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UNIVERSIDADE FEDERAL DA PARAIBA Mecanismos de tenacificacao

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    UNIVERSIDADE FEDERAL DA PARAÍBA CENTRO DE TECNOLOGIA - CT DEPARTAMENTO DE ENGEHARIA DE MATERIAIS CURSO DE ENGENHARIA DE MATERIAIS Aluno:  Manoel da Cruz Barbosa Neto  –   11211945 Mecanismos de Tenacificação dos Materiais   João Pessoa  –   PB Fevereiro de 2014.  INTRODUÇÃO A ocorrência de falhas em materiais é um evento indesejável por inúmeras razões, as quais incluem vidas humanas que podem ser colocadas em risco, perdas econômicas e a interferência com a disponibilidade de produtos e serviços. Embora as causas das falhas e o comportamento dos materiais possam ser conhecidos, a prevenção de falhas é difícil de ser garantida. As causas comuns são a seleção e o processamento inadequados de materiais, além do projeto inadequado ou da má utilização de um componente. Também podem ocorrer danos às partes estruturais durante o serviço, e a inspeção regular e o reparo ou substituição são críticos para um projeto seguro. A possibilidade do estudo e identificação das propriedades mecânicas dos materiais surge como um objeto de suma importância para o melhoramento da qualidade dos materiais já existentes e para criação de novos materiais mais duráveis/resistentes para utilização nas mais diversas áreas. Atualmente os materiais sólidos foram agrupados convenientemente em três categorias  básicas: metais, cerâmicas e polímeros. Porém, existem ainda outras classes de materiais resultantes de combinações de um ou mais materiais das classes anteriormente citadas. Diante disso, os estudos apresentados aqui se enfocam as principais classes de materiais, uma vez que servem de base para todas as outras. MECÂNICA DA FRATURA Todas as fraturas nos materiais resultam da formação e propagação de uma trinca, mas diferentes tipos de materiais respondem à formação de trincas de maneira bem diferente. Materiais dúcteis apresentam deformação plástica substancial na área da trinca. O material especialmente se adapta à presença da trinca. O crescimento da trinca tende a ser lento e, em alguns casos, a trinca se torna estável e não crescerá a menos que se aumente a tensão aplicada. Materiais dúcteis tendem a fraturar no modo taça e cone, no qual uma parte tem um centro plano com uma borda elevada, como uma taça, enquanto a outra parte tem uma ponta aproximadamente cônica; ou uma fratura cisalhante causada por uma força cisalhante lateral. Materiais frágeis se comportam diferentemente. Eles não podem sofrer deformação  plástica necessária para estabilizar a trinca sem se romperem. Como resultado disso, pequenas trincas se propagam espontaneamente, semelhante ao que ocorre com uma pequena trinca no  para-brisas de um carro, resultando na fraturo de todo o para-brisas. Materiais frágeis tendem a formar uma superfície de fratura, por clivagem, mais simples.  TENACIDADE À FRATURA A tenacidade é uma medida da habilidade de um material em absorver energia até a sua fratura. Fatores importantes para definir esta propriedade é a forma geométrica do corpo de  prova, bem como a maneira com que a carga é aplicada. Para uma elevada taxa de deformação e a presença de um entalhe no corpo de prova, a tenacidade ao entalhe é verificada com o uso de um ensaio de impacto. A tenacidade a fratura é também uma propriedade indicativa da resistência do material a fratura quando este possuir uma trinca. Para situações onde o processo é estático a tenacidade pode ser avaliada a partir dos resultados de um ensaio tração-deformação em tração. Ela representa a área sob a curva obtida até o ponto de fratura. As unidades para a tenacidade são as mesmas do que para as da resiliência (energia por unidade de volume do material). Para um material apresentar características tenazes, ele deve apresentar tanto resistência quanto ductilidade, e frequentemente materiais dúcteis são mais tenazes do que materiais frágeis, figura 1. Assim sendo, embora os materiais frágeis tenham maior limite de escoamento e maior limite de resistência a tração, ele possui menor tenacidade do que o material dúctil, em virtude da sua falta de ductilidade. Esta propriedade é desejável para peças sujeitas a choque e impactos como engrenagens, correntes, etc. A figura 1 mostra diagramas