplo, o desgaste dos travões. Por outro lado, as lentes de óculos são desbastadas e polidas graças a processos de desgaste. Desgaste

M.T.03

Ut.04

O tipo mais importante de desgaste em componentes comuns é o desgaste adesivo, em que pequenas áreas de contacto sofrem deformação plástica e formam uma soldadura momentânea entre os dois materiais. Quando a soldadura é rompida pelo deslizamento, a fractura tende a ocorrer no material mais macio. Por essa razão, um material mais duro geralmente sofre menor desgaste que um material mais macio.

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IV . 14

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Exemplos de desgaste adesivo ocorrem nos travões de um automóvel. O eixo de aço do motor eléctrico do frigorífico é sustentado em cada extremidade por um casquilho, que consiste num disco duma liga macia como o bronze (90%Cu10%Sn), contendo um orifício central para o eixo de aço. Para reduzir o atrito e ajudar a remover os produtos do processo de desgaste, a maioria dos eixos é lubrificada com óleo. Os eixos dum frigorífico são excepcionais, pois neles há um fornecimento de óleo no metal poroso, especialmente preparado, do eixo; os eixos autolubrificantes desse tipo podem operar sem maior atenção à vida do motor. Os rubis do relógio são um exemplo do uso dum material cerâmico (Al2O3, neste caso) como eixos para metais. Por causa da sua elevada dureza, a taxa de desgaste dos eixos cerâmicos é baixa. Também, devido à dissemelhança de ligação nos metais e nas cerâmicas, a soldadura é minimizada, o atrito é pequeno e a lubrificação pode ser desnecessária. Os rolamentos de esferas e roletes diferem dum casquilho porque usam o princípio do atrito por rolamento. A sua principal desvantagem é o alto custo inicial.

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Ut.04

Os materiais poliméricos são empregados para resistir ao desgaste de várias maneiras. O nylon e o teflon são úteis como casquilhos porque são inertes a muitos produtos químicos. O teflon tem ainda a vantagem de ser capaz de operar sem lubrificante líquido, isto porque tem, em certas condições, um coeficiente de atrito menor que qualquer outro material. O teflon também é usado como uma mistura composta com pó de bronze. O desgaste erosivo descreve o desgaste produzido por partículas carregadas numa corrente líquida ou gasosa: o jacto de areia é um exemplo. Polímeros do tipo borracha são a escolha comum em aplicações que envolvam esse tipo de desgaste, pois são capazes de se deformar elasticamente com o impacto. Outras escolhas são materiais extremamente duros como o carboneto de tungsténio ou alumina.

Desgaste erosivo

O desgaste abrasivo - produzido pela acção de corte de partículas duras - é a base das operações de desgaste, como aquelas usadas na fabricação de óculos. As partículas abrasivas podem ficar fixas, como numa pedra de esmeril, ou livres, como numa suspensão líquida. Em qualquer caso, o abrasivo deve ser mais duro do que o material que está a ser desbastado e deve ser exercida uma força apreciável entre os dois materiais para produzir a acção de corte desejada. O abrasivo mais comum é a Al2O3 nalguma forma como o esmeril, que é AL2O3 impuro reforçado por Fe2O3 em solução sólida. Como foi mostrado no quadro IV.4, a alumina é muito mais dura do que ligas resistentes, como o aço temperado. O carboneto de silício (SiC) é ainda mais duro e é o abrasivo preferido para certas aplicações.

Desgaste abrasivo

Quando factores económicos justificam o uso de materiais mais caros, os chamados superabrasivos podem ser usados. O nitreto de boro cúbico tem o dobro da dureza do carboneto de silício. O diamante - o material mais duro que se conhece - pode ser usado de várias formas, incluindo o Compax - material composto de diamantes manufacturados e de carboneto de tungsténio.

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A maquinagem é a remoção de material a partir dum artigo manufacturado para produzir uma forma ou acabamento superficial. As operações mais conhecidas de maquinagem são aquelas executadas em metais, incluindo a fresagem, a furação e roscagem em máquinas especializadas. Num torno para metais, a peça a ser maquinada é girada e cortada pela ponta afiada da ferramenta. Se a ferramenta não deve sofrer desgaste excessivo pela abrasão, a peça deve ser muito mais macia do que o material da ferramenta. Um aço temperado é satisfatório para a maquinagem de aço macio, mas devem ser usados carbonetos sinterizados para ligas relativamente duras. Os materiais cerâmicos para ferramenta, tipicamente baseados em alumina e carboneto de tungsténio, também são amplamente utilizados para maquinar metais.

Maquinagem

M.T.03

Ut.04

Sabe-se que a maneira pela qual as aparas (material removido por maquinagem) são produzidas durante o corte de metais depende de factores vários, como a geometria da ferramenta. O carácter do material que está a ser cortado é, naturalmente, de importância básica; as aparas descontínuas desejáveis são facilmente obtidas de ligas com baixa ductilidade. A maquinabilidade de materiais mais dúcteis pode ser melhorada com a adição de elementos de liga adequados (chumbo no latão, enxofre no aço) ou com uma deformação preliminar a frio. Métodos não convencionais de maquinagem empregam descarga eléctrica, dissolução química ou electroquímica, jacto abrasivo, feixe electrónico ou feixe de laser como mecanismos para remover os materiais. Os métodos especiais são particularmente úteis para materiais cerâmicos por causa do perigo de danificação das superfícies cerâmicas com operações normais de maquinagem.

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RESUMO

A deformação elástica ocorre devido à aplicação de baixos níveis de tensão a um material. Esta deformação é sempre recuperável e, em geral, ocorre antes da deformação plástica. Quando um material fractura antes de deformar plasticamente significa que possui um tipo de fractura frágil. A deformação plástica é a deformação permanente dos materiais. Os metais e polímeros possuem, em geral, capacidade de se deformarem plasticamente, permitindo uma fácil enformação numa forma desejada. Os cerâmicos, os metais e polímeros vítreos não têm capacidade de se deformarem plasticamente, apresentando assim um comportamento frágil.

M.T.03

Ut.04

O comportamento mecânico de um material pode ser completamente previsto através da realização de ensaios mecânicos, tais como: ensaios de tracção, ensaios de dureza, ensaios de fadiga, ensaios de flexão e ensaios de desgaste.

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Propriedades Mecânicas

ACTIVIDADES / AVALIAÇÃO 1. Discuta a afirmação: o aço não é elástico, pois não pode ser esticado como a borracha. 2. É possível determinar a tensão dum corpo se não se souber a deformação correspondente? 3. As curvas de tensão vs. deformação, como as constantes da fig.VI.1, são geralmente determinadas pelo uso duma taxa de deformação 10-3 s-1. Se, por outro lado, fosse usado o valor l0-2, os resultados observados experimentalmente seriam apreciavelmente diferentes para a) módulo de Young E, b) deformação plástica de aço e c) deformação plástica de polietileno? 4. O que é mais importante num tubo de aço utilizado num chassi de uma bicicleta: a tensão de cedência ou a resistência à tracção? 5. O que indica o início da estricção num ensaio de tracção? 6. O valor de dureza de um material só é relacionado indirectamente com o seu comportamento à deformação. Porque que é que os ensaios de dureza são amplamente utilizados para controlo rotineiro dos metais a serem conformados, em vez do ensaio de tracção? 7. Que informações importantes sobre o material se podem obter de um ensaio de flexão? 8. Em que tipos de aplicações é necessário efectuar um ensaio de fadiga? 9. O que entende por fadiga de um material? 10. Dê exemplos de estruturas sujeitas a fadiga. 11. Qual a dependência das propriedades mecânicas com a temperatura? 12. No caso de ter de seleccionar um material para um utensílio de cozinha para ir ao forno, quais as propriedades a ter em conta? 13. Na selecção de um material para um travão de um automóvel, quais as propriedades a analisar?

M.T.03

Ut.04

14. Numa acção de desgaste, quais as propriedades mecânicas do material que influenciam o fenómeno?

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Comportamento Eléctrico, Magnético e Óptico dos Materiais

M.T.03 Ut.01

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Comportamento Eléctrico, Magnético e Óptico dos Materiais

OBJECTIVOS

No final desta unidade temática, o formando deverá ser capaz de:

•

Explicar os objectivos e a importância do comportamento magnético, eléctrico e óptico dos materiais;

•

Identificar as diferenças de comportamento dos vários tipos de materiais;

•

Identificar as grandezas mensuráveis destas propriedades;

•

Explicar a relação entre o valor da grandeza e o desempenho do material;

•

Seleccionar um material para uma dada aplicação conhecendo o seu comportamento.

TEMAS

•

Propriedades eléctricas e térmicas

• Condutividade eléctrica • Supercondutividade • Propriedades térmicas

•

Propriedades magnéticas

• Diamagnetismo e paramagnetismo • Ferromagnetismo

•

Propriedades ópticas

• Materiais ópticos Resumo Actividades / Avaliação

M.T.03

Ut.05

• •

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V.1

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Comportamento Eléctrico, Magnético e Óptico dos Materiais

PROPRIEDADES ELÉCTRICAS E TÉRMICAS

A maioria dos utensílios que contribuem para a vida moderna depende das propriedades físicas dos materiais, sendo especialmente importantes as propriedades eléctricas, magnéticas e ópticas. Um bom exemplo é a torradeira do pão, uma vez que ilustra a utilidade das mais diferentes propriedades eléctricas dos vários materiais. O potencial eléctrico de 220 V (volts), disponível na tomada da parede, é transmitido eficientemente ao aquecedor da torradeira através de dois fios de cobre. Se for colocado um voltímetro nas duas extremidades do elemento aquecedor, indicará a voltagem de 220 V. Esta diferença de potencial faz passar uma corrente eléctrica pelo elemento aquecedor, originando o seu aquecimento até chegar ao rubro, o que provoca o torrar das fatias de pão. A intensidade de corrente, I, em Amperes (A), é dada pela Lei de Ohm,

I = V/R

Lei de Ohm

(V.1)

onde V é a voltagem (ou diferença de potencial eléctrico) e R a resistência em ohms. Para calcular a corrente que passa pelo elemento aquecedor, é necessário saber qual a sua resistência, que depende da área da secção e do comprimento do fio do material (Nichrome V: 80%Ni-20%Cr em peso) e, ainda, da resistividade (r): R = ρ . Comprimento/área

(V.2)

Um valor típico é R=16 W. A corrente correspondente pode, então, ser calculada com base na equação anterior, tendo-se que I=13.75 A. O calor produzido por essa corrente (potência) é dado por:

VI = RI2 = 3025 J/s (ou Watts)

Resistência

Efeito de Joule

(V.3)

M.T.03

Ut.05

A equação da resistividade explica porque é que se utilizam materiais diferentes nos cabos condutores e no elemento aquecedor. O Nichrome V tem uma resistividade moderada e está na forma de um fio fino, de modo a produzir a elevada resistência desejada. Este material é também bastante resistente ao calor, ou seja, é um material que pode ser operado a temperatura elevada sem sofrer oxidação severa ou outro tipo de deterioração. O cobre tem baixa resistividade e, para além disso, a secção de fio escolhida é suficiente para transportar a corrente necessária ao aquecimento do elemento aquecedor. A resistência dos cabos condutores é de apenas 0.04 Ω.

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V.2

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Os materiais isolantes têm resistividades extremamente elevadas, comparadas às dos metais. Nos fios de cobre utiliza-se normalmente um isolamento de plástico (polímero), pois o fio de cobre trabalha à temperatura ambiente; no caso do elemento aquecedor, o isolamento é feito de material resistente ao calor, como a mica ou outro cerâmico isolante, uma vez que o elemento aquecedor atinge temperaturas elevadas.

Isolantes

Condutividade eléctrica As grandes diferenças de condutividade eléctrica, s, entre os vários tipos de materiais (fig. V.1) podem ser entendidas a partir da definição da condutividade devida a uma dada partícula carregada electricamente (como um electrão):

σ=cqµ

Condutividade Eléctrica

(V.4)

Na equação anterior, c é a concentração em partículas por m3, q é carga de uma partícula em Coulombs (C) e m é a mobilidade em m/s de uma partícula sob uma força motriz eléctrica unitária (campo eléctrico E de -1V/m). O sinal negativo aparece porque uma carga positiva move-se na direcção da voltagem decrescente.

M.T.03

Ut.05

Fig. V.1 - Dados de materiais representativos de vários tipos mostrando a grande variação da resistividade eléctrica com a temperatura. Os efeitos das temperaturas e das impurezas também são diferentes para cada tipo de material

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V.3

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O produto cqm é a quantidade de carga que passa pelo plano unitário de referência, em cada segundo, quando a força motriz eléctrica for -1 V/m. A densidade de corrente eléctrica é, então, cqu A/m2. Resistividade

A maioria dos electrões em substâncias não-metálicas comporta-se de modo bem diferente dos electrões de condução num metal. Essas substâncias são caracterizadas pelas faixas de energia completamente preenchidas ou completamente vazias. Os electrões de uma faixa preenchida não se podem mover para estados de maior energia, pois não existe nenhum estado disponível. Este facto faz com que os electrões não possam adquirir uma velocidade final, não podendo, por isso, exibir condutividade do tipo metálico. Outros mecanismos de condução eléctrica passam a ser os únicos disponíveis, mas a condutividade é menor em várias ordens de grandeza.

Não Metais

Os semicondutores têm estrutura de faixas pouco usuais, sendo a característica essencial o pequeno hiato de energia entre a faixa de valência e a faixa de condução. Como se explicou na unidade temática 2, os electrões e as lacunas são produzidos pela excitação térmica e provocam um aumento de condutividade (fig. V.1), como é o caso do Silício a cerca de 400 K. Abaixo desta temperatura, as impurezas residuais, mesmo no silício “puro”, contribuem para um efeito extrínseco. Dois aspectos importantes dos semicondutores extrínsecos são mostrados pelos dados do silício com fósforo (tipo n), na fig. V.1. À medida que a temperatura aumenta, desde cerca de 0 K, a condutividade aumenta devido à ionização crescente dos electrões doados pelos átomos de fósforo. Depois de terminada a ionização (perto da temperatura ambiente) a condutividade diminui porque a mobilidade dos electrões diminui com o aumento de temperatura. A temperatura suficientemente alta, 800 K, o comportamento intrínseco do silício começa a dominar o processo de condução.

Semicondutores

Vários polímeros orgânicos cobrem quase todo o espectro de condutividade eléctrica, incluindo os isolantes, os semicondutores, os condutores iónicos, os condutores electrónicos e até os supercondutores. Os isolantes poliméricos são da maior importância técnica, e a condução à temperatura ambiente devese ao movimento dos iões de impurezas, sendo extremamente pequena no polietileno, no poliestireno, etc. Na fig. V.1, são indicados valores típicos para o poliestireno-tereftalato. A mobilidade iónica aumenta rapidamente com o aumento da temperatura, o que origina o aumento de condutividade. Estes polímeros obedecem à lei de Ohm, mas podem ocorrer desvios marcantes com alguns

Polímeros

M.T.03

Ut.05

A equação anterior explica a grande variação de condutividade eléctrica (ou resistividade (r=1/s) exibida por classes diferentes de materiais. Em geral, predomina um dado tipo de partícula, como, nos metais, os electrões de condução, que dão a essa classe de materiais uma elevada condutividade característica, ou seja, baixa resistividade. Os electrões também participam da condutividade dos semicondutores, mas a concentração relativamente baixa dos electrões nesses materiais é o principal factor que faz com que a condutividade seja muito menor. Em cristais iónicos, como a alumina, a concentração de electrões de condução é tão baixa, que uma partícula diferente, um ião, se torna responsável pela condução. A mobilidade dos iões é tão baixa, que a condução eléctrica quase não existe, sendo esses materiais utilizados como isolantes.

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V.4

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materiais. No polipropileno, por exemplo, são produzidos portadores adicionais de carga quando aumenta o campo eléctrico. Neste caso, a condutividade aumenta com a intensidade de campo eléctrico.

Supercondutividade A resistividade eléctrica de certos metais e compostos puros diminui rapidamente para zero quando a temperatura atinge valores muito baixos, temperatura crítica (Tc), perto do zero absoluto. Este fenómeno de supercondutividade, embora possuindo enorme potencial técnico, tem tido pouca aplicação devido a duas contrariedades. A primeira é o custo de manter os dispositivos em temperaturas da ordem dos 10 K. A segunda é o efeito de campo magnético.

Supercondutividade

Muitas aplicações potenciais dos supercondutores (tungsténio puro, liga de Estanho-Nióbio - Nb3Sn) envolvem a sua capacidade de transportar correntes eléctricas extremamente grandes. Essa capacidade é limitada pelo campo magnético gerado pela própria corrente e pela interacção da corrente com um campo magnético aplicado. Os valores de corrente em que ocorrem mudanças significativas no comportamento de um supercondutor dependem muito da constituição do material. O endurecimento do material por precipitação, o trabalho a frio ou a irradiação com neutrões aumenta a corrente abaixo da qual o material se comporta como um supercondutor (corrente crítica). Aplicações interessantes de supercondutividade encontram-se em electromagnetos potentes e na transmissão de electricidade a longa distância.

