Materiais de Construção Mecânica
Materiais de Construção Mecânica
SENAI CIMATEC®
®
SENAI CIMATEC
Materiais de Construção Mecânica
Salvador 2010
__________________________ _____________ _________________________ __________________ ______
2
®
SENAI CIMATEC
Materiais de Construção Mecânica
Salvador 2010
__________________________ _____________ _________________________ __________________ ______
2
®
SENAI CIMATEC
Copyright 2010 2010 por SENAI DR BA. Todos os direitos reservados Área Tecnológica de Materiais Elaboradores: Pollyana Melo e Raphael Rezende. Revisão Técnica: Revisão Pedagógica: Normalização:
Catalogação na fonte (NDI – Núcleo de Documentação e Informação) _____________________________ _____________ _______________________________ _______________________________ __________________ __ SENAI- DR BA. Materiais de Construção Mecânica. Salvador, 2010. p. il. (Rev.). Materiais de Construção Mecânica l. título CDD _____________________________________ _____________________ ___________________________________ _________________________ ______
SENAI CIMATEC® Av. Orlando Gomes, 1845 - Piatã Salvador – Bahia – Brasil CEP 41650-010 http://www.senai.fieb.org.br
__________________________ _____________ _________________________ __________________ ______
3
®
SENAI CIMATEC
APRESENTAÇÃO Com o objetivo de apoiar e proporcionar a melhoria contínua do padrão de qualidade e produtividade da indústria, o SENAI BA desenvolve programas de educação profissional e superior, além de prestar serviços técnicos e tecnológicos. Essas atividades, com conteúdos tecnológicos, são direcionadas para indústrias nos diversos segmentos, através de programas de educação profissional, consultorias e informação tecnológica, para profissionais da área industrial ou para pessoas que desejam profissionalizar-se profissionalizar-se visando inserir-se no mercado de trabalho. Este material didático foi preparado para funcionar como instrumento de consulta. Possui informações que são aplicáveis de forma prática no dia-a-dia do profissional, profiss ional, e apresenta uma linguagem simples e de fácil assimilação. É um meio que possibilita, de forma eficiente, o aperfeiçoamento do aluno através do estudo do conteúdo apresentado no módulo. Por ser um material dinâmico, que merece constante atualização e melhorias, caso o leitor encontre erros, inconsistências, falhas e omissão de algum conteúdo, favor entrar em contato com a Área de Materiais do SENAI CIMATEC. Estamos sempre abertos para melhorar o nosso material didático.
__________________________ _____________ _________________________ __________________ ______
4
®
SENAI CIMATEC
SUMÁRIO 1.INTRODUÇÃO ................................ 6 1.1 Estrutura e Características............ 6 1.2 Classificações dos materiais......... 7 2.ORIGEM DOS METAIS ................... 9 2.2 Ligas Ferrosas ............................ 10 2.3 Classificações dos aços.............. 10
5.1.5 Limite de Resistência ...............25 5.3 Ensaio de Dureza........................26 5.3.1 Dureza Brinell ..........................26 5.3.2 Dureza Rockwell ......................27 5.3.3 Dureza Vickers .........................27 6.DIAGRAMAS DE EQUILÍBRIO ..... 29
2.3.1 Aços carbono ........................... 10
7.DIAGRAMA FERRO CARBONO...31
2.3.2 Aços liga .................................. 10
7.1Analise de resfriamento lento.......32
2.3.3 Aços Inoxidáveis ...................... 11 3.FABRICAÇÃO............................... 13 3.1 Forjamento.................................. 14 3.2 Laminação .................................. 14 3.3 Extrusão ..................................... 14
8.TRATAMENTOS TÉRMICOS........ 35 9.FERRO FUNDIDO ......................... 37 9.1 Ferro Fundido Cinzento...............37 9.2 Ferro Fundido Dúctil (ou Nodular)37
3.4 Estampagem............................... 15
9.3 Ferro Fundido Branco e Ferro Fundido Maleável.............................. 37
3.5 Fundição..................................... 15
9.4 Ligas Não Ferrosas..................... 38
3.6 Solidificações dos aços............... 15
9.5 Cobre e suas Ligas ..................... 39
4. ESTRUTURA CRISTALINA ......... 17
9.6 Alumínio e suas Ligas ................. 39
4.1 Grãos e contornos de grãos.........17
9.7 Titânio e suas Ligas .................... 39
4.2 Estruturas cristalinas................... 18
9.8 Os Metais Nobres ....................... 40
4.3 Influências dos elementos de liga19
10.CORROSÃO E DEGRADAÇÃO..41
5.PROPRIEDADES DOS MATERIAIS 22
10.1 Formas ou tipos de corrosão.....41
5.1 Ensaio de Tração........................ 22
10.2 Métodos de Controle da Corrosão .........................................................45
5.1.2 Corpos de prova ...................... 23
11.REFERÊNCIA..............................47
5.1.3 Determinação do limite elástico ou de proporcionalidade ................... 24 5.1.4 Módulo de Elasticidade ............ 25
____________________________________________
5
Materiais de Construção Mecânica
Introdução 1 Introdução É sabido que os materiais metálicos representam uma das mais importantes ligas da engenharia em termos de seus componentes, propriedades, aplicações e técnicas de fabricação. Ligas metálicas, em virtude de sua composição, são às vezes agrupadas em 2 classes; ferrosas e não-ferrosas. Ligas Ferrosas, são aquelas nas quais o ferro é o principal constituinte, incluem aços e ferros fundidos. Estas ligas e as Ligas Não Ferrosas, que são tratadas – todas as ligas que não sejam baseadas em ferro serão tratadas nesta porção de capítulo. Com isso, esta seção é devotada a uma breve exploração das técnicas pelas quais os metais são fabricados, os diferentes modos de variações em mecanismos de fortalecimento (ganho de propriedades), os tipos e classificações, morfologia (estrutura cristalina e contornos de grãos), diagrama de fase, etc. Será também discutido como tópico final desta seção os principais modos de corrosão para ambas as classes de materiais (Ligas Ferrosas e Não Ferrosas). Muitas vezes o problema de um material ou “liga” é realmente o de selecionar aquele material que tem a correta combinação de características para uma aplicação específica. Portanto, as pessoas que estão envolvidas na tomada de decisão deveram ter algum conhecimento das opções disponíveis. Na seleção de materiais durante a execução de um projeto existem vários critérios nos
1 quais a decisão final é normalmente baseada nas propriedades do material, nas condições de serviço do produto, nas formas de processamento e no custo. Estes parâmetros devem ser caracterizados uma vez que ditarão as propriedades requeridas do produto final. Somente em ocasiões raras um material possuirá uma combinação máxima ou ideal de propriedades. Esta apresentação extremamente abreviada fornece uma visão geral de informações de algumas ligas comerciais, suas propriedades e suas limitações. Estas informações serão úteis na tomada de decisão e escolha do melhor material para uma determinada aplicação. 1.1 Estrutura e Características
"Estrutura" é neste ponto um termo nebuloso que merece alguma explicação. Brevemente, a estrutura de um material usualmente relaciona-se ao arranjo de seus componentes internos. Estrutura subatômica envolve elétrons dentro dos átomos individuais e interações com o seu núcleo. Num nível atômico, estrutura abrange a organização dos átomos ou moléculas entre si. O próximo reino estrutural maior, que contém grandes grupos de átomos que estão normalmente aglomerados entre si, é denominado "microscópico", significando aquilo que é submetido à observação direta usando algum tipo de microscópio. Finalmente, os elementos estruturais que podem ser visto com olho nu são denominados "macroscópicos". A noção de "propriedade" merece elaboração. Enquanto usado em
®
SENAI CIMATEC
serviço, todos os materiais são expostos a estímulos externos que evocam algum tipo de resposta. Por exemplo, uma amostra submetida a forças irá experimentar deformação, ou uma superfície de metal polido refletirá luz. Propriedade é um traço (característica) de um material em termos do tipo e magnitude de resposta a um específico estímulo imposto. Geralmente, definições de propriedades são feitas independente da forma e tamanho do material. Virtualmente todas as importantes propriedades de materiais sólidos podem ser agrupadas em 6 diferentes categorias: (a) mecânica; (b) elétrica; (c) térmica; (d) magnética; (e) ótica. Para cada propriedade existe um tipo característico de estímulo capaz de provocar diferentes respostas. Propriedades mecânicas relacionam deformação a uma carga ou força aplicada; como exemplos podem citar módulo elástico e resistência mecânica. Propriedades elétricas, tais como condutividade elétrica e constante dielétrica, o estímulo é um campo elétrico. O comportamento térmico de sólidos pode ser representado em termos de capacidade calorífica e condutividade térmica. Propriedades magnéticas demonstram a resposta de um material à aplicação de um campo magnético. 1.2 Classificações dos materiais
Materiais sólidos têm sido convenientemente agrupados em 3 classificações básicas: (a) metais; (b) cerâmicas;
(c) polímeros. Este esquema é baseado principalmente na constituição química e estrutura atômica, e muitos materiais caem num distinto grupamento ou num outro, embora existam alguns intermediários. Em adição, existem três outros grupos de importantes materiais de engenharia: compósitos, biomateriais e semicondutores. METAIS Materiais metálicos são normalmente combinações de elementos metálicos. Eles têm grande número de elétrons não localizados, isto é, estes elétrons não estão amarrados a particulares átomos. Muitas propriedades de metais são diretamente atribuíveis a estes elétrons. Metais são extremamente bons condutores de eletricidade e de calor e não são transparentes à luz visível: a superfície de um metal polido tem aparência lustrosa. Além disso, metais são bastante fortes, ainda deformáveis, que respondem pelo seu extensivo uso em aplicações estruturais. CERÂMICAS Cerâmicas são compostos entre elementos metálicos e nãometálicos: estes elementos são freqüentemente óxidos, nitretos e carbetos. A larga faixa de materiais que caem dentro desta classificação inclui cerâmicas que são compostas de minerais que compõem as argilas, cimento e vidro. Estes materiais são tipicamente isolantes à passagem de eletricidade e de calor, e são mais resistentes a altas temperaturas e ambientes rudes do que metais e polímeros. Com relação ao comportamento mecânico, cerâmicas são duras, mas muito frágeis.
____________________________________________
7
®
SENAI CIMATEC
POLÍMEROS Polímeros incluem os materiais conhecidos como plásticos e borrachas. Muitos deles são compostos orgânicos que são quimicamente baseados em carbono, hidrogênio, e outros elementos não metálicos; além disto, eles têm estrutura molecular muito grande. Estes materiais têm tipicamente baixas densidades e podem ser extremamente flexíveis. COMPÓSITOS Os materiais compósitos consistem em mais do que um tipo de material. Estes materiais são “desenhados” para apresentarem a combinação das melhores características de cada material constituinte. Muitos dos recentes desenvolvimentos em materiais envolvem materiais compósitos. Fiberglass é um exemplo familiar, no qual fibras de vidro são embutidas dentro de um material polimérico. "Fiberglass" adquire resistência mecânica das fibras de vidro e flexibilidade do polímero. Muitos dos recentes desenvolvimentos de material têm envolvido materiais compósitos.
