CIÊNCIAS E TECNOLOGIA DOS

MATERIAIS

Material de apoio

PROFESSORA: LORENA BERTRANDA

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SUMÁRIO

CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO .................................................................................. 3

CAPÍTULO 2 – ESTRUTURA CRISTALINA.............................................................. 6

CAPÍTULO 3 –IMPERFEIÇÕES DA ESTRUTURA CRISTALINA ............................... 11

3.1 IMPERFEIÇÕES ESTRUTURAIS................................................................ 11

3.2 DEFEITOS PONTUAIS.............................................................................. 12

3.3 DEFEITOS LINEARES (DISCORDÂNCIAS).............................................. 15

3.4 DEFEITOS DE SUPERFÍCIES................................................................. 16

3.5 RELAÇÃO ENTRE DEFEITOS E PROPRIEDADES MECÂNICAS........ 19

CAPÍTULO 4 – DIAGRAMAS DE FASE .................................................................. 21

4.1. A regra de fase ...................................................................................... 21

4.2 Sistemas Isomorfos ................................................................................ 23

4.3 Sistemas Eutéticos ................................................................................ 24

4.4 Sistemas eutetóides ............................................................................... 24

4.4.1 Sistema Ferro Carbono ........................................................................ 25

4.5 Desenvolvimento da microestrutura para o sistema ferro carbono ........ 28

4.6 Interpretação do diagrama de fases ...................................................... 30

CAPÍTULO 5. MECANISMOS DE AUMENTO DE RES. .................................... 32

CAPÍTULO 6 CORROSÃO....................................................................................... 34

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CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO

A disciplina de ciência dos materiais envolve a investigação da relação existente entre estrutura e propriedade dos materiais. Em contraste, a engenharia de materiais é, baseada na correlação entre propriedade e estrutura dos materiais, no processo de fabricação para produzir determinado conjunto de propriedades.

Virtualmente, todas as propriedades importantes dos materiais sólidos podem ser agrupas em seis grupos: mecânica, elétrica, térmica, magnética, ótica e deterioração. Para cada propriedade existe um tipo característico de estímulo capaz de provocar diferentes respostas. A propriedade mecânica relaciona a deformação produzido por um carregamento aplicado ou uma força, exemplos incluem módulo de elasticidade e resistência a tração. Para a propriedade elétrica, tais como condutividade térmica e constante dielétrica, o estímulo é um campo elétrico. O comportamento térmico dos materiais pode ser observado na condutividade térmica. Propriedades magnéticas demonstram a resposta do material na presença de um campo elétrico. Para propriedades óticas, o estímulo é radiação eletromagnética ou presença da luz. Finalmente, as características deteriorativas indicam a característica da reatividade química dos materiais.

Em adição a relação estrutura e propriedades, dois outros fatores devem ser considerados na ciência e engenharia dos materiais. Processamento e desempenho (aplicação). A respeito da relação entre estes quarto componentes, a estrutura do material depende de como ele sera processado. Mais, a desempenho do material dependerá de suas propriedades. Assim, a relação entre processo, estrutura, propriedade e desempenho é linear, como mostrado na figura 1.1.

Figura 1.1 – Relação entre processo, estrutura, propriedade .

Na figura 1.2, podemos ver um exemplo desta relação entre processo, estrutura, propriedade e aplicação. A fotografia mostra três discos colocados sobre uma folha, onde cada uma destas peças tem características diferentes, isto é, a da direita é opaca, a

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central é translúcida e da esquerda transparente. O interessante é que estas três peças são do mesmo material, a alumina. A peça central é composta de numerosos cristais muito pequenos, a peça da esquerda é apenas um único cristal e a da direita é composta de numerosos cristais muito pequenos e com alta porosidade. Para se obter estas diferentes características em cada peça é necessário um processo de fabricação diferente para se obter diferentes estruturas.

Figura 1.2 – Diferentes propriedades para um mesmo material, obtidas de acordo com seu processo de fabricação

1.1 Classificação dos materiais

Os Materiais com que a Eng. de Materiais normalmente se envolve são os Metálicos, os Cerâmicos, os Polímeros. Esta divisão é baseada principalmente na estrutura atômica e tipo de ligação atômica. Em adição, existem três outros grupos de importância para a área de engenharia dos materiais – compósitos, semicondutores e biomateriais.

Metálicos – Englobam todos os metais tanto ferrosos quanto não ferrosos. O metais ferrosos podem ainda ser divididos entre metais preciosos (ouro, paládio, platina e prata), metais básicos (são a maioria: alumínio, cobre, estanho, zinco, etc.), metais estratégicos (tório, silício, urânio) e metais refratários (tungstênio, vanádio, tântalo e nióbio).

Obs.: Materiais refratários são materiais que resistem bem ao calor e por isso são muito usados em revestimento de fornos. Normalmente são cerâmicos. Já os metais refratários são metais que possuem alta temperatura de fusão.

Cerâmicos - Alguns produtos são cerâmicas em sua origem: tijolo, telhas, azulejo, porcelanas de banheiro e até o vidro. Cerâmicos são bons isolantes elétricos e térmicos.

Polímeros - Um polímero é uma macromolécula formada pela repetição de

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pequenas e simples unidades químicas (monômeros), ligadas covalentemente.

Compósitos - Compósitos são materiais formados pela combinação de dois ou mais materiais distintos que mantém as suas propriedades individuais e sem que haja interação química intencional entre eles, ou seja, são formados pela mistura de pelo menos dois materiais de grupos diferentes (metais + polímeros, cerâmicos + metais, etc). O pneu é um exemplo de compósito, pois é formado por fibras metálicas + borracha.

Semicondutores - Materiais semicondutores apresentam propriedades elétricas que são intermediárias entre metais e isolantes. Além disso, as características elétricas são extremamente sensíveis à presença de pequenas quantidades de impurezas, cuja concentração pode ser controlada em pequenas regiões do material (para formar as junções p-n). Os semicondutores tornaram possível o advento do circuito integrado que revolucionou as indústrias de eletrônica e computadores.

Ex: Si, Ge, GaAs, InSb, GaN, CdTe..

Biomateriais - são empregados em componentes para implantes de partes em seres humanos. Esses materiais não devem produzir substâncias tóxicas e devem ser compatíveis com o tecido humano (isto é, não deve causar rejeição). Metais, cerâmicos, compósitos e polímeros podem ser usados como biomateriais.

Fig 1.3 - Evolução da utilização dos materiais. Figura copiada do material do Prof. Arlindo Silva do Instituto Superior Técnico da Universidade de Portugal

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CAPÍTULO 2 - ESTRUTURA CRISTALINA

2.1 INTRODUÇÃO

As propriedades dos materiais estão diretamente relacionadas com a estrutura cristalina destes materiais. Por exemplo, magnésio puro e não deformado tem uma estrutura cristalina que é muito mais frágil que o ouro ou a prata que tem outra estrutura cristalina. Ainda mais, existem diferenças significativas em propriedades entre materiais cristalinos e não cristalinos (amorfos), tendo a mesma composição. Um material cristalino é aquele no qual os átomos estão ordenados em um arranjo repetido ou periódico em uma cadeia de átomos, isto é, como na solidificação os átomos se posicionarão em um padrão tridimensional repetitivo, no qual cada átomo é ligado ao seu átomo vizinho mais próximo. Todos os metais, muitos materiais cerâmicos e alguns polímeros formam uma estrutura cristalina sob condições normais de solidificação.

Como comentado anteriormente, as propriedades dos sólidos cristalinos dependem da estrutura cristalina do material. Existe um número extremamente grande de diferentes estruturas cristalinas. Quando descrevemos a estrutura cristalina, os átomos são considerados esferas sólidas tendo seus diâmetros bem definidos, isto é chamado modelo atômico de esferas sólidas,figura 2.1, nos quais as esferas representando os átomos vizinhos mais próximos se tocam.