Propriedades térmicas Quando um copo de vidro parte porque nele se introduz água muito quente, passa-se um fenómeno de dilatação térmica. Outras evidências comuns das propriedades térmicas são o aquecimento preliminar de uma jarra de chá (de modo a que o seu calor específico não arrefeça a água em ebulição) e, ainda, a dificuldade de beber chá ou café quente por uma chávena de alumínio sem queimar os lábios (devido à elevada condutividade térmica, típica dos metais). Em seguida, será considerada a natureza dos vários fenómenos térmicos em diferentes materiais. Calor específico - O calor específico à pressão constante, Cp, é definido pela equação: δp = Cp δT

Calor Específico

(V.5)

M.T.03

Ut.05

a qual especifica a quantidade de calor dp necessária para aumentar 1 K a temperatura de 1 grama-mol de material. O calor adicionado provoca alterações no material, tal como o aumento do número de defeitos de pontuais, sendo de maior importância o seu efeito nas vibrações da rede cristalina. A maioria dos materiais sólidos tem vibrações de rede semelhantes à temperatura ambiente, tendo aproximadamente o mesmo valor de Cp, cerca de 3R, onde R é a constante universal dos gases perfeitos (R=8,314 J/kg.mol). A temperaturas

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V.5

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extremamente baixas, o calor específico diminui gradualmente, aproximando-se de zero, quando a temperatura se aproxima de 0 K. Condutividade térmica - Quando existe um gradiente de temperaturas dT/dx num material, ocorre um fluxo térmico H (W/m2) de acordo com a Lei de Fourrier:

H = - k dT/dx

Condutividade Térmica

(V.6)

onde k é a condutividade térmica. Como a energia térmica se manifesta sob a forma de vibrações da rede, o processo de condução consiste na transferência de energia de vibração de uma região de temperatura mais alta (maior energia) para uma região de temperatura mais baixa. Quando as vibrações da rede são representadas por “partículas” (fonões), assume-se que essas partículas se comportam como os átomos de um gás e que obedecem à mesma equação de condutividade térmica, isto é: k = υλC/3

(V.7)

onde C é o calor específico por unidade de volume, υ é a velocidade dos fonões e λ é o comprimento de onda. Por exemplo, para um cristal não-metálico, como o germânio, a condutividade aumenta inicialmente com a temperatura até um máximo, e depois diminui porque as interacções entre fonões diminuem o caminho médio livre dos fonões, continuamente, com o aumento de temperatura. Os sólidos vítreos comportam-se de forma diferente, porque o valor de λ é determinado pela desordem estrutural das moléculas; consequentemente, λ é muito pequeno, sendo insensível a variações de temperatura. Nesses materiais, k aumenta continuamente com o aumento de temperatura; mas, à temperatura ambiente, a condutividade térmica é ainda menor do que o valor de um sólido não-metálico cristalino em cerca de 10x. (quadro V.1). Devido à condutividade térmica ser baixa nos gases, a presença de bolhas de ar (como nos materiais porosos: espumas, cortiça, etc.) ajuda a produzir propriedades térmicas isolantes. Condutores Térmicos

M.T.03

Ut.05

Nos metais, os electrões de condução fornecem um mecanismo alternativo de condução térmica, possuindo estes materiais valores distintos de condutividade térmica. Os electrões adquirem a energia de um fonão de alta energia, levam-na para uma zona mais fria da amostra, transferindo-a, assim, para a região de mais baixa energia. Mesmo num bom condutor eléctrico como o cobre, os fonões são responsáveis por parte da condutividade térmica. Num condutor metálico de baixa condutividade, como um aço com bastantes elementos de liga, as contribuições dos electrões e dos fonões são semelhantes.

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V.6

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Material Cobre Óxido de Berílio (BeO) Alumínio Grafite Carboneto de Tungsténio (WC) Aço Nitreto de Boro (BN) Alumina (Al2O2) Vidro pyrex Kovar (54%Fe, 29%Ni, 17%Co) Vidro de cal de soda Polietileno Borracha Espuma de poliuretano Invar (64%Fe, 36%Ni)

Condutividade térmica

Cef. Expansão Térmica

k, (W/m.K)

α, (10 -6 K -1)

390 250 200 150 80 50 28 17 1,2 15 0,8 0.3 0,1 0,05 11

18 10 25 2 7 12 8 7 3 5 9 300 670 90 1

Quadro V.1 - Condutividade térmica e expansão térmica para alguns materiais à temperatura ambiente

Expansão térmica - Com alguma falta de verdade, pode-se assumir que a alteração de comprimento de um material originada pela variação de temperatura é, simplesmente, dada por: ∆l/l = α ∆T

Expansão Térmica

(V.8)

onde α é o coeficiente de expansão linear. Como mostram os dados do quadro V.1, vários materiais exibem expansões térmicas bastante diferentes. Um exemplo de aplicação útil dessa diferença é a fita bimetálica que activa o termóstato dos sistemas de aquecimento. Em geral, uma fita duma liga de cobre e uma fita de Invar são unidas para formar uma fita bimetálica. Se uma das extremidades da fita for fixa, a outra curvar-se-á apreciavelmente devido à maior expansão da liga de cobre quando a temperatura aumenta. Tensões Térmicas

M.T.03

Ut.05

Quando dois materiais diferentes são unidos, as diferenças de coeficiente de expansão térmico podem produzir tensões suficientemente grandes para provocar a fractura. Um exemplo é a união de metal com vidro, como é o caso do fio metálico no interior de uma lâmpada. Se fosse utilizado cobre, a sua contracção térmica, que é maior que a do vidro, produziria tensões mecânicas tão altas durante o arrefecimento na operação de fabrico da lâmpada, que o vidro se partiria. Algumas ligas especiais, como o Kovar, foram desenvolvidas para aglutinar as características de expansão de vários vidros comerciais. Os dados do quadro V.1 mostram que o Kovar é especialmente adequado para a união com o pyrex.

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V.7

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PROPRIEDADES MAGNÉTICAS O magnetismo é um fenómeno que resulta da corrente eléctrica. É extremamente importante na indústria (computadores e motores eléctricos), nas telecomunicações (telefone, rádio e televisão) e no lazer (gravadores, gira-discos, colunas, etc.). O efeito magnético essencial pode ser bem visualizado numa bobina magnética (fio enrolado em hélice para transportar corrente eléctrica). Se a corrente passar uma bobina helicoidal, então a relação entre a corrente eléctrica e o campo magnético (no interior da bobina) é simples. A intensidade de campo magnético, H, é definida como o produto da corrente em amperes pelo número de voltas por metro de bobina. Por exemplo, uma corrente de 10 A que passa por uma bobina com 100 voltas gera um campo magnético de H = 103 A.voltas/m.

Diamagnetismo e paramagnetismo Os efeitos magnéticos nos materiais originam-se nas correntes eléctricas muito pequenas, associadas com os electrões em orbitais atómicas. Em materiais diamagnéticos, fig. V.2, as numerosas correntes no interior de um átomo cancelam-se, levando a um magnetismo nulo na ausência de um campo magnético externo. Nos materiais paramagnéticos, os átomos individuais possuem momentos magnéticos, mas as suas orientações ao acaso resultam em magnetização nula para um grupo de átomos. A maioria dos materiais é diamagnética ou paramagnética, podendo ser considerada não-magnética para quase todas as aplicações.

"Não-Magnetismo"

M.T.03

Ut.05

Fig. V.2 - Ilustrações esquemáticas das origens atómicas dos quatro tipos de comportamento magnético, sem campo magnético externo presente

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V.8

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Comportamento Eléctrico, Magnético e Óptico dos Materiais

Ferromagnetismo A causa da grande magnetização em poucos materiais é o alinhamento espontâneo dos momentos magnéticos atómicos. O ferromagnetismo, fig. V.2, corresponde ao alinhamento paralelo e o ferrimagnetismo corresponde ao alinhamento não-paralelo dos componentes opostos de um domínio. Se ocorrer o cancelamento entre domínios vizinhos, a magnetização resultante pode ser nula. Os materiais ferromagnéticos são o ferro, o níquel, o cobalto e algumas ligas. A resposta destes materiais a um campo magnético é cerca de 109 vezes maior do que a das substâncias diamagnéticas e paramagnéticas.

Ferromagnetismo

PROPRIEDADES ÓPTICAS

As propriedades são bastante utilizadas em equipamentos de uso comum. Por exemplo, uma bateria solar em que a luz do sol incide sobre um semicondutor e gera uma corrente eléctrica; num ecrã de televisão, os electrões atingem uma camada de ZnS e produzem luz; a luz do sol ilumina um quarto através da janela. Os três exemplos são fenómenos de comportamento óptico de um material, definido como a interacção mútua de radiação electromagnética e electrões. Embora se pense que os materiais “ópticos” são os vidros (ou plásticos) utilizados para transmitir luz visível, a faixa de espectro electromagnético varre desde comprimentos de onda maiores do que 105 m (ondas rádio) até menores que 10-14 (raios X e raios g). Radiação

Os portadores adicionais de carga resultantes da fotoexcitação (luz) explicam o fenómeno da fotocondutividade. A energia térmica produz electrões de condução num semicondutor (mesmo que a amostra esteja no escuro). Como os fotões de luz provocam transições electrónicas adicionais, uma amostra iluminada tem maior densidade de portadores de corrente e, portanto, maior

Luz

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Ut.05

As ondas rádio de comprimento de onda longo são capazes de passar por portas e janelas com pouca perda de intensidade, porque os materiais de construção têm ligação covalente e iónica. Se um receptor de ondas rádio for colocado numa sala construída apenas de metal, nenhuma onda alcançaria o receptor: as ondas seriam absorvidas. Os electrões livres da ligação metálica podem absorver os fotões de um sinal rádio, movendo-se para um estado de energia um pouco superior. Esse processo reduz rapidamente a intensidade das ondas rádio para zero. À medida que o comprimento de onda da radiação electromagnética diminui para o espectro visível (próximo de 10 -6m), a excitação electrónica continua a tornar os metais bons absorventes, pelo que são impenetráveis à luz visível. Por outro lado, os isolantes eléctricos, como o vidro, são transparentes no espectro do visível, assim como na faixa rádio, mas absorvem numa faixa intermédia próxima de 10-5 m, o espectro infravermelho. Em virtude dos semicondutores possuírem hiatos da faixa de energia de cerca de 1 eV, comportam-se opticamente como isolantes para comprimentos de onda cujos fotões tenham energia inferior a 1 eV -comprimentos de onda na região do infravermelho, ou maior. No comprimento de onda de 10-6 m, estes materiais absorvem fortemente a radiação porque os electrões são excitados da faixa de valência para a faixa de condução.

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Comportamento Eléctrico, Magnético e Óptico dos Materiais

condutividade. O sulfato de cádmio, CdS, é um fotocondutor comercial típico utilizado em dispositivos de medição de luz. O aumento do número de portadores de carga é utilizado nas baterias solares de forma diferente: quando ocorre a fotoexcitação, os electrões e lacunas adicionais são levados em direcções opostas para fora da camada esgotada e produzem uma corrente eléctrica. Deste modo, a energia da luz do sol é convertida directamente em energia eléctrica. A energia incidente num material, seja radiação electromagnética ou electrões, é reemitida por certos materiais. A luminescência é a reemissão de energia com comprimentos de onda do espectro do visível ou próximo dele. Se a emissão ocorrer instantaneamente, o fenómeno é chamado de “fluorescência”. O exemplo é o brilho da pintura fluorescente quando iluminada com luz negra na porção ultravioleta do espectro. A fosforescência é a forma mais útil de luminescência, pois a radiação é emitida com atraso, cuja duração varia bastante de um fósforo para outro. A operação de um ecrã de televisão depende da excitação electrónica do fósforo sulfato de zinco, ZnS, adequadamente dopado com cobre.

Luminiscência

Materiais ópticos Transmitância

O vidro é o principal material óptico na faixa do visível, estando disponíveis centenas de composições e qualidades. Algumas das principais vantagens do vidro são a resistência à deterioração, a aptidão para se obterem lentes e a estabilidade das propriedades ópticas. Um grande número de plásticos possui alta transmitância para aplicações ópticas, mas apresenta a desvantagem de terem várias instabilidades. Como são macios, riscam com facilidade, alteram as propriedades ópticas durante o uso e, também, são difíceis de maquinar. No entanto, as lentes plásticas podem ser feitas por moldação, em vez de polimento. A vantagem dos plásticos está também no facto de não estilhaçarem e no seu peso, o que os torna ideais para óculos de protecção e segurança.

Vidro

As minúsculas fibras de vidro podem servir para transmitir informação técnica pelas técnicas das fibras ópticas. A luz que entra numa extremidade da fibra é transmitida ao longo da mesma, com pouca perda, através da superfície. A luz sofre reflexão interna total na superfície cilíndrica. Uma fibra óptica pode ser usada para transmitir sinais modelados de luz de maneira análoga à transmissão de sinais eléctricos por uma linha telefónica ou um cabo de TV.

Fibra de vidro

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Ut.05

Muitas propriedades são desejáveis em materiais para dispositivos ópticos, mas a mais importante capacidade é a de transmitir luz. A transmitância percentual é definida como a percentagem de um feixe inicial de luz que se mantém após passar através de 10 mm de um material. Como a transmitância está inversamente relacionada com a absorção, varia também, significativamente, com o comprimento de onda (fig. V.3).

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Fig. V.3 - Comparação da transmitância para três tipos de materiais ópticos comerciais

O vidro deve ser substituído por outros materiais em instrumentos que empreguem luz ultravioleta, porque a transmitância do vidro cai sensivelmente para comprimentos de onda de cerca de 4 mm. Os monocristais de quartzo e de fluoreto de cálcio permitem operação até um comprimento de onda apreciavelmente menor, mas são caros e de difícil fabricação. As cerâmicas policristalinas ordinárias são inadequadas para fins ópticos, porque o feixe de luz é espalhado nas interfaces internas. Os polímeros vítreos, que são opticamente isotrópicos e geralmente

Polímeros Vítreos

transparentes, estão sujeitos a mudar ambas as propriedades. Se ocorrer cristalização, a transmitância diminui radicalmente e o material passa a ser opaco. O apelo estético de materiais coloridos leva à coloração artificial extensiva, para não mencionar os acabamentos superficiais fornecidos por pinturas e revestimentos óxidos coloridos. Alguns materiais como o cobre (vermelho) e o sulfato de cádmio (amarelo) possuem uma cor intrínseca devido aos seus espectros de absorção característicos. Outros materiais recebem coloração uniforme através de dois mecanismos: uma impureza solúvel ou uma tintura

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finamente dispersa.

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RESUMO

O comportamento físico dos materiais é descrito pelas propriedades térmicas, eléctricas, magnéticas e ópticas. A maioria destas propriedades é determinada pela estrutura atómica, arranjo atómico e estrutura cristalina. A conductividade eléctrica é especialmente sensível à ligação e estrutura atómica e ao modo de processamento do material. Os metais possuem uma elevada conductividade, a qual diminui com o aumento de temperatura ou com a introdução de elementos de liga e imperfeições na rede. Os semicondutores e os isoladores possuem baixa conductividade devido à sua natureza iónica ou covalente. No entanto, a sua condutividade pode aumentar a temperaturas elevadas, através da introdução do tipo certo de imperfeições. As propriedades magnéticas estão relacionadas com a capacidade de um material reter a magnetização. Existem três tipos de materiais, os quais reagem de modo distinto a um campo magnético imposto: ferromagnéticos, diamagnéticos e paramagnéticos.

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As propriedades térmicas e ópticas de um material dependem das interacções entre radiação ou energia e a estrutura ou arranjo atómico. É possível influenciar estas propriedades modificando os arranjos atómicos, por alteração da composição ou processando o material.

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ACTIVIDADES / AVALIAÇÃO

Comente a seguinte afirmação: “A lei de Ohm só é valida para os condutores metálicos”.

2.

Qual o mecanismo da condução eléctrica num isolante como a alumina? E num semicondutor como o silício?

3.

A que se devem as enormes diferenças de condutividade eléctrica nos materiais?

4.

Quais os dois factores que fazem o café quente arrefecer mais rapidamente numa chávena de parede fina do que numa chávena de parede grossa?

5.

Qual a diferença entre um material diamagnético e um ferromagnético, quando submetidos a um campo magnético?

6.

Indique três fenómenos que não envolvam o espectro do visível.

7.

Explique o significado da Lei de Ohm.

8.

Qual a importância do efeito de Joule?

9.

Explique resistividade. Quais os materiais com maiores resistividades eléctricas e térmicas?

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1.

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Deterioração dos Materiais

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Deterioração dos Materiais

OBJECTIVOS

No final desta unidade temática, o formando deverá ser capaz de:

•

Explicar os objectivos e identificar a importância da deterioração dos materiais no momento da selecção;

•

Identificar os metais mais susceptíveis à corrosão;

•

Identificar os materiais resistentes à corrosão;

•

Explicar o fenómeno da corrosão;

•

Mencionar os vários tipos de corrosão;

•

Caracterizar os mecanismos de deterioração dos cerâmicos;

•

Explicar os mecanismos de deterioração dos polímeros;

•

Enunciar medidas para diminuição da deterioração dos materiais.

TEMAS

•

Corrosão de metais e ligas

• • • •

•

Base electroquímica da corrosão Processos de Corrosão Oito tipos de corrosão Os metais resistentes

Deterioração de cerâmicos

• Reacção dos componentes Deterioração de polímeros Resumo Actividades / Avaliação

M.T.03

Ut.06

• • •

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CORROSÃO DE METAIS E LIGAS

A deterioração dos materiais é um fenómeno sempre presente no nosso dia--adia. Este problema afecta grandemente as economias dos países, pois exige elevados custos de manutenção, reparação e, eventualmente, de substituição. Exemplos típicos de deterioração de materiais são: a ferrugem que aparece nos automóveis (apesar das pinturas protectoras), os componentes de madeira das casas (embora sejam pintadas e envernizadas), e mesmo os passeios de cimento sofrem deterioração tendo de ser substituídos, pois começam a aparecer fendas. A deterioração dos materiais pode ser combatida com mais eficácia se forem conhecidos os mecanismos pelos quais ela se desenvolve. Estes mecanismos são, em geral, reacções químicas e podem ser classificados em três tipos de reacções:

• • •

reacções químicas locais, característica dos polímeros e cerâmicos; reacções electroquímicas em ambiente líquido (corrosão); reacções electroquímicas a alta temperatura (oxidação a altas temperaturas).

Uma reacção electroquímica difere duma reacção química normal pelo facto de passar uma corrente eléctrica, numa distância considerável, no sistema que sofre reacção. Pode-se facilmente encontrar muitos exemplos de corrosão, bastando, para isso, examinar um automóvel, uma bicicleta ou outros objectos metálicos típicos, expostos ao tempo. As gigantescas colunas de aço duma plataforma oceânica de prospecção de petróleo sofrem corrosão em três áreas diferentes; a porção inteiramente imersa na água do mar, a porção exposta à atmosfera e a porção crítica na zona intermediária das ondas, que fica periodicamente em contacto com a água do mar. A escolha da protecção à corrosão para cada uma dessas três áreas (protecção catódica, pintura e cobertura de sacrifício, respectivamente) depende do fluxo de corrente eléctrica no metal, que é a causa da corrosão.

Base Electroquímica da Corrosão Os efeitos eléctricos associados com as reacções químicas afectam o dia-adia de muitas maneiras, inclusive os processos biológicos, a operação de baterias, a produção de electricidade com células de combustível e a corrosão dos metais. Quando a corrosão ocorre, o metal que está a ser atacado é parte duma célula electroquímica. Considere-se a fig. VI.1, a qual representa uma célula electroquímica composta por: um ânodo (o ferro); um cátodo (digamos, o cobre); uma solução condutora envolvendo tanto o ânodo como o cátodo; um fio (ou outro condutor externo) ligando o ânodo e o eléctrodo.

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• • • •

Célula Electolítica

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O resultado essencial da operação da célula (como uma bateria) é o fluxo de electrões através do fio, a partir do ânodo para o cátodo. Os electrões, e-, têm origem na reacção química no ânodo:

Reacção Anódica

Fe → Fe++ +2e-

(VI.1)

Fig. VI.1 - Ilustração esquemática dos dois processos que ocorrem nos eléctrodos de uma célula electroquímica e que estão envolvidos na corrosão do ferro numa solução ácida

Essa reacção também representa a corrosão do ferro metálico (Fe) para uma forma oxidada (Fe++). Tanto numa bateria como num processo de corrosão os electrões devem ser removidos por uma reacção química no cátodo. Na corrosão do ferro por uma solução ácida, a reacção catódica envolve iões de hidrogénio (H+) na solução 2H+ + 2e- → H2

(VI.2)

e produz bolhas de hidrogénio gasoso. Potencial Padrão

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Considere-se a experiência hipotética em que um pedaço de ferro é colocado em água e ocorre somente a reacção da equação anterior. Como os electrões não podem ser conduzidos para longe do eléctrodo, é estabelecido um potencial eléctrico entre o interior do metal e o seio da solução. O potencial do eléctrodo E da reacção de eléctrodo Fe/Fe ++ (ou meia célula) pode ser medido relativamente a um eléctrodo de referência como o eléctrodo de referência Padrão de Hidrogénio. O valor presente no quadro VI.1, Eº=0,440 V, é o potencial

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padrão do eléctrodo para a concentração unitária dos iões Fe++ em solução (l mol/litro). Para outras concentrações, c, o potencial do eléctrodo é dado pela equação de Nernst:

E = Eº + (0,0592/z) log c

(VI.3)

onde z é a valência do ião em questão (z=2 para Fe++). Como exemplo do uso desta equação, pode-se calcular o potencial do eléctrodo de ferro em contacto com uma solução contendo 10-3 mol de iões de Fe++ por litro:

E = Eº + (0,0592/2) log (10-3)=-0,440+ (0,0296)(-3) =-0,529 V

(VI.4)

Lembrando que o valor de Eº=0,440 V é para l mol de Fe++, conclui-se que a

Potencial

mudança para -0,529V reflecte a maior tendência do ferro para formar iões de Fe++ numa solução cuja concentração é de, somente, 10-3. Os potenciais padrões de eléctrodo de vários metais podem ser arranjados na sua ordem de potencial crescente, para formar a série electromotriz mostrada no quadro VI.1. Para ilustrar o significado da posição relativa de dois metais na série, considere-se a relação do ferro para o cobre e para o zinco. Quando o potencial de ferro é mantido a -0,440V, os iões Fe++ numa solução aquosa à concentração unitária estão em equilíbrio. Se esse pedaço de ferro for ligado electricamente a um eléctrodo Cu/Cu++, o potencial do ferro tenderá a aumentar. Pode-se imaginar que os iões Fe++ se movem na direcção gradiente decrescente do potencial, para fora do metal, para a solução; esse é o processo de oxidação ou corrosão. Por outro lado, se o potencial do ferro for diminuído por ligação a um eléctrodo Zn/Zn++, os iões existentes de Fe++ tenderão a ser reduzidos para ferro, e este será protegido. Semelhante à série electromotriz é a ordenação qualitativa de metais e ligas numa série galvânica. Um membro mais alto desta série usualmente tende a estabelecer um gradiente de potencial que causaria a corrosão num membro inferior. Uma dada série galvânica é determinada para

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uma solução corrosiva particular; a série do quadro VI.1 é para a água do mar.

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Séries Galvânica e Electromotriz

Série electromotriz Electrodo metal/ião metálico

Pot. Padrão a 25 ºC, Eº (V)

Au/Au3+ Pt/P t++ Ag/Ag+ Cu/Cu++ H2/H+ Pb/Pb++ Sn/Sn++ Ni/Ni++ Co/Co ++ Cd/Cd ++ Fe/Fe ++ Cr/Cr3+ Zn/Zn++ Al/Al3+ Mg/Mg ++ Na/Na+ K/K+

+ 1,498 + 1,2 + 0,987 + 0,337 0,000 - 0,126 - 0,136 - 0,250 - 0,277 - 0,403 - 0,440 - 0,744 - 0,763 - 1,662 - 2,363 - 2,714 - 2,925

Série galgânica na água do mar

Cada vez mais catódico (protegido)

Cada vez mais anódico (corroído)

Platina Ouro Titânio Prata Aço inoxidável Aço inoxidável de alto crómio Inconel Níquel Monel Bronze Cobre Estanho Chumbo Aço Ligas de Alumínio Cádmio Alumínio Zinco Ligas de Magnésio

Quadro VI.1 - Membros representativos de uma série electromotriz e da série galvânica

Processos de corrosão Como exemplo duma situação prática de corrosão considere-se um tubo de

Velocidade de Corrosão

aço que transporta água de beber. Os produtos de corrosão são iões de ferro e compostos de ferro, tais como os hidróxidos e os óxidos. A velocidade de corrosão (massa de metal perdido por unidade de tempo) depende de muitos factores, incluindo as composições químicas do ferro e da água, a temperatura,

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o caudal de água e qualquer potencial externo aplicado ao ferro.

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Fig. VI.2 - Ilustração dos eléctrodos envolvidos na corrosão do zinco em duas condições experimentais diferentes

A ligação entre a corrosão ordinária e as reacções do eléctrodo é demonstrada na fig. VI.2 para a corrosão de zinco numa solução ácida (como cerca de l molar de HCl). Do quadro VI.1 sabe-se que o potencial padrão do eléctrodo Zn/Zn++ relativo ao eléctrodo H2/H+ é -0,763V. Entretanto, se esses dois eléctrodos forem ligados (fig.VI.2), os electrões vão passar pelo fio de ligação e permitir que o zinco corroa com a produção de iões Zn++ (reacção anódica), enquanto os iões H+ são reduzidos a H2 no eléctrodo de hidrogénio (reacção catódica). A mesma reacção global Zn +2H+→ Zn++ +H2

Reacção Catódica

(VI.5)

ocorre quando o zinco é imerso numa solução ácida (fig. VI.2). A reacção anódica ocorre em certas áreas da superfície do zinco (ânodos locais), a reacção catódica ocorre em cátodos locais, e os electrões passam pelo zinco entre os ânodos e cátodos locais. As localizações dos ânodos e cátodos mudam com o tempo e, assim, o zinco corrói homogeneamente na sua superfície.

Oxigénio

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Duas características da reacção catódica que envolvem o oxigénio dissolvido levam a um tipo importante de comportamento de corrosão denominado corrosão diferencial ou corrosão em local restrito, ou, ainda, corrosão em fenda. As moléculas de oxigénio possuem pequena solubilidade e baixa taxa de difusão em soluções aquosas. Devido a este facto, se uma porção de solução estiver dentro de uma fenda (fig. VI.3), essa porção é deficitária em oxigénio. O metal no interior da fenda fica favorecido para a reacção anódica (produzindo iões M+), pois o metal adjacente ao seio da solução pode ainda

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sofrer a reacção catódica que envolve oxigénio. Para compensar as cargas positivas em excesso na fenda, os aniões Cl- (ou semelhantes) migram para a fenda. A hidrólise subsequente M+ + H2O → MOH + H+

(VI.6)

também aumenta a acidez da solução. Então, os iões Cl- e H+ aumentam a velocidade de corrosão no interior da fenda. Quando certos metais não-semelhantes, por exemplo o cobre e o ferro, estão em contacto na presença de uma solução aquosa, forma-se uma célula galvânica. Os potenciais relativos dos eléctrodos (quadro VI.1) poderiam levar à corrosão severa do ferro, mas, em muitas condições, a velocidade de corrosão do ferro é, de facto, controlada pela taxa de difusão do oxigénio através da solução. Por exemplo, a união de um grande pedaço de cobre a uma placa de ferro imersa em água quase não afecta a velocidade de corrosão do ferro. O cobre serve como uma área catódica para a redução do oxigénio, mas muitas áreas locais do ferro também servem. O resultado é bem diferente se a placa de cobre for grande comparada à do ferro. Em virtude da reacção catódica ocorrer agora numa grande área, pode ser removida uma grande corrente de electrões do ferro, permitindo assim que ocorra a corrosão do ferro muito rapidamente.

Corrosão Diferencial

Fig. VI.3 - Ilustração esquemática da natureza da corrosão diferencial, que envolve o esgotamento do oxigénio da solução corrosiva.

Protecção

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Ut.06

Um componente ou estrutura bem projectado evita células galvânicas deste tipo, ou pela escolha adequada dos metais em contacto, ou ainda pelo isolamento dos metais em contacto. Exemplo dos efeitos nocivos e benéficos das células galvânicas são ilustrados na fig. VI.4. Como o estanho fica acima do ferro na série electromotriz, a corrosão deste é acelerada em qualquer orifício

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de um aço estanhado. Por outro lado, o zinco é anódico com respeito ao ferro e, assim, o aço é protegido nos defeitos de uma chapa zincada (galvanizada).

Fig. VI.4 - Comparação dos efeitos das células galvânicas formadas em perfurações de aços estanhados e galvanizados

Oito tipos de corrosão A corrosão, na maioria dos metais e ligas em serviço, fica entre oito categorias, que a seguir se descrevem sucintamente:

Tipos de Corrosão

1. Ataque corrosivo uniforme - controlado de modo relativamente fácil pela melhor escolha do material. 2. Corrosão galvânica - depende tanto dos dois metais em contacto como do meio corrosivo. O quadro VI.1 mostra que a série galvânica na água do mar difere bastante da série electromotriz. A acção galvânica pode ser utilizada para se obterem benefícios, como no caso dos cátodos de sacrifício de magnésio, os quais são enterrados próximos de tubos de aço e são a eles ligados electricamente para evitar a corrosão nos tubos de aço. 3. Corrosão diferencial - a fig. VI.3 dá um exemplo deste tipo de corrosão, que ocorre em fendas, por exemplo, em zonas rebitadas ou unidas por parafusos. 4. Corrosão por picadas - é um tipo especialmente sério de corrosão, porque um tubo ou um reservatório pode desenvolver furos devidos a esta corrosão, mesmo quando o ataque uniforme é pequeno. Este tipo de corrosão deve-se, em geral, à não-homogeneidade de composição química de um metal.

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5. Corrosão intergranular - ocorre quando a composição química nos contornos de um grão é bem diferente daquela no interior dos grãos. Se um

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aço inoxidável for aquecido na faixa do 500ºC a 800ºC, o carboneto de crómio precipita-se preferencialmente nos limites de grão, diminuindo, assim, o teor de crómio nas regiões dos grãos adjacentes ao limite de grão. Como o crómio é o responsável pela resistência deste aço à corrosão, estas zonas ficam sensíveis à corrosão. 6. Eliminação selectiva - remoção de um elemento de liga numa solução sólida. O elemento vulnerável pode ser o alumínio, o ferro, o cobalto ou o crómio em várias ligas, mas o exemplo mais típico é a perda de zinco do latão. 7. Corrosão por erosão - refere-se à aceleração da corrosão pela abrasão simultânea por líquidos em movimento. O ataque pelo choque directo pode ser especialmente severo, sendo exemplos típicos os casos dos cotovelos em tubuladuras que transportam líquidos ou vapores. 8. Corrosão sob tensão - origina a fissuração de um material quando sujeito a tracção e em ambiente corrosivo. Em geral, forma-se uma rede de pequenas fissuras, reduzindo drasticamente a resistência mecânica de um metal.

Os metais resistentes Metais Resistentes

Quando se adiciona níquel a um aço com uma quantidade de crómio suficiente (18% em peso) para ter uma boa resistência à corrosão, esta é ainda melhorada, mudando o aço de ferrítico para austenítico se o teor de níquel for superior a 6,5% em peso. Uma vez que a austenite se forme a altas temperaturas, mantém-se durante o arrefecimento lento até à temperatura ambiente. Os aços austeníticos do tipo 18-8 (18% de crómio e 8% de níquel em peso) possuem uma excelente combinação de resistência à corrosão e ductilidade.

Crómio

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Vários elementos de liga, inclusive o alumínio e o silício, aumentam a resistência do ferro à oxidação e à corrosão, mas é o crómio que tem a maior influência. O crómio melhora a resistência à oxidação e também a resistência à corrosão aquosa na maioria dos meios (com a excepção das soluções de cloreto e ácidos fortes não-oxidantes). O diagrama de fases Ferro-Crómio (fig. VI.5) mostra que ocorre uma alteração significativa de estrutura quando o ferro contém mais de 13% de peso em crómio, e fica além do anel austenítico. As ligas são ferríticas, fase α, em todas as temperaturas sem que sofram qualquer transformação, austenite em ferrite, o que origina um endurecimento martensítico. Dependendo dos teores de crómio e em carbono. Os aços com crómio podem ser endurecidos por tratamento térmico, como os aços de liga, resultando os aços inoxidáveis martensíticos, ou podem ser não-endurecíveis possuindo uma elevada resistência à corrosão devido ao seu teor em crómio (aços inoxidáveis ferríticos). Estes aços apesar de possuírem uma elevada resistência à corrosão, têm baixa ductilidade, comportando-se como frágeis à temperatura ambiente. Este comportamento deve-se principalmente à precipitação de uma fase frágil quando o teor de crómio é muito elevado, fase σ.

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Outros metais diferentes do aço são geralmente seleccionados para uma dada aplicação devido à sua resistência elevada à corrosão. O alumínio e suas ligas são largamente utilizados nos seguintes ambientes:

Meios Corrosivos

• • • • •

Atmosfera: superfícies externas de aeronaves e em arquitectura; Água doce: tanques de armazenamento, tubos e barcos; Água do mar: cascos de navios, bóias e tubos; Alimentício: utensílios de cozinha, latas e embalagens diversas; Produtos químicos: tanques de armazenamento, equipamento de processamento químico.

As ligas de alumínio conseguem melhor resistência à corrosão devido à presença de uma camada superficial de óxido de alumínio (alumina), a qual inibe o processo de corrosão visto este óxido ser bastante estável. Este fenómeno é idêntico ao dos aços inoxidáveis, sendo nestes materiais o óxido superficial formado por óxidos de crómio.

Alumínio

Fig.VI.5 - Aspectos importantes das ligas de ferro resistentes à corrosão

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DETERIORAÇÃO DE CERÂMICOS

Os materiais não-metálicos são geralmente mais resistentes à deterioração que o metal mais comum – o ferro. Em particular, eles são imunes à corrosão electroquímica, a qual causa a deterioração das peças de ferro ou aço. Por exemplo, o betão é atacado quimicamente pela água do solo e em especial pela água do mar. Se a água alcançar as barras de aço que servem de reforço, a corrosão do ferro pode acelerar a deterioração do betão. O trabalho de produtos plásticos é geralmente prejudicado pelo inchamento e fissuração pronunciados na presença de líquidos orgânicos.

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Deterioração dos Materiais

Reacção dos componentes O vidro é um exemplo de material monofásico e homogéneo, mas alguns dos seus componentes são especialmente susceptíveis ao ataque químico. Os óxidos alcalinos Na2O e K2O presentes em vidros baratos não ficam totalmente incorporados na estrutura da sílica; por outro lado, um ião alcalino cria uma lacuna na estrutura formando uma só ligação com um ião de oxigénio. Quando a água está em contacto com a superfície do vidro, os átomos alcalinos adjacentes à superfície sofrem a seguinte reacção: Estrutura-Si-O-Na + H2O → Estrutura Si-OH + Na+ + OHEm muitas condições de serviço, o ião OH- é removido do sistema reagente; por exemplo, pela chuva contra um vidro ou pela neutralização de uma bebida ácida numa garrafa. A reacção seguinte requer, então, a difusão lenta dos iões alcalinos do interior para a superfície do vidro e, assim, a taxa de ataque do vidro diminui gradualmente. Com adições de CaO, MgO e alumina, é possível aumentar a resistência à dissolução dos iões alcalinos de um vidro.

Ataque Químico

A dissolução dos iões alcalinos pode ser seguida de ataque químico da estrutura básica de silicato, a qual é um tipo mais sério de deterioração. Os iões hidróxido produzidos pela reacção da equação anterior podem-se manter em contacto com o vidro por causa da poeira ou porque se formou um pouco de humidade entre duas peças de vidro num armazém pouco ventilado. A ligação Silício-Oxigénio pode, então, ser quebrada pela reacção: Estrutura-Si-O-Si + OH- → Estrutura-Si-OH + Si + O-

Este tipo de reacção cria um superfície baça abaixo de um camada de sílicagel. Uma solução alcalina também pode fornecer iões OH- necessários a essa reacção. As garrafas de vidro são atacadas durante um armazenamento longo de soluções moderadamente alcalinas, aparecendo eventualmente flocos de sílica-gel na solução. Com adições de óxido de zircónio é possível melhorar a resistência do vidro a esse tipo de deterioração. O vidro é estável na maioria dos ácidos, mas a estrutura de silicato é fortemente atacada pela ácido hidrofluorídrico e pelo ácido fosfórico quente concentrado.

Reacções Superficiais

M.T.03

Ut.06

A maioria dos materiais cerâmicos é constituída por mais do que uma fase, tendo cada uma as suas próprias propriedades químicas. O betão é um cerâmico multifásico, sendo a sua deterioração de interesse especial, pois está sempre exposto a ambientes nocivos: estradas, portos, produtos químicos, etc. Tanto as reacções de ataque externo como as de ataque interno podem causar a deterioração do betão. Em ambos os casos, a resistência depende da composição química do agregado (areia, cascalho,etc.) e do cimento (Portland, alumina, etc.). Para resistir ao ataque externo, o betão deve ser impermeável a soluções reactivas, dependendo esta propriedade do processo de fabrico do betão. O ataque químico da superfície é realizado por iões sulfatos presentes nos solos, na água e na água do mar.

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VI . 11

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Deterioração dos Materiais

As reacções internas ocorrem, por vezes, entre o agregado e o cimento ou entre o reforço e o cimento. Os agregados de sílex ou de rocha vulcânica podem reagir com o Na2O do cimento para formar um silicato que fissura o betão. Se tiverem de ser usados agregados reactivos, o teor alcalino do cimento deve ser inferior a 0,6%. As barras de aço utilizadas como reforço do betão são inicialmente protegidas da corrosão por um ambiente alcalino (pH=12) se o betão vizinho tiver sido feito com cimento Portland ou outro cimento alcalino. No entanto, com o tempo, a humidade é capaz de penetrar na camada protectora do betão, em geral alguns centímetros de espessura. O dióxido de carbono dissolvido na humidade reage com a cal livre do betão e diminui o valor de pH. Quando o aço corrói, os óxidos fracturam o betão e aceleram o processo de deterioração.

Reacções Internas

Os refractários cerâmicos operam em fornos e outros dispositivos de alta temperatura entre 1 000ºC e 3 000ºC. Em virtude da reactividade química aumentar com a temperatura, mesmo refractários estáveis como aqueles à base de alumina ou de óxido de magnésio (MgO) podem sofrer reacções nos ambientes de altas temperaturas de operação. Nos fornos de fabricação de aço, por exemplo, as escórias ricas em SiO2 (componente ácido) atacam a superfície dos refractários básicos de MgO, formando um composto que é líquido nas temperaturas em questão. Os refractários não-óxidos, como o carboneto de tântalo (TaC) e o nitreto de titânio (TiN), mantêm a sua resistência até temperaturas excepcionalmente altas, mas têm a desvantagem de reagir com o oxigénio acima de cerca de l 000ºC. Por essa razão, os refractários não-óxidos são geralmente usados numa atmosfera protectora.

Refractários

DETERIORAÇÃO DE POLÍMEROS

Ataque Químico

Um ponto inicial conveniente para o estudo da cisão é a degradação térmica produzida pelo aquecimento. As energias de ligação relativas C-F > C-H > C-Cl explicam qualitativamente a estabilidade térmica dos listados no quadro VI.2. O tipo de degradação térmica ilustrado pelo comportamento do polimetil-metacrilato envolve a produção do monómero. Essa reacção começa no fim duma cadeia do polímero, é repetida até que toda a cadeia do polímero seja consumida. O polietileno comporta-se de modo bem diferente: ocorre a cisão duma cadeia ao acaso ao longo do comprimento do polímero. O resultado é uma redução rápida no comprimento médio da cadeia e as correspondentes mudanças nas propriedades do polímero.

Degradação Térmica

M.T.03

Ut.06

Os materiais poliméricos são como os cerâmicos no tocante à susceptibilidade a reacções químicas dos seus componentes separados e à desintegração da estrutura principal – as moléculas das cadeias longas, neste caso. Em virtude dos polímeros comerciais serem quimicamente complexos, a sua deterioração só é parcialmente entendida, mas sabe-se que a cisão (quebra) das cadeias do polímero é da maior importância. A deterioração é usualmente investigada observando-se as variações das propriedades mecânicas e eléctricas durante a exposição a um ambiente específico. Por exemplo, a fig. VI.6 mostra que a exposição prolongada ao ar livre produz efeitos bem diferentes sobre as propriedades mecânicas de dois plásticos comuns.

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Polimetil-metacrilato

Percentagem do valor inicial

100

80 Polietileno 60

40

20

Resistência Deformação

0 6 12 Tempo de exposição, meses Fig. VI.6 - Redução da resistência mecânica e da ductilidade do polietileno de elevada densidade e do polimeti-metacrilato injectado, durante exposição prolongada ao ar livre.

Oxigénio e Luz do Sol

M.T.03

Ut.06

Dois factores agindo em conjunto, o oxigénio e a luz ultravioleta (da luz do sol, por exemplo), fazem os polímeros deteriorarem-se à temperatura ambiente. A luz ultravioleta (ou outra radiação de alta energia) pode romper as ligações de maneira semelhante à energia térmica. Na ausência do oxigénio (ou outros reagentes) esse tipo de reacção leva à degradação relativamente lenta do polímero, mas a presença do oxigénio permite degradação acelerada. A taxa de deterioração oxidante dos polímeros pode ser bastante reduzida, incorporando antioxidantes (aminas ou fenóis, por exemplo) ao polímero.

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VI . 13

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Unidade monômera

Polímero

F Politetrafluoretileno (p. ex., Teflon)

Polietileno

F

Percentagem de monômero em produtos voláteis

T30* ºC

K 350** %/min

100

509

5,2 x 10 -6

Desprezível

414

0,004

100

327

5,2

Desprezível

260

170

C=C F

F

H

H

C=C

Polimetil-metacrilato (p. ex., Lucite )

Cloreto de polivinila

H

H

H

CH3

C=C H

COOCH3

H

Cl

C=C H

H

* Temperatura em que um polímero perde metade do seu peso durante 30 minutos de aquecimento em vácuo. ** Taxa de volatilização em 350 ºC, em perda percentual de peso por minuto. Quadro VI.2 - Degradação térmica dos polímeros

Ozono

Circunstâncias há em que a degradação dos polímeros é desejável. Por exemplo, quando vasilhames plásticos vazios ou brinquedos são parte do lixo, a acção de vários mecanismos (incluindo o ataque por microrganismos do solo) tende a decompor o polímero em compostos que enriquecem o solo. Esse processo é chamado biodegradação.

Biodegradação

M.T.03

Ut.06

Alguns polímeros (a borracha sintética ou natural, em particular) contêm carbonos duplamente ligados e regularmente espaçados especialmente susceptíveis ao ataque pelo ozono, O3. Embora os produtos de cisão possam causar reacções adicionais, se a amostra do polímero não estiver sob tensão, forma-se uma camada de produtos de reacção sobre a superfície, evitando que o interior da amostra se deteriore. Entretanto, a maioria dos polímeros do tipo da borracha (elastómeros) está sujeita a tensões em uso e, nessas condições, as reacções de deterioração causam a formação de entalhes profundos e a eventual ruptura. Várias adições à composição química dos elastómeros diminuem efectivamente a taxa de ataque pelo ozono, e os antiozonizantes, como as diaminas primárias, agem de modo semelhante aos antioxidantes.

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VI . 14

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Deterioração dos Materiais

O plástico original é um material translúcido e resistente, mas durante vários meses no solo o vasilhame desintegra-se e oferece toda a liberdade para o desenvolvimento das raízes da árvore. Um exemplo espectacular de degradação do polímero é a abrasão e queima duma cobertura polimérica de sacrifício no cone do nariz duma nave espacial, durante a reentrada na atmosfera terrestre. Quando um material que serve para abrasão e queima é sujeito a altas temperaturas, decompõe-se; a absorção do calor de vaporização durante a evolução de produtos gasosos da decomposição dissipa o calor do atrito e age para resfriar o material restante. Para além disso, forma-se uma camada isolante de resíduo carbonizado sobre a superfície aquecida. Tratamentos adequados da superfície de cerâmicas ou polímeros podem melhorar propriedades como a sua resistência à deterioração, sem afectar os seus comportamentos internos mecânicos ou físicos. Por exemplo, cerâmicos usados em aplicações eléctricas podem receber um verniz rico em iões de bário. Esse verniz reduz a perda de iões de sódio e evita a formação dum electrólito condutor sobre a superfície.

Tratamentos

M.T.03

Ut.06

A superfície dos polímeros pode sofrer uma variedade de tratamentos químicos (com oxigénio, ácidos, bases ou halogénios) para a melhoria de numerosas propriedades. A oxidação de alguns polímeros melhora a sua capacidade de reter palavras ou desenhos impressos nas suas superfícies, isto é, as características adesivas são melhoradas. Um efeito típico do tratamento do polietileno com flúor (gás) é a melhoria da resistência ao ataque químico.

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VI . 15

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Deterioração dos Materiais

RESUMO A deterioração de um material pelo fenómeno de corrosão é um processo químico determinado pela solubilidade mútua dos materiais, ou pela tendência de um material fornecer electrões numa célula electroquímica. Este processo ocorre quase exclusivamente em metais A composição e homogeneidade química do material são de extrema importância. Existem materiais cuja resistência a meios corrosivos específicos é bastante aceitável, pelo que devem ser seleccionados para aplicações que envolvam tais atmosferas. Em projecto de componentes, é importante evitar situações que provoquem a corrosão diferencial, e seleccionar revestimentos que protejam efectivamente o material base contra a corrosão. Em certas situações, torna-se necessário recorrer a materiais de sacrifício. Nos materiais poliméricos, existe o problema da quebra das longas cadeias orgânicas, quer por reagentes químicos, quer por influência de radiação electromagnética.

M.T.03

Ut.06

Nos compostos cerâmicos, é a deterioração química que mais afecta o material. No entanto, os cerâmicos possuem, em geral, boa resistência a ambientes quimicamente activos.

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VI . 16

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Deterioração dos Materiais

ACTIVIDADES / AVALIAÇÃO

Quais os três principais mecanismos de deterioração dos materiais?

2.

Em princípio, uma bateria poderia ser carregada pela corrosão do ferro?

3.

Uma placa de cobre submersa em água é presa ao aço por parafusos de aço. De acordo com a série galvânica, que metal tende a corroer-se mais rapidamente, o cobre ou o aço?

4.

Para proteger um dado metal da corrosão, deve-se promover uma reacção catódica ou anódica na superfície?

5.

Qual é o elemento de liga mais importante para conceder resistência à corrosão ao ferro?

6.

Para minimizar a deterioração de um utensílio doméstico, que material utilizaria: o poliestireno ou um aço ordinário?

7.

Considere um copo de vidro com água. A água está a atacar o vidro?

8.

Indique três condições em que pode ocorrer a cisão das cadeias de um polímero.

M.T.03

Ut.06

1.

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VI . 17

Materiais para a Indústria

M.T.03 Ut.01

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Materiais para a Indústria

OBJECTIVOS

No final desta unidade temática, o formando deverá ser capaz de:

•

Explicar os objectivos e as razões que levam um material a ser aplicado num dado componente;

• • • •

Identificar o tipo de aço através da designação;

•

Explicar a importância em termos de aplicações dos elementos de liga nos aços;

• • • • • • •

Caracterizar os vários tipos de aços inoxidáveis;

Identificar as aplicações de cada tipo de aço; Reconhecer a importância do carbono nos aços; Explicar a importância, em termos de aplicações, das impurezas nos aços carbono;

Identificar as aplicações de cada tipo de aço inoxidável; Identificar os vários tipos e aplicações dos aços-ferramenta; Identificar os tipos e aplicações dos ferros fundidos; Identificar os vários tipos de ligas de cobre e de alumínio e suas aplicações; Explicar as diferenças entre cerâmicos tradicinais e cerâmicos avançados; Identificar aplicações dos cerâmicos avançados.

TEMAS

•

•

M.T.03

Ut.07

•

Ligas ferrosas • Designações • Aços carbonos • Aços ligados • Aços inoxidáveis • Aços ferramenta • Ferros fundidos Ligas não ferrosas • Cobre e suas ligas • Alumínio e suas ligas Materiais cerâmicos • Propriedades dos materiais cerâmicos • Aplicações dos materiais cerâmicos avançados • Electrónica

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VII . 1

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• Desgaste e corrosão • Aplicações térmicas • Combustíveis nucleares • Vidros cerâmicos • Maquinagem • Motores e turbinas Resumo Actividades / Avaliação

M.T.03

Ut.07

• •

Materiais para a Indústria

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VII . 2

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Materiais para a Indústria

INTRODUÇÃO

Embora exista um número elevado de materiais para aplicações industriais, as propriedades mecânicas de cada um podem ser previstas e controladas através da compreensão dos mecanismos de ligação atómica, de arranjo atómico e de endurecimento, os quais foram discutidos nas unidades temáticas anteriores.

LIGAS FERROSAS

Os metais e ligas são normalmente divididos em dois grupos: os ferrosos e os não-ferrosos. As ligas ferrosas, que são baseadas principalmente em ligas ferro-carbono, incluem os aços-carbono, os aços ligados e os aços-ferramenta, os aços inoxidáveis e os ferros fundidos. Estes grupos de ligas têm uma grande variedade de características e aplicações. Todos os mecanismos de endurecimento apresentados nas unidades temáticas anteriores aplicam-se a alguns destes materiais. O diagrama de fases Fe-Fe3C (ferro-cementite) é a base para a compreensão das características das ligas ferrosas (ver fig. VII.9). Apenas para relembrar alguns conceitos, existem três tipos de soluções sólidas nestas ligas: a ferrite delta (δ), a austenite (γ) e a ferrite alfa (α); e um composto intermetálico: cementite ou carboneto de ferro (Fe3C). Para além disso, existe a possibilidade de formação de uma fase metaestável, a martensite, se a velocidade de arrefecimento for muito rápida.

Fases das ligas

As ligas ferro-carbono apresentam três reacções entre fases: eutéctica, peritéctica e eutectóide. No entanto, é a percentagem de carbono que define a diferença entre um aço e um ferro fundido: ligas com percentagens de carbono superiores a 2,11% são ferros fundidos; se a percentagem é inferior, são aços.

Designações Existem várias designações que classificam os aços, por forma a que apenas com um número ou um conjunto de caracteres seja possível identificar o aço em questão. Uma das designações mais utililizadas é o sistema AISI (American Iron and Steel Institute), que, tal como todos os outros sistemas, classifica os aços através da sua composição química, já que esta é determinante para as suas características mecânicas. Dígitos

M.T.03

Ut.07

A classificação é constituída por 4 ou 5 dígitos, em que o primeiro indica o tipo de aço: 1 indica aço carbono; 2 indica aço ao níquel; 3 indica aço ao níquelcrómio; etc. No caso de ser um aço de baixa liga, o segundo dígito indica a percentagem aproximada do elemento de liga predominante. Os últimos dois ou três dígitos indicam a percentagem média em carbono, dividida por 100. Portanto, o número 2520 indica que é um aço ao níquel, com aproximadamente 5% de níquel e 0,20% de carbono.

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VII . 3

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Materiais para a Indústria

Os algarismos base para os vários aços carbono e aços ligados e as percentagens aproximadas dos elementos de liga mais significativos são os seguintes:

• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •

10xx Aços carbono; 11xx Aços carbono com muito enxofre e pouco fósforo; 12xx Aços carbono com muito enxofre e muito fósforo; 13xx Manganês 1,73; 23xx Níquel 3,50; 25xx Níquel 5,00; 31xx Níquel 1,25, crómio 0,60; 33xx Níquel 3,50, crómio 1,50; 40xx Molibdénio 0,20 ou 0,25; 41xx Crómio 0,50, 0,80, 0,95, molibdénio 0,12, 0,20 ou 0,30; 43xx Níquel 1,83, crómio 0,50 ou 0,80, molibdénio 0,25; 44xx Molibdénio 0,53; 46xx Níquel 0,85 ou 1,83, molibdénio 0,20 ou 0,25; 47xx Níquel 1,05, crómio 0,45, molibdénio 0,20 ou 0,35; 48xx Níquel 3,50, molibdénio 0,25; 50xx Crómio 0,40; 51xx Crómio 0,80 a 1,00; 5xxxx Carbono 1,04, crómio 1,03 ou 1,45; 61xx Crómio 0,60 ou 0,95, vanádio 0,13; 86xx Níquel 0,55, crómio 0,50 e molibdénio 0,20; 87xx Níquel 0,55, crómio 0,50 e molibdénio 0,25; 88xx Níquel 0,55, crómio 0,50 e molibdénio 0,35; 92xx Silício 2,00; 93xx Níquel 3,25, crómio 1,20, molibdénio 0,12; 98xx Níquel 1,00, crómio 0,80, molibdénio 0,25; 93xx Níquel 0,45, crómio 0,40, molibdénio 0,12, boro 0,0005.

Designação AISI

Nos quadros VII.1 e VII.2 estão indicadas algumas das ligas normalizadas de aços carbono e aços ligados. Por razões da vida prática industrial, os aços são, por vezes, classificados grosseiramente dentro de três intervalos, que consideram apenas o teor em carbono:

• Aços de baixo carbono: até 0,25% de carbono; • Aços de médio carbono: entre 0,25 e 0,55 % de carbono; • Aços de alto carbono: entre 0,55 e 2% de carbono.

Tipos de aço

Aços carbono

M.T.03

Ut.07

Neste tipo de aços, é o carbono o elemento mais importante. Como facilmente se pode reconhecer do diagrama de fases ferro-carbono, existem variações importantes na microestrutura consoante a percentagem de carbono da liga. A fig.VII.1 ilustra a variação das propriedades mecânicas com a percentagem em carbono.

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VII . 4

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Quadro VII.1 - Aços ligados mais representativos

Ut.07 M.T.03

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VII . 5

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Aços carbono

Aços Carbono AISI NO.*

%C

% Mn

% P max

% S max

SAE NO.

C1010 C1015 C1020 C1025 C1030

0,08 0,13 0,18 0,22 0,28

- 0,13 - 0,18 - 0,23 - 0,28 - 0,34

0,30 0,30 0,30 0,30 0,60

- 0,60 - 0,60 - 0,60 - 0,60 - 0,90

0,04 0,04 0,04 0,04 0,04

0,05 0,05 0,05 0,05 0,05

1010 1015 1020 1025 1030

C1035 C1040 C1045 C1050 C1055

0,32 0,37 0,43 0,48 0,50

- 0,38 - 0,44 - 0,50 - 0,55 - 60,0

0,60 0,60 0,60 0,60 0,60

- 0,90 - 0,90 - 0,90 - 0,90 - 0,90

0,04 0,04 0,04 0,04 0,04

0,05 0,05 0,05 0,05 0,05

1035 1040 1045 1050 1055

C1060 C1065 C1070 C1075 C1080

0,55 0,60 0,65 0,70 0,75

- 0,65 - 0,70 - 0,75 - 0,80 - 0,88

0,60 0,60 0,50 0,60 0,60

- 0,90 - 0,90 - 0,80 - 0,90 - 0,90

0,04 0,04 0,04 0,04 0,04

0,05 0,05 0,05 0,05 0,05

1060 1065 1070 1075 1080

C1085 C1090 C1095

0,80 - 0,93 0,85 - 0,98 0,90 - 1,03

0,70 -1,00 0,60 - 0,90 0,30 - 0,50

0,04 0,04 0,04

0,05 0,05 0,05

1085 1090 1095

Aços Carbono para maquinagem AISI NO.*

%C

% Mn

% P max

% S max

SAE NO.

B 1112 B 1113 C1110 C1113 C1115

0,13 0,13 0,08 0,10 0,13

max max - 0,13 - 0,16 - 0,18

0,70 - 1,00 0,70 -1,00 0,30 - 0,60 1,00 - 1,30 0,60 - 0,90

0,07 - 0,12 0,07 - 0,12 0,04 0,04 0,04

0,16 0,24 0,08 0,24 0,08

- 0,23 - 0,33 - 0,13 - 0,33 - 0,13

1112 1113

C1120 C1137 C1141 C1212 C1213 C12L14

0,18 0,32 0,37 0,13 0,13 0,15

- 0,23 - 0,39 - 0,45 max max max

0,70 - 1,00 1,35 - 1,65 1,35 - 1,65 0,70 - 1,00 0,70 - 1,00 0,80 - 1,20

0,04 0,04 0,04 0,07 - 0,12 0,07 - 0,12 0,04 - 0,09

0,08 0,08 0,08 0,16 0,24 0,25

- 0,13 - 0,13 - 0,13 - 0,23 - 0,33 - 0,35

1120 1137 1141 1112 1113 12L14

1115

Quadro VII.2 - Aços carbono mais representativos

Apesar da grande importância do carbono, pode-se ver pelo quadro VII.1 que os aços carbono comerciais contêm pequenas quantidades de outros elementos na sua composição normal.

Enxofre

M.T.03

Ut.07

O enxofre é mantido abaixo dos 0,05% nos aços comerciais. O enxofre combinase com o ferro para formar FeS, que têm baixo ponto de fusão, concentrandose estes compostos nos limites de grão. Quando um aço é forjado ou laminado a temperaturas elevadas, torna-se frágil, já que a presença destes filmes líquidos diminui a coesão entre os grãos aumentando a susceptibilidade ao aparecimento de fendas. Na presença de manganês, o enxofre tende a formar o composto MnS, que é um composto de temperatura de fusão mais elevado, que se distribui na forma de inclusões por toda a estrutura, evitando a fragilização do aço. A quantidade de manganês recomendada é de cerca de 6 a 8 vezes a de enxofre.

Teor em carbono

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VII . 6

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Materiais para a Indústria

Nos aços carbono para maquinagem, a percentagem de enxofre é maior: cerca de 0,08 a 0,35%. A adequação destes aços à maquinagem deve-se à presença de enxofre, já que a presença de sulfuretos de ferro permite que os pequenos pedaços de material removido se quebrem mais facilmente, diminuindo o desgaste da ferramenta de maquinagem.

Manganês

Fig.VII.1 - Variação das propriedades mecânicas com a percentagem em carbono

Nos aços comerciais, o manganês está presente com valores entre 0,03 e 1%. A principal função deste elemento é a que se descreveu anteriormente. A percentagem de fósforo é, em geral, mantida abaixo dos 0,04%. Esta pequena quantidade tende a dissolver-se na ferrite, aumentando ligeiramente a resistência e a dureza. Em alguns aços com níveis de fósforo entre 0,07 e 0,12, as características de maquinagem são melhoradas. Quando o fósforo está presente em maiores quantidades, a ductilidade baixa significativamente, aumentando assim a susceptibilidade do aço à fissuração quando trabalhado a frio.

Fósforo

O silício é outro elemento presente, com valores entre 0,05 e 0,3%. O silício dissolve-se na ferrite, aumentado a resistência do aço, sem diminuir significativamente a ductilidade.

Silício

M.T.03

Ut.07

Os aços carbono apresentam propriedades muito satisfatórias quando as solicitações em serviço não são muito severas. São utilizados com bastante sucesso à temperatura ambiente e são muito sensíveis à corrosão, mas

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VII . 7

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Materiais para a Indústria

apresentam índices de dureza médios. Além disso, com o aumento da temperatura, estes aços diminuem as suas propriedades mecânicas. A maioria das limitações dos aços carbono pode ser ultrapassada utilizando aços ligados.

Aços ligados Um aço ligado pode ser definido como um aço cujas propriedades são originadas por elementos de liga diferentes do carbono. Portanto, o objectivo de adicionar elementos é para se atingir uma ou várias das seguintes características:

• • • • • • •

Aumento da temperabilidade; Aumento de resistência à temperatura ambiente; Aumento das características mecânicas a baixa e alta temperatura; Aumentar a tenacidade sem aumentar a dureza ou a resistência; Aumentar a resistência ao desgaste; Aumentar a resistência à corrosão; Melhorar as características magnéticas.

Os elementos de liga podem ser divididos em dois grupos: os que se dissolvem na ferrite e os que promovem a formação de carbonetos. Qualquer elemento dissolvido na ferrite aumenta a dureza e a resistência. No entanto, devido à sua dimensão, cada elemento tem um contributo diferente para esta propriedade (fig. VII.2).

Elementos de liga

Tipos de elementos

Dureza Brimel

200 180

Ma ng an ês

Silí cio

220

el qu í N

160 140 120

io ên d b li Mo dio ná a V

nio gsté Tun mio Cró

100 80 60

0

2

4

6

8

10

12

% do elemento no ferro alfa

M.T.03

Ut.07

Fig.VII.2 - Efeito dos elementos de liga dissolvidos na ferrite

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Os carbonetos formados pela presença dos elementos de liga são, em geral, compostos duros e frágeis, aumentando a dureza e a resistência do aço ao desgaste. No entanto, a ductilidade e tenacidade diminuem significativamente. Os níveis de dureza e resistência ao desgaste nas ligas ricas em carbonetos são, em larga escala, determinados pela quantidade, dimensão e distribuição das partículas duras. Estes factores são, por seu lado, controlados pela composição química, processo de fabrico e tratamento térmico. De seguida apresentam-se as principais áreas de aplicação dos vários grupos de ligas:

• Aços ao níquel (2xxx): aumento da tenacidade, ductilidade e resistência

Aplicações aços - liga

à fadiga; utilizado em peças grandes para forjagem, pernos, rodas dentadas, etc;

• Aços ao crómio (5xxx): boa resistência ao desgaste, aumento da resistência à corrosão, aumento da tenacidade; utilizado em molas, pernos, veios de motores, eixos, rolamentos e peças de impacto;

• Aços ao cromo-níquel (3xxx): caraterísticas entre os 2xxx e 5xxx; utilizado em pistons, aplicações de carga elevada, caixas dos aviões e dos automóveis, veios, pistons, etc;

• Aços ao manganês (31xx): aumenta a resistência e dureza; peças para forjagem, rodas dentadas e eixos;

• Aços ao molibdénio (4xxx): aumenta a dureza e resistência a temperaturas elevadas; tanques sob pressão, tubagens para temperaturas elevadas, molas de alta temperatura, partes estruturais dos aviões, eixos dos automóveis, trem de aterragem, etc;

• Aços ao silício (92xx): aumenta a resistência ao desgaste e modifica propriedades magnéticas; componentes eléctricos, molas de desgaste, punções, etc.

Aços inoxidáveis Inoxibilidade

Existem três categorias de aços inoxidáveis, apresentando-se no quadro VII.3 alguns exemplos. Como se pode ver pela fig. VII.3, à medida que aumenta a percentagem de crómio, o intervalo de temperatura em que existe a fase austenítica diminui, até que, para teores em cobre superiores a 12%, não se forma a fase austenítica. Assim, para teores elevados de cobre, a ferrite está presente a todas as temperaturas, pelo que se considera o crómio como um elemento estabilizador da ferrite.

Tipos de inoxidáveis

M.T.03

Ut.07

Os aços inoxidáveis são seleccionados pela sua excelente resistência à corrosão. Todos os aços inoxidáveis contêm, no mínimo, 12% de crómio, que origina a formação de uma fina camada superficial de óxido de crómio, quando o aço está exposto ao oxigénio. Este óxido é bastante estável e inibe o fenómeno da corrosão.

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Os aços inoxidáveis ferríticos com percentagens de crómio entre 12 e 30% e teores de carbono inferiores a 0.12% apresentam boa resistência e ductilidade moderada, devido à presença de átomos de crómio da rede da ferrite (endurecimento por solução sólida). Quando os teores de crómio ou de carbono são elevados, a precipitação de carbonetos origina um endurecimento por precipitação, mas fragiliza a liga. Este aços apresentam excelente resistência à corrosão, embora tenham baixa ductilidade. São, por isso, utilizados em componentes submetidos a condições de corrosão extrema. Os aços inoxidáveis martensíticos apresentam teores de crómio inferiores a 17%, para que seja possível formar martensite a partir do arrefecimento rápido da austenite. A martensite temperada apresenta elevada resistência e dureza. O baixo teor de crómio permite que se possam variar o teor de carbono entre 0,1 e 1%, originando martensites com diversos graus de dureza. O baixo teor de crómio também origina uma diminuição da resistência à corrosão comparativamente aos aços inoxidáveis ferríticos. No entanto, a combinação de dureza e resistência elevadas, para além de boa resistência à corrosão, torna este aço atractivo para aplicações como facas e outros utensílios de cozinha, rolamentos, válvulas, etc.

Martensíticos

2000

Temperatura (º C)

1800º C

L

1800 1600

α+L 1539º C

1400

1400º C

α+L

1505º C α

1200 γ 1000

910º C 820º C α

600 Fe

+γ 10

850º C 20

α+σ 30

40

σ

α+σ 50

60

70

80

90

100

Crómio (p %)

Fig. VII.3 - Diagrama de equilíbrio Fe-Cr

Ferríticos Austeníticos

M.T.03

Ut.07

O níquel é o elemento que surge nos aços inoxidáveis austeníticos e que diferencia estes aços dos restantes. O níquel é um elemento estabilizador da austenite e, se o teor de carbono é inferior a 0,03%, o aço apresenta apenas uma fase à temperatura ambiente: a austenite. Devido à presença desta fase (e percentagens de crómio acima dos 12%), este aço combina boa ductilidade com boa resistência à corrosão. É o mais utilizado dos aços inoxidáveis, tendo como casos mais comuns os reservatórios sob pressão e à pressão atmosférica de líquidos corrosivos, carcaças de equipamentos ao ar livre, coberturas de comboios, pontes, antenas, etc.

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Aço

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%C

%Cr

% Ni

Outros

Austeníticos

Resistência

Tensão de Cedência

Enlongamento

kpsi

kpsi

%

201

0,15

17

4.5

6%Mn

95

45

40

304

0,08

19

9

-

75

30

30

304L

0,03

19

10

-2%Mn

75

30

30

316

0,08

17

12

Ti(5x%C)

75

30

30

321

0,08

18

11

Nb(10x%C)

85

35

55

347

0,08

18

11

90

35

50

65

30

22

75

40

20

Ferríticos

-

430

0,12

17

-

442

0,12

20

-

Martensíticos

-

0,60%Mo

416

0,15

13

-

-

180

140

18

431

0,20

16

2

0,75%Mo

200

150

16

440C

1,00

17

-

285

275

2

Quadro VII.3 - Composição e propriedades de alguns aços inoxidáveis

Aços-ferramenta Qualquer aço que seja utilizado como ferramenta pode ser designado por “aço-ferramenta”. No entanto, este termo restringe-se habitualmente a aços especiais de elevada qualidade, utilizados em ferramentas de corte, moldes e processos de enformação. Existem vários métodos de classificar os aços-ferramenta. Um dos métodos é o meio de têmpera utilizado para obter o endurecimento do aço: água, óleo e ar. A composição química é outro modo de classificação: aços carbono-ferramenta, aços-ferramenta de baixa liga, etc. Por último, existe o método baseado na aplicação do aço: aços para trabalho a quente, aços resistentes ao choque, aços rápidos e aços para trabalho a frio. A classificação AISI inclui o método de têmpera, aplicação e características especiais para certas indústrias. Os aços foram agrupados em sete tipos, correspondendo a cada um uma letra: Classificação

M.T.03

Ut.07

• Tipo W: Têmpera em água; • Tipo S: Resistente ao choque; • Tipo O: Têmpera em óleo (trabalho a frio);

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• • • • • • • •

Tipo A: Tipo D: Tipo H: Tipo T: Tipo M: Tipo P: Tipo L: Tipo F:

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Têmpera ao ar; média liga (trabalho a frio); Carbono e crómio elevados (trabalho a frio); Trabalho a quente; Aços rápidos (à base de tungsténio); Aços rápidos (à base de molibdénio); Aços para moldes; Aço especial (baixa liga); Aço especial (à base de carbonetos de tungsténio).

