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Química

Ligas Metálicas

Sara Nahra
Publicado por Sara Nahra
Última atualização: 19/12/2018

Introdução

Em temperatura ambiente, os metais são elementos químicos sólidos (com exceção do mercúrio, que é líquido) são opacos, lustrosos, refletem a luz após o polimento e são bons condutores de calor e eletricidade. 

A maior parte dos metais é dúctil, maleável e possui alta densidade. Apresentam muitos elétrons livres, que não estão ligados a nenhum átomo em particular.

Os metais raramente são empregados na forma pura. O ferro, o cobre e o zinco, por exemplo, possuem baixa resistência mecânica, assim sua aplicação na engenharia é bastante limitada. 

A solução para este problema é produzir ligas metálicas, que são materiais com propriedades metálicas constituídos por dois ou mais elementos, sendo pelo menos um deles metal. As ligas possuem propriedades superiores às dos metais que as constituem e por isso, são amplamente utilizadas.

As ligas metálicas são classificadas, de acordo com a sua composição, em ligas ferrosas ligas não-ferrosas.

Ligas Ferrosas

As ligas ferrosas são aquelas cujo principal constituinte é o ferro. São as mais produzidas e muito aplicadas como materiais de construção em engenharia. 

Os fatores que permitem que as ligas ferrosas sejam as mais utilizadas são: 

  • abundância dos compostos que contêm ferro na crosta terrestre; 
  • economia nas técnicas de extração, refino, formação e fabricação de ferro metálico e suas ligas; 
  • versatilidade das ligas ferrosas, ou seja, podem ser projetadas para apresentar ampla gama de propriedades físicas e mecânicas.

Dentre as desvantagens, as ligas ferrosas são suscetíveis à corrosão. as ligas ferrosas incluem os aços e os ferros fundidos.

Aços

Os aços são ligas formadas por ferro e carbono, podendo conter também outros elementos de liga, como níquel, cromo, silício, dentre outros. Existem muitas ligas que apresentam composição e/ou tratamentos térmicos diferentes. As propriedades mecânicas dos aços dependem do teor de carbono, que é normalmente inferior a 1,0% em peso.

Alguns dos principais aços são classificados com base no teor de carbono presente em: aços com baixo teor de carbono (< 0,25%p C), aços com médio teor de carbono (entre 0,25 e 0,60%p C) e aços com alto teor de carbono (entre 0,60 e 1,4%p C). Podem, ainda, haver subclasses dentro de cada grupo, de acordo com o teor de outros elementos de liga.

A concentração de carbono e outros elementos afeta diversas propriedades do aço. Por exemplo, um maior teor de carbono reduz a ductilidade, porém aumenta a resistência e a dureza do aço. 

A presença do fósforo torna o aço mais quebradiço. Já o manganês aumenta a resistência do aço, dependendo da concentração de carbono. O silício, por sua vez, em baixas concentrações (abaixo de 0,2%) não afeta a resistência e a ductilidade da liga, porém com teores entre 0,2 e 0,4%, o silício tende a aumentar a resistência máxima e o limite elástico, sem modificar muito a ductilidade do aço.

Os aços-carbono possuem somente concentrações residuais de impurezas além de carbono e de um pouco de manganês. Já nos aços-liga, são adicionados intencionalmente mais elementos de liga em concentrações específicas.

O aço é obtido nos altos-fornos, onde ocorre a transformação do minério de ferro em ferro gusa, que possui um alto teor de carbono e outras impurezas. O ferro gusa sofre um processo de refino, que envolve a oxidação do carbono e de outros elementos presentes, que são eliminados sob a forma de escória.

O processo de limpeza continua até que o ferro puro seja obtido. A partir daí é possível obter a composição precisa do aço por meio da adição controlada de elementos que irão constituir a liga desejada.

Algumas propriedades físicas dos aços são: alta dureza e ductilidade, resistência à fadiga, ao choque, à corrosão, ao desgaste e à pressão, baixo coeficiente de dilatação e boas propriedades eletromagnéticas.

As principais aplicações dos aços incluem fabricação de estruturas de máquinas e ferramentas agrícolas, de instrumentos de precisão, de núcleos de transformadores, de instrumentos cirúrgicos, de ferramentas de corte de alta velocidade e de blindagens.

Ferros fundidos

Os ferros fundidos são ligas ferrosas que apresentam teores de carbono acima de 2,14% em peso. Porém, na prática, a maior parte dos ferros fundidos possuem entre 3,0 e 4,5%p C, dentre outros elementos de liga. Os ferros fundidos são classificados em ferro cinzento, ferro dúctil (nodular), ferro branco, ferro maleável e ferro vermicular.

ferro cinzento apresenta teores de carbono entre 2,5 e 4,0%p e de silício entre 1,0 e 3,0%p. A grafita, para a maioria desses ferros fundidos, existe na forma de flocos, e se encontram envolvidos por uma matriz de ferrita ou de perlita. Os flocos de grafita fazem com que a superfície fraturada adquira uma aparência acinzentada. 

O ferro cinzento possui baixa resistência e fragilidade sob tração devido a sua microestrutura. A resistência e a ductilidade possuem valores bem mais altos sob cargas de compressão. 

Os ferros fundidos cinzentos são também muito eficientes no amortecimento de energia vibracional e possuem elevada resistência ao desgaste, sendo amplamente aplicados na fabricação das estruturas das bases de máquinas e equipamentos pesados expostas a vibrações. 

No estado fundido, possuem alta fluidez na temperatura de fundição e baixa contração do fundido, permitindo, assim, a fundição de peças com formas complexas. Além disso, o ferro cinzento está entre os materiais metálicos mais baratos que existem.

ferro dúctil (nodular) é formado quando uma pequena quantidade de magnésio e/ou cério é adicionada ao ferro cinzento, o que faz com que a grafita adquira a forma de nódulos ou partículas esféricas. 