Figura 2.1 – modelo atômico de esferas rígidas

CÉLULA UNITÁRIA

A ordem atômica nos sólidos cristalinos indica que pequenos grupos de átomos formam um padrão que se repete. Assim, na descrição das estruturas cristalinas, é conveniente subdividir a estrutura em pequenas entidades repetitivas chamadas de célula unitária.

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SISTEMAS CRISTALINOS

Como existem muitas possibilidades de estruturas cristalinas, dividiu-se elas em grupos de acordo com as configurações da célula unitária e/ou arranjo atômico. Tal maneira é baseada na forma geométrica da célula unitária (tabela 2.1), sem levar em consideração o posicionamento dos átomos na célula.

TABELA 2.1 – Os sistemas cristalinos

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ESTRUTURA DOS MATERIAIS METÁLICOS

Três estruturas cristalinas relativamente simples são encontradas na maioria dos materiais metálicos mais comuns: cúbica de face centrada, cúbica de corpo centrado e hexagonal compacta, e outra raramente encontrada: cúbica simples.

Estrutura Cúbica de Face Centrada – CFC

A maioria das estruturas cristalinas encontradas para materiais metálicos tem a célula unitária com a forma de um cubo, com átomos localizados em cada um dos cantos do cubo e centralizados em cada uma das faces deste mesmo cubo. Esta estrutura é chamada de cúbica de face centrada (CFC), figura 2.2 e figura 2.3. Alguns dos metais mais comuns possuem esta estrutura cristalina: cobre, alumínio, prata e ouro.

Figura 2.2 – Representação de uma estrutura CFC no modelo de esferas rígidas. Na figura 2.1 podemos ver um aglomerado maior com este tipo de estrutura cristalina.

Figura 2.3 – Representação dos átomos contidos no interior da célula unitária, e com átomos em dimensões menores

Estrutura Cúbica de Corpo Centrado – CCC

Outra estrutura cristalina comum entre os materiais metálicos é a estrutura cúbica de corpo centrado (CCC). Nesta estrutura temos um átomo em cada canto da célula unitária e um átomo no cento do cubo (figura 2.4a).

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Figura 2.4 - (a)Representação de uma estrutura CFC no modelo de esferas rígidas, (b)Representação dos átomos contidos no interior da célula unitária, e (c)com átomos em

dimensões menores(d)podemos ver um aglomerado maior com este tipo de estrutura cristalina

Neste caso, o átomo do centro e os átomos nos cantos se tocam através da diagonal do cubo.

Estrutura Cúbica Simples – (CS)

Um terceiro tipo de estrutura cristalina, mais rara de ser encontrada é a estrutura cúbica simples. Neste caso temos apenas átomos posicionados nos oito cantos da célula unitária,como pode ser visto na figura 2.5.

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Figura 2.5 – Representação de uma estrutura cúbica simples no modelo de esferas rígidas

Estrutura cristalina Hexagonal Compacta – HC

Nem todos os metais tem célula unitária sob a forma cúbica, a última estrutura cristalina mais comum entre os metais a ser discutida é a forma hexagonal. A figura 2.6a mostra esta estrutura com esferas reduzidas a qual é chamada de estrutura hexagonal compacta (HC).Uma montagem de diversas células cristalinas hexagonais compacta é mostrada na figura2.6b . O topo e a base da célula consistem de seis átomos dispostos na forma hexagonal rodeando um átomo central. Outro plano contém três átomos adicionais para a célula unitária, situado entre as faces superior e inferior.

Figura 2.6 – (a) Representação de uma célula unitária hexagonal compacta com esfera reduzidas, (b) aglomerado com este tipo de célula cristalina.

Na tabela 2.2 estão listados alguns metais mais comuns com sua respectiva estrutura cristalina.

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Tabela 2.2 – Raio atômicos e estrutura cristalina para 16 metais

CAP 3 - IMPERFEIÇÕES DA ESTRUTURA CRISTALINA

Durante a solidificação, os Materiais sofrem o rearranjo de seus átomos que determina a estrutura cristalina dos mesmos. Dependendo do modo com que o líquido transforma-se em sólido, podem ocorrer defeitos no empilhamento e organização dos átomos, resultando em imperfeições estruturais. O tipo e a quantidade destas imperfeições afetam decisivamente algumas propriedades e o comportamento dos materiais cristalinos.

Com exceção de alguns poucos produtos conformados por sinterização(metalurgia do pó), todos os produtos metálicos passam necessariamente pelo processo de solidificação, em algum estágio de sua fabricação. Em geral, o processo de solidificação pode ser dividido em duas etapas:

a. Formação de embriões de cristais estáveis dentro do líquido ou etapa de nucleação, como mostra figura 3.1;

b. Transformação dos núcleos em cristais, ou etapa de crescimento.

3.1 IMPERFEIÇÕES ESTRUTURAIS

As estruturas cristalinas analisadas até aqui apresentam como característica básica,arranjos cristalinos muito bem definidos. Entretanto, os cristais observados na prática nunca são totalmente perfeitos, exibindo defeitos de diversas naturezas. Tais imperfeições afetam diretamente várias características dos materiais, como os parâmetros envolvidos na deformação plástica, na condutividade elétrica de semicondutores, na corrosão em metais e em processos de difusão atômica.

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Figura 3.1 Nucleação e crescimento das estruturas cristalinas.

As imperfeições presentes em estruturas cristalinas podem ser de três tipos básicos, quais sejam:

¨ defeitos pontuais;

¨ defeitos em linha;

¨ defeitos de superfície.

3.2 DEFEITOS PONTUAIS

Os cristais podem apresentar defeitos em pontos isolados de sua estrutura, dando lugar às imperfeições de ponto.

Dentre as imperfeições pontuais, as mais importantes são:

1. vacâncias ou vazios;

2. átomos intersticiais;

3. átomos substitucionais..

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O tipo de defeito mais simples é a vacância. As vacâncias são vazios pontuais causados pela ausência de átomos em algumas posições da rede cristalina, como mostra a figura 3.2.Este tipo de defeito pode ser produzido durante o processo de solidificação, como resultado de perturbações locais no crescimento do cristal.

Figura 3.2. Defeito pontual - Vacância

Uma outra classe de defeitos são os átomos substitucionais e intersticiais estranhos à rede cristalina. Os átomos intersticiais são imperfeições causadas pela presença de átomos estranhos nos interstícios (espaços vazios) da rede cristalina e os átomos substitucionais são defeitos provocados pela existência de átomos estranhos nos próprios vértices da rede cristalina, em substituição aos átomos que ali deveriam estar ali, se não existissem vacâncias. Defeitos dessa natureza podem modificar o comportamento de certas propriedades. Por exemplo, a presença de uma quantidade muito pequena de átomos estranhos à rede cristalina do silício pode afetar, de modo significativo, a condutividade elétrica do mesmo. Estes dois tipos de defeitos pontuais são freqüentemente observados durante a formação das ligas metálicas,na forma de soluções sólidas.

Na maioria das aplicações de engenharia, a necessidade de propriedades específicas, faz com que o uso de materiais metálicos nem sempre esteja restrito aos metais puro. Na verdade, apenas em um número bastante limitado de aplicações, os metais podem ser encontrados na forma pura ou quase pura. Por exemplo, o cobre de alta pureza(99,99%) é usado na confecção de fios elétricos devido a sua elevada condutividade elétrica. O alumínio super-puro (99,99%) é usado na fabricação de objetos decorativos, pois o mesmo permite obter uma superfície melhor acabada. Por outro lado, a maioria dos materiais metálicos usados em engenharia, estão combinados com outros metais ou não metais.

