Fundamentos de Materiais: Soluções Sólidas, Ligas e Ensaios Mecânicos

Definição de Soluções Sólidas: Substitucional e Intersticial

Solução Sólida Substitucional: Os átomos de soluto substituem uma parte dos átomos de solvente no reticulado cristalino.

Solução Sólida Intersticial: Os átomos de soluto ocupam os interstícios existentes no reticulado cristalino.

Ligas Metálicas: Alumínio e Cobre

Ligas de Alumínio (Al)

A principal função das ligas de alumínio é aumentar a resistência mecânica sem prejudicar as outras propriedades. Assim, novas ligas têm sido desenvolvidas combinando as propriedades adequadas a aplicações específicas.

As principais aplicações das ligas de Alumínio incluem:

• Componentes da indústria aeronáutica;
• Indústria de embalagens;
• Painéis de autocarros;
• Peças automotivas (bloco de motor, pistões, válvulas).

Ultimamente, as ligas leves (Al e Mg) e semi-leves (Ti) têm recebido a atenção da indústria dos transportes, para aproveitamento da respetiva resistência específica (relação entre a resistência mecânica e a massa específica).

Ligas de Cobre (Cu)

Existem vários tipos de ligas de cobre. Os elementos de liga são adicionados ao cobre com o intuito de melhorar a resistência, a ductilidade e a estabilidade térmica, sem causar prejuízos à formabilidade, condutividades elétrica e térmica e resistência à corrosão, características do cobre. As ligas de cobre apresentam excelente ductilidade a quente e a frio, ainda que um pouco inferiores às do metal puro.

As principais ligas de cobre são divididas nos grandes grupos listados abaixo:

• Cobre comercialmente puro;
• Ligas de alto teor de cobre;
• Latões;
• Bronzes;
• Ligas de Cobre-Níquel;
• Ligas de Cobre-Níquel-Zinco.

Ensaios Mecânicos de Dureza e Impacto

A) Dureza Brinell

O método Brinell é um método de medição da dureza, utilizado principalmente em materiais metálicos. Este método foi proposto em 1900 pelo engenheiro sueco Johan August Brinell. É o primeiro ensaio de dureza normatizado e amplamente utilizado na engenharia e metalurgia.

O teste típico consiste em um penetrador de formato esférico com 10 mm de diâmetro, feito de aço de elevada dureza ou de carbeto de tungstênio.

A carga aplicada varia entre 500 e 3000 kgf e, durante o teste, a carga é mantida constante por um período entre 10 e 30 segundos.

O número Brinell de dureza (HB) é função da carga aplicada e do diâmetro da impressão resultante e pode ser obtido através da seguinte relação:

Onde “P” é o valor da carga aplicada (em kgf), “D” é o diâmetro do penetrador e “d” é o diâmetro da impressão resultante, ambos em milímetros.

Uma das grandes desvantagens do ensaio Brinell é o tamanho do penetrador, que muitas vezes causa danos consideráveis à peça analisada.

Para garantir um bom resultado, a medição do diâmetro da impressão deve ser feita em pelo menos duas direções. Além disso, é necessário manter a relação constante para obter resultados adequados.

A unidade de dureza Brinell é o MPa e uma das normas que a rege é a ASTM E10.

B) Dureza Rockwell

O método Rockwell é um método de medição direta da dureza, sendo um dos mais utilizados em indústrias. Este é um dos métodos mais simples e que não requer habilidades especiais do operador. Além disso, várias escalas diferentes podem ser utilizadas através de possíveis combinações de diferentes penetradores e cargas, o que permite o uso deste ensaio em praticamente todas as ligas metálicas, assim como em muitos polímeros.

Os penetradores incluem esferas fabricadas em aço de elevada dureza, com diâmetros de 1/16, 1/8, 1/4 e 1/2 polegada, assim como cones de diamante, utilizados nos materiais de elevada dureza.

Neste sistema, a dureza é obtida através da diferença entre a profundidade de penetração resultante da aplicação de uma pequena carga, seguida por outra de maior intensidade.

A carga inicial aplicada é 10 kgf, seguida por uma carga de 60, 100 ou 150 kgf, conforme a escala utilizada.

C) Dureza Vickers

A Dureza Vickers é um método de classificação da dureza dos materiais, baseada num ensaio laboratorial. Neste método, é usada uma pirâmide de diamante com ângulo de diedro de 136º que é comprimida, com uma força arbitrária "F", contra a superfície do material. Calcula-se a área "A" da superfície impressa pela medição das suas diagonais.

Este método foi desenvolvido no início da década de 1920 como uma alternativa ao Brinell. Uma das grandes vantagens é que os cálculos da dureza não dependem das dimensões do penetrador.

O mesmo penetrador pode ser usado nos ensaios de diversos materiais, independentemente da dureza. Além disso, esta é uma das escalas mais amplas entre as usadas para medição de dureza e pode ser utilizada para todos os metais, com grande precisão de medida.

D) Ensaio de Impacto

O ensaio de impacto é um método de avaliação da resistência e sensibilidade ao entalhe de materiais. Consiste em submeter um corpo de prova a uma carga praticamente instantânea, provocando a fratura. A energia absorvida no impacto é o parâmetro de avaliação da propriedade.

O ensaio é usualmente empregado para metais, mas o princípio pode ser usado para polímeros, materiais cerâmicos e compostos. Os setores industriais que utilizam estes testes incluem Aeroespacial, Geração de Energia, Automotivo e Nuclear.

Os dois principais métodos de ensaio de Impacto são: Charpy e Izod. Ambos usam o mesmo aparato de impacto, isto é, o pêndulo.