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TRATAMENTO TÉRMICO APLICADO – MATERIAIS

 

Introdução:

Quando da confecção de um determinado produto, deve-se, como um dos fatores prioritários, selecionar o material adequado que o constituirá.
Para tanto, o material deve ser avaliado sob dois aspectos: suas qualidades mecânicas e seu custo.

Classificação dos materiais

Apresentamos na figura 1, uma classificação dos materiais mais comumente utilizados, tendo cada um sua importância e emprego definido em função de suas características e propriedades.

Conhecidas as classes dos materiais passemos agora a especificá-los por grupos e emprego a que se destinam, pois todos os materiais possuem características próprias que devemos conhecer para podermos empregá-los mais adequadamente.

Materiais metálicos:

Ao estudarmos a classe dos materiais metálicos podemos dividi-los em dois grupos distintos: os ferrosos e não-ferrosos.

Materiais metálicos ferrosos:

Desde sua descoberta os materiais ferrosos tornaram-se de grande importância na construção mecânica.
Os materiais ferrosos mais importantes são:

– Aço – liga de Fe e C; com C < 2,11% – material tenaz, de excelentes propriedades, de fácil trabalho, podendo também ser forjável.
– Ferro fundido – liga de Fe e C com 2,11 < C < 5% – material amplamente empregado na construção mecânica, e que, mesmo não possuindo a resistência do aço, pode substituí-lo em diversas aplicações, muitas vezes com grande vantagem.

Como esses materiais são fáceis de serem trabalhados, com eles é construída a maior parte de máquinas, ferramentas, estruturas, bem como instalações que necessitam materiais de grande resistência.

Materiais metálicos não-ferrosos:

São todos os demais materiais metálicos empregados na construção mecânica. Possuem empregos mais diversos, pois podem substituir os materiais ferrosos em varias aplicações e nem sempre podem ser substituídos pelos ferrosos.
Esses materiais são geralmente utilizados isoladamente ou em forma de ligas metálicas, algumas delas amplamente utilizadas na construção de máquinas e equipamentos.
Podemos dividir os não-ferrosos em dois tipos em função da densidade:
• Metais pesados (? > 5kg/dm³) – cobre, estanho, zinco, chumbo, platina, etc.
• Metais leves (? < 5 kg/dm³) – alumínio, magnésio, titânio, etc.

Normalmente, os não-ferrosos são materiais caros, logo não devemos utilizá-los em componentes que possam ser substituídos por materiais ferrosos.

Esses materiais são amplamente utilizados em peças sujeitas a oxidação, dada a sua resistência, sendo muito utilizados em tratamentos galvânicos superficiais de materiais. São também bastante utilizados em componentes elétricos.

Nos últimos anos, a importância dos metais leves e suas ligas têm aumentado consideravelmente, principalmente na construção de veiculas, nas construções aeronáuticas e navais, bem como na mecânica de precisão, pois têm-se conseguido ligas metálicas de alta resistência e de menor peso e, com isto, tende-se a trocar o aço e o ferro fundido por estes materiais.

Materiais não-metálicos:

Existem numerosos materiais não-metálicos que podem ser divididos em:

• Naturais – madeira, couro, fibras, etc.
• Artificiais ou sintéticos – baquelite, celulóide, acrílico, etc.

Os materiais plásticos estão sendo empregados em um número cada vez maior de casos como substitutos de metais.

Materiais metálicos

Conceitos gerais:

Os materiais sólidos apresentam uma correlação estreita entre a sua estrutura interna e as suas propriedades características. Assim, um dos pontos básicos para o conhecimento dos materiais é o estudo dessa correlação.

As propriedades de um material podem, em geral, ser modificadas alterando-se a sua microestrutura, o que pode ser conseguido, por exemplo, adicionando elementos de liga ou mudando a composição, mudando os métodos de fabricação e aplicando tratamentos térmicos, conseguindo-se, assim, a alteração de grandezas diretamente associadas com as propriedades, como por exemplo: tamanho de grão, distribuição das fases presentes, etc.

Um ponto importante que deve-se ter em mente é que raramente os materiais são utilizados em engenharia com a sua estrutura mais estável do ponto de vista termodinâmico. Como mudanças que tendem a levar o material a uma estrutura termodinamicamente mais estável, são possíveis e “espontâneas”, muitas vezes uma estrutura ótima obtida pode degradar-se devido a essas transformações.
A utilização de um material fora do seu equilíbrio exige, portanto, que a velocidade de transformação seja extremamente pequena em relação à vida útil que o dispositivo a ser construído com o mesmo deva apresentar.

Um exemplo disso são os metais que em geral são encontrados nos minérios na forma de compostos (óxidos, sulfetos, etc.) porque seus compostos são formas termodinamicamente mais estáveis. Quando, através de um processo de redução obtém-se um metal puro ele foi afastado pelo seu estado mais estável e há a tendência dele reagir novamente com o oxigênio do ar, por exemplo, para voltar ao óxido. A utilização dos metais é, no entanto, possível porque a velocidade de reação é muito pequena.

