São Paulo, 25 de novembro de 2020

ARTIGOS

23 de outubro de 2020

Propriedades dos Metais

Editoria Serrametal

Créditos: Engenharia: Thiago Cortiz | Marketing: Karina França | Direção: Renata Brandolin

 

Quais as principais características desejadas e não desejadas nos metais, produtos e ferramentas.

Na indústria brasileira, qualquer que seja o produto que está sendo fabricado, independente do tipo de material ou processo de fabricação, é necessário conhecer muito bem as propriedades dos materiais, tanto o material do produto, como o material que vai fazer algum tipo de processo no mesmo.

A necessidade de se conhecer muito bem o material vem da aplicação ao qual este material será sujeito. Caso deseje trabalhar com um metal ao qual sofrerá impacto, este metal deve apresentar boas propriedades de tenacidade, para que não se quebre. Por outro lado, se o metal estará sujeito à alta temperatura, este deve ter boas propriedades de condução térmica ou dilatação térmica, mas isso também dependerá do objetivo que se deseja com a sua peça.

Para metais, as principais características são consequências das propriedades físicas, tais como:

  • Condução de eletricidade;
  • Condução de calor;
  • Densidade;
  • Pontos de fusão e ebulição;
  • Resistência à tração;
  • Ductilidade;
  • Cor;
  • Dureza;
  • Limite de escoamento;
  • Brilho;

Na tabela periódica, podemos classificar os seguintes elementos como metais:

  • Metais alcalinos: Césio (Cs); Frâncio (Fr); Lítio (Li); Potássio (K); Rubídio (Rb); Sódio (Na).
  • Metais alcalino-terrosos: Bário (Ba); Berílio (Be); Cálcio (Ca); Magnésio (Mg); Rádio (Ra); Estrôncio (Sr).
  • Metais de transição: Prata (Ag); Bóhrio (Bh); Cádmio (Cd); Cromo (Cr); Cobalto (Co); Copernicium (Cn); Cobre (Cu); Darmstádio (Ds); Dubnium (Db); Ferro (Fe); Háfnio (Hf); Hássio (Hs); Irídio (Ir); Manganês (Mn); Meitnério (Mt); Mercúrio (Hg); Molibdênio (Mo); Níquel (Ni); Nióbio (Nb); Ouro (Au); Ósmio (Os); Paládio (Pd, metal precioso); Platina (Pt); Rênio (Re); Ródio (Rh); Roentgenium (Rg); Rutênio (Ru); Rutherfordium (Rf); Escândio (Sc); Seabórgio (Sg); Tântalo (Ta); Tecnécio (Tc); Titânio (Ti); Tungstênio (W); Vanádio (V); Ítrio (Y); Zinco (Zn); Zircônio (Zr).
  • Outros metais: Alumínio (Al); Bismuto (Bi); Estanho (Sn); Gálio (Ga); Índio (In); Chumbo (Pb); Tálio (Tl).

A união desses metais resulta no que chamamos de ligas metálicas. Na indústria, são utilizadas principalmente ligas de Fe, ou seja, aços e ferros fundidos, que são basicamente Fe e C, com adição, em pouca quantidade, de elementos de ligas, ou seja, outros elementos.

Outro tipo de liga muito utilizada são as ligas de Al, nos quais o elemento principal é o Al. Em outros casos, mais cotidianos, temos o Latão, que é basicamente a união de Cu e Zn, e Bronze, que é a união de Cu e Sn.

Outros casos, que muitas vezes nem imaginamos, como as joias de ouro que usamos, que na verdade são ligas compostas de Au, mas também Ag e Cu. Mas isso depende do tipo de produto.

 

Características físicas dos metais

 

 

Tendo em vista a necessidade da indústria do aço ferramenta, quanto ao saber das características dos metais, visando sempre a sua aplicação, vamos focar aqui apenas nas propriedades físicas mais relevantes para este contexto, omitindo, por exemplo, as propriedades elétricas.

Mas vale a ressalva de que, as características elétricas dos materiais, principalmente aço ferramenta, são muito relevantes, pois existem processos que fazem uso das mesmas. Por exemplo, a eletroerosão a fio, que é utilizada para a fabricação de ferramentas, utilizando eletricidade para usinar o material.

 

Características mecânicas dos metais

 

 

Quando se deseja fabricar ou utilizar um produto, devem em primeira instância avaliar quais serão os tipos de solicitações aplicadas ao material. Em certas aplicações, o comportamento mecânico do material utilizado deve ser compatível, por exemplo, não é muito indicado utilizar uma bicicleta fabricada com vidro, uma vez que as propriedades mecânicas do vidro não permitem essa aplicação. Agora, uma bicicleta feita com liga de Al pode ser uma boa ideia, uma vez que o Al une sua leveza com a resistência mecânica da liga.

Pensando em outros metais, principalmente aço ferramenta, quando se trata de estamparia de metais, busca-se um aço resistente ao choque, para conformar uma chapa, ao passo que, a chapa, também de metal, deve ser dúctil o suficiente para conformar sem se quebrar. Nesses casos, um exemplo muito cotidiano é a utilização do aço ferramenta AISI D2 como punção, e uma chapa fina de aço SAE 1020 para ser conformada.

