CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA DO PARANÁ

DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE MECÂNICA

LABORATÓRIO DE SOLDAGEM E ASPERSÃO TÉRMICA

Professor Fábio Martins

PROCESSOS DE FABRICAÇÃO VPROCESSOS DE FABRICAÇÃO V

INTRODUÇÃO À METALURGIA FÍSICA

Me.ta.lur.gi.a sf (gr metallourgía)

1 Arte de extrair os metais e de os manipular

industrialmente. 2 O estudo das técnicas dessa arte: Curso

de metalurgia.

Os corpos sólidos, e em particular os metais, tem

muitas de suas propriedades relacionadas com a estrutura.

A estrutura, por sua vez, é influenciada pelos

processamentos sofridos pelo metal até que este atinja sua

forma e tamanho finais.

O termo estrutura é muito geral, e compreende desde

aspectos grosseiros, com dimensões superiores a 0,1 mm

(macroestrutura) até detalhes da organização interna dos

CEFET-PR

1

átomos (estrutura eletrônica). Estes níveis de ordem de

grandeza são subdivididos de acordo com a tabela I.

Tabela I – Classificação dos níveis de estrutura segundo a ordem de grandeza

Nível

Estrutural

Dimensões

aproximadas

Exemplos de

técnicas de estudo

Detalhes

identificados

Macroestrutura > 100 m Macrografia,

radiografia

Segregação,

trincas, porosidade

Microestrutura

100 m a 0,1 m

Microscopia

óptica,

microscopia

eletrônica de

varredura (MEV)

Tamanho de grão,

microconstituintes,

microtrincas

0,1 m a 1ÅMicroscopia

eletrônica de

transmissão (MET)

Precipitados

submicroscópicos

Estrutura

cristalina 10 Å a 1 ÅDifração de

Raios – X

Células unitárias,

parâmetros de

rede, defeitos

cristalinos

Estrutura

eletrônica

< 1 Å Espectroscopia de

emissão óptica

Níveis atômicos,

defeitos

eletrônicos

2

ESTRUTURA CRISTALINA

Os átomos de um metal no estado sólido se agrupam

em padrões definidos, que por sua forma geométrica, são

comparados à cristais. Este arranjo atômico se caracteriza

pela repetição, em 3 dimensões, desta forma cristalina

básica. A grande maioria dos metais segue 3 arranjos

básicos: Cúbico de Corpo Centrado (CCC), Cúbico de

Face Centrada (CFC) e Hexagonal Compacto (HC),

conforme exemplifica a tabela II.

Tabela II – Exemplos de estruturas cristalinas dos metais

mais comuns

Estrutura cristalina Exemplo

CCC Fe (abaixo de 910 ºC), Fe

(entre 1390 ºC e 1534 ºC),

Cr, V, Mo, W, Nb

CFC Fe (entre 910 ºC e 1390 ºC),

Al, Ag, Au, Cu, Ni, Pt

3

HC Zn, Mg, Be, Zr, Hf

O tipo de estrutura cristalina está intimamente

relacionado com as propriedades do metal. Por exemplo,

metais com estrutura CFC apresentam elevada dutilidade,

tenacidade e condutividades elétrica e térmica. Alguns

metais assumem mais de uma configuração cristalina, de

acordo com a temperatura e pressão ambientes, como, por

exemplo, o ferro: à temperatura ambiente e pressão

normal, o ferro tem estrutura CCC (ferro ), estrutura

mantida até 910 ºC. Entre 910 ºC e 1390 ºC assume

estrutura CFC (ferro ), e entre 1390 ºC e 1534 ºC, volta a

Ter estrutura CCC (ferro ).

4

Uma das características dos cristais, também

chamados de células unitárias, é a de ter uma direção

preferencial de crescimento, durante a solidificação. Um

metal, ao solidificar, necessita de um substrato sólido para

servir de âncora para o crescimento da estrutura cristalina.

Este substrato é chamado de núcleo. Em um metal

fundido, prestes a solidificar, quanto maior for o número

de núcleos maior será a quantidade de grãos. A orientação

espacial do núcleo determina a direção de solidificação e

crescimento da estrutura cristalina. Se existirem 2 ou mais

núcleos, com orientações distintas, estes irão gerar

estruturas cristalinas com direções de crescimento

distintos. Em determinado momento, ao se encontrarem,

uma das estruturas cristalinas irá se sobrepor à outra,

truncando seu crescimento. Tal fenômeno é conhecido por

crescimento competitivo. A região de separação entre duas

estruturas cristalinas é chamada de contorno de grão.

