Tecnologia e Propriedades dos Materiais - Manual de Formação

TECNOLOGIA E PROPRIEDADES DOS MATERIAIS

Técnico de Cad/Cam

Manual elaborado por: Eng.º Rui Silva Domingos

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.

Introdução A engenharia: - Fabrica - Processa materiais, - Projecta - 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.

Que materiais encontra à sua volta?

Betão, madeira, papel, aço, plástico?

Analisando a Figura verificamos que:

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.

O painel de comandos de um automóvel, anteriormente feito de metal ou madeira, é no modelo actual, provavelmente, um plástico (barato).

O especialista em materiais deve levar em conta os muitos factores que determinam o custo final de um dado componente ou artigo.

A maioria dos materiais é suficientemente complexa, de modo que nó aprendemos a usá-los mais por arte do que por ciência.

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”.

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.

Em geral, os materiais são classificados em três grandes grupos:

• cerâmicos, • metálicos • 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.

METAIS 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.

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 tais como tijolos, vidro, refractários e abrasivos 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.

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.

Os polímeros possuem baixa condutividade térmica e eléctrica, baixa resistência, elevada ductilidade, não sendo indicados para aplicações a temperatura elevada.

Dentro dos polímeros temos: • Os polímeros termoplásticos, Possuem elevada ductilidade e enformabilidade;

• Os polímeros termoendurecíveis Possuem maior resistência, mas são, em geral, mais frágeis,

Os polímeros são utilizados em muitas aplicações, sendo uma das mais nobres em componentes eletrónicos.

SEMICONDUTORES

Os semicondutores são, hoje em dia, materiais indispensáveis para a construção de componentes electrónicos.

Possuem baixa resistência mecânica, são essenciais para aplicações de electrónica, computadores e comunicações.

Estes materiais permitem que a sua condutividade eléctrica possa ser controlada, podendo ser utilizados em transístores, díodos e circuitos integrados .

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.

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.

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

indústriasautomóvel,

aeronáutica

e

aeroespacial

utilizam

materiais

compósitos em grande escala (ver fig. I.8), tais como polímeros reforçados com fibras de carbono.

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

•

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 inter-relações entre estes três factores.

Propriedades As propriedades dos materiais podem ser divididas em dois grandes grupos

Propriedades físicas • Química • Corrosão • Refinação • Densidade • Eletricidade • conductividade • Dielétrico (isolamento) • Piezo ou ferroeléctrico • Magnetismo • Diamagnético • Ferromagnético • Paramagnético • Óptico • Absorção e cor • Difração • Acção laser • Fotocondução

• Reflexão, refração e transmissão Térmica • Capacidade calorífica • Condutividade térmica • Expansão térmica

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 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 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.

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.

Processamento

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.

Materiais Metálicos

São materiais inorgânicos que contém um ou mais elementos metálicos (estrutura cristalina), e que podem conter alguns elementos não metálicos.

Elementos metálicos; Ferro, níquel, alumínio, titânio

Elementos não metálicos: Carbono, azoto, oxigénio

São Geralmente bons condutores térmicos e elétricos.

São relativamente resistentes e dúcteis à temperatura ambiente, e mantém uma boa resistência mecânica mesmo a temperaturas elevadas.

Os materiais metálicos são divididos em:

-

Materiais metálicos ferrosos, que contém uma percentagem elevada de

ferro, tais como o aço e os ferros fundidos

-

Materiais metálicos não ferrosos, que não contém ferro ou em que o ferro

surge em apenas pequena quantidade.

O alumínio, o cobre, o zinco, o titânio, o níquel e as suas ligas são exemplos.

Ligas metálicas e relação com o processo de fabrico

Os metais e as ligas metálicas têm diversas propriedades tecnicamente úteis, pelo que se encontram uma vasta aplicação em projectos de engenharia.

O ferro e as suas ligas (principalmente o aço) contribuem com 90% da produção mundial de metais, devido a: • Ductilidade • Tenacidade • Resistência

Cada material tem as suas propriedades especiais para determinadas aplicações em engenharia.

Produção de ferros e aços

Produção de gusa em alto-forno

A maior parte do ferro é extraído a partir dos minérios de ferro em altos-fornos.

No alto-forno, o coque (carbono) actua como agente redutor, dos óxidos de ferro (FE2O3), originando gusa que contem 4% de carbono e outras impurezas.

A gusa de alto-forno é geralmente transferida no estado líquido para um forno de produção de aço.

PRODUÇÃO DE AÇO E PROCESSAMENTO DOS PRINCIPAIS PRODUTOS DE AÇO.

Os aços-carbono são essencialmente ligas de ferro e carbono com um teor máximo de 1.2% de carbono. Porém a maior parte dos aços contém menos do que 0.5% de carbono.

São quase sempre produzidos por oxidação do carbono e das outras impurezas contidas na gusa, até que a quantidade de carbono seja reduzido para níveis requeridos.

O processo mais vulgarmente usado na conversão da gusa em aço é o de oxidação por

oxigénio.

Neste processo, a gusa e um máximo de 30% de sucata de aço são carregadas num convertedor em forma de barril no qual é inserido uma lança de oxigénio, onde é soprado oxigénio puro que reage com o banho liquido e forma-se óxido de ferro.

O aço fundido que sai do convertedor é então vazado em moldes estacionários ou vazado continuamente.

Depois de vazados, os lingotes são aquecidos num pequeno forno e laminados a quente em brames, biletes ou brumes:

Conceitos e propriedades

Todos os materiais (estrutura) estão sujeito a algum tipo de esforço, são eles; tração, compressão, cisalhamento, flexão e torção.

Recordando podemos dizer que As Propriedades mecânicas Mais importantes são: 

Elasticidade 



Plasticidade, 



Dureza, 



Resiliência, 



Ductilidade, 



Tenacidade.

Elasticidade/comportamento elástico Todo material quando submetido a solicitações externas deforma-se, o comportamento elástico de um material é a capacidade que o mesmo tem emretornar sua forma e dimensões originais quando retirado os esforços

externos sobre ele.

Plasticidade /comportamento plástico O material já não consegue recuperar sua forma e dimensões originais pois o mesmo é submetido a tensões que ultrapassam um certo limite (chamada de limite elástico) no qual o material sofre uma deformação permanente.