As principais características mecânicas dos materiais podem ser elencadas como:

  • Dureza;
  • Tenacidade;
  • Resistência à tração;
  • Elasticidade;
  • Ductilidade;
  • Fluência;
  • Fadiga;

A dureza é uma das principais características desejadas na indústria, principalmente pensando em aço ferramenta. Uma dureza alta implica na alta resistência do material, que faz a sua durabilidade aumentar. Entretanto, sua tenacidade ao impacto pode diminuir drasticamente, tornando o material frágil.

Uma dureza adequada é, muitas vezes, mais importante que uma dureza alta. A homogeneidade da dureza no aço ferramenta permite que sejam realizadas diversas operações, enquanto uma dureza alta na superfície e um núcleo mole, possivelmente por decorrência do tratamento térmico, faz uma ferramenta imperfeita. Considerando um AISI D2 temperado (onde a têmpera foi realizada adequadamente) e um material pré-temperado, como o Toolox 44, apesar da dureza mais baixa, o Toolox apresenta uma dureza homogênea, Isso influencia principalmente em sua vida útil.

Outro ponto importante quanto à dureza do material é quando se deseja realizar a sua conformação. A dureza da chapa a ser conformada deve ser baixa, e após essa conformação, e então a dureza pode ser desejada. Um dos processos utilizados na indústria é o Hot Forming, um processo onde se conforma a chapa em um ambiente quente, e em seguida se faz a têmpera dessa chapa, fornecendo a dureza necessária.

Outras propriedades vistas nos metais, tais como fluência, onde o material é submetido a solicitações inferiores ao limite de escoamento. A resistência à fluência é uma característica de cada metal, onde envolve a movimentação de defeitos na rede cristalina, ocasionando a falha, mas após um longo tempo de duração da solicitação, principalmente em temperaturas elevadas. Em aço ferramenta, a resistência à fluência pode ser vista em aços como Toolox ou AISI H13. Aços estruturais em siderúrgicas e mineração também podem apresentar estas características.

No caso da fadiga, um material é submetido a solicitações cíclicas, como um eixo de carro de corrida. Por exemplo, um aço como o 8620 pode ser utilizado para um eixo, mas devido a sua pureza, ele pode sobre o desgaste por fadiga, e apresentar até mesmo a ruptura, mesmo quando a solicitação mecânica está abaixo do limite de escoamento. A fadiga aparece após solicitações cíclicas. Quanto mais puro o material, possivelmente mais resistente a esse tipo de falha ele pode ser. Materiais como Toolox ou AISI H13 ESR podem ser boas soluções para estes desgastes.

 

Características Térmicas dos metais

 

 

Todos os materiais apresentam propriedades térmicas, algumas são maiores e outra menores. Comparados entre si, cada material apresenta a propriedade adequada para cada aplicação, assim como novos materiais são desenvolvidos para novas aplicações.

De maneira geral, materiais cerâmicos apresentam alta resistência ao calor, enquanto polímeros apresentam baixa resistência ao calor. Isso significa que, para modificar a morfologia do material (a “aparência”) é necessário mais (quando é muito resistente) ou menos (quando é pouco resistente) calor.

Para metais, esses valores são intermediários, nem tão pouco quanto aos polímeros nem tão alto quanto aos cerâmicos. Metais apresentam valores de ponto de fusão menores que cerâmicos, uma vez que para fundição de metais, é possível realizar dentro de um cadinho, ou seja, uma “panela” feita de material cerâmico.

Entretanto, entre os metais, o ponto de fusão pode variar muito. Enquanto que para o alumínio, o seu ponto de fusão é aproximadamente 660°C, enquanto o do aço pode estar entre 1420-1545 °C, dependendo da sua liga. Por isso, é possível utilizar o aço (um material muito mais barato que uma cerâmica) para o molde do alumínio fundido. Claro que novas ligas metálicas são desenvolvidas para que seja possível obter materiais com propriedade mecânicas e térmicas melhores para novas aplicações.

Entre as principais propriedades térmicas dos materiais na indústria, estão:

  • Capacidade térmica
  • Dilatação térmica
  • Condutividade térmica

 

Mas o que é “propriedade térmica”? 

Podemos definir propriedade térmica como a resposta do material ao estímulo de energia térmica.

Ou seja, o que acontece com o material quando ele é resfriado ou aquecido. Por exemplo, para metais, quando aquecido à determinada temperatura, e resfriados abruptamente, ocorre à mudança de fase do material, como da austenita para a martensita nos aços (e outros metais).

 

Capacidade térmica (Cp ou Cv)

A capacidade térmica é basicamente, a quantidade de energia térmica (estímulo) que aumenta um grau kelvin do material (resposta). A energia térmica pode ser medida por J (joules) e a temperatura em grau kelvin (K).

Uma das principais aplicações dessa propriedade em metais é na questão do tratamento térmico. O quanto de energia, ou seja, qual a temperatura necessária para que o material aqueça até dada temperatura.

