Tecnologia dos materiais

Tecnologia dos materiais

(Parte 1 de 5)

A matéria no universo é constituída de átomos, mas somente os gases inertes, que constituem apenas uma pequena fração da atmosfera, são encontrados no estado atômico. A maioria dos elementos existe na forma de moléculas consistindo em dois ou mais átomos iguais ou diferentes; exemplos O2, N2 ou CO2.

À parte da matéria estruturalmente homogênea é denominada “fase”. As mudanças de fases podem ser representadas graficamente, conforme figura abaixo.

Observa-se a temperatura de fusão e a temperatura de ebulição, onde, partindo do estado sólido temos a variação dos outros estados físicos da matéria (liquido e gasoso), bastando para tal, fornecer energia.

Tanto na temperatura de fusão como na de ebulição, a temperatura permanece constante, ou seja, existem duas fases presentes e a temperatura é constante. Isso para substâncias puras.

Mudança de fase (sólida, líquida e gasosa)

Todos os elementos puros são encontrados no estado sólido (cristalino), liquido ou gasoso, dependendo das condições externas de temperatura e pressão.

Natureza do Átomo

Como sabemos, os átomos se ligam a outros para completarem suas camadas de valência. Camada de valência é a última camada da eletrosfera do átomo e ela é considerada completa se possuir oito elétrons (para átomos com mais de uma camada) ou dois elétrons (para átomos com uma única camada). Assim, desde que sua camada não esteja completa, ele irá se ligar a outros átomos para tentar completá-la.

Não dá para transformar o átomo de um elemento em átomo de outro elemento. Cada elemento tem um tipo de átomo característico.

Qualquer átomo tem, no meio, um núcleo onde estão as partículas positivas e as partículas negativas giram em torno desse núcleo (figura abaixo). As partículas com cargas positivas que são chamadas prótons e as com cargas negativas são denominadas de elétrons.

Modelo atômico de Rutherford-Bohr

Quando um átomo forte (com grande eletronegatividade) se liga a um átomo fraco (com baixa eletronegatividade), há transferência definitiva de elétron do mais fraco para o mais forte. Se tirarmos um elétron de um átomo, ele deixa de ser neutro, pelo desequilíbrio entre seu número de prótons e de elétrons. Quando um átomo perde elétron, ele fica com mais prótons do que elétrons, e sua carga passa a ser positiva. Se o átomo ganhar elétrons, também haverá um desequilíbrio de cargas e, como ele terá mais elétrons do que prótons, ele será eletricamente negativo. Um átomo que deixa de ser eletricamente neutro, se tornando positivo ou negativo, passa a ser chamado de íon. Existem três tipos de Ligações: Iônicas, Covalente e metálicas.

Ligação Iônica

Aproximando um átomo altamente eletronegativo de um de baixa eletronegatividade, ele captura elétrons tornando-se um íon negativo e tornando o outro positivo. Como cargas elétricas opostas se atraem, eles ficarão ligados por atração eletromagnética. Este tipo de ligação é chamado de ligação iônica.

Núcleo (prótons e nêutrons)

Ligação Covalente

Se aproximarmos dois átomos de forte eletronegatividade, um não terá força para capturar o elétron do outro permanentemente. Ele captura o elétron, mas, o outro consegue capturá-lo de volta e, além de retomá-lo, captura um elétron. Esse jogo fica se repetindo fazendo com que o par de elétrons (um de cada átomo) fique orbitando pelos dois átomos. É importante perceber que nesse caso não há formação de íons. Esse tipo de ligação, onde não há transferência definitiva de elétrons, e sim compartilhamento do par é designada ligação covalente.

Ligações Metálicas

A ligação metálica é não direcional, semelhante à ligação iônica e há compartilhamento de elétrons, semelhante à ligação covalente, porém o compartilhamento envolve todos os átomos.