SEMICONDUTORES Semicondutores têm propriedades elétricas que são intermediárias entre os condutores elétricos e os isolantes. Além disso, as características elétricas destes materiais são extremamente sensíveis à presença de diminutas concentrações de átomos impurezas, cujas concentrações podem ser controladas ao longo de muito pequenas regiões espaciais. Com os semicondutores tornou-se possível o advento do circuito integrado que revolucionou totalmente a eletrônica e as indústrias de características de cada um dos materiais componentes. BIOMATERIAIS Metais, cerâmicos, compósitos e polímeros podem ser usados como biomateriais, no entanto, estes materiais não devem produzir substâncias tóxicas e serem compatíveis com os tecidos humanos já que podem ser utilizados em componentes para implantes em humanos.
____________________________________________
8
®
SENAI CIMATEC
Materiais Metálicos 2 Origem dos Metais Os metais provêm dos depósitos naturais de minérios na crosta terrestre. A maioria dos minérios é contaminada com impurezas que devem ser removidas por meios mecânicos ou químicos. O metal extraído do minério purificado é conhecido como metal primário ou metal virgem. Há dois tipos de minérios, os ferrosos e os não ferrosos. O termo ferroso provém do latim ferrum, significando ferro; um metal ferroso é aquele que possui alto teor de ferro. Metais não ferrosos como o cobre e o alumínio, por exemplo, são aqueles que contêm pouco ou nenhum ferro. A quantidade de ferro na crosta terrestre é de aproximadamente vinte vezes a de todos os outros metais não ferrosos juntos; por isso o ferro é o metal mais importante e o mais empregado. O alumínio, por causa de sua aparência atraente, resistência relativamente alta e baixa densidade, é o segundo metal mais usado. O minério de alumínio comercialmente explorável, conhecido como bauxita, é um depósito formado próximo à superfície da crosta terrestre. O maior percentual de ferro comercialmente produzido vem do processo com alto-forno, que realiza uma reação química entre uma carga sólida e a coluna de gás ascendente resultante no forno. A atividade básica do alto-forno é reduzir o óxido de ferro para ferro metálico e remover as impurezas do metal. O metal proveniente do alto-forno é
2 denominado ferro-gusa e é empregado como um material intermediário para posteriores processos de refino. O ferro-gusa contém quantidades excessivas de elementos que devem ser reduzidos antes que o aço seja produzido. Reduzir um elemento significa receber elétrons: no caso do ferro, ele passa de Fe++ ou Fe+++ para Fe°, onde cada átomo de ferro recebe dois ou três elétrons. Para o refino do aço são empregados diversos tipos de fornos elétricos, conversores e outros cada um desses realizando sua tarefa de remoção e redução de elementos como carbono, silício, fósforo, enxofre e nitrogênio através da saturação do metal líquido com oxigênio e ingredientes formadores de escória. O oxigênio reduz os elementos formando gases que escapam para a atmosfera enquanto a escória reage com as impurezas e as separa do metal fundido. Depois de passar pelo forno de refino, o metal é purificado em lingoteiras feitas de ferro fundido. Os lingotes obtidos possuem seção quadrada e são constituídos de aço saturado de oxigênio. Para evitar a formação de grandes bolsas de gases no metal fundido, uma quantidade considerável de oxigênio deve ser removida. Esse processo é conhecido como desoxidação e é realizado através de aditivos que expulsam o oxigênio na forma de gases ou enviam-no em direção à escória.
____________________________________________
9
®
SENAI CIMATEC
2.2 Ligas Ferrosas
Ligas ferrosas - das quais o ferro é o constituinte principal - são produzidas em maiores quantidades do que qualquer outro metal. Elas são especialmente importantes como materiais de construção de engenharia. O difundido uso deste material é devido a 3 fatores: (a) compostos contendo ferro existem em quantidades abundantes na crosta terrestre; (b) ferro metálico e aços podem ser produzidos usando técnicas relativamente econômicas de extração, de refino, de adição de elementos de liga e de fabricação; (c) ligas ferrosas são extremamente versáteis, no sentido de que elas podem ser elaboradas sob medida para ter uma larga faixa de propriedades mecânicas e físicas. A principal desvantagem de muitas ligas ferrosas é sua susceptibilidade à corrosão. Este capítulo discute também composições, microestruturas e propriedades de um número de diferentes classes de aços e ferros fundidos.
2.3 Classificações dos aços
As classificações mais comuns para os aços são: • • • •
Aços carbono; Aços de baixa liga; Aços de média liga; Aços de alta liga, que são referidas como "tipos" de aços.
2.3.1 Aços carbono O aço é basicamente uma liga de ferro e carbono, alcançando seus
níveis de resistência e de dureza principalmente através da adição de carbono. Os aços carbono são classificados quanto à composição química em quatro grupos, dependendo de seus níveis de carbono. Os aços carbono apresentam em sua composição, além do carbono, somente elementos resultantes de seu processo de fabricação. Seus teores de manganês e silício são, em geral, inferiores a 1,0 e 0,4%, respectivamente, elementos adicionados ao aço líquido, durante a fabricação, para a sua desoxidação. Estes aços são extremamente utilizados tanto na fabricação em geral como em estruturas soldadas. Neste caso, são utilizados principalmente aços com teor de carbono inferior a 0,35%. Quanto ao teor deste elemento, podem ser divididos em: •
•
•
•
Baixo carbono - até 0,14% carbono; Aço doce - de 0,15% até 0,29% carbono; Aço de médio carbono - de 0,30% até 0,59% carbono; Aço de alto carbono - de 0,60% até 2,00% carbono.
Os aços de baixo carbono e doce são os grupos mais produzidos por causa de sua relativa resistência e boa soldabilidade.
2.3.2 Aços liga Estes aços apresentam adições intencionais de elementos de liga diferentes do carbono para a obtenção de certas características desejadas. De acordo com o teor total de elementos de liga presentes, podem-se distinguir três classes de aços liga:
____________________________________________ 10
®
SENAI CIMATEC
•
•
•
Aços de baixa liga - com adições de elementos de liga de até 5%; Aços de média liga - com adições entre 5 e 10%; Aços de alta liga - com adições superiores a 10%.
Em geral, a maioria dos aços desta última classe apresenta características que não permitem seu enquadramento na discussão apresentada neste texto.
constituinte da microestrutura martensítico, ferrítico e austenítico. A Tabela 1 lista vários aços inoxidáveis, por classe, juntamente com composição típicas e aplicações. Uma larga faixa de propriedades mecânicas combinadas com excelente resistência à corrosão torna os aços inoxidáveis muito versáteis em sua aplicabilidade.
2.3.3 Aços Inoxidáveis Os aços inoxidáveis são altamente resistentes à corrosão (enferrujamento) numa variedade de ambientes, especialmente o ambiente atmosférico. Seu elemento de liga predominante é o cromo; uma concentração de pelo menos 11%Cr em peso é requerida. A resistência à corrosão pode também ser melhorada por adições de níquel e de molibdênio. Aços inoxidáveis são divididos em 3 classes com base na predominante fase
____________________________________________ 11
®
SENAI CIMATEC
Tabela 1 - Composição química, características e aplicações dos aços inoxidáveis metais em estudo. Fonte: Fabricante VILARES. CLASSE Austenisticos Aço-Inox 304
Ferríticos Aço- Inox 430
Martesíticos Aço-Inox 420
%C
%Mn
%Cr
%Ni
%Mo -
Máx 0,08
Min 2,00
18,3
8,5
Máx 0,12
-
16 a 18
Máx 0, 75
-
Máx 0,15
-
12 a 14
-
-
OBSERVAÇÕES Tem grande aplicação nas indústrias químicas, farmacéuticas, petroquímicas, do álcool, aeronáutica, naval, de arquitetura, alimentícia, de transporte, e também utilizado em talheres, baixelas, pias, revestimentos de elevadores e em muitas outras aplicações. As aplicações do 430 se restringem à aquelas que não precisam de soldagem, ou quando as soldas não são consideradas operações de alta responsabilidade. Por exemplo, uma pia de cozinha pode ser soldada com a mesa, mas não se pode construir um tanque para estocar ácido nítrico (mesmo que o 430 resista muito bem a este ácido). A alta dureza do material temperado (estrutura martensítica) faz com que estes materiais sejam muito utilizados na fabricação de facas. A resistência ao desgaste é muito forte.
____________________________________________ 12
®
SENAI CIMATEC
Fabricação dos Metais 3 Fabricação Ocasionalmente, quem dita se um material é adequado para uma aplicação é a facilidade de produção de uma desejada forma e o custo envolvido. Técnicas de fabricação de metais são os métodos pelos quais metais e ligas são conformados ou manufaturados para darem produtos úteis. Elas são precedidas por refino, por adição de elementos de liga e às vezes por processos de tratamento térmico que produzem ligas com as características desejadas. As classificações das técnicas de fabricação incluem vários métodos, podendo, citar como exemplo; conformação de metais, lingotamento de metais, fundição, soldagem e usinagem; invariavelmente, 2 ou mais deles devem ser usados antes que uma peça seja terminada. Os métodos escolhidos dependem de vários fatores; os mais importantes são as propriedades do metal, o tamanho e a forma da peça terminada e, naturalmente o custo envolvido. 3.2 Operações de conformação Operações de conformação são aquelas nas quais a forma de uma peça de metal é mudada por deformação plástica; por exemplo, forjamento, laminação, extrusão e estiramento são técnicas comuns de conformação. Naturalmente, a deformação deve ser induzida por força ou tensão externa, a magnitude da qual devendo exceder o limite de escoamento do material. Muitos materiais metálicos
3
são especialmente susceptíveis a estes procedimentos, sendo pelo menos moderadamente dúcteis e capazes de deformarem sem trincamento ou fratura. Com a maioria das técnicas de conformação, os procedimentos tanto a quente quanto a frio são possíveis. Para operações de trabalho a quente, grandes deformações são possíveis e as mesmas podem ser sucessivamente repetidas porque o metal remanesce macio e dúctil. Também, requisitos de energia de deformação são menores do que aqueles para trabalho a frio. Entretanto, muitos e muitos metais experimentam alguma oxidação da superfície, que resulta em perda de material. No caso do trabalho a frio, o mesmo produz um aumento na resistência mecânica com um acompanhante decréscimo em ductilidade, de vez que o metal se endurece por deformação; vantagens sobre trabalho a frio incluem uma maior qualidade de acabamento da superfície, melhores propriedades mecânicas e uma maior variedade delas e um mais estreito controle dimensional da peça acabada. Ocasionalmente, a deformação total é executada numa série de etapas nas quais a peça é sucessivamente trabalhada a frio numa pequena quantidade e a seguir recozida, entretanto, este é um procedimento caro e inconveniente. Uma muito breve descrição das técnicas de conformação é ilustrada esquematicamente na Figura 1.
____________________________________________ 13
®
SENAI CIMATEC
(a)
(b)
(c)
(d)
Figura 1 - Deformação de metal durante (a) forjamento; (b) laminação, (c) extrusão e (d) estampagem. Fonte: Callister, 2002.