Ductilidade É a capacidade que um material tem em deformar-se plasticamente até sua ruptura.

Um material que se rompe sem sofrer uma quantidade significativa de carga no regime plástico é denominado de frágil.

Tenacidade É a capacidade que um material tem em absorver energia ate a sua ruptura.

Também pode ser definida como a energia mecânica necessária para levar um material a ruptura.

Resiliência É a capacidade que o material tem em absorver energia no regime elástico (quando é deformado elasticamente).

Dureza É a capacidade de uma material resistir à penetração.

Materiais poliméricos São materiais orgânicos, cujo elemento essencial é o carbono, e outras redes de átomos (cloro, fluor, hidrogénio).

São sólidos macromoleculares, e que vão desde as estruturas amorfas às parcialmente cristalinas (nunca 100%).

Propriedades dos materiais poliméricos - Maus condutores térmicos e eléctricos - Baixa resistência mecânica

- Alguns aguentam até 400ºC (termoendurecíveis) (o aumento da temperatura leva à deformação dos materiais e em alguns casos à destruição química dos seus elementos) - Baixa dureza e rigidez - Pouco resistentes - Facilmente conformáveis - São moldáveis - Resistentes á corrosão Existem dois grupos: - Plásticos - Elastómeros Os plásticos dividem-se em duas classes: •

Termoplásticos

• Termoendurecíveis

Os elastómeros podem sofrer deformações elásticas e recuperam a sua forma inicial.

Materiais cerâmicos São materiais inorgânicos, constituídos por elementos metálicos e não metálicos, ligados quimicamente entre si, por ligações químicas.

Propriedades dos materiais cerâmicos - Maus condutores térmicos e eléctricos - Boa resistência à corrosão - Suportam temperaturas muito elevadas

- São materiais refractários, porque o material conserva as características mecânicas a elevadas temperaturas.

- Materiais de elevada rigidez e valores de dureza Apresentam baixa tenacidade, logo são frágeis.

Propriedades mecânicas dos materiais

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

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.

Deformação

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:

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

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 clip 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 mm) 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.

Resistência

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 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.

Comportamento elástico

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.

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:

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.

Deformação Elástica

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.

Lei de Hooke

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 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:

Rigidez

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

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.

DEFORMAÇÃO PLÁSTICA

Comportamento Plástico

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.

Carácter de Escoamento Plástico

Tensão de Cedência

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).

Resistência à Tracção

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

Estricção

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

Encruamento

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.

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 alongase 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.

Em termos gerais, a entidade reguladora dos ensaios,ASTM (American Society for Testing and Materials) preconiza que os materiais para construção mecânica, são submetidos a ensaios, para avaliar suas características, propriedades e comportamento a determinadas condições previamente estabelecidas.

O conhecimento dessas informações, são fundamentais para aplicação adequada dos materiais.

Os ensaios geralmente são normalizados, para que se estabeleça uma linguagem comum entre usuários e fornecedores de materiais.

As duas principais finalidades dos ensaios são:

1. Permitir a obtenção de informações rotineiras do produto; 2. Ensaios de controle no recebimento de materiais de fornecedores e no controle final do produto acabado; 3. Desenvolver novas informações sobre os materiais 4. No desenvolvimento de novos materiais, de novos processos de fabricação e de novos tratamentos

Vantagens da Normalização dos Materiais e Métodos de Ensaios

A normalização tem por objectivo fixar os conceitos e procedimentos gerais que se aplicam aos diferentes métodos de ensaios.

Suas principais vantagens são:

a) Tornar a qualidade do produto mais uniforme; b) Reduzir os tipos similares de materiais; c) Orientar o projectista na escolha do material adequado; d) Permitir a comparação de resultados obtidos em diferentes laboratórios;

Os ensaios podem ser classificados, de várias formas segundo dois critérios:

A sua utilização dos ensaios têm como objectivo determinar as propriedades mecânicas do material para: - Fornecer dados de base para cálculo de peças - Verificar se as características dos materiais estão de acordo com os valores pedidos

- Prever o comportamento dos materiais no decurso das operações de fabricação - Fornecer critérios de comparação entre processos e materiais Classificação dos Ensaios dos Materiais

Os métodos de ensaios, determinam que os mesmos devem ser realizados em função da geometria da peça, do processo de fabricação e de acordo com as normas técnicas vigentes, e podem ser:

· Ensaios do componente; · Ensaios de modelos; · Ensaios de amostras; · Ensaios de corpos-de-prova retirados de parte da estrutura.

Ensaio de Tracção

O ensaio de tração consiste na aplicação de carga de tração uniaxial crescente em um corpo-de-prova específico até a ruptura.

Mede-se a variação no comprimento (l) como função da carga (P).

Trata-se de ensaio amplamente utilizado na indústria de componentes mecânicos, devido a vantagem de fornecer dados quantitativos das propriedades mecânicas dos materiais.

Entre as principais destacam-se:  Limite de Resistência à tração (L.R.),  Limite de Escoamento  (L.E.), módulo de elasticidade (módulo de Young),  Ductilidade,  Tenacidade e  Outros.

O ensaio de tração é bastante utilizado como teste para o controle das especificações da entrada de matéria-prima.

Para o ensaio de tração utiliza-se corpos de prova preparados segundo as normas. As dimensões dos corpos de prova devem estar de acordo com a capacidade da máquina de ensaio. Normalmente são utilizados corpos de prova de seção circular ou de seção rectangular (ver figura), porém pode-se ensaiar também tubos, arames, fios e outros.

Cada corpo de prova compõe-se de cabeças e parte útil, unidas por concordâncias.

As cabeças são regiões extremas que servem para fixar o corpo de prova a máquina de modo que a força de tração actuante seja axial. Eles tem secção maior do que a parte útil para que a ruptura não se processe nelas, suas dimensões e formas dependem do tipo de fixação na máquina.

A parte útil do corpo de prova, é a região onde são realizadas as medidas das propriedades mecânicas do material.

O corpo de prova sempre que possível, deve ser produzido com 10 mm de diâmetro e 50 mm de comprimento inicial (parte útil).

Quando não for possível obter o corpo de prova com essas dimensões, é recomendado que o mesmo tenha dimensões proporcionais a citada, ou seja, a parte útil deve corresponder a 5 vezes o diâmetro da seção da parte útil.