Os elétrons são compartilhados por inúmeros átomos. Este tipo de ligação pode ser facilmente explicado da seguinte maneira: se num átomo existirem apenas poucos elétrons de valência, eles podem ser removidos de modo relativamente fácil, ao passo que os elétrons restantes são mantidos firmemente ligados ao núcleo. Forma-se, de fato, uma estrutura constituída de íons positivos e de elétrons de não valência, ou seja, pertencentes às órbitas mais internas, os que são mantidos ligados ao núcleo. Em outras palavras, os elétrons de valência podem sair eventualmente da órbita do átomo do qual participam para se incorporarem ao átomo vizinho. Pode, por assim dizer, haver uma troca de elétrons-valência: se um átomo pode perder um ou mais elétrons-valência do seu sistema, ele pode igualmente receber um ou mais elétrons-valência dos átomos vizinhos, ou ainda compartilhar elétrons-valência com esses átomos vizinhos.

Metais:

São encontrados, em alguns casos, no estado chamado nativo, ou seja, praticamente puros. Exemplos: ouro, platina, cobre, prata e mercúrio (estes três últimos com menos freqüência).

limonita, calcita, quartzo, feldspato, cassiterita, mica,Esses minerais são
minerais dos quais se podem extrair os metais

Na maioria das vezes, os metais são encontrados na forma combinada com outros elementos, constituindo os chamados “minerais”, os quais são essencialmente compostos químicos, tais como óxidos, hidróxidos, sulfetos, carbonatos etc, aos quais se dão denominações determinadas como hematita, encontrados na superfície da terra, até determinadas profundidades, isoladamente, ou em conjunto com outros minerais. Chama-se “Minério” os

Os aços e os ferros fundidos são os dois metais que constitui a maior parte dos produtos siderúrgicos industrialmente usados. São obtidos por via liquida, isto é, são elaborados no estado de fusão.

Rede Cristalina dos Metais:

Como a ligação metálica é não direcional, não há grandes restrições quanto ao número e posição de átomos vizinhos. Assim, os metais terão numero de compartilhamento alto e empilhamento compacto.

A maior parte dos metais, algumas cerâmicas e alguns polímeros, ao se solidificarem, se organizam em uma rede geométrica 3D, denominada “rede cristalina”. Estes sistemas cristalinos têm uma estrutura altamente organizada.

Sistemas e Retículos Cristalinos

Existem sete sistemas cristalinos: triclínico, monoclínico, ortorrômbico, hexagonal, trigonal, tetragonal e cúbico. De acordo com a disposição dos átomos, origina-se desses sistemas 14 possível distribuição dos referidos átomos, formando os chamados “reticulados” (retículos ou redes), designados com o nome de reticulados “Bravais”.

Reticulados “Bravais”.

A maior parte dos metais se estrutura nas redes cfc, c e hc.

Reticulado Cúbico Centrado (C)

Os átomos se dispõem nos vértices e no centro de um cubo. Os metais que cristalizam nessa forma são: ferro à temperatura ambiente forma alotrópica alfa, cromo, lítio, molibdênio, tântalo, tungstênio, vanádio, entre outros. Contém 2 átomos em cada cristal (01 no centro e mais 8 x (1/8) nos vértices) (figura abaixo).

Reticulado Cúbico de Face Centrada (CFC)

Os átomos se dispõem nos vértices e no centro das faces de um cubo. É o caso do ferro acima de 912º C, forma alotrópica gama, alumínio, cobre, chumbo, níquel, prata, entre outros. Contém 04 átomos em cada cristal (08 x (1/8) nos vértices mais 6 x (1/2) nas faces) (figura abaixo).

Reticulado Hexagonal Compacto (EHC)

Os átomos se localizam em cada vértice e no centro das bases de um prisma hexagonal, além de três prismas triangulares compactos alternados. Os metais cujo reticulado é o descrito são entre outros, o zinco, o magnésio, o cobalto, o cádmio, o ferro fundido e o berílio. Contém 02 átomos e meio em cada cristal (2 x (1/2) nas bases mais 12 x (1/8) nos vértices) (figura abaixo).

Diagrama de Equilíbrio Ferro-Carbono (Fe-C)

Alguns elementos químicos apresentam variedades alotrópicas, isto é, estruturas cristalinas diferentes que passam de uma para outra em determinadas temperaturas, chamadas temperaturas de transição. O ferro apresenta 3 variedades: Ao se solidificar (temperatura de aproximadamente 1540°C), o ferro apresenta estrutura Cúbica de Corpo Centrado, chamada de Ferro delta (Fe ). Permanece nesta condição até cerca de 1390ºC e, abaixo desta, transforma-se em Ferro gama ( Fe ), com estrutura Cúbica de Face Centrada. Abaixo de 912°C, readquire a estrutura Cúbica de Corpo Centrado, agora chamada de

Ferro alfa ( Fe ).