3.1 Forjamento
Forjamento é realizado por martelamento sobre uma única peça de metal. Sob a ação de forças compressivas, em materiais dúcteis, aplicadas por ferramentas denominadas matrizes ou estampos, a deformação plástica promove o escoamento do material metálico, garantindo a forma da peça a ser produzida. Este processo é capaz de produzir peças das mais variadas formas e tamanhos desde alfinetes e pregos até rotores de turbinas e asas de avião. 3.2 Laminação
Laminação, o mais largamente usado processo de deformação,
consiste em passar uma peça de metal entre 2 rolos; uma redução na espessura resulta a partir de tensões compressivas exercidas pelos rolos. Laminação a frio pode ser usada na produção de chapa, tira e lâmina com alta qualidade de acabamento superficial. Formas circulares bem como vigas em trilhos de ferrovia são fabricadas usando rolos ranhurados. 3.3 Extrusão
Para extrusão, uma barra de metal é forçada através de um orifício numa matriz por uma força compressiva que é aplicada a um êmbolo; a peça extrusada que emerge tem a desejada forma e uma reduzida área de seção reta. Produtos de extrusão incluem hastes e tubulações
____________________________________________ 14
®
SENAI CIMATEC
que têm geometrias de seção reta bastante complicada; tubulação sem costura pode também ser extrusada. 3.4 Estampagem
Entende-se por Estampagem, o processo de fabricação de peças, através do corte ou deformação de chapas em operação de prensagem a frio. As operações de estampagem podem ser resumidas em três básicas etapas: corte, dobramento e embutimento ou repuxo. Com a ajuda da estampagem de chapas, fabricamse peças de aço baixo carbono, aços inoxidáveis, alumínio, cobre e de diferentes ligas não ferrosas. Devido às suas características este processo de fabricação é apropriado, preferencialmente, para as grandes séries de peças, obtendo-se grandes vantagens, tais como: • • •
•
•
Alta produção; Reduzido custo por peça; Acabamento bom, não necessitando processamento posterior; Maior resistência das peças devido à conformação, que causa o encruamento no material; Baixo custo de controle de qualidade devido à uniformidade da produção e a facilidade para a detecção de desvios.
3.5 Fundição
Fundição é um processo de fabricação pelo qual um metal inteiramente liquefeito é vazado na cavidade de um molde de desejada forma; na solidificação, o metal assume a forma do molde, mas experimenta alguma contração. Técnicas de fundição são empregadas quando: (a) a forma acabada é tão grande ou complicada que qualquer outro método seria impraticável;
(b) qualidade e resistência não são considerações importantes (isto é, é aceito que a inevitável existência de defeitos internos e uma estrutura de grão menos desejável conduzem a características mecânicas pobres); (c) uma particular liga é de ductilidade tão baixa que conformação por trabalho quer a quente quer a frio seria difícil; (d) em comparação outros processos de fabricação, fundição é a mais econômica. Além disso, a etapa final no refino mesmo de metais dúcteis pode envolver um processo de fundição. Um número de diferentes técnicas de fundição é comumente empregado, incluindo fundição em areia, fundição em matriz e fundição de investimento, porem não será foco deste estudo. 3.6 Solidificações dos aços
A solidificação dos aços é um processo complexo e suas características afetam a estrutura e as propriedades de uma peça de aço fundido. Seus efeitos persistem, inclusive, numa peça conformada e tratada termicamente. Durante a solidificação de lingotes, os gases são liberados em quantidades dependentes das originalmente presentes no aço líquido. O principal componente gasoso é o oxigênio que, na forma de FeO, reage com o C, produzindo CO. Os gases, que evoluem nas porções ainda líquidas do lingote, podem ser aprisionados nas interfaces sólido-líquido produzindo bolhas gasosas. A adição de elementos desoxidantes ao aço líquido diminui a quantidade de oxigênio dissolvido e o grau de desoxidação determina quatro tipos de aços: acalmado, semiacalmado, capeado e efervescente, figura 3.
____________________________________________ 15
®
SENAI CIMATEC
(a)
(b)
(c)
(d)
Figura 2 - Estrutura dos lingotes. (a) acalmado, (b) semi-acalmado, (c) capeado e (d) efervescente. A linha pontilhada indica a altura original do aço líquido. Fonte: Modenesi, 2002.
aço líquido impediu a formação de bolhas na parte inferior do lingote; • Aço capeado (Figura 2c): a evolução de gás no início da solidificação foi muito intensa, mas a sua intensidade foi reduzida tapando-se a lingoteira e aumentando-se assim a pressão ferrostática; • Aço efervescente (Figura 2d): a reação de efervescência ocorreu intensa e livremente e a sua contração de volume devida à solidificação foi compensada pela formação de bolhas.
Aço acalmado (Figura 2a): nele não se forma nenhuma quantidade de gás. Sua superfície superior é levemente côncava e, diretamente abaixo do topo, existe uma cavidade de rechupe interrompida intermitentemente. Em geral, estes aços são vazados em lingoteiras com cabeça quente de tipo refratário, para confinar a cavidade de rechupe ao massalote, que posteriormente é cortado; • Aço semi-acalmado (Figura 2b): nele evolui uma quantidade reduzida de gases, mas suficiente para compensar totalmente a contração de volume devida à solidificação. A pressão ferrostática exercida pelo •
____________________________________________ 16
®
SENAI CIMATEC
Estrutura Cristalina 4.1 Grãos e contornos de grão
À medida que o metal é resfriado até seu ponto de solidificação, um pequeno agrupamento de átomos começa a se arranjar numa estrutura cristalina. Esses pequenos cristais espalhados no meio líquido encontramse orientados em todas as direções e, à medida que a solidificação continua mais cristais se formam a partir do metal líquido circundante. Normalmente os cristais assumem a forma de dendrítas, ou de uma estrutura em forma de árvore. Com a continuação do processo de solidificação os cristais começam a se tocar, dificultando sua liberdade de crescimento, de modo que o líquido remanescente se solidifica na forma de cristais adjacentes até o término da solidificação. Agora o sólido compõe-se de cristais individuais usualmente em orientações diferentes. O encontro dos cristais entre si é denominado contorno de grão (Figura 4). Com a continuação do processo de solidificação pode ser observado que os grãos no centro são menores e possuem uma textura mais fina que os grãos localizados nos limites exteriores dos moldes e/ou cadinhos. Muitos fenômenos singulares que afetam as propriedades mecânicas de uma liga a baixas e a altas temperaturas ocorrem em contornos de grão, onde o ordenamento dos átomos é irregular. Uma série de condições influencia o tamanho de grão inicial. É importante saber que a taxa de resfriamento e a temperatura têm
4 grande influência na estrutura de grãos recentemente solidificada e no tamanho de grão. Existem muitos vazios ou átomos ausentes nos contornos de grão. Os espaços entre os átomos podem ser maiores que o normal, permitindo que átomos individuais se desloquem com relativa facilidade. Por causa disso, a difusão dos elementos (o movimento dos átomos individuais) através da rede cristalina, geralmente acontece mais rapidamente nos contornos de grão que em seu interior.
Figura 3 - Contorno de grão (esquemático). Fonte: Callister, 2002. Para sumarizar essa seção deve ser compreendido que todos os metais se compõem de cristais (grãos). A forma e as características dos cristais são determinadas pelo arranjo de seus átomos. O arranjo atômico de um elemento pode mudar a diferentes temperaturas, sendo que esse arranjo
____________________________________________ 17
®
SENAI CIMATEC
atômico — ou a microestrutura — determina as propriedades dos metais. 4.2 Estruturas cristalinas
Ao se observar no microscópio metalográfico a seção de um metal puro, polida e atacada convenientemente, pode-se notar que este é formado por grãos separados entre si por contornos de grãos (figura 5). O nível atômico, os grãos são formados por um arranjo de átomos que pode ser descrito pela repetição, nas três dimensões, de uma unidade básica (célula unitária), isto é, um agrupamento de um pequeno número de átomos com uma configuração característica. Este arranjo de átomos forma a estrutura cristalina do material. Existem diferentes tipos de células unitárias e, portanto, diferentes tipos de estruturas cristalinas na natureza. A grande maioria dos metais,
contudo, existe em uma, ou mais, de três estruturas básicas: Cúbica de Corpo Centrado (CCC), Cúbica de Face Centrada (CFC) e Hexagonal Compacta (HC), figura 6. A tabela 2 apresenta a estrutura cristalina de alguns metais puros comuns. O tipo de estrutura cristalina confere diversas características particulares a um dado metal. Por exemplo, aqueles que se cristalizam no sistema CFC tendem a apresentar, mais fortemente do que os demais, características típicas de metais, isto é, apresentam elevadas ductilidade, tenacidade e condutividades térmicas e elétricas. Alguns metais mudam de forma cristalina em função da temperatura e pressão.
Figura 4 - Representação da região soldada de uma peça de metal, indicando os contornos de grãos. Fonte: Wainer, 2005.
____________________________________________ 18
®
SENAI CIMATEC
Figura 5 - Estruturas cristalinas mais comuns dos sólidos metálicos. As dimensões a e c são os parâmetros de rede. Fonte: Silva, 2005. Tabela 2 - Estrutura Cristalina de alguns metais puros. Estrutura Exemplos Cristalina CCC Fe (abaixo de 910º), Cr, V, Mo, W, Nb CFC Fe (entre 910 e 1390º), Al, Ag, Au, Cu, Ni, Pt HC Zn, Mg, Be, Zr Embora os metais puros sejam eventualmente utilizados industrialmente, é muito mais comum se trabalhar com ligas, que são formadas pela mistura de um metal com um ou mais elementos diferentes, metálicos ou não (elementos de liga). Por outro lado, a quase totalidade das ligas e mesmos os metais considerados como "puros" contêm quantidades variáveis de elementos residuais, ou impurezas. A presença de elementos de liga e de impurezas pode causar alterações importantes nas propriedades do metal. Por exemplo, a presença de carbono no ferro (aço) ou de zinco no cobre (latão) tende a aumentar a resistência mecânica e a dureza e a reduzir a condutividade térmica.
4.3 Influências dos elementos de liga
Ligar é o processo de adicionar um metal ou um não metal aos metais puros tais como cobre, alumínio ou ferro. Desde o tempo em que se descobriu que as propriedades dos metais puros poderiam ser melhoradas adicionando-se outros elementos, os aços ligados tornaram-se mais conhecidos. Deve ser entendido que a adição de elementos a um metal puro pode influenciar a forma cristalina da liga resultante. Se um metal puro possuir características alotrópicas (capacidade de um metal alterar sua estrutura cristalina) a uma temperatura específica, então essa característica ocorrerá a uma faixa de temperatura no metal ligado, e não a uma determinada temperatura como é típico de metais puros. A faixa à qual a mudança ocorre pode ser estreita ou larga, dependendo das ligas e das quantidades de elementos de liga adicionados. Todas essas transformações induzidas por elementos de liga dependem do aporte térmico e da taxa de resfriamento.
____________________________________________ 19
®
SENAI CIMATEC
Esses fatores são controlados na siderúrgica, mas como a atividade de soldagem envolve aquecimento e resfriamento heterogêneos do metal, é necessário um cuidado especial durante a soldagem de aços de baixa, média e alta liga. As propriedades mais importantes que podem ser melhoradas pela adição de pequenas quantidades de elementos de liga são a dureza, a resistência mecânica, a ductilidade, soldabilidade e a resistência à corrosão. Os elementos de liga mais comuns e seus efeitos nas propriedades dos aços são os seguintes: Carbono (C) O carbono é o elemento mais eficaz, mais empregado e de menor custo disponível para aumentar a dureza e a resistência dos aços. Uma liga contendo até 2,0% de carbono em combinação com o ferro é denominada aço, enquanto que a combinação com teor de carbono acima de 2,0% é conhecida como ferro fundido. Embora o carbono seja um elemento de liga desejável, teores altos desse elemento podem causar problemas; por isso, é necessário um cuidado especial quando se soldam aços de alto teor de carbono e ferro fundido. Enxofre (S)
Manganês (Mn) O manganês em teores até 1,0% está normalmente presente em todos os aços de baixa liga como agente desoxidante ou dessulfurante. Isso significa que ele prontamente se combina com o oxigênio e o enxofre para neutralizar o efeito indesejável que esses elementos possuem quando estão em seu estado natural. O manganês também aumenta a resistência à tração e a temperabilidade dos aços. Cromo (Cr) O cromo, combinado com o carbono, é um poderoso elemento de liga que aumenta a dureza dos aços. Adicionalmente as suas propriedades de endurecimento, o cromo aumenta a resistência à corrosão e a resistência do aço a altas temperaturas. É o principal elemento de liga dos aços inoxidáveis. Níquel (Ni) A principal propriedade do aço que é melhorada pela presença do níquel é sua ductilidade ou sua tenacidade ao entalhe. A esse respeito é o mais eficaz dos elementos de liga para melhorar a resistência ao impacto do aço a baixas temperaturas. Molibdênio (Mo)
O enxofre é normalmente um elemento indesejável no aço porque causa fragilidade. Pode ser deliberadamente adicionado para melhorar a usinabilidade do aço. O enxofre causa a quebra dos cavacos antes que eles se enrolem em longas fitas e obstruam a máquina. Normalmente todo esforço é feito para reduzir o teor de enxofre para o menor nível possível porque ele pode criar dificuldades durante a soldagem.
O molibdênio aumenta fortemente a profundidade de têmpera característica do aço. É muito usado em combinação com o cromo para aumentar a resistência do aço a altas temperaturas. Esse grupo de aços é referido como aços ao cromomolibdênio.
____________________________________________ 20
®
SENAI CIMATEC
Silício (Si)
Nióbio (Nb)
A função mais comum do silício nos aços é como agente desoxidante. Normalmente aumenta a resistência dos aços, mas quantidades excessivas podem reduzir a ductilidade.
O nióbio é empregado em aços inoxidáveis austeníticos como estabilizador de carbonetos. Já que o carbono nos aços inoxidáveis diminui a resistência à corrosão, um dos modos de torná-lo ineficaz é a adição de nióbio, que possui maior afinidade pelo carbono que o cromo, deixando este livre para a proteção contra a corrosão.
Fósforo (P) O fósforo é considerado um elemento residual nocivo nos aços porque reduz fortemente sua ductilidade e tenacidade. Normalmente todo esforço é feito para reduzir o teor de fósforo para os menores níveis possíveis. Entretanto, em alguns aços o fósforo é adicionado em quantidades muito pequenas para aumentar sua resistência.
Tungstênio (W) O tungstênio é usado nos aços para dar resistência a altas temperaturas. Ele também forma carbonetos que são extremamente duros e, portanto possuem excepcional resistência à abrasão.
Alumínio (Al)
Vanádio (V)
O alumínio é basicamente empregado como um agente desoxidante dos aços. Ele pode também ser adicionado em quantidades muito pequenas para controlar o tamanho dos grãos.
O vanádio mantém o tamanho de grão pequeno após tratamento térmico. Ele também ajuda a aumentar a profundidade de têmpera e resiste ao amolecimento dos aços durante os tratamentos térmicos de revenimento. Nitrogênio (N)
Cobre (Cu) O cobre contribui fortemente para aumentar a resistência à corrosão dos aços carbono pelo retardamento da formação de carepa à temperatura ambiente.
Usualmente é feito todo esforço para eliminar o hidrogênio, o oxigênio e o nitrogênio dos aços porque sua presença causa fragilidade. O nitrogênio tem a capacidade de formar estruturas austeníticas; por isso, é ocasionalmente adicionado aos aços inoxidáveis austeníticos.
____________________________________________ 21
®
SENAI CIMATEC
Comportamento Mecânico
5
5 Propriedades dos materiais 5.1 Ensaio de Tração
Todos os campos da tecnologia, especialmente aqueles referentes à construção de máquinas e estruturas, estão intimamente ligados aos materiais e às suas propriedades. Tomando como base as mudanças que ocorrem nos materiais, essas propriedades podem ser classificadas em dois grupos: • •
Físicas; Químicas.
Se colocarmos água fervente num copo descartável de plástico, o plástico amolece e muda sua forma. Mesmo mole, o plástico continua com sua composição química inalterada. A propriedade de sofrer deformação sem sofrer mudança na composição química é uma propriedade física. Por outro lado, se deixarmos uma barra de aço-carbono (ferro + carbono) exposta ao tempo, observará a formação de ferrugem (óxido de ferro: ferro + oxigênio). O aço-carbono, em contato com o ar, sofre corrosão, com mudança na sua composição química. A resistência à corrosão é uma propriedade química. Entre as propriedades físicas, destacam-se as propriedades mecânicas, que se referem à forma como os materiais reagem aos esforços externos, apresentando deformação ou ruptura. Todas essas características dos materiais são conhecidas a partir dos ensaios de materiais.
As propriedades mecânicas constituem as características mais importantes dos metais para sua aplicação no campo da engenharia, visto que o projeto e a execução das estruturas metálicas, assim como a confecção dos componentes mecânicos são baseados no seu conhecimento. As propriedades mecânicas definem o comportamento de um material quando sujeito a esforços mecânicos e correspondem às propriedades que, indicam a sua capacidade de transmitir e resistir aos esforços que lhe são aplicados, sem romper ou sem que se verifiquem deformações incontroláveis. Esses esforços mecânicos são os mais variados. Talvez as questões mais simples que possa ser feita sobre um material estrutural sejam: (a) “Quão forte ele é?” (b) “Quanta deformação eu devo esperar dada certa carga?” Essa descrição básica é respondida de acordo com o ensaio de tração. A facilidade de execução e a reprodutividade dos resultados tornam o ensaio de tração o mais importante de todos. O ensaio consiste na aplicação de um carregamento necessário para produzir um determinado alongamento a uma velocidade constante. Uma curva tensão versus deformação é uma
____________________________________________ 22
®
SENAI CIMATEC
resposta de imediato desse teste (Figura 6). A Figura 7 apresenta a forma do corpo de prova utilizado para a realização do ensaio de tração.
Deformação é definida como a variação de uma dimensão ( ∆L) qualquer do corpo de prova em que estar sendo analisado, por unidade da mesma dimensão (L 0), quando o mesmo é submetido a um esforço qualquer. A equação 2 a seguir representa esse fenômeno. A deformação deve ser apresentada em forma de porcentagem, pois se trata de uma medida adimensional, conforme pode ser observado na equação. ε =
Figura 6 – Esquema básico da curva tensão versus deformação.
Lf − L0 L0
=
L L0
∆
(2)
O esforço aplicado nesse ensaio é axial e normal a uma seção transversal do corpo de prova, podendo essa tensão ser considerada uma tensão normal. A tensão normal é considerada positiva quando o esforço é de tração e negativa no sentido de compressão.
5.1.2 Corpos de prova Figura 7 – Esquema do formato de corpo de prova para o ensaio de tração. Fonte: Souza, 1982. Onde: L0 comprimento útil inicial Lf comprimento útil final. Tensão é definida como a resistência interna de um material a uma força externa (F) aplicada sobre ele, por unidade de área (A 0). Matematicamente a tensão é representada pela equação 1 abaixo. A unidade de medida utilizada é N/m 2 no sistema internacional de unidades (SI). σ =
F A 0
(1)
O ensaio de tração é feito em corpos de prova com características especificadas de acordo com normas técnicas. Suas dimensões devem ser adequadas à capacidade da máquina de ensaio e a quantidade de material disponível. Normalmente utilizam-se corpos de prova de seção circular ou de seção retangular (chapa), dependendo da forma e tamanho do produto acabado do qual foram retirados. A parte útil do corpo de prova, identificada na figura 9 por L 0, é a região onde são feitas as medidas das propriedades mecânicas do material. Entre as cabeças e a área útil há um raio de concordância para evitar que a ruptura ocorra fora da parte útil do corpo de prova e que possa ser distribuída toda a tensão (L 0). Segundo
____________________________________________ 23
®
SENAI CIMATEC
a ABNT, o comprimento da parte útil dos corpos de prova utilizados nos ensaios de tração deve corresponder a 5 (cinco) vezes o diâmetro da seção da parte útil. Por acordo internacional, sempre que possível um corpo de prova deve ter 10 mm de diâmetro e 50 mm de comprimento inicial. Não sendo possível a retirada de um corpo de prova deste tipo, deve-se adotar um corpo com dimensões proporcionais a essas. Corpos de prova com seção retangular são geralmente retirados de placas, chapas ou lâminas. Corpos de prova podem ser obtidos a partir da matéria-prima ou de partes específicas do produto acabado.
5.1.3 Determinação do limite elástico ou de proporcionalidade O limite elástico é a máxima tensão a que uma peça pode ser submetida sem que ocorra deformação permanente. A determinação desse limite deveria ser feita por carregamentos e descarregamentos sucessivos, até que se alcançasse uma tensão que mostrasse, com precisão, uma deformação permanente. Este processo é muito trabalhoso e não faz parte dos ensaios de rotina. Porém, devido à importância de se conhecer o limite elástico, em 1939 um cientista chamado Johnson propôs um método para determinar um limite elástico aparente, que ficou conhecido como limite Johnson. Essa propriedade é representada pelo ponto (P) onde a deformação deixa de ser proporcional a tensão aplicada, ou seja, perde a linearidade, conforme pode ser observado na Figura 8.
Figura 8 – Curva carregamento versus deformação. Fonte: Callister, 2002. O limite de escoamento é, em algumas situações, alternativa ao limite elástico, pois também delimita o início da deformação permanente (um pouco acima). Ele é obtido verificando o patamar formado na curva tensão versus deformação. Com esse dado é possível calcular o limite de escoamento do material. Entretanto, vários metais não apresentam esse patamar definido, e mesmo nas ligas em que ocorre ele não pode ser observado, na maioria dos casos, porque acontece muito rápido e não é possível detectá-lo (Figura 8). Por essas razões, foram convencionados alguns valores para determinar este limite. O valor convencionado (n) corresponde a um alongamento percentual. Os valores de uso mais freqüente são: •
n = 0,2%, para metais e ligas metálicas em geral;
____________________________________________ 24
®
SENAI CIMATEC
•
•
n = 0,1%, para aços ou ligas não ferrosas mais duras; n = 0,01%, para aços-mola.
Graficamente, o limite de escoamento dos materiais citados pode ser determinado pelo traçado de uma linha paralela ao trecho reto do diagrama tensão-deformação, a partir do ponto n. Quando essa linha interceptar a curva, o limite de escoamento estará determinado. Se o gráfico obtido no ensaio for expresso l, como Força versus faz-se necessário encontrar o valor de l em mm que corresponda ao alongamento recomendado ou convencional n. Por exemplo, se n=0,2% significa que ε=0,002.
5.1.4 Módulo de Elasticidade O módulo de elasticidade é a medida da rigidez do material, propriedade característica de cada material, onde quanto maior o módulo, menor será a deformação elástica resultante da aplicação de uma tensão e mais rígida será o material. Para projetos onde a deformação deve permanecer baixa, o módulo de elasticidade é um valor importante a se levar em conta, devendo-se escolher um material que tenha esse valor suficientemente alto para suportar grandes tensões com pequena deformação elástica. O modulo elástico é determinado pelas forças de ligação entre os átomos de um metal, onde essas forças são constantes para cada estrutura que o metal apresente, sendo influenciada de forma inversamente pela temperatura, ou seja, aumentando-se a temperatura o valor do modulo decresce. A medida de E é feita pela tangente da reta característica da zona elástica, traçando-se a curva tensãodeformação na zona elástica com a
maior precisão possível. Poderá ser calculado a partir da tensão, dividido pela deformação ε obtida a partir do l correspondente à força aplicada, conforme equação 3 abaixo.
E =
σ ε
(3)
5.1.5 Limite de Resistência O limite de resistência é calculado pela carga máxima atingida no ensaio, por meio da curva tensão versus deformação (Figura 9). Embora o limite de resistência seja uma propriedade fácil de se obter, o seu valor serve para especificar o material, do mesmo modo que a analise química identifica o material. Essa propriedade é influenciada pela anisotropia de metais trabalhados mecanicamente. Para materiais frágeis, o limite de resistência é um critério valido para projetos, pois nesse caso, o escoamento é muito difícil de ser determinado e a diminuição da área é desprezível por causa da pequena zona plástica que esses materiais apresentam.
Figura 09 – Curva tensão versus deformação.
____________________________________________ 25
®
SENAI CIMATEC
5.3 Ensaio de Dureza
Ao escrever a lápis ou lapiseira, você sente com facilidade a diferença entre uma grafite macia, que desliza suavemente sobre o papel, e uma grafite dura, que deixa o papel marcado. Entretanto, a dureza de um material é um conceito relativamente complexo de definir, originando diversas interpretações. Num bom dicionário, você encontra que dureza é: qualidade ou estado de duro, rijeza. Duro, por sua vez, é definido como difícil de penetrar ou de riscar, consistente, sólido. Essas definições não caracterizam o que é dureza para todas as situações, pois ela assume um significado diferente conforme o contexto em que é empregada: Na área da metalurgia, considera-se dureza como a resistência à deformação plástica permanente. Isso porque uma grande parte da metalurgia consiste em deformar plasticamente os metais. Na área da mecânica, é a resistência à penetração de um material duro no outro, pois esta é uma característica que pode ser facilmente medida. Para um projetista, é uma base de medida, que serve para conhecer a resistência mecânica e o efeito do tratamento térmico ou mecânico em um metal. Além disso, permite avaliar a resistência do material ao desgaste.
5.3.1 Dureza Brinell
Para um técnico em usinagem, é a resistência ao corte do metal, pois este profissional atua com corte de metais, e a maior ou menor dificuldade de usinar um metal é caracterizada como maior ou menor dureza. Para um mineralogista é a resistência ao risco que um material pode produzir em outro. É importante destacar que, apesar das diversas definições, um material com grande resistência à deformação plástica permanente também terá alta resistência ao desgaste, alta resistência ao corte e será difícil de ser riscado, ou seja, será duro em qualquer uma dessas situações. Sob esse ponto de vista, pode-se dividir o ensaio de dureza em três tipos principais: (a) por penetração, (b) por choque e (c) por risco. O terceiro tipo raramente usado para metais, sendo mais utilizada para materiais poliméricos, já o segundo tipo relaciona vários minerais e outros materiais quanto à possibilidade de um riscar o outro (Escala de Mohs). Esse tipo consiste em uma tabela de 10 minerais padrões arranjados na ordem crescente da possibilidade de ser riscado pelo mineral seguinte. A dureza por penetração é a mais largamente utilizada e citada nas especificações técnicas do ramo da metalurgia e da mecânica. Serão vistos as durezas por penetração Brinell, Rockwell e Vickers. durante um tempo t, produzindo uma calota esférica de diâmetro d, conforme Figura 10.
Em 1900, J. A. Brinell divulgou este ensaio, que passou a ser largamente aceito e padronizado, devido à relação existente entre os valores obtidos no ensaio e os resultados de resistência à tração. O ensaio de dureza Brinell consiste em comprimir lentamente uma esfera de aço de diâmetro D, sobre uma superfície plana, polida e limpa de um metal, por meio de uma carga Q, ____________________________________________ 26
®
SENAI CIMATEC
Figura 10 – Método para obtenção da dureza Brinell. Fonte: Callister, 2002.
O ensaio é baseado na profundidade de penetração de uma ponta, subtraída da recuperação elástica devida a retirada de uma carga maior e da profundidade causada pela aplicação de uma carga menor. Após a aplicação e retirada da carga maior, a profundidade da impressão é dada diretamente no mostrador da maquina. A Figura 11 apresenta o esquema de aplicação de carga para o ensaio de dureza Rockwell.
A dureza Brinell é representada pelas letras HB. Essa representação vem do inglês Hardness Brinell, que quer dizer dureza Brinell. A dureza Brinell (HB) é a relação entre a carga aplicada (Q) e a área da calota esférica impressa no material ensaiado (Ac), a qual relaciona com os valores de D e d, conforme equação 4.
HB =
Q Q 2Q = = (4) Ac π D .p π D (D − D 2 − d 2 )
5.3.2 Dureza Rockwell O ensaio Rockwell, que leva o nome do seu criador, é hoje o processo mais utilizado no mundo inteiro, devido à rapidez e à facilidade de execução, isenção de erros humanos, facilidade em detectar pequenas diferenças de durezas e pequeno tamanho da impressão. A leitura do grau de dureza é feita diretamente num mostrador acoplado à máquina de ensaio, de acordo com uma escala predeterminada, adequada à faixa de dureza do material. Os penetradores utilizados na máquina de ensaio de dureza Rockwell são do tipo esférico (esfera de aço temperado) ou cônico (cone de diamante com 120º de conicidade).
Figura 11 – Método de obtenção da dureza Rockwell. Fonte: Calliester, 2002. O durômetro (maquina) vem provido de escalas justapostas que servem para todos os tipos de dureza Rockwell existentes, essas escalas são baseadas na profundidade da penetração e são designadas por letras (A, B, C, etc).
5.3.3 Dureza Vickers O ensaio desenvolvido por Smith e Sandland em 1925, ficou conhecido como ensaio de dureza Vickers, pois a empresa que fabricava
____________________________________________ 27
®
SENAI CIMATEC
as máquinas mais difundidas para operar com este método chamava-se Vickers-Armstrong. Essa dureza se baseia na resistência que o material oferece à penetração de uma pirâmide de diamante de base quadrada e ângulo entre faces de 136º, sob uma determinada carga. A Figura 12 apresenta a impressão do penetrador na peça ensaiada utilizando o método Vickers.
será possível fazer a medida das diagonais tão quanto dos lados. A partir das medições realizadas, pode-se determinar d, conforme equação 6. d =
d 1 + d 2 2
(6)
As impressões são extremamente pequenas e, na maioria dos casos, não inutilizam as peças, mesmo as acabadas. O penetrador, por ser de diamante, é praticamente indeformável. Este ensaio aplica-se a materiais de qualquer espessura, e pode também ser usado para medir durezas superficiais. Por outro lado, devem-se tomar cuidados especiais para evitar erros de medida ou de aplicação de carga, que alteram muito os valores reais de dureza.
Figura 12 – Impressão Vickers. A dureza Vickers (HV) é independente da carga, isto é, o numero de dureza obtido é o mesmo qualquer que seja a carga utilizada para materiais homogêneos. Essa carga pode varia de 1 ate 120 kgf. O valor de dureza Vickers (HV) é o quociente da carga aplicada (Q) pela área de impressão (A) deixada no corpo ensaiado, conforme equação 5.
HV =
Q A
2 Qsen =
d
2
136 2
=
1,8544 Q d
2
(5)
A máquina não irá fornecer a área marcada pela impressão, no entanto, com auxilio do microscópio
____________________________________________ 28
®
SENAI CIMATEC
Diagramas de Equilíbrio
6
Diagramas de equilíbrio
Como discutido nas seções anteriores, quando um metal líquido é resfriado, seus átomos se arranjam em um modelo cristalino regular, e dizemos que o líquido se solidificou ou se cristalizou. Todos os metais se solidificam na forma cristalina. Num cristal os átomos ou as moléculas são mantidos numa posição determinada e não estão livres para se movimentar como as moléculas de um líquido ou de um gás. Esse posicionamento determinado é conhecido como rede cristalina. À medida que a temperatura de um cristal é aumentada, mais energia térmica (calor) é absorvida pelos átomos ou moléculas, e seu movimento de vibração aumenta. À medida que a distância entre os átomos aumenta, o arranjo cristalino se desfaz e o cristal se funde. Se a rede contiver apenas um tipo de átomo, como no ferro puro, as condições serão as mesmas em todos os pontos da rede, e o cristal fundir-se-á a uma determinada temperatura. Entretanto, se a rede contiver dois ou mais tipos de átomos como em qualquer aço liga, a fusão pode se iniciar a uma temperatura, mas não ocorrer de forma completa até que seja atingida uma temperatura mais alta. Isso cria uma situação em que existe uma combinação de líquido e sólido dentro de uma faixa de temperaturas.
6
Cada metal possui uma estrutura cristalina característica que se forma durante a solidificação e assim permanece enquanto o material permanecer na temperatura ambiente. Entretanto, alguns metais podem sofrer alterações na estrutura cristalina à medida que a temperatura muda, fenômeno conhecido como transformação de fase. Fase é uma porção química e estruturalmente homogênea da microestrutura. O diagrama de fases ou de equilíbrio é qualquer representação gráfica das variáveis de estado associadas às microestruturas por meio da regra de fases de Gibbs, que apresenta a relação geral entre a microestrutura e as variáveis de estado, conforme equação 7. F = C − P + 2
(7)
onde F é o numero de graus de liberdade, C é o numero de componentes e P é o numero de fases. O tipo mais simples de diagrama de fases é aquele associado aos sistemas binários em que dois componentes exibem solução sólida completa, conforme pode ser observado na Figura 13.