Preparação do corpo de prova para o ensaio de tração

O procedimento para obtenção do corpo de prova, deve seguir as etapas relacionadas abaixo: 1 – Identificar o material do corpo de prova; 2 – Medir o diâmetro da parte útil do corpo de prova em dois pontos, utilizando um micrômetro, e calcular a média; 3 – Traçar divisões no comprimento útil, para o corpo de prova de 50 mm de comprimento, as marcações devem ser feitas de 5 em 5 mm.

Os corpos de prova podem ser produzidos a partir da matéria-prima ou de partes específicas do produto acabado.

O equipamento de ensaio deve registrar um gráfico de tensão x deformação e a partir dele poderemos obter os dados quantitativos das características mecânicas dos materiais.

Fig. – Curvas tensão x deformação de alguns materiais metálicos

O material correspondente a figura 5, apresenta apenas deformação elástica, ou seja, não deforma plasticamente antes da ruptura, portanto é um material de comportamento frágil.

O material dúctil além da deformação elástica apresenta também deformação plástica ou permanente, como pode ser visto na figura b.

Nota-se também na figura b que existe um limite de escoamento bem definido, próprio dos aços carbono com baixo teor de carbono, que determina a capacidade do material de resistir a deformação plástica.

Em limite convencional de escoamento que corresponde a tensão necessária para provocar uma deformação permanente de 0,2% (ou um outro valor especificado), como pode ser visto na figura c.

Deve-se notar também, como mostrado na figura d, que tensão verdadeira para ruptura do material é maior que a tensão de ruptura convencional.

Realmente para materiais dúcteis é correto fazer esta afirmação.

Estes materiais deformam-se antes de romper, e consequentemente ocorre a redução da área da secção transversal do material.

E como a tensão é a relação entre força aplicada e área da seção transversal do corpo de prova, para o cálculo da tensão verdadeira de ruptura utiliza-se a área da seção transversal real e para o cálculo da tensão convencional de ruptura utiliza-se a área da seção transversal inicial da parte útil do corpo de prova.

Diagrama Tensão x Deformação

O conceito de tensão e deformação, que pode ser definido como: Tensão – é o quociente da força (carga) aplicada pela área inicial da seção transversal do corpo de prova.

A tensão geralmente é expressa em MPa ou N/mm2.

1 megapascal = 1 newton/milimetro²=101971.6212978kilogram-força/metro² Deformação – é a variação de comprimento, por unidade de comprimento, entre dois pontos situados sobre superfície da parte útil do corpo de prova.

A deformação é geralmente expressa em percentagem (%).

Fig.– Diagrama tensão x deformação, para cada região do gráfico temos o comportamento do C.P. com a variação da tensão.

Propriedades mecânicas obtidas com o ensaio de tracção.

Módulo de elasticidade - na região elástica, nota-se que os materiais principalmente os metais e suas ligas obedecem a lei de Hooke.

Essa lei, baseia-se na proporcionalidade entre tensão e deformação obtida, pode ser descrita da seguinte forma:

Onde:

= tensão (MPa) ; ԑ = deformação ; E = módulo de elasticidade.

O módulo de elasticidade é o quociente entre a tensão aplicada e a deformação elástica resultante.

O módulo de elasticidade está relacionado com a rigidez do material, quanto maior o módulo de elasticidade maior a rigidez, materiais que apresentam elevado módulo de elasticidade não flectem facilmente.

Limite de escoamento (tensão de escoamento)

Pode ser caracterizado também por ser o limite de elasticidade ou limite de proporcionalidade.

Representa o início da plasticidade do material, como pode ser visto na figura b (materiais que apresentam escoamento nítido).

O fenómeno do escoamento é caracterizado por uma discreta oscilação da tensão e uma deformação significativa do material.

A esse limite está associada a tensão de escoamento, que pode ser determinada através da fórmula:

Onde: e= tensão de escoamento; Fe = carga para que o material inicie a deformação plástica; A o = área inicial da seção transversal do C.P.

Quando não for possível determinar o limite de escoamento, ou seja, quando o material não apresentar limite de escoamento nítido (ver figura c) Deve-se adoptar por convenção o limite convencional “n” de escoamento, definido pela fórmula abaixo:

Onde:

= tensão de escoamento convencional; Fn = carga para determinar a tensão de escoamento convencional; A o = área inicial da seção transversal do C.P.

Para estes casos o limite n ( ) que corresponde ao limite de escoamento, é a tensão aplicada que após sua retirada, provoca n% de deformação permanente.

Arbitrariamente escolheu-se n = 0,2 %,

Limite de Resistência (resistência a tração ou tensão máxima)

Corresponde ao limite de resistência a tração ou a carga máxima atingida, como pode ser visto na figura 7 no ponto M. O limite de resistência a tração ou tensão máxima é calculado dividindo-se a maior carga pela área inicial da seção transversal do C.P., conforme a fórmula:

Onde:

sRe= tensão de resistência máxima; Fmáx = carga máxima suportada pelo C.P. A o = área inicial da seção transversal do C.P.

Pode-se observar na figura 5b e 5c que o limite de ruptura (LRu), é inferior ao limite de resistência (LRe ou LR), isto ocorre para os materiais dúcteis, pois a área da seção transversal é reduzida antes da ruptura, e por definição ambos são calculados considerando-se a área inicial.

Porém, para os materiais dúcteis, a área inicial é reduzida durante o ensaio, modificando o comportamento da curva como ser observado na figura 5d.

Alongamento percentual até a ruptura (Ԑ)

Esta característica está associada a ductilidade do material E corresponde ao acréscimo de comprimento (de referência), depois da ruptura, em relação ao comprimento inicial do corpo de prova.

Quanto maior for a ductilidade, maior é o alongamento percentual.

O alongamento do C.P., pode ser avaliado pelo equipamento utilizado para o ensaio ou ajustando as duas partes do corpo de prova e medindo o alongamento final.

O alongamento percentual pode ser calculado através da fórmula:

O comprimento inicial do corpo de prova, é o comprimento entre as marcas de referência da zona útil do corpo de prova.

O comprimento final, é o comprimento entre as mesmas marcas após o ensaio.