O comportamento das variedades alotrópicas do ferro e a solubilidade do carbono nele varia de forma característica, dependendo da temperatura e do teor de carbono.

Isto pode ser visto no gráfico chamado Diagrama de Equilíbrio Fe-C. Isto pode ser visto no gráfico chamado Diagrama de Equilíbrio Fe-C.

Segue Algumas definições usadas no diagrama:

Ferrite δ: Solução sólida de inserção de carbono no ferro delta (δ) solubilidade máxima 0,1% em massa a 1493ºC). O ferro δ é C;

Austenita: Solução sólida de carbono no ferro gama (γ). Solubilidade máxima 2,1% em massa a 1147ºC. O ferro γ é CFC;

Ferrita α: Solução sólida de carbono no ferro alfa (α). (Solubilidade máxima de 0,03% em massa a 723ºC). O ferro α é C;

Cementite ou Carboneto de Ferro Fe3C: Sua composição corresponde a um teor de 6,67% em massa de carbono. Este carboneto é um composto intersticial de malha ortorrômbica.

(*) Nesta área, existem na realidade linhas de equilíbrio com o ferro delta, mas não são exibidos por razões de clareza e de pouco interesses práticos.

Ponto E: É a menor temperatura de equilíbrio entre a ferrita e a austenita (eutético), correspondendo a 0,7% C.

Ponto F: Corresponde ao máximo teor de carbono que a austenita pode conter, isto é, 2,1%. É usado na distinção do aço do ferro fundido.

A solubilidade do carbono na Ferrita é muito pequena (máximo 0,008%) e pode ser considerada nula em muitos casos práticos.

Um aço com muito pouco carbono (digamos, menos de 0,01%), se resfriado lentamente, deverá apresentar uma aparência razoavelmente uniforme, pois a maior parte será representada pela ferrita.

Um aço com 0,5% de carbono, representado pela linha vertical 1-2 no diagrama, quando o resfriamento atinge o ponto 1, começa a separação da austenita em austenita e ferrita. No ponto 2, haverá ferrita mais austenita, esta última, com o máximo teor de carbono que pode conter (0,7%).

Um aço com 1,5% C (linha 3-4 no diagrama) terá, no ponto 4, austenita com o máximo teor de carbono (0,7%) e cementita. A “mudança brusca” no ponto 4 fará a austenita se transformar em perlita. E a cementita aparecerá nos contornos dos grãos de perlita.

Quanto maior o teor de carbono em um aço, maior são as durezas e as resistências à tração. Entretanto, aços com elevados teores de carbono são prejudicados pela maior fragilidade devido à maior quantidade de cementita, que é bastante dura, mas quebradiça.

São ligas binárias de Fe-C contendo, 0,05 a 1,7% de carbono. O aço é um dos mais importantes materiais metálicos usados na indústria mecânica. É usado na fabricação de peças em geral. Obtém-se o aço abaixando-se a porcentagem de carbono do ferro gusa. Segue na figura abaixo as principais características encontradas nos aço:

Algumas propriedades do aço

Há duas classes gerais de aços: os aços ao carbono e os aços especiais ou aços-liga.

Aço ao Carbono

São os que contêm além do ferro, pequenas porcentagens de carbono, manganês, silício, enxofre e fósforo. Os elementos mais importantes do aço ao carbono são o ferro e o carbono. O manganês e silício melhoram a qualidade do aço, enquanto que o enxofre e o fósforo são elementos prejudiciais. Aços com porcentagem acima de 0,35% de carbono podem ser endurecidos por um processo de aquecimento e resfriamento rápido denominado têmpera.

Na pratica do dia-a-dia, a porcentagem aproximada de carbono de um aço pode ser reconhecida pelas fagulhas que desprendem ao ser esmerilhado:

O aço com até 0,35% de carbono, desprendem fagulhas em forma de riscos (Aços de baixa porcentagem de carbono);

Nos aços com 0,4% até 0,7% de carbono as fagulhas saem em forma de estrelinhas. (Aço de média porcentagem de carbono);

Acima de 0,7% de carbono as estrelinhas saem em forma de um feixe. (Aço de alto teor de carbono). (Figuras abaixo).