Os aços do grupo W são essencialmente aços carbono temperados, embora alguns deles apresentem pequenas percentagens de crómio e vanádio para aumentar a temperabilidade e a resistência ao desgaste. O teor de carbono varia entre 0,60 e 1,4%. Estes aços podem ser subdivididos em três tipos:

• Percentagem de carbono entre 0,60 e 0,75%: para aplicações onde a

Aplicações do grupo W

tenacidade é o factor principal – martelos, quebra-cimento, aplicadores de rebites e matrizes para pequenas séries;

• Percentagem de carbono entre 0,75 e 0,95%: para aplicações onde a tenacidade também é importante – punções, matrizes e lâminas de corte;

• Percentagem de carbono entre 0,95 e 1,40%: para aplicações onde a resistência à abrasão e a manutenção da ponta de corte (afiamento) são importantes – ferramentas de corte de madeira, perfiradores e ferramentas de dobragem. Aplicações do grupo S

Os aços do grupo O, para trabalho a frio, contêm manganês e pequenas quantidades de crómio e tungsténio. São aços resistentes à deformação e à descarburização com o aumento da temperatura; a tenacidade e a dureza a elevada temperatura são médias. São utilizados para matrizes de enformação a frio, ferramentas de enformação e guias de extrusão.

Aplicações do grupo O

Os aços do grupo A apresentam, em geral, maiores teores em elementos de liga: 1%C; 5%Cr; 3%Mn e 1%Mo. Os elementos de liga conferem maior temperabilidade e maiores níveis de dureza a baixa temperatura. Estes aços têm elevada resistência à deformação, resistência ao desgaste, apresentando tenacidade e dureza médias a alta temperatura. Estes aços são utilizados para matrizes, dobragem e ferramentas de vibração.

Aplicações do grupo A

M.T.03

Ut.07

Os aços do grupo S são desenvolvidos para aquelas aplicações onde a tenacidade e a capacidade de absorver choques sucessivos são factores imperativos. Têm um teor de carbono baixo (0,45 a 0,65%), tendo como principais elementos de liga o silício, o crómio, o tungsténio e, por vezes, o molibdénio. Estes aços apresentam uma dureza média a alta temperatura, boa maquinabilidade e boa resistência ao desgaste. São utilizados para o fabrico de ferramentas de enformação, punções, ferramentas pneumáticas e lâminas de corte.

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Os aços para trabalho a frio do grupo D contêm 2,25% de carbono e 12% de crómio, podendo também conter molibdénio, vanádio e cobalto. Apresentam excelente resistência ao desgaste e à deformação. São usados em matrizes e punções de furação, matrizes para trefilagem e padrões.

Aplicações do grupo D

Os aços-ferramenta do grupo H apresentam uma elevada dureza a alta temperatura, pelo que são utilizados para moldes de plásticos, matrizes de forjagem e extrusão a quente, matrizes para fundição. Os elementos presentes são o crómio, o molibdénio e o tungsténio, sendo a soma das suas percentagens superior a 5%.

Aplicações do grupo H

Os aços rápidos (grupos T e M) estão entre os aços-ferramenta mais ligados (com teores mais elevados em elementos de liga). Contêm, em geral, grandes percentagens de tungsténio ou molibdénio, conjuntamente com crómio, vanádio e, algumas vezes, cobalto. A percentagem de carbono varia entre 0,7 e 1,5%. Apresentam, em geral, alta temperatura e boa resistência ao choque. As aplicações principais são em ferramentas de corte, mas também em matrizes de extrusão, ferramentas para combustão e punções.

Aplicações aços rápidos

Os aços para moldes (grupo P) têm como principais elementos de liga o crómio e o níquel, e alumínio e molibdénio como aditivos. Em geral, apresentam baixa dureza quando recozidos. No entanto, antes de serem utilizados como moldes, são temperados superficialmente, o que origina um molde com elevada dureza superficial para resistir ao desgaste e um interior capaz de absorver as dilatações e contrações dos ciclos térmicos da moldação.

Aplicações grupo P

Ferros fundidos Tal como os aços, os ferros fundidos são ligas de ferro e carbono. Em relação aos aços, os ferros fundidos têm teores de carbono muito superiores, entre 2 a 6,67%. Porque estes níveis de carbono tornam o ferro fundido muito frágil, os ferros fundidos comerciais têm percentagens de carbono entre 2,5 e 4%. Composição

Embora os ferros fundidos comuns sejam frágeis e possuam menor resistência que os aços, são significativamente mais baratos, a temperatura de fusão é inferior, e têm ainda outras propriedades importantes. Para além disso, controlando a composição química e os tratamentos térmicos, é possível obter ferros fundidos com propriedades bastante diferentes.

Vantagens

M.T.03

Ut.07

A ductilidade de um ferro fundido é muito baixa, não podendo ser laminado, enformado ou trabalhado a baixa temperatura; na realidade, a maioria dos ferros fundidos não é maleável a nenhuma temperatura. No entanto, são líquidos a temperaturas muito mais baixas que os aços (fig. VII.4), pelo que podem ser vazados (termo utilizado em fundição que significa derramar metal fundido num molde) em formas complicadas e, seguidamente, maquinados pontualmente. Como o processo de fundição é o único que pode ser utilizado nestas ligas, assumiram o nome de ferros fundidos.

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Fig. VII.4 - Diagrama de fases Fe - C

O melhor método de classificar os ferros fundidos é através da sua estrutura metalográfica. Existem quatro variáveis que conduzem a quatro tipos de ferros fundidos: teor em carbono, teor em impurezas e elementos de liga, velocidade de arrefecimento e o tratamento térmico após vazamento. O carbono existente pode estar combinado com o ferro na forma de cementite ou pode existir como carbono livre na forma de grafite. A forma e distribuição das partículas de carbono livre influencia radicalmente as propriedades físicas do ferro fundido. Os tipos de ferro fundido são os seguintes:

Classificação

• Ferro Fundido Branco: todo o carbono está combinado na forma de cementite;

• Ferro Fundido Maleável: a maioria ou a totalidade do carbono não está combinada, formando partículas redondas irregulares a que se dá o nome de “carbono revenido”. Estes precipitados são obtidos por tratamento térmico do ferro fundido branco;

• Ferro Fundido Cinzento: a maioria do carbono encontra-se não-combinado, formando flocos de grafite;

• Ferro Fundido Nodular: devido a adições de ligas especiais, o carbono

M.T.03

Ut.07

encontra-se não-combinado, formando esferóides de grafite. Esta estrutura é diferente da do ferro fundido maleável, visto que a estrutura é obtida logo após solidificação e as partículas de carbono têm formas mais arredondadas.

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As propriedades dos vários ferros fundidos estão presentes no quadro VII.4. Nesta tabela, é também possível identificar os campos de aplicação de cada tipo de ferro fundido. A presença de diferentes fases à temperatura ambiente deve-se, essencialmente, ao tipo de tratamento térmico aplicado à liga após solidificação. Para além do baixo custo, os ferros fundidos, em geral, exibem outras propriedades que os elegem em muitas aplicações. Apesar de serem materiais frágeis, os ferros fundidos têm uma elevada resistência ao desgaste, principalmente o ferro fundido branco. Esta situação leva a que este ferro fundido seja bastante utilizado em travões de locomotivas de comboios e em outros componentes em que a situação de abrasão é muito severa. Outra propriedade interessante dos ferros fundidos é a capacidade de amortecimento, a qual é muito maior num ferro fundido que num aço. Isto deve-se ao facto da presença da grafite, sendo o ferro fundido cinzento aquele que maior capacidade apresenta devido à forma das partículas de grafite. Isto leva a que o ferro fundido seja também utilizado em blocos de motor, carcaças de turbina e aplicações similares.

Aplicações

M.T.03

Ut.07

Quadro VII.4 - Propriedades e aplicações dos ferros fundidos

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LIGAS NÃO-FERROSAS Os materiais metálicos podem ser divididos em dois grandes grupos: os ferrosos e os não-ferrosos. Enquanto que os materiais ferrosos são à base de ferro, os não-ferrosos têm um elemento (que não o ferro) como principal constituinte. Os metais não-ferrosos mais importantes são o cobre, o alumínio e as suas respectivas ligas.

Cobre e suas ligas As propriedades mais importantes do cobre são a condutividade térmica e eléctrica bastante elevada, boa resistência à corrosão, facilidade em ser maquinado, boa resistência mecânica e uma cor agradável. Muitas desta propriedades são alteradas, para melhor ou para pior, pela adição de elementos de liga. Grande parte do cobre utilizado nos condutores eléctricos contém cerca de 99,9% de pureza, sendo designado por “cobre electrolítico”. Por vezes, também é utilizado o cobre de elevada condutividade (isento de oxigénio-OFHC). O cobre electrolítico também é utilizado para telhados, goteiras, radiadores de automóveis, válvulas, reservatórios de líquidos industriais e destilarias. Este metal tem percentagens de oxigénio na ordem de 0,02 a 0,05%, o qual se combina com o cobre formando o composto óxido de cobre, que aumenta a resistência mecânica. O cobre livre de oxigénio é utilizado em tubagens electrolíticas ou aplicações similares, sendo possível uni-lo ao vidro.

Tipos de cobre

Grande percentagem do cobre consumido aparece sob a forma de liga. Estas ligas dividem-se em três grandes grupos: latões, bronzes e cuproníquel. Os latões são ligas de cobre e zinco, apresentando, por vezes, pequenas percentagens de chumbo, estanho ou alumínio. As variações em composição originam a modificação da cor, resistência, ductilidade, resistência à corrosão ou combinações destas propriedades. Os latões comerciais podem ser divididos em dois grupos: latões para trabalho a frio e latões para trabalho a quente.

Latões

M.T.03

Ut.07

Os latões para trabalho a frio contêm no máximo 36% de zinco, apresentando boa resistência à corrosão, e a sua cor varia com a percentagem de cobre: latões amarelos (20 a 36% de Zn) e latões vermelhos (5 a 20% de Zn). Os latões amarelos combinam boa resistência com elevada ductilidade, sendo indicados para serem trabalhados a frio. O latão amarelo mais utilizado é o latão para cartuchos (70%Cu-30%Zn) e o “latão amarelo” (nome comercial) com 65%Cu e 35% de Zn. As aplicações típicas destes latões são na indústria automóvel (radiadores, reservatórios e reflectores de luz), eléctricas (reflectores para as lâmpadas de flash, casquilhos, protecções de parafusos), na indústria dos computadores (anilhas, rebites, parafusos, molas) e, obviamente, no fabrico de munições. Adicionando 0,5 a 3% de chumbo, a liga melhora a sua capacidade de ser maquinada, sendo utilizada em parafusos de alto grau de maquinagem, placas para gravação, chaves e componentes para fechaduras, engrenagens e componentes de relógios. A adição de alumínio ao latão amarelo (76%Cu, 22%Zn2%Al) aumenta significativamente a resistência à corrosão, sendo esta liga

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utilizada em componentes eléctricos e electrónicos para barcos. Os latões vermelhos possuem melhor resistência à corrosão que os amarelos, sendo as ligas mais comuns o latão dourado (95%Cu-5%Zn: boa resistência mecânica; é utilizado em medalhas, moedas, emblemas e peças com elevado grau de polimento), o bronze comercial (90%Cu-10%Zn: é utilizado para objectos de bijuteria, caixas para baton, hardware marítimo, parafusos e rebites). O “latão vermelho” (85%Cu-15%Zn) é utilizado para contactos eléctricos, componentes de hardware, condensadores, tubos de permutadores de calor e corpos de radiadores. Os latões para trabalho a quente contém 54 a 62% de cobre, tendo a caractrística de serem bastante dúcteis a alta temperatura. A liga mais utilizada é o metal muntz (60%Cu-40%Zn), o qual é utilizado em forma de chapa para aplicações em navios, em cabeças de condensadores, componentes perfurados e aplicações de arquitectura.

Metal muntz

O termo “bronze” foi originalmente utilizado nas ligas cobre-estanho; no entanto, hoje em dia, é utilizado para qualquer liga de cobre contendo até 12% do elemento de liga principal, à excepção das ligas cobre-zinco. Os bronzes de estanho são caracterizados por terem elevada resistência e tenacidade, boa resistência à corrosão e baixo coeficiente de fricção. São bastante utilizados em diafragmas, fecho de máquinas de lavar, molas e pinos. Os bronzes de silício são as ligas de cobre mais fortes; as suas prorpriedades mecânicas são comparáveis às do aço carbono e a resistência à corrosão é similar à do cobre. São utilizados em reservatórios de pressão, construções marítimas e linhas de pressão hidráulica. Os bronzes de alumínio possuem boas propriedades para serem trabalhados a frio, boa resistência, combinado com boa resistência à corrosão. São utilizados em tunos de condensação, formas trabalhadas a frio, reservatórios resistentes à corrosão e em aplicações marítimas. Finalmente, os bronzes de berílio combinam excelente formabilidade com elevada tensão de cedência, sendo utilizados em aplicações onde se combina a necessidade de resistência à corrosão, resistência mecânica e condutividade eléctrica (diafragmas, pontes de contacto, instrumentos cirúrgicos, parafusos, dispositivos anti-faísca).

Bronzes

Outro grande grupo das ligas de cobre são os cupro-níqueis, os quais contêm, no máximo, 30% de níquel. Estas ligas exibem elevada resitência à corrosão, à fadiga e à erosão. São utilizados em condensadores, destiladores, evaporadores e em permutadores de calor para navios e centrais térmicas.

Cupro-níquel

Alumínio e suas ligas

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A principal característica do alumínio é a baixa densidade, que é cerca de um terço da do aço ou do cobre. Algumas ligas de alumínio apresentam valores mais elevados de razão entre resistência e peso do que os aços de elevada resistência. O alumínio apresenta, em geral, elevada ductilidade, elevada resistência à corrosão e elevadas condutividades eléctrica e térmica. O alumínio muito puro é utilizado para reflectores fotográficos, devido ao seu elevado grau de reflectividade.

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As características não-magnéticas do alumínio levam a que seja utilizado como isolador de sistemas eléctricos. Embora a conductividade eléctrica seja cerca de 62% da do cobre, o seu baixo peso torna-o indicado para condutor de electricidade em muitas aplicações industriais.

Propriedades

O alumínio é facilmente trabalhável e maquinável. Pode ser laminado para qualquer espessura, estampado, martelado, forjado e extrudido para quase todas as formas que se possam conceber. O alumínio comercial puro, liga 1 100 (mais de 99% de Al), é utilizado em aplicações onde é importante a fácil enformação e boa resistência à corrosão, e não é necessária resistência elevada. Tem sido extensivamente utilizado em utensílios de cozinha, componentes arquitectónicos, embalagem de comida e alimentos e conjuntos soldados.

Alumínio puro

A classificação da AAA (America Aluminium Association) é a mais utilizada, sendo as ligas de alumínio classificadas com a ajuda de quatro dígitos. O primeiro dígito indica qual o elemento de liga principal:

Classificação

• • • • • • •

Ligas 1xxx: Alumínio em teores superiores a 99%; Ligas 2xxx: Cobre; Ligas 3xxx: Manganês; Ligas 4xxx: Silício; Ligas 5xxx: Magnésio; Ligas 6xxx: Magnésio e Silício; Ligas 7xxx: Zinco. Dígitos

No grupo 2, as ligas mais utilizadas são a 2 017, 2 024 e 2 218. A liga 2 017 é um duralumínio e é endurecida por tratamento térmico, contendo 4% de cobre; é a liga mais utilizada em rebites de aviões. A liga 2 024 contém 4,5% de cobre e 1,5% de magnésio, apresenta os níveis de resistência mais elevados deste grupo, sendo utilizada, por isso, em rebites de alta resistência para aviões, estruturas de aviões, componentes de hardware e parafusos. A liga 2 218 (2% de níquel) é utilizada em aplicações em que é necessário suportar temperaturas elevadas, tais como cilindros de forjagem e pistons.

Grupo 2

Nas ligas do grupo 3, é a liga 3 003 a mais utilizada, apresentando boa formabilidade, elevada resistência à corrosão e boa soldabilidade. É tipicamente utilizada em utensílios para manusear comida e produtos químicos, equipamento de armazenagem de gasolina, óleo e em tubagens.

Grupo 3

As ligas de alumínio com silício apresentam baixo coeficiente de expansão e são aptas ao forjamento. A liga 4 032 é das mais utilizadas, tendo como aplicação típica as cabeças dos pistons dos automóveis.

Grupo 4

M.T.03

Ut.07

O segundo dígito indica modificações da liga original ou limites de pureza; os últimos dois dígitos servem para identificar as diferentes ligas de alumínio em cada grupo.

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As ligas do grupo 5xxx apresentam boa soldabilidade, boa resistência à corrosão e resistência moderada. A liga 5 005 (0,8% Mg) é utilizada para extrusões em forma complicada; a liga 5 050 (1,2% Mg) é utilizada nas tubagens de óleo e gasolina dos automóveis; a liga 5 052 (2,5% Mg) é utilizada em tubagens de óleo e combustível de aviões; a liga 5 083 (4% Mg) é utilizada em componentes marítimos e estruturas soldadas.

Grupo 5

As ligas de alumínio com silício e magnésio são caracterizadas por excelente resistência à corrosão e resistência média, pelo que são utilizadas em componentes não submetidos a esforços nos trens de aterragem dos aviões, canoas, mobiliário, tubos de aspiradores e aplicações arquitectónicas.

