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Microestrutura e comportamento mecânico

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Teoria

Fala aí! Hoje vamos bater um papo mais detalhado sobre a microestrutura dos materiais e descobrir como isso aí influencia nas propriedades dos materiais.

Não deixa de conferir também esses tópicos anteriores aqui 😁

O que é a Microestrutura do Material?

Olha só que definição difícil: a microestrutura é a estrutura do material vista em uma escala microscópica.

É só isso, acabou por hoje 🙂

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Brincadeira! É claro que você não vai se contentar só com isso aí, né? Bora botar um pouquinho mais de detalhes nessa história.

Se a gente quiser ser mais detalhistas, a microestrutura de um material é todo o conjunto de fases, falhas, defeitos, impurezas e grão desse material. Tudo isso, quando visualizado sob as lentes de um microscópio, revela a microestrutura do material em questão.

Influência da microestrutura nas propriedades do aço

A análise da microestrutura de um material permite identificar grande parte de suas características e de seus componentes. Isso ajuda na hora de decidir qual material vai ser mais adequado para uma determinada aplicação!

Saca só esses exemplos:

Microestrutura do aço.
Microestrutura do aço.

Este exemplo foi retirado de um trabalho científico. Um ataque químico com uma solução de ácido nítrico diluído foi utilizado para evidenciar os contornos e tamanho do grão do material. Essa parte mais clara da figura corresponde a uma matriz ferrítica as ilhas mais escuras são compostas por bainita ou martensita, que são componentes estruturais do aço.

Microscopia óptica do aço.
Microscopia óptica do aço.

Neste outro exemplo aqui, foi feito um ataque químico com metabissulfito de sódio. Esse ataque permite identificar a porcentagem de austenita retida no aço, a parte mais clara.

Tá, mas tudo isso parece muito específico, pra que eu vou querer saber a porcentagem de uma coisa que eu nunca nem ouvi falar no aço?

Ora, pensa aqui comigo: se a gente conhece a composição percentual de um material, bem como as propriedades mecânicas de cada componente, podemos adequar os tratamentos químicos e físicos para melhorar esse material de acordo com o que queremos!

Quê?

Olha só, essa segunda amostra que te mostrei aí, nesse mesmo trabalho, provou ter uma excelente ductilidade, o que o torna mais eficaz para uma série de aplicações industriais.

Enquanto isso, o aço daquele primeiro exemplo demonstrou limites de escoamento e resistência mais elevados, o que o torna mais adequado para a utilização em equipamentos de proteção, por exemplo.

Tudo isso são coisas que puderam ser determinadas por meio da análise da microestrutura das amostras quando submetidas a tratamentos físicos e químicos diferentes!

Influência da microestrutura na tenacidade

Tenacidade é a capacidade de um material absorver energia e se deformar plasticamente sem fraturas.

Se ocorre a redução do tamanho do grão ou do espaço interlamelar da perlita (um outro componente estrutural do aço), ocorre um aumento ou redução da tenacidade ao choque, respectivamente.

Influência da microestrutura na resistência a corrosão

Metais, em geral, são bem suscetíveis a corrosão, concorda? Mas e se a gente pudesse fazer algo contra isso?

Acontece que a gente pode!

Lembra que a microestrutura de um material envolve suas fases, ou os componentes, e as impurezas? Então, tudo isso contribui para uma maior ou menor resistência a corrosão.

Por exemplo, se adicionarmos o cromo a uma liga metálica, ele vai proporcionar a formação de uma camada apassivadora. Isso tem um aumento muito significante na resistência dessa liga quanto a corrosão!

Beleza, por aqui é só isso! Bora partir para alguns exercícios pra ficarmos por dentro de como podemos usar todas essas informações aí!

Exercícios Resolvidos

Exercício Resolvido #1

Elaboração própria

Cite quais são as variáveis que influenciam nas propriedades mecânicas do aço.

Passo 1

Tamanho de grão, espaçamentos interdendríticos e geometria

Resposta

Tamanho de grão, espaçamentos interdendríticos e geometria

Exercício Resolvido #2

Elaboração própria

Explique quais características microestruturais podem afetar a tenacidade do aço.

Passo 1

O tamanho de grão pode aumentar a tenacidade do material ao contrário do que ocorre quando há um aumento do espaço interlamelar da Perlita

Resposta

Tamanho de grão: aumentar a tenacidade

Aumento do espaço interlamelar: reduz a tenacidade

Exercício Resolvido #3

Elaboração própria

Diversas propriedades dos materiais são fortemente dependentes da microestrutura. Cite cinco exemplos.

Passo 1

Limite de escoamento, limite de resistência, alongamento, tenacidade e resistência ao impacto.

Resposta

Limite de escoamento, limite de resistência, alongamento, tenacidade e resistência ao impacto.

Exercício Resolvido #4

Elaboração própria

Cite quais são as propriedades que são melhoradas com a adição do titânio (Ti) ao aço.

Passo 1

Aumenta a resistência, promove a estabilização de carbonetos e a desoxidação.

Resposta

Forma carbonetos estáveis em temperaturas elevadas, refina o tamanho de grão, estabiliza a microestrutura e aumenta a resistência em altas temperaturas

Exercício Resolvido #5

Elaboração própria

Os elementos de liga podem influenciar em uma ou mais propriedades dos materiais metálicos, positivamente ou não. Explique sucintamente o que implica a adição de cromo na microestrutura do aço.

Passo 1

Pessoal, a adição de cromo é a cereja do bolo para os materiais metálicos, uma das principais desvantagens deste material é a corrosão, então quando adicionamos o Cr (cromo), pois ele ajuda na formação de uma camada passivadora , que se for estável e aderente, funciona como uma verdadeira barreira que impedira o avanço da corrosão.

Resposta

A adição de cromo ajuda na formação de uma camada passivadora , que se for estável e aderente, funciona como uma verdadeira barreira que impedira o avanço da corrosão.

Exercício Resolvido #6

Elaboração própria

Os elementos de liga podem influenciar em uma ou mais propriedades dos materiais metálicos, positivamente ou não. Explique sucintamente o que implica a adição de nióbio na microestrutura do aço.

Passo 1

Pessoal, a adição de nióbio forma carbonetos estáveis em temperaturas bemm elevadas, tornando esse elemento uma adição interessante com o propósito de refinar o tamanho de grão, estabilizar a microestrutura e aumentar a resistência em altas temperaturas, isso favorece para aplicações onde é necessário que a peça aguente altas temperaturas.

Resposta

Forma carbonetos estáveis em temperaturas elevadas, refina o tamanho de grão, estabiliza a microestrutura e aumenta a resistência em altas temperaturas

Exercício Resolvido #7

Elaboração própria

Sobre a influência da microestrutura na resistência dos aços a corrosão, determine a opção correta:

  1. Quanto maior a fração volumétrica de ferrita, menor é a resistência à corrosão
  2. Microestruturas de ferrita acicular apresentam bom desempenho a resistência à corrosão
  3. Microestruturas de perlita e martensita apresentam maior resistência à corrosão

Passo 1

Quanto maior a fração volumétrica de ferrita, maior a resistência à corrosão

Passo 2

Microestruturas de ferrita acicular apresentam bom desempenho a resistência à corrosão

Passo 3

Microestruturas de perlita e martensita apresentam menor resistência à corrosão

Resposta

Alternativa B

Exercício Resolvido #8

Elaboração própria

De forma geral o carbono é um dos elementos que mais influência na microestruturas dos metais, a influência também acontece na microestrutura da solda dos metais. Sendo assim, explique o que ocorre com a microestrutura dos metais quando adicionado em diferentes teores.

Passo 1

Galerinhaaa, não é indicado teores elevados de carbono para não formar martensita maclada. Então é fortemente aconselhado teores na faixa de 0,05 e 0,15%. Com isso pode se controlar a quantidade de carbonetos desenvolvidos, também beneficia a formação da ferrita acicular em lugar da ferrita de contorno de grão.

Resposta

Não é indicado teores elevados de carbono para não formar martensita maclada. Então é fortemente aconselhado teores na faixa de 0,05 e 0,15%. Com isso pode se controlar a quantidade de carbonetos desenvolvidos, também beneficia a formação da ferrita acicular em lugar da ferrita de contorno de grão

Exercício Resolvido #9

Callister - Ciência e Engenharia de Materiais. Uma Introdução – 8ªEd – Capitulo 10 – Perguntas e Problemas

Explique sucintamente por que a perlita fina é mais dura e mais resistente que a perlita grosseira, a qual, por sua vez é mais dura e mais resistente que a cementita globulizada.

Passo 1

Oi pessoal, tudo bem? Vamos analisar essa questão.

Bom, a área limite entre as fases está relacionada à dureza e a resistência das ligas ferro-carbono.