Nesta região os átomos são levemente deslocados de suas

posições normais, provendo uma região de transição entre

as estruturas cristalinas discordantes. Um grão nada mais é

5

do que um conjunto de células unitárias que cresceu em

um único sentido.

Embora os metais puros sejam eventualmente

utilizados industrialmente, as ligas tem maior aplicação.

Por liga metálica entende-se uma mistura de um metal

com um ou mais elementos diferentes, metálicos ou não,

chamados de elementos de liga. Contudo, ligas e metais

puros inevitavelmente irão conter uma certa quantidade de

outros elementos, chamados de elementos residuais ou

simplesmente impurezas. A presença de elementos de liga

e impurezas afeta radicalmente as propriedades dos

metais. Por exemplo, a presença de carbono no ferro,

formando a conhecida liga de ferro e carbono chamada de

aço, ou de zinco no cobre (latão) tende a aumentar a

resistência mecânica e a dureza e a diminuir a

condutividade térmica.

Na estrutura cristalina dos metais (também chamada

de matriz metálica) um elemento de liga pode estar

presente em solução sólida ou então dar origem a novas

fases. Uma fase é definida como uma parte homogênea do 6

sistema (no caso, a liga metálica) cujas composição,

propriedades físicas e químicas são idênticas ao longo de

seu domínio, que está separado das outras partes do

sistema por uma superfície de divisão visível, chamada

interface. Como exemplo pode-se citar a mistura de água e

gelo. Para a metalurgia física esta definição é muito rígida,

aceitando-se, por exemplo, pequenas variações de

composição química dentro de uma fase.

Uma solução sólida pode ser de 2 tipos: intersticial

ou substitucional.

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A solução intersticial ocorre quando os átomos do

elemento de liga são significativamente menores que os

átomos da matriz metálica. Os átomos do elemento de liga

se alojam nos espaços entre as células.

A solução substitucional acontece quando os átomos do

material e do elemento de liga tem tamanhos

aproximadamente iguais. Neste caso ocorre a substituição

de um dos átomos do metal pelo do elemento de liga.

Uma estrutura cristalina perfeita, ideal, é

necessariamente irreal. Na realidade, em uma rede

cristalina existe uma quantidade de defeitos muito grande,

cujos principais são:

Lacunas: ausência de um átomo na célula unitária

Defeito intersticial: presença de um átomo um uma

posição do cristal que não deveria estar ocupada

(interstício).

Deslocação ou discordância: defeito linear caracterizado

como uma distorção na rede cristalina que pode ser

caracterizada como uma linha.

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Contorno de grão: É a superfície de separação entre

grãos adjacentes sendo, portanto, um defeito superficial

e que resulta das diferenças de orientação cristalina

entre os grãos.

O acúmulo de imperfeições na rede cristalina tende a

tensionar a mesma, diminuindo a dutilidade do material

e aumentando sua resistência mecânica.

FASES PRESENTES NOS AÇOS

Os aços são ligas de ferro com, no máximo, 2 % de

carbono em peso, contendo ainda outros elementos,

resultantes do processo de fabricação (impurezas ou

elementos residuais) ou adicionados intencionalmente

(elementos de liga). No primeiro caso temos os aços

carbono e no segundo, aços ligados.

De acordo com o teor de elementos de liga, os aços

ligados podem ser subdivididos em baixa (teor de

elementos de liga inferior a 5%), média (entre 5 e 10%) e

alta liga (superior a 10%).

9

Variações na composição química e tratamentos

térmicos e mecânicos aplicados durante a fabricação

possibilitam a obtenção de aços com propriedades

variando dentro de uma ampla faixa. Esta extensa gama de

propriedades, juntamente com o baixo custo e facilidade

de obtenção explicam a enorme utilização atual do ferro,

particularmente na forma de aço, como material de

engenharia.

Para o estudo dos efeitos da soldagem no aço é

necessário um conhecimento prévio de sua microestrutura

e de como esta pode ser alterada pelos tratamentos

térmicos e variações de composição química. Para isto,

inicialmente veremos o diagrama de equilíbrio Fe-C.

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Campo : Austenita (CFC)

Resfriamento: Transformação em ferrita e perlita (ferrita +

cementita)

Ferrita: macia, dútil e tenaz, contudo a baixas

temperaturas torna-se frágil

Perlita: mais duro e menos tenaz, composto por ferrita e

cementita, um carboneto de ferro (Fe3C)

A proporção de perlita aumenta gradativamente até

que, para um aço com 0,8% de carbono a estrutura de

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solidificação é 100% perlítica. Acima de 0,8% a estrutura

passa a ser de perlita e cementita.