Coeficiente de estricção (Z)

É a percentagem de redução transversal até a ruptura.

A ductilidade de um material também pode ser determinada por este coeficiente.

Quanto maior ele for, maior será a ductilidade do material.

Este coeficiente pode ser determinado medindo-se a área inicial e área final após o ensaio de tração.

O coeficiente de estricção pode ser determinado através da equação:

Onde: Ao = Área inicial da seção transversal do C.P; Af = área final da seção transversal do C.P; Z = coeficiente de estricção.

O coeficiente de estricção também pode ser utilizado como um indicativo de qualidade do material pela mesma razão do alongamento.

Deformação plástica

O ensaio de tracção é o mais importante de todos os ensaios mecânicos isto porque: - Facilidade de execução; - Reprodutividade de resultados; - Permite perceber as possibilidades que um material tem de ser aplicado; - Aptidão para sofre qualquer tratamento tecnológico.

Zonas de deformação da curva de tracção

Todos os materiais apresentam duas zonas de deformação com características bem distintas:

1ª Uma zona inicial de deformação elástica reversível, em que o provete retoma as condições iniciais uma vez descarregado; Nesta zona elástica verifica-se a chamada Lei de hooke, de proporcionalidade entre as tensões e as extensões.

Em que:

E- módulo de elasticidade Longitudinal ou módulo de Young (constante para cada material ou liga metálica); Ԑ - Variação unitária de comprimento, extensão nominal ou deformação linear.

O fim desta zona de proporcionalidade é definida pela tensão limite de proporcionalidade a n%.

Admite-se que uma deformação residual de 0.001% seja o limite da zona elástica.

Tensão limite de elasticidade –

e – que é a tensão máxima que pode ser

aplicada ao material sem que nele apareçam deformações residuais.

Nota: a tensão limite de elasticidade é ligeiramente superior à tensão limite de proporcionalidade.

Estes dois parâmetros delimitam uma zona de quase elasticidade. (Método de johnson em que

e>

p)

2ª Uma zona final, de deformações irreversíveis ou plásticas, cuja maior ou menor extensão depende da maior ou menor ductilidade do material.

Um material é mais dúctil do que o outro se possuir uma zona plástica mais extensa (deforma-se mais plasticamente por romper que outro).

Um material frágil possui uma zona plástica muito pequena ou praticamente nula (ferros fundidos brancos)

Tipos de rotura

Nos ensaios de tracção o provete é carregado uniaxialmente até romper, verificando-se dois tipos de rotura:

1º Rotura frágil

É uma rotura não precedida de deformação plástica apreciável, sendo a estricção mínima ou nula. É caracterizada por uma separação das duas partes do corpo de prova e ao eixo do mesmo. É devido a tensões normais (clivagem).

Nos aços a rotura apresenta um aspecto granular e brilhante.

Os principais factores que favorecem este tipo de rotura são:  Temperaturas baixas;  Velocidade de ensaio alta,  Concentração de tensões.

Nos aços carbono a fractura frágil é favorecida por: Aumento da %Carbono; ↑teor silício; gases como nitrogénio, hidrogénio e oxigénio, impurezas (enxofre/fósforo).

2ª Rotura dúctil

O material apresenta uma deformação apreciável antes de romper. A velocidade de propagação das zonas de fractura é lenta, e as superfícies de rotura apresentam um aspecto fibroso e sedoso.

Assim: a) Rotura dúctil em monocristais – quando uma material inicialmente muito plástico endurece tão rapidamente; b) Rotura completamente dúctil – é um tipo de rotura só observável a frio em certos materiais (ouro, prata, chumbo) sendo vulgar em ensaios de tracção a quente. c) Dúctil propriamente dita – é o tipo de rotura acompanhada de uma estricção inferior à do caso anterior.

Inicia-se no interior e propaga-se para os bordos segundo uma direcção de 45º

Curva num ensaio de tracção

1º Período Período dos pequenos alongamentos, designado também por período elástico, onde não se registam deformações residuais dos materias a ensaiar.

2º Período Período

dos

grandes

alongamentos,

que

comporta

um

alongamento

permanente do provete. Os alongamentos são repartidos por todo o comportamento de secção constante, resultando uma diminuição regular desta secção.

3º Período Período da contracção ou da estricção onde se verifica um alongamento muito localizado. Aqui se a carga se mantiver o provete continua-se a alongar com um acréscimo de velocidade até à rotura. Se a carga diminuir mas aparecer estrição, progride até à rotura.

Ensaios de Dureza

A dureza que é uma medida da resistência do material à deformação plástica localizada.

O ensaio baseia-se em pequenas indentações (deformações), produzidas por um penetrador que é forçado contra a superfície do material a ser testado, sob condições controladas de carga e velocidade de aplicação da mesma.

São utilizados mais frequentemente que outros ensaios mecânicos, pelas seguintes razões: 1. São simples e económicos – não necessitam de nenhuma preparação especial do material a ser medido, e os equipamentos necessários para o ensaio tem um custo relativamente baixo.

2. O ensaio não danifica significativamente o componente ensaiado – o componente ensaiado normalmente não fractura, nem deforma-se excessivamente,

deixando

apenas

uma

pequena

indentação

(deformação).

3. Pode ser obtido através do ensaio um valor orientativo da resistência à tracção do material (tensão À tracção de ruptura)

Relação entre a dureza e a resistência à tração

A resistência a tração e a dureza são indicativos de resistência do metal a deformações plásticas.

Consequentemente,

elas

são

proporcionais,

ressalvando

que

essa

proporcionalidade tem restrições quanto ao tipo de material e a um determinado intervalo de dureza

Ensaio de Dureza Brinell

Método baseado na relação existente entre uma carga aplicada a uma esfera de aço temperado ou metal duro, sobre a amostra a ser ensaiada e a área da impressão produzida pela esfera na amostra

A dureza Brinell ou HB (Hardness Brinell), pode ser calculada através da equação:

Onde:

F = carga aplicada em Kgf S = área da calota esférica (impressão ou indentação) em mm2 D = diâmetro da esfera do penetrador em mm d = diâmetro da impressão ou indentação em mm.