Estas combinações, denominadas de ligas metálicas, têm o objetivo de aumentar a resistência mecânica, a resistência à corrosão ou melhorar outras propriedades. Uma liga metálica, ou simplesmente uma liga, é a mistura de dois ou mais metais ou metais e não-metais. Estas ligas podem ter estruturas relativamente simples, como a de uma peça de bronze. O latão é essencialmente uma liga binária (dois metais),contendo70% em peso de Cu e 30% em peso de Zn. Por outro lado, certas ligas podem ser extremamente complexas como as superligas à base de níquel, denominadas comercialmente de Inconel 718 e usadas na confecção de peças de motores a jato. Estas

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ligas contém nominalmente em torno de 10 elementos. Um outro exemplo de liga metálica pode ser observado no aço, onde as estruturas CFC e CCC do ferro abrigam átomos de carbono. Esta combinação permite obter um material extremamente versátil, com aplicações bastante diversificadas. O tipo mais simples de liga metálica é aquele que forma uma solução sólida. Uma solução sólida é um sólido que consiste de dois ou mais elementos atomicamente dispersos em uma estrutura monofásica. Em geral existem dois tipos de soluções sólidas:

SUBSTITUCIONAL E INTERSTICIAL.

Nas soluções sólidas substitucionais formadas por dois elementos, os átomos do soluto podem ser substitutos dos átomos do solvente na rede cristalina. Na figura 3.3 é mostrado um plano contendo átomos do soluto substituindo os átomos do solvente. A fração de átomos de um elemento que pode ser dissolvida em outro, é definida como solubilidade. O termo solubilidade significa a quantidade de um certo material A(soluto) que pode ser dissolvido em outro B (solvente) e varia de um valor muito pequeno,próximo de zero, até 100%. A solubilidade é dada em "% peso" e "% atômica".Assim, uma liga cobre-zinco com 20% em peso de zinco, possui, em 100 gramas da liga, 20 gramas de zinco e 80 gramas de cobre. Do mesmo modo, uma liga com 20% em átomos de zinco apresenta em cada 100 átomos de liga, 20 átomos de zinco e 80 átomos de cobre. Como as densidades dos materiais são diferentes, é evidente que 20% de zinco em peso não correspondem a 20% de zinco em átomos.

Figura 3.3 Plano de um cristal com o soluto substituindo o solvente.

O soluto intersticial é o que fica nos "vãos" da matriz. Estes vãos ou vazios são chamados de interstícios. As soluções sólidas intersticiais são formadas quando um átomo é muito maior que o outro. Por exemplo, o ferro a 1000ºC apresenta estrutura CFC com o maior vão de diâmetro igual a 1,0 Å. Assim estes "buracos" abrigam facilmente o hidrogênio (d=0,9 Å),o boro (d=0,92 Å) e com certa dificuldade, o carbono (d=1,5 Å). A figura 3.4 ilustra esquematicamente a distorção da rede cristalina do ferro quando o carbono ocupa posições intersticiais na mesma.

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Figura 3.4 Diagrama esquemático de uma solução sólida de carbono em ferro CFC. Note a distorção da rede cristalina do ferro.

3.3. DEFEITOS LINEARES (DISCORDÂNCIAS)

Os cristais podem apresentar defeitos alinhados e contínuos em sua estrutura, dando origem às imperfeições de linha. Os defeitos de linha, também chamados de discordâncias são defeitos que causam a distorção da rede cristalina em torno de uma linha e caracterizam-se por envolver um plano extra de átomos. Estas imperfeições podem ser produzidas durante a solidificação, na deformação plástica de sólidos cristalinos ou ainda como resultado da concentração de vacâncias. A presença deste defeito é a responsável pela deformação, falha e rompimento dos materiais.

A quantidade e o movimento das discordâncias podem ser controlados pelo grau de deformação (conformação mecânica) e/ou por tratamentos térmicos, podendo desta forma endurecer os materiais metálicos.

Os três principais tipos de defeitos em linha são conhecidos como: discordância em cunha,discordância em hélice e discordância mista.

Figura 3.5 Ilustração de uma discordância em cunha,que ocorre pela interrupção de um plano atômico.

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3.4. DEFEITOS DE SUPERFÍCIES

Os cristais também apresentam defeitos que se estendem ao longo de sua estrutura,formando superfícies e denominados de imperfeições de superfície.

Esse tipo de imperfeição cristalina pode ser de três tipos:

1. superfícies livres;

2. contornos de grão;

3.4.1. SUPERFÍCIES LIVRES

Apesar de serem consideradas o término da estrutura cristalina, as superfícies externas de um cristal são consideradas defeitos cristalinos, já que o número de vizinhos de um átomo superficial não é o mesmo de um átomo no interior do cristal (figura 3.6). Os

átomos superficiais possuem vizinhos apenas de um lado, tem maior energia e assim, estão ligados aos átomos internos mais fragilmente.

Figura 3.6 Apesar de ser considerada o término da estrutura cristalina, as superfícies externas de um cristal são consideradas defeitos cristalinos, já que o número de vizinhos de um átomo superficial não é o mesmo de um átomo no interior do cristal.

3.4.2. CONTORNOS DE GRÃO

Uma barra de cobre puro, embora contenha um único elemento, possui vários grãos, ou seja, regiões onde a estrutura cristalina tem a mesma orientação. Durante a solidificação,vários núcleos sólidos surgem no interior do líquido, como é apresentado na figura 3.5. Numa fase seguinte, denominada de crescimento, estes núcleos crescem e se juntam, formando nestas "juntas", uma região conhecida como contorno de grão. Como os diversos grãos não apresentam necessariamente a mesma orientação cristalográfica, como pode ser visto na figura 3.8, o encontro dos mesmos cria superfícies de contato dentro do cristal.

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Figura 3.7 Formação de um material policristalino: (a) Etapa de nucleação; (b) Etapa decrescimento; (c) Material policristalino.

Figura 3.8 Os grãos de um material policristalino não apresentam uma mesma orientação cristalográfica.

O tamanho de grão de um material policristalino é importante ser conhecido, já que o número de grãos tem papel significativo em muitas propriedades dos materiais,especialmente na resistência mecânica. A tabela 3.1 apresenta a padronização do tamanho de grão cristalino segundo a ASTM.

Figura 3.9 Micrografias de aço baixo carbono, atacado com Nital (H2NO3 + álcool) e o respectivo tamanho de grão segundo a ASTM (X 100):

Como os contornos de grão são regiões onde os átomos estão fragilmente ligados uns aos outros, a ação de um ataque químico permite revelar o mesmo, pois nestes pontos é mais fácil "arrancar" os átomos, em comparação com regiões no interior do grão, como mostra afigura 3.9. A região do contorno de grão aparece mais escura no microscópio devido a menor capacidade de reflexão de luz da mesma (figura 3.10).

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Tabela 3.1Tamanho de grão segundo a ASTM.

O contorno grão tem átomos fragilmente interligados e assim, em tal local é mais fácil "arrancar" os átomos da estrutura cristalina em comparação com o interior do grão.

Figura 3.10. A região do contorno de grão aparece mais escura no microscópio devido à menor capacidade de reflexão de luz da mesma.

(a) material não atacado quimicamente

(b) material atacado quimicamente monofásico

(c) material atacado quimicamente difásico

3.4.3. MACLAS

As maclas constituem um outro tipo de defeito de superfície e podem surgir a partir de tensões térmicas ou mecânicas. Tal defeito de superfície ocorre quando parte da rede cristalina é deformada, de modo que a mesma forme uma imagem especular da parte não deformada (figura 3.11).

O plano cristalográfico de simetria entre as regiões deformadas e não deformada,é chamado de plano de maclação. A maclação, ocorre em direções específicas chamadas de direções de maclação.