As relações e estruturas finais de solidificação

mostradas nos diagramas de equilíbrio são verdadeiras

apenas para estas situações, ou seja, de equilíbrio, com o

material a temperaturas homogêneas e resfriamento lento,

condições que não se verificam durante a soldagem.

Quando a velocidade de resfriamento aumenta, a

temperatura de transformação da austenita torna-se menor.

Menores temperaturas de transformação implicam em

menor mobilidade atômica, isto é, maior dificuldade para

a formação das fases mostradas anteriormente, perlita,

ferrita e cementita. Devido a estas condições, surgem as

chamadas fases metaestáveis: bainita e martensita.

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A bainita, da mesma forma que a perlita, é um

agregado de ferrita e carbonetos, porém com maior

dureza. É formada, basicamente, de lâminas ou agulhas de

ferrita com uma fina dispersão de carbonetos. A

martensita, por sua vez, é uma fase metaestável não

prevista nos diagramas de equilíbrio Fe-C. Tem estrutura

cristalina tetragonal de corpo centrado (semelhante ao

CCC, mas com uma das arestas maior do que as outras),

uma morfologia de lâminas ou agulhas e é o constituinte

de maior dureza nos aços.

As fases formadas em função da velocidade de

resfriamento podem ser previstas com o auxílio dos

diagramas TRC (velocidade de resfriamento constante),

representados esquematicamente abaixo.

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TRATAMENTOS TÉRMICOS DOS AÇOS

Tratamentos térmicos podem ser definidos como

processos em que um metal no estado sólido é submetido

a um ou mais ciclos térmicos de aquecimento e

resfriamento para alterar, da forma desejada, uma ou mais

de suas propriedades. Os aços podem ser submetidos a

14

tratamentos térmicos visando a um dos seguintes

objetivos:

Remover as tensões induzidas pelo trabalho a frio ou

remover as tensões originadas pelo resfriamento não

uniforme de peças aquecidas.

Diminuir a dureza e aumentar a dutilidade

Aumentar a dureza, a resistência mecânica e a

resistência ao desgaste.

Aumentar a tenacidade de forma a combinar uma alta

resistência à tração e uma boa dutilidade, permitindo

suportar choques de maior intensidade.

Melhorar a usinabilidade

Melhorar as propriedades de corte das ferramentas

Alterar as propriedades elétricas e magnéticas.

Os principais tratamentos térmicos são abordados a

seguir.

Têmpera: Consiste do aquecimento do aço até a

temperatura de austenitização, seguido de um resfriamento

rápido o suficiente para permitir a formação de martensita.

A têmpera pode causar um aumento significativo na

dureza e resistência dos aços, particularmente daqueles 15

com maior teor de carbono. Contudo, o aumento da

resistência é acompanhado por uma perda proporcional de

dutilidade.

Revenimento, ou revenido: Normalmente realizado após a

têmpera, com o objetivo de diminuir a fragilidade do aço,

com alguma perda de dureza. É realizado a temperaturas

inferiores à de austenitização.

Recozimento: Este tratamento tem como objetivo obter no

material uma estrutura próxima àquelas exibidas em

diagramas de equilíbrio. Após o recozimento o aço tende a

se tornar macio, dútil e fácil de ser dobrado (maleável) e

cortado. Consiste da austenitização do material seguido de

resfriamento lento, normalmente dentro do forno.

Normalização: Consiste da austenitização do material

seguido de resfriamento ao ar. É utilizado para a obtenção

de uma estrutura mais fina e mais dura do que a obtida

pelo recozimento, e para tornar a estrutura mais uniforme

ou melhorar a usinabilidade.

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Alívio de tensões: Consiste do aquecimento do material a

temperaturas abaixo da de austenitização, com o objetivo

de minimizar as tensões internas do material, resultantes

de processos de conformação mecânica, soldagem, etc.

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QUESTÕES PROPOSTAS

1. Se eu desejo determinar o tamanho de grão de um aço,

que tipo de técnica devo utilizar? Esta determinação

pode ser caracterizada como macrografia ou

micrografia? Por quê?

2. Defina estrutura cristalina de um metal.

3. Explique o fenômeno do crescimento competitivo.

4. Defina contorno de grão.

5. O que você entende por fase?

6. Defina solução sólida e explique os tipos que podem

ocorrer.

7. Em condições de equilíbrio, quais são as fases que

surgem em aços com composição química variando

entre 0 a 0,8%?

8. Quais as condições para o surgimento das fases

metaestáveis?

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