Grupo 6

As ligas do grupo 7 são muito susceptíveis à corrosão sob tensão. No entanto, adicionando elementos de liga e com tratamento térmico apropriado, este problema é minimizado. As ligas comerciais 7 075, 7 079 e 7 178, com adições de zinco, magnésio e cobre são as que permitem obter as resistências mais elevadas entre todas as ligas de alumínio. São, muitas vezes, apelidadas de “duralumínios” e são usadas em jantes de automóveis e componentes estruturais de aviões.

Grupo 7

MATERIAIS CERÂMICOS

De um modo geral, considera-se que o campo dos materiais cerâmicos abrange os compostos inorgânicos e não-metálicos, de que são exemplo os óxidos, silicatos, carbonetos, nitretos, etc. Este campo inclui materiais com tecnologias tão distintas como as porcelanas, o carboneto de silício, o vidro e o cimento. Na Europa, tem-se adoptado um critério de classificação para os materiais cerâmicos, que considera dois grandes grupos: os cerâmicos tradicionais e os cerâmicos avançados.

Classificação

Tradicionalmente, os cerâmicos têm sido materiais obtidos por cozedura, a altas temperaturas, de matérias-primas naturais sob a forma de pastas, constituídas principalmente por silicatos de alumínio hidratados (argilas) e utilizadas sem grandes tratamentos de purificação. Modernamente, o campo dos cerâmicos foi substancialmente alargado para incluir não só os silicatos naturais, como também materiais produzidos sinteticamente e com composição bem definida, de que são exemplo os óxidos puros, os magnetos cerâmicos, os combustíveis nucleares, etc. Estes materiais, constituintes do grupo dos cerâmicos avançados, são obtidos através de operações não muito diferentes das usadas na produção de cerâmicos tradicionais. Distinguem-se substancialmente destes pelo maior controlo na fabricação, por usarem matérias-primas sintéticas de elevada pureza sob a forma de pó e pelo seu volume de produção ser bastante inferior ao dos cerâmicos tradicionais (conquanto o seu valor seja muito elevado).

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Ut.07

O aparecimento destes novos materiais tem possibilitado apreciáveis avanços tecnológicos, devido ao facto de apresentarem determinados conjuntos de propriedades até então não reunidas noutros materiais.

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As microestruturas apresentadas pelos cerâmicos tradicionais e cerâmicos avançados diferem substancialmente. Os primeiros são, em geral, polifásicos, pelo que as suas propriedades dependem largamente das proporções das diferentes fases, assim como da sua forma e distribuição. Pelo contrário, os cerâmicos avançados são monofásicos ou predominantemente monofásicos (a segunda fase não excede, em geral, os 5%), donde as propriedades são determinadas pela sua densidade e textura, assim como pelo tamanho e forma dos grãos da fase predominante. Os cerâmicos avançados apresentam um conjunto único de propriedades funcionais, que os tornam insubstituíveis na grande maioria das aplicações. Apresentam em geral:

• • • • • • • •

Propriedades

Baixa densidade; Elevada resistência, a todas as temperaturas; Elevado módulo de elasticidade; Elevada dureza, resistência ao desgaste e abrasão; Elevada resistência à corrosão; Elevada refractariedade; Baixo coeficiente de expansão térmica; Propriedades eléctricas e magnéticas diversas.

Os avanços tecnológicos recentes, aliados à necessidade de uma mais eficiente utilização dos recursos naturais, incluindo a energia, têm vindo a impor aos materiais solicitações termomecânicas cada vez maiores. Potencialmente, os cerâmicos avançados apresentam-se como os materiais capazes de responder a esse tipo de solicitações; por outro lado, porque as suas composições se baseiam em matérias-primas abundantes e largamente dispersas no planeta, não são materiais difíceis de produzir. Existem, contudo, ainda, diversos problemas por resolver, tanto ao nível da engenharia dos materiais em si, como ao nível das tecnologias de fabrico, no sentido de obter materiais com boas propriedades mecânicas numa vasta gama de temperaturas, elevada fiabilidade e boa reproductibilidade de fabrico. Paralelamente, a utilização de tecnologias mais económicas possibilitará o alargamento da gama de utilizações, que, actualmente, apresenta ainda grandes limitações devido ao elevado preço dos materiais.

Cerâmicos avançados

Os cerâmicos avançados são presentemente baseados na alumina, zircónia, nitretos, carboneto de silício e nos sialons (Si,Al,O e N). A principal aplicação destes materiais situa-se no domínio das ferramentas de corte, peças de desgaste, componentes refractários e na indústria da electrónica. Têm-se desenvolvido importantes trabalhos de investigação, entre os quais os realizados no chamado “motor cerâmico” são do conhecimento geral.

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Ut.07

Os materiais cerâmicos podem ser classificados como se ilustra no quadro VII.5.

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Exemplos Brancos (composições triaxiais)

Porosos

Faianças

Não porosos

Porcelanas

Porosos

Cerâmicas de construção Loiça barro vermelho

Não porosos

Grés

Ácidos

Sílica Sílico-aluminosa Alumina

Tijolos refractários utilizados no revestimento de fornos

Básicos

Magnesites Dolomites Cromomagnesite Magnesocromite

Neutros

Cromite Forsterite

Barros Corados

Tradicionais Refractários

Carboneto de silício Alumina

Abrasivos

Carboneto de silício Alumina

Óxidos puros

Carbonetos e nitretos

Combustíveis nucleares Especiais

Cerâmicos magnéticos

Dióxido de urânio Carboneto de urânio

Macios

Espinelas

Duros

Magnetoplumbites

Piezoeléctricos Ferroeléctricos Electrocerâmicos

Carbonetos de tungsténio e hárnio Nitretos de alumínio e silício

Isoladores Semicondutores

Vidros cerâmicos

Perovskites-titanato de bário, PLZT Alumina Semicondutores Pirocerâmicos

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Quadro VII.5 - Classificação dos materiais cerâmicos

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Propriedades dos materiais cerâmicos Os cerâmicos avançados possuem características que os distinguem dos outros materiais. No quadro VII.6 apresentam-se as propriedades dos cerâmicos avançados mais utilizados actualmente. Materiais

Unidades Carboneto Nitreto Titanato de de silício de silício alumínio

Mulite Cordiérite Zircónia-Mulite

Preto

Cinzento

Branco

Branco

Creme

Amarelo

10 3 kg m 3 10 3 kg m -3 %vol

3,10 a 3,15 3,21 0

>3,18 3,28 0

3 a 3,25 3,55 8 a 15

>3,07 3,15 0

2,50 2,54 0

3,23 3,80 15

10 -6 ºC-1 10 -6 ºC-1 10 -6 ºC-1

4 4,6 4,9

2,4 3 3

-0,2 a 0,1 0,8 a 1,3 2 a 2,4

4,8 4,9 5

1,5 1,7 2

5,8 6 6

Wm-1 ºC-1 Wm-1 ºC-1 Wm-1 ºC-1

170 65 35

20 20 20

3,4 1,75 1,1

4,4 4,6 5

2,5 2,6 2,8

3,5 3,6 3,8

Jkg -1 ºC -1 Jkg -1 ºC -1 Jkg -1 ºC -1

90 1 230 1 285

720

880

900

880

730

kg mm-2 Dureza vickers (carga de 50kg) Resistência mecânica a (flexão em três pontos) Mpa 20ºC Mpa 500ºC Mpa 1 000ºC Mpa Resistência à compressão Módulo de Weibull Gpa Módulo de Young a 20ºC Módulo de Poisson a 20ºC MN m-3/2 Tenacidade de KjC a 20ºC

2 400

1 600

1 200

900

450 430 430 2 100 12 420 0,16 4,1

500 450 300 1 900 19 290 0,26 5,4

50 50 50 200

230 200 200 700

200 170 170 350

70 0,24

220 0,28 3,8

120 0,24

210 0,25

Cor Densidade aparente Densidade teórica Porosidade aberta Coeficiente de dilatação linear 20 / 500ºC 2o / 1 000ºC 20 / 1 400ºC Condutividade térmica a 20ºC 500ºC 1 000ºC Calor específico a 100ºC 500ºC 1 000ºC

Resistividade eléctrica

Wm

550

>10 13

>10 13

>1013

>10 13

>1013

Temperatura limite de utlização em ar em atmosfera neutra

ºC ºC

1 450 1 800

1 200 1 500

1 500 1 500

1 450 1 450

1 200 1 200

1 450 1 450

Quadro VII.6 - Comparação entre os cerâmicos avançados mais utilizados

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Ut.07

Comparativamente aos metais, os cerâmicos avançados possuem características peculiares para apliçações como componentes estruturais, já que têm uma elevada resistência a alta temperatura.

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Uma distribuição possível das áreas de aplicação dos cerâmicos avançados em comparação com os metais é apresentada na fig. VII.5. À temperatura ambiente, os metais estão a ser substituídos em algumas aplicações restritas por zircónia estabilizada. O campo de aplicação dos nitretos e carbonetos de silício está a aumentar em várias indústrias, tais como siderurgias e fundições de não-ferrosos, indústria química e indústria automóvel. De referir que os metais não podem ser utilizados a temperatura superior a 1 100oC sem arrefecimento, sendo os cerâmicos avançados os únicos materiais que respondem a este tipo de aplicação estrutural.

Tipos e propriedades

Como se referiu, os cerâmicos avançados para aplicações estruturais são materiais normalmente sujeitos a elevadas temperaturas e cargas. Estas cargas originam tensões multiaxiais elevadas, que variam com o tempo. No caso de aplicações a alta temperatura, as tensões mecânicas são sobrepostas pelas tensões térmicas, enquanto as propriedades do material se vão alterando com a temperatura e o tempo. Os problemas que advêm desta complexidade de cargas elevadas são difíceis de resolver. Esta é uma das razões que leva a que a introdução da tecnologia dos cerâmicos avançados seja mais lenta do que se poderia esperar à partida, pela análise das pontencialidades destes materiais. Para além disso, ainda não se exploraram muitas das aplicações possíveis destes materiais, devido ao facto do comportamento dos materiais frágeis estar muito menos desenvolvido do que o dos metais e ligas. A maioria dos componentes de materiais cerâmicos avançados utilizados presentemente são monolíticos. Os óxidos cerâmicos mais importantes são a Al2O3 e ZrO2, e Al2TiO5 para aplicações especiais, enquanto que os não-óxidos são o Si3N4 e o SiC. As propriedades de alguns destes materiais têm sido melhoradas nas últimas décadas, apresentando-se, na tabela 2, algumas das suas propriedades mecânicas. Nesta tabela, cada fórmula química representa um grupo de materiais, dependendo as suas propriedades mecânicas e microestruturais da composição, do processo de compactação, da porosidade, entre outras características.

1 200 ºC

SiC

Aplicações

A ser desenvolvido Alta

SiC, Si3 N4 Si3 N4

Metal e ZrO2

Temperatura

Baixa

Temperatura Ambiente Baixa

Tensão

Alta

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Fig. VII.5 - Mapa de aplicação de materiais sobre várias condições de temperatura e tensão

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Tem-se conseguido um aumento significativo da resistência, através do desenvolvimento de materiais compósitos, nomeadamente cerâmicos com matriz de Al2O3 e ZrO2 reforçados com whiskers de SiC, e compósitos reforçados com fibras de C-C e SiC-SiC. Os cerâmicos reforçados com whiskers apresentam resistência e tenacidade mais elevadas comparativamente aos monolíticos, embora apenas a baixa temperatura. Quando o reforço é realizado através de fibras, o aumento de tenacidade é bastante grande, resultando um comportamento não catastrófico à fractura. Estes materiais estão, no entanto, numa fase mais atrasada de desenvolvimento e são bastante caros, embora tenham, em princípio, maior potencial que os monolíticos.

Compósitos

Resistência (MPa) 1000

Superliga - CAST IN 100 *

900 800 700 Si 3 N4 Prensado a quente **

600

Superliga - INCONEL 713LC *

500

SiC Sinterizado **

400 300

Si 3N 4 Ligação com reacção ** Superliga CAST X-40 *

200

SiC Sinterizado com reacção **

* Ensaio de tracção uniaxial ** Resistência à flexão em 4-pontos

100 0 0

200

400

600 800 Temperatura (o C)

1000

1200

1400

Fig. VII.6 - Resistência vs. temperatura para vários materiais cerâmicos e superligas metálicas

Comparação

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O quadro VII.7 indica os valores de resistência para vários cerâmicos avançados. Estes valores são valores médios obtidos através dos vários fabricantes. Para muitas aplicações, a resistência a temperatura elevada é mais importante que a resistência à temperatura ambiente. Na maioria dos cerâmicos avançados, a resistência diminui com o aumento da temperatura. No quadro VII.8 compara-se a variação da resistência com a temperatura para vários materiais cerâmicos e metálicos.

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Material ou matriz (vol%)

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Densidade teórica (g/cm3)

Módulo de Young (GPa)

Resistência à dobragem (MPa)

Tenacidade à fractura (KIc) (MPam1/2)

Monolíticos Si3 N4 SiC Al2O3 Al2TiO5

3,19 3,21 3,98 3,77

160-300 300-400 400 13

250-1 000 400-800 400 (1 000) a 40

2-8 3 3-4 -

Monolítico ou reforçado ZrO2

5,56

205b

600-900 (1 500)a, b

3-9

3,6 1,9 2,9 2,6

400 70 250-270 120-140

Reforçado Al2 O3-SiC, 2030 c C-C, 30d,e SiC-SiC, 45 d,f Vidro-SiC, 3065 d,e

850 1 000 580 600-900

8,5 12-18 10-35

a

Valores de pico; bParcialmente estabilizado; cWhiskers; dFibra; eReforçado numa direcção; fReforçado em duas direcções

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Quadro VII.7 - Propriedades dos cerâmicos avançados monolíticos e reforçados mais utilizados

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Material

Módulo à ruptura (MPa)

Tracção (MPa)

Safira (cristal simples de Al2O3) Al2O3 (0-2% de porosidade) Al2O3 sinterizada (<5% de porosidade) Al2O3 para porcelana (90 a 95%de alumina) BeO sinterizado MgO sinterizado ZrO2 estabilizada sinterizada Mulite sinterizada Si3N4 sinterizado SiN4 por ligação reactiva SiC prensado a quente SiC sinterizado SiC sinterização reactiva SiC ligado SiO2 Vidro pyrex Vidro cerâmico Vidro cerâmico maquinado BN prensado a quente B4C prensado a quente TiC prensado a quente WC sinterizado Tijolo argiloso Tijolo de magnesite Tijolo isolador Tijolo isolador para 1 450ºC Tijolo isolador para 1 700ºC Grafite

620 350-580 200-350 275-350 172-275 100 138-240 175 620-965 414-580 200-350 621-825 450-520 240-450 14 110 69 245 100 48-100 310-350 275-450 790-825 5.2 28 0,28 1,4 2 28

200-310 172-240 90-133 138 100 350-580 100-200 69 240-275 12

Quadro VII.8 - Resistências típicas à temperatura ambiente de vários materiais cerâmicos

Aplicações dos materiais cerâmicos avançados Como se ilustrou no quadro VII.5, os cerâmicos tradicionais têm aplicações bem definidas e conhecidas de todos. Por esta razão se dará destaque às aplicações dos cerâmicos avançados.

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De um modo geral, os cerâmicos avançados mais utilizados estão referenciados no quadro VII.7. Esta tabela indica as propriedades necessárias para uma dada aplicação. De seguida, apresentam-se as principais aplicações industriais dos cerâmicos avançados.

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Função

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Propriedades

Aplicações

Materiais

Térmica

Refractariedade Capacidade térmica Condutividade térmica

Revestimentos de fornos Regeneradores de calor Dissipadores de calor

SiC, TiC, B 4C, TiB2 , ZrB2 , Si3 N4, BaS, CeS, BeO, MgO, ZrO2 , Al2O3

Nuclear

Refractariedade Resistência mecânica a alta temperatura Resistência a radiações

Combustível nuclear Revestimento de combustíveis Material de controlo Material moderador

UO2 , UO2 PuO2 , UO, US, ThS, SiC, C, B4O, Al2 O3

Óptica

Índice de refracção Fluorescência Translucência Condução óptica

Diodos laser LED Janelas ópticas Cabos de transmissão óptica

Al2 O3, MgO, Y2O3 , SiO2,ZrO2, TiO2, Y2 O3ThO2, ZnS, CdS

Electro Magnética

Isolante térmico Condução eléctrica Semicondutividade Piezoelectricidade Dieléctricos Magnetismo

Substratos para C.I. e C.H. Resistência ao aquecimento Varistores Sensores Ignitores, filtros Elementos de memória

Ferrite, PZT, SiC, BaTiO 3, CaTiO3 , SrTiO3 , ZnO, B4 C, TiC, SiC, BeO, Al2O3

Compatibilidade biológica Resistência à corrosão

Implantes cirúrgicos Suportes de catalisadores Permutadores de calor Equipamentos químicos

SiO2 , Zeolite, MgO, BaTiO3, CaTiO3 , SrTiO3, BaS, CeS, TiB2 , ZrB2, ZnO, SnO2, FeO3 , Al2 O3, Apatite

Biologia Química

Mecânica

Elevada resistência Resistência ao desgaste Baixa expansão térmica Alto coeficiente de atrito

Classificação / função

Ferramentas e suportes Si3 N4, ZrO2 , SiC, TiB2 , Abrasivos ZrB2, TiC, WC, Lâminas de turbina B4C, TiN, Lubrificantes sólidos Instrumentos de precisão Al2 O3, BN, C

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Quadro VII.9 - Classificação dos cerâmicos avançados em relação à função que desempenham

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Electrónica A maior fatia do mercado mundial dos cerâmicos avançados pertence à indústria da electrónica, sendo estes produtos indispensáveis ao desenvolvimento constante da electrónica moderna. As diversas classes de produtos que integram este vasto grupo são descritas em seguida.

Electrónica

Isoladores - Baseados em porcelanas, cordierite, esteatite e alumina. Encontram aplicação em isoladores de linhas de transporte, velas de ignição e, numa fase avançada, são usados como substratos de circuitos híbridos e integrados. Dieléctricos - Baseados em titanatos de bário modificados com a estrutura cristalina das perovesquites, apresentam elevada constante dieléctrica e encontram vasta utilização nos condensadores cerâmicos simples e multicamada. Piezoeléctricos e ferroeléctricos - São compostos semelhantes aos anteriores; funcionam como conversores de energia eléctrica em mecânica e vice-versa. Como exemplo de piezoeléctricos existe o quartzo, o titanato de bário, o titanato de chumbo e o titanato zirconato de chumbo e lantânio (PLZT). Os titanatos de bário e chumbo são usados preferencialmente consoante a gama de temperaturas requerida. Os materias designados por PLZT são duros, não-porosos, quimicamente inertes e não-sensíveis à humidade do ar ou outras condições atmosféricas. Mecanicamente, são extremamente tenazes, sendo capazes de suportar forças muito elevadas. Os cerâmicos piezoeléctricos têm uma vasta gama de aplicações, desde os isqueiros (ignitores) até aos transdutores utilizados nos microfones, altifalantes, giradiscos, rádio, televisão e telecomunicações, geradores de faísca (ignitores), sondas de ultra-sons, sensores de pressão, filtros, etc. Semicondutores - São materiais que apresentam condutividade eléctrica em determinadas condições de temperatura, campo eléctrico e atmosfera. Encontram aplicações variadas como resistências de aquecimento auto-limitadoras de temperatura, varistores, electrólitos sólidos, componentes de segurança contra picos de corrente, sensores diversos (gases, temperatura, etc.); dos isoladores mais utilizados destacam-se a alumina, a zircónia estabilizada, o di-silicieto de molibdénio (MoSi2) e o SiC. Magnéticos não-permanentes - Os cerâmicos derivados das espinelas (óxidos) de ferro, contendo óxidos de Fe, Mn, Ni, Mg entre outros, com variadíssimos campos de utilização na electrónica de consumo e industrial. Magnéticos permanentes (ímans cerâmicos) - Materiais baseados em ferratos de bário e estrôncio. Encontram aplicação em quase todos os domínios, desde o doméstico e recreativo à electrónica de precisão. Desgaste e corrosão Desgaste e corrosão

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Para além da electrónica, os cerâmicos avançados têm tido outras aplicações, tendo como base as propriedades de elevada dureza, resistência ao desgaste e resistência à corrosão. A alumina tem sido utilizada na forma de anéis vedantes (O-rings) em reservatórios de água quente e fria, e para vedar válvulas

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de bombas e equipamento de transporte de líquidos abrasivos e corrosivos. Devido à sua superfície ter uma rugosidade inferior a 0,6 µm, possuem um baixo coeficiente de atrito. Estes anéis, assim como bocais de B4C e SiC para equipamento de projecção de areia, são objecto de produção em massa. O carboneto de silício e outros não-óxidos e óxidos de cerâmicos avançados são, também, muito utilizados para revestimento interno de condutas de transporte de abrasivos pastosos ou secos. Os campos de aplicação dos rolamentos e dos casquilhos de protecção de veios têm apresentado um acentuado crescimento, destacando-se o nitreto de silício completamente densificado, o qual permite melhorar as propriedades de resistência à fricção destes componentes. Os rolamentos cerâmicos dão a possibilidade de operação a temperaturas elevadas (superiores a 800oC) e em condições de ambiente severo. Uma vantagem interessante relativa à utilização de rolamentos cerâmicos é a sua capacidade de tolerar a ausência de lubrificação. Como aplicações recentes, podem-se referir os componentes (esferas e cones-tampão) das grandes válvulas utilizadas nas instalações de liquefação de carvão e de dessulfuração de gás. Outros produtos de grande interesse são facas, tesouras e lâminas de zircónia de elevada tenacidade, produzidas no Japão (Jaguar e Solingen) e na Alemanha. Estes produtos são utilizados como utensílios de cozinha, corte de cabelo, artesanato e, também, a nível industrial. A magnésia (MgO) e a zircónia (ZrO2) são óxidos simples com vastos campos de aplicação. Devido às suas elevadas temperaturas de fusão (respectivamente 2800oC e 2750oC) e grande estabilidade química, são usados como refractários para a fusão de metais reactivos, particularmente em trabalhos laboratoriais. Aplicações térmicas

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O volume de produção de componentes estruturais resistentes ao calor é bastante inferior ao de componentes resistentes ao desgaste e à corrosão. Um produto importante são componentes de SiC para fornos, que têm a vantagem de ocupar muito menos espaço que os componentes de materiais tradicionais. O mercado destes componentes de SiC, tais como queimadores de gás e óleo e permutadores de calor, está em crescimento, sendo a Alemanha o país de maior produção (Hoechst-Ceram Tec e Selb). Outro produto comercial são evaporadores de TiB2 (produto da empresa alemã Elektroschmelzwer Kempten) e anéis de BN utilizados em equipamento de fundição. A indústria da soldadura e do aço duro representa um mercado potencial futuro para aplicações de Si3N4, devido à elevada resistência deste material ao choque térmico. Nos permutadores de calor industriais, os cerâmicos avançados permitem operar a temperaturas mais elevadas (1 300--1 350oC) do que as ligas metálicas, resultando na economia de energia durante a recuperação do calor. Os materiais mais utilizados nestes equipamentos são o SiC e o Si3N4.

Aplicações térmicas

Recentemente, tem-se desenvolvido um grande interesse na produção de óxidos puros (alumina e magnésia) isentos de porosidade e com tamanho de grão controlado, o que os torna transparentes. São utilizados como visores em fornos de alta temperatura e, por serem permeáveis às radiações electromagnéticas, são aplicados no fabrico de componentes para foguetões teleguiados.

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Finalmente, é de referir a utilização de óxidos mistos tais como a espinela de alumínio-magnésio (MgO.Al2O3) que, devido ao seu elevado ponto de fusão, é considerada um refractário especial. Combustíveis nucleares A utilização de compostos de urânio de natureza cerâmica como material combustível foi iniciada com a segunda geração de reactores nucleares reactores arrefecidos e moderados a água. O objectivo a atingir era possibilitar a operação do reactor a temperaturas mais elevadas. De entre os vários compostos potencialmente utilizáveis como combustíveis nucleares, prestou-se especial atenção ao dióxido de urânio, ao dióxido de plutónio, e ao carboneto de urânio que são, presentemente, usados em quase todos os reactores nucleares em funcionamento.

Nuclear

O dióxido de urânio é, geralmente, utilizado na forma de pastilhas cilíndricas com cerca de 10 mm de diâmetro, empilhadas e envolvidas por uma bainha estanque. As condições de funcionamento de um reactor são tais que se geram elevados gradientes térmicos (cerca de 2 200oC no eixo e cerca de 600oC na periferia das pastilhas). Mais recentemente e para utilização nos reactores a alta temperatura, com o objectivo de minimizar o referido gradiente térmico, usam-se pequenas esferas de dióxido ou de carboneto de urânio, envolvidas por uma bainha de outros materiais cerâmicos, que se destina a reter os produtos de fissão. Alguns materiais utilizados para estas bainhas são a alumina, o carboneto de silício e o carbono pirolítico. Vidros cerâmicos Os vidros cerâmicos, além de poderem ser moldados mantendo-se translúcidos a muito altas temperaturas, são isentos de poros e têm resistências mecânicas muito elevadas. Existem três grupos de vidros cerâmicos que podem suportar temperaturas na gama dos 1 300oC a 1 700oC. O primeiro é o grupo de vidros cerâmicos de mulite (2SiO2.3Al2O3), que é caracterizado por ser transparente a temperaturas até 1 200oC, por possuir excelentes propriedades dieléctricas, boa resistência mecânica e estabilidade química. O segundo é o grupo dos “hexacelsian”, que inclui os vidros cerâmicos de maior refractariedade. Baseados no sistema bário-feldspato, trabalham a temperaturas de 1 700 o C, sendo alguns deles translúcidos a estas temperaturas. O terceiro grupo compreende os vidros cerâmicos do sistema BaO-Al2O3-SiO2-TiO2, que não podem ser usados acima de 1 400oC. São materiais com baixo coeficiente de dilatação, têm boas propriedades dieléctricas e considerável resistência mecânica. São opacos, mas têm a vantagem de terem um ponto de fusão (1 650oC) mais baixo que os dois primeiros grupos (~1 800oC), o que facilita o processo de manufactura das peças.

Vidros

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Maquinagem Cerca de 90% do mercado de maquinagem de metais é constituído por aços rápidos e cermetes (compósito de metal e cerâmico, por ex. WC). Os cerâmicos

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avançados que competem com estas ferramentas são, principalmente, Al2O3, Al2O3 -ZrO2, Si 3N4, sialons, Al 2O3 reforçada com whiskers, diamante policristalino e NB. Uma das principais vantagens na utilização de ferramentas em material cerâmico é o facto de não utilizarem materiais estratégicos, como as ferramentas tradicionais que, na sua maioria, são à base de W e Co. As ferramentas de alumina, simples e reforçada, já são utilizadas há quatro décadas, enquanto que os outros produtos têm um desenvolvimento mais recente. Os sialons e o Si3N4 têm sido utilizados desde os anos 70 no torneamento de ferros fundidos e superligas de níquel, com um grande aumento de produtividade, cerca de 200%. Na fig. VII.7 indica-se a evolução da tenacidade de algumas ferramentas cerâmicas, desde 1 957. As excelentes propriedades das ferramentas em materiais cerâmicos avançados não têm um campo de aplicação tão vasto como seria de esperar. Estas ferramentas, actualmente, são sobretudo utilizadas para operações de maquinagem especiais, na indústria automóvel e aeronáutica.

Maquinagem

Tenacidade

Tenacidade à fractura (MPam 1/2 ) 10

Al2O3/SiCw

8

Si3N4/Y2O3

6 Al2O3/TiC

4

Al2O3/ZrO2

Al2O3

2 0 1957

1972

1976

1981

1985

Fig. VII.7 - Evolução da tenacidade das ferramentas cerâmicas

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Motores e turbinas Os esforços desenvolvidos nos últimos dez anos para introduzir componentes cerâmicos em velas de ignição, assim como em motores diesel, têm como objectivo melhorar as características deste tipo de motores. Este esforço não tem sido em vão, pois a aplicação de componentes cerâmicos tem crescido a bom ritmo. Um dos exemplos são os carregadores catalíticos de cordierite na forma de favo-de-abelha, que são bastante utilizados em automóveis com motores a gasolina, com velas de ignição (os princpais fabricantes destes produtos são duas firmas alemãs: Hoechst-Ceram Tec e Selb). Estas tubagens são, também, muito usadas na indústria química. No motor turbo do Porcshe 944, são utilizados tubos de Al2TiO5, material com cerca de 3 mm de espessura, que reduzem o fluxo de calor com cerca de 7 kW desde a porta de exaustão para o sistema de arrefecimento, reduzindo em cerca de 13% as necessidades

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Motores

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de arrefecimento. No Japão, a Toyota introduziu, na época de 80, turbochargers de Si3N4, tendo iniciado a produção em massa com cerca de 10 000 peças por mês. Em 1 988, a produção já tinha aumentado para 150 000 peças. A Isuzu, a Toyota e a Mazda introduziram câmaras de combustão de Si3N4 e sialon em motores diesel. Com esta inovação, conseguiram um aumento de potência de cerca de 10%, sem aumento do consumo de combustível. A temperatura de operação é bastante mais elevada, comparada com a que ocorre numa câmara metálica, podendo, assim, reduzir a emissão de partículas. A Mitsubishi substituiu componentes metálicos dos seus automóveis por peças de Si3N4.

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Na Alemanha e, de modo mais geral, na Europa, a introdução de componentes cerâmicos nos automóveis de passageiros e tractores, especialmente em zonas de temperatura elevada, não está ainda muito desenvolvida, embora o esforço de investigação e desenvolvimento seja considerável. Um motor de 20 kW, sem lubrificação, constituído em larga medida por cerâmicos, está a ser desenvolvido em conjunto pela Ficht-Motor e pela Hoechst-Ceram Tec. A turbina a gás cerâmica e, particularmente, o “motor cerâmico” são, sem dúvida, os projectos que representam um desafio maior para a utilização da alta tecnologia dos cerâmicos avançados na indústria. Os benefícios esperados são as elevadas temperaturas admitidas pela turbina, mais de 1 350oC, a capacidade de utilização de misturas de combustível e a potencial redução de poluição do ambiente. A maioria dos especialistas concorda que a comercialização de um veículo com turbina cerâmica a gás (de potência entre 100 e 300 kW) é um projecto a longo prazo, não devendo estar concluído antes do ano 2 000 ou mesmo 2015. A Daimler-Benz (Alemanha) conseguiu resultados encorajadores com um motor de 110 kW, cujo rotor é de Si3N4 monolítico, que opera a cerca de 1 250oC, a mais de 63 000 rpm. O tempo de vida em serviço corresponde a cerca de 22 000 km em cidade e estrada. Os estatores e os rotores são os componentes com geometria mais complexa. Quando tiverem sucesso em condições de serviço reais, o desenvolvimento das outras partes estáticas será de mais fácil realização. Os resultados obtidos nos últimos 15 anos demonstram, em princípio, a fiabilidade técnica de um veículo com turbina a gás.

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RESUMO

As ligas de ferro representam mais de metade das aplicações dos materiais. Devido às suas características metalúrgicas, é possivel obter um metal com características completamente diferentes, alterando apenas a composição química, o modo de processamento e/ou o tratamento térmico final. Os aços, os ferros fundidos, as ligas de cobre e as ligas de alumínio são os metais mais predominantes, constatando-se que as aplicações das ligas de alumínio têm aumentado drasticamente nos últimos anos. Isto deve-se ao facto de estas ligas combinarem níveis de resistência altos com baixo peso, tendo aplicabilidade nos inúmeros componentes e estruturas que se fabricam hoje em dia e que, em geral, se pretendem o mais leves possível.

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Os materiais cerâmicos apresentam também um grande leque de aplicações, nomeadamente os cerâmicos avançados que, devido à tecnologia de fabrico, permitem um controlo preciso das suas propriedades.

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ACTIVIDADES / AVALIAÇÃO

1. Explique o significado da designação AISI para os aços. 2. Qual o elemento principal na classificação dos aços-carbono? Justifique. 3. Qual a importância do teor em carbono nas propriedades do aços-carbono? 4. Qual a importância das impurezas nos aços-carbono? Identifique-as. 5. Quais as razões que levam a adicionar elementos de liga aos aços? 6. Qual a nomenclatura utilizada nos aços ligados? 7. Identifique uma aplicação típica de cada grupo de aço ligado. 8. Indique o que distingue os aços inox dos outros. 9. Qual a importância do crómio nos aços inoxidáveis? 10. O que é um aço-ferramenta? 11. Como é feita a classificação dos aços-ferramenta? 12. O que são ferros fundidos? 13. Que tipos de ferros fundidos existem? 14. Quais as diferenças entre os vários ferros fundidos? 15. Quais as aplicações dos diferentes ferros fundidos? 16. Quais as principais diferenças entre os vários tipos de ligas de cobre? 17. Identifique uma aplicação para cada tipo de liga de cobre. 18. O que entende por duralínio? 19. Qual o critério de classificação dos alumínios? 20. Quais as principais propriedades das ligas de alumínio? 21. Que tipos de materiais cerâmicos existem? 22. O que entende por cerâmico avançado? 23. Indique 5 aplicações para cerâmicos avançados.

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24. Quais as vantagens dos cerâmicos avançados em relação aos tradicionais?

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Bibliografia

BIBLIOGRAFIA American Society for Metals: “Metals Handbook”; Volume 1, 2, 3 & 4; American Society for Metals, 1980. ASKELAND Donald R., “The Science and Engineering of Materials”; PWS-KENT Publishing Company, Second Edition, 1989. AVNER, Sidney H., “Introduction to Physical Metallurgy”; Mcgraw-Hill International Book Company, 1974. COTTREL, Alan H., “Introdução à Metalurgia”; Fundação Calouste Gulbenkian, 1976. CRANE, Charles, F.A.A. “Selection and Use of Engineering Materials” ; Butterworth-Heinemann; 1989.

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GUY, A.G., “Ciência dos Materiais”; Editora da Universidade de São Paulo-McGraw-Hill International Book Company, 1976.

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