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Figura 3.11 Diagrama esquemático do defeito de maclação

3.5 RELAÇÃO ENTRE DEFEITOS E PROPRIEDADES MECÂNICAS

Discordâncias

¨ Interferem na deformação plástica dos materiais.

¨ Sua presença facilita a deformação

Figura 3.12- Distorção na estrutura causado pela discordância.

A quantidade e o movimento das discordâncias podem ser controlados pelo grau de deformação (conformação mecânica) e/ou por tratamentos térmicos (contorno de grão,soluções sólidas etc..).Os defeitos causados pelas soluções sólidas (intersticiais e substitucionais), contorno de grão e deformação mecânica causam deformação na estrutura cristalina dificultando a movimentação das discordâncias aumentando a resistência à deformação do material.

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Figura 3.13 Deformação da estrutura causada pela presença de impurezas substitucionais.

Quando um átomo de uma impureza esta presente, o movimento da discordância fica restringido, ou seja, deve-se fornecer energia adicional para que continue havendo escorregamento. Por isso soluções sólidas de metais são sempre mais resistentes que seus metais puros constituintes. Quando a solubilidade da solução sólida é ultrapassada, começará a se formar dentro da estrutura uma nova fase, esta causará uma descontinuidade na estrutura dificultando a movimentação das discordâncias, aumentando consideravelmente a resistência deste material.

Figura 3.14 Precipitados de prata no cobre

Numa liga de cobre com prata se colocarmos até 8% de prata formamos uma solução sólida, se colocarmos mais que 8%(limite de solubilidade da prata no cobre, conforme tabela 3.2 começamos a formar uma segunda fase ou seja começamos a formar uma estrutura de prata, que chamamos de precipitado.

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Figura 3.15 Comparativo entre resistência a deformação e tipo de defeito.

O contorno de grão interfere no movimento das discordâncias, ao alcançar um contorno há uma mudança de direção dos cristais, e para esta discordância continuar se movimentando ela deverá mudar de direção.

Figura 3.16 Movimentação de uma discordância em material policristalino.

CAPÍTULO 4 - DIAGRAMAS DE FASE

O perfeito conhecimento dos diagramas de equilíbrio das ligas metálicas é de vital importância, por proporcionar conhecimentos de várias transformações, escolha das ligas,noções sobre as propriedades e, principalmente, o bom êxito dos tratamentos térmicos.

O diagrama fornece informações de qualquer liga, tais como início e fim de solidificação ou fusão, fases em equilíbrio a determinadas temperaturas, composição química destas fases,variação das quantidades relativas das fases com a temperatura, constituintes, etc. É,portanto, um resumo dos históricos térmicos de todas as ligas dos mesmos componentes.

4.1. A regra de fase

O que é uma fase? É uma porção quimicamente e estruturalmente homogênea da microestrutura. Uma microestrutura de única fase pode ser policristalina, como na figura

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4.1,onde cada grão difere do outro apenas na orientação cristalina, não na composição química.

Figura 4.1 – microestrutura do molibdênio comercialmente puro.

Um erro que o iniciante comete é confundir fase com componente, o qual é uma substância química distinta da qual a fase é formada. Por exemplo, níquel e cobre são de natureza similar e podem formar uma solução sólida como da figura 4.2. Esta solução sólida se apresentará como uma fase na microestrutura.

Figura 4 .2 – solução sólida Ni-Cu.

Para certas composições químicas, o resultado é duas fases, cada qual mais rica em um componente. Um exemplo clássico é de uma estrutura chamada perlita, mostrada na figura 4.3, a qual consiste de camadas alternadas de ferrita (Fe α)e cementita (Fe3C).

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Figura4.3 – Microestrutura de 02 fases (perlita), encontrada em aço eutetóide (0,76%C).

Um diagrama de fase é qualquer representação das variáveis de estado associadas com microestruturas através da regra de fases de Gibbs. Os diagramas de maior uso na engenharia são os diagramas binários, representando sistemas de dois componentes. Os diagramas ternários representam sistemas de três componentes.

4.2 Sistemas Isomorfos

A figura 4.4 apresenta um diagrama isomorfo simples onde os pontos TCu e TNi representam as temperaturas de fusão dos componentes Cu e Ni respectivamente. O diagrama é formado por uma região de uma única fase líquida, uma região de uma única fase sólida, representada por α e uma região de duas fases (líquido L + sólido α ). As curvas que separam as regiões de uma fase da região de duas fases são as linhas liquidus e solidus. Estas indicam que há uma diferença fundamental de comportamento na solidificação de um metal puro e de uma solução sólida.

Figura 4.4 – Diagrama isomorfo.

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4.3 Sistemas Eutéticos

São os caracterizados pela reação eutética, isto é, decomposição isotérmica de uma fase líquida em duas sólidas durante a solidificação e reação inversa na fusão.

A figura 4.5 apresenta um diagrama eutético para o sistema chumbo-estanho, onde a solubilidade no estado sólido é restrita. Os pontos A e B representam os pontos de fusão dos componentes da liga. A adição de chumbo no estanho (ou vice-versa) faz com que o ponto de fusão do último diminua. O ponto eutético é exatamente o ponto de intersecção entre as linhas liquidus. A liga correspondente à composição na qual as duas linhas se interceptam é a liga eutética, e a temperatura é a temperatura eutética. A liga eutética é a de menor ponto de fusão de todas as composições possíveis. Esta é formada pelas fases α e β solidificadas simultaneamente na forma de uma mistura eutética. Nas fases α e β os dois metais estão completamente solúveis um no outro nas proporções indicadas para as diversas temperaturas.

Figura4.5 - Diagrama eutético com solubilidade sólida parcial - Sistema chumbo-estanho(fonte: Shackelford).

4.4 Sistemas eutetóides

São caracterizados pela reação eutetóide, isto é, a decomposição isotérmica de uma fase sólida em duas outras fases sólidas durante o resfriamento e a reação inversa no aquecimento.

γ →α + β

Um diagrama esquemático para um sistema eutetóide está representado na figura 4.6a. Pode-se interpretá-lo simplesmente como a combinação de dois diagramas simples, um

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isomorfo e outro eutético (fig 4.6b).

Figura4.6 - Sistema eutetóide (a) completo e (b) dividido em dois diagramas simples, um isomorfo e um eutético.

4.4.1 Sistema Ferro Carbono

O diagrama Fe-C é aquele normalmente utilizado para o estudo dos aços e dos ferros fundidos, materiais de extrema importância para a indústria metalúrgica e mecânica. Ele encontra-se representado na figura 4.5. As ligas ferro-carbono ainda hoje representam os materiais de maior utilização prática. Isto se deve ao fato de que estas ligas podem apresentar uma grande variação nas suas propriedades pela simples variação na quantidade de carbono e ainda possibilitam que se tenha uma gama maior de propriedades se considerarmos a possibilidade de deformação plástica e os tratamentos térmicos. A base para que este material tenha estas características está principalmente atrelado ao fato de que o ferro puro apresenta transformação alotrópica e que o carbono forma uma solução sólida intersticial com o ferro. Isto conduz a uma série de possibilidades de transformações, cada uma com suas microestruturas típicas,resultando na grande variação das propriedades. As transformações em uma liga ferro carbono são influenciadas basicamente pela temperatura e pelo teor de carbono. Se considerarmos apenas este dois fatores poderemos montar um mapa das transformações que irão ocorrer, o qual será chamado de diagrama de equilíbrio. Nesta representação podemos ver as fases que estarão presentes para cada temperatura e composição e também os pontos que são fundamentais para a compreensão das transformações. A seguir faremos algumas considerações a respeito do diagrama.

