ETM 201 Notas de aula

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1 1 ETM 201 Notas de aula Materiais de Construção Mecânica

2 2 Caros alunos, O presente curso tem como objetivo apresentar os fundamentos básicos de ciência dos materiais e de engenharia metalúrgica aos alunos de engenharia mecânica e engenharia de produção mecânica. Os cursos de ciência dos materiais da Escola de Engenharia Mauá são divididos em dois módulos: 1. materiais metálicos e 2. materiais poliméricos e cerâmicos As presentes notas de aula abordam os temas relacionados aos materiais metálicos comumente empregados na engenharia mecânica. É relevante destacar que o objetivo destas notas de aula é o de orientar o aluno no acompanhamento do livro texto e das referências complementares do curso. A seqüência dos temas propostos pode variar de disciplina para disciplina, assim, recomenda-se ao aluno acompanhar o plano de curso de sua disciplina Cada tema está, na medida do possível, referenciado, indicando ao aluno um livro texto ou um artigo no qual o assunto é abordado com maior profundidade. Adicionalmente, foram propostas listas com exercícios sobre cada tópico. Sempre buscando o contínuo aperfeiçoamento do curso e do material didático, agradeço as sugestões e as correções que possam surgir durante nossas aulas. Prof. Marcelo Ferreira Moreira Escola de Engenharia Mauá Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo IPT REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS PARA O CURSO LIVRO TEXTO: Callister, W. D. MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING An Introduction John Wiley & Sons INC REFERÊNCIAS COMPLEMENTARES: Shackelford, J. F. INTRODUCTION TO MATERIALS SCIENCE FOR ENGINEERS Prentice Hall 1992 Padilha, A. F. MATERIAIS DE ENGENHARIA Microestrutura e Propriedades Ed. HEMUS 1997 Higgins, R. A. PROPRIEDADES E ESTRUTURAS DOS MATERIAIS EM ENGENHARIA Difel 1977 Dieter, G. E. METALURGIA MECÂNICA 2 a edição Editora Guanabara Dois 1976 Campos Filho, M. P. A ESTRUTURA DOS MATERIAIS 2 a edição Editora da UNICAMP 1991

3 3 Souza, S.A. ENSAIOS MECÂNICOS DE MATERIAIS METÁLICOS Editora Edgard Blücher Ltda 1982 Chiaverini,V. TECNOLOGIA MECÂNICA V.1 Processos de fabricação 1 a edição McGraw Hill 1977 Metals Handbook Volume 2 PROPERTIES AND SELECTION: NONFERROUS ALLOYS AND SPECIAL PROPOSE ALLOYS 8th edition A.S.M Theining, K. E. STEEL AND ITS HEAT TREATEMENT 2 nd edition Butterworths 1975 Souza Santos, A B; Castello Branco, Carlos Haydt METALURGIA DOS FERROS FUNDIDOS CINZENTOS E NODULARES IPT São Paulo 1989 Cetlin, P.R. ; Silva P. S. P. da ANÁLISE DE FRATURAS A B M 1985 Metals Handbook Volume 15 CASTING 9th edition A.S.M Zepbour Panossian Manual: CORROSÃO E PROTEÇÃO CONTRA CORROSÃO EM EQUIPAMENTOS E ESTRUTURAS METÁLICAS Volumes I e II - IPT 1993 Metals Handbook Volume 9 METALOGRAPHY AND MICROSTRUCTURES 9th edition A.S.M ASM Specialty Handbook Aluminum and aluminum alloys ASM International 1993 INTRODUÇÃO IMPORTÂNCIA E APLICAÇÕES DOS MATERIAIS NA ENGENHARIA: Os materiais estão profundamente embutidos em nossa civilização. Alimentação, habitação, transportes, vestuário, comunicações, recreação, saúde e segurança, ou seja, todos os segmentos de nossa vida cotidiana são dependentes dos materiais. O desenvolvimento e avanços da nossa civilização sempre foram avaliados pela capacidade de seus membros de produzirem e manipularem os diversos materiais da natureza. De fato, as civilizações antigas são designadas pelo tipo de material que estas dominavam: Idade da pedra (~7000 AC) Idade do cobre Idade do bronze (~3500 AC) Idade do ferro (~1200 AC) Os homens primitivos tinham acesso apenas aos materiais da natureza como pedras, madeira, ossos e peles. Com o passar do tempo foram inventadas técnicas de processamento de outros materiais, obtendo-se propriedades muito superiores à dos materiais disponíveis na natureza. Somente na idade do ferro, descobriu-se que as propriedades do aço poderiam ser alteradas por meio de tratamentos térmicos e adição de outras substâncias. Neste ponto, o emprego dos materiais já passava por um processo de seleção, no qual, não mais se empregavam um pequeno grupo de materiais, mas sim, de materiais com características mais adequadas para uma dada aplicação. Um exemplo disto são as técnicas de fabricação de espadas.

4 4 Somente com a 2ª Guerra Mundial, os cientistas passaram compreender as relações entre a estrutura microscópica e as propriedades mecânicas para uma dada composição química. A partir daí, e ainda com o advento do microscópio eletrônico em 1960, foram criados dezenas de milhares de materiais com características "projetadas" para satisfazer a necessidade da sociedade. Surge neste período a Engenharia de Materiais. Macro e microestrutura Composição química Propriedades físicas e mecânicas O exemplo clássico desta época foi o inserto de metal duro ou WI-DIA (partículas de WC, extremamente duras, sob uma matriz de cobalto tenaz). Outros exemplos incluem 1 : cerâmicas avançadas (alumina translúcida para lâmpadas de vapor de Na); materiais biocompatíveis (implantes ortopédicos e odontológicos); superligas a base de Ni (palhetas de turbinas a gás); polímeros de alta resistência (Kevlar); materiais compósitos (compósitos á base de fibras de vidro e fibras de carbono); imãs de alto poder magnético (Nd-Fe-B); ligas com memória de forma (nitinol) e isolantes térmicos cerâmicos à base de fibras de SiO 2 (Revestimento do ônibus espacial americano). Cada vez mais o desenvolvimento sustentável dos países em desenvolvimento dependem do domínio de novos materiais e de novas técnicas de fabricação de materiais. Alguns índices de desenvolvimento têm como base o consumo per capita de materiais tradicionais ou de materiais avançados. Por exemplo, o consumo per capita de alumínio no EUA é de aproximadamente 9 kg/ano enquanto que no Brasil é de apenas 2 kg/ano. A seguir, são apresentados alguns exemplos de materiais e componentes cujo desenvolvimento ocorreu por meio da engenharia de materiais. 1 Scientific American 1986 v. 255 n 4

5 5 Exemplo 1 ALUMINA TRANSLÚCIDA PARA LÂMPADAS DE VAPOR DE Na Lâmpada convencional (filamento de W): produz 15 lumen/w, apresenta microestrutura com granulação grosseira e heterogênea e porosidade > 3%. Lâmpada de vapor de Na: produz 100 lumen/w, apresenta microestrutura com granulação refinada e homogênea e porosidade < 0,3%. INSERTOS PARA USINAGEM Outra aplicação da alumina, decorrente dos estudos de ciência dos materiais, é o seu emprego na fabricação de insertos para usinagem de metais. A alumina (Al 2 O 3 ) apresenta dureza elevada (por volta de 2000 HK, 9 na escala de Mohs) e elevada resistência ao calor (temperatura de fusão é de 2050ºC). Entretanto, peças maciças de alumina são extremamente frágeis. Os insertos para usinagem apresentam uma microestrutura composta por partículas de alumina aglomeradas com um ligante capaz de compatibilizar a elevada dureza e resistência ao calor das partículas de alumina com elevada resistência ao impacto.

6 6 Exemplo 2 SUPERLIGAS Á BASE DE NÍQUEL (Palhetas de turbinas á gás) O termo superliga, do inglês "superalloy", decorre do emprego de uma liga empregada em implantes ortopédicos (Vitallium) ter sido empregada para a fabricação de palhetas dos primeiros motores a jato na década de 40 (Haynes 21). Naquela época o prefixo "super" era muito difundido pelas aventuras do herói fictício Superman. Assim, tal liga, empregada como material biocompatível e também como material resistente ao calor, foi chamada como uma superliga. Recentemente o termo superliga é empregado para materiais resistentes ao calor. As superligas à base de Ni apresentam elevada resistência mecânica, resistência ao calor e elevada resistência à corrosão. São empregadas na fabricação de componentes de turbinas á gás que operam em temperaturas entre 700 e 1300 C. Microestrutura típica de uma superliga à base de Ni monocristalina (CMSX 7)

7 7 Exemplo 3 LIGAS BIOCOMPATÍVEIS As ligas biocompatíveis são ligas à base de Ti, Fe, Ni ou Co empregadas em implantes ortopédicos e odontológicos. Sua principal característica é a ausência de reação com os fluidos corpóreos. Prótese para fêmur: fabricada em liga de Ti com esfera em cerâmica (alumina) e acetábulo em polietileno de alta densidade. As ligas á base de Fe foram as primeiras a serem utilizadas em implantes ortopédicos. Entre elas, destaca-se o emprego dos aços inoxidáveis austeníticos refinados à vácuo. Este refino tem como objetivo a redução de inclusões não metálicas presentes no processo de produção convencional. As ligas á base de Co apresentam propriedades biocompatíveis superiores ás ligas á base de Fe. Destaca-se o uso da liga ASTM F75, também conhecida como Vitallium e sua variante mais famosa a liga Haynes 21 (Co-25%Cr-5%Mo). Mais recentemente, grande parte das próteses ortopédicas é fabricada com ligas à base de Ti. Isto decorre do fato destas ligas apresentarem elevada resistência mecânica (em torno de 120 kgf/mm 2 ) e menor densidade. As ligas mais utilizadas são variantes da liga Ti-6%Al-4%V, refinadas sob vácuo.

8 8 Exemplo 4 SUPERÍMÃS Os superimãs de Nd-Fe-B são imãs permanentes capazes de desenvolver campos magnéticos de alta intensidade. São largamente empregados em projetos de miniaturização de motores elétricos. Exemplo 5 LIGAS COM MEMÓRIA DE FORMA As ligas com memória de forma são capazes de voltar a forma original, após terem sofrido uma deformação, mediante um aquecimento de apenas 30ºC. A liga mais conhecida por este efeito é a Nitinol (50% Ni e 50% Ti). Outra característica importante desta liga é a sua capacidade de amortecer vibrações mecânicas. Na década de 60, variantes da liga Nitinol foram empregadas no desenvolvimento de hélices de submarinos chamadas de "silent propellers".

9 9 Quando passamos a pensar nas características dos materiais de engenharia, a primeira questão que vem a tona é: As propriedades de um material seriam proporcionais à força das ligações entre seus átomos? A resposta para esta questão requer uma breve revisão sobre os conceitos de átomos e de ligações atômicas. MODELOS ATÔMICOS Modelo do átomo segundo Bohr Comparação entre os modelos de Bohr e modelo quântico

10 10 CONCEPÇÃO MODERNA DO ÁTOMO E SUAS SUB-PARTÍCULAS

11 Observação de átomos em microscópios de tunelamento (STM) 11 Em um STM, uma ponta extremamente fina varre uma superfície de alguns nanômetros ponto-a-ponto e linha por linha. Em cada ponto, uma corrente entre a ponta e a superfície é medida, esta corrente diminui exponencialmente com o aumento da distância. Por meio de um computador, a posição vertical da ponta pode ser ajustada para uma distância constante. Os ajustes realizados são arquivados e definem uma matriz de valores que pode ser apresentada com uma figura em tons de cinza. Os valores da matriz são empregados para deformá-la para uma figura com três dimensões. As figuras são coloridas de acordo com a altura ou a curvatura. Apresentam-se a seguir exemplos de superfícies de átomos observados por meio da microscópia de varredura (STM Scanning Tunneling Micrscopy): Átomos de níquel (Ni) Plano (110) do reticulado CFC Nota-se a regularidade do arranjo, típica dos materiais cristalinos. Don Eigler ( Defeitos pontuais no cobre (Cu) Plano (111) do reticulado CFC Nota-se a deformação circular provocada pela presença dos defeitos. Eigler (

12 12 Vista geral de planos no cobre (Cu) Planos (111) do reticulado CFC Nota-se a presença de defeitos pontuais. Eigler ( Átomo de xenônio (Xe) sobre a superfície de níquel (Ni) Plano (110) de Ni Eigler ( MANIPULAÇÃO DE ÁTOMOS NO MICROSCÓPIO DE TUNELAMENTO. (

13 13 As ligações químicas podem ser classificadas em ligações fortes e ligações fracas, sendo que a energia das ligações fortes é cerca de 100 vezes superior à das ligações fracas. LIGAÇÃO IÔNICA LIGAÇÕES FORTES Exemplo de ligação puramente iônica: NaCl O sódio (Na) transfere um elétron para o cloro (Cl) formando íons Na+ e Cl- com estruturas eletrônicas estáveis Atração eletrostática entre cátions e ânions A ligação NÃO apresenta direcionalidade, isto é, a energia de ligação é igual em todas as direção do cristal Relação entre os raios iônicos determina a forma do cristal As energias de ligação, entre 3 e 8 ev, são relativamente altas e assim estes materiais apresentam temperaturas de fusão elevadas. Materiais em que a ligação iônica é predominante: CERÂMICAS

14 LIGAÇÃO COVALENTE Introdução e ligações químicas 14 Átomos adjacentes compartilham orbital eletrônico de modo a apresentarem estruturas eletrônicas estáveis. Este compartilhamento é muito comum na maioria das moléculas orgânicas. (CH 4 ) São fortemente direcionais, em outras palavras, resulta em um determinado ângulo de ligação, como ilustra a formação de água da figura abaixo. Em uma ligação covalente ideal, os pares de elétrons são igualmente compartilhados. Na ligação da H 2 O, ocorre uma transferência de carga parcial fazendo com que o H fique levemente positivo e o O levemente negativo. Este compartilhamento desigual resulta em uma ligação polar. As ligações entre átomos diferentes têm sempre algum grau de polaridade. Ligações nas quais os dois lados da molécula são idênticos (H 2, N 2 ) são apolares. Alguns compostos cerâmicos como o BN e o SIC apresentam caráter covalente predominante. Outro material que tem ligação covalente predominante é o diamante.

15 LIGAÇÃO METÁLICA Introdução e ligações químicas 15 Os metais apresentam 1, 2, e no máximo, 3 elétrons de valência. Estes elétrons não estão ligados a nenhum átomo em particular. Conceito da nuvem eletrônica (Em um dado instante, a última camada está completa) As energias de ligação estão entre 0,7 e 8,8 ev/átomo A ligação NÃO apresenta direcionalidade e como conseqüência dos elétrons livres, os metais apresentam boa condutibilidade térmica e elétrica. A ligação metálica possui uma ampla faixa de energias de ligação que vão desde o mercúrio (Hg), com 68 kj/mol e ponto de fusão de -39 C, até o tungstênio (W)com 849 kj/mol e ponto de fusão de 3410 C.

16 LIGAÇÕES FRACAS (secundárias ou ligações de van der Waals) Introdução e ligações químicas 16 A denominação de ligação de van der Waals é utilizada como designação geral para todos os tipos de ligações secundárias (fracas). A principal causa para a ocorrência de ligações fracas é a polarização da molécula. Os dipolos são classificados em permanentes (moléculas de H 2 O) ou induzidos (átomos de Ar). Os polímeros em geral, e os plásticos e borrachas em particular, têm sua estrutura formada por longas moléculas covalentes unidas entre si por meio de ligações dipolares fracas. Dipolos permanentes Dipolos induzidos

17 EXEMPLO DA FORMAÇÃO DE UM CRISTAL IÔNICO Introdução e ligações químicas 17 Forças de atração coulombiana (F A ): dependentes do tipo de ligação entre os dois átomos: 1 F A 2 a Forças de repulsão nuclear: Forças intensas resultantes da repulsão nuclear: b F R = n a onde: b é uma constante de proporcionalidade e n pode variar entre 9 e 10

18 EXEMPLO DA FORMAÇÃO DE UM CRISTAL IÔNICO Introdução e ligações químicas 18 Verifica-se pelas figuras anteriores que a energia de repulsão aumenta exponencialmente (a 9 ) quando tentamos aproximar dois átomos a uma distância inferior a a 0. Assim, nas ligações fortes (iônica, covalente e metálica) os átomos e moléculas podem ser representados por um modelo físico denominado MODELO DE ESFERAS RÍGIDAS

19 MATERIAIS DE ENGENHARIA E SUAS LIGAÇÃO QUÍMICAS 19 Os materiais de engenharia são classificados em quatro grupos principais: materiais metálicos; materiais poliméricos; materiais cerâmicos e materiais compósitos. Esta classificação é baseada na estrutura atômica e nas ligações químicas predominantes em cada grupo. Um quinto grupo que foi incorporado nesta classificação nas últimas décadas é o grupo dos materiais semicondutores. 1- Materiais metálicos: Os materiais metálicos são constituídos por um ou mais elementos metálicos combinados, formando uma liga. Eles apresentam um grande número de elétrons que não estão ligados a nenhum átomo em particular, formando uma nuvem eletrônica. Várias propriedades dos metais e ligas estão diretamente relacionadas a este tipo de ligação atômica. Os metais são excelentes condutores de eletricidade e de calor e não são transparentes á luz visível. A superfície dos metais, quando polida, tem a aparência de um espelho (na realidade, os espelhos possuem uma camada de alumínio metálico do outro lado do vidro que reflete a luz). Os materiais metálicos são muito usados em aplicações estruturais devido a sua elevada resistência mecânica e ductilidade (facilidade de conformação). 2- Materiais cerâmicos: Os materiais cerâmicos são compostos entre elementos metálicos e não-metálicos, principalmente o oxigênio, o nitrogênio e o carbono, formando os óxidos, os nitretos e os carbonetos, respectivamente. Existe um grande número de materiais que entram nesta classificação, entre eles estão a argila, o cimento e o vidro. Estes materiais são, normalmente, isolantes elétricos, apresentam baixa condutividade térmica e são mais resistentes ás altas temperaturas e a alguns ambientes agressivos que os metais e os polímeros. Quando as propriedades mecânicas, os materiais cerâmicos são duros, porém frágeis (não se deformam). 3- Materiais poliméricos: Os materiais poliméricos incluem as famílias dos plásticos e borrachas. A maiorias deles são compostos orgânicos e são quimicamente baseados em carbono, hidrogênio e outros elementos não-metálicos e, além disso, apresentam longas estruturas moleculares. Os polímeros são materiais tipicamente flexíveis (alta ductilidade) e de baixa densidade. 4- Materiais compósitos: Os materiais compósitos, em sua maioria, são formados por mais de um tipo de material. Apesar de ser uma frente recente de desenvolvimento de novos materiais, os compósitos são empregados pelo homem há muito tempo. Muitos materiais de origem natural: a madeira e os ossos são compósitos. Um exemplo típico de um compósito desenvolvido pelo homem é a fibra de vidro (Fiberglass) que consiste de fibras de vidro envolvidas por um material polimérico (uma resina epóxi tipo Araldite).

20 20 Os materiais compósitos são desenvolvidos para apresentar as melhores propriedades de cada um dos materiais que o compõem. A fibra de vidro adquire a resistência do vidro e a flexibilidade do polímero. Um grande números de novos materiais recentemente desenvolvidos são compósitos. 5- Materiais semicondutores: Os materiais semicondutores apresentam propriedades elétricas intermediárias entre os condutores e os isolantes elétricos. Além disso, as características elétricas destes materiais são extremamente sensíveis á presença de concentrações mínimas de impurezas atômicas, as quais são muito bem controladas. Os materiais semicondutores possibilitaram o desenvolvimento do transistor e dos circuitos integrados, que revolucionaram a indústria eletrônica nas últimas três décadas. Caráter da ligação atômica para as quatro classes de materiais de engenharia Classe de materiais Caráter predominante da ligação Exemplos: Características Metálicos Cerâmicas vidros Polímeros Semicondutores e Metálica Iônica / covalente Covalente e van der Waals Covalente ou covalente / iônica Ferro (Fe) e ligas ferrosas Sílica (SiO 2 ) cristalina, e não-cristalina Polietileno (C 2 H 4 ) Silício (Si) ou sulfeto de Cádmio (CdS) Elevada temperatura de fusão Alta condutividade térmica e elétrica opacidade Elevada temperatura de fusão Translúcidos Baixa condutividade térmica e elétrica Baixa temperatura de fusão Translúcidos Baixa condutividade térmica e elétrica Condutividade elétrica dependente da temperatura

21 RELAÇÃO ENTRE A LIGAÇÃO QUÍMICA, ENERGIA DE LIGAÇÃO E PROPRIEDADES TÉRMICAS 21 Temperatura de fusão e coeficiente de dilatação térmica Tomando-se a curva de energia de ligação em função da distância interatômica, podemos associar a temperatura de fusão de um metal com a profundidade da curva. Ou seja, quanto maior energia necessária para a separação de uma ligação metálica (E T0 ), maior a temperatura de fusão para aquele metal. Outra característica relevante destas curvas é que quanto maior for energia necessária para a separação da ligação (E T0 ), menor serão os espaçamentos interatômicos para um dado nível de energia. Assim, por exemplo, se tomarmos um metal cuja energia de ligação seja elevada, sua temperatura de fusão será elevada e as distâncias interatômicas para um determinado nível de energia serão pequenas, resultando em um pequeno coeficiente de dilatação térmica. Estas relações podem ser verificadas pelas figuras abaixo: Na figura acima verifica-se, com base em dados experimentais, a relação entre temperatura de fusão (ou energia de ligação) com o coeficiente de dilatação térmica. A figura divide as substâncias analisadas pelo tipo de ligação presente (metálica, covalente e iônica).

22 22 A tabela abaixo apresenta relaciona a energias de ligação de algumas substâncias com a temperatura de fusão, de acordo com o tipo de ligação química. Energia de ligação Tipo da ligação Substância [KJ/mol] [ev/átomo, íon ou molécula] Temperatura de fusão [ C] Iônica NaCl MgO Covalente Si C > 3550 (diamante) Metálica Hg Al Fe W Van der Waals Ar Cl Pontes de NH hidrogênio H 2 O Com base no exposto nestas aulas, podemos concluir que a energia de ligação química relaciona-se com as seguintes propriedades: temperatura de fusão, coeficiente de dilatação ou expansão térmica, módulo de elasticidade (E) e a transparência ou opacidade. É importante notar que a resistência mecânica de um material (limite de escoamento ou o limite de resistência) não está relacionada com a energia de ligação deste. De fato, a resistência mecânica é governada por defeitos presentes na estrutura cristalina, como veremos adiante.