Ciência e tecnologia dos materiais, Notas de estudo de Engenharia Agrícola

Baixe Ciência e tecnologia dos materiais e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia Agrícola, somente na Docsity! 1 FACULDADES INTEGRADAS EINSTEIN DE LIMEIRA APOSTILA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS PROFº MSc. LUCIANO PASSOS NOVEMBRO 2006 LIMEIRA-SP 2 CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS 1. INTRODUÇÃO Os materiais têm sido importantes na cultura humana desde milênios de anos atrás para o uso em transportes, habitação, comunicação, recreação, proteção, etc...enfim, em tudo que está ligado a sua sobrevivência. Entretanto os primeiros seres humanos , tiveram acesso apenas a um número limitado de materiais, os naturais. 2. OBJETIVOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS Os objetivos deste estudo, é o de buscar soluções para projetos específicos, procurar novos materiais, bem como manipulá-los e analisar sua micro estrutura, segundo alguns critérios: - Analisando as condições de serviços e de exposição. - Quais as propriedades físicas e mecânicas esperadas? - Viabilização econômica do projeto. Elementos do projeto: PROCESSAMENTO - ESTRUTURA - PROPRIEDADES - DESEMPENHO ( figura 01 ) Amostras de óxido de alumínio 5 2.2 ESTRUTURA ATÔMICA DOS MATERIAIS Para o estudo dos diversos materiais usados na engenharia, é preciso conhecer a sua estrutura atômica, propriedades e comportamento, quando submetidos à tensões , esforços ou tratamento que modificam sua microestrutura. 2.3 ATRAÇÕES INTERATÔMICAS Elas resultam da interferência de ondas estácionárias e eletrônicas, isto é, do contato entre níveis e órbitas de elétrons, de dois ou mais átomos. Os tipos de ligações atômicas são as já vistas na química ( iônica , covalente, metálica e secundárias de Van Der Waals). Os materiais macroscópicos, da engenharia civil, como pôr exemplo, a cerâmica , o aço, os plásticos, etc..., cada um deles se originou de um tipo de ligação atômica. a)Ligação iônica : Atração mútua entre positivo e negativo (propriedades encontradas : Materiais isolantes, duros e quebradiços. Ex: cerâmica, cimentos , rebolos e sal de cozinha). b)Ligação covalente : Compartilhamento de elétrons de átomos adjacentes. (propriedades encontradas : Também isolantes, menos quebradiços. Ex: Plásticos). c) Ligação metálica : Caracterizada pôr uma núvem de elétrons livres e íons positivos. (propriedades encontradas : bons condutores de eletricidade e calor. Ex: ferro, cobre e alumínio). 3. TIPOS DE ESTRUTURAS ( ARRANJOS ATÔMICOS) As propriedades dos materiais dependem do arranjo de seus átomos. Estes arranjos podem ser classificados em: – Estruturas moleculares - agrupamentos de átomos. – Estruturas cristalinas - arranjo repetitivo de átomos. 6 – Estruturas amorfas. 3.1 ESTRUTURA MOLECULAR Pode ser definida por um número limitado de átomos, fortemente ligados entre si. Os exemplos mais comuns de moléculas incluem os compostos como H20, CO2, O2, CCL4, N2 , CH4, etc... 3.2 MATERIAIS CRISTALINOS – compostos por átomos, moléculas ou íons arranjados de uma forma periódica em 3 dimensões. – As posições que são ocupadas seguem uma ordenação que se repete ao longo de grandes distâncias – ordem de longo alcance 3.2.1 MODELO DE ESFERAS RÍGIDAS – os átomos são considerados com se fossem esferas sólidas de diâmetro fixo. Exemplo: modelo bi-dimensional ( figura 02 ) Amostras de óxido de alumínio

 7 3.2.2 RETICULADO CRISTALINO – arranjo de pontos que representam a posição média dos átomos Exemplo: modelo bi-dimensional ( figura 03 ) Amostras de óxido de alumínio 3.2.3 CÉLULAS UNITÁRIAS São as menores entidades que se repetem em uma estrutura cristalina. Várias células unitárias formarão um grão e vários grãos, formarão a matéria. 3.2.4 FATOR DE EMPACOTAMENTO ATÔMICO ( f.e.a ) É a relação entre o volume ocupado pelos átomos e o volume da célula unitária. 3.2.5 NÚMERO DE COORDENAÇÃO É o número de vizinhos mais próximos de um átomo.      
     

 10 O fator de empacotamento atômico neste caso é de 0,74, ou seja, volume de 4 átomos dividido pelo voluma da célula. A aresta da célula está relacionada com o raio atômico R pela expressão a = 2R√ 2. ( figura 06 ) Célula unitária representada por esferas rígidas – tamanho real – sólido cristalino CFC. 3.3.2 SISTEMA HEXAGONAL 3.3.2.1 CÉLULA HEXAGONAL COMPACTA (HC) Na célula hexagonal compacta 1/6 dos átomos estão localizados em cada vértice das faces hexagonais, 3 átomos localizados no centro da estrutura e metade nos pontos centrais dos dois planos hexagonais, totalizando 6 átomos na célula e o fator de empacotamento atômico é também é de 0,74, e a distância c/a na figura 07 vale 1,633 . 11 ( figura 06 ) Célula Unitária Hexagonal Compacta 3.4 MATERIAIS AMORFOS Compostos por átomos, moléculas ou íons que não apresentam uma ordenação de longo alcance. Podem, no entanto, apresentar uma ordenação de curto alcance. Estes materiais amorfos literalmente sem formas, incluem os gases , líquidos e os vidros. 3.4.1 GASES Cada molécula ou átomo está à uma distância suficiente dos outros átomos ou moléculas, para que possa ser considerado independente. 3.4.2 LÍQUIDOS Os líquidos, tal como os gases, são fluídos e não apresentam a ordem encontrada em grandes distâncias nos cristais. Podemos notar que a estrutura dos líquidos tem muita coisa em comum com a dos cristais, ou seja, um cristal modificado por arranjos térmicos que é suficiente para destruir a ordem em grandes distâncias no reticulado cristalino. 12 3.4.3 VIDROS Os vidros são considerados, como sendo líquidos super resfriados . Em temperaturas elevadas, os vidros formam líquidos verdadeiros, os átomos movem-se livremente e não há resistência para tensões de cisalhamento. Quando um vidro comercial, na sua temperatura de líquido é super resfriado, há contração térmica causada pelo rearranjo atômico, para produzir um empacotamento mais eficiente dos átomos. 4. DIREÇÕES E PLANOS CRISTALINOS O estudo das direções e dos planos cristalinos, se torna importante quando influencia nas propriedades físicas, mecânicas e elétricas de um determinado componente. Através deste conceito, podemos entender que um material é chamado anisotrópico, quando estas propriedades dependem da direção cristalográfica a qual o material estará submetido. Para exemplificar esta propriedade podemos citar a madeira, que tem alto grau de anisotropia. Entretanto os materiais isotrópicos será o contrário, ou seja, as propriedades independem da direção cristalográfica. Para efeitos macroscópicos, podemos dizer que o aço de construção civil apresenta alto grau de isotropia. Os monocristais, são materiais formados por um arranjo repetitivo e perfeito ao longo de toda uma direção, não havendo falhas, formando faces perfeito. Ex: diamante e toda as pedras preciosas. Já os policristalinos, são formados pelo crescimento de cristal em várias direções, como por exemplo a ferro , a cerâmica , o concreto etc.... As direções são representadas por um vetor a partir de uma origem “O”, e termina em uma coordenada conhecida a partir desta origem , como mostra a figura 07. Os “índices de Miller” ou coordenadas são apresentados sempre por números inteiros e dentro de colchetes ex: [ 1 1 1 ]. No caso da figura 07 abaixo, teremos [ ½ 1 0], então devemos multiplicar todos os índices pelo primeiro número inteiro maior que 1, ou seja, 2. Então os índices apresentados serão [ 1 2 0 ]. 15 (Figura 11) Deformação elástica no nível atômico. 5.1 DEFORMAÇÃO ELÁSTICA A deformação elástica é resultado de uma pequena elongação ou contração do retículo cristalino na direção da tensão (tração ou compressão) aplicada. A resistência mecânica de um material é caracterizada pelo parâmetro chamado tensão, que é a resistência interna de um corpo a uma força externa aplicada sobre ele, por unidade de área. Considerando uma barra como mostra a figura 12, de área transversal A0 submetida a um esforço de tração F, a tensão (σ) é medida por: σ = F / A0 (Figura 12) Barra submetida a esforço de tração. Com a aplicação da tensão σ, a barra sofre uma deformação ε. A carga F produz um aumento da distância L0, de um valor ∆L. A deformação é dada, então por: A0 F L0 ∆L L Sob tensão de compresssão Sob tensão de tração Sem tensão externa átomo 16 ε = ∆L / L0 onde: ∆L = L – L0 Deve-se observar que a tensão tem a dimensão de força por unidade de área e a deformação é uma grandeza adimensional. A tensão pode ser relacionada com a deformação através da equação correspondente a lei de Hooke: σ = E . ε onde E é uma constante do material denominada módulo de elasticidade. A tabela 1 mostra módulos de elasticidade para vários metais e ligas. Quanto mais intensas as forças de atração entre os átomos, maior é o módulo de elasticidade E. Qualquer elongação ou contração de uma estrutura cristalina em uma direção, causada por uma tensão, produz uma modificação na dimensão perpendicular (lateral), como mostra a figura 13. A relação entre a deformação lateral εx e a deformação longitudinal εy é chamada de coeficiente de Poisson: ν = - εx / εy (Figura 13) Deformação causada a um corpo de prova sob efeito de tensão, no regime elástico. Tensão normal Tensão de cisalhamento 17 Tabela 1 - Módulo de Elasticidade na temperatura ambiente. Metal poisson E (MPa) Liga Metálica poisson E (MPa) Ferro 0,3 210.000 Aço 0,3 210.000 Cobre 0,34 112.00 Latão 0,34 97.000 Alumínio 0,33 70.000 Alumínio 0,33 74.200 Magnésio 0,29 43.750 Magnésio 0,29 45.500 Chumbo 0,3 17.500 Titânio 0,34 107.000 Obs: A direção cristalina influencia no módulo de elasticidade do material. Os materiais não são isotrópicos em relação ao módulo de elasticidade. Por exemplo, o ferro tem um módulo de elasticidade variando de 272.000 MPa na direção [1 1 1] a 125.000 MPa na direção [1 0 0]. O conhecido valor de E=210.000 MPa é, na verdade, um valor médio, pois o material é policristalino. ATENÇÃO: observe apenas que cada direção tem um nome. Ex. [100], [111] Isotrópico: a propriedade especificada é igual em qualquer direção. Anisotrópico: a propriedade especificada varia conforme a direção. 5.2. DEFORMAÇÃO PLÁSTICA Na prática a importância da deformação elástica na maioria das peças, estruturas e equipamentos que fabricamos não devem sofrer modificações na sua forma com o tempo. Por exemplo, não queremos montar um telhado sobre uma estrutura metálica, e o peso deste telhado deformar algumas tesouras, podendo ocasionar um efeito catastrófico. Por isto, projetamos esta estrutura para suportar apenas deformação elástica. A capacidade dos metais de serem deformados de modo permanente é chamada de plasticidade. Portanto, deformação plástica é aquela que ocorre quando um carregamento causa um deslocamento permanente, ou seja, a retirada da tensão não implica no retorno dos planos cristalinos as suas posições originais. 20 1. Limite de resistência à tração (tensile strenght): valor da máxima tensão suportada pelo material (MPa); 2. Limite de escoamento (yield strength): tensão que caracteriza o início da fase plástica (MPa); 3. Alongamento após a ruptura: valor do alongamento permanente, medido no corpo de prova, após o rompimento; 4. Coeficiente de estricção: redução percentual da área, medido no corpo de prova após o rompimento. Materiais macios, como o aço AISI1020, por exemplo, apresentam um limite de escoamento nítido, através da formação de um patamar. Apresentam-se claramente dois pontos: o limite de escoamento superior e o limite de escoamento inferior (figura 15). Na grande maioria dos materiais ensaiados, não há a constatação de um limite de escoamento nítido, o que dificulta a determinação do ponto onde inicia a zona plástica. As normas, então determinam uma outra técnica para obter o limite de escoamento, através do uso de um extensômetro. Com isto determina-se o limite de escoamento tendo ocorrido uma deformação permanente de 0,2%, também chamado σ0,2% (figura 16). Para encontrar o ponto, levanta-se a curva σ x ε através de um extensômetro e é traçada uma reta paralela à da região elástica. No ponto onde esta reta traçada encontra a curva tem-se o valor de tensão que corresponde à tensão de escoamento do material. Os dados dos materiais são encontrados nos catálogos dos fabricantes e nas normas correspondentes. A tabela 2 mostra os dados do aço AISI304, indicando os valores mínimos esperados para as propriedades mecânicas. 