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Figura 4.7 – Representação do Diagrama Fe-C

Em primeiro lugar deve ser observado que o diagrama vai somente até 6,7% de carbono. Isto se deve ao fato de que as ligas acima deste teor não têm qualquer importância comercial. Em segundo lugar deve ficar claro que as ligas comerciais não são constituídas apenas por ferro e carbono, mas podem ter em sua composição outros elementos de liga além de pequenas quantidades de impurezas que são inerentes ao processo de obtenção do material. Assim sendo, o diagrama não representa fielmente o que sucede na prática,mas como pequenas quantidades de outros elementos não produzem grandes alterações,podemos utilizá-lo como base para o nosso estudo.

Em um diagrama de equilíbrio as fases são sempre representadas por letras gregas mas no caso das ligas ferro carbono estas fases além de serem identificadas por letras gregas também receberam um nome. Desta forma teremos as fases denominadas ferrita,austenita e cementita, que podem ou não estar presentes na microestrutura do material,dependendo do teor de carbono e da temperatura.

Observando-se o diagrama nota-se que este apresenta vários pontos que merecem ser destacados. O primeiro deles é o que corresponde a uma composição de 2,14% de carbono a 1148 ºC. Este ponto representa uma fronteira entre as ligas ferro-carbono que são caracterizadas como aços e as ligas que são caracterizadas como ferro fundido. Assim, aço é uma liga com menos de 2,14% de carbono e ferro fundido é uma liga com mais de 2,14%de carbono. A escolha deste ponto deve-se ao fato de que, quando resfriamos um aço desde o estado líquido, este sempre passará por uma faixa de temperaturas em que a sua microestrutura será composta de uma única fase chamada austenita, o que não acontece para os ferros fundidos que possuem teores de carbono

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acima deste valor.

A austenita, também chamada fase γ, é uma fase derivada do ferro γ que como se sabe é formado por uma estrutura cúbica de faces centradas. Quando combinamos o ferro com o carbono forma-se uma solução sólida intersticial em que é mantida a estrutura cristalina original do ferro .

Para temperaturas inferiores, o fato de o ferro passar para ferro produz o aparecimento de uma nova fase chamada fase α ou ferrita. A ferrita também é uma solução sólida intersticial de ferro e carbono e, a exemplo da fase γ, é mantida a estrutura cristalina cúbica de corpo centrado do ferro.

Devido ao fato de que as duas fases citadas acima possuem diferenças em sua estrutura cristalina, existe também uma grande diferença de solubilidade do carbono entre elas. Como já foi visto, os interstícios da estrutura CFC são maiores do que os interstícios da estrutura CCC. Isto conduz a uma solubilidade do carbono que pode chegar a 2,14%(aproximadamente 9% em átomos) na temperatura de 1148 ºC para a austenita e somente0,022 % (aproximadamente 0,1% em átomos) a 727 ºC para a ferrita. Como pode ser observado no diagrama, a solubilidade do carbono não é fixa para estas fases, podendo variar com a temperatura. Desta maneira a austenita e a ferrita só apresentarão a sua solubilidade máxima nas temperaturas indicadas acima, variando tanto para temperaturas superiores como para temperaturas inferiores. Além disso, o carbono é um elemento estabilizador da austenita, e como podemos ver no diagrama, quando tivermos ferro puro a temperatura mínima em que a austenita é estável é de 912 ºC ,mas à medida que o teor de carbono cresce esta temperatura vai diminuindo até que, para 0,76% de carbono chegamos ao mínimo de 727 ºC. A partir daí a temperatura aumenta novamente até atingirmos o máximo de 2,14% para 1148 ºC. No caso da ferrita ela é estável até 912 ºC na ausência de carbono e na medida em que aumenta o teor a temperatura diminui até que se atinja a solubilidade máxima de 0,022% C a 727 ºC. Abaixo desta temperatura a solubilidade diminui novamente chegando praticamente a zero na temperatura ambiente.

Como existe um limite de solubilidade do carbono tanto na austenita quanto na ferrita, o excesso de carbono poderá propiciar a formação de uma terceira fase que é chamada de cementita e que possui estrutura cristalina ortorrômbica, ainda em solução sólida intersticial com 6,7% de carbono. Isto acontece para teores de carbono maiores do que 0,76% acima de 727 ºC e abaixo de 1148 ºC e, para teores maiores do que 0,022%, abaixo de 727 ºC. Desta maneira teremos no diagrama regiões em que o aço é monofásico e regiões em que é bifásico. As regiões monofásicas podem ser formadas por austenita ou por ferrita e as regiões bifásicas podem ser formadas por austenita e ferrita, austenita e cementita ou ferrita e cementita.

Outro ponto importante que deve ser observado é o que ocorre para a composição de0,76% de carbono a 727 ºC. Este ponto, chamado ponto eutetóide, é o lugar do diagrama em que temos a convivência simultânea das três fases citadas acima, isto é, quando resfriamos o aço teremos a transformação da austenita em ferrita e cementita. Especificamente para esta composição a temperatura permanece constante enquanto a transformação não se completar totalmente. Neste ponto ocorre a seguinte reação:

γ →α + β

Quando tivermos outros elementos fazendo parte da composição do aço, o teor de carbono correspondente ao ponto eutetóide será deslocado mais para a esquerda ou para a direita e a temperatura em que ocorre esta reação irá aumentar ou diminuir. Esta é uma das influências dos elementos de liga dos aços . As outras influências dos elementos de liga serão analisadas nos capítulos subseqüentes.

28

4.5 DESENVOLVIMENTO DA MICROESTRUTURA PARA O SISTEMA FERRO CARBONO

Diversos tipos de microestruturas podem ser produzidas em ligas de aço. Estas podem ser obtidas em função da porcentagem de carbono e o tratamento térmico. Veremos agora as microestruturas obtidas para um resfriamento muito lento mantendo o equilíbrio entre fases para aços eutetóides, hipoeutetóides e hipereutetóides.

AÇO EUTETÓIDE:

Para uma liga eutetóide (0,76%C), resfriada a partir de uma temperatura dentro da região da fase γ (digamos 800°C), ponto a, teremos uma liga composta inteiramente da fase austenita com uma composição de 0,76% C e microestrutura correspondente mostrada na figura 4.9c . Esta microestrutura representada esquematicamente na figura ponto b, e na figura , é chamada de perlita. Mecanicamente, a perlita tem propriedades intermediárias entre a ferrita mole e dúctil e a dura e frágil cementita. Subseqüente resfriamento da perlita a partir do ponto b, não produzirá mudanças significativas na microestrutura.

Figura 4.9- (a) Porção do diagrama de fases Fe-C mostrando microestrutura obtida para o resfriamento de uma composição eutetóide;(b) microestrutura da austenita;(c) microestrutura da perlita.

AÇO HIPOEUTETÓIDE:

Considere um aço com conteúdo de carbono menor que a composição eutetóide, entre0,022%C e 0,76%C; esta liga é chamada de liga hipoeutetóide. Resfriando esta liga,representado na figura 4.10a, pela linha yy”, a partir de uma temperatura igual a 874°C,ponto c, onde teremos somente austenita (figura 4.9b), obtemos a seguinte situação: no ponto d (775°C), dentro da região α + γ, ambas as fases irão coexistir de acordo com a microestrutura mostrada no esquema da figura 4.12a. Onde as partículas de ferrita irão se formar ao longo dos contornos de grão da fase austenita γ, ponto e. Continuando o resfriamento até o ponto f, abaixo da temperatura eutetóide, toda a fase γ que estava presente na temperatura Te, se transformará em perlita de acordo com a

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reação eutetóide, e para a fase α já existente numa temperatura acima da temperatura eutetóide, não ocorrerá nenhuma transformação. Assim a ferrita α estará presente tanto na perlita quanto como uma fase formada durante o resfriamento através da região α + γ. Esta ferrita é chamada de ferrita pró-eutetóide e a ferrita presente na estrutura perlítica é chamada ferrita eutetóide.