____________________________________________ 29
®
SENAI CIMATEC
Figura 13 – Diagrama de fases binário Cu-Ni. Fonte: Callister, 2003. Observa que o diagrama mostra a temperatura como à variável na escala vertical e a composição como variável horizontal. Para temperaturas relativamente altas, qualquer composição terá se fundido completamente, dando origem a fase liquida. Em temperaturas relativamente baixas, existe um único campo de fase de solução sólida. Entre os dois campos monofásicos existe uma região bifásica, onde coexiste a fase liquida e a fase solida. A linha superior que delimita a região monofásica (liquida) da bifásica é chamada de linha liquidus e a linha inferior é chamada de linha solidus. Para qualquer ponto de equilíbrio
dentro da região bifásica (duas fases) pode ser determinada a composição de cada fase que compõe a solução sólida por meio da regra da alavanca. Uma linha de amarração que passa pelo ponto de equilíbrio e interliga as linhas liquidus e solidus (Figura 13). A composição da fase liquida é dada pelo ponto de interseção com a linha liquidus, já a composição da fase solidus é dada pelo ponto de interseção com a linha solidus. Matematicamente a regra da alavanca pode ser representada da seguinte forma: S (%) =
AB AC
L (%) =
BC AC
____________________________________________ 30
®
SENAI CIMATEC
Diagrama Ferro Carbono 7 Diagrama Ferro Carbono Desde um simples parafuso usado na fixação de uma estante até tubulações industriais, trocadores de calor, caldeiras, tornos mecânicos etc. Todos esses produtos são produzidos a partir de uma liga Fe-C. Cabem ao profissional entender suas características para poder escolher em que será empregado, bem como interpretar seu uso efetivo em muitos sistemas em uso. É nele também que podemos visualizar o campo dos aços e ferros fundidos e saber sua diferença. A compreensão do diagrama Fe-C é extremamente importante, pois através dele é possível obter
7
informações sobre a microestrutura das ligas de Fe-C em função da temperatura e composição. Seria impossível falar de operações como, tratamento térmico, soldagem e processos de conformação, sem entender o diagrama de fases, em especial o diagrama Fe-C (Figura 14). Para um perfeito entendimento do diagrama vamos ficar a par de alguns termos utilizados bem como os microconstituintes, suas respectivas localizações no mapa bem como as linhas e temperaturas.
Figura 14 – Diagrama de fases Ferro – carbono. Fonte: Callister, 2002.
____________________________________________ 31
®
SENAI CIMATEC
Para o diagrama de fases Fe-C pode ser identificado dois pontos em que a transformação de fases acontece de forma direta, sem o intermédio de soluções sólidas intermediárias (Figura14). Em temperaturas relativamente altas a transformação da total da região liquida numa mistura de fases sólidas, acontece a uma composição de 4,3% de carbono, onde pode ser chamado de ponto eutético. Para temperaturas baixas a transformação acontece a uma composição de 0,76% de carbono, que pode ser chamado de ponto eutetóide, onde toda a fase sólida se transforma em duas fases sólidas distintas. Essas transformações podem ser representadas pelas as seguintes reações. L ( eutético ) → γ + Fe 3C γ ( eutetóide ) → α + Fe 3C
Ao observar o diagrama de equilíbrio Fe-C nota-se que o carbono varia de 0% até 6,7%, bem como muitos microconstituintes que iremos conceituar e relatar suas características a seguir.
composição fixa, sendo por isso constituinte mais duro dos aços, riscando o quartzo, mas extremamente frágil. Não se sabendo com precisão seu ponto de fusão e nem a sua baixa resistência, a tração. Seu sistema cristalino é ortorrômbico. Austenita Microconstituinte que se apresenta neste diagrama somente acima de 723º, até a fusão dos aços em geral. É uma solução solida intersticial do carbono no ferro (estrutura cúbica de faces centradas), com o carbono variando de 0% de C até 2,05% C na temperatura de 1130ºC. Admite, portanto uma quantidade de carbono, em solução quase 200 vezes a da ferrita. A austenita é relativamente não muito dura, apresentando ductilidade. A maioria das operações de conformação a quente dos aços e o caldeamento são realizados no campo austenítico, assim como muitos tratamentos térmicos. Perlita Mistura mecânica lamelar de ferrita e cementita é o microconstituinte único para os aços com 0,8%C de carbono, originando-se pela decomposição eutetóide de austenita de composição definida de 0,8%C.
Ferrita Solução sólida intersticial do carbono no ferro, na estrutura cúbica de corpo centrado, com o carbono variando de 0,008% C até um máximo de 0,025% C à 723ºC, resistindo até 910ºC. Caracteriza-se pela baixa resistência mecânica, bom alongamento e boa ductilidade. Cementita Carboneto de ferro ou Fe 3C, composto intermetálico, com 6,7% de C
7.1
Analise de resfriamento
lento
O diagrama de fases Fe-C fica divido segundo a quantidade de carbono. Para os aços 0,008 - %C 2,05, ou seja, a para que uma liga Fe-C seja um aço ela tem de esta compreendida nesta faixa; Os aços ainda tem uma classificação segundo a solubilidade do carbono que é:
____________________________________________ 32
®
SENAI CIMATEC
Aço hipereutetóide (Ferrita contorno + perlita) 0,008 %C 0,8; •
•
no
Aço eutetóide (só perlita) %C = 0,8;
Aço hipereutetóide (cementita no contorno + perlita) 0,8 < %C < 2,05. •
E para os ferros fundidos que irão variar de 2,05%C até 6,7%C podemos dividir da seguinte forma: Ferro Fundido Hipoeutético (dendritos pró eutéticos de perlita) 2,05 < %C < 4,3; •
•
Ferro fundido Eutético %C = 4,3;
Ferro fundido hipereutético (cristais pro eutéticos de cementita) 4,3 < %C 6,7. No ponto eutético a liga sai do estado liquido e solidifica-se isotermicamente formando duas fases, ou seja, austenita mais cementita. No ponto eutetóide a liga já se encontra no estado sólido mudando apenas a microestrutura isotermicamente austenita, transformando-se em ferrita mais cementita. Como auxilio no diagrama simplificado vamos agora analisar o resfriamento lendo do aço eutetóide, do estado liquido até a temperatura ambiente. •
Figura 15 – Diagrama Fe-C: Região eutetóide. Na Figura 15 existem pontos marcados os quais indicam temperaturas específicas onde iremos identificar quais as microestruturas presentes. • •
•
T1 - 100% Liquido; T2 - Inicia-se a solidificação formando austenita; T3 - Dendritos de austenita em um meio líquido. Aqui podemos calcular por meio da regra da alavanca o percentual de liquido e sólido, que neste caso o sólido será 100% de austenita.
Para saber os valores de A e C basta buscar na abscissa da composição (Figura 16).
____________________________________________ 33
®
SENAI CIMATEC
E agora temos o resultado do percentual líquido que é de 62,5%. Continuando o resfriamento da liga eutetóide temos: •
•
•
T4 - 100% de grãos de austenita. A liga no estado sólido tem 0,8% de carbono e 99,2% de ferro; T5 - acontece a mudança de para isotermicamente; T6 - Imediatamente abaixo de 727ºC, os grãos de perlita envolvidos por ferrita pro eutetóide ou primária.
Para calcular o percentual de ferrita e cementita abaixo de 727ºC, usamos para A = 0,022 B = 0,8 e C= 6,7 (figura 11). Assim, podemos calcular usando a regra da alavanca.
BC 6,7 − 0,76 → α = .100 6,7 − 0,022 AC α = 88,34% α =
Figura 16 – Braço de amarração. Neste caso temos para A = 0,5 B = 0,76 (aproximadamente 0,8) e C = 1,3. Aplicando a regra da alavanca temos:
γ =
BC
→ γ =
AC
1,3 − 0,76 .100→γ = 37,5% 1,3 − 0,5
AB AC 0,76 − 0,022 Fe 3C = .100 6,7 − 0,022 L = 11,66 % Fe 3C =
Entendemos então que a liga eutetóide possui imediatamente abaixo de 727ºC 88,34% de ferrita e 11,66% de cementita.
Assim podemos interpretar o resultado da seguinte forma, 37,5% representa o percentual sólido à temperatura analisada. No entanto ainda falta calcular o percentual líquido. L =
AB
→ L =
AC
0,76 − 0,5 1,3 − 0,5
.100→ L = 62,5%
____________________________________________ 34
®
SENAI CIMATEC
Tratamentos Térmicos 8 Tratamentos térmicos Tratamentos térmicos podem ser definidos como processos em que um metal, no estado sólido, é submetido a um ou mais ciclos de aquecimento e resfriamento para alterar, de forma desejada, uma ou mais de suas propriedades. Os aços podem ser submetidos a diferentes tratamentos térmicos visando um dos seguintes objetivos: •
•
•
•
• •
•
Remover as tensões induzidas pelo trabalho a frio ou remover as tensões originadas por resfriamento não uniforme de peças aquecidas; Diminuir a dureza e aumentar a ductilidade; Aumentar a dureza, a resistência mecânica e a resistência ao desgaste; Aumentar a tenacidade de forma a combinar uma alta resistência à tração e uma boa ductilidade, permitindo suportar choques de maior intensidade; Melhorar a usinabilidade; Melhorar as propriedades de corte de ferramentas; Alterar as propriedades elétricas e magnéticas.
Os principais térmicos dos aços são:
tratamentos
Têmpera Consiste no aquecimento de uma peça até a sua completa austenitização, seguido de seu
8
resfriamento a uma velocidade suficientemente rápida para causar a formação de martensita. Isto é usualmente conseguido por imersão em banho de salmoura, água ou óleo. A têmpera pode causar um aumento significativo na dureza e resistência dos aços, particularmente daqueles com maior teor de carbono, este aumento de resistência é, contudo, acompanhado por uma perda proporcional de ductilidade (Figura 17).
Figura 17 - Dureza de aços carbono em função do teor de carbono e da microestrutura. Fonte: Bracarense, 2008. Revenimento Pode ser realizado após a têmpera com o objetivo de reduzir a fragilização do aço, à custa de certa perda de dureza. O tratamento é realizado a uma temperatura inferior à temperatura crítica e a perda de dureza aumenta usualmente com a
____________________________________________ 35
®
SENAI CIMATEC
temperatura e o tempo de revenimento (Figura 18). Aços com adições de elementos como Cr, V, Mo e Nb podem sofrer endurecimento secundário (precipitação de carbonetos finos e duros) durante o revenimento e ter um comportamento diferente (ver Figura 19).
Figura 18 - Variação da dureza em função da temperatura de revenimento para o aço SAE 1080. Fonte: Bracarense, 2008.
