Degradação em ligas Metálicas

A fadiga em ligas metálicas é responsável por grandes prejuízos à indústria, causados por componentes que falham inesperadamente sob cargas que eles deveriam suportar com folga. Falhas desse tipo também são responsáveis por grande parte dos "recalls" feitos pela indústria automobilística para a substituição de componentes que podem apresentar defeitos. Agora, pesquisadores da Universidade de Michigan, nos Estados Unidos, lançaram alguma luz sobre esse tipo de falha inesperada. Ao explicar por que ela acontece, torna-se possível descobrir formas de evitá-la.

Ligas metálicas policristalinas

As ligas metálicas são sólidos formados por pelo menos dois elementos metálicos diferentes. Esses elementos são misturados em estado líquido, fundidos. Quando eles resfriam e voltam a se solidificar, são criados minúsculos cristais em sua estrutura atômica, formando o que se chama de um material policristalino. No interior de cada cristal, os átomos se organizam em um padrão - uma estrutura que se repete de forma periódica. Contudo, essas estruturas não são perfeitas, elas apresentam falhas, possuindo locais vagos onde, teoricamente, deveria haver um átomo.

Difusão

Em um processo chamado de difusão, os átomos dos dois elementos procuram tirar vantagem dessas lacunas, "saltando" pelo material para ocupar os espaços vagos e alterando a estrutura da liga metálica. "É como uma dança das cadeiras. A difusão acontece em praticamente todos os materiais, e os materiais podem se degradar porque a difusão causa determinadas alterações na estrutura do material," explica do Dr. Katsuyo Thornton.

Rupturas nas ligas metálicas

O que Thornton e seus colegas demonstraram é que os átomos dos diferentes elementos "saltam" de forma muito diferente através do material devido à diferença da intensidade de suas ligações com os átomos vizinhos. Essa discrepância na taxa de movimentação dos átomos de cada elemento gera uma difusão maior ao longo das fronteiras dos cristais, levando a uma degradação acelerada do material. "Em alguns casos, a difusão na fronteira dos grânulos é 100 vezes maior do que aquilo que comumente se espera," diz Thornton. "Esta é uma descoberta muito genérica. É por isto que ela é importante. Ela se aplica a uma grande variedade de materiais. Ela se aplica a materiais eletrônicos policristalinos, como as soldas."

Substituição das soldas com chumbo

As soldas tradicionais são feitas com ligas de chumbo, mas há um esforço internacional para a substituição desse metal pesado. Contudo, nenhum substituto tecnicamente à altura foi encontrado até agora. Um dos maiores problemas está nos chamados "bigodes de estanho," que crescem a partir dos pontos de solda e que já foram responsáveis por falhas em satélites artificiais, com enormes prejuízos. Por isso os pesquisadores agora planejam aplicar sua teoria aos novos de materiais de soldagem, para tentar descobrir a razão do crescimento desses bigodes nas soldas sem chumbo e tentar evitá-los.

Arco Plasma

A expressão arco plasma é utilizada para descrever uma família de processos que utilizam um arco elétrico conscrito. Processos a arco plasma são empregados para soldar, cortar e fazer revestimentos (com pós metálicos ou cerâmicos).
Em uma tocha plasma a ponta do eletrodo (não consumível) é recolhida em um bocal, através do qual o gás plasma flui. O gás ioniza-se ao passar pelo arco elétrico formando o plasma (dissociação das moléculas em átomos e estes em íons e elétrons). Aquecido dentro do bocal, o plasma sofre uma enorme expansão e, por ter que sair através de um pequeno orifício adquire altas velocidades (na ordem de 6 Km/s) acentuando o fenômeno de dissociação.

Quando fora do bocal, os íons recombinam-se para voltar ao estado gasoso, liberando uma energia tal que o leva a temperaturas acima de 25 000 ºC. Esta energia é, então, utilizada para fundir o metal de base e o metal de adição. A Figura abaixo apresenta um arco elétrico TIG e plasma com indicação das temperaturas alcançadas. Em uma tocha plasma a ponta do eletrodo (não consumível) é recolhida em um bocal, através do qual o gás plasma flui. O gás ioniza-se ao passar pelo arco elétrico formando o plasma (dissociação das moléculas em átomos e estes em íons e elétrons). Aquecido dentro do bocal, o plasma sofre uma enorme expansão e, por ter que sair através de um pequeno orifício adquire altas velocidades (na ordem de 6 Km/s) acentuando o fenômeno de dissociação.


Princípios básicos do processo de soldagem plasma


O processo de soldagem plasma assemelha-se muito ao processo TIG, pelo fato de se utilizar eletrodos não consumíveis e gases inertes. As diferenças são tipo de tocha, tensão do arco elétrico, além dos recursos necessários à fonte de energia.

É importante notar que os dois processos possuem regiões com as mesmas temperaturas máximas, porém, com a constrição do arco, obtém-se uma substancial modificação da concentração de calor na superfície da peça tornando-a mais favorável ao processo de soldagem.

O gás de plasma recombinado não é suficiente para a proteção da região soldada e da poça de fusão, deste modo, é fornecido um fluxo gasoso suplementar e independente para proteção contra a contