VICENTE CHIAVERINI - Tecnologia Mecânica - Estrutura e Propriedades das Ligas Metálicas - Vol. I, Notas de estudo de Engenharia Agrícola

Baixe VICENTE CHIAVERINI - Tecnologia Mecânica - Estrutura e Propriedades das Ligas Metálicas - Vol. I e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia Agrícola, somente na Docsity! TECNOLOGIA MECÂNICA Estrutura e Propriedades das Ligas Metálicas CEC 2º edição aa e nénidi McGraw-Hill  n——— VICENTE CHIAVERINI Professor Titular da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo Membro Honorário da Associação Brasileira de Metais MECÂNICA ESTRUTURA E PROPRIEDADES DAS LIGAS METÁLICAS VOLUME I 22 edição MAKRON Books do Brasil Editora Ltda. Vidilora McGraw-Hill Ltda. São Paulo Run Tubapuã, 1105, Itaim-Bibi CEP 04533 tOt1) 8290-8604 e (O11) 820-8528 fio de Janeiro * Lisboa 9 Porto * Bogotá * Buenos Aires 9 Guatemala 9 Madrid o México * New York * Panamá * San Juan € Santiago Auckland é Hamburg e Kuala Lumpur é London e Milan e Montreal € New Delhi 9 Paris € Singapore * Sydney + Tokyo * Toronto  Piu n HI Iv Pecnolugta Mecênico — ESTRUTURA CRISTALINA DOS METAIS . 1 - Sistemas e reticulados cristalinos .... 1.1 - Alotropia . 2 - Parâmetro do reticulado 3 - Planos cristalográficos, direções cristalográficas Indices de Miller... .. ci cccececeoo , 4-Imperfeições ou defeitos cristalinos .. 1 - Imperfeições de ponto ......... 2 - Imperfeições de linha 4.3 - Outras imperfeições cristalinas ... — PLASTICIDADE DOS METAIS 1-Introdução ...iccccccisiseci 2 - Deformação elástica .........c.o.. 3 - Deformação plástica ............ 3.1 - Deformação por escorregamento 3.2 - Escorregamento mediante movimento de “discordância 3,3 - Deformação por maclação ,......ccciciiiios 4 - Deformação dos metais policristalinos .. . X4.1 - Deformação a frio e deformação a quente ........ 4,2 - Recristalização .... cc ccsccrcascssctsicoca 4.3 - Crescimento de grão .......ciciciccccereo 4.4 - Medida do tamanho de grão ... ca . 4.5 - Comentários finais sobre a recristalização carte 4.6 - Trabalho a quente... ..c.cccccc css — LIGAS METÁLICAS . . 1 - Impurezas nos metais ........ 2 -Soluções sólidas ........ci. 3-Difusão....... 4. - - Lei das fascs de Gibbs . . arenas 5- Diagramas de equilíbrio ou de constituição PP 5.1 - Ligas cujos componentes são totalmente solúveis tan- to no estado líquido como no sólido ........... 5.2 - Ligas cujos componentes são totalmente solúveis no estado líquido, porém insolúveis no estado sólido... 5.3 - Ligas cujos componentes são totalmente solúveis no estado líquido, mas apenas parcialmente solúveis no estado sólido ......ccccctsccitisrc erro 5.4 - Ligas cujos componentes podem formar, em parte, compostos intermetálicos que podem, por sua vez, ser inteiramente solúveis, parcialmente solúveis ou inso- 73 7 v vI vm VII IX Stimdrioo lúvois em um ou em ambos os excensos dos compo- nentes .iccccccctccicisaasa rrenan ea 5.5 - Ligas com mais de dois componentes ..,........ - PROPRIEDADES MECÂNICAS E SUA DETERMINAÇÃO — DEFINIÇÕES . 1 Introdução .. 2-Definições ..... . 3 -Coeficiente de segurança e tensão admissível de trabalho .. 4 - Ensaios mecânicos, normas e especificações ...... 5 - Levantamento de dados obtidos nos ensaios ...... — RESISTÊNCIA À TRAÇÃO E RESITÊNCIA A COMPRESSÃO 1 - Resistência à tração. Gráfico tensão-deformação ........ 1 - Alongamento e estricção, Ductilidade .. . 2 - Diagrama tensão-deformação verdadeiro ... 3 - Curvas tensão-deformação para alguns materiais -.. é Tipos de fratura por tração .......c ces ccooo 5 -Corpos de prova empregados no ensaio de tração RR 6 - Resiliênciá e tenacidade ........ cs... ) «57 - Observações finais sobre a resistência à tração e o ensaio detração........ 8 - Resistência à compressão a 8.1 - Ensaio de compressão .......... -— RESISTÊNCIA AO DOBRAMENTO E RESISTÊNCIA À FLEXÃO OU À RUPTURA TRANSVERSAL. ENSAIOS CORRESPONDENTES ............ 1-Dobramentos ........cccsstts 1 - Ensaio de dobramento ....... 2 - Resistência à ruptura transversal .. 3-Conclusões ..... — RESISTÊNCIA AQ CISALHAMENTO E À TORÇÃO ...... 1-Introdução ... . 2-Ensaios...... 3 -Conclusões — DUREZA ........ É -Introdução ..... 2 - Ensaios de dureza .............s 1 - Ensaio de dureza Brinell.... 2.2 - Ensaio de dureza Rockwell .... 1% 93 n2 113 126 EE RT EIA CTT Te ETA x Tecnologia Macânica o Sinndrio x 2.3 - Rockwell superficial .......cccicicsrcros 144 2.4 - Ensaio de dureza Vickers... 144 XI - PROPRIEDADES E ENSAIOS DIVERSOS ........ 25 2.5: Dureza escleroscópica ... o 46 1 «Capacidade de amortecimento... .. isso 218 2.6 - Ensaios de microdureza ......ccicccroo do 146 . 14 - Ensaios de amortecimento . 218 3 - Relações de conversão de dureza ..........co. 48 i 2 - Capacidade de embutimento . 28 4 - Relações entre dureza e resistência à dr 148 i 3 - Resistência ao desgaste . 220 5 Conclusões ..iiccc 150 i 3.1 - Ensaios de desgaste 223 | 4 - Usinabilidade ........ . o RA X — FLUÊNCIA... ...... 152 1 - Ensaios de usinabilidade . ......iccccccccrrs 26 1 - Fenômeno da fluência . 152 | 2 - Ensaios de fluência 156 ! XIV — ESFORÇOS COMBINADOS — TEORIAS DE RESISTÊNCIA 229 21 - Resistência à fluência . 157 1 - Teorias de resistência... ... cc cc ccccscsstcse 22% 2.2 - Resistência à ruptura por fluência ........... 157 1.1 - Teoria de RANKINE ou da “tensão máxima” ..... 230 2.3 - Dispositivos para ensaio de fluência Doc 157 1.2 -Teoria de SAINT-VENANT ou da “deformação 3 - Curvas representativas de propriedades de Fuência RR 167 máxima ecc Cetera ee 231 4 - Recuperação e relaxação ........... 65 1.3 - Teoria de “cisalhamento máximo” .......,.. 232 5 Conclusões ..iiciccccliciccs sc 166 | 1.4 - Teoria de BELTRAMI ou da *“ “energias deformação” " Il ou “trabalho de deformação máximo” .......... 232 X1 — RESISTÊNCIA AO CHOQUE ..........., 167 | 1.5 - Teoria de HUBER ou da “energia de empenamento” . 232 1 -Introdução ....cccciciccic ca 167 . 2-Cargas cíclicas ....sccsscccrcreceo - 2-Ensaiosde choque ..... 169 3 - Escolha de uma teoria de resistência ..... 3 - Temperatura de transição . 173 4 - Teoria de MOHR ...ccccccicre 3 -Conclusões 176 5 - Ensaios sob tensões multiaxiais ........ - 5.1 - Corpo de prova plano em forma de cruz . XI — FADIGA..... 178 l 5.2 - Corpo de prova cilíndrico oco, de paredes finas .... 243 1-Introdução .. 178 5.3 - Corpo de prova com compressão superposta em tração 244 “. 2 - Ensaios de fadiga 183 i 6 - Tensões de trabalho 21 - Corpos de prova para ensaio de fadiga... “90 3 - Fatores que influem na resistência à fadiga dos metais .... 190 Questões e Exercícios .... ico cc stresse rs estro 28 3.1 - Efeito da composição e das condições de fabricação . 191 3.2 - Efeito da frequência da tensão cíclica .. 192 Bibliografia ....cel cocos cce cerca carrera 256 «3,3 --Efeito da temperatura. 194 3.4 - Efeito das dimensões 195 Indice Analítico ocre sos cerersrorereneereertataoo o 3.5 - Efeito da forma ..... 196 3.6 - Efeito das condições superficiais ........ 200 3.7 - Efeito do tratamento superficial .......... 200 3.8 - Efeitodomeio......... 208 3.9 - Efeito doatrito ........ 210 4 - Relação do limite de fadiga com a resistência â tração dos metais 21 5 - Outros tipos de esforços... 211 6-Conclusões .......... 212 PREFÁCIO A indústria moderna, em todos os seus setores produtivos, está exigindo equipamentos e componentes mecânicos cada vez mais sofisticados; daí a necessidade de conhecer-se, com razoável profundidade, os materiais empre- gados no seu projeto e construção, sobretudo os metálicos, os quais constituem ainda a principal fonte de suprimento da matéria-prima necessária. O emprego das ligas metálicas na engenharia e na indústria é baseado, principalmente, nas suas propriedades mécânicas, embora, em muitas aplicações, além dessas, outras propriedades devam ser consideradas como resistência à corrosão, resistência ao calor, característicos elétricos e magnéticos etc. As propriedades mecânicas estão intimamente relacionadas com a estrutura, à qual, por sua vez, depende da composição química e das condi- ções de fabricação das ligas. Porque esses conhecimentos são fundamentais para a melhor compre- ensão do comportamento das ligas quando sujeitas às cargas de serviço, assim como para a seleção correta das ligas para determinadas condições de serviço, o objetivo desta obra, de fins didáticos e como fonte de consulta para profis- sionais da engenharia e da indústria, é analisar a estrutura e as propriedades dos metais e suas ligas e estudar a correlação desses característicos entre si e com as condições de fabricação. xH  4 Tacnologia Mecinica para resfriamento muito lento, os trechos A, B e C representam o líquido, o processo de solidificação (cristalização) e o sólido (vidro), respectivamente; — para resfriamento relativamente rápido, os trechos A, D e E represen- tam o líquido, o líquido super-resfriado e o sólido, respectivamente; — para uma velocidade intermediária, os trechos A, F, G e H representam o líguido, o processo parcial de cristalização, as cristalitas em matriz de líquido super-resfriado e as cristalitas em matriz vídrosa, respectivamente. 3 Algumas definições Chama-se “entalpia” Da quantidade de energia de uma substância sob aquecimento e sujeita a pressão constante. A entalpia é expressa por H=E + PV, onde H entalpia P — pressão V volume E energia interna, ou seja, a energia cinética média de todos os átomos. “Entropia” é a medida da distribuição a esmo ou do grau de desordem dos arranjos internos dos átomos ou moléculas num sistema de materiais de fase simples!) Para quantificar a entropia S, admite-se que a entropia de um cristal perfeito puro seja igual a 0ºK, correspondente a um estado de perfeita ordem!*). Assim como a entalpia, a entropia ou “desordem” .de um sistema aumenta com a temperatura. O produto da entropia pela temperatura absoluta TS é chamado “fator de entropia” e tem as unídades de energia. A diferença entre a entalpia R de um sistema e seu fator de entropia é chamada “energia livre Gibbs G”: G=H-TS A Figura 3!) mostra a variação da energia livre G com a temperatura para as fases líquida e sólida da água. [e] OK (escala Kelvin) = —273ºC (temperatura mínima absoluta). Msrrantra moteitco - Cumerar turcas garais dou metia 4 . anergia lie — gelo é estiver — ——] ! qua ; i je água é estnal 0% tempermua ———— Pigura3 Energia livre como função da temperatura para as formas cristalina (gelo) e líquida (água). Nota-se que abaixo de 0ºC — temperatura de equilíbrio de fusão ou solidificação — e à pressão atmosférica, a energia livre do gelo é menor que a da água; logo o pelo é fase estável. Acima de 0ºC, a água é a fase estável. A qualquer temperatura, a diferença de energia livre — DG — é representada pela separação vertical entre as duas curvas. No ponto de equilíbrio de fusão — 0ºC — as energias livres são iguais e tanto a água como o gelo são estáveis. 4 Naturezado átomo Para explicar a natureza do átomo, por muito tempo utilizou-se o modelo de BOHR, proposto em 1913, que compara o átomo ao sistema solar: um núcieo (sol) e partículas ou corpúsculos mo- vendo-se rapidamente, em órbitas circulares ou elípticas (planetas) em torno do núcleo. As partículas em movimento são os “elétrons”, carregadas negativamente. O núcleo, por sua vez, é composto de dois outros tipos de partículas: o “nêutron” com carga elétrica neutra e o “próton” com carga elétrica posi- tiva, do mesmo valor que a do elétron, cuja carga elétrica é negativa e equivale à— 1,602.102º coutombtil, O conceito de BOHR, embora ainda utilizado pela sua clareza e simpli- cidade está ultrapassado, devido às teorias da física moderna: “quantização de energia” de PLANK, “dualidade onda-corpúsculo” de DF BROGLIE, “indeterminação” de HEISENBERG e “equivalência entre massa e energia” de EINSTEIN, as quais propiciam uma nova interpretação da estrutura atômicat?). ú Feenologia Mectnica Assim, os elétrons, em vez de serem- considerados meramente como purtículas, possuem natureza dupla, comportando-se ao. mesmo tempo como partículas (ou corpúsculos) ou como ondas e, do mesmo modo, não se pode afirmar que um dado elétron se encontre, num dado instante, num determi nado ponto com uma determinada energia. O núcleo de átomo é, pois, circundado por elétrons, os quais se movi- mentam rapidamente. O diâmetro atômico é muito pequeno: da ordem de 10719 m ou 107? míerons e o do núcleo é da ordem de 10718 m!!), O átomo de ferro!3), por exemplo, possui um raio de 1,241 AÍ, Apesar do seu menor diâmetro, o núcleo contém a maior parte da massa atômica. O próton e o nêutron possuem aproximadamente a mesma massa, cada uma das quais é 1.800 vezes maior que a de uím elétron. O néutron é eletricamente neutro, mas o próton tem uma carga elétrica positiva correspondente a +1,602 x 1071? coulomb, a qual é exata- mente a carga negativa de um elétron. O peso de um átomo é praticamente proporcional ao peso total de prótons e nêutrons do núcleo. O peso de um elemento químico é chamado “peso atômico”, o qual varia dentro de uma faixa muito ampla, desde 1,008 para o hidrogênio, até cerca de 250 para alguns dos elementos instáveis transuranianost*, O peso atômico é expresso em gramas por átomo-grama. Um átomo-grama contém sempre 6,02 x 10? átomos (número de Avogadro)!4) Assim e — peso atômico peso do átomo — O TO O número de prótons no núcleo Z é chamado de número atômico e caracteriza um elemento químico! n O número correspondente à massa atômica de um átomo, expresso por A, é dado por A=Z+N onde N é o número de nêutrons do núcleo. 0%em = 10 mm = 10? mícrons. Knerutura mutdiico - Curgerorfeticas geral dum morata ? Um elomento químico é caracterizado pelo número Z, de modu que átomos de um dado elemento podem apresentar um número varifvol da nêutrons. “Isótopos” são considerados subespécies de elementos químicos, com 4 mesmo número Z, mas diferentes números A e N. O peso atômico de un elemento corresponde à média das massas atômicas de vários isótopos que ocorrem naturalmente no elemento. A escala de peso atômico é baseada nu valor do isótopo de carbono que corresponde a 12 e que tem um número do massa atômica equivalente a 1281, O núcleo de um átomo pesa menos do que a soma dos pesos de suuh partículas componentes isoladamente. A diferença entre a massa real é a dor componentes é chamada “defeito de massa”! ?) e se relaciona com a energia ligadora do núcleo AE, por intermédio da equação de Einstein: AE = Ame? onde c é a velocidade da luz. As forças nucleares que unem os prótons e os nêutrons são enormes e a energia de ligação equivale a cerca de 8,5 milhões de etétrons-volts (meV) por partícula do núcleo"). c A maior energia de ligação por partícula do núcleo encontra-se em núcleos de número atômico médio, como no do ferro. Nesses núcleos, N é aproximadamente igual a Z. Para núcleos de número atômico maior, como no urânio, N é aproximadamente igual a 1,5Z e a energia de ligação por par- tícula do núcleo é menor. Em razão dessa estabilidade nuclear menor, alguns isótopos de urânio são instáveis em relação à fissão, ou seja, se O isótopo de urânio (Z = 92, A = 235) é bombardeado com um nêutron, ocorre uma reação que desprende grande quantidade de energia e resulta em produtos de reação que são núcleos e nêutrons de menores dimensões, Pela teoria de Bohr, os elétrons se movem em torno do núcleo de um átomo de acordo com órbitas circulares ou elípticas. O elétron que gira na órbita mais vizinha do núcleo possui menor energia do que o que se move numa órbita mais externa. Desse modo, para mover um elétron de uma órbita mais interna para uma órbita mais externa é necessário realizar um trabalho e, inversamente, a energia é liberada, na forma de radiação eletro- magnética, se um elétron for capaz de movimentar-se de uma órbita mais externa para uma mais interna. €) Um elétron-volt corresponde à quantidade de energia que um elétron adquire ao ser acelerado mediante a queda de voltagem de um volt. Isso equivale a 1,602 x 10719 (3,83 x 1020 cal), “ Tuenologta Mecânica Os elétrons da órbita mais externa são chamados “elétrons de valência”. Outra propriedade importante dos elétrons é a de apresentarem um movimento de rotação, Eles podem ser visualizados como piões girando em torno de um eixo que passe pelo seu centro. Os elétrons podem, pois, ser imaginados como pequenos ímãs, visto que uma carga elétrica girando cria um campo eletromagnético. Conforme esses imaginários piões giram para a esquerda ou para a direita, dizse que eles possuem “spin” positivo ou negativo, Na realidade, como já foi mencionado e como é afirmado pela mecânica das ondas (conceito de Heisenberg), um elétron não pode ser definido como uma partícula girando numa órbita com um raio determinado. Há, ao contrário, uma “probabilidade” de um elétron situar-se em certas regiões espaciais, de modo que a sua localização é melhor descrita em termos de sua “probabilidade de distribuição de densidade”, o que é comumente chamado “nuvem de elétrons”. A reatividade química dos átomos de diferentes elementos é devida à sua estrutura eletrônica, ou seja, do número e da distribuição espacial dos elétrons mais externos. As ligações interatômicas resultam da interferência das ondas estacionárias e eletrônicas de dois ou mais átomos. Algumas substâncias atraem-se mutuamente muito pouco, como os gases inertes hélio, neônio e argônio e apresentam reatividade química muito pequena, Tais substâncias condensam-se a temperatura muito baixa. Outras substâncias, como o gás metano (CH,), são fortemente ligadas internamente, mas sua atração, uma pela outra, é muito fraca. Finalmente, substâncias como cloreto de sódio, silício e cobre, possuindo alto ponto de fusão, apresentam uma ligação forte no estado sólido. 5 Associação de átomos Esses três tipos de substâncias servem para exemplificar os três tipos iniciais de associação atômica ou ligação química, a saber: ligação iônica (NaCl) também chamada heteropolar, ligação cova- lente (silício) também chamada homopolar e ligação metálica (cobre)!5?. Existe outro tipo de ligação, que é a mais fraca de todas, a chamada ligação Van der Waals. 5.1 Ligação iônica É o tipo mais simples de ligação e o mais fácil de descrever: átomos de elementos com um ou dois elétrons de valência (da órbita mais externa) facilmente libertam esses elétrons, tornando-se íons carregados positivamente. O NaCl e o MgO são exemplos de sólidos em que predomina esse tipo de ligação. Para formar-se o NaCl há transferência dos elétrons de valência do átomo de Na ao átomo de Cl. Para remover os elétrons-valência de átomos de sódio livres, gasta-se uma certa quantidade de Hueretturo emordlico — Chravrerínticas parui dos meraia v enorgls, o quo resulta em (ons de sódio curregados positivamente (cátions Nut). À uquisição dos elétrons por átomo de cloro livre corresponde a unim liberação de energia, formando-se fons de cloro carregados negativamente (ânions CI-), 5.2 Ligação covalente Neste caso, um átomo compartilha seus elton com um átomo adjacente. O exemplo mais simples é encontrado na molécula de hidrogênio, em que são necessários dois átomos de hidrogênio para formar sua molécula. Átomos diferentes podem igualmente combinar-se para forma moléculas com ligação covalente, Exemplos: fluoreto de hidrogênio HF, água H, O, amônia NH, e metana CH,. Nesses casos cada átomo fornece um elétron para formar uma ligação de um par de elétrons. 5.3 Ligação Van der Waals É a ligação interatômica ou intermolecular mais fraca e que ocorre entre átomos de gases inertes. Nestes gases, a órbita mais externa (de valência) está completa e, em conseguência, os seus átomos possuem atração mútua muito pequena. Nessa ligação, ocorre apenas in- fluência mútua das ondas eletrônicas estacionárias sem que os elétrons sejam compartilhados. 5.4 Ligação metálica Nesta ligação, os elétrons são compartilhados por inúmeros átomos. Este tipo de ligação pode ser mais facilmente expli- cado 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 20 núcico. Formase, 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 eventualmente abandonar a 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 útomos vizinhos. Assim, admite-se que na ligação metálica, o átomo se acha constante- mente no estado de perder, adquirir ou compartilhar elétrons-valência com os átomos vizinhos. A Figura 4 constitui uma representação esquemática do fenômeno: uma nuvem de elétron em constante movimento, na qual se acham imersos os íons, A alta mobilidade dos elétrons-valência explica as relativamente elevadas condutibilidades elétrica e térmica dos metais.  14 renologta Mecânica 7.2 Propriedades térmicas A elevação da temperatura, dos metais numenta a amplitude de vibração dos átomos. Como consegiiência, ocorre uma expansão térmica do reticulado cristalino, traduzida na prática, por uma mudança de dimensões, Essa alteração dimensional é expressa em termos de “coeficiente linear de dilatação térmica”, medido em em/em/ºC. A elevação da temperatura leva à fusão do metat, cuja “temperatura de fusão” (indicada para alguns elementos na Tabela 2*), expressa em graus Celsius, representa um ponto de transição importante em relação ao aco- modamento dos átomos na estrutura do material. Por outro lado, a “mudança de volume” de um metal, em função da temperatura, produz consegiiências importantes em várias operações metalúr- gicas como fundição, forjamento, soldagem, tratamento térmico etc. Alguns valores estão representados na Tabela ate, onde se nota que alguns metais, como o silício e o bismuto, contraem ao fundir. TABELA3 MUDANÇAS DE VOLUME, NA FUSÃO, DE ALGUNS METAIS Elemento | Mudança de volume, % Elemento | Mudança de volume, % Li 165 2n 4,20 Na 2,50 cd 4,70 K 2.55 Hg 3,70 Cs 260 AI 600 Cu 415 si —1200 Ag 3,80 sn 280 Au 510 Pb 3,60 Mg 410 Bi -3,35 Outras propriedades térmicas são a “capacidade ou poder calorífico” e o “calor específico”. O poder calorífico é expresso em calorias/g/ºC ou kgcal/kg/ºC, sendo a “caloria” (cal) a energia requerida para aumentar de eo estrutura qnecdliou - Chrmutariyr lou parate dos merais 15 IS 4 temperatura de | g de águat"). Assim, o poder calorífico 6 a quanil- dade de calor necessária para elevar da temperatura unitária a massa unilifria de um material homogêneo. O “calor específico” é definido como a relução entre a capacidade de armazenar calor do material e a da água, ou seja, u quantidade de calor necessária para elevar a massa unitária de um materlul de 1ºC de temperatura para a quantidade de calor necessária para elevar de 1ºC a mesma massa de água. O calor específico determina a quantidade de calor necessária nos processos metalúrgicos, tais como fundição e tratamento térmico. Esse fato pode ser expresso pela fórmula dQ = CpdT, ou seja, o calor específico Cp controla o aumento de temperatura dT produ- zído pela adição de uma certa quantidade de calor dQ, numa grama do material. Finalmente, outra propriedade térmica importante é a “condutibilidade térmica”, indicada por um coeficiente k, expressa por cal/s.em.ºC, que define à capacidade condutora do calor de uma substância e que depende não só da própria substância como também do estado em que ela se encontra. 7.3 Propriedades elétricas e magnéticas As primeiras correspondem ao comportamento dos metais sob a ação de uma corrente elétrica e à sua capacidade de transmitir energia elétrica. As propriedades magnéticas cor- zespondem ao comportamento dos metais sob a ação de um campo eletro- magnético externo. Chama-se “condutibilidade elétrica” a capacidade do metal transmitir ou conduzir corrente elétrica. Sob esse ponto de vista, os materiais podem ser classificados em condutores, isolantes (ou dielétricos) e semicondutores. Os metais se caracterizam, principalmente, por pertencerem ao primeiro grupo. A condutibilidade elétrica é devida, como se viu, à mobilidade dos elétrons e à sua facilidade de movimentar-se. É medida em (ohm-m)"t. 9) Em unidades inglesas, o poder calorífico é expresso por BTU/lb/ºF; o BTU equi- vale a 0,252 ktal,  1 Tecnologia Mecânica A recíproca da condutibilidade elétrica é a “resistividade elétrica”, propriedade que se exprime em microhm-cm e se relaciona com a “resistência elétrica”, por intermédio da fórmula: R=olj onde, = resistência em ohm resistividade em microhm-cm comprimento da amostra do material em cm = secção transversal da amostra em cm? H »-» H A resistência cresce, com o comprimento e decresce com a secção transversal. A resistência ainda aumenta linearmente com a temperatura até a tempe- ratura de fusão do metal. A Tabela 4 apresenta a condutibitidade elétrica relativa e a resistividade absoluta de alguns metais 94 TABELA 4 CONDUTIBILIDADE ELÉTRICA RELATIVA E RESISTIVIDADE DE ALGUNS METAIS Condutibilidade elétrica relativa Por unidade de área Por unidade Resistividade eletrica Metal de secção transversal de peso microbm-em Prata 108 s2 1,468 Cobre 190 100 16 Alumínio 8 201 26 Magnésio 37 180 4a Zinco 28 35 58 Níquel a 23 [e Ferra 18 2 Ba Estanho 12 14 130 Chumbo 8 É 204 No caso das propriedades magnéticas, o campo eletromagnético externo é chamado de “força magnetizante”, designado pela letra H e expresso em oersteds. A grandeza da força magnética induzida, também indicada como “densidade do fluxo magnético”, é designada pela letra B e expressa em gauss. Matrununa tmordlica - Cummeterfir tous orais dos merais 417 Dellne-se “permeabilidade g” como « habilidade de um matorial nor magnetizado ou a habilidade de conduzir linhas magnéticas de força om comparação com o ar e o vácuo, cuja permeabilidade equivale a um. Em relação às propriedades magnéticas, os materiais podem ser clussifl- cados em ferromagnéticos, que possuem alta permeabilidade, como o Jorm eo cobalto; diamagnéticos, cuja permeabilidade é inferior a 1 (hum) e para. magnéticos, que possuem permeabilidade ligeiramente superior a 1 (hum). 7.4 Propriedades óticas Quando se dirige um feixe de luz sobre u superfície de uma substância sólida (ou líquida), nota-se que certa fração R da intensidade de luz incidente é refletida. Nos metais (e suas ligas) o valor de R é elevado, aproximando-se, em alguns casos, da unidade, quando, para vidro inorgânico, por exemplo, seu valor é de aproximadamente 0,05. Chamando-se I5 à intensidade de luz incidente, a intensidade de luz que penetra no material serát1O GRI, Dependendo do tipo de material, uma parte ou a totalidade dessa luz é absorvida por intermédio de interações eletrônicas, ao passar através do sólido. Desse modo, verifica-se uma intensidade continuamente decrescente à medida que a luz atravessa o sólido. A mudança fracional de intensidade de luz, expressa por di numa distância dx é diretamente proporcional ao “coeficiente de absorção linear a” do material dl = —odx. Integrando-se essa equação, tem-se I=L(1-R)etx de modo que à intensidade da luz que atinge a superfície traseira de um material de espessura | é LR A “opacidade” e a elevada “refletibilidade” dos metais revelam que os valores de R (fração da intensidade de luz incidente) ea (coeficiente de absorção linear) são altos. Atribui-se esse fato à ação da radiação incidente que, numa vasta faixa de frequências, promove ou estimula elétrons a ocupar  ts Teenologta Mecânica zonas vazias de maior energia, sendo a seguir absorvidos. Em outras palavras, no momento em que os elétrons são estimulados, eles decaem para níveis de energia inferiores e ocorre reemissão de luz da superfície do metal. A reflexão é a combinação da absorção e reemissão. As cores que os metais apresentam quando submetidos à ação da luz branca dependem da fregiiência ou do comprimento de onda da luz incidente e da refletibilidade. Por exemplo, a prata apresenta cor branca devido à aita refletibilidade ao longo de toda a região visível; já o cobre e o ouro absorvem de preferência comprimentos de onda mais curtos, com uma refletibilidade mais baixa e apresentam coloração avermelhada e amarelada respectivamente. 7.5 Propriedades químicas Relacionam-se com a resistência que os metais oferecem ao ataque pelo meio ambiente (corrosão) ou pelo efeito da temperatura (oxidação). As “resistência à corrosão” e “resistência à oxi- dação” são, portanto, características de grande importância, em vista da in- fluência que o meio circunvizinho (gasoso, líquido ou mesmo sólido) e que a temperatura exercem sobre o metal, provocando diversos tipos de ataque corrosivo é oxidante, muitos dos quais são de caráter irregular e de determinação relativamente difícil. De fato, a reação dos meios corrosivos sobre os materiais pode ser afetada por muitas variáveis, como por exemplo, a verdadeira natureza química e concentração do meio corrosivo, o grau de exposição (total ou parcial e constante ou cíclico), tempo de exposição, temperatura ete. Normalmente, a corrosão é medida em mm ou em de superfícic que se perde anualmente. Pode-se medir igualmente em gramas de peso perdido anualmente, O comportamento dos metais a elevadas temperaturas exige igualmente uma avaliação cuidadosa, em face das condições extremamente críticas, em relação à temperatura, a que muitos metais estão sujeitos, influindo na sua capacidade de resistir às cargas .a que estão submetidos. | A necessidade de utilizar-se metais em condições de ambiente agressivo e a temperaturas acima do ambiente levaram ao desenvolvimento de ligas especiais, resistentes à corrosão e ao calor, além do emprego de tratamentos superficiais que permitem aumentar sua resistência à corrosão c à oxidação. NEN Naa CAPÍTULO 1a mem ESTRUTURA CRISTALINA DOS METAIS 1. Sistemas e reticulados cristalinos Os metais, ao se. solidificarem, “cris- talizam”, ou seja, o$ seus átomos. que, no estado líquido, estavam se movi- mentando e distribuídos a esmo, localizam-se em posições relativamente definidas e ordenadas; que se repetem em três dimensões, formando uma figura geométrica regular que é à “cristal”. i Existem sete sistemas cristalinos: triclínico, monoclínico, ortorômbico, : hexagonal, trigonal, tetragonal e cúbico: De acordo com a disposição dos átomos, originam-se desses sistemas 14 possíveis distribuições dos referidos átomos, formando os chamados “reticulados” (retículos ou redes), designados com o nome de “reticulados Bravais”. Esses 14 reticulados estão representados na Figura sim, Cada cristal constituído por apenas um determinado grupo de átomos é chamado “célula unitária” ou “célula cristalina unitária”. O modelo de cristalização pode ser melhor compreendido ao verificar-se o que acontece quando um métal solidifica no interior de um recipiente (Figura 6). As principais células unitárias que se formam, em pontos diferen- tes, crescem geralmente pela absorção de outras, até se encontrarem for- mando um contorno irregular que delimita uma área onde estão compreendi- das milhares daquelas pequenas células. 19  2 Tecnologia Mewnica TABELA 5 FORMAS ALOTRÓPICAS DE ALGUNS METAIS Metal Forma alotrópica à Forma alotrópica a temperatura ambiente outras temperaturas Ca CFC ce (> 447º0) Co He CFC (> 427º0) Hr HC cc (> 174200) Fe ec CFC (912º — 13949) cc > 1384ºc) Li ec He(< — 193%) Na cc HC I< — 233º0) Tl He ce (> 234ºc) Ti HC ce (883º) Zr HC co (>8720) CFC = cúbico de face centrada HC = hexagonal compacto CC = cúbico centrado 2 Parâmetro do reticulado Corresponde às dimensões da célula unitária. No reticulado cúbico, por exemplo, o parâmetro é representado pelo com- primento da aresta da célula unitária cúbica, o que significa que, nesses reticulados, há somente um parâmetro de reticulado. Ao contrário, os metais que cristalizam com outros reticulados apresen- tam mais de um parâmetro. Os resultados da medida dos parâmetros de reticulado são expressos em angstrons (1 A = 107 fem) e valores típicos de parâmetros de reticulados são os seguintes: Al — 4,044 Mo — 3,144 Fealfa — 294 Fe gama — 3,6 A Em relação ao ferro, nota-se que, embora o ferro gama apresente uma aresta mais longa (3,6 A) do que o ferro alfa (2,9 A), a estrutura do ferro gama é mais densa do que a do ferro alfa. De fato, o número de átomos é diferente em ambos os reticulados como se pode observar a seguir: Rarnutura cristalina dou metais 23 Fe alfa -- cubo contrado - t átomo no centro mais 8 x (1/8) átomos nos vértices = 2 átomos Fe gama — cubo de face centrada — 8 x (1/8) átomos nos vérii- ces mais 6 x (1/2) átomos nas faces = 4 átomost"), Como os volumes desses reticulados são expressos por l l Fealfa — (2,9) = M4 A? Fegama = (3,6) = 46,7 A? o ferro alfa possui 24,4/2 = 12,2 A? por átomo ao passo que o ferro gama possui 46,7/4 = 11,7 A? por átomo. 3 Planos cristalográficos, direções cristalográficas. Índices de Miller Um cristal contém “planos” de átomos que constituem os “planos cristalográfi- cos” e que exercem uma grande influência nas propriedades dos metais. x Figura9 Representação esquemática do sistema de eixos perpendiculares que permi- tem especificar os planos e as direções cristalográficas. ' No cubo centrado, cada átomo do vértice é comum a oito cubos; no cubo de face centrada, cada átomo do centro da face é comum a dois cubos.  26 Toenologia Mecânica Os planos cristalográficos mais fáceis de identificar são os que constituem a célula unitária. Há, contudo, outros planos. A identificação desses planos é feita admitindo-se arbitrariamente, na célula unitária cristalina, três eixos perpendiculares entre si, como mostra a Figura 9, de modo que a orientação desses planos possa ser designada por um conjunto de três números, chama- dos “índices de Miller”, representados por (hkl). Em outras palavras, os índices de Miller especificam os planos cristalo- gráficos em termos de comprimento de suas intersecções com os três eixos, a partir da origem F. Por exemplo: — plano ABCD é paralelo aos eixos X e Z e intercepta o eixo Y a uma dis- tância interatômica; os índices de Miller desse plano são indicados por A sua representação é a seguinte: (hit) = (010) — plano EBCF intercepia os eixos Y e Z e pode ser considerado a uma distância interatômica ao do eixo X!"?, Logo, seu índice de Miller será 1, ou ou Ch) = (100) (") podese, para isso, destocar a origem do eixo de coordenadas, a uma distância ão, ao longo do eixo X, do ponto F ao ponto G. Riutrrerura ertareltma dos marais a? Com o mesmo raciocínio tem-se paru os planos EHGE, HAGD, ABEN o PGDC os seguintes índices de Miller, respectivamente: (hkl) = (010): (hkl) <= (100); (hk) = (110) e (he) = (110). Os índices de Miller especificam não apenas um único plano, mas todo o conjunto de planos paraíelos. As Figuras 10, 11 e 128131 mostram os mais importantes pianos cristulo- gráficos dos cristais cúbicos. ia 1 ea EA ts SL Hi ) ES cúbico centrado cúbico de face centrada Figura 10 Planos cristalográficos (010) em estruturas cúbicas. cúbico de face centrada cúbico centrado Figura 11 Planos cristalográficos (110) em estruturas cúbicas.  as Tecnologia Mecânica cúbico de face centrada Figura 12 Planos cristalográficos (111) em estruturas câbicas. A “direção cristalográfica” é dada pelo raio que parte da origem e passa através de um ponto a uma distância unitária da célula, em cada uma das três direções axiais. As direções são representadas por números entre chaves e expressas da seguinte maneira: [uvw). 1 irecões é intelt3!. O procedimento indicado para especificar essas direções é o seguinte! h tome-se a direção FD, por exemplo, na Figura 9. Os índices são obtidos, movendo-se, a partir da origem, uma distância a, ao longo do eixo X e movendo-se uma distância idêntica na direção positiva do eixo Y. Os Meiputura cristalina dos meraix nm índices dessa direção são: [uvw] = [110]. Essa direção corresponda à direção da diagonal da face inferior do cubo; direção FA — corresponde à direção da diagonal central do cubo, (x índices são obtidos movendo-se, à partir da origem, a uma distância Interatômica, em direção ao átomo situado na mesma distância don trôu eixos. Seu índice será: luvw] = [111]; 1 direção FH, correspondente a uma das faces laterais do cubo. Seu índice é obtido, movendo-se, a partir da origem ao átomo situado na mesma distância em relação aos eixos X e Z. Seu índice é: [uvw] = [101]; — direção FG, correspondente a uma das arestas do cubo. Seu índice é obtido movendo-se em direção ao átomo situado à mesma distância em relação aos eixos Y e Z. Corresponde a luvw] = [100]. A importância do estudo dos planos cristalográficos dos metais está relacionada com a maior ou menor capacidade de deformação destes ou com sua plasticidade. Esse fato pode ser melhor explicado da seguinte maneira: — nos cristais há planos de maior densidade atômica, ou seja, que contêm maior número de átomos. Veja-se, por exemplo, os reticulados cúbico de face centrada (CFC) e cúbico centrado (CC) (Figura 8). O cristal cúbico de face centrada possui planos contendo seis e cinco átomos, ao passo que O cúbico centrado possui planos contendo cinco ou quatro átomos. Assim, O primeiro possui um maior número de planos de maior densidade atômica. Essa é a primeira consideração. A segunda consideração está relacionada com o fato de que a deformação dos cristais se dá segundo planos paralelos aos planos de maior densidade atômica; esses planos, ao longo dos quais ocorre a deformação cristalina, são chamados “planos de escorregamento”, Desse modo, os cristais que possuem um maior número de planos de maior densidade atômica são os que possuem um grande número de planos de escorregamento.  “a Tecnologia Mecânica Na discordância de aresta, a grandeza do vetor Burgers corresponde 20 espaçamento atômico. O vetor Burgers, no deslocamento de aresta, é sempre perpendicular à linha de discordância. Normalmente, os metais apresentam ambos os tipos de imperfeições: de ponto e de aresta, os quais interagem entre si, Nas vizinhanças de uma discordância de aresta, Os átomos ficam compri- midos acima da inha ou plano de deslocamento e, abaixo desse plano, ficam mais separados. Essas regiões do cristal se caracterizam, pois, por estarem sob compressão ou sob tensão, como já foi mencionado, Nessas condições, átomos intersticiais de maior diâmetro que os átomos de reticulado normal tendem a segregar-se na região sob tensão, onde há mais espaço para à sua localização. Do mesmo modo atuam os átomos substitucionais, porque os interstícios na região de tensão são maiores. Contudo, átomos substitucio- nais menores tendem a segregar na região sob compressão. De qualquer modo, a interação dessa impureza resulta numa maior difi- culdade de se movimentar uma discordância, o que significa que para deformar um metal impuro (ou liga metálica) são necessários maiores esforços de cisalhamento. A Figura 1744) equcida melhor a produção de uma discordância de aresta devida ao escorregamento em um reticulado cúbico simples. O escorregamento ocorreu sobie a área ABCD. A discordância de aresta AD é perpendicular à direção de escorregamento. I | D c / bp (4 4 / ls / / vetor de / / escor regamento / / A B Figura 17 Representação esquemática da discordância produzida por escorregamento mm reticuldo cúbico simples. dieeruruny cristalina dos metais E O segundo tipo básico de discordância 4 4 “discordância om osplral' ou “em bétice”, representada esquematicamento na Figura 18/14), para um reticulado cúbico simples. Figura I8 Representação esquemática da discordância em hélice produzida por escorre. gamento num reticulado cúbico simples. Nota-se que a linha de discordância AD é paralela à direção de escor- regamento, ao contrário do que ocorre na discordância de aresta. Como resultado, a parte superior do cristal, à direita da linha AD, move-se em relação à parte inferior, na direção do vetor de escorregamento. À esquerda da linha AD não ocorreu quaiquer escorregamento. Esse tipo de imperfeição é melhor compreendido, se, na Figura 18, traçar-se um circuito ao redor da linha de discordância, na face frontal do cristal, Partindo do ponto X e completando o circuito, chega-se ao ponto x, situado a um plano atômico atrás daquele que contém X. Ao completar esse circuito, traçou-se o curso de uma espiral, Cada vez que se completa um circuito em redor da linha de discordância, um novo curso em espiral é traçado; desse modo, os planos atômicos ficam disposto em redor da discordância na forma de uma rampa em espiral ou de um parafuso. E Tecnologia Meainica A denominação “em hélice” deve-se também a essa disposição. A Figura 1916) constitui outra representação da discordância em espiral, com o percurso do vetor Burgers indicando que o movimento de deslizamento ocasiona a formação de uma rampa em espiral ou em hélice. tal tb) to) Figura 20 Representação esquemática da formação de uma discordância por cisalha- Thamento. Figura 19 Vetor Burgers para uma discordância em hélice num reticulado cúbico simples. Finalmente a Figura 2015! mostra a formação da discordância pelo cisalhamento. A parte (a) da figura corresponde à discordância de aresta; a au Tecnologia Mecânica Esses defeitos estão relacionados com as superfícies externas dos cristais ou com os cristais adjacentes, ou seja, com os contornos de grão. A Figura 21 constitui uma representação esquemática do chamado “defeito de superfície”, relacionado com os átomos da superfície, os quais não se encontram totalmente cercados por outros átomos, como acontece no interior do reticulado. Em outras palavras, esses átomos possuem vizinhos somente de um lado, por isso eles apresentam maior energia que os átomos interiores. Outro defeito ou imperfeição se relaciona com o “contorno de grão”, Esse contomo é caracterizado por ser uma zona de transição, em que os átomos não pertencem claramente a grão algum, ao contrário do que ocorre no interior do grão, onde os átomos estão perfeitamente acomo- dados, de acordo com o reticulado cristalino correspondente. Ao longo do contorno de grão não existe, portanto, um empacotamento atômico perfeito, Essa zona de transição é caracterizada por possuir uma energia maior que a que existe no interior dos grãos, fato esse que explica a maior rapidez de ataque do contorno de grão, quando o metal é submetido à ação de um reagente químico, para observação da estrutura, pois os átomos da zona de transição ou do contorno do grão se dissolverão mais rapidamente que os outros, O resultado é o aparecimento de uma linha perfeitamente visível ao microscópio. O contorno de grão interfere na progressão dos movimentos das discordâncias. CAPÍTULO I — PLASTICIDADE DOS METAIS 1 Introdução Os materiais, quando submetidos a um esforço de natureza mecânica, tendem a deformar-se, Conforme sua natureza, o seu comporta- mento, durante a deformação, varia. Assim é que alguns apresentam uma deformação elástica até ocorrer a sua ruptura. Exemplos: materiais plásticos do tipo elastômeros. Outros, como os metais e os polímeros termoplásticos, podem sofrer uma considerável deformação permanente antes da ruptura. Essa deformação permanente é precedida pela deformação elástica. Os metais assim se comportam devido a sua natureza cristalina que é caracterizada, como se viu, pela presença de planos de escorregamento ou de menor resistência mecânica no interior do seu reticulado. Esse característico de “deformabilidade permanente” é muito impor- tante na prática, pois permite a realização da “conformação mecânica”, ou seja, das operações mecânico-metalúrgicas muito empregadas na fabricação de peças metálicas. A capacidade dos metais poderem ser deformados de modo permanente é definida como “plasticidade”. 2 Deformação elástica No caso da “deformação elástica”, representada esquematicamente numa célula unitária na Figura 22, esta muda de dimen- sões, alongando-se, se o esforço for de tração, ou comprimindo-se, se o esforço for de compressão. 39  “4 recnologia Mecânica O escorregamento resultante dessas tensões de cisalhamento ocorre pelo deslizamento de blocos de cristal, uns sobre outros, ao longo de planos oritalinos definidos, chamados “planos de escorregamento”, numa direção qristulográfica, chamada “direção de escorregamento”. A combinação de um plano de escorregamento e de uma direção de escorregamento compõe 9 chamado “sistema de escorregamento”. A maioria dos metais apresenta um número elevado de sistemas de sscorregamento, geralmente igual ou superior a doze. Por exemplo, os metais com reticulado cúbico de face centrada, como alumínio, níquel, cobre, ferro guma, possuem doze sistemas de escorregamento, porque neles há quatro planos de alta densidade atômica, cada um dos quais contém três direções de alta densidade atômica. Embora alguns reticulados cúbicos centrados possam apresentar maior número de sistemas de escorregamento, estes não compreendem planos com densidade atômica tão elevada, de modo que os metais com esses reticulados exigem maior esforço de deformação para sofrerem escorregamento. O escorregamento em cristais simples está representado na Figura 26118, I Í rã es / » dobramento. rotação tá o ta Figura 26 Representação esquemática do fenômeno de escorregamento em cristais sim ples Essa figura mostra o fenômeno de deformação num cristal simples ao aplicar-se um esforço de tração. A parte (a) da figura representa o cristal antes da deformação, com a indicação dos planos de escorregamento, orien- tados segundo o ângulo xo. A parte (b) representa a deformação livre, ou seja, sem que as extremidades do cristal estejam presas: verifica-se o movi- mento de segmentos do cristal, um em relação ao outro, sem rotação do plano de escorregamento. A parte (c) da figura, com as extremidades presas, indica que ocorreu rotação do plano de escorregamento, com Xj menor que Xo- Pluttotade los meraia 43 Essa sequência de figuras mostra, sm resumo, o seguinte: ao ser upll- ctido um esforço do tração, os planos deslizam um em relação ao outro, sm mudar sua orientação relativamente ao eixo axial, correspondente à apil- cação da carga. Poder-se-ia comparar o fenômeno ao que ocorre quando se manuscia um baralho de cartas. Esse movimento dos planos cristalognl- ficos no sentido lateral é, contudo, impedido pelas garras que seguram é cristal, como se este fosse uma amostra submetida a um ensaio de tração, de modo que os planos de escorregamento são obrigados a girar em torno do eixo axial. Análises por intermédio de difração de raio-X mostraram que, de fato, os planos cristalinos sofrem uma rotação na faixa mediana da amostra, sofrendo por sua vez, rotação e dobramento nas vizinhanças das extremidades. Cada um dos -segmentos individuais mostrados na figura é chamado “pacote de escorregamento”, o qual pode apresentar espessuras de 107? à 107? emt28), O escorregamento ocorre, em resumo, quando a tensão de- comiposta do plano de escorregamento, na direção do escorregamento, atinge um determinado valor, designado por “tensão decomposia crítica de cisalhamento”, A Figura 27!17) mostra, para um cristal simples, um sistema de escor- regamento compreendendo o plano de escorregamento e a direção de escorregamento. normal no plano de escarregamento “ireção do escorcegamento plano de escorregamento- P Figura 27 Representação esquemática de um sistema de escorregamento pera um cristal simples  a Tecnologia Mecânica O ângulo & corresponde ao ângulo entre a normal ao plano de escor- regamento e o eixo de tração; o ângulo À corresponde ao ângulo entre esse eixo e a direção de escorregamento. A componente da força aplicada P atuando na direção do escorrega- mento é dada por Pcosk Sendo S a secção transversal nominal do cristal, a tensão é dada por o =P/S ou as=P Multiplicando por cosA tem-se Pcosh = oScosA A área do plano de escorregamento é igual a Sicos$ Assim, a componente da tensão de escorregamento é dada por o, = Pooh cos ou õ + cosà cosf = ocosA cosf onde cosh cosf representa um fator de orientação, às vezes chamado “fator Schmid”. O escorregamento ocorre com uma força axial quando À = 45º e $ = 45º, o que resultaem q =1I2a. Plantloidade dem metais + 3.2 Excorregumento mediante movimento de discordância Já lol comentado que o mecanismo simples de cisalhamento que leva à deformação plástica dos metais faria supor que a resistência que esses materiais oferecem à deformação deveria ser muito maior do que o que se verifica na prútica Assim, ao procurar-se uma explicação para esse fato, conclui-se que un mecanismo mais complexo deve estar interferindo. A experiência lovon À consideração de um mecanismo envolvendo o movimento de discordâncias, De fato, como o destizamento de planos internos de átomos siguillenrin a ruptura simultânea de um enorme número de ligações atômicas, exigindo forças excessivamente grandes para a deformação, tornou-se mais lógico admitir que o escorregamento ocorre em etapas ou degraus, de modo a envolver apenas pequenos segmentos de um piano atômico em cada degrau. A presença ou o aparecimento de discordâncias no cristal permite esso escorregamento, como a Figura 28 mostra. ta toy to Figura 28 Movimento de uma discordância de aresta no escorregamento plástico. O escorregamento ocorre na parte inferior do cristal. Essa explicação torna-se mais clara acompanhando a Figura 29120), Para um reticutado perfeito, todos os átomos no plano inferior estão em posições em que há uma energia mínima. Assim, se os átomos do plano superior são deslocados para a direita, por exemplo, em relação aos do plano inferior, cada átomo encontra a mesma força que se opõe ao deslocamento. O reticulado imperfeito mostra uma discordância em aresta, traduzida por um plano extra de átomos, entre 4 e 5. Os átomos mais distanciados do centro da discordância, posições 1 e 9 ou 2 e 8, estão em posições corres- pondentes à energia mínima; os do centro, não. Se se considerar, agora, pares de átomos, 4 e 5, 3 e 6, localizados simetricamente em lados opostos do centro da discordância, verifica-se que eles encontram forças que são iguais e opostas. Em consequência, se os átomos próximos do centro da  «a Tecnologia Mectnica Campo de energia oooooooo oo ooooooo ooo Perfeito reticulado cristatino Reticulado cristalino contendo uma discordância em aresta Figura 29 Representação esquemática do movimento de uma discordância através do reticulado cristalino. discordância são forçados a deslocar-se de distâncias iguais, metade encontra forças que se opõem ao deslocamento e metade forças que ajudam esse deslocamento, Assim, a tensão exigida para deslocar a discordância de uma distância atômica é muito pequena. 3.3 Deformação por maclação Outro mecanismo de deformação que ocorre em alguns metais é a maclação”, As Figuras 30 e 31 representam esse me- canismo que leva à formação de “gêmeos” num cristal, quando sujeito a determinada tensão. Esses gêmeos são chamados “maclas”. A Figura 30121) mostra o plano de maclação (111) num reticulado cúbico de face centrada. Esse plano é um dos de maior densidade atômica no teticulado em questão. O plano hachurado (110) é interceptado pelo plano (111) na linha ce. Admitindo que o plano (110) seja o plano do papel e admitindo um conjunto de várias células unitárias, resulta a Figura 31, que piano de maciação [111) Figura 31 Representação esquemática da maclação num reticulado cúbico. representa o mecanismo de maciação. Nessa figura, o plano de maclação (111) contém a direção MN. Cada um dos planos (111) na secção de maclação atua em cisalhamento ao longo da direção indicada; o primeiro plano UV move-se um terço da distância interatômica; o segundo WX move-se dois terços e o terceiro YZ move-se segundo a distância interatômica inteira. Resulta uma secção do cristal que é imagem especular da outra. A Figura 32 mostra esquematicamente a maclação de um cristal de calcita.  su r enologts Mecânica Do mesmo modo que as propriedades mecânicas, certos outros carar- terísticos físicos são alterados pelo encruamento. A condutibilidade elétrica, por exemplo, decresce. No estado encruado, verifica-se aumento da energia interna do material, o que leva à uma diminuição geral da resistência à corrosão. Em certas ligas, pode-se verificar um fenômeno de fissuração chamado “fissuração sob tensão por corrosão”. Finalmente, resulta no material encruado um estado de elevadas tensões intemas, explicado pelo aumento do número de discordâncias e sua interação. Admite-se, de fato, que um metal no estado normal (recozido) contém cerca de 10º a 10º discordâncias por centímetro quadrado, enquanto que um metal severamente encruado contém cerca de 10!2 discordâncias por centímetro quadrado(241, A Figura 35 representa esquematicamente a variação das propriedades de resistência à tração e de ductilidade (alongamento e estricção), em função do encruamento. Propriedade 80 90 Redução de secção pelo trabalho a frio, % Figura 35 Representação esquemática do efeito de encruamento nas propriedades resistência mecânica e ductilidade. Plesticidada dor merate ss 4.2 Recristalização As propriedades o à estrutura do meto! alteradas pelo trabalho a frio podem ser recuperadas ou devolvidas ao estado anertor to encruamento mediante um tratamento térmico de “recristalizução" vu “recozimento”. De fato, à medida que se aumenta a temperatura, o estado encrusde toma-se cada vez mais instável: a condição de elevada energia interna tonde a desaparecer e o metal tende a voltar à condição livre de energia, resultando num amolecimento (queda de dureza) e isenção paulatina das Lorindon Internas, Na realidade, o processo de recozimento compreende três etapas: — recuperação — recristalização —" aumento do tamanho de grão. Essas três etapas estão representadas esquematicamente na Figura 36824), Recuperação Recristalização . Crescimento de grão : Propriedade Temperatura Figura 36 Modificação das propriedades mecânicas e do ramanho do grão pela recupe- ração, recristalização e crescimento de grão. O principal efeito da recuperação é o alívio das tensões internas, restau- tandose ao mesmo tempo certos característicos físicos alterados, sem que “a microestrutura do metal sofra qualquer modificação; a condutibilidade elétrica aumenta rapidamente. Embora não haja modificação estrutural sensível durante a recuperação, nota-se aparentemente um pequeno rearranjo das discordâncias a confi- gurações mais estáveis, sem muita modificação no número total de discor- dâncias presentes.  sa Tecnologia Meatnica O alívio de tensões mencionado corresponde principalmente às macro- tensões, ou seja, às tensões elásticas que existem, em estado de equilíbrio, em grandes áreas do metal. Se esse equilíbrio é rompido, haverá uma redis- tribuição das tensões, representada, na prática, por um empenamento. Um tubo estirado a frio, se for cortado, abre no corte, aumentando de diâmetro. Metais encruados e aquecidos na faixa de recuperação sofrem o trata- mento térmico conhecido com o nome de “recozimento para alívio de tensões”. Na etapa da recristalização, decresce a densidade das discordâncias e as propriedades relacionadas com a resistência mecânica, inclusive a dureza, caem, rapidamente, a ductilidade melhora e todas as tensões.são totalmente eliminadas. A estrutura é inteiramente reconstituída (recristalizada). A Tabela 8/27? mostra a temperatura de recristalização de alguns metais, em comparação com sua temperatura de fusão. 4.3 Crescimento de grão A temperatura continuando a aumentar, os grãos cristalinos, agora inteiramente livres de tensões, tendem a crescer. Esse crescimento de grão é também favorecido pela permanência a tempera- turas acima da de recristalização. Um excessivo aumento de grão pode afetar as propriedades dos metais, pois, como se viu, grãos grandes são desfavoráveis. A Figura 37 esquematiza o efeito do recozimento sobre a estrutura do metal encruado, Recuperação Recristalização Aumento do grão FEaçs Tamanho de grão Temperatura Figura 37 Efeito do recozimento sobre a estrutura de metal encruado. A força que leva ao crescimento de grão é a energia que é libertada à medida que os átomos se movimentam através dos contornos de grão. Essa movimentação de átomos se dá em direção à superfície côncava onde eles são mais estáveis. Em consegiiência, há uma tendência do contorno de grão movimentar-se em direção ao centro de curvatura do grão, como a Figura 38 mostra esquematicamente!25), Plantteidato dou merais (Valores absolutos K) abaixo 0,60 cerca 0,51 abaixo 0,50 0,43 0,45 0,51 0,33 041 035 0,40 0,35 0,51 031 0,39 0,40 Temperatura de fusão Temperatura de recr Temperatura de fusão [io] 232 321 327 420 860 650 960 1063 1083 1536 1769 1450 210 3600 sao TABELA 8 É TEMPERATURA DE RECRISTALIZAÇÃO DE ALGUNS METAIS *c em torno temperatura ambiente abaixo temperatura ambiente 150 200 200 200 200 450 450 600 900 1000 1200 abaixo temperatura ambiente temperatura ambiente Temperatura de recristal Metal estanho cádmio chumbo alumínio magnésio prata ouro cobre ferro platina níquel molibdênio têntalo tungstênio o!  sa Feonologiu Mecânica » MOVIMENTO DOS ÁTOMOS ap MOVIMENTO DO CONTORNO Pigura 38 Representação esquemática da tendência de movimentação do contomo de grão, Como os grãos menores tendem a apresentar superfícies de convexidade. mais aguda do que os grãos maiores, eles tendem a desaparecer, alimentando assim os grãos maiores (Figura 39). Figura 39 Crescimento de grão, Do mesmo modo que o tempo à temperatura, um aumento desta acelera a vibração térmica dos átomos, o que facilita a sua transferência dos grãos menores para os maiores, através da interface. Um decréscimo da temperatura diminui a velocidade ou interrompe o processo, mas não o inverte. Plaaticidade dos metalr su Desse modo, u única maneira de diminuir ou refinar o tamanho de grão consiste em defurmar plasticamente os grãos existentes e iniciar « formação de novos grãos. 44 Medida do tamanho de grão Devido à importância do tamanho de grão sobre as propriedades mecânicas dos metais, foi necessário estabe- lecer-se parâmetros indicativos do tamanho de grão. A American Sociery for Testing Materials (ASTM) criou um índice de tamanho de grão, que é universalmente adotado, sobretudo em relação ao tamanho de grão austenítico dos aços. O número de tamanho de grão ASTM n é obtido mediante a seguinte equação: N=2"1 onde N é o número de grãos observados por polegada quadrada quando o metal é examinado ao microscópio com um aumento linear de 100 vezes. Com uma rede comparadora adaptada ao microscópio, o observador pode determinar rapidamente o tamanho de grão. A Tabela 9128) indica as faixas de tamanho de grão ASTM. 4.5 Comentários finais sobre a recristalização O fenômeno de recris- talização está representado na Figura 40/21), TABELA 9 FAIXAS DE TAMANHO DE GRÃO ASTM Número de grãos por polegada Número do quadrada a um aumento de 100 X tamanho de grão n Faixa Médio 1 - 1 2 15- 3 2 3 3-6 4 4 8 — 12 8 5 12 — 24 16 6 2 — 48 32 7 48 = 86 4 B 9 —182 128  o Tecnologia Mecinica Quando os átomos de um elemento podem substituir totalmente os do outro elemento, a “solução sólida” chama-se “substitucional” (Figura 41). Figura 41 Solução sólida substitucional a esmo (zinco em cobre). Para que se forme uma solução sólida é préciso haver entre os elementos envolvidos — solvente e soluto — uma certa semelhança das dimensões da estrutura atômica e semelhantes estruturas eletrônicas. A solução do cobre e do níquel é o exemplo mais característico. Qual- quer fração dos átomos da estrutura original de cobre pode ser substituída por níquel, ou seja, as soluções sólidas substitucionais Cu-Ni podem variar desde praticamente 0% de Ni e quase 100% de Cu até quase 100% de Ni e praticamente 0% de Cu. A Tabela 10128) mostra a influência da relação das dimensões atômi- cas de metais de mesmo reticulado cristalino (cúbico de face centrada) na solução sólida. Verifica-se, por exemplo, que o cobre e o níquel — cuja relação de tamanho é 1,246 A/1,278 A =0,98 — mostram 100% de solubilidade máxima. Quando a diferença de dimensões aumenta, a solubilidade diminui, como a tabela mostra. Outros exemplos podem ser considerados: cobre e zinco na liga latão. O cobre, como se vê pela tabela, tem raio atômico de 1,278 A; o zinco de 1,332 A. Ambos apresentam 28 elétrons de subvalência. O Zn, ao ser adi- cionado ao Cu, o substitui prontamente até que um máximo de 40% de átomos de Cu seja substituído no reticulado. Por outro lado, no bronze — liga de cobre e estanho — somente uma menor porcentagem de estanho pode substituir o cobre. Ligue merdiicos os TABELA 10 EFEITO DA RELAÇÃO DE DIMENSÕES ATÔMICAS SOBRE A SOLUBILIDADE SÓLIDA Solubilidade máxima, % Relação de dimensões Soluto Sohenta | dos raios atômicos em peso em átomos Ni Cu 1,246/1,278 = 0,98 100 100 As Cu 1,431/1,278 = 112 9 19 Ag Cu 1,444/1,278 8 6 Pb Cu 1,75071,278 º º Ni Ag 1,246/1,444 91 01 Cu Ag 1,278/1,444 9 “ Pb Ag 1,75071,444 5 3 Cu Ni 1,278/1,246 100 100 AI Ni 1,431/1,246 12 22 Ag Ni 1,444/1,246 4 2 Ni AI 1,2481431 0,05 203 Cu AI 1,2781431 6 3 Ag Al 1,4411431 = 1,01 48 18 A Figura 41 mostra uma solução sólida substitucional a esmo na liga latão (Zn e Cu), que é o caso mais comum. Eventualmente, pode ocorrer uma “solução sólida substitucional ordenada” que se verifica, porém, somente a baixas temperaturas. Outro tipo de solução sólida é a “intersticial” (Figura 42), em que menores átomos de um determinado elemento se localizam nos interstícios existentes entre os átomos maiores do outro elemento. O exemplo mais conhecido é o da liga Fe-C (aço). Nesse caso, acima de 912ºC, o ferro adquite a forma alotrópica correspondente ao reticulado cúbico de face centrada (gama), que se caracteriza por um vazio no centro da célula unitária. O carbono, cujo átomo é muito pequeno, pode penetrar nesse vazio e pro- duzir solução sólida de carbono no ferro. No estado alotrópico alfa, abaixo de 912ºC até a temperatura ambiente, o reticulado sendo cúbico centrado, os interstícios entre os átomos de ferro tornam-se muito pequenos, difi- cultando a acomodação de átomos de carbono. Como consequência, a solu- bilidade do carbono no ferro alfa é praticamente nula.  sa Tecnologia Mecónica Figura 42 Solução sólida intersticial (do tipo Fe-C). 3 Difusão A movimentação dos átomos no interior dos reticulados cris- talinos dando origem às imperfeições de ponto correspondentes aos átomos intersticiais, aos átomos substitucionais (que constituem soluções sólidas) e, inclusive, às lacunas, é devida a um fenômeno denominado “difusão”. Se se tiver a movimentação de apenas um tipo de átomo, como num metal puro, o termo utilizado para indicar o fenômeno é “autodifusão”t29), A lei que rege a difusão é conhecida como “lei de Fick”. Segundo a mes- ma, “a quantidade de substância m que passa, por unidade de tempo +, através de uma unidade de área 4, a um plano em ângulo reto em relação à direção de um ponto x, é proporcional ao gradiente de concentração de/dx (e = concentração) da substância em difusão”. Essa lei é expressa pela seguinte equação: dm =—DA Sa dx onde D é o “coeficiente de difusão”, medido, geralmente, em cm? /seg. A condição mais estável que se encontra numa solução sólida corres- ponde âquela em que os átomos solutos estão estatisticamente distribuídos de modo uniforme no reticulado solvente. Como, nessa condição, a solução sólida se aproxima de seu estado de mais baixa energia livre, a difusão dos átomos solutos no reticulado solvente tende a acontecer das porções mais concentradas para as menos concentradas do reticulado. Agas inerditoay UA Um futor importante a considerar na difusão é a “velocidade de difuso”, Esta depende det30): — dimensões relativas dos átomos solutos e solventes: à medida quo u diferença dessas dimensões aumenta, a velocidade de difusão aumenta, em- tora isso não signifique necessariamente a obtenção de solubilidade total. A menor velocidade de difusão ocorre quando isótopos radioativos de um metal se difundem através do cristal normal do mesmo metal; — gradiente de concentração: a velocidade de difusão aumenta à medida que aumenta o gradiente de concentração; — temperatura: 2 velocidade de difusão aumenta com a temperatura, porque aumenta a amplitude de oscilação atômica; — tamanho de grão em metais policristalinos: granulação fina apresenta maiores velocidades de difusão, porque esta é maior através dos contornos de grão do que através do interior do grão. 4 Ligas metálicas Os metais são geralmente empregados na forma de ligas, ou seja, “substâncias que consistem em misturas íntimas de dois ou mais elementos químicos, dos quais pelo menos um é metal, e possuindo propriedades metálicas”. As ligas constituem, pois, uma combinação de duas ou mais variedades de átomos, resultando numa substância que apresenta alterações às vezes muito profundas, tanto nas propriedades físicas como químicas, em relação aos elementos correspondentes. O número de possíveis combinações de apenas dois componentes, dos quais um deve ser sempre metal, é muito grande. Por outro lado, para cada composição específica de uma liga, procura-se determinar as modificações estruturais que podem ocorrer às diversas temperaturas, a partir da sua temperatura de fusão. Um diagrama relativamente simples permite descrever esses fenômenos, em função dos teores dos elementos presentes na liga. Esses diagramas — chamados “diagramas de equilíbrio”, “diagramas de constituição” ou “diagramas de fase” — são obtidos por método de raio-X, de análise térmica (ou seja, “curvas de resfriamento”), medidas dilatométri- cas, medidas de condutibilidade elétrica etc. Considerando-se apenas as ligas binárias e as possíveis combinações entre elementos metálicos e entre elementos metálicos e elementos não-me- tálicos, é muito grande o número de diagramas de equilíbrio que podem o no o os Tecnologia Meuinica ser traçados. Entretanto, muitos deles possuem uma grande correspondência entre si, de modo que para o estudo dos princípios básicos que norteiam a constituição das ligas, eles podem ser agrupados em apenas alguns tipos baseados em certos característicos comuns. Esses diagramas obedecem a uma lei geral chamada “lei das fases de Gibbs”, 4.1 Lei das fases de Gibbs A lei permite predizer o número de fases P que podem estar presentes num sistema de C componentes, sob condições determinadas de temperatura, pressão e volume (grau de liberdade). Cabem, agora, algumas definições, de modo a ter-se uma melhor compreensão da referida lei(31): “Fase” — é uma porção da matéria, homogênea, de composição física e química uniforme. Por exemplo, num sistema contendo gelo, água e vapor d'água em equilíbrio, há três fases. Não importa quantos pedaços de gelo existam flutuando na água: há somente uma fase gelo. “Componente” — é o constituinte químico que deve ser especificado de modo a descrever a composição de cada fase presente. Por exemplo, no sistema Cu-Al que contém os compostos CuAl e CuAl,, todas as composições podem ser expressas pelas espécies moleculares Cu e Al; assim trata-se de um sistema de dois componentes; no sistema gelo, água e vapor água, há somente o cômponente H, O, “Grau de liberdade” — corresponde às variáveis independentes — tem- peratura, pressão e volume específico (ou concentração) — condições sob as quais uma fase pode existir; quanto maior o número de substân- cias químicas presentes, maior o número de variáveis; quanto maior o número de fases, menor o número de variáveis. A lei de Gibbs é expressa pela equação F=C-.P+2 O número 2 é válido somente no caso de existirem duas variáveis, comumente temperatura e pressão (além da concentração). Se as condições são tais que a pressão não é uma variável, então a tei de Gibbs é expressa por F=C-P+1 A lei de Gibbs será exemplificada durante o estudo dos vários diagramas de equilíbrio. Efqua morditoas au 5 Diagramas de equilíbrio ou de constituição O seu estudo será faito considerando-se apenas as ligas binárias. A linha básica do diagrama, ou seja, a linha de abscissas, corsespon- de à composição da liga, indicando-se os teores de todas as combinações possíveis, desde 0% de um meta! B e 100% do outro componento À numa extremidade do diagrama, até 100% do metal B e 0% do outro componente À na outra extremidade (Figura 43). Assim, é possível estudar-se qualquer composição da liga. No eixo vertical das ordenadas, representa-se a Lompe- ratura, podendo-se pois estudar qualquer tipo de liga a uma temperatura específica. Inicialmente, admite-se que os componentes das ligas são inteiramente solúveis no estado líquido. Na solidificação, contudo, o comportamento dos componentes pode alterar-se, originando-se fases distintas. Dada a correspondência que os diagramas de equilíbrio possuem e em função do comportamento dos componentes na solidificação, os diagramas de equilíbrio das ligas binárias podem ser agrupados segundo a classificação que é dada a seguir e que abrange os principais grupos de ligas binários: 1 — ligas cujos componentes são totalmente solúveis tanto no estado líquido como no sólido; JE — ligas cujos componentes são completamente insolúveis no estado sólido; HI — ligas cujos componentes são parcialmente solúveis no estado sólido; IV — ligas cujos componentes podem formar, em parte, compostos intermetálicos, os quais podem, por sua vez, ser inteiramente solúveis, parcialmente solúveis ou completamente insolúveis em um ou em ambos os excessos dos componentes. 5.1 Ligas cujos componentes são totalmente solúveis tanto no estado Hquido como no sólido A liga, neste caso, corresponde à conhecida “so- lução sólida”. O diagrama de equilíbrio está representado na Figura 43, Como se vê, admite-se que os componentes sejam dois metais A e B. No sentido da esquerda para a direita, A varia de 100% a 0% e B' de 0% a 100%. No centro do diagrama, tem-se pois uma liga contendo 50% de 4 e 50% de B.  7” Tecnologia Mecdulca TEMPERATURA A 5 mom tags) Composição Figura 45 Diagrama de equilíbrio de um sistema de ligas binárias em que os dois com- ponentes são insolúveis no estado sólido, Por convenção, as ligas situadas à esquerda de E, entre A e E, portanto, são chamadas “hipoeutéticas” e as ligas à direita de E, entre E e B, são chamadas “hipereutéticas”, A liga X, por exemplo, é hipoeutética e caracteriza-se por ser mais rica de metal A do que de metal B. Pelo resfriamento lento, a liga X, ao atingir o ponto indicado na figura por tx, começa a solidificar, formando-se o primeiro cristal, cuja composi- ção, pela regra já conhecida, é dada pela horizontal traçada de t, até o ponto a, no eixo de ordenadas. Verifica-se que a composição dessa fase sólida inicialmente formada é 100% de A e 0% de B, ou seja, o primeiro cristal formado é metal puro A. Esse fato seria previsível, porque, tratando-se de ligas cuja solubilidade sólida é nula, os cristais que se separam na solidi- ficação o fazem na forma de metal puro. Continuando o resfriamento, resultará contínua e crescente separação do metal À e a composição do líquido remanescente acompanha a tinha t,E em direção a E, enriquecendo-se assim de B. À temperatura correspondente ao ponto to existirão em equilíbrio duas fases: uma sólida, cada vez mais rica em metal A e outra líquida cada vez mais rica em metal B. À temperatura tg, existirão em equilíbrio a fase sólida separada e a última parcela de líquido restante, cuja composição correspondem à da liga eutética, ou seja Ae% de Be Be% de A; e nesse momen- to, o líquido remanescente solidifica, Abaixo da linha solidis tem-se, portanto, para atiga X, metal À precipitado e aliga eutética, a qual constitui uma “mistura íntima dos metais A e B”, nas proporções respectivamente de Be% e Ae%, Eixos metdlioau 7 Para uma liga altunda à direita do eutético, liga Y por exemplo, as mesmas considerações podem ser feitas. Assim, à temperatura de Infolo de solidificação — ty — separase o metal puro B e à medida que a tempo- ratura cai, mais metal B se separa e o líquido remanescente percorre a linha Hiquidus ty E em direção ao ponto E, enriquecendo-se em A. À temperatura tr, o líquido restante tem a composição do eutético e termina a solidHl- cação. Assim, abaixo da linha solidus, as ligas hipereutéticas, do tipo da liga Y, são constituídas de meta? puro B e do mesmo eutético A mais B das ligas hipoeutéticas. Em resumo, o diagrama da Figura 45 apresenta os seguintes campos: — líquido — líquido mais metal sólido A — líquido mais metal sólido B — metal sólido A mais eutético E — metal sólido B mais eutético E. A curva de resfriamento de ligas desse tipo apresenta o aspecto da Figura 46. Temperatura Tempo Figura46 Representação esquemática da curva de resfriamento de ligas de solubili- dade sólida nula. O trecho 1-2 representa o resfriamento normal do líquido até o início da solidificação; o trecho 2-3, a separação do constituinte em excesso da composição eutética (metal A ou B); essa separação tem natureza exotérmica, o que explica a mudança da inclinação da curva; o trecho 3-4 representa a solidificação do eutético; 0 trecho 4-5, o resfriamento final até a tempera- tura ambiente.  EE 7á Fecnvlogka Moutniva A estrutura dessas ligas está representada esquematicamente na Fi- gura 47. As ligas hipo e hipereutéticas vão-se aproximando cada vez mais da estrutura do eutético à medida que caminham para a composição cor- respondente ao eutético, eutético metal À METAL A LIGA LIGA LIGA METAL 8 HIPOEUTÉTICA EUTÉTICA HIPEREUTÉTICA Figura47 Representação esquemática das possíveis estruturas de ligas insolúveis no estado sólido. Exemplos de ligas que apresentam diagramas de equilíbrio semelhantes ao estudado, ou seja, cujos componentes são insolúveis no estado sólido. Sw - Zw, As - Pb. Aplicando a lei das fases num sistema eutético simples, tem-se: — na região acima do liguidus: nº de componentes - Ae B,C=2 nº de fases — líquido; P=1 nº de variáveis ou fatores do meio ambiente — temperatura amreseg = Figura 48 5.3 Ligas cujos componentes são totalmente solúveis no estado líquido, mas apenas parcialmente solúveis no estado sólido A Figura 48 constltul a representação esquemática desse diagrama de equilíbrio. grin merditons ” Temperatura Composição Diagrama de equilíbrio de um sistema de ligas binárias em que os dois com- ponentes são inteiramente solúveis no estado líquido e apenas parcialmente solúveis no estado sólido.  78 Tecnologia Mecânica Essa solubilidade limitada é representada no diagrama pelas linhas res! a tinha 77” representa a solubilidade sólida parcial de B em 4, a qual é máxima à temperatura do eutético tr e corresponde ao ponto r e mínima à tempe- ratura ambiente e corresponde ao ponto r”. Do mesmo modo, a linha ss! representa a solubilidade sólida parcial de A em B, a qual é máxima à temperatura tg e corresponde ao ponto s e mínima à temperatura ambiente e corresponde ao ponto s!, Essa variação da solubilidade de um metal no outro, conforme a temperatura, é, portanto, indicada pela inclinação das linhas 77" e ss”. Para comodidade de exposição a solução sólida de B em A é chamada alfa e a solução sólida parcial de A em B é chamada beta. O eutético, em consegiiência, é constituído das soluções sólidas alfa e beta, cujo teor de soluto (A em B ou Bem A) varia com a temperatura. As Tigas idênticas a X, cuja composição varia de A a 7, comportam-se, no: resfriamento, exatamente como as ligas do diagrama de solubilidade sólida total (Figura 43). Do mesmo modo, comportam-se as ligas entre s'e B. Isso significa que, à temperatura ambiente, a liga X é constituída da solução sólida alfa. O mesmo raciocínio se aplica para a liga entre s' e B, na extremidade direita do diagrama, que será, pois, constituída de solução sólida beta. Considere-se, agora, o grupo de ligas entre 7” e 7”, à liga Y por exemplo. A solidificação é iniciada no ponto )” e os primeiros cristais separados apre- sentam a composição 4m” de B (dissolvido em A). À medida que a tempe- ratura cai, separam-se mais cristais sólidos, cuja composição varia ao longo da linha solidus até o ponto y”, » à cuja temperatura a liga termina a solidi- ficação. Assim, abaixo de y" entre y" e y” — a liga solidificada é cons- tituída de uma solução sólida de B em A (alfa). Ao atingir o ponto >”, tia linha 77” que marca o limite de solubilidade sólida de B em A, a liga Y apre- senta, à temperatura correspondente a t”, a máxima solubilidade de B em 4. A partir dessa temperatura a liga Y começa a precipitar o excesso de B que não pode ser mais mantido em solução sólida, Esse excesso de B, contudo, não é precipitado na forma de metal puro B, mas sim como uma solução sólida rica em B (ou seja, beta). A porcentagem de B nessa solução sólida que começa a se precipitar à temperatura correspondente a »” E dada pela horizontal nesse mesmo ponto 3”, Essa precipitação prossegue até se atingir a temperatura ambiente, quando a solução sólida precipitada terá por composição As! % de B e Bs” % de A (solução sólida beta com concentrações de 4 e B correspondentes à temperatura ambiente). Esse precipitado pode localizar-se nos contornos dos grãos ou dissemi- nar-se no seu interior. Pigon merdlicar 7 A llga Y, à temporaiura ambiente, será pois constituída de uma solução sólida de B em A (alfa) mais um precipitado que é uma solução sólida do A em B (beta). As ligas colocadas do outro lado do diagrama, em posição idêntica a Y, comportam-se na solidificação do mesmo modo, com a diferença que, à temperatura ambiente, são constituídas de uma solução sólida de A em B (beta) mais um precipitado que é uma solução sólida de B em A (alfa). Finalmente, suponha-se uma liga de composição P. O início de soli- dificação dá-se no ponto p', separando-se cristais que constituem uma solução sólida alfa. A composição dessa solução sólida à. temperatura cor- respondente ao ponto p' é An! % de B. À medida que o resfriamento se processa, a composição da fase sólida separada varia ao longo da linha solidus tar e a do líquido ao longo da linha liguidus ta E, de modo que à temperatura tr correspondente ao eutético, existem em equilíbrio uma fase sólida constituída de uma solução sólida rica em A (alfa) contendo Ar" % de Be uma fase liquida que, nesse momento, se solidifica na forma do eutético, constituído de uma mistura das duas soluções sólidas alfa (rica em A, contendo Ar” % de B)e beta (rica em B, contendo Bs” % de A) Abaixo da linha sotidus, continuando o resfriamento, verifica-se: — o primeiro sólido separado (solução sólida rica em A, ou seja, alfa) se divide em duas soluções sólidas alfa e beta, cuja composição varia de acordo com a inclinação das linhas 7"! e ss'; -— as soluções sólidas do eutético se empobrecerão gradativamente dos metais B e A, até a temperatura ambiente, quando apresentarão a compo- sição Br! % de A e Ar! % deB dissolvidas em A (alfa) e As' % de Be Bs So de A dissolvido em B (beta). À temperatura ambiente, as ligas semelhantes a P serão, portanto, cons- tituídas de duas soluções sólidas beta e alfa envolvidas por um eutético (alfa, mais beta), do mesmo modo que uma liga idêntica a P, porém situada no outro lado do diagrama, à direita de E, entre e e s”, com a diferença que o primeiro sólido a formar-se é a solução sólida beta (rica em B). O cutético ou liga eutética é constituído, como se viu, das duas solu- ções sólidas alfa e beta, cuja concentração em B ou em A varia, segundo as linhas 77! e ss”, conforme a temperatura cai de ty até a temperatura ambiente. As estruturas dessas ligas, à temperatura ambiente, assemelham-se às estruturas das ligas da Figura 47, com a diferença que os metais puros não estão presentes isoladamente, mas sim na forma de soluções sólidas alfa e beta e o eutético é uma mistura das duas soluções sólidas alfa e beta. EIN Proprimladas mecânicas e ua determiliação - Dufinições “5 CAPÍTULO V —— “onsalos mecânicos” . 6 necessário definir com precisão alguns conceltos fundamentais. 2 Defimicies Na determinação das nronriedades mecânicas anlicam-se  so Teenulogia Mectniva Matematicamente, há somente dois tipos de cargas ou de tensões, pois a compressão pode ser considerada como a versão negativa da tração. “Deformação” é a mudança dimensional que se verifica no material como resultado da carga aplicada. Exprime-se quase sempre em porcentagens. Contudo, na torção por exemplo, a deformação está relacionada com o ” Propriadades mecdnicar e una determino - Definições "7 Em primeiro lugar, os materiais do construção, em particular, os metais, tendem q deterlorar-so em serviço, pela ação do meio ambiente. Em segundo lugar, ocorrem frequentes variações na distribuição das tensões adotadas no projeto, além de surgirem ocasionalmente sobrecargas. Em terceiro tugar, feição na fabricação de uma determinada peça metálical difícil garantir-se per!  O TEA na Tecnologia Mecônica Finalmente, para que se chegue -a uma conclusão quanto ao valor numérico obtido no ensaio, é necessário compará-lo com um valor pre- determinado ou “especificado”. * A “especificação” pode ser definida como uma tentativa do consumi- dor fazer chegar ao produtor suas exigências sob o ponto de vista de quali- dade, permitindo que a aquisição do material correspondente seja feita dentro de verdadeiras bases técnicas. w Aespecificação, além de abranger as propriedades mecânicas, pode abranger os característicos químicos, os característicos gerais, os métodos de fabricação, a forma, as dimensões e o acabamento das peças. Essas especificações são estabelecidas por Associações Técnicas espe- cializadas, reunindo produtores, consumidores e tecnologistas, tais como a Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT). A elas compete elaborar igualmente as “normas” e os “métodos de ensaios”, de modo a permitir, como já foi citado, comparar os resultados obtidos nos diversos ensaios, 5 Levantamento de dados obtidos nos ensaios Os dados obtidos nos ensaios, para poderem ser melhor interpretados, devem ser, sempre que possível, submetidos a um tratamento estatístico, mesmo porque dificil mente se consegue, no mesmo material e nas mesmas condições de ensaio, resultados totalmente repetitivos. É claro que esse tratamento estatístico só é recomendável quando se tem disponível um grande número de dados, como ocorre no caso dos ensaios de fadiga. Um exemplo extraído da literatura americana e relacionado com chapas finas de ferro galvanizado, elucidará melhor a matéria!34), Suponha-se uma amostragem de 80 chapas galvanizadas, para a qual se deseja determinar a quantidade de revestimento aplicado. As amostras são pesadas antes e depois do processo de galvanização. Os pesos do revestimento obtidos são lançados numa Tabela (Tabela 11), onde se veri- fica uma ligeira discrepância dos valores. Os dados dessa Tabela são a seguir colocados em ordem ascendente (Tabela 12) que corresponde, pois, a uma “distribuição de frequência não agrupada”. O próximo passo corresponde ao agrupamento dos dados, resultando numa Tabela de “frequência agrupada” (Tabela 13), onde são indicados os intervalos das classes, valor médio, frequência das classes, frequência cumu- lativa e o produto da fregiiência pelo valor médio. Pode-se, assim, construir gráficos ou “diagramas de frequência”, como a Figura 54 mostra ou tracar uma curva de “distrihnicão normal de freniiência” Propriodades meninicas e aa determinação - Definições nv TABELA 11 MASSA DE REVESTIMENTO SOBRE 80 CHAPAS DE FERRO GALVANIZADO Amostra | Massa, g | Amostra | Massa, g | Amostra | Massa, g | Amostra | Massa, g 1 38,81 2 37,63 41 40,56 61 38,67 2 40,02 22 42,61 42 43,14 82 41,06 3 4203 2 45,18 as 41,62 63 42,41 4 43,06 24 39,39 ad 44,17 64 42,88 5 41,58 25 42,84 45 42,34 85 42,98 6 42,58 26 43,24 46 44,83 65 40,12 7 42,80 2 43,70 47 45,01 87 43,03 8 43,34 28 45,44 48 42,93 68 43,40 9 43,72 29 41,25 49 46,63 69 41,80 10 38,12 30 43,64 50 39,61 70 44,50 11 40,63 3 44,06 51 48,21 n 42,14 12 44,28 32 44,33 52 40,38 72 39,51 13 44,45 33 42,45 53 47,22 73 44,47 14 43,21 a 44,80 5a 41,36 74 41,44 15 43,79 35 44,51 55 44,77 7 a391 16 43,55 36 41,74 56 45,61 7, 42,13 17 42,26 37 45,30 57 39,84 7 42,19 18 43,03 38 43,84 58 40,88 78 43.48 19 41,29 32 42,67 59 38,98 79 41,13 20 46,52 40 46,89 60 41,92 8o 40,58 va Ri TR Tecnologia Mecinica Tensão, kgt/mmê o , Deformação, % Figura56 Diagrama geral “tensão-deformação” SEDE DA CARGA / DISPOSITIVO DE FIXAÇÃO CORPO DE DO CORPO PROVA DE PROVA “caBEÇOTE MÓVEL E” FiguraS7 Diagrama esquemático de uma máquina para ensaio de tração. Fo ERP Resistência à tração a resietência à compressão ss Normalmente, ns máquinas de tração podem exercer esforços de compressão, Ao tracionar-se a peça, vexificase que, dentro de certos limites, a deformação é proporcional à tensão aplicada, de acordo com a conhecida Jei de Hooke. Assim, se barras de diferentes materiais e diferentes áreas de secção transversal forem submetidas à uma tensão de tração, a lei de Hooke será sempre obedecida, ou seja, o “aumento de comprimento de cada barra é sempre proporcional à tensão de tração aplicada”. Essa lei pode ser expressa pela fórmula P AE onde, = comprimento da barra, em mm aumento de comprimento ou alongamento, em mm = carga aplicada, em, kgf área de secção transversal da barra, em mm? = constante mrmo — A fórmula indica igualmente que o alongamento é também proporcional ao comprimento da barra e inversamente proporcional à área da secção transversal da barra, Indicando a relação P/A que exprime a tensão por o (em MPa ou kgf/mm?) e a relação e/1 que exprime o alongamento ou a deformação por E(em %), tem-se = E-g que traduz exatamente a lei de Hooke. A constante E é chamada “módulo de elasticidade” ou “módulo de Young”. . A Tabela 14135 apresenta o módulo de elasticidade E de alguns dos metais mais importantes. A Tabela mostra ainda o módulo de cisalhamento, propriedade. que será abordada mais adiante. A lei de Hooke, entretanto, só é válida até um certo limite, o ponto A no diagrama da Figura 56, Esse trecho, por isso mesmo, é retilíneo.  oá Tecnologia Mecênica TABELA 14 PROPRIEDADES ELÁSTICAS DE ALGUNS METAIS Metal Módulo de elasticidade E Móduio de cisalhamento G fa 209c) Gra | iatimm? Gra | kgtimm? Alumínio 70,3 | 7140 281 2660 Cádmio 499 | 5040 182 1960 Cromo 2781 | 28350 1154 | 11890 Cobre 128,8 13160 48,3 4900 Ouro 780 | mo 2710 2730 Ferro a14 | 21420 + 818 8260 Magnésio 447 | 4550 173 1750 Níquel 199,5 | 20230 760 7700 Nióbio 104,9 10640 37,5 3780 Prata 827 | 8400 30,3 3080 Têntalo 185,7 | 18830 69,2 7000 Titânio 118,7 | aro 438 4445 Tungstênio 411,0 | 41720 160,6 | 18310 Venádio 1278 | 12950 46,7 4780 O módulo de elasticidade depende das forças interatômicas e, embora variando com o tipo de ligação atômica, não é sensível a modificações estruturais. Assim, por exemplo, se num determinado tipo de aço, a resis- tência mecânica pode aumentar apreciaveimente por fatores que afeiem sua estrutura, como tratamentos térmicos ou pequenas adições de elementos de liga, esses fatores praticamente não influem no módulo de elasticidade do matérial, O módulo de elasticidade é uma medida da “rigidez” do material, ou seja, do característico que o material possui de resistir à deformação elástica. O aumento de temperatura provoca um decréscimo do valor de E. A tensão correspondente ao ponto À é chamada “limite de proporcio- nalidade” que se define, portanto, como a tensão para a qual a deformação deixa de ser proporcional ao esforço aplicado. Dentro: da fase de proporcionalidade entre tensão é deformação, o material se comporta também elasticamente, ou seja, à deformação que se origina pela aplicação da carga é apenas temporária: cessada a tensão, o material volta à forma e dimensões originais. t É É Ê ' Restutência d trução d renintêncio à compresdt' vz À tonsão até a qual o material so comporta de modo elástico está Ind Igadn no gráfico tensão-deformação da Figura 56 pela letra B. Em geral, prinei- patmente no caso de aços de baixo e médio carbono, os pontos A e B coin- cidem. Alguns autores colocam B acima de A e outros, o contrário. De qualquer modo, o comportamento elástico do material dentro de uma certa faixa de tensões permite a definição de um novo característico do material: “limite de elasticidade”, que corresponde à máxima tensão que o material pode suportar sem sofrer deformação permanente. No diagrama, o estágio OB é chamado “estágio elástico”. De Ba D, tem-se o “estágio plástico”, porque, a partir de B, aumentando a carga, as deformações resultantes são permanentes, até a ruptura do material sob tração. Alguns métodos têm sido propostos para determinar o limite de propor- cionalidade. Entre eles, o método de JOHNSON!38), indicado na Figura 58. 2 Tensão, kgf/mm' Deformação, % Figura 58 Mérodo de Johnson para determinação do limite de proporcionalidade. Pelo método de JOHNSON, o limite de proporcionalidade é tomado como a tensão correspondente a um ponto do diagrama tênsão deformação, no qual a deformação é 50% maior que na origem. Na Figura 58, OAB repre- senta o estágio inicial do ensaio de tração; a linha OE é o prolongamento da reta que corresponde à proporcionalidade entre tensão e deformação. Para  va Tecnologia Mecânica obter o limite de proporcionalidade, traça-se a linha OD com uma inclinação 50% maior que a da linha OE, ou seja, DF = 1,5 FE, Traça-se, a seguir, na curva OB, uma tangente paralela à linha OD de modo a localizar o ponto €. A tensão correspondente ao ponto C é definida como o limite de propor- cionalidade pelo método JOHNSON. Terminada a fase elástica, prosseguindo-se o esforço de tração, o mate- rial começa a deformar-se mais rapidamente, até atingir a tensão máxima que o material pode suportar, ou seja, a tensão correspondente ao ponto € da Figura 56. Define-se então o “limite de resistência à tração”, como a tensão máxima que o material suporta, ou seja, a carga máxima dividida pela área da secção transversal original.do corpo de prova. Alguns metais de natureza dúctil, em particular aços-carbono de baixo teor de carbono, apresentam, durante o ensaio de tração, o fenômeno de “escoamento”, o qual serve para bem caracterizar O início da fase plástica. A Figura 59 mostra o fenômeno de escoamento. Como se vê, o aparecimento do fenômeno caracteriza bem o início da fase plástica, Durante o escoamento, verifica-se um grande alongamento, sem acréscimo de carga. Esta chega a oscilar entre valores máximos e mínimos. Tensão, kgfimm? , I ! t escoamento Deformação, % Figura59 Diagrama “tensão-deformação” de um metal dúctil aparesentando o fenó- meno de escoamento, Resistência d tração e resintetnola À pormpresato vy O corpo de prova, se polido, mestra uligruções suporficinis visíveis 4 olho nu: noti-so o aparecimento de linhas inclinadas de cerca do 45º em relação ao eixo de tração. Essas linhas são chamadas “linhas de Luder" ou “de distensão” e o seu aparecimento juntamente com o início da grande deformação sem acréscimo de carga serve para definir o “limite de escou- mento” do material. As várias normas existentes definem de modo diferente o timito de escoamento. Para algumas, limite de escoamento corresponde à tensão para a qual tem início o fenômeno; para outras, a tensão máxima e outras ainda, a tensão mínima verificada durante a fase de escoamento. Nos metais e ligas que não apresentam nitidamente o fenômeno de escoamento, emprega-se um método gráfico para a determinação de um valor comparável, baseado no fato de que, se se interromper o ensaio de tração num ponto já dentro da fase plástica e de descarregar o material, a deformação não volta a zero, mas apresenta um valor residual correspon- dente à deformação permanente. A Figura 60 constitui uma representação esquemática desse fato, além de servir para a determinação gráfica citada. 2 Tensão, kgt/mm — bm Deformação, % Figura 60 Representação esquemática da deformação permanente.  eo J04 Tecnologia Macênica O outro valor representativo da ductilidade que se determina no ensaio de tração é 2 “estricção” ou estrangulamento de secção. Chamando-se So à área inicial da secção útil do corpo de prova e S'a área da secção estran- gulada de ruptura, a estricção é dada pela expressão RS a 2 Diagrama tensão-deformação verdadeiro A resistência à tração ou o limite de resistência à tração corresponde à tensão nominal obtida pelo quociente entre o valor máximo da carga verificada no ensaio e a área da secção transversal original do corpo de prova. No caso de metais e ligas dúcteis, ocorre um grande estrangulamento ou estricção na área de ruptura, de modo que, a rigor, a resistência à tração é menor que a tersão máxima real. Se, de fato, se determinar a tensão pelo. quociente entre a carga máxima verificada no ensaio e a área da secção transversal do corpo de prova no mesmo instante em que a carga máxima ocorre, tem-se a resistência à tração verdadeira, como está indicado na Figura 63. Tensão, kgft/mm? o Alongamento, % Figura63 Diagramas “tensio-deformação” nominal e “tensão-deformação” real CE Restutóncia d eruçÃo é mutetência à comprando 104 Na figura, 1 curva OBECD corresponde no diagrama usual e q curva OBEGK corresponde ao diagrama real. A máxima carga é alcançada em C e é evidente que embora a carga realmente decresça de C a D, a tensão verdadeira continua a aumentar, dovido à contração da secção do corpo de prova, até que um máximo valor de tensão é alcançado no ponto K, onde se dá a ruptura. De qualquer modo, 2 curva tensão-deformação nominal é a que se utiliza na prática da engenharia, enquanto a real é empregada para fins de pesquisa, Do mesmo modo que a “tensão real” é obtida dividindo-se a carga aplicada, em qualquer estágio de sua aplicação, pela área de secção real, pode-se obter a “deformação real” ou “deformação Jogarítmica” que equi- vale, para um determinado aumento de carga, à relação da mudança de comprimento devido ao incremento da carga para à grandeza do compri- mento, imediatamente, antes da aplicação do incremento de carga!49. Essa “deformação real” é expressa pela equação(4!! ; L Su Í L-wml = w+s) L LL onde L = comprimento de um pequeno elemento, sob uma determinada carga Lo = comprimento origina! marcado no corpo de prova € = deformação convencional Admitindo que durante a deformação plástica, o volume permaneça constante, pode-se escrever Ag =" «4 Ele real onde Aq = área da secção transversal original A = área instantânea da secção transversal sob uma determinada carga 3 Curvas tensão-deformação para alguns materiais A Figura 64 mostra esquematicamente curvas tensão-deformação típicas para alguns metais e ligas. 106 Tecnologia Mecânica Ê E o t deformação, deformação, aços de Belo carbono ago gados E í á deformação, % deformação, % ferro fundido comum aço de alto € e aigumms gos não ferrosas Figura 64 Formas típicas de diagramas "tensão-deformação" de alguns metais e ligas. A Figura 65 representa esquematicamente diagramas típicos tensão- deformação para diversos tipos de aços-carbono no estado recozido. 0,80% C 0,60% € 2 0,40% € SIT TS 0,20% € Tensão, kgf/mm Deformação, % Figura 65 Diagramas típicos “tensão-deformação” para diversos aços carbono no estado recozido. + Resistência à ração « rarieincia À comprando 107 t 4 Tipos de fratura por tração As falhas dos materiais metálicos podom sor classificadas em dois tipos gerais: falha “dúcul" ou de “escorregumento" a falha “frágil” ou “por separação”. Uma falha diúctil sob tensão de tração envolve três etapas!?2), — inicialmente, o corpo de prova estrangula-se formando cavidades na região estrangulada; — em segundo lugar, uma cavidade torna-se eventualmente o suficiente mente grande para alargar-se e estender-se rapidamente na secção transversal; — finalmente, a fratura originada espalha-se na superfície seguindo uma direção inclinada de 45º em relação ao eixo de tração. O resultado é a chamada fratura em “taça e cone” como a Figura 66 mostra. Fratura Central Figura66 Representação esquemática de uma fratura dúctil em “taça e cone": A primeira etapa é a mais importante por ser a mais longa e porque o segundo e terceiro estágios somente acontecem quando algumas cavidados se formaram. A Tabela 15, resultado de pesquisas de MACGREGOR, LUDWIK « NADAJ!42), procura demonstrar esse fato, pois os dados obtidos indicum que somente quando a fissura atinge uma certa dimensão ela pode ser pronta mente percebida, antes da fratura.  sum Tacnolugia Mecânica TABELA 15 ETAPA NA QUAL A FISSURA CENTRAL SE FORMA Metal ai al Cu Cu Latão Métado de detectar | por secção | por radio- | por secção | por radio- | por radio- a fratura tcorte) grafia grafia grafia Resultado fissura preseme não foi detectada fissura Estricção para a qual a observação foi feita 80% | 76,5% - 51,7% [41,9% Estricção na fratura — 80,0% - 53,7% 47,4% A fratura dúctil somente ocorre quando se verifica deformação plástica. Admite-se que as primeiras cavidades se formam em inclusões, porque, quando um metal relativamente plástico flui ao longo de uma inclusão relativamente in- deformável, originam-se grandes forças de tração, as quais às vezes conseguem rasgar uma abertura na interface onde o metal e a inclusão se juntam. Simultaneamente atuam agrupamentos de discordâncias que, pressiona- dos de encontro à inclusão, contribuem para quebrar a junção. Deve-se, por outro lado, admitir que as cavidades se formam mais facilmen- te nas inclusões que apresentam a coesão mais fraca com a matriz metálica. Mesmo que as cavidades não se formem a partir de inclusões, a ação das discordâncias é fundamental. Isso porque, num agrupamento de discordân- cias, por exemplo, estas podem ser pressionadas, produzindo-se seu agiutina- mento e levando à formação de cavidades. Supõe-se, nessa hipótese, que as discordâncias se amontoam contra um obstáculo que pode ser o contorno do grão ou uma inclusão. A presença de obstáculos não é essencial, bastando apenas a ação das discordâncias: estas podem, por exemplo, ser de sinal oposto e situar-se em planos de escorregamento adjacentes; nessas condições elas podem se aglutinar numa fissura. Do mesmo modo, discordâncias com diferentes vetores Burgers movimentam-se em conjunto para formar uma fissura. “e A fratura frágil, ao contrário do que ocorre com a fratura dúctil, não necessita de deformação plástica para que uma fissura se propague até ocorrer a fratura, embora isso possa acontecer (42). CEEE CEC Renlatánicia à Fração u runiateimeia d conprando tou Uma fratura frágil é catactorizuda pela separação normal em rolução no eixo de tração, sem qualquer estrangulamento apurente da secção de ruptura, como a Figura 67 mostra. x Figura67 Representação esquemática de um fratura frágil As fraturas frágeis quase sempre se movimentam ao longo de um plano cristalográfico simples — plano de clivagem — ou ao longo dos contornos dos grãos. “4 A fratura transgranular é mais frequentemente observada em metais puros policristalinos. Neste caso, devido ao fato de que os planos de clivagem mudam de orientação através dos contornos de grão, a propagação da fissura através desses contornos é mais difícil, do mesmo modo que é difícil o escorregamento através do contorno de grão.  TERRE ua Feenolagha Mecânica aço de alta C aço de baixo C Tensão, kgtfmm? Alongamento Figura 71 Representação esquemática de valores comparativos de resiliência e tenacidade de dois tipos de aço O aço de alto carbono apresenta limites, de escoamento e de resistência à tração, mais elevados; o de baixo carbono é mais dúctil. A área tensão- deformação é maior para este último aço, de baixo carbono, de modo que ele é mais tenaz. De outro lado, o aço de alto carbono possui um limite de escoamento (ou limite convencional n) mais elevado que o de baixo carbono; assim, a área sob a curva tensão-deformação, na fase elástica, é maior; em consegiiência, ele é mais resiliente que o aço de baixo carbono. No caso de resiliência, a área debaixo da curva é representada por resiliência = 1/2 6 € onde o e E são a tensão e deformação máximas na faixa elástica. Como € = cfE, dentro da faixa elástica, chega-se à seguinte equação resiliência = 0/2 A tenacidade é geralmente determinada pela energia absorvida num ensaio de choque. 7 Observações finais sobre a resistência à tração e o ensaio de tração A istência à tração é uma das propriedades mais importantes dos metais s, por intermédio da sua determinação, podem ser. obtidas características significativas do material, relacionadas coma resistência mecânica e q ductilidade, A rosistência à tração, como ullás us outras propricdados mecânicus, depende do tipo de metal ou liga, do teor de elementos de liga, das conel- ções de fabricação e tratamento, da estrutura cristalina e de diversos fatorow externos, como temperatura etc. Os valores obtidos nos ensaios de tração permitem, aos projetistus a engenheiros: — conhecer as condições de resistência do material sem que sofiu deformação permanente; — superada a fase elástica, conhecer até que carga o material pode suportar, em condições excepcionais. Ao lado disso, o exame da fratura do corpo de prova, depois de reali- zado o ensaio, permite verificar o comportamento dúctil.ou frágil do material e a presença de eventuais falhas originadas nie sua fabricação. Dependendo do material e porque é possível que aconteçam variações nos valores obtidos num ensaio, é necessário às vezes a realização de mais de um ensaio e, nesse caso, o emprego da análise estatística é recomendável. Por outro lado, deve-se adotar, na realização dos ensaios de tração, cuidados especiais, pois diversos fatores podem afetar os resultados: — excentricidade do corpo de prova, ao ser o mesmo preso nas garras da máquina de ensaio. A excentricidade pode causar distribuição não-uniforme de tensões no corpo de prova; — velocidade de aplicação da carga: com velocidades crescentes, a resistência tende a aumentar e a ductilidade a diminuir, sobretudo em metais de baixo ponto de fusão, como chumbo e zinco. Como se verá, no decorrer da obra, podem ser estabelecidas, com certa aproximação, relações entre a resistência à tração e outras propriedades mecânicas, o que constitui uma fonte complementar de avaliação do comportamento dos metais quando sujeitos às cargas de serviço. 8 “Resistência à compressão Sob o ponto de vistá de aplicação de carga, , o esforço de compressão é o oposto da tração, - Pode-se, pois, admitir que o comportamento elástico de uma peça metálica quando sujeita à carga de compressão seja comparável ao seu comportamento elástico, quando sujeita à tração. “Essa afirmação aplica-se principalmente para metais dúcteis como os aços de baixo carbono; Esse material, na fase elástica sob a ação de com- pressão, obedecerá também à lei de Hooke.  Ho Tecnologia Mecdnica “A Na fase plástica, ainda no caso de metais dúcteis, não há mais possibl- lidade de comparação, porque à medida que aumenta & carga de compres- são, a peça, sob a ação crescente do esforço; tende a ter sua secção transversal alargada, achatando-se na forma de um disco, sem que ocorra sua ruptura. + A ruptura ocorre na maioria dos materiais frágeis. Para estes, verifica-se que não ocorrem grandes deformações laterais e com cargas de compressão crescentes, resulta uma tensão que provoca a ruptura por cisalhamento e deslizamento ao longo de um plano inclinado, como. está indicado na Figura 72. | DEAAa carpo de prova =| original corpo de prova original ; TA. corpo de prova [TT deformado 7 Material dúctil Material frágil corpo de prova deformado Figura72 Falha de material dúctil e frágil sob compressão. * Há muitos materiais utilizados na engenharia e na indústria que, quando em serviço, estão sujeitos a esforços de compressão, como principal carga de trabalho. Tais materiais são, entre outros, o concreto, a madeira, o ferro fundido e materiais: cerâmicos. O ferro fundido é, dentre as ligas metálicas, aquela em que a resistência à compressão apresenta algum interesse prático. ** Em resumo, para materiais dúcteis não é possível determinar-se os característicos mecânicos na faixa plástica, ao passo que os característicos elásticos como módulo de elasticidade, limite de escoamento, limite de proporcionalidade e resiliência, podem ser determinados, como na tração. 8.1 Ensaio de compressão Embora aplicado em materiais frágeis como o ferro fundido, o ensaio de compressão apresenta certas limitações, devido (45), a : — dificuldade de aplicar-se uma carga axial ou verdadeiramente concêntrica; — ocorrência de atrito entre os cabeçotes das máquinas de ênsaio e as faces dos corpos de prova, o que pode alterar os resultados; Kevintáncio d freçao o ratiatdnoia dd comprem “rt us tocções transversais dos corpos de prova upresentam geralmento área apreciável, paru garantir uma boa estubllidudo da poça, de modo quo se torna necessária a utilização de máquinas do ensaio de grande capacidade ou corpos de prova tão pequenos e, portanto, tão curtos que dificultam a obtenção de medidas de deformação com precisão adequada. Os corpos de prova para ensaio de compressão devem possuir, preferivel- mente, secção circular. Para os materiais dúcteis, a relação de comprimento para o seu diâmetro varia de 1:2 a 1:6, Normalmente, para o ferro fundido, a altura correspondente é duas vezes o diâmetro. Nas ligas frágeis, como o ferro fundido, em que se leva o ensaio até a miptura do corpo de prova, o limite de resistência à compressão é dado pelo quociente da carga máxima com a secção original do corpo de prova. A Figura 73145) mostra esquematicamente as curvas tensão-deformação, normal e real, para materiais dúcteis e não-dúcteis, quando sujeitos ao esforço de compressão. CURVA DE TENSÃO NOMINAL NÃO-DÚCTHL N DÚCTIL, LA DÚCTIL mem CURVA DE TENSÃO REAL TENSÃO — DEFORMAÇÃO ————— Figura 73 Curvas tensão deformação nominal e real para materiais dúcteis e não dúcreis sujeitos à compressão. CAPÍTULO VI RESISTÊNCIA AO DOBRAMENTO E RESISTÊNCIA À FLEXÃO OU À RUPTURA TRANSVERSAL. ENSAIOS CORRESPONDENTES 1 Dobramentos O “dobramento” é o esforço que se caracteriza por induzir numa peça tensões de compressão numa parte de uma secção trans- versal é tensões de tração na parte restante. A Figura 74 constitui uma representação esquemática desse tipo de carga, mediante os exemplos de uma viga apoiada nas suas extremidades e sujeita a um esforço P concentrado no centro e de uma viga em balanço, engastada numa extremidade e sujeita à ação de um esforço P na outra extremidade, E) f Figura 74 Representação esquemática das tensões originadas por esforço de dobra. mento. J18 Rontir. ao dobramento e resta, d Memdis ou d ruprume srenevermal PIU No primeiro, a face da viga diretamente aujeltu à carga P está sob con pressio, enquanto a face oposta está sob tração. No segundo, ocorre exuin mente o contrário. Ocasionalmente, quando as estruturas e as peças estão em serviço, o dobramento pode ser acompanhado por tensões de cisalhamento transversal ou torcional. O dobramento é igualmente provocado toda vez que resultam momentos a partir de cargas excêntricas paralelas ao eixo longitudinal de uma peça, como, por exemplo, numa coluna engastada na base e sujeita a uma carga excêntrica na extremidade livre. A Figura 75148) representa dois sistemas de carga que, no esforço de dobramento ou flexão, dão origem aos diagramas de cisalhamento e mo- mento. Esses diagramas indicam, em outras palavras, a variação do cisalha- mento transversal total e do momento de dobramento. ?a PR T P.. n CISALHAMENTO Lt L MOMENTO tp E = CARGA MIL E T [|| cisaLmamento I cerga simples centrar Figura 75 Tipos de cargas para ensaios de dobramento simples  Carga material dúctil Flecha fratura Carga material frágil A Flecha tratura Carga material frágil B Flecha Figura 80 Diagramas “carga-flexão” para três tipos de materiais. Outro característico que se pode determinar nesses ensaios é a “rigidez” dada pela expressão MºL E=É— 3J$ onde = rigidez na flexão, em kgf/mm? momento de dobramento, em kgf.mm distância entre apoios, em mm = momento de inércia da secção em mm” = deflexão angular, em radianos. surtEm 3 Conclusões Como se mencionou inicialmente, os ensaios de dobra- mentos são úteis porque constituem um meio simples, rápido, embora de certo modo grosseiro, para obter-se uma idéia da ductilidade dos metais, inclusive da perda de ductilidade em consequência de determinados trata- mentos (mecânicos ou térmicos). esti Restur. qo dobramento o restar, d fl) OM É Mpruma frenivaraa, 125 A uvultação da ductilidade por dobramento é Liv simples que pode ser roulizada, em chapas, barras ou tiras, numa morsa comum. O ensaio de ruptura é relativamente mais complexo e os resultados podem ser afetados por vários fatores, como comprimento do vão entre os apoios, velocidade do ensaio e dimensões da secção transversal dos corpos de prova. Por exemplo, no caso de ferro fundido, verificou-se que, quanto menor o vão, maior o módulo de ruptura(47+ Também para o ferro fundido, em corpos de prova com mesma área de secção transversal mas com formas diferentes, o módulo de ruptura é menor para corpos de prova com uma proporção relativamente grande da área da secção transversal nas proximi- dades das fibras extremas(47), Do mesmo modo, corpos de prova de maiores secções transversais apre sentam menores resistências. Em cargas simples, os melhores resultados em relação ao módulo de ruptura são obtidos com carga central. Finalmente, como nos ensaios de tração e de compressão, quanto maior a velocidade de aplicação da carga tanto maior a resistência obtida. CAPÍTULO VIE RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO E À TORÇÃO 1 Introdução As propriedades relacionadas com cs esforços de cisalha- mento e torção são importantes em aplicações do tipo: — parafusos, rebites e vigas, que estão sujeitos ao “cisalhamento direto” ou “cisalhamento transversal”: — eixos, que estão sujeitos ao chamado “cisalhamento puro”, “cisalha- mento torcional” ou simplesmente “torção”. O exemplo típico do primeiro caso está representado na parte superior da Figura 81, onde se verifica cisalhamento duplo em rebites. Nesse exemplo,jo esforço de cisalhamento é resultante de forças paralelas e opostas que atuam através de secções perpendicularmente ao plano segundo o qual se verificam esforços de tração e compressão. O exemplo da figura corresponde a um cisalhamento direto nas secções xx" e yy”. O exemplo típico do “cisalhamento torcional” ou “torção” está indi- cado na parte inferior da Figura 81, correspondente a um eixo sujeito a um “momento de torção” ou “torque”, . Nesse caso, as forças aplicadas são paralelas e opostas e se localizam num plano perpendicular ao eixo longitudinal da peça. 126 Estao mete s Restrtência ao cisalhamento é à torção rebite —- Yray Cisalhamento duplo num rebite Torque = Pxe Cisalhamento por torção Figura 81 Cargas passíveis de produzir cisalhamento. O cisalhamento caracteriza-se pelo escorregamento de um plano per- pendicular ao eixo longitudinal em relação ao plano imediatamente adja- cente. As tensões que se originam nas secções transversais variam desde zero no eixo longitudinal até um máximo nas fibras externas. A deformação $ou €, provocada pelo cisalhamento depende da mudança em ângulo entre lados adjacentes de uma secção elementar sob a ação da torção provocada pelas tensões de cisalhamento 7. A Figura 822149) ilustra esse fato, enquanto a parte (b) da figura mostra que a deformação de cisalhamento é a tangente do ângulo de torção. 2 Ensaios No “cisalhamento direto”, o método usual de ensaio é apoiar uma parte do corpo de prova, de forma retangular ou redonda, num dispositivo adequado e aplicar, na parte restante, a carga que vai provocar o cisalhamento. A Figura 83149) mostra dois métodos para a realização de um ensaio de cisalhamento direto. jO método (a) utiliza a chamada ferramenta de cisalhamento Johnson; nele o corpo de prova consiste numa barra de secção retangular de 25 x S0 mm ou cilíndrica de 25 mm de diâmetro. O corpo de prova A é preso na base Ce a carga é aplicada por intermédio da ferramenta E, de modo à provocar a ruptura.  Pi Reststênci ctsalh Ho sô to) 12º 128 Tecnologia Mecânica eutêneia do cisalhamento « à torção » ps Se q corpo de prova é levado até a posição representada pelas linhas pon- DT í tilhadas, ele estará submetido ao cisalhamento direto duplo. - / My parte a figura mostra uma alternativa do ensaio para placas K “lh A parte (b) da fi t alternativa do ensai J Ns ” metálicas, com o emprego de um punção redondo. / N, ; : . 