típicos para um aço de alto teor de carbono (para molas, por exemplo) e um de médio/baixo teor (para estruturas por exemplo). O aço ferramenta representa uma parte importante do segmento de aços especiais. Eles são empregados na fabricação de matrizes, moldes, ferramentas de corte, ferramentas para a conformação de chapas, etc. Este tipo de aço se caracteriza por elevada dureza e resistência a abrasão. Tem boa tenacidade e mantém as propriedades de resistência mecânica mesmo sob  elevadas temperaturas, porém é um grande desafio de engenharia obter alta resistência e boa tenacidade, pois são propriedades antagônicas. Tais características são obtidas com adição de altos teores de carbono e ligas como tungstênio, molibdênio, vanádio, manganês e cromo. A maior parte dos aços ferramentas é forjada, outra  parte é por fundição de precisão ou por metalurgia do pó. A Figura 2 abaixo mostra a relação entre a resistência e a tenacidade. Podemos  perceber que as cerâmicas, por exemplo, são extremamente resistentes mecanicamente, porém tem uma tenacidade muito baixa e chega a ruptura com qualquer impacto de baixa intensidade. Já as borrachas têm uma elevadíssima tenacidade e uma baixa resistência mecânica, absorvendo muita energia antes de se romper. Em muitos casos, quando temos que obter propriedades antagônicas usam-se materiais compósitos para unir tais comportamentos em uma peça só. Um exemplo disto é a alumina que é um material cerâmico muito utilizado na engenharia devido a suas excelentes propriedades térmicas, químicas, mecânicas e elétricas. No entanto seu uso como cerâmica estrutural é limitado pela sua baixa tenacidade. Uma solução para isto é, por exemplo, adicionar uma fase dispersa na matriz de zircônia formando um compósito mais eficiente tanto para a resistência mecânica quanto para a tenacidade. Isto mostra o porquê da área roxa na Figura 2. Este  raciocínio serve também para, por exemplo, superfícies nitretadas ou carbonetadas, onde as  propriedades da superfície da peça são mais duras e resistentes, porém menos tenazes (com o núcleo da peça de um materia l tenaz para “unir” as propriedades).  A partir dos princípios da mecânica da fratura, foi desenvolvida uma expressão capaz de relacionar a tensão crítica de um material para propagação de uma trinca (σ c ) e o comprimento da trinca (a). Tal expressão é dada por:    √     Nessa expressão, K  c  é a tenacidade à fratura, uma propriedade que mede a resistência de um material a uma fratura frágil quando uma trinca está presente. Adicionalmente, Y é um  parâmetro ou função adimensional que depende tanto do tamanho quanto da geometria da trinca e da amostra, assim como do modo de aplicação da carga. Em relação ao parâmetro Y, para amostras planas contendo trincas muito menores que a largura da amostra, Y é aproximadamente igual a unidade. MECANISMOS DE TENACIFICAÇÃO MATERIAIS METÁLICOS Os mecanismos de tenacificação para essa classe de materiais, entre outros meios,  podem ser dados a partir de tratamentos térmicos como o recozimento. Recozimento refere-se a um tratamento térmico no qual um material é exposto a uma temperatura elevada durante um  período de tempo prolongado e então é resfriado lentamente. Normalmente, o recozimento é realizado para aliviar tensões, reduzir a dureza e aumentar a ductilidade e tenacidade; e/ou  produzir microestrutura específica. Diversos tratamentos de recozimento são possíveis; esses tratamentos são caracterizados pelas mudanças que são induzidas, as quais muitas vezes são microestruturais e são responsáveis pela alteração das propriedades mecânicas. Alguns desses tratamentos são:  Recozimento Intermediário: É um tratamento aplicado para anular os efeitos do trabalho à frio  –   isto é, para reduzir a dureza e aumentar a ductilidade e tenacidade de um metal que foi  previamente encruado. O recozimento intermediário é utilizado comumente durante  procedimentos de fabricação que requerem extensa deformação plástica, para permitir a continuidade da deformação sem fratura ou um consumo excessivo de energia. Permite-se que os processos de recuperação e recristalização ocorram. Normalmente, deseja-se uma microestrutura com grãos finos e, portanto, o tratamento térmico é encerrado antes que ocorra um crescimento apreciável dos grãos.
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