Para realizar-se o ensaio, alguns critérios devem ser observados, como segue:

O diâmetro da impressão ou indentação deve obedecer a seguinte relação: 0.3D<d A carga utilizada e o diâmetro da esfera dependem da dureza do material a ser ensaiado.

Então, obtém-se o mesmo resultado para um mesmo material quando, além de se observar a relação acima, o valor (F/D2) for constante.

As tabelas têm o objectivo de orientar na escolha dos parâmetros do ensaio.

Outros cuidados a ter, na realização do ensaio Brinell:

Ao realizar-se ensaios Brinell, não deve-se considerar o resultado do primeiro ensaio após a troca do penetrador, para garantir o assentamento do mesmo; · A espessura da peça a ser medida deve ser no mínimo igual a 17 vezes, a profundidade de impressão; · A superfície a ser medida deve ter um raio de curvatura mínimo de 5 vezes o diâmetro da esfera utilizada; · Cada impressão deve estar distante de uma impressão vizinha, no mínimo 2,5 vezes o diâmetro da impressão (distância de centro a centro); · A carga de ensaio deve ser mantida sobre a peça a ser medida no mínimo durante 30 segundos.

Excepções para os materiais em que HB > 300, este tempo pode ser reduzido a 10 segundos.

Para materiais moles em que HB < 60 a carga deve ser mantida durante 60 segundos;

· Os resultados obtidos por este método, devem ser expressos sempre acompanhados das condições do ensaio; O uso do método Brinell é limitado pela dureza da esfera empregada.

Usando-se esferas de aço temperado, só é possível medir durezas até 500 HB ou Kgf/mm2.

O campo de aplicação desse método, são os metais não ferrosos, ferro fundido, aço, ou seja produtos siderúrgicos em geral. Principalmente os produtos que não foram temperados.

Caso tenham sido tratados termicamente, pelo processo de têmpera, deve se utilizar esfera de metal duro.

Esse método é um dos mais utilizados, pela facilidade de execução, pois qualquer máquina de compressão e equipamentos portáteis de custo relativamente baixo podem ser empregados por esse método.

Pode se fazer ensaios Brinell, utilizando-se equipamento para medir dureza pelo método Rockwell.

A obtenção da dureza Brinell através desses equipamentos é relacionando a profundidade de penetração da escala C.

Ensaio de dureza rockwell

Esse método é fundamentado na profundidade da indentação de um penetrador, que pode ser um cone de diamante ou uma esfera de aço temperado, na amostra a ser ensaiada, sob uma carga determinada.

O processo é realizado em três etapas: 1 – Submete-se a amostra a uma pré-carga Fo e acerta-se o medidor em “0”;

2 – Aplica-se a carga que somada a pré-carga resulta a carga nominal do ensaio (Fo + F) até o ponteiro do indicador ficar parado; 3 – Retira-se a carga suplementar e faz-se a leitura.

O método Rockwell é muito utilizado pela rapidez do ensaio.

Ele é subdividido em várias escalas, sendo que as mais utilizadas são as escalas B e C.

Estas escalas são independentes umas das outras.

Ao escolher-se a escala para o ensaio Rockwell, deve-se levar em consideração, alguns factores, como material e tratamento térmico eventual

A espessura mínima da amostra a ser ensaiada, pode ser obtida, pela profundidade do penetrador, utiliza-se para calcular a profundidade as seguintes equações: Para penetrador de diamante:

Para penetrador de esfera de aço temperado

Onde: HR (Hardness Rockwell) – valor da dureza Rockwell

É recomendado que a espessura mínima, para a amostra a ser medida igual a 17 vezes o valor da profundidade da indentação.

Outros cuidados que devem ser observados, na realização do ensaio Rockwell são:

Ao realizar-se ensaios Rockwell, não deve-se considerar o resultado do primeiro ensaio após a troca do penetrador, para garantir o assentamento do mesmo; · A amostra e suporte de apoio devem estar bem limpos e um bem assentado sobre o outro;

· O penetrador deve estar perpendicular a amostra, sendo tolerada uma inclinação de até 7º; · Se por engano for ensaiada uma amostra de matéria temperado com o penetrador de esfera temperada, deve –se inutilizar o penetrador; · A carga deve ser aplicada sem choque e sem vibração. · A carga de ensaio deve ser mantida sobre a peça a ser medida no mínimo durante 6 a 10 segundos. Para materiais moles deve ser prolongado para 30 segundos, contados depois de o ponteiro indicador ficar imóvel;

Os resultados obtidos por este método, devem ser expressos sempre acompanhados das condições do ensaio; · Deve-se indicar também a escala utilizada. Exemplo: 48 HRC, 76 HRB; · Quando se mede a dureza de peças cilíndricas, pelo sistema Rockwell C e B, devido a deformação da amostra é necessário uma correção, conforme tabelas 21 e 22.

Ensaio de dureza Vickers

Esse método baseia-se, na resistência que um material oferece à penetração de uma pirâmide de diamante de base quadrada e ângulo entre faces de 136º, sob uma determinada carga

O valor da dureza Vickers ou HV (Hardness Vickers) é o quociente da carga aplicada F, pela área da impressão S.

E pode ser calculado pela equação:

Onde: F = P = carga aplicada em Kgf S = área da identação em mm2 d = diagonal da identação em mm

Ensaio de microdureza Knoop e vickers

É um ensaio de microdureza por Penetracão

A microdureza utiliza forcas de ensaio bastante baixas, geralmente inferiores a 1kgf.

Interesse: •Medição da dureza de microconstituintes; •Dureza em peças de dimensões muito pequenas Nesse método as cargas podem ser quaisquer (acima de 1

kgf), pois as indentações são sempre proporcionais às cargas para o mesmo material.

Contudo são recomendadas as cargas de 1 kgf, 2 kgf, 3 kgf, 4 kgf, 5 kgf, 10 kgf, 20 kgf, 30 kgf, 40 kgf, 60 kgf, 80 kgf,100 kgf, 120 kgf.

Cargas menores do que um quilo são utilizadas para determinação de microdureza, em equipamentos próprios para essa finalidade.

Para cargas menores que um quilo as diagonais não são proporcionais e portanto os valores HV são diferentes para cada carga.

O tempo de aplicação da carga, é de 15 a 30 segundos, para materiais cuja dureza seja HV > 140 Kgf/mm2.