Estados de equilíbrio:

Existem três estados de equilíbrio que um sistema material pode apresentar:

• Equilíbrio instável
• Equilíbrio metaestável
• Equilíbrio estável

Uma interessante analogia entre equilíbrio de sistemas materiais e blocos sólidos associado a energia do sistema no centro da massa dos blocos

 

 

Equilíbrio instável:

É aquele para o qual a transformação que leve a um estado mais estável é totalmente espontânea não existindo uma barreira energética para o início da transformação, ou seja, não exige energia de ativação (figura 1 – a).
NOTA: de um modo geral pode-se considerar que em temperaturas relativamente baixas as estruturas metaestáveis apresentam um alto grau de estabilidade, mas à medida que a temperatura aumenta estamos fornecendo energia de ativações e a partir de certo valor, a transformação em direção a um estado mais estável pode se iniciar.

Aspectos da estrutura dos materiais metálicos:

Os materiais metálicos podem ser considerados sólidos cristalinos cuja estrutura é caracterizada por um arranjo regular de átomos no espaço formado a partir de uma célula unitária característica.
A célula unitária é o menor arranjo de átomos no espaço capaz de caracterizar a estrutura do material e no caso dos metais as mais comuns são (figura 2)

• Cúbica de corpo centrado (ccc) ? Ferro (Fe), Cromo (Cr), tungstênio (W)…
• Cúbica de face centrada (cfc) ? Alumínio (Al), Cobre (Cu), Chumbo (Pb), Prata (Ag) ….
• Hexagonal compacta (hc) ? Magnésio (Mg), Zinco (Zn), Titânio (Ti) …

 

 

Sendo que as duas ultimas apresentam estrutura mais compacta (fator de empacotamento igual a 0,74).
O estudo teórico dos sólidos cristalinos supõe uma perfeita regularidade no arranjo espacial dos átomos, mas nos casos reais são freqüentes desvios da regularidade que se apresentam na forma de imperfeições ou defeitos cristalinos.
As imperfeições cristalinas podem ser classificadas de um modo geral (figura 3)
A. Pontuais;
B. Lineares ou discordâncias;
C. Superficiais.

Imperfeições pontuais:

As imperfeições pontuais têm a extensão de um ponto e são caracterizadas por vazios (falta de átomos na rede); átomos intersticiais (átomos posicionados nos interstícios da rede) e átomos substitucionais (átomos estranhos substituindo átomos da rede).
As imperfeições pontuais exercem um papel importante nos movimentos atômicos de difusão necessários à maior parte das transformações de fase.

Discordâncias:

As discordâncias têm a extensão de uma linha e podem ser: discordâncias em cunha (plano extra de átomos introduzido na rede); em hélice (distúrbio que provoca o crescimento atômico de forma helicoidal em torno de um eixo) e mistas (formadas pela interação das duas anteriores). As discordâncias são importantes nas transformações de fases quer nas associadas à deformação onde facilitam o deslizamento de planos atômicos, quer nas transformações de uma fase em outra onde se constituem em regiões de alta energia que facilitam a nucleação da nova fase (parcela de energia de ativação).

Imperfeições superficiais:

As imperfeições superficiais têm a extensão de umas superfícies e podem ser constituídas de: contornos de grão (superfícies de separação de regiões cristalinas que cresceram em diferentes direções), maclas (quando uma região do cristal se deforma de modo a se tornar a imagem especular de uma região adjacente) e defeitos de empilhamento (quando há uma “quebra” na seqüência normal de empilhamento que caracteriza uma determinada estrutura cristalina).
As imperfeições superficiais formam regiões de alta energia que facilitam as transformações de fases.

 

 

Ligas metálicas

Conceitos gerais:

Consideram-se ligas metálicas sistemas materiais formados por dois ou mais elemento em que o elemento em maior quantidade é um metal.
Os elementos que entram na composição de uma liga metálica podem ser classificados em:

SOLVENTE: constituído pelo elemento em maior quantidade (portanto um metal) no qual vão ser dissolvidos os elementos de liga.

SOLUTOS: constituídos pelos elementos que vão ser dissolvidos no solvente para formar a liga (podem ser metais ou não metais). São chamados de liga.

Exemplo: em uma liga alumínio – 12% silício, o alumínio (metal) é o solvente e o silício (semicondutor) é o soluto.

Em geral a maneira de se obter uma liga metálica é fundir o metal de base (solvente) e adicionar os elementos de liga nas porcentagens desejadas.

Soluções sólidas:

Considera-se que há a formação solução sólida quando os átomos de soluto e do solvente arranjam-se formando uma rede cristalina. Uma solução sólida caracteriza uma fase.
As soluções sólidas em geral formam-se em certas faixas de composição do soluto em relação ao solvente e podem ser classificas em primárias e secundárias.

Soluções primárias são aquelas formadas quer por átomos do soluto “dissolvidos” na rede cristalina do solvente quer por átomos do solvente “dissolvidos” na rede cristalina do soluto.

Soluções secundárias são aquelas que apesar de serem também formadas pelos átomos do soluto e do solvente normalmente apresentam uma rede cristalina que não corresponde a nenhum dos dois, formando fases em geral denominadas fases intermediárias.

As soluções sólidas podem ser de dois tipos:

• Soluções sólidas substitucionais em que os átomos do soluto substituem átomos da rede cristalina do solvente. Ocorre quando os átomos do soluto e do solvente apresentam raios não muito diferentes (figura 1)

• Soluções sólidas intersticiais em que os átomos do soluto ocupam interstícios da rede do solvente. Ocorre quando os átomos do soluto são bem menores que os do solvente.

Hamilton Nunes da Costa
Fonte : Wikipédia/ Manual Tratamento Térmico Senai

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