A constante evolução dos materiais de engenharia

Materiais de Construção Mecânica


A utilização de materiais para fabricação de ferramentas e equipamentos, vem desde os primórdios da humanidade. A seleção dos materiais é uma etapa de extrema importância para a fabricação de ferramentas e equipamentos, um exemplo clássico para a observação da importância do material para a sua aplicação, é, se os primatas tivessem usado um pedaço de madeira para realizar uma tarefa de corte seria quase impossível que esse corte seja realizado, não é mesmo? Do mesmo modo seria usar uma pedra afiada para fazer uma fogueira, dessa forma é possível entender que as melhores ferramentas são aquelas fabricadas usando o material correto para a aplicação correta. Até a descoberta dos materiais de alta performance que existem hoje, os materiais utilizados eram materiais facilmente encontrados na natureza. Seguindo uma ordem crescente de complexidade, abaixo está listado uma lista com alguns materiais bastantes utilizados pelo homem.

  • Pedras, madeiras e fibras;

  • Bronze, ferro e outros metais;

  • Borrachas e polímeros;

Cerâmicas, ligas de alto desempenho e materiais compósitos.

Com o avanço da ciência e tecnologia os materiais que usamos hoje para realizar todos os tipos de projetos e construção de equipamentos, passam por diversas etapas de estudos e testes para que a integridade física e química desses materiais possam ser preservadas por bastante tempo, buscando sempre o material com as melhores propriedades e menor custo. Na engenharia mecânica os materiais mais usados são os aços e suas ligas, no entanto, cada elemento de liga apresenta um benefício ao aço.


Aços e suas Ligas


Aços são conceituados como uma liga binaria que contém o ferro como elemento principal e carbono como o elemento de liga que varia de 0,002 a 2,11%, no entanto outros elementos são encontrados na forma de impureza. Entretanto quando outros elementos de liga são incorporados, acrescentando diversas características são a liga, beneficiando assim sua resistência ao desgaste, a corrosão, a elevadas temperaturas entre outros benefícios. Os principais elementos de ligas utilizados na indústria são: Cromo, Níquel, tungstênio, silício e etc.


Cromo


O cromo é um dos elementos de ligas que melhor beneficia o aço, atuando no refino da estrutura granular fazendo com que ocorra um aumento tanto na tenacidade, quanto na dureza, produzindo assim aços tão duros quanto aços com teores de carbono mais elevados, isso se dá devido a formação de vários carbonetos de extrema dureza.


Níquel


A adição de níquel ao aço faz com que ocorra um deslocamento do ponto eutetóide para a esquerda, aumentando o intervalo crítico de temperatura. O níquel aumenta a resistência sem que ocorra perdas na ductilidade do material, isso ocorre devido a solubilidade do níquel na ferrita sem que ocorra a formação de carbonetos ou óxidos.


Tungstênio


Devido a suas caraterísticas o tungstênio é muito usado em ferramentas, pois apesar de ser aquecidos a altas temperaturas, mantém sua dureza elevada. Por possuir uma estrutura densa e fina, confere a liga boa dureza e tenacidade.


Silício


O silício é comumente usado como agente desoxidante, quando utilizado em conjunto com outros elementos de liga o silício atua estabilizando os carbonetos, os principais elementos usados com o silício são, manganês, cromo e vanádio.


Ferro Fundido


Os ferros fundidos apresentam importância fundamental para indústria e constituem um grupo importante dentre as ligas metálicas. Além das características intrínsecas do próprio ferro fundido, foram incrementados benefícios como a inclusão de elementos de ligas bem como tratamentos térmicos, assim aumentando sua utilização no meio industrial. Dessa forma, é de extrema importância o estudo dos ferros fundidos para todo engenheiro mecânico.

Se estudado apenas pelo diagrama de equilíbrio ferro-carbono, o ferro fundido é caracterizado como uma liga Fe-C com porcentagem de carbono entre 2,11 a 6,7%. No entanto quando estudado mais a fundo, o ferro fundido pode ser considerado como uma liga ternaria Fe-C-Si, devido a influência do Si nas propriedades dos fundidos.