21 (Figura 16) Definição da tensão de escoamento, tendo uma deformação permanente de 0,2% ou 2/1000. 6. DISCORDÂNCIAS E DEFEITOS NOS CRISTAIS (dislocations) Elas têm uma forte influência sobre as propriedades mecânicas dos metais e de alguns cerâmicos. Características das discordâncias: ♦ elas são criadas devido às condições de processamento (a forma usada na fabricação do material) e por forças mecânicas que atuam sobre o material. ♦ estão quase sempre presentes nos cristais reais. ♦ em um material típico, aproximadamente 5 de cada 100 milhões de átomos (0.000005%) pertencem a um defeito tipo discordância. Em uma porção de material de 10 cm3 (cerca do tamanho de um dado de seis lados), haverá aproximadamente 1017 átomos que pertencem a defeitos tipo discordância. 22 Figura 17 – Discordâncias (linhas) mostradas através de um microscópio eletrônico de transmissão. O tipo mais simples de discordância pode ser visto como um semi plano atômico extra, inserido na estrutura, o qual termina em qualquer lugar do cristal. A extremidade do meio plano é a discordância, conforme mostra a figura abaixo. Figura 18 – Discordância em cunha mostrando distorção do cristal Considerando o semi plano extra que está dentro do cristal, observa-se claramente que o cristal está distorcido onde o semi plano atinge o plano de escorregamento. Pode-se também deduzir que a distorção diminui de intensidade quando se caminha em sentido oposto à aresta do semi plano , porque a grandes distâncias dessa aresta, os átomos tendem a rearranjar-se como em um cristal perfeito. A distorção do cristal é, pois, centrada em torno da aresta do plano extra. 25 7 FALHA OU RUPTURA NOS METAIS 7.1 IMPORTÂNCIA DO ESTUDO A engenharia e ciência dos materiais ocupam papéis importantes na prevenção e análise de falhas em peças ou componentes mecânicos. 7.2 FRATURA Consiste na separação do material em 2 ou mais partes devido à aplicação de uma carga estática à temperaturas relativamente baixas em relação ao ponto de fusão do material 7.2.1 TIPOS DE FRATURA a) Dúctil .A deformação plástica continua até uma redução na área para posterior ruptura (É OBSERVADA EM MATERIAIS CFC) b) Frágil. Não ocorre deformação plástica requerendo menos energia que a fratura dúctil que consome energia para o movimento de discordâncias e imperfeições no material (É OBSERVADA EM MATERIAIS CCC E HC) 7.2.2 MECANISMO DA FRATURA DÚCTIL A RUPTURA SE DÁ EM CINCO ETAPAS: a- formação do pescoço b- formação de cavidades c- coalescimento das cavidades para promover uma trinca ou fissura d- formação e propagação da trinca em um ângulo de 45 graus em relação à tensão aplicada e- rompimento do material por propagação da trinca 7.3 FLUÊNCIA (CREEP)
Quando um metal é solicitado por uma carga, imediatamente sofre uma deformação elástica. Com a aplicação de uma carga constante, a deformação plástica progride lentamente com o tempo (fluência) até haver um estrangulamento e ruptura do material
Velocidade de fluência (relação entre deformação plástica e tempo) aumenta com a temperatura
Esta propriedade é de grande importância especialmente na escolha de materiais para operar a altas temperaturas
Então, fluência é definida como a deformação permanente, dependente do tempo e da temperatura, quando o material é submetido à uma carga constante 26
Este fator muitas vezes limita o tempo de vida de um determinado componente ou estrutura
Este fenômeno é observado em todos os materiais, e torna-se importante à altas temperaturas (0,4TF) 7.3.1 FATORES QUE AFETAM A FLUÊNCIA Os fatores mais importantes a serem observados são:
Temperatura
Módulo de elasticidade
Tamanho de grão 7.4 FADIGA
É a forma de falha ou ruptura que ocorre nas estruturas sujeitas à forças dinâmicas e cíclicas
Nessas situações o material rompe com tensões muito inferiores à correspondente à resistência à tração (determinada para cargas estáticas)
É comum ocorrer em estruturas como pontes, aviões, componentes de máquinas
A falha por fadiga é geralmente de natureza frágil mesmo em materiais dúcteis.