Até 0,35% C 0,4 a 0,7% C Acima de 0,7% C Classificação do tipo de aço conforme fagulhas em desbastes

Classificação Segundo a ABNT (% carbono)

A fim de facilitar as interpretações técnicas e comerciais, a ABNT,

(Associação Brasileira de Normas Técnicas) achou por bem dar números para a designação dos aços de acordo com a porcentagem de carbono. A seguir temos as principais designações:

Segundo a ABNT, os dois primeiros algarismos designam a classe do aço.

Os dois últimos algarismos designam a média do teor de carbono empregado.

Exemplo: Aço 10 20

20 – % percentagem média de carbono é de 0,20%

10 – aço ao carbono

Classificação Segundo Resistência à Ruptura

Algumas tabelas apresentam os aços classificados pela resistência à ruptura, indicada em quilogramas por milímetro quadrado (kg/mm2).

Exemplo: Aço 60 kg/mm2. Isso significa que um fio desse aço, que tenha uma secção de 1mm2, rompe-se quando se aplica em seus extremos um esforço de tração de 60 kg, figura 14.

Teste de resistência à ruptura

Formas Comerciais do Aço

forma de vergalhões, perfilados, laminados, chapas, tubos, fios,

Para os diferentes usos industriais, o aço é encontrado no comércio na

Perfis de laminados

Também encontramos o aço na forma de fios e tubos. Sendo que os tubos são:

Com costura - Obtidos por meio de curvatura de uma chapa. Usados em tubulações de baixa pressão, eletrodutos,...

Sem costura - Obtidos por perfuração a quente. São usados em tubulações de alta Pressão.

Exemplos: Aço laminado 1020 O - 2” x 100 Barra de aço de baixa porcentagem de carbono (0,20%) com 2” de diâmetro e 100mm de comprimento;

Barra de aço de médio teor de carbono (0,50%) laminada em forma retangular (chata) com 1 “de espessura, 2” de largura e 1500 m de comprimento.

Classificação dos Aços de Usos Gerais

A classificação dos aços segundo as normas da SAE (Society of Automotive Engineers - EUA) é a mais utilizada em todo o mundo para aços-carbono (aços sem adição de elementos de liga, além dos que permanecem em sua composição no processo de fabricação) e aços de baixa liga (aços com baixas porcentagens de elementos de liga).

A classificação SAE é baseada na composição química do aço. A cada composição normalizada pela SAE corresponde a uma numeração com 4 ou 5 dígitos.

A mesma classificação também é adotada pela AISI (American Iron and Steel Institute- EUA)

Um extrato contendo exemplos das classificações de alguns aços mais comuns é apresentado na listagem a seguir.

No total são previstas muitas dezenas de classificações. Nelas, os 2 dígitos finais X indicam os centésimos da porcentagem de C (Carbono) contida no material, podendo variar entre 05, que corresponde a 0,05% de C, a 95, que corresponde a 0,95% de C. Se a porcentagem de C atinge ou ultrapassa 1,0%, então o final tem 3 dígitos (X) e a classificação tem um total de 5 dígitos.

SAE 1XXX – aço-Carbono

SAE 10XX – aço-carbono simples (outros elementos em porcentagens desprezíveis, teor de Mn de no máximo 1,0%)

SAE 1X – aço-carbono com S (Enxofre)

SAE 12XX – aço-Carbono com S e P (Fósforo)

SAE 13XX – aço com 1,6% a 1,9% de Mn (Manganês) (aço-Manganês)

SAE 14XX – aço-Carbono com 0,10% de Nb (Nióbio)

SAE 15XX – aço-Carbono com teor de Mn de 1,0% a 1,65% (aço-Manganês)

Subdivisão dos Aços SAE 10XX

Não adquire têmpera

Grande maleabilidade, fácil de soldar-se.

Usos: chapas, fios, parafusos, tubos estirados, produtos de caldeiraria, etc.

(Parte 1 de 5)

Comentários