Quanto maior essa área, mais forte é a liga, na medida em que esses limites impedem o movimento dos deslocamentos.

A perlita fina é mais dura e mais resistente que a perlita grossa justamente por que as camadas alternadas de ferrita e cementita são mais finas com uma menor taxa de difusão do carbono. Portanto existe mais área de fronteira de fase. A taxa de carbono também está diretamente relacionada com a dureza.

A área de fronteira de fase entre as esferas de cementita e a matriz de ferrita é menor na esferoidita do que na microestrutura encontrada na perlita grossa, e por esse motivo a resistência e dureza são menores.

Resposta

Ei, a resposta está no passo a passo :)

Exercício Resolvido #10

Capítulo 10 , Perguntas e Problemas, exercício 31

Cite duas razões pelas quais a martensita é tão dura e frágil.

Passo 1

Olá! Tudo bem? Duas razões pelas quais a martensita é tão dura e quebradiça são:

(1) Existem relativamente poucos sistemas de escorregamento operáveis para a estrutura cristalina tetragonal de corpo centrado.

(2) Praticamente todo o carbono está em solução sólida, o que produz um efeito de endurecimento.

Resposta

Existem relativamente poucos sistemas de escorregamento operáveis para a estrutura cristalina tetragonal de corpo centrado e praticamente todo o carbono está em solução sólida, o que produz um efeito de endurecimento.

Exercício Resolvido #11

Capítulo 10 , Perguntas e Problemas, exercício 3 2

Classifique as seguintes ligas ferro-carbono e suas microestruturas associadas em ordem decrescente de limite de resistência à tração:

(a) 0,25 % p C com cementita globulizada

(b) 0,25 % p C com perlita grosseira

(c) 0,60 % p C com perlita fina

(d) 0,60 % p C com perlita grosseira

Justifique essa classificação.

Passo 1

Esse problema nos pede para classificar, em ordem decrescente, quatro ligas ferro-carbono de composição e microestrutura especificadas de acordo com o limite de resistência à tração. Esta classificação é a seguinte:

0,60 % p C com perlita fina > 0,60 % p C com perlita grosseira > 0,25 % p C com perlita grosseira > 0,25 % p C com cementita globulizada

A justificativa é que 0,25 % p C com perlita grosseira é mais forte que 0,25 % p C com cementita globulizada, pois a perlita grosseira é mais forte que a cementita globulizada, mesmo a composição das ligas sendo a mesma. A perlita grosseira 0,60 % p C é mais forte que a perlita grosseira 0,25 % p C, uma vez que aumentar o teor de carbono aumenta a resistência. Finalmente, a perlita fina 0,60 % p C é mais forte que a perlita grosseira 0,60 % p C, pois a resistência da perlita fina é maior que a da perlita grosseira devido às muitas outras fronteiras da fase ferrita-cementita na perlita fina.

Resposta

Veja a resolução completa!

Exercício Resolvido #12

Capítulo 10 , Perguntas e Problemas, exercício 3 2

Classifique as seguintes ligas ferro-carbono e suas microestruturas associadas em ordem decrescente de limite de resistência à tração:

(a) 0,25 % p C com cementita globulizada

(b) 0,25 % p C com perlita grosseira

(c) 0,60 % p C com perlita fina

(d) 0,60 % p C com perlita grosseira

Justifique essa classificação.

Passo 1

Esse problema nos pede para classificar, em ordem decrescente, quatro ligas ferro-carbono de composição e microestrutura especificadas de acordo com o limite de resistência à tração. Esta classificação é a seguinte:

0,60 % p C com perlita fina > 0,60 % p C com perlita grosseira > 0,25 % p C com perlita grosseira > 0,25 % p C com cementita globulizada

A justificativa é que 0,25 % p C com perlita grosseira é mais forte que 0,25 % p C com cementita globulizada, pois a perlita grosseira é mais forte que a cementita globulizada, mesmo a composição das ligas sendo a mesma. A perlita grosseira 0,60 % p C é mais forte que a perlita grosseira 0,25 % p C, uma vez que aumentar o teor de carbono aumenta a resistência. Finalmente, a perlita fina 0,60 % p C é mais forte que a perlita grosseira 0,60 % p C, pois a resistência da perlita fina é maior que a da perlita grosseira devido às muitas outras fronteiras da fase ferrita-cementita na perlita fina.

Resposta

Veja a resolução completa!

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