7 If s, À L | Para determinar a resistência ao cisalhamento, o ensaio mais empregado Pd a / | é é o de torção, mediante o qual se obtém “módulo de elasticidade no cisalha- nr Rá x / : mento”, o “limite de escoamento sob torção”, a “resistência à torção” e a cal ue 7 N, Ê “deformação sob torção”. 11,1 4!2 KR l 1 1Z A O ensaio pode ser realizado diretamente em peças tais como eixos, be brocas, certos tipos de aços-ferramenta e outras que, em serviço, estejam sujeitas ao esforço de torção. tab to) Figura82 Representação gráfica da deformação por cisalhamento, Não existe norma geralmente aceita para o ensaio de torção. mei A máquina de torção consiste, em linhas gerais, de um mecanismo diretor que gira um cabeçote com garras para prender a peça ou o corpo de prova. O momento torçor é assim aplicado num ângulo reto em relação ao eixo da peça. Um outro cabeçote, montado na outra ponta de máquina, segura, mediante garras, a outra extremidade da peça. Esse segundo cabeçote serve para medir o momento torçor ou torque. CARGA CORPO DE PROVA Existem diversos dispositivos para medir a deformação ou “ângulo de torção”, Esses dispositivos são chamados “troptômetros”. A deformação é obtida pelo deslocamento angular de um ponto próximo a uma extremidade do corpo de prova em relação a um ponto na extremidade oposta, sobre o mesmo elemento lóngitudinal. ta Os corpos de prova, quando utilizados no lugar de peças, são cilindros cheios ou ocos, com um estrangulamento na região central. A forma cilíndrica dos corpos de prova é preferida porque nelas se pode aplicar a teoria elementar de torção, conforme será exposto a seguir, acom- CARGA panhando-se a Figura 84150), PUNÇÃO Sendo circular a secção, a tensão é máxima na periferia e diminui à CORPO DE PROVA REDONDO medida que se caminha para o centro ou ponto neutro onde é igual a zero (Figura 84b). [ ! Admitindo-se que haja proporcionalidade entre as tensões e as distâncias Z ao centro, pode-se escrever MATRIZ — pf T Tt tb) A condição de equilíbrio é dada pela igualdade das forças exteriores — momento torçor M; — com as forças interiores — momento interno de Figura 83 Métodos de ensaio de cisalhamento direto em metais resistência, OU seja. CAPÍTULO IX DUREZA 1 Introdução A dureza de um material é um conceito relativamente complexo de definir, dadas as diferentes interpretações que lhe podem ser atribuídas. Em princípio pode-se dizer que a dureza é resistência à deformação permanente. Dura 145 om dez minérios padrões ordenados numa soguência relacionada com nua cupucldade de riscar ou serem riscados, O mineral mais “mole” nessa escula, ou aquele que é riscado por todos os outros é o talco (dureza Mohs 1)0 0 mais “duro”, ou seja, o que não é riscado por nenhum e risca todos os outrom é o diamante (dureza Mohs 10). A Tabela 16151) representa a escala mineralógica Mohs. A escala Mohs não é empregada na determinação da dureza dos metais, Os quais, na sua maioria, estão compreendidos na faixa de 4a 8 nessa escala mineralógica. A determinação da dureza dos metais constitui um método rápido e não-destrutivo que permite avaliar as condições de fabricação & tratamento das ligas metálicas, as diferenças estruturais locais e a influência de elementos de liga e, embora não sirva como parâmetro para o projeto de peças, correla- ciona-se com razoável aproximação com algumas propriedades mecânicas, como a resistência à tração, particularmente no caso dos aços. Essa correlação está representada na Figura 871521, para dois dos diversos métodos de determinação da dureza. mes er 182 ES as 700 i so eo o  16 TABELA 16 Tecnologia Mecintca ESCALA MINERALÓGICA MOHS Metal equivalente stelita carboneto de tântaio carboneto de tungstênio Extensão da escala Mohs Dureza nº ] Mineral de referência talco gipsita sílica pura vidrosa quartzo topázio granada 10 “ zirconita fundida E e 8 E E 3 5 12 13 14 15 e £ g 8 2 & s g t o 2 8 8 s 2 9 2 8 E 5 E £g o Mineral ds referência talco gipsita calcita fluorita apatita feleispato (ortó: quartzo safira ou corindo diamante Dureza nº 10 Dureza 7 Figura 88 Deformação durante a penetração no ensaio de dureza Isso significa que o esforço necessário para produzir a impressão depen- derá da tensão de escoamento e da velocidade de encruamento após ter sido ultrapassado o limite de escoamento. Sabe-se que o limite de resistência à tração depende tanto do limite de escoamento como do encruamento do metal, de modo que se deve esperar a existência da correlação entre a resistência mecânica e a dureza. Geralmente, a dureza é determinada pela resistência à penetração, como já foi mencionado. Para isso, utiliza-se um “penetrador”, na forma de esfera ou de pirâmide ou tronco de cone, confeccionado de aço temperado, “metal duro” ou diamante, o qual é forçado a penetrar no material cuja dureza se quer medir pela aplicação de uma carga de natureza estática. Resulta uma deformação que provoca o aparecimento de uma “impres- são” na superfície do material. As dimensões ou profundidades relativas dessa impressão constituem a base para a apuração de valores representativos da dureza. Diversos são os ensaios de penetração para determinação da dureza dos metais. Os mais empregados são os métodos Brinell e Rockwell. A Figura 89153) mostra, comparativamente, a forma e as dimensões das “impressões” obtidas em aço pelos dois métodos citados. 2 Ensaios de dureza Os ensaios de dureza são, em resumo, baseados no princípio de penetração na superfície do metal, pela aplicação de uma carga por intermédio de um “penetrador”. De um modo geral, esses métodos estão divididos em dois grupos: ensaios de penetração estáticos, que são os mais comuns e ensaios de penetração dinâmicos. 14 Tucnologia Mecânica mupsrlíciu da amostra A — método Rockwell superficial N, com cone de diamante e 30 kg de força; profundidade de 0,076 mm B — método de Rockwell comum, escala C, com cone de diamante e 150 kg de força; profundidade de 0,132 mm € — método Brineil, esfera de 10 mm a 3000 kg de carga; profundidade de 0,254 mm, Figura 89 Impressões comparativas: obtidas por penetradores Brinell e Rockwell em aço (Rockwell C39). 2.1 Ensaio de dureza Brinell É o primeiro ensaio grandemente aceito e padronizado. Devido a J. A. BRINELL que o divulgou em 1901434), rapida- mente tornou-se popular devido à relação entre os valores resultantes e a resistência à tração. A Figura 90 representa esquematicamente o sistema de penetração pelo método Brinell. esfera de aço duro temperado ou de metai duro Figura 90 Método Brinell para medida de dureza: P, carga aplicada em kzf: D, diâmeiro da esfera em mim; L e d, altura e diâmetro da impressão, respectivamente, em mem Dura ER Uma esfera de aço ou outra llga, de diâmetro D, é forçada, pela aplica- ção de uma carga P, a penetrar no material, resultando uma “impressão”, em forma de calota esférica, de diâmetro d, a qual serve para determinar um número que corresponde ao valor da “dureza Brinell”. A dureza Brínell, representada por H, corresponde ao quociento d; carga aplicada pela área da impressão obtida e é expressa por E 2 H DO VIAS 5 (etlimm”) A impressão será tanto maior quanto mais mole o material, ou seja, quanto mais facilmente aceitar a penetração. O cálculo da dureza é simplificado pelo uso de tabelas, as quais dão diretamente a dureza em função da carga aplicada e dos diâmetros da esfera e da impressão obtida. O valor do diâmetro da impressão é geralmente ado- tado como a média dos valores de dois diâmentros perpendiculares entre si. A expressão acima faz supor que qualquer carga e qualquer diâmetro de esfera possam produzir, num mesmo material, valores idênticos de dureza, Isso, contudo, não ocorre ha prática, pois a esfera penetradora pode sofrer Higeira deformação durante a aplicação da carga e a calota esférica obtida pode não ser rigorosamente esférica. Esses fatos foram profundamente analisados por MEYER(54), o qual, após diversas experiências, mostrou que: — variando os diâmetros da esfera, mas com mesmas cargas, os números de dureza obtidos eram idênticos, desde que a relação P/D? fosse constante; — utilizando a mesma esfera, os números obtidos de dureza sofriam a mínima variação, quando as cargas produziam impressões de diâme- tros d cômpreendidos entre 0,3 D e 0,6 D, onde D é o diâmetro da esfera. Portanto, no ensaio de dureza Brinell, deve-se escolher cargas P e diã- metro D de esferas tais que se verifiquem as seguinte relações: P/D? = constante 03D <d <06D Resultaram, assim, os valores indicados na Tabela 17, onde também se mostram alguns dos metais e ligas ensaiados. NET ss e tecnologia Moainica Procede-se, então, à leitura da dureza no mostrador onde o ponteiro parou, As máquinas modernas são dotadas de dispositivo digital que facilita grandemente a determinação da dureza. 2.3 Rockwell superficial Para determinar a dureza de peças muito finas e para melhor caracterizar a dureza de peças com camada superficial dura e de =: pequena espessura (cementadas, nitretadas etc.), emprega-se o método de , dureza Rockwell dito “superficial”. ” A A máquina utilizada opera nos mesmos princípios da Rockwell comum, ou seja, aplica-se uma carga inicial, no caso de penas 3 kgf e, em seguida, a carga real. Nesse método de dureza superficial, as duas principais escaias são: — N, com penetrador de diamante Brale e cargas de 15, 30 ou 45 kgf, originando as escalas 15N, 30N e 45N; — T, com penetrador esférico de 1/16” de diâmetro e cargas de 15, 30 ou 45 kgf, originando as escalas 1ST, 30T e 45T. 24 Ensaio de dureza Vickers Este processo é empregado amplamente em trabalhos de pesquisas porque fornece uma escala contínua de dureza para uma determinada carga, podendo determinar a dureza desde materiais muito moles com dureza Vickers correspondente a 5 até materiais extrema- mente duros (Vickers equivalente a 1500). O penetrador consiste numa ponte de diamante com forma de pirâmide de base quadrada e ângulo ao vértice de 136º. As cargas variam de 10 à 120 kgf. A dureza Vickers é dada pelo quociente da carga com a área da impressão. Durga 145 Do mesino modo que no método Brinoll, a diagonal L du improsmo é modida com o auxílio de uma pequena luneta, devendo-se tomar pura La média de duas diagonais perpendiculares, com uma aproximação de 0,01 mam. Há tabelas apropriadas nas quais, a partir dos valores de P e L obtém-su diretamente a dureza em números Vickers. O gráfico da Figura 92 apresenta uma relação aproximada entre númcros de dureza Rockwell e Vickers(59). 100 escala B escala À so | escala € ; SE é 3 é ot E 3 o 20 H AN L l l j o 200 400 600 80 1900 1200 Dureza Vickers Figura92 Relação aproximada entre valores de dureza Rockwell e Vickers. Cama no ensaio de Anrasa Rrinall a imnracão MioLare não norfaita tdo Tecnologia Mecânica 2.5 Dureza escleroscópia É um método dinâmico para determinação de dureza, utilizando-se o aparelho conhecido como “escleroscópio Shore", desenvolvido em 1906 por SHORE(9), A dureza é determinada pela altura do rebote de um pequeno martelo com ponta de diamante, colocado no interior de um tubo de vidro graduado com cerca de 3/4” de comprimento e 1/4” de diâmetro e peso equivalente a 1/12 onças. Esse martelo é deixado cair livremente sobre a superfície da peça cuja dureza se deseja medir. A altura do rebote é medida na escala graduada do tubo de vidro, dividida em 100 partes. Este número 100 representa o número de dureza de aço de alto carbono temperado. É um ensaio de certo valor para controle de produção em peças acabadas, sobretudo endurecidas superficialmente. Não deixa marcas apreciáveis. 2.6 Ensaios de microdureza As limitações dos métodos de dureza expostos, principalmente no que se refere à precisão dos resultados em função da espessura das peças a ensaiar e à necessidade de medir a dureza de pequenas peças de precisão, de verificar a dureza de pequenas áreas e determinar a dureza dos microconstituintes das ligas, assim como de cristais simples, levaram au desenvolvimento de ensaios de “microdureza”. POSIÇÃO DE OPERAÇÃO N Figura 94 Peneirador e impressão obtida pelo método Knoop de microdureza. Duresa 147 Os aparelhos utilizados emprogam dels princípios: o do risco e o da ponotração. Este último é o preferido pelos metalurgistas, principalmente porque, no primeiro, há dificuldade de medir-se com precisão a largura do microcorto originado pelo risco. O tipo de aparelho de microdureza mais utilizado é o que emprega à “penetrador Knoop”, introduzido em 1939 pelo “American National Bureau of Standards” (61). A carga varia desde poucas gramas até 1 kgf e é aplicada durante 15 segundos. O penetrador e a impressão resultante estão representados na Figura 94, A impressão apresenta uma medida em comprimento L cerca de 7 vezes maior que a largura b e cerca de 30 vezes a profundidade d. O comprimento da impressão é medido em milímetros e o número de dureza é calculado dividindo-se a carga pela área A projetada da impressão. Assim, se = dureza Knoop comprimento da impressão em mm P = cargaem kgf = = 10P HR PA = Tm visto que — 12 + 7,028 A="0 As vantagens desse processo são aparentemente as seguintest61): — a recuperação elástica fica confinada quase que inteiramente na largura b da impressão; — devido ao longo comprimento de L, sua medida é mais precisa para determinadas condições de carga, o que permite medir com maior precisão a área projetada.  J48 Tecnologia Macdnica Dureza tao A “Wilson Mechanical Instrument Co” desenvolveu um tipo de aparelho de microdureza, chamado “Tukon”, o qual utiliza o penetrador Knoop e onde podem ser aplicadas cargas de 25 gramas a 3,6 kg. O aparelho é inteira- mente automático e funciona sob controle elétrico num ciclo síricrono. O operador escolhe a área para ensaio sob microscópio, coloca o penetrador sobre a área, produz a impiessão e novamente com o microscópio lê a diagonal longa da impressão, a partir da qual o número de dureza Knoop é calculado. MPa 343 686 1029 1373 1716 2069 O dispositivo Tukon-Knoop aplica-se não só na determinação da micro- dureza dos constituintes das ligas metálicas e de cristais simples, como também de pequenos fios, peças diminutas de relógios etc. ROCKWELL E —— gm ROCKWELLC —— 3 Relações de conversão de dureza Existem tabelas de conversão das várias escalas de dureza, O que é muito prático, porque fregientemente uma determinada dureza — Brinell, por exemplo — deve ser conhecida, quando apenas se determinou a dureza em outra escala — Rockwell, por exemplo. a 8 B s 50 100 Não se pode, contudo, confiar demasiadamente nos valores de dureza obtidos por conversão de escalas, pois há diversos fatores que impedem precisão nos resultados, tais como cargas e penetradores diferentes, impres- sões de formas diversas, comportamento do material ensaiado sob a ação da carga (condições do encruamento resultante) etc. 4o 80 30 60 300 30 De qualquer modo e considerando que o ensaio de dureza não deter- mina uma propriedade bem definida, as tabelas de conversão, embora consistam de relações empíricas, são de grande utilidade prática. 4 Relações entre dureza e resistência à tração Existe uma relação, muito útil também sob o ponto de vista prático, entre a dureza Brinell e a resis- tência à tração. Essa relação, contudo, determinada empiricamente, é válida somente para aços-carbono e açosJiga de médio teor em liga. 100 10 Vs Essa relação é a seguinte: o = 0,36H o 35 70 105 140 175 210 LIMITE DE RESISTÊNCIA À TRAÇÃO, kgt/mm? onde & = limite de resistência à tração H = dureza Brinell l Figura 95 Relações aproximadas entre a resistência à tração e diversas durezas para . . . , aço estruturais A Figura 95 apresenta uma relação aproximada entre números de dureza e limites de resistência à tração para aços estruturaist63). + 434 Trenolonta Mecúnica Este último estágio, dependendo da carga e da temperatura, nem sempre so faz presente. . Inicialmente, no estágio primário, a velocidade de fluência é rápida, até ptingir o estágio secundário, quando decresce (donde a expressão “fluência lógarítmica"), para novamente, dependendo das circunstâncias, aumentar a uma velocidade cada vez maior, até que ocorra a fratura ou até que o material comece a estrangular-se até a ruptura. A fratura típica da fluência é “intercristalina” e não mais intracristalina, ou seja, no interior dos grãos. - A temperatura aumenta a velocidade de fluência, porque O escorrega- mento toma-se progressivamente mais fácil (como já foi mencionado): a mobilidade dos átomos aumenta rapidamente, as discordâncias adquirem igualmente maior mobilidade e novos mecanismos de deformação intervêm. De fato, a temperaturas baixas, o movimento das discordâncias é inter- rompido pelos contornos dos grãos ou por átomos impuros, de modo que a deformação é menor. A maior mobilidade dos átomos, a temperaturas mais elevadas, permite que as discordâncias se interponham umas com as outras, desloquem umas às outras ou se destruam. Essa movimentação das discordâncias é facilitada à medida que os átomos e as lacunas se movimentam das discordâncias ou em direção a elas, permi- tindo assim um escorregamento ou fluência crescente(66), Dessa mando a iníria da fratura cnh flnôncia acarra na contorna do Piuência 155 FENSÃO DE INAÇÃO A Figura 97 Origem de uma fissum num canto de grão por deslizamento do contorno de grão. Para aços de baixo carbono, essa temperatura é da ordem de 450º, sendo maior para certos aços-iga!68), Numa liga de composição 77Cu, 22Zn e 18n é de 250º e numa outra liga de composição S9Cu, 40Zn e 1Sn é de 175ºC166), Abaixo da temperatura equicoesiva pode ocorrer um endurecimento causado pela deformação (encruamento). Na hipótese desse encruamento tornar-se predominante, o segundo estágio da fluência torna-se uma linha horizontal.  150 Fecnologia Mantnica 0,015 tensão 7? kegifmm” Skgt/mm? o,0010 Lo 5tatimm? N “8,005 [à tgtimmê o a 10 15 tempo, meses Figura 98 Curvas de fluência para um aço-carbono. Como se vê, o estudo da fluência permite a obtenção de muitos dados, todos eles de grande utilidade para o engenheiro. No que se refere, por exem- plo, à carga ou tensão, pode-se determinar (65!, — tensão necessária para produzir uma deformação total determinada, num dado tempo: — tensão necessária para produzir uma velocidade-limite de fluência, num dado tempo; — tensão necessária para produzir ruptura num dado tempo. Os tempos podem ser: 1.000 horas (condições para um motor de foguete, por exemplo), 10.000 horas (condições para um motor a jato, por exemplo), 100.000 horas (condições para uma usina geradora de eletricidade, por exemplo). 