A fratura ou rompimento do material por fadiga geralmente ocorre com a formação e propagação de uma trinca.
A trinca inicia-se em pontos onde há imperfeição estrutural ou de composição e/ou de alta concentração de tensões (que ocorre geralmente na superfície)
A superfície da fratura é geralmente perpendicular à direção da tensão à qual o material foi submetido
Os esforços alternados que podem levar à fadiga podem ser:
Tração
Tração e compressão
Flexão
Torção,... 8 LIGAS COMERCIAIS As ligas comerciais se dividem em dois grupos: a) Ligas Ferrosas : O ferro é o elemento principal. b) Ligas não ferrosas : Não tem como base o ferro. 8.1 CARACTERÍSTICAS DAS LIGAS FERROSAS 27 c) AÇOS -- Ligas de ferro ao carbono d) AÇOS COMUNS AO CARBONO - Concentrações residuais de impurezas além de carbono e manganês. e) AÇOS COM BAIXO TEOR DE CARBONO Menos que 0.25 % de Carbono. Microestrutura - ferrita e perlita Usados em carcaças de automóveis, edificações e pontes. f) AÇOS COM MÉDIO TEOR DE CARBONO 0.25 % A 0.6 % de Carbono. Podem ser tratados (Têmpera e revenimento) Usados para rodas e trilhos de trens, engrenagens, virabrequins e componentes estruturais de alta resistência g) AÇOS COM ALTO TEOR DE CARBONO-- 0.6 % A 1.4 % de Carb. Mais duros e resistentes Usados em condição endurecida e revenida Resistente ao desgaste e abrasão Usados para fabricação de ferramentas ( brocas, serras, ferramentas de torno e plaina. h) AÇOS INOXIDÁVEIS Concentração de cromo de pelo menos 11%. Resistentes à corrosão Usado em equipamentos para processos químicos. i) FERROS FUNDIDOS Formam uma classe de ligas ferrosas com teores de carbono acima de 2.14%.Na prática os teores variam de 3.0 a 4.5 %. j) FERRO CINZENTO C/ teores de carbono e silício entre 2.5 e 4.0 % e 1.0 e 3.0 % respectivamente. Usados em bases e barramentos de máquinas operatrizes. k) FERROS DÚCTIL E NODULAR Formado quando se adiciona uma pequena quantidade de magnésio e/ou cério ao aço cinzento antes da fundição. 30 Os tratamentos que modificam as propriedades somente numa fina camada superficial da peça: - a - Cementação b - Nitretação 9.3 TÊMPERA É o tratamento térmico aplicado aos aços com porcentagem igual ou maior do que 0,4% de carbono. O efeito principal da têmpera num aço é o aumento de dureza, tornando-o mais quebradiço. • Fases da têmpera 1ª Fase: – Aquecimento – A peça é aquecida em forno ou forja, até uma temperatura recomendada. (Por volta de 800ºC para os aços ao carbono). 2ª Fase: – Manutenção da temperatura – Atingida a temperatura desejada esta deve ser mantida por algum tempo afim de uniformizar o aquecimento em toda a peça. 3ª Fase: – Resfriamento – A peça uniformemente aquecida na temperatura desejada é resfriada em água, óleo ou jato de ar. 9.4 REVENIMENTO É o tratamento térmico que se faz nos aços já temperados, com a finalidade de diminuir a sua fragilidade, isto é, torná-lo menos quebradiço. O revenimento é feito aquecendo-se a peça temperada até uma certa temperatura resfriando-a em seguida. As temperaturas de revenimento são encontradas em tabelas e para os aços ao carbono variam entre 210ºC e 320ºC. 1ª Fase: – Aquecimento – Feito geralmente em fornos controlando-se a temperatura com pirômetro. 