Figura 4.10 – (a)Porção do diagrama de fases Fe-C mostrando esquematicamente o resfriamento de uma liga hipoeutetóide; (b) Microestrutura obtida para uma liga hipoeutetóide.

AÇO HIPEREUTETÓIDE:

Microestrutura e transformações análogas resultam para um resfriamento de uma liga hipereutetóide, que contém entre 0,76 e 2.14%C, as quais são resfriadas a partir de temperaturas dentro do campo de fase austenita. Neste caso é a fase Fe3C que se formará ao longo dos contornos de grãos da fase γ, como mostrado na figura 4.11a. Esta cementita é chamada de cementita pró-eutetóide, que se forma antes da reação eutetóide. E, é claro,a austenita que existia antes da reação eutetóide se transforma toda em um estrutura perlítica, resultando numa microestrutura que consiste de perlita e cementita próeutetóide como constituintes, figura 4.11b.

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Figura 4.11- (a) porção do digrama de fases Fe-C mostrando o desenvolvimento da microestrutura para uma liga hipereutetóide. (b) microestrutura obtida para uma liga hipereutetóide.

4.6 INTERPRETAÇÃO DO DIAGRAMA DE FASES.

Para um sistema binário com composição e temperatura conhecidas, em equilíbrio, três informações estão disponíveis: (1) as fases que estão presentes, (2) a composição destas fases e (3) a porcentagem ou fração das fases presentes.

Fases presentes A determinação de quais as fases presentes é relativamente simples. Deve-se localizar o ponto temperatura-composição no diagrama e verificar com qual(is) fase(s) o campo defases correspondente está identificado.

Determinação da composição de fases A primeira etapa na determinação da composição de fases consiste em se localizar o ponto temperatura-composição correspondente no digrama de fases. Se apenas uma fase esta presente, o procedimento é trivial: a composição desta fase é simplesmente a mesma composição global da liga.

Para uma liga que possui composição e temperatura localizadas em uma região bifásica deve-se seguir o seguinte procedimento:

1. Constrói-se um linha de amarração* através da região bifásica à temperatura da liga.

2. Anotam-se as interseções da linha de amarração a partir destas interseções comas fronteiras entre as fases em ambos os lados.

3. Traçam-se linhas perpendiculares à linha de amarração a partir dessas interseções até o eixo horizontal das composições, onde a composição em cada uma das respectivas fases pode ser lida.

Determinação da quantidade de fase As quantidades relativas das fases presentes em condições de equilíbrio também podem ser calculadas com auxílio do diagrama de fases.

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A solução é óbvia em uma região monofásica:uma vez que somente uma fase esta presente, a liga é composta inteiramente por aquela fase, isto é, o percentual é de 100%.Se a posição para dada composição e temperatura cai em uma região bifásica, a linha de amarração deve ser utilizada com o seguinte procedimento, chamado regra da alavanca:

1. A linha de amarração é construída através da região bifásica na temperatura da liga.

2. A composição global da liga é localizada sobre a linha de amarração

3. A fração de uma fase é calculada tomando-se o comprimento da linha de amarração desde a composição global da liga até a fronteira entre fases com a outra fase e então dividindo-se esse valor pelo comprimento total da linha de amarração.

4. A fração da outra fase é determinada de maneira semelhante.

5. Se forem desejadas as porcentagens das fases, a fração deve ser multiplicada por 100.

No emprego da regra da alavanca, os comprimentos dos segmentos da linha de amarração podem ser determinados ou pela medição direta no diagrama de fases, usando-se uma régua com escala linear, ou mediante a subtração das composições conforme estas sejam lidas no eixo das composições.

ATENÇÃO: É fácil confundir os procedimentos anteriores para a determinação da composição das fases e das porcentagens de cada fase presente; assim torna-se importante fazer um resumo. As composições das fases são expressas em termos percentuais em peso dos componentes ( por exemplo, %p Ni, %p Cu). Para qualquer liga que consista em uma única fase, a composição da quela fase é a mesma que a composição global da liga. Se duas fases estiverem presentes, deve ser empregada a

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linha de amarração, cujas extremidades determinam as composições das respectivas fases. Em relação às porcentagens das fases, quando existe uma única fase, a liga é composta totalmente por aquela fase. Por outro lado, para uma liga bifásica, é utilizada a regra da alavanca, na qual é tomada a razão entre os comprimentos dos segmentos da linha de amarração.

Figura – 4.12 (a) Diagrama de fases Cu-Ni, adaptado do Callister 7ª edição; (b) Uma porção do diagrama de fases Cu-Ni, para o qual as composições e quantidades das fases estão determinadas.

CAPÍTULO 5- MECANISMOS DE AUMENTO DE RESISTÊNCIA

Virtualmente, todos os materiais cristalinos contêm algumas discordâncias que foram

introduzidas durante o processo de solidificação, durante a deformação plástica e como

conseqüência das tensões térmicas que resultam de um resfriamento rápido.

Várias características das discordâncias são importantes em relação às propriedades

mecânicas dos metais. Essas incluem os campos de deformação que existem ao redor

das discordâncias, que são importantes na determinação da mobilidade das discor-

dâncias, bem como suas habilidades em se multiplicar.

Quando os metais são submetidos a deformação plástica, uma fração da energia de

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deformação (aproximadamente 5%) é retida internamente; o restante é dissipado como

calor. A maior parte dessa energia armazenada consiste em uma energia de deformação

que está associada a discordâncias.

Diminuição do tamanho de grão

O tamanho de grão ou diâmetro médio do grão, influencia as suas propriedades

mecânicas, os grãos adjacentes possuem normalmente orientações cristalográficas

diferentes,e conseqüentemente um contorno de grão. A movimentação das discordâncias

durante o processo de deformação plástica, ocorre através do contorno comum aos grãos

(logo quanto mais grãos tiver o material, mais barreiras as discordâncias terão). Para

obter tamanho de grão pequeno pode ser modificado o processamento do material na

fase de conformação mecânica ou realizar um tratamento térmico (caso a liga possa ser

tratada termicamente).

Figura 12: Separação de grãos.

Encruamento

O encruamento é o fenômeno pelo qual um metal dútil se torna mais duro e mais

resistente quando ele é submetido a uma deformação plástica. Algumas vezes esse

fenômeno também é chamado de endurecimento por trabalho. Pelo fato de a temperatura

em que a deformação é efetuada ser "fria" em relação à temperatura absoluta de fusão do

metal, também é chamado de trabalho a frio. A maioria dos metais encrua à temperatura

ambiente

34

Adição de elementos de liga

Com a adição de elementos de liga pode ocorrer dois fenômenos principais: a diminuição

de tamanho de grão (no que resulta em um aumento de densidade de discordâncias, logo

o aumento de resistência) e a formação de precipitados (partículas duras que em

quantidades pequenas aumenta a resistência sem afetar a ductilidade).

CAPÍTULO 6- CORROSÃO

A corrosão é um grande desafio para a tecnologia, tanto da visão prática de manutenções e

detectar seu efeito que pode ser catastrófico quando compromete toda uma estrutura,

quanto da exigência de materiais mais resistentes em todos os aspectos (Metalúrgicos,

Mecânicos e Químicos) para que tenha maior vida útil e que não comprometa vidas, meio

ambiente e sociedade, logicamente todos esses aspectos tratados no trabalho relacionados

ao custo, que é mais desafiador do que a própria pesquisa em muitos casos.

Há várias morfologias da corrosão e saber diferenciar é fundamental para a atuação.

35

Figura 6.1: Formas de corrosão

36

Para evitar ou minimizar o efeito da corrosão há formas de se fazer proteções, que são

denominadas:

Proteção catódica: A proteção catódica é um dos métodos mais empregados para

a proteção de grandes estruturas quer seja enterradas ou submersas (parcial ou

totalmente). O princípio da proteção catódica se baseia em levar o potencial de

corrosão do equipamento a proteger para valores correspondentes à imunidade do

material.