2 Ensaios de fluência Tendo em vista as variáveis envolvidas no processo, o comportamento das ligas metálicas quando sujeitas "à fluência pode ser encarado sob dois aspectos: resistência à fluência e resistência à ruptura sob fluência (69): Hiuência 17 2.1 Resistência à fluência Representa à tonsio a uma duda temperatura que produz uma velocidade mínima de deformação de determinado valor, Nos Estados Unidos, os parâmetros que são utilizados são: tensão para produ- zir umavelocidade de fluência de 0,0001% por hora ou 1% em 10.000 horas; tensão para produzir uma velocidade de fluência de 0,00001% por hora ou 1% em 100.000 horas (cerca de 11,5 anos). O primeiro é mais comum para ligas de motores a jato; o segundo para turbinas a vapor ou equipamento semelhante. O ensaio de resistência à fluência fornece dados que são lançados num gráfico log-log relacionando tensão e velocidade mínima de fluência. Obtém-se linhas retas. Este ensaio é geralmente realizado sob tensões baixas para evitar o estágio terciário e raramente o tempo de ensaio chega a 10.000 horas (cerca de 1,1 ano). 2.2 Resistência à ruptura por fluência Corresponde à tensão que, à uma certa temperatura, é necessária para produzir um tempo para ruptura, geralmente 100, 1.000 ou 10.000 horas. O ensaio correspondente é semelhante ao de resistência à fluência, somente que ele é levado até a ruptura do material. Nele empregam-se cargas maiores, resultando maiores velocidades de fluência. Este ensaio geralmente não supera um tempo de 1.000 horas (cerca de 42 dias). O dado básico que se obtém neste ensaio é “tempo necessário para causar a ruptura, sob a ação de uma determinada tensão, a uma temperatura constante”, Este ensaio de resistência à ruptura por fluência é realizado quando se deseja avaliar o comportamento de um material para emprego em condições de vida relativamente curta, como por exemplo, uma lâmina de turbina de um motor de avião a jato, porque, nessas condições de vida relativamente curta, o importante é saber se o material falhará ou não, de preferência à quantidade de deformação que ele sofrerá! 70), Portanto, as informações que curvas de resistência à ruptura por fluência podem fomecer são mais úteis que as curvas comuns de fluência, para o projeto de determinados componentes mecânicos. 2.3 Dispositivos para ensaio de fluência O ensaio de fluência exige três principais dispositivos: — forno elétrico com controle adequado da temperatura; — extensômetro; — dispositivo de carga. 194 Tecnologia Macdnica A Figura 99168) representa esquematicamente o conjunto, sendo que o extonsômetro, que não aparece na figura, é adaptado na parte inferior do corpo de prova. Figura 99 Aparelho para enscio de fluência Estes são de secção circular e diâmetros variáveis de 2,5 a 15 mm. O comprimento de medida deve corresponder a 4 diâmetros. As superfícies devem ser muito bem acabadas: macias e isentas de riscos e marcas de ferramentas. O coxpo de prova é colocado no interior de um tubo de sílica fundida ou alumina artificial, envolto por um enrolamento de fio de NiCr. Recomenda-se que a máxima variação de temperatura não ultrapasse mais ou menos 2ºC, para uma média de temperatura de ensaio de 1000ºC e mais ou menos 3º para temperaturas mais elevadas. Um par termoelétrico está em contato direto com o corpo de prova. A carga é geralmente aplicada por um sistema de pesos como a Figura 99 mostra. Piuêneia 130 Para traçar as curvas de fluência, a carga e à temperatura são mantitua constantes. O corpo de prova é inicialmente aquecido à temperatura escolhida. Depois que esta permanecer constante, determina-se o comprimento do medida e a carga selecionada é aplicada rapidamente, porém sem choque. Resulta uma imediata deformação a qual é principalmente elástica. A seguir, em intervalos predeterminados, diários ou semanais, os valores de fluência são determinados. Deve-se realizar pelo menos 30 observações de temperatura, adotando-se a média como a temperatura do ensaio. Como na prática o tempo de serviço das peças sujeitas a temperaturas acima da ambiente pode se estender por vários anos, torna-se problemático realizar ensaios que cubram períodos de tempo tão longos. Assim, ainda que os ensaios ultrapassem centenas de horas, eles são de duração relativa- mente curta quando comparados à vida real das peças. Desse modo e para ter-se uma idéia melhor das propriedades de fluência, é fregiientemente necessário extrapolar os dados obtidos nos ensaios de duração relativamente curta. Nesse caso, a fluência é calculada traçando-se uma tangente à extremidade da curva de fluência, em algum ponto do estágio Il, como está indicado na Figura 96 (página 153). Assim, para um determinado tempo * (supostamente não coberto pelo ensaio), a deformação plástica ou fluência total Ep é determinada pela equação Ep = twt onde Eb = fluência elementar = AB vo = velocidade de fluência no estágio II H t = tempo considerado A Figura 10088) mostra uma tentativa de derivarse ou extrapolar-se dados típicos de fluência. A parte (a) da figura mostra curvas de fluência em função de dados experimentais, para a temperatura de 425ºC. O tempo de 2.000 horas equivale a pouco menos de um quarto de ano. As curvas de fluência extra- poladas para várias tensões, para um período de tempo mais longo (até 10 anos), estão indicadas na parte (b) da figura. Não é recomendável estender as extrapolações além de um alongamento de aproximadamente 1%; desse modo evita-se que as curvas se estendam demasiadamente em direção à terceira fase da fluência. Faz-se, então, a partir de relações obtidas diretamente da figura (b) um terceiro gráfico (c) em que  tom Tecnologia Mecânica Para a mesma liga 16-25-6, a figura 105 reluciona a deformação ao tempo “ À tensão, à temperatura de 705ºC. Cada uma dessas curvas indica a tensão é o tempo necessários para produzir uma certa deformação. velocidade de fluência, %/1000 h 19, 10 o3o 21,00] sm 10% Rs rs NÉ rm iugof Mto . TO E E 1.005) E [mm SO Dei 4 > Tt TOS 1,5% “too 5 70 4 1,20% [mn Ler TT] as o 199 Toog 19000 100 000 tempo, h Figura 105 Curvas “deformação-tempo” a 705ºC para à liga 16 Cr.25 Ni-6 Mo, A Figura 1067! representa a relação tensão-temperatura para três tipos de aço, na base de uma deformação por fluência de 1% em 100.000 horas. 15 12,5 N 3 a Tensão, kgiimmê = à x So ” a Pe 9 500 550 60 650 700 750 80 Temperatura, *C Figura 106 Relação “tensão-temperatura”, para três tipos de aço baseada muma defor- mação por fluência de 1% em 100.000 horas. Fluência mm 4 Recuperação e relaxação A expressão “recuperação” é, como já se viu, gorulmente empregada para exprimir a restauração das propriedades Físicas de metais encruados, sem que haja visível mudança da microestrutura. No fenômeno da fluência, a expressão significa uma certa recuperação da deformação, quando se descarrega um corpo de prova submetido a uma tensão de fluência. A recuperação, na fluência, está representada na Figura 107168), fluência sob carga amostra descarregada recuperação elástica recuperação plástica deformação elástica mudança de comprimento deformação plástica permanente tempo Figura 107 Recuperação da deformação, após descarregamento. Nota-se que uma deformação plástica relativamente apreciável perma- nece. A quantidade de deformação permanente depende do tempo de carga, da temperatura e do valor da tensão. A “relaxação” corresponde a uma queda gradual da tensão originaria- mente produzida pela deformação, após ter sido aplicada uma quantidade de deformação no material sujeito à fluência. A Figura 108165) ilustra o fenômeno para aço de médio carbono, às temperaturas de 300º e 500ºC. De certo modo, é importante conhecer como o fenômeno prossegue com o tempo. O exemplo seguinte ilustra melhor a matéria!65). Um parafuso pode tornar-se frouxo com o tempo a uma certa tempe- ratura;dde modo que é conveniente determinar-se quando ele se torna peri- gosamente frouxo, ou a frequência com a qual ele deve ser reapertado ou, finalmente, como deve ser apertado inicialmente para evitar o risco de afrouxamento.  166 Tecnologia Menânica UIT e a 440 400 , 1 te] 1% TEMPO, DIAS Pigura 108 Curvas de relaxação para aço médio carbono. Curvas cheias para 300ºC: curvas irajetadas para 500º€, 5 Conclusões Os dados apresentados mostram claramente a importância do fenômeno de fluência. Nos últimos anos, muitas ligas metálicas especiais têm sido desenvolvidas para suportar as condições de serviço que caracterizam a fluência, em com- ponentes de aviões a jato, turbinas a gás, mísseis, foguetes e reatores nucleares, O estudo da fluência tem sido baseado principalmente em tensões de tração, Contudo outros tipos de tensões devem ser considerados como com- pressão, dobramento, torção, além da presença de esforços combinados, como os que ocorrem em tubulações sujeitas a tensões de tração axial e pressões internas, ou a pressões internas e dobramento ou a pressões internas e torção e assim em seguida. A matéria é inesgotável. A interpretação dos dados deve ser feita com muito critério, porque os ensaios são de longa duração exigindo muitas vezes a sua extrapolação, pelo emprego de tensões ou temperaturas mais elevadas, o que dificulta mais ainda uma avaliação absolutamente correta das informações obtidas. De qualquer modo, a determinação das propriedades de fluência é essencial para uma mais adequada seleção das ligas a serem empregadas a temperaturas acima da ambiente. CAPÍTULO XI RESISTÊNCIA AO CHOQUE 1 Introdução O “choque” ou “impacto” representa um esforço de natureza dinâmica, ou seja, a carga é aplicada repentina e bruscamente. Esse tipo de esforço é muito frequente em máquinas e peças de máqui- nas e pode, eventualmente, aparecer em outros tipos de estruturas. O comportamento dos materiais sob a ação de cargas dinâmicas difere, normalmente, do seu comportamento quando sujeitos a cargas está- ticas, de modo que é muito importante para o engenheiro o estudo e a deter- minação dos efeitos do choque. O choque, mediante a aplicação repentina de um golpe sobre um corpo, envolve a produção e a transferência de energia, ou seja, realiza-se trabalho nas partes que recebem o golpe. No mecanismo do choque, portanto, devem ser considerados não somente as tensões produzidas como, igualmente, o problema de transferência, absorção e dissipação de energia. Essa energia pode ser absorvida por deformação plástica das partes que recebem o golpe, ou por efeito de histerese nas partes, ou por efeitos de atrito entre as partes ou, finalmente, por efeitos de inércia das partes em movimento. Normalmente, nas aplicações em que peças, máquinas e estruturas estão sujeitas a esforços de choque, procura-se criar condições para absorção da 167  tom Tecnologia Mecinioa Nestntância do choque tau Uinalmente, além do efeito du velocidade, a forma da peça pode infhuh consideravelmente na resistência ao choque dos materiais. energia tanto quanto possível por melo de ação elástica e utilizar um meio qualquer para amortecer e dissipar essa energia. Nessas ainlinanões a “rosiliôncia” am esia a canaridada da ahenrvor É mar isen ano om harras aimnles de materiais dúcteis. é necessário usar 474 Tecnologia Mectnioa TABELA 21 EFEITO DO RAIO DA RAIZ DE UM ENTALHE EM V DE 45º NA ENERGIA DE RUPTURA DE UM AÇO COM 0,65% DE CARBONO Raio da raiz do entalhe Valores de resistência ao choque tprof. 2 mm) mm 3 kgfm agudo 54 055 0,37 95 0,95 0,34 11.3 114 0,68 186 1,89 faixa de temperatura de transição falhas dácteis. e ——— Energia para ruptura falhas mistos | E falhas. frógeis Temperatura SC Figura 113 Natureza do variação, com a remperatura, da energia para ruptura nos en- saios de choque de metais. Entre essas temperaturas, situa-se o que se convencionou chamar “faixa de temperatura de transição”, onde o caráter da fratura pode ser misto. A Figura 114473) mostra, para aços, como essa faixa de temperatura de transição pode variar, em função do teor de carbono, RENAN Remistência ao choque aso E a - A g 300 IT 6 = 5 3 0,01%€] - E zo 5 Ê | = 200 5 | 0,22% C o 5 so 2 E B31%C w o 0,43% C £ 0,55] .& g e ú | . : LA 150 “100 -50 o so 100 150 TEMPERATURA OC —— Figura LI4 Variação da temperatura para a energia de impacto Charpy entalhado em Junção do teor de carbono. Como se vê, nos aços-carbono comuns, a temperatura de transição pode ser perfeitamente definida para os baixos teores de carbono. À medida que este aumenta, toma-se mais difícil essa definição, de modo que a determi- nação da temperatura de transição fica mais ou menos arbitrária. Por isso, pode-se tomar como temperatura de transição a correspondente à média de energia de impacto. Outro dado que se extrai das curvas é que o aumento do teor de carbono resulta em diminuição da máxima energia de choque. É evidente também que acima da temperatura de transição, a resistência ao choque tende a cair, embora lentamente, até que temperaturas relativa- mente elevadas de aproximadamente 600ºC sejam atingidas, porque, nessas condições, começa a intervir o fenômeno de fluência. Num ensaio padronizado com entalhe “em V”, a faixa crítica de tem- peratura ocorre aparentemente entre a temperatura de congelamento e a temperatura ambiente. Para alguns metais, contudo, essa faixa pode esten- der-se a temperaturas bem inferiores à do congelamento. A temperatura de transição varia em função de diversos fatores, por exemplo: tamanho de grão grosseiro, encruamento e impurezas de natureza frágil que tendem a elevar a temperatura de transição; tamanho de grão fino  176 Tecnologia Muntnica e tratamentos térmicos que tendem a refinar a estrutura e tomar o metal mais dúctil; a adição de certos elementos de liga tende a melhorar a tena- cidade por choque, mesmo a temperaturas muito baixas. A Figura 115473! mostra, mediante dados experimentais determinados por H. J. FRENCH, a variação da temperatura de energia de impacto CHARPY entalhado ou, em outras palavras, as temperaturas de transição, para aços-liga com 0,40% de carbono, temperados e todos revenidos de modo a produzir a mesma dureza Rockwell equivalente a 35 RC. 120 - 12 g 100 ue Do £ 4140 paso | ã [- z Bo 8 us 1340 > & c ago E 5 co 8 E e % e Ê g É E wu 40 4 g < PA E po z 2 2 & Lo o o -200 150 100 -50 o 50 100 150 TEMPERATURA, OC —— Figura 115 Variação da remperatura de energia de impacto Charpy entalhado para aços-liga com 0,40% temperados e revenidos, Cada aço foi revenido de mo- do a produzir a mesma dureza RC 35. Esses dados confirmam que a temperatura de transição depende não somente da composição como também da estrutura. 4 Conclusões Os ensaios de choque nos metais apresentam certas limi- tações, como já se mencionou, principalmente se realizados em máquinas diferentes, porque podem ocorrer variações nas quantidades de energia transformadas em vibrações de componentes das próprias máquinas. Isso porque as velocidades de golpe das massas em movimento para produzir O choque são diferentes e, principalmente, porque os corpos de prova são diferentes. Resistência 00 choque “ Os fatores que tendem a causar num metal dúctil o aparecimento de “fratura frágil” são!72): — um estado de tensão que mantém as tensões de cisalhamento cm valores baixos em relação a tensões de tração; — uma localização da deformação, devido à presença de descontinuidu- des ou entalhes; — uma aplicação muito rápida da tensão (ou alta velocidade de deformação); — temperaturas mais baixas; — certos tipos de estruturas e composições. eo Es CAPÍTULO KIL--— . aa . " FADIGA 1 Introdução Em peças e conjuntos de máquinas que estão sujeitos a variações das cargas aplicadas, ocorre comumente o aparecimento de flutuações nas tensões originadas. Tais tensões podem adquirir um tal valor que, ainda que inferior à resistência estática do material, pode levar à sua ruptura, desde que a aplicação das tensões seja repetida inúmeras vezes. A falha provocada desse modo é denominada “falha por fadiga”. Essas falhas se iniciam em determinados pontos que poderiam ser chamados “origens de tensões”, tais como falhas superficiais ou internas do material ou mudanças bruscas de configuração geométrica. Alguns outros fatos e teorias sobre as causas da fadiga serão expostos mais adiante. A “fadiga” é, pois, um fenômeno que ocorre quando um membro sob tensão de uma máguina ou estrutura começa a falhar sob a ação de uma tensão mito menor que a equivalente à sua resistência estática, sc a tensão é de natureza cíclica ou alternada, Como se sabe, a estrutura metálica é constituída de um conjunto de cristais com orientações a esmo. Numa peça sob tensão, alguns cristais podem atingir e ultrapassar seu limite elástico antes que outros, devido à orientação que permita o escorregamento de planos cristalográficos. Essa situação é agravada pela aplicação de esforços cíclicos ou repetidos. 178 Padigo mw Do mesmo modo, nas mesnns condiçãos de existência de tensões cíclicas, a falha pode ser devida ao fato du distribuição de tensões de um crlktal à outro não ser uniforme. Essas anomalias, mais a existência dos pontos “origem de tensões” q outros fatores, desde que aliados à existência de esforços alternados é ropu- tidos, podem conduzir à formação de pequenas fissuras, as quais, com au sucessivas repetições das tensões, se desenvolvem com o tempo, u purtlr dos núcleos onde surgiram, atingindo toda a secção. As falhas por fadiga são, por essa razão, frequentemente chamadus “fraturas progressivas” (75). Outro fator que provoca o aparecimento de tensões altamente localizadas corresponde à mudança brusca de secções, como se verá mais adiante. Riscos superficiais, secções de roscas, pequenas inclusões, diminutas bolhas de gás e peculiaridades semelhantes ou outros tipos de defeitos induzem igualmente ao aparecimento de tensões altamente localizadas. + O estudo do fenômeno da fadiga é muito importante na indústria mecânica em geral, porque se admite que cerca de 90% das rupturas das peças em serviço ocorre por fadiga. Pode-se dizer que a falha por fadiga é traiçoeira, porque ela ocorre sem qualquer aviso prévio. A fratura resultante é do tipo frágil e não apresenta deformação perceptível. A olho nu, a superfície da fratura, que é geralmente normal à direção da principal tensão de tração, apresenta uma região macia, devida à ação de atrito à medida que a fissura se propaga através de toda a secção, e uma região áspera correspondente à parte da peça que falhou de modo dúctil, quando a sua secção não apresenta mais suficiente resistência para suportar a carga. Figura 116 Aspecto esquemárico de uma Jratura por fadiga, iniciada num canto vivo de um rasgo de chavera de um eixo.