Se tratando de metais, sua rede cristalina muito característica, muito organizada (principalmente comparada ao dos polímeros), apresentam capacidade térmicas bem características. No caso, o calor é “transmitido” por meio de fônon, ou seja, a energia vibracional dos materiais (mudança de posição dos átomos).

Dilatação térmica

Todo material apresenta certa deformação e variação de volume quando submetido ao calor. Normalmente esta variação ocorre de maneira que, ao aumentar o calor (estímulo), ocorre uma dilatação do material (resposta).

Nos metais isso não é diferente, mas ocorre de maneira muito sutil. É possível que um metal dilate aproximadamente 1mm, ou mais, ou menos, dependendo do seu coeficiente de dilatação térmica.

A dilatação térmica tem influência direta com a aplicação do metal. Por exemplo, um material que servirá como molde para trabalho a quente não pode sofrer grande dilatação térmica, por isso é sempre considerado, pensando em aço ferramenta, os materiais AISI H13 ou Toolox.

Agora, se o caso for de metais para retenção de algum material, como por exemplo, uma bucha que se prende a outro material por pressão. A bucha pode ser de um material que dilata muito com pouco calor, onde será possível colocar o outro material dentro dela, enquanto quando se retira esse calor, ela retorna ao estado original, aprisionando o outro material.

Outra importância da dilatação térmica é em processos como têmpera por indução. Nesse processo, cria-se uma região formada de martensita e um núcleo de material não temperado, ou seja, ferrita. Isso cria na região de martensita uma tensão no material, pois a estrutura da martensita tem maior volume que a anterior (CCC). Com isso, a disposição dos átomos gera uma estrutura de maior volume, causada pela variação térmica.

Materiais que apresentam grande dilatação térmica, principalmente nos aços, podem apresentar grandes deformações após o tratamento térmico. Por esse motivo, são desenvolvidos materiais já temperados, como o Toolox, Hardox, etc, para que não seja necessário passar por esse tratamento térmico.

Condutividade térmica

Levando em conta as Leis zero e segunda da termodinâmica, um corpo colocado em um ambiente com temperatura maior que a sua temperatura, faz com que ocorra o equilíbrio térmico no corpo, ou seja, ele ficará na mesma temperatura que o ambiente a sua volta. Assim o sistema termodinâmico fica em equilíbrio.

Levando essa lógica aos processos industriais, quando temos um metal que é utilizado em um molde, seja para polímeros ou Al, ou qualquer outro material, o molde tende a absorver o calor do material que está com temperatura maior, e conduzir esse calor para a outra extremidade. Isso é, ocorre à difusão de calor do material quente para o molde, para que ocorra esse equilíbrio termodinâmico, e esse calor é conduzido para regiões de menor temperatura do molde. Esse fenômeno é conhecido como condução térmica.

Já a capacidade do material conduzir esse calor, levando em conta a microestrutura do material, sua composição química, etc., é chamada de condutividade térmica. Com isso, cada material tem a sua condutividade térmica, que é fluxo de calor por unidade de tempo por unidade de área perpendicular ao fluxo (W/m2).

Isso tem grande influência quando, em aplicações que se deseja resfriar um produto, principalmente fundido, com a condução de calor do molde. Muitas vezes, as diferentes ligas de aço podem variar (um pouco) esse valor, logo, alguns aços podem aumentar essa condução térmica, e por consequência, aumentar a taxa de resfriamento do produto.

Isso pode ser desejável ou não. Alguns polímeros podem perder propriedades mecânicas caso seja resfriados rapidamente, enquanto para alguns metais fundidos, o resfriamento rápido (mas não na mesma taxa que uma têmpera) pode propiciar a nucleação de grão pequenos, aumentando as suas propriedades mecânicas.

A condutividade térmica pode ser por movimentação de elétron ou fônons. Como características dos metais, que não apresentam alto Band gap (ou nenhum), existem elétrons livres, e com isso a condução em metais normalmente é mais alta que em cerâmicos (isolantes) e polímeros.

 

Propriedades elétricas, magnéticas e ópticas dos materiais.

 

 

Os metais, como todos os materiais, apresentam propriedades elétricas, magnéticas e ópticas. As propriedades ópticas, pensando no contexto da indústria, podem servir como vantagem quanto ao aspecto visual da peça/produto. Já visando outras aplicações, como telescópios, as propriedades ópticas dos metais são de grande relevância. Materiais mais leves e com boas propriedades ópticas são desenvolvidos principalmente no setor aeroespacial, como telescópios que orbitam a Terra.

Quanto às propriedades magnéticas, materiais ferrosos apresentam essa característica mais elevada quanto aos outros materiais. Uma grande aplicação na indústria para esse tipo de propriedade é a têmpera por indução, onde um campo magnético é gerado para agitar as moléculas de Fe, e por consequência, aumentar a temperatura do metal. Outras aplicações se encontram em elementos de fixação, onde a propriedade magnética auxilia no trabalho.

Já as propriedades elétricas dos metais são muito utilizadas, principalmente no cotidiano. Fios de Cu são utilizados para transmitir energia elétrica, uma vez que, como característica dos metais, apresentam elétron livres que permitem essa condução de energia.

 

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Referências:

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