Recozimento Uma forma de recozimento consiste em austenitizar o aço e em seguida resfriá-lo lentamente, usualmente dentro do próprio forno. Outra é o recozimento de recristalização, que é aplicado a um material encruado (deformado plasticamente a frio). Após o recozimento, o aço tende a se tornar macio, dúctil e fácil de ser cortado e dobrado. Normalização Este tratamento consiste em austenitizar o material e em seguida resfriá-lo ao ar, e, portanto, de uma forma mais rápida que no tratamento anterior. A normalização é usualmente utilizada para a obtenção de uma estrutura mais fina e mais dura do que a obtida no recozimento e, também, para tornar a estrutura mais uniforme ou para melhorar a usinabilidade. Alívio de tensões Consiste no aquecimento do aço a uma temperatura inferior à sua temperatura eutetóide e tem como objetivo causar a relaxação de tensões internas no material, resultantes de processos de conformação mecânica, soldagem, etc.
Figura 19 - Variação da dureza em função da temperatura de revenimento para o aço ferramenta AISI M2. Fonte: Bracarense, 2008.
____________________________________________ 36
®
SENAI CIMATEC
9
Ferros Fundidos 9
Ferro Fundido
Genericamente, ferros fundidos é uma classe de ligas ferrosas com teores de carbono acima de 2,1% em peso; na prática, entretanto, muitos e muitos ferros fundidos contém entre 3,0 e 4,5% C em peso e, em adição, outros elementos de liga.
9.1 Ferro Fundido Cinzento
Os teores de carbono e de silício nos ferros fundidos cinzentos variam entre 2,5 e 4,0% em peso e entre 1,0 e 3,0% em peso, respectivamente. Para a maioria destes ferros fundidos, a grafita existe na forma de flocos (similares aos flocos de milho), que são normalmente circundados por uma matriz de ferrita- α ou de perlita. O ferro fundido cinzento é comparativamente franco e frágil em tração como consequência da sua microestrutura. A resistência mecânica e dutilidade são muito maiores para cargas de compressão. Ferros fundidos cinzentos têm algumas características desejáveis e, de fato, são utilizados extensivamente. Eles são muito eficientes no amortecimento de energia vibracional. Estruturas basais para máquinas e equipamentos pesados que seja exposto a vibrações são freqüentemente construídos deste material. Em adição, ferros fundidos cinzentos exibem uma alta resistência ao desgaste. Além disso, no estado líquido de fusão eles têm uma alta fluidez à temperatura de fundição, que permite a fundição de peças tendo
formas intringantes. Finalmente, e talvez o mais importante, ferros fundidos cinzentos são os mais baratos dos materials metálicos.
9.2 Ferro Fundido Dúctil (ou Nodular)
A adição uma pequena quantidade de magnésio e/ou cério para o ferro fundido cinzento antes da fundição produz uma distintamente diferente microestrutura e conjunto de propriedades mecânicas. A grafita ainda se forma, mas como nódulos ou partículas do tipo esfera em vez de flocos. A liga resultante é chamada ferro fundido nodular ou ferro fundido dúctil. As peças fundidas são mais fortes e muito mais dúcteis do que no caso de ferros fundidos cinzentos. De fato, ferro fundido dúctil tem características mecânicas que se aproximam daquelas do aço. Por exemplo, ferro fundido dúctil ferrítico tem resistência à tração variando entre 55000 e 70000 psi (380 e 480 Mpa) e ductilidades (como porcentagem de elongação) de 10 a 20%. Aplicações típicas deste material incluem válvulas, corpos da bomba, virabrequins, engrenagens e outros componentes automotivos e de máquinas. 9.3 Ferro Fundido Branco e Ferro Fundido Maleável
Para ferros fundidos de baixo teor de silício (contendo menos do que 1,0% de Si em peso) e altas taxas de
____________________________________________ 37
®
SENAI CIMATEC
resfriamento, a maioria do carbono existe como cementita em vez de grafita. Como uma conseqüência de grandes quantidades da fase cementita, o ferro fundido branco é extremamente duro, mas também muito frágil, ao ponto de ser virtualmente não usinável. Seu uso está limitado a aplicações que necessitam uma superfície muito dura e resistente ao desgaste e sem um alto grau de dutilidade - por exemplo, como rolos em moinho de rolos. Geralmente, ferro fundido branco é usado como um intermediário na produção de outro ferro fundido, o ferro fundido maleável. O aquecimento de ferro fundido branco até temperaturas entre 800 e 900ºC (1470 e 1650ºF) durante um prolongado período de tempo à temperatura do tratamento e numa atmosfera neutra (para prevenir a oxidação) causa a decomposição da cementita, formando grafita, que existe na forma de cachos ou rosetas circundadas por uma matriz de ferrita ou de perlita, dependendo da taxa de resfriamento. Aplicações representativas incluem hastes de conexão, engrenagens de transmissão e caixa diferencial para indústria automotiva e também flanges, conexões de tubos e partes de válvulas para linha férrea, marinha e outros serviços pesados. 9.4 Ligas Não Ferrosas
Aço e outras ligas ferrosas são consumidas em excedentemente grandes quantidades porque elas têm uma tal larga faixa de propriedades mecânicas, podem ser fabricadas com relativa facilidade e são economicamente produzidas. Entretanto, elas têm algumas distintivas limitações, principalmente:
•
Uma densidade relativamente
alta; Uma comparativamente baixa condutividade elétrica; • Uma inerente susceptibilidade à corrosão em alguns ambientes comuns. Assim, para muitas aplicações, é vantajoso ou mesmo necessário o uso de outras ligas tendo uma mais apropriada combinação de propriedades. Sistemas de ligas são classificados quer de acordo com o metal de base quer de acordo com alguma característica específica que um grupo de ligas compartilha. Este capítulo discute os seguintes sistemas de metais e ligas: cobre e suas ligas, alumínio e suas ligas, magnésio e suas ligas, titânio e suas ligas, metais refratários, as superligas, os metais nobres e as ligas miscelâneas, incluindo aquelas que contêm níquel, chumbo, estanho e zinco como metais de base. Ocasionalmente, uma distinção é feita entre ligas fundidas e ligas trabalhadas mecanicamente. Ligas que são tão frágeis que trabalho mecânico e conformação por deformação apreciável não é possível ordinariamente são fundidas; estas são classificadas como ligas fundidas. Por outro lado, aquelas que são susceptíveis à deformação mecânica são denominadas ligas trabalhadas mecanicamente. Em adição, a tratabilidade térmica de um sistema de liga é freqüentemente mencionada. "Tratável termicamente" designa uma liga cuja resistência mecânica é melhorada por endurecimento por precipitação ou por uma transformação martensítica (normalmente a primeira), ambas as quais envolvem procedimentos específicos de tratamento térmico. •
____________________________________________ 38
®
SENAI CIMATEC
9.5 Cobre e suas Ligas
Cobre e ligas à base de cobre, possuindo uma desejável combinação de propriedades físicas, têm sido utilizadas em numerosas variedades de aplicações desde a antiguidade. Um cobre não ligado é tão macio e dúctil que é difícil de usinar, possui uma ilimitada capacidade de ser trabalhado a frio. Além disso, é altamente resistente à corrosão em diversos ambientes incluindo o ambiente atmosférico, água do mar e alguns produtos químicos industriais. As propriedades mecânicas e de resistência à corrosão do cobre pode ser melhoradas por elementos de liga. Muitas ligas de cobre não podem ser endurecidas ou fortalecidas por procedimentos de tratamento térmico; conseqüentemente, trabalho a frio e o estabelecimento de solução sólida por adição de elementos devem ser utilizados para melhorar estas propriedades mecânicas.
9.6 Alumínio e suas Ligas
Alumínio e suas ligas são caracterizadas por uma relativamente baixa densidade (2,7 g/cm3 quando comparada com 7,9 g/cm3 para o aço), altas condutividades elétrica e térmica e uma resistência à corrosão em alguns ambientes, incluindo o ambiente atmosférico. Muitas destas ligas são facilmente conformadas em virtude da alta dutilidade; isto é evidenciado pela fina folha da lâmina de alumínio em que o material relativamente puro pode ser laminado. De vez que o alumínio tem uma estrutura CFC, sua dutilidade é retida mesmo em muito baixas temperaturas. A limitação principal do alumínio é a sua baixa temperatura de fusão 660ºC (1220ºF), que restringe a temperatura máxima na qual ele pode ser usado. A
resistência mecânica do alumínio pode ser melhorada por trabalho a frio e por adição de elemento de liga; entretanto, ambos os processos tendem a diminuir sua resistência à corrosão. Os principais elementos de liga incluem cobre, magnésio, silício, manganês e zinco. Ligas não tratáveis termicamente consistem de uma única fase, para a qual um aumento em resistência mecânica é alcançado por fortalecimento por solução sólida. Outras são tornadas termicamente tratáveis (capazes de serem endurecidas por precipitação) como um resultado da adição de elemento de liga. Geralmente, ligas de alumínio são classificadas ou como liga fundida ou como liga trabalhada mecanicamente. Composição para ambos os tipos é designada por um número de 4 dígitos que indica a impureza principal e em alguns casos, o nível de pureza. Para ligas fundidas, um ponto decimal é localizado entre os 2 últimos dígitos. Após estes dígitos está um hífen e a designação básica de revenimento uma letra e possívelmente um número de 1 a 3 dígitos, o que indica o tratamento mecânico e/ou térmico ao qual a liga terá que ser submetida. Por exemplo, F, H e O representam, respectivamente, estados como-fabricado, endurecido por deformação e recozido; T3 significa que a liga foi tratada termicamente para solubilização, trabalhada a frio e a seguir naturalmente envelhecida (endurecida por envelhecimento). 9.7 Titânio e suas Ligas
Titânio e suas ligas são relativamente novos materiais de engenharia que possuem uma extraordinária combinação de propriedades. O metal puro tem uma relativamente baixa densidade (4,5 g/cm3), um alto ponto de fusão [1668 oC
____________________________________________ 39
®
SENAI CIMATEC
(3035oF)] e um módulo elástico. Ligas de titânio são extremamente fortes; resistência à tração à temperatura ambiente são tão altas quanto 200000 psi (1400 MPa) são atingíveis, fornecendo destacáveis resistências mecânicas específicas. Além disso, as ligas são altamente dúcteis e facilmente forjadas e usinadas. A limitação principal do titânio é a sua reatividade química com outros materiais a elevadas temperaturas. Esta propriedade necessitou o desenvolvimento de técnicas não convencionais de refino, fusão e fundição; conseqüentemente, ligas de titânio são bastante caras. A despeito desta reatividade à alta temperatura, a resistência à corrosão de ligas de titânio às temperaturas normais é desusualmente alta; elas são virtualmente imunes aos ambientes atmosférico, marinho e uma variedade de ambientes industriais. Elas são comumente utilizadas em estruturas de
aeronaves, veículos espaciais e nas indústrias de petróleo e química.
9.8 Os Metais Nobres
Os metais nobres ou preciosos são um grupo de 8 elementos que têm algumas características físicas em comum. Eles são altamente resistentes à oxidação e corrosão, portanto o "nobre", caro (precioso) e também caracteristicamente macio, dúctil e resistente ao calor. Os metais nobres são prata, ouro, platina, paládio, ródio, rutênio, irídio e ósmio; os 3 primeiros são os mais comuns e são extensivamente usados em jóias. Prata e ouro podem ser fortalecidos por ligagem por solução sólida com cobre; prata de lei é uma liga prata-cobre contendo aproximadamente 7,5% de Cu em peso. Ligas tanto de prata quanto de ouro são empregadas como materiais de restauração dentária.