2ª Fase: – Manutenção da Temperatura – Possível quando o aquecimento é feito em fornos. 3ª Fase: – Resfriamento – O resfriamento da peça pode ser: – Lento – deixando-a esfriar naturalmente. – Rápido – mergulhando-a em água ou óleo. 31 O revenimento diminui um pouco a dureza da peça temperada, porém aumenta consideravelmente a sua resistência aos choques. Geralmente, toda peça temperada passa por um revenimento, sendo até comum dizer-se “peça temperada” ao invés de “peça temperada e revenida”. 9.5 RECOZIMENTO O recozimento é o tratamento térmico que tem por finalidade eliminar a dureza de uma peça temperada ou normalizar materiais com tensões internas resultantes do forjamento, da laminação , trefilação etc. 1ª Fase: Aquecimento – A peça é aquecida a uma temperatura que varia de acordo com o material a ser recozido. (Entre 500ºC e 900ºC 2ª Fase: Manutenção da temperatura – A peça deve permanecer aquecida por algum na temperatura recomendada para que as modificações atinjam toda a massa da mesma. O recozimento elimina a dureza de uma peça temperada anteriormente, fazendo-se voltar a sua dureza normal. Torna o aço mais homogêneo, melhora sua ductilidade tornando-o facilmente usinável e dobrável. 9.6 CEMENTAÇÃO É o tratamento térmico que aumenta a dureza em uma fina camada superficial do aço. 1ª Fase: Aquecimento em caixa com carburante ou em banho no carburante líquido aquecido. 2ª Fase: Manutenção da temperatura – O tempo de duração desta fase é de acordo com a espessura. (0,1mm a 0,2mm por hora). 3ª Fase: Resfriamento – A peça é esfriada lentamente dentro da própria caixa. Após a cementação as peças são temperadas. 9.7 NITRETAÇÃO 32 É um processo semelhante à cementação, que se faz aquecendo o aço a uma temperatura de 500ºC a 525ºC na presença de um gás denominado Nitrogênio. Após algum tempo, obtém-se uma fina camada, extremamente dura, não havendo necessidade de se temperar a peça. 10 CORROSÃO É a ação química que o meio ambiente exerce sobre o material, tornando-o imprestável para vários usos, como, por exemplo, na construção civil.
 Corrosão Metálica: é o caso mais importante da corrosão em que o material corroído é um metal ou uma liga metálica. 10.1 TIPOS DE CORROSÃO EM RELAÇÃO AOS MEIOS
 Em relação aos meios naturais:  Corrosão Atmosférica: Provocada pela atmosfera, em condições ambientes. – Corrosão pelas águas – Corrosão pelos solos 10.1.2 CORROSÃO ATMOSFÉRICA A causa : umidade atmosférica Atmosfera seca não corrói. Atmosfera poluída corrói mais, são poluentes atmosféricos: – a poeira (urbanas e industriais) – o sal – o dióxido de enxofre – produtos industriais variados 10.1.3 CORROSÃO PELAS ÁGUAS A água será mais corrosiva dependendo da: – a) quantidade de ar e de sais nela dissolvida e da natureza desses sais. • A água sem ar é pouco corrosiva ( caldeiras para produção de vapor) – b) Produtos químicos dissolvidos na água – substâncias que aumentam a alcalinidade (soda e soda cáustica): • Reduz a ação corrosiva da água frente aos aços
 Inibidores de corrosão: – Sais (cromato, dicromato de sódio ou de potássio, nitrito de sódio, o fosfato de sódio e outros) – Alguns compostos orgânicos