Ex..: Anodos de sacrifício.

Proteção anódica: Há um revestimento metálico na superfície do metal (Exemplo:

galvanização, cromagem e estanhagem), ou quando o próprio metal forma uma

camada protetora (Exemplo: Aço inoxidáveis e alumínio). Haverá a formação de

um óxido fino, aderente e passivo, que protegerá a estrutura.

Revestimentos: Adição de um material polimérico ou cerâmico na superfície do

metal para evitar o contato do metal com o meio corrosivo.

E ainda há como fazer uma atuação usando inibidores, que são substâncias que

adicionadas ao meio corrosivo objetivam evitar, prevenir ou impedir o desenvolvimento

das reações de corrosão, sejam nas fases gasosas, aquosas ou oleosas. O uso de

inibidores de corrosão não deve interferir na propriedade do material a ser protegido, por

exemplo formar um outro composto que irá corroer o metal da mesma maneira de que

encontrada.

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CORROSÃO UNIFORME OU DE ATAQUE GENERALIZADO

Figura 6.2: Corrosão de ponte de ferro com estrutura em treliça.

A estrutura da ponte de ferro acima é feita em aço, e está exposta ao principal tipo de

corrosão na forma de destruição de metais. A corrosão uniforme ou por ataque

generalizado é caracterizada por uma reação eletroquímica ou química que se desenrola

de modo uniforme em toda a superfície do metal exposta ao ambiente corrosivo.

Essa corrosão pode ser facilmente controlada por:

a) Revestimentos protetores – Podem ser usados revestimentos metálicos como

anodos sacrificiais, ou seja, são corroídos no lugar do que se quer proteger.

Também podem ser usados revestimentos orgânicos como tintas, vernizes lacas e

muitos outros materiais poliméricos que ajudam a manter o aço isolado do

ambiente corrosivo;

b) Inibidores – Podemos usar a adição de inibidores a um sistema que pode diminuir a

corrosão. Esses são chamados de agentes retardadores.

Existem dois tipos, os inibidores de absorção, que provocam a absorção da

superfície da estrutura metálica de determinadas substâncias que formam um filme

protetor. E os inibidores que atuam por remoção, que provocam reações que

removem os agentes de corrosão;

c) Proteção catódica - Onde o controle da corrosão pode ser feito através do

fornecimento de elétrons ao metal que se pretende proteger, no caso o aço. Os

elétrons podem ser fornecidos através de uma fonte exterior de corrente contínua

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ou por meio de formação de um par galvânico com um metal mais anódico do que

o que se quer proteger.

Figura 6.3: Corrosão uniforme da viga de uma construção predial.

A viga acima de uma edificação é feita em concreto armado com aço não galvanizado.

Para esse caso em específico, uma solução inovadora por meio de proteção catódica é

retirar a armadura deteriorada, implantar uma nova se necessário e o acoplamento de

uma pastilha (material anódico), junto a armadura nova (metal catódico), retardando o

efeito corrosivo.

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Figura 6.4: Corrosão uniforme do pilar de uma ponte.

O pilar da ponte acima é feito em concreto armado, com aço não galvanizado, onde a

solução mais adequada são os revestimentos protetores abaixo:

a) Podem ser usados revestimentos metálicos como anodos sacrificiais, ou seja, são

corroídos no lugar do que se quer proteger;

b) A estrutura pode ser coberta por concreto que ajuda a isolar a armadura do meio

corrosivo;

c) Também podem ser usados revestimentos orgânicos como tintas, vernizes lacas e

muitos outros materiais poliméricos que ajudam a manter o aço isolado do

ambiente corrosivo.

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Figura 6.5 : Corrosão generalizada das bases de sustentação da plataforma da

Petrobras.

As bases e muitos outros materiais metálicos de uma plataforma são feitos de aço

inoxidável. A solução mais inviável para deter a essa corrosão são os revestimentos

protetores, que podem ser usados revestimentos metálicos como anodos sacrificiais, ou

seja, são corroídos no lugar do que se quer proteger. E a cada período, esses

revestimentos metálicos são trocados para que a corrosão não alcance a área metálica

catódica da base da plataforma.

Também podem ser usados revestimentos orgânicos como tintas, vernizes lacas e muitos

outros materiais poliméricos que ajudam a manter o aço isolado do ambiente corrosivo;

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Figura 6.6: Corrosão generalizada da treliça de uma ponte.

A treliça da ponte acima é feita em concreto armado, com aço não galvanizado, onde a

solução mais adequada são os revestimentos protetores abaixo:

a) Podem ser usados revestimentos metálicos como anodos sacrificiais, ou seja, são

corroídos no lugar do que se quer proteger;

b) Podem encobrir a armadura com concreto que ajuda a isolar a armadura do meio

corrosivo;

c) Também podem ser usados revestimentos orgânicos como tintas, vernizes lacas e

muitos outros materiais poliméricos que ajudam a manter o aço isolado do

ambiente corrosivo.

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Figura 6.7: Casco do navio exposto a corrosão uniforme.

Grande parte do navio é feito de um material náutico que resiste os grandes ambientes

corrosivos. O casco do navio é feito de aço inoxidável, que retarda o processo de

deterioração. Para esse tipo de corrosão, é inviável refazer o casco do navio, por que as

peças internas do navio também estão gastas/sucateadas e o material náutico é muito

caro.

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Figura 6.8: Corrosão uniforme de uma das pilastras de sustentação de uma ponte.

A pilastra da ponte acima é feita em concreto armado, com aço não galvanizado, onde a

solução mais adequada são os revestimentos protetores abaixo:

a) Podem ser usados revestimentos metálicos como anodos sacrificiais, ou seja, são

corroídos no lugar do que se quer proteger;

b) Podem encobrir a armadura com concreto que ajuda a isolar a armadura do meio

corrosivo;

c) Também podem ser usados revestimentos orgânicos como tintas, vernizes lacas e

muitos outros materiais poliméricos que ajudam a manter o aço isolado do

ambiente corrosivo.

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CORROSÃO GALVÂNICA OU D E PAR BIMETÁLICO

Figura 6.9: Corrosão da estrutura metálica interna da Estátua da Liberdade.

A torre metálica em treliça, feita em aço da Estátua da Liberdade, está exposta a corrosão

galvânica. São corrosões que se formam em função da água, que estimulam a formação

de células galvânicas na superfície da estrutura.

O meio de impedir esse tipo de corrosão é com revestimentos protetores.

Utilizando um metal como (Ânodo) para se sacrificar no lugar do metal a ser protegido

(Catodo). Deve-se tomar cuidado ao tipo de metal q será usado para revestimento, quanto

ao potencial corrosivo. O material anódico não pode ter potencial corrosivo parecido com

o metal catódito.

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CORROSÃO EM FENDAS OU FRESTAS

Figura 6.10: Corrosão de Tubulações e viga calçadas por almofadas.

A imagem acima mostra um processo de corrosão de duas tubulações metálicas calçadas

por almofadas de borracha sobre vigas metálicas. A corrosão em frestas consiste em uma

das formas de ataque mais incidente e menos reconhecida. Este tipo de corrosão

localizada é um problema que em geral envolve os metais passiváveis e, portanto,

materiais relativamente resistentes à corrosão, como, por exemplo, aços inoxidáveis,

titânio e alumínio. Por esta razão, a corrosão em frestas é frequentemente negligenciada,

levando a falhas prematuras de estruturas e equipamentos, algumas vezes com

consequências catastróficas.