A fase matriz que envolve essas partículas depende do tratamento térmico, e pode ser perlita ou ferrita. Os ferros fundidos dúcteis são bem mais resistentes e dúcteis do que os ferros cinzentos, podendo apresentar limites de resistência à tração variando de 380 a 480 Mpa e ductilidade variando de 10% a 20%. São comumente aplicados em válvulas, corpos de bombas, engrenagens, dentre outros componentes automotivos e de máquinas.

Os ferros fundidos brancos são aqueles que apresentam teores baixos de silício (menores do que 1,0%p Si). Sob rápidas taxas de resfriamento, a maior parte do carbono existe na forma de cementita, em vez de grafita. A superfície de fratura nessa liga adquire uma aparência esbranquiçada. 

Seções grossas de ferro podem apresentar somente uma camada superficial de ferro branco que foi “resfriada mais rapidamente” durante o processo de fundição. Assim, forma-se ferro cinzento nas regiões mais internas, cujo resfriamento foi mais lento. 

Devido a grande quantidade de fase cementita, o ferro branco é muito duro e frágil. É aplicado somente em superfícies que precisam ser duras e resistentes ao desgaste, sem um elevado grau de ductilidade, como, por exemplo, nos cilindros de laminação nos laminadores.

O ferro cinzento é, geralmente, utilizado como produto intermediário na produção do ferro fundido maleável. Neste processo, o ferro branco é aquecido até uma temperatura entre 800 e 900 °C por um longo período de tempo e sob uma atmosfera neutra, causando a decomposição da cementita e formação da grafita, a qual existe na forma de aglomerados ou rosetas envolvidas por uma matriz de ferrita ou de perlita, dependendo da taxa de resfriamento. 

A microestrutura do ferro maleável ferrítico é semelhante àquela apresentada pelo ferro nodular, implicando em uma resistência relativamente alta e uma ductilidade ou maleabilidade consideráveis. Esse tipo de ferro fundido é aplicado em barras de ligação, engrenagens de transmissão e cárteres do diferencial para a indústria automotiva, flanges, conexões de tubulações e peças de válvulas para serviços marítimos, em ferrovias e em outras áreas que envolvem serviços pesados.

No ferro fundido vermicular o carbono existe na forma de grafita formada pela presença de silício, cujo teor varia entre 1,7 e 3,0%p, enquanto que a concentração de carbono varia entre 3,1 e 4,0%p. A grafita nessas ligas apresenta formato de um verme e a microestrutura é intermediária entre aquelas exibidas pelo ferro cinzento e o ferro dúctil (nodular). 

Uma parte da grafita pode, de fato, estar na forma de nódulos. No entanto, devem ser evitadas as arestas vivas características dos flocos de grafita para evitar a redução na resistência à fratura e na resistência à fadiga do material. 

Também ocorre a adição de magnésio e/ou cério, porém em concentrações mais baixas do que no ferro dúctil. Deve haver um controle nas composições de magnésio, cério e outros aditivos para que seja produzida uma microestrutura que apresente partículas de grafita na forma vermicular e ao mesmo tempo limite o grau de modularidade da grafita e previna a formação de flocos de grafita. A fase matriz pode ser perlita e/ou ferrita, dependendo do tratamento térmico.

As propriedades mecânicas dos ferros fundidos vermiculares dependem da microestrutura, ou seja, ao formato das partículas de grafita e à fase da matriz. Aumentando o grau de modularidade das partículas de grafita obtém-se uma melhora na resistência e na ductilidade do material. Além disso, os ferros fundidos vermiculares com matriz ferrítica apresentam menores resistências e ductilidades mais elevadas do que aqueles com matrizes perlíticas.

Os limites de resistência à tração e ao escoamento para os ferros fundidos vermiculares são semelhantes aos valores para os ferros dúcteis e maleáveis, porém são maiores do que para os ferros cinzentos de maior resistência. As ductilidades dos ferros fundidos vermiculares são intermediárias entre os valores dos ferros cinzentos e dúcteis. Os módulos de elasticidade, por sua vez, variam de 140 a 165 GPa.

Os ferros fundidos vermiculares possuem algumas vantagens como maior condutividade térmica, melhor resistência a choques térmicos e menor oxidação em altas temperaturas. Suas principais aplicações são em blocos de motores diesel, em exaustores de distribuidores, carcaças de caixas de engrenagens, discos de freio para trens de alta velocidade e polias volantes.

Ligas não-ferrosas

O aço e outras ligas ferrosas são amplamente consumidos, já que possuem uma grande variedade de propriedades mecânicas e ainda podem ser produzidos com certa facilidade e de forma econômica. 

Porém, apresentam algumas limitações, tais como massa específica relativamente alta, baixa condutividade elétrica em comparação com outras ligas e suscetibilidade inerente à corrosão em alguns ambientes usuais. Torna-se vantajoso, portanto, a produção e aplicação de outras ligas que tenham combinações adequadas de propriedades.

As ligas não-ferrosas podem ser classificadas de dois modos: de acordo com o metal-base ou de acordo com alguma característica específica compartilhada por um grupo de ligas. As principais ligas não-ferrosas são: ligas de cobre, alumínio, magnésio e titânio, os metais refratários, as superligas, os metais nobres e ligas diversas, incluindo aquelas que apresentam níquel, chumbo, estanho, zircônio e zinco como metais-base.


Exercícios

Exercício 1
(UFCE)

O aço comum é uma liga de:

Ilustração: Rapaz corpulento de camiseta, short e tênis acenando

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