Chiaverine classifica os ferros fundidos da seguinte forma:

“Ferro fundido é uma liga ferro-carbono-silício, de teores de carbono geralmente acima de 2% em quantidade superior à que ser retida em solução sólida na austenita, de modo a resultar carbono parcialmente livre, na forma de veios ou lamelas de grafita”

Dentro da definição geral, os fundidos são separados por tipo de liga e os principais são: Ferro fundido cinzento, branco, mesclado, maleável e nodular.


Materiais aprimorados


Compósitos


Os compósitos são materiais formados através da união de materiais com o objetivo de melhorar as características e propriedades do material final. Com o avanço tecnológico foi possível a criação de materiais com características superiores, para exemplificar, os compósitos consistem na união de dois materiais com características distintas e excelentes propriedades mecânicas individuais, ao fazer a união desses materiais, suas propriedades individuais permanecem e esse novo material possui as características e propriedades dos materiais que foram unidos. Exemplos simples de compósitos são obtidos ao se fazer combinações entre metais, polímeros e cerâmica (metal + polímero, metal + cerâmica e polímero + cerâmica).


Ligas memoria de forma


Shape Memory Alloys (SMA), conhecida no Brasil como ligas memória de forma, são materiais metálicos que apresentam como principal característica retornar ao seu estado inicial quando submetido a uma tensão e logo após exposto a uma temperatura, pressão ou outras condições de tensão. Os efeitos memória de forma são adquiridos devido à mudança na estrutura cristalina do material, que são influenciáveis através da temperatura e/ ou tensão a quais estão sujeitas. Por exemplo, quando uma liga com memória de forma se encontra num estado de arrefecimento ou abaixo da sua temperatura de transformação, esta apresenta um limite de elasticidade muito baixo e pode ser facilmente trabalhada e forçada a sua adaptação a qualquer forma que irá manter. Quando este material é exposto a temperaturas acima da sua temperatura de transformação, a sua estrutura cristalina sofre alterações e consequentemente retornando à sua forma inicial.

Algumas dessas ligas são:

  • Níquel-Titânio

  • Cobre-Zinco-Alumínio

  • Cobre-Zinco-Níquel

  • Prata-Cadmio

  • Ouro-Cadmio

  • Cobre-Estanho

  • Cobre-Zinco

  • Níquel-Alumínio

  • Ferro- Platina

  • Magnésio-Cobre

  • Ferro-Magnésio

Superligas


As superligas são ligas metálicas que tem como base os seguintes materiais, níquel, cobalto ou ferro-níquel. Geralmente as superligas apresentam estruturas cristalina austenita cubica de face centrada. Essas ligas de alto desempenho apresentam elevada resistência mecânica, à fluência, a altas temperaturas, boa estabilidade superficial e excelente resistência a corrosão. O desenvolvimento das superligas tem dependido muito de inovações na química e nos processos e tem sido impulsionada sobretudo pelas indústrias aeroespacial e da energia. As aplicações típicas nas indústrias aeroespacial, das turbinas a gás industriais e de turbinas marinhas, por exemplo nas lâminas de turbinas para secções quentes de motores a jato, e válvulas de motor bimetálicas usadas em aplicações diesel e automóveis.


Hastelloy


É uma liga de níquel-ferro-molibdênio reforçada por solução sólida que combina boa resistência à oxidação, alta resistência em temperatura elevadas e excelente resistência ao estresse-corrosão, o que torna esta liga também interessante para aplicações petroquímicas.

Inconel


As ligas inconel são ligas com excelentes propriedades mecânicas, possuindo composição variada e recebe classificação a partir do teor dos elementos de liga, os principais elementos dessas ligas são, Ni, Cr e Fe, porém podem ser acrescentados Nb, Mo e W, esses elementos são responsáveis por beneficiar suas propriedades. Principais ligas Inconel 600, 625 e718.


Monel

As liga monel são umas das mais indicadas para aplicações que exigem alta resistência à corrosão nas aplicações em meios severos de ácidos fortes e básicos alcalinos. A presença de Cromo, Molibdênio, Tungstênio, Titânio, Alumínio, Nióbio e Cobre, são os elementos complementares na composição química que proporcionam resistência à corrosão, dureza, resistência mecânica, tenacidade e propriedades de resistência à altas temperaturas.

Fontes: Aços e ferro fundido (Chiaverine), infoescola, BetaEQ, Wikipédia, Edisciplinas.USP, Woodhead Publishing .

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