Alternativas para a solução:

a) A pouco mais de uma década vem se usando de forma incipiente suportes de alta

resistência de material termoplástico. A configuração meia-volta onde o tubo é

apoiado minimiza a fresta não permitindo a acumulação de água. Permite fácil

inspeção e manutenção no suporte. O contato de metal-a-metal é eliminado se

utilizado com um parafuso revestido, sendo a tubulação completamente isolada da

estrutura de suporte;

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b) Podemos também substituir as almofadas por abraçadeiras. Ao utilizar essas

braçadeiras em U, é importante aplicar uma manga de poliolefina sobre a haste do

parafuso. Isto reduz o risco de quebrar a película de tinta em torno do tubo

fornecendo a combinação certa de dureza e durabilidade para proteger a pintura da

tubulação, evitando criação de uma fresta capilar em torno da circunferência do

tubo;

Exemplo 01: Modelo de abraçadeira numa tubulação metálica sobre uma viga.

c) Outra alternativa interessante para se evitar a corrosão por frestas na parede da

tubulação é a utilização de calhas de sacrifício (chapas de aço sobrepostas fixadas

na parede externa do tubo), na região dos suportes juntamente com aplicação de

fixador (pasta polímero).

A aplicação desse polímero entre a chapa de sacrifício e a tubulação, por meio de

solda a frio, fixa as calhas nos suportes de tubulações aéreas, evitando o processo

de solda elétrica que gera no metal regiões de fragilização térmica, aumentando

significativamente a susceptibilidade à corrosão nestes pontos. A função desse

polímero é a fixação calha de sacrifício com a tubulação eliminando o contato da

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parede da tubulação com a calha. Essa calha de sacrifício afasta a fresta da

tubulação, deixando a calha de sacrifício fazer sua função (corroer no lugar da

tubulação).

Essa alternativa pode ser utilizada em tubulações que trabalhem até 175°C

aproximadamente.

Exemplo 02: Modelo de calha de sacrifício numa tubulação metálica.

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CORROSÃO INTERGRANILAR EM AÇOS INOXIDÁVEIS

Figura 6.11: Corrosão intergranular da treliça de uma ponte.

O pilar acima é feito em aço inoxidável e está exposto a corrosão intergranular que

consiste num ataque corrosivo localizado nos limites de grão ou em zonas adjacentes aos

limites de grão de uma liga metálica. Ou seja, nos pontos de solda e é designado por

envelhecimento da soldadura.

Esse tipo de corrosão pode ser controlado através de:

a) Recurso a um tratamento térmico de solubilização a alta temperatura, após a

operação de soldadura. Se a junta soldada for aquecida até uma temperatura entre

500 e 800ºC e em seguida for arrefecida rapidamente em água, é possível

redissolver os carbonetos de crômio, obtendo-se novamente uma solução sólida;

b) Adição de um elemento que se combine com o carbono do aço, impedindo a

formação de carbonetos de crômio. Usam-se adições de Nióbio e de Titânio,

respectivamente, para os aços do tipo 347 e do tipo 321. Estes elementos têm

maior afinidade para o carbono do que o crômio. Os aços inoxidáveis que contém

adições de Ti ou Nb dizem-se estar na condição estabilizada;

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c) Diminuição do teor de carbono para valores de cerca de 0,03 % pond. ou menos,

de modo que não possa ocorrer uma precipitação significativa de carbonetos de crômio.

Por exemplo, o aço inoxidável do tipo 304L tem um teor de carbono deste nível.

Figura 6.12: Deterioração de um pilar de estrutura predial.

Essa estrutura predial feita em aço, tem uns pilares exposto pela corrosão intergranular

designado por envelhecimento da soldadura. A solução pode ser com um ou mais

métodos descritos abaixo:

a) Recurso a um tratamento térmico de solubilização a alta temperatura, após a

operação de soldadura. Se a junta soldada for aquecida até uma temperatura entre

500 e 800ºC e em seguida for arrefecida rapidamente em água, é possível

redissolver os carbonetos de crômio, obtendo-se novamente uma solução sólida;

b) Adição de um elemento que se combine com o carbono do aço, impedindo a

formação de carbonetos de crômio. Usam-se adições de Nióbio e de Titânio,

respectivamente, para os aços do tipo 347 e do tipo 321. Estes elementos têm

50

maior afinidade para o carbono do que o crômio. Os aços inoxidáveis que contém

adições de Ti ou Nb dizem-se estar na condição estabilizada;

c) Diminuição do teor de carbono para valores de cerca de 0,03 % pond. ou menos,

de modo que não possa ocorrer uma precipitação significativa de carbonetos de crômio.

Por exemplo, o aço inoxidável do tipo 304L tem um teor de carbono deste nível.

CORROSÃO SOB TENSÃO (CST).

Figura 6.13: Corrosão do entroncamento de uma edificação.

A estrutura acima é feita em aço e está exposta a corrosão sob tensão que consiste numa

fissuração provocada por efeitos combinados de uma tensão de tração e de um ambiente

corrosivo específico que atuam sobre o metal.

Um ou mais métodos podem impedir ou reduzir a CST nos metais:

a) Baixar a tensão no material metálico para um valor inferior ao que provoca

fissuração. Isto pode ser conseguindo através da diminuição da tensão aplicada ao

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material ou, no caso de tensões residuais, através de um recozimento para alívio

de tensões. Nos aços-carbono, o recozimento para alívio de tensões é realizado no

intervalo entre 600 e 650 º C, e nos aços inoxidáveis austeníticos no intervalo entre

815 e 925 ºC;

b) Eliminar o ambiente prejudicial;

c) Escolher outro material metálico, caso não se possam mudar nem o ambiente nem

o nível de tensão. Por exemplo, usar titânio em vez de aço inoxidável em

permutadores de calor em contato com a água do mar;

d) Aplicar proteção catódica através da utilização de anodos sacrificiais ou de uma

fonte de correte externa;

e) Adicionar de inibidores, caso seja possível.

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DETERIORIZAÇÃO POR CAVITAÇÃO

Figura 6.14: Corrosão por deterioração da hélice de um navio.

As pás da hélice de um navio são feitas em aço. A figura acima mostra uma pá que foi

exposta a deterioração por cavitação. Se trata de um tipo de corrosão com erosão

provocado pela formação e recebimento de bolhas de ar, ou de cavidades cheias com

vapor, junto à superfície de um metal que está imerso num líquido.

Para esse tipo de corrosão não há tratamento. A solução é trocar a hélice destruída

por uma nova.

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CORROSÃO POR DESGASTE OU FRICÇÃO

Figura 6.15: Porto exposto a corrosão por desgaste.

O porto acima tem a sua construção em concreto com armadura não galvanizada e os

pilares imersos no mar feitos em aço. Toda a estrutura está exposta a corrosão por

desgaste. Ocorre nas interfaces de materiais que estão pressionados entre si e sujeitos a

vibrações e escorregamentos. A corrosão por desgaste aparece sob a forma de estrias ou

picadas rodeadas por produtos de corrosão. Para esse tipo de obra existem várias

soluções como proteção catódica e o revestimento da armadura com concreto. Os pilares

se estivem em condições úteis, devem ser revestidos com um material anódico para reter

a deterioração.

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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Smith, William F. – Princípios de Ciências e Engenharia dos Materiais, 3ª Ed., editora

McGRAW-Hill;

Van Vlack, Lawrence H – Princípios de Ciência dos Materiais, editora Blucher.

Callister jr., W. D. Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução. 5º Edição. ed.

[S.l.]: LTC.

Chiaverini, V. Tecnologia Mecânica Estrutura e Propriedades Mecânicas Volume I. 2º

Edição. ed. [S.l.]: Editora McGraw-Hill, 1986.

Padilha, Ângelo F. Materiais de Engenharia. Curitiba, PR. Editora: Hemus, 2000.

Silva, A. L. V. D. C. E. Aços e ligas especiais. 3°. ed. São Paulo: Edgard Blucher, 2013.