A leitura da medição da diagonal deve ser de 0,001 mm e em equipamentos para micro-durezas até 0,0001 mm. O valor deve ser tomado como a média das diagonais.

O número de dureza Vickers é independente da carga aplicada.

Conceitos de elasticidade e de plasticidade dos metais e ligas metálicas.

Um material metálico possui uma estrutura cristalina, ou seja, os átomos estão arrumados de forma a constituírem uma rede cristalina regular no espaço, com posições definidas entre si.

Os iões estão agrupados de uma empacotada de forma que lhes dê uma menor energia, Quando uns iões se aproximam um do outro, cria-se uma força repulsiva que limita o grau de empacotamento.

Quando um metal sofre um esforço dentro da zona elástica, isso significa que o esforço provoca o deslocamento dos átomos da sua posição primitiva no espaço, retornando à posição original sem deixar qualquer deformação permanente.

Com o aumento do esforço chega-se a um ponto em que os átomos se distanciam de tal modo que não conseguem mais regressar às suas posições primitiva; entra-se na zona de deformação plástica.

A deformação plástica seria impossível de se conseguir por meio dos esforços fornecidos pelas máquinas comuns, se não fossem certos defeitos encontrados na rede cristalina.

Tais defeitos podem ser de dois tipos: 1) Defeitos pontuais 2) Defeitos lineares ou discordâncias 3) Defeitos pontuais.

2) Defeitos lineares ou discordâncias

Deve-se ao facto de se propagarem no cristal como linhas ou sob a forma de rede bidimensional.

São os que provocam a deformação por escorregamento de planos atómicos sob esforços relativamente pequenos.

As discordâncias são dois planos de átomos do metal fora da sua posição natural no recticulado cristalino.

Discordâncias

Plano de deslizamento

Alguns metais ainda se deformam por maclagem, ficando simĂŠtricos relativamente Ă sua adjacente.

Metais Ferrosos e não Ferrosos. Aços ligados e elementos de liga

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; • 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; • 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 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 • 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

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

Designações

Existem várias designações que classificam os aços, para que apenas com um número ou um conjunto de caracteres seja possível identificar o aço em questão.

Uma das designações mais utilizadas 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

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

Designação AISI

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.

Nos quadros VII.1 e VII.2 estão indicadas algumas das ligas normalizadas de aços carbono e aços ligados

Tipos de aço

Por razões da vida prática industrial, os aços são, por vezes, classificados 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.

Aços carbono

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.

Teor em carbono

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

O enxofre é mantido abaixo dos 0,05% nos aços comerciais. O enxofre combina-se com o ferro para formar FeS, que têm baixo ponto de fusão, concentrando-se 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.

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

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.

Fósforo

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.

Silicio

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.

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 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.

Elementos de Liga

São os elementos formadores das ligas metálicas, que são materiais de propriedade semelhantes às dos metais e que contêm pelo menos um metal em sua composição.

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).

Importância dos elementos de liga

É através da adição de elementos de ligas que podemos obter melhoras de algumas propriedades como diminuição ou aumento do ponto de fusão, aumento

da

dureza,

aumento

da

resistência

mecânica

e/ou

outras

características desejadas de acordo com o uso do metal.

No decorrer da apresentação será visto qual o efeito de alguns elementos de liga nos aços, sejam eles formadores de carbonetos ou não

Efeitos dos elementos de liga nos aços

Crómio

Aumenta a resistência à corrosão e à oxidação. Aumenta a resistência à altas temperaturas; Aplicações: Aços para construção mecânica. Aços-ferramenta. Aços inoxidáveis Produtos: Produtos para indústria química. Talheres, válvulas e peças para fornos.

Ferramentas de corte

Tungstênio

Aumenta a dureza. Aumenta a resistência a altas temperaturas.

Aplicações: Aços rápidos. Aços ferramentas.

Produtos: Ferramentas de corte.

Molibdênio

Aumenta a resistência à tração. Aumenta a temperabilidade.

Aumenta resistência em altas temperaturas.

Aplicações: Aços-ferramenta. Aços-cromo-níquel. Substituto do tungstênio em aços rápidos.

Produtos: Ferramentas de corte.

Vanádio

Aumenta resistência mecânica e aumenta a resistência à fadiga e àabrasão.

Aplicações: Aços cromo-vanádio Produtos: Ferramentas de corte

Silício

Aumenta a fluidez. Aumento da resistência à oxidação em temperaturas elevadas.

Melhora a temperabilidade e a resistência à tração.

Aplicações: Aços com alto teor de carbono. Aços para fundição emareia.

Produtos: Peças fundidas.

Manganês

- Aumenta a resistência mecânica, a temperabilidade da peça e a resistência ao choque.

Aplicações: Aço para construção mecânica.

Produtos: Peças para automóveis e peças para uso geral em engenharia mecânica.

Níquel

Aumenta da resistência à tração.

Aplicações: Aço para construção mecânica. Aço inoxidável, Aço resistente a altas temperaturas.

Produtos: Peças para automóveis, utensílios domésticos e caixas para tratamento térmico. Tubulações em aço inoxidável com níquel.

Cobalto

Aumenta a dureza. Aumenta a resistência à tração, resistência à corrosão e à erosão.

Aplicações: Aços rápidos. Elementos de liga em aços magnéticos.

Produtos: Lâminas de turbina de motores a jato

Tratamentos Térmicos e seus subtipos

OBJECTIVOS

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

• Mecanismos de endurecimento • Têmpera e revenido nos aços • Endurecimento por precipitação • Endurecimento por dispersão • Outros mecanismos de reforço • Tratamentos térmicos • Recozimento • Normalização

Tratamento térmico dos aços

Um tratamento térmico é um conjunto

de operações

de natureza,

essencialmente térmica, que visam modificar as propriedades de um aço, usualmente modificando a sua microestrutura.

Este tratamento apresenta um ciclo térmico:

Um tratamento térmico envolve condições iniciais como:

1. Velocidade de aquecimento 2. Temperatura atingida e manutenção desta 3. Velocidade de arrefecimento;

Envolve condições que vão decidir a estrutura final como:  Temperatura a que se processa a transformação pretendida

 Eventuais aquecimentos posteriores.