____________________________________________ 40
®
SENAI CIMATEC
Corrosão e oxidação
10 Corrosão e degradação Todos os metais e ligas estão sujeitos à corrosão. Não há nenhum material que possa ser empregado em todas as aplicações. O ouro, por exemplo, conhecido por sua excelente resistência à ação da atmosfera, será corroído se exposto ao mercúrio, em temperatura ambiente. Por outro lado, o ferro não é corroído por mercúrio, mas enferruja rapidamente em presença do ar atmosférico. A maioria dos componentes metálicos deteriora-se com o uso, se em exposição a ambientes oxidantes ou corrosivos. Como é impraticável eliminar a corrosão, o segredo de um bom projeto de engenharia, geralmente, está nos processos de controle da corrosão. Corrosão pode ser definida como a deterioração, que ocorre quando um metal reage com o meio ambiente.
10.1 Formas ou tipos de corrosão
Os tipos de corrosão podem ser apresentados considerando-se a aparência ou forma de ataque, bem como as diferentes causas da corrosão e seus mecanismos. Assim, pode-se ter corrosão segundo: A morfologia: uniforme, por placas, alveolar, puntiforme ou por pite, intergranular (ou intercristalina), intragranular (ou transgular ou transcristalina), filiforme, por •
10 esfoliação, grafítica, desincificação, em torno do cordão de solda e empolamento pelo hidrogênio; • As causas ou mecanismos: por aeração diferencial, eletrolítica ou por correntes de fuga, galvânica, associada a solicitações mecânicas (corrosão sob tensão fraturante), em torno de cordão de solda, seletiva (grafítica e desincificação), empolamento ou fragilização pelo hidrogênio; • Os fatores mecânicos: sob tensão, sob fadiga, por atrito, associada à erosão; • O meio corrosivo: atmosférica, pelo solo, induzida por microrganismos, pela água do mar, por sais fundidos, etc.; • A localização do ataque: por pite, uniforme, intergranular, trangranular, etc. A característica da forma de corrosão auxilia bastante no esclarecimento do mecanismo e na aplicação de medidas adequadas de proteção, daí serem apresentadas a seguir as características fundamentais das diferentes formas de corrosão: • Uniforme; • Por placas; • Alveolar; • Puntiforme ou por pite; • Intergranular (ou intercristalina); • Intragranular (ou transgranular ou transcristalina); • Filiforme; • Por esfoliação; • Grafítica; • Desincificação;
____________________________________________ 41
®
SENAI CIMATEC
• •
Empolamento pelo hidrogênio; Em torno de cordão de solda. Corrosão Uniforme
A corrosão uniforme processase em toda a extensão da superfície (figura 21), de modo a ocorrer perda uniforme de espessura. É chamada, por alguns, de corrosão generalizada, mas esta terminologia não deve ser usada só para corrosão uniforme, pois é possível ter, também, corrosão por pite ou alveolar generalizado, isto é, em toda a extensão da superfície corroída. É a forma de corrosão mais simples de medir, além de ser possível evitar falhas repentinas através de uma inspeção regular.
Figura 21 - Corrosão em placas. Fonte: Gentil, 2005. Corrosão Alveolar A corrosão ocorre na superfície metálica, produzindo sulcos ou escavações – semelhantes a alvéolos – que apresentam fundo arredondado e profundidade, em geral, menor que o seu diâmetro. Corrosão Puntiforme ou por Pite
Figura 20 - Corrosão Uniforme. Fonte: Gentil, 2005. Corrosão em Placas A corrosão localiza-se em regiões da superfície metálica e não em toda sua extensão, então se formam placas com escavações (Figura 21).
A corrosão processa-se em pontos ou em pequenas áreas localizadas na superfície metálica produzindo pites (Figuras 22), que são cavidades que apresentam o fundo em forma angulosa e profundidade, geralmente, maior do que o seu diâmetro. A forma da cavidade é, com freqüência, responsável por seu crescimento contínuo. O pitting é uma das formas mais destrutivas e insidiosas de corrosão. Causa a perfuração de equipamentos, com apenas uma pequena perda percentual de peso de toda a estrutura. É, geralmente, difícil de detectar pelas suas pequenas dimensões e porque os pites são, freqüentemente, escondidos pelos produtos de corrosão. Os aços, quando em ambientes agressivos contendo cloretos, sofrem corrosão
____________________________________________ 42
®
SENAI CIMATEC
por pitting. As três últimas formas de corrosão podem não ser consideradas da maneira como foram apresentadas, preferindo alguns não usar os termos placas e alveolar.
Figura 23 - Corrosão Sob Tensão em uma junta soldada. Fonte: Bracarense, 2002.
Figura 22 - Corrosão por pite em tubo de aço inoxidável AISI 304. Fonte: Gentil, 2005. Corrosão intergranular Quando um metal policristalino é corroído, normalmente, a corrosão é uniforme, pois, geralmente, os contornos de grão são apenas ligeiramente mais reativos que o interior dos grãos. Contudo, sob certas condições, os contornos de grão tornam-se muito reativos e ocorre uma corrosão entre os grãos da rede cristalina do material metálico. Este perde suas propriedades mecânicas, em função da corrosão sob tensão fraturante (CTF) (Stress Corrosion Cracking – SCC) (Figura 23).
A corrosão intergranular pode ser provocada por impurezas nos contornos de grão, aumento da concentração de um dos elementos de liga ou redução da concentração de um destes elementos na região dos contornos de grão. Exemplo clássico é a redução substancial do teor de cromo na região dos contornos de grão dos aços inoxidáveis austeníticos pela precipitação de carboneto de cromo. Corrosão Filiforme A corrosão processa-se sob a forma de finos filamentos, mas não profundos, que se propagam em diferentes direções e que não se ultrapassam (Figura 24), pois se admite que o produto de corrosão, em estado coloidal, apresenta carga positiva, daí a repulsão. Ocorre, geralmente, em superfícies metálicas revestidas com tintas ou com metais e ocasiona o deslocamento do revestimento. Tem sido observados, mais freqüentemente, quando a umidade relativa do ar é maior que 85% e em revestimentos mais permeáveis à penetração de oxigênio e água ou que apresentem falhas, como riscos, ou, ainda, em regiões de arestas.
____________________________________________ 43
®
SENAI CIMATEC
Figura 24 - Corrosão Filiforme em revestimento. Fonte: Gentil, 2005. Esfoliação
Figura 25 - Corrosão por esfoliamento em liga de alumínio. Fonte: Gentil, 2005. Corrosão grafítica
Esfoliação é um tipo de corrosão sub superficial, que se inicia em uma superfície limpa, mas se espalha abaixo dela. A corrosão é detectada de forma paralela à superfície metálica. Ocorre em chapas ou componentes extrudados, que tiveram seus grãos alongados e achatados, de forma a criar condições para que inclusões ou segregações, presentes no material, sejam transformadas, devido ao trabalho mecânico, em plaquetas alongadas. O produto de corrosão, volumoso, ocasiona a separação das camadas contidas entre as regiões que sofrem a ação corrosiva e, como conseqüência, ocorre à desintegração do material em forma de placas paralelas à superfície. Essa forma de corrosão tem sido detecta da, mais comumente, em ligas de alumínio das séries 2.000 (Al, Cu, Mg), 5.000 (Al, Mg) e 7.000 (Al, Zn, Cu, Mg) (figura 21).
A corrosão evidencia-se no ferro fundido cinzento em temperatura ambiente. O ferro metálico é convertido em produtos de corrosão, enquanto a grafite permanece intacta. Observa-se que a área corroída fica com aspecto escuro, característico da grafite, e esta pode ser facilmente retirada com espátula. Quando a grafite é colocada sobre papel branco e atritando-a, observa-se a formação de risco preto característico. Dezineificação É a corrosão que ocorre em ligas de cobrezinco (latões), em que se observa o aparecimento de regiões com coloração avermelhada em contraste com a característica coloração amarela dos latões. Admitese que ocorre uma corrosão preferencial do zinco, e o cobre restante destaca-se com sua característica cor avermelhada. A desincificação e a corrosão grafítica são exemplos de corrosão seletiva, pois há a corrosão preferencial de zinco e ferro, respectivamente.
____________________________________________ 44
®
SENAI CIMATEC
Corrosão em torno do cordão de solda Forma de corrosão que se observa em torno de cordão de solda
(Figura 26). Ocorre em aços inoxidáveis não-estabilizados ou com teores de carbono maiores que 0,03%. A corrosão é evidenciada intergranularmente.
Figura 26 - Corrosão no Cordão de Solda. Fonte: Gentil, 2005. Apesar de não ter sido classificada anterior, existe outro tipo de corrosão que deve ser citada. A corrosão galvânica pode ocorrer quando dois metais diferentes em contato são expostos a uma solução condutora. Como existe uma diferença de potencial entre metais diferentes, esta servirá como força impulsora para a passagem de uma corrente elétrica através da solução. Daí resultará a corrosão do metal menos resistente, isto é, o metal menos resistente torna-se anódico e o mais resistente torna-se catódico. Quanto maior a diferença de potencial, maior a probabilidade de corrosão galvânica. As áreas relativas dos dois metais são também importantes. Se a área do metal anódico é bem menor, comparada com a do metal catódico, a corrosão do metal anódico será bastante acelerada. Para combater ou minimizar a corrosão galvânica, recomenda-se uma ou mais das seguintes medidas:
Escolher combinações de metais tão próximos quanto possível na série galvânica; • Evitar o efeito de área (ânodo pequeno e cátodo grande); • Sempre que possível isolar metais diferentes, de forma completa; • Aplicar revestimento com precaução; • Adicionar inibidores, para atenuar a agressividade do meio corrosivo; • Evitar juntas rosqueadas para materiais muito afastados na série galvânica; • Projetar componentes anódicos facilmente substituíveis ou com espessura bem maior. •
10.2 Métodos de Controle da Corrosão
Um dado metal pode ser satisfatório em certo meio e praticamente ineficiente em outros meios. Por outro lado, várias medidas podem ser tomadas no sentido de minimizar a corrosão:
____________________________________________ 45
®
SENAI CIMATEC
No caso de se utilizarem metais dissimilares, deve-ser tentar isolá-los eletricamente; • Minimizar a superfície das regiões catódicas; • Evitar frestas, recessos, cantos vivos e cavidades; • Dar bom acabamento superficial às peças; • Submeter as peças a um recozimento de alívio de tensões internas; • Usar juntas soldadas no lugar de juntas parafusadas. Além destas medidas mais ligadas a projeto, há métodos específicos para reduzir ou inibir a corrosão em suas várias formas: •
a) isolar o metal do meio agressivo, através do uso de revestimentos orgânicos inertes (tintas) ou de revestimentos com metais mais nobres. b) inibição da reação catódica ou da reação anódica através de agentes chamados inibidores, que reagem com os produtos da corrosão e formam camadas impermeáveis nas superfícies dos eletrodos; c) métodos elétricos (proteção catódica e proteção anódica).
____________________________________________ 46