As modificações de estrutura que se processam durante um tratamento térmico, baseiam-se em fenómenos de mudança de fase, recristalização e difusão.

Recozimento

É um conjunto de tratamentos térmicos destinados a restituir ao aço características que foram alteradas por processos mecânicos e/ou térmicos anteriores, mediante aquecimento até uma determinada temperatura de tratamento, estágio dessa temperatura seguida de um arrefecimento lento ou natural (ao ar).

Tipos de recozimento

1) Quanto à temperatura de tratamento:  Recozimento com austenitização total (acima de ac3 ou Acm)  Recozimento com austenitização parcial (entre ac1 e Ac3/acm)  Recozimento sem austenitização (abaixo de AC1 – chamado recozimento subcritico)

2) Finalidades dos recozimentos  Destinados a melhorar a homogeneidade do aço  Destinados a destruir estruturas brutas de fusão  Destinados a afinar o grão (diminuição do grão)  Destinados a melhorar as regularidades Estruturais  Destinados a melhorar as características de maquinagem de aço

 Destinados a melhorar as tensões

3) Quanto à finalidade e tipo de recozimento  Recozimento de homogeneização ou difusão  Recozimento completo - ou simplesmente recozimento  Tratamento de normalização  Recozimento de globalização ou de amaciamento  Recozimento de regeneração do grão  Recozimento subcritico (tensões)

Ciclo térmico típico de um recozimento

Recozimento de homogeneização ou difusão

É um tratamento cujo objectivo é conseguir uma homogenização (ou seja, uma melhor distribuição da composição e eliminar as estruturas heterogéneas) da peça e é aplicada após o processo de fusão nos lingotes.

É aplicado então em aços com estruturas brutas de fusão ou aços obtidos por processos de vazamento.

Temperatura de tratamento ±1000 a 1200ºC Ocorre a temperatura elevada, para que esta difusão se dê a uma velocidade relativamente rápida, e varia entre estes limites para evitar um crescimento desmedido do grau austenistico

Recozimento completo ou simplesmente recozimento

Envolve uma austenitização parcial, com o objectivo de conferir ao aço uma estrutura próxima do equilíbrio, restituindo assim as características mecânicas e outras próximas de equilíbrio.

Temperatura de tratamento: Ac3 + 50ºC – Aços hipoeutectoides Ac1 + 50ºC – Aços hipereutéctoides

Austenite parcial para os aços hipoeutectoides (só varia AC3 + 50º), para evitar o crescimento do grão austenitico.

Outra razão deve-se a:

Se o aquecimento >Acm então o aço na sua estrutura passa a apresentar características

de

fragilidade

(torna-se

uma

estrutura

de

cementite

secundária).

As temperaturas de formação de austenite serão mais baixas,logo mais fina e melhorando assim as suas características.

Recozimento de amaciamento ou de globalização

Globalização em aços com teor de carbomo >0.5% Interessa em aço com maior teor em carbono, para assim se melhorarem as características de maquinagem (grande ductilidade, logo baixa dureza portanto).

Tipos de tratamento de globalização: 1 – Aquecimento acima de AC1, seguido de arrefecimento lento abaixo de AC1 com

manutenção

prolongada

a

esta

temperatura,

seguindo-se

um

arrefecimento lento.

2 – Aquecimento um pouco abaixo de Ac1, com estágio prolongado a esta temperatura, seguindo–se um arrefecimento lento.

Arredondamento da cementite e redução de energia da superfície.

3 – Oscilação da temperatura em torno de Ac1, seguido de arrefecimento Lento

Com estes ciclos (consegue-se estabilizar a estrutura da cementite torna-se globular), permite-se uma diminuição de dureza e aumento de ductilidade.

Recozimento isotérmico

A peça é elevada à uma temperatura (temperatura austenitica) e é rapidamente mergulhada num banho de sais (Temperatura de aquecimento (hipoeutectoides Ac3+50º, hipereutéctoides Ac1+50º).

Após o arrefecimento em banhos de sais (nitrato de sódio - NaNO3, nitrito de sódio NaNo2, nitrato de potássio KNO3).

Após o arrefecimento rápido em banhos de sais, dá-se o estágio de manutenção da temperatura para a Transformação isotérmica, as estruturas mantém-se uniformes ao longo da peça, (mais controlada a dimensão do grão) e a distribuição de tensões.

Recozimento de regeneração ou de afinação de estrutura

O objectivo é um grau mas fino

Recozimento subcrítico

É um recozimento de recristalização, de recuperação ou restauração. É também um recozimento de alívio de tensões.

O recozimento subcritico com o objectivo de alívio de tensões, pretende eliminar tensões internas provocadas no processo de deformação a frio.

Aquece-se o aço a uma temperatura suficientemente alta para que se aliviem tensões internas, o que confere ao aço uma maior ductilidade.

Têmpera

A têmpera envolve um conjunto de processos que visam conferir ao aço uma dureza e uma resistência mecânica elevada.

Neste processo tem de se arrefecer o aço rapidamente. É necessário arrefecer o aço a uma velocidade superior à velocidade critica.

Conceitos de temperabilidade, penetração de têmpera, profundidade de têmpera e dureza máxima.  Temperabilidade – è uma característica do aço para o tratamento térmico da têmpera.  Para determinar a temperabilidade de um aço usam-se dois métodos:

1. Ensaio de grossman 2. Ensaio de jominy.  Penetração de têmpera

É uma característica que mede a variação de dureza entre a superfície de uma peça temperada e o seu interior.

Depende da temperabilidade do aço, da temperatura inicial, do meio de têmpera, da espessura da peça e da velocidade de arrefecimento.  Profundidade de têmpera

É a espessura da camada temperada, profundidade até à qual se encontra pelo menos de 50% da martensite.  Dureza máxima

É o maior valor que se consegue alcançar através de um tratamento de têmpera.

Nota:  Aço ligado tem maior penetração da têmpera  Aços não ligados pior temperabilidade

Nota: As curvas do gráfico são a variação transversal de dureza

Determinação de temperabilidade dos aços  Ensaio de Temperabilidade de Grossman/Diâmetro critico e Diâmetro critico ideal.

Tempera-se uma série de amostras de diâmetro crescentes e determina-se a dureza ao longo de um diâmetro e por meio de exame metalográfico qual o diâmetro do varão que possui 50% ou menos de martensite.

O diâmetro a partir do qual se verifica isto, chama-se diâmetro crítico.

A zona não temperada tem qualidades de martensite igual ou inferior a 50%.

Este ensaio só é válido para o meio de têmpera onde foi realizado.

Quanto maior for o diâmetro crítico maior a temperabilidade.  Ensaio de temperabilidade de Jominy Consiste num provete cilíndrico de 100mm de comprimento e ∅25mm, elevado à temperatura de austenitização fixada (dependente do aço), durante 30 min e colocado rapidamente na vertical num suporte onde sofre o impacto de jacto de água fria na extremidade inferior que fica portanto temperada.

Determina-se posteriormente a dureza rockwell C ao longo de duas geratrizes opostas, a partir da base temperada.

Uma fraca variação denota uma boa aptidão à penetração da têmpera, enquanto uma queda abrupta indica que apenas uma fraca espessura do material será temperável.

Têmpera isotérmica

A vantagem deste processo é que havendo uma estabilização da temperatura o núcleo e a superfície vão sofrer uma transformação ao mesmo tempo.

Permite obter peças endurecidas, embora menos que com a têmpera clássica, com um mínimo de tensões residuais ou deformações e uma tenacidade mais elevada.

Têmpera por etapas ou martêmpera

Evitar as tensões internas.

Aqui o arrefecimento é de forma descontínua.

Tensões internas

Uma consequência importante da transformação é o aparecimento de tensões internas que podem chegar a provocar fissuração devido, por um lado, à mudança estrutural e por outro à concentração térmica decorrente da rápida variação da temperatura.

Se a transformação não ocorrer simultaneamente a as camadas superficiais, exercem uma tracção no centro da peça.

Quando as tensões internas ultrapassam o limite de elasticidade do material, dão se lugar a deformações permanentes, que podem ser visíveis consequente da variação de forma.

Revenido

Este tratamento deve ser realizado logo a seguir à têmpera.

Consiste em eliminar, a maioria dos inconvenientes produzidos pela têmpera, aliviando e removendo as tensões internas, corrigindo durezas excessivas (e as estruturas martênsiticas menos frágil), sem reduzir a dureza alcançada.

Assim melhora-se:  Ductilidade  Tenacidade

Pode provocar um endurecimento secundário.

Revenido: - ↓ Temp. ⇒ ↑ Dureza e ↓ Ductilidade - ↑ Temp. ⇒ ↓ Dureza e ↑ Ductilidade

Ciclo térmico do revenido

Etapas do revenido em aços não ligados:

1ª etapa - Aquecimento até cerca de 200ºC – verifica-se um aumento de dureza

2ª Etapa - Aquecimento de 200ºC a 300ºC – há aumento de volume e dureza 3ª etapa Aquecimento acima dos 300º C – diminuição do volume e da dureza.

Etapas do revenido em Aços ligados:

Acresce uma etapa às anteriores do aço ligado:

4ª Etapa Aquecimento de 450ºC a 600ºC Dá-se uma precipitação de carbonos de ligas que vai provocar um endurecimento secundário.

Revenidos de estabilização Revenidos sucessivos

Normalização

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.

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 reprodutibilidade das propriedades.

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.

Para alguns aços ligados, este tratamento permite uma estrutura de têmpera; são os chamados “aços de austotêmpera”, 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 et enacidade 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.

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.

Tratamentos de endurecimento superficial

Com estes tratamentos pretende-se obter na periferia da peça uma camada maior ou menor caracterizada por uma dureza superior ao núcleo.

Obtém-se peças com boa tenacidade e elevada dureza à superfície e portanto boa resistência ao desgaste.

Esse endurecimento pode obter-se para além da têmpera, por tratamentos baseados na difusão, que levam a uma variação química numa camada mais ou menos profunda, e que se designam por tratamentos termoquímicos.

Tipos de tratamentos  Têmpera superficial  Tratamentos termoquímicos:  Cementação  Nitruração  Carbonitruração

Têmpera superficial

Este tratamento consiste em aquecer a superfície da peça com uma velocidade que ultrapasse a da difusão do calor para as camadas subjacentes de modo que e uma camada de espessura limitada atinja a temperatura ideal (austenitica) e possa portanto ser endurecida por têmpera.

O aquecimento raramente excede um minuto. Realiza-se por indução ou lazer.

Tratamentos termoquímicos

Cementação (tratamento em duas fases distintas).

É um tratamento termoquímico de difusão de carbono a partir da superfície e em que o endurecimento é realizado em duas operações.

- A cementação propriamente dita e a têmpera (800º a 900º) consiste no enriquecimento da camada superficial em carbono até atingir o teor do eutéctoide, ou seja de 0.8%, os aços então utilizados são então de baixo teor de carbono (<0.2%).

A introdução do carbono é feita por difusão a partir de uma substância que o contenha e por aquecimento da peça à temperatura de austenizarão e durante um certo tempo (pode ser 1hora ou vários dias).

Este tratamento é geralmente seguido de têmpera, (obtendo-se assim uma estrutura martênsitica), o que confere dureza elevada, com uma ductilidade no núcleo característica de aços com baixo teor em carbono.

A profundidade de cementação pode variar entre 0.3 e 3mm. A camada cementada varia entre 5mm a 8mm.

A dureza atinge os valores de 800 vickers a 900 vickers.

Nitruração (tratamento sem austenitização)

Aço ±4% carbono, para conseguirem uma boa resistência.

Consiste na difusão de azoto na superfície de peça por aquecimento, a temperatura adequada (500º a 590ºc), abaixo da temperatura de transformação e durante um certo tempo ( 12 a 120 horas) em ambientes ricos em azoto.

Não se torna necessário nenhum tratamento térmico subsequente.

A profundidade de nitruração corresponde é de 0.2 a 0.7mm.

Obtém-se uma dureza de 1000 vickers.

Não se verificam deformações plásticas nem alterações dimensionais da peça.

Carbonitruração

Introdução simultânea de carbono e azoto na superfície por aquecimento.

A temperatura geralmente acima de Ac1, em meio gasoso conveniente. É muitas vezes seguida de têmpera.

A presença de azoto leva ao melhoramento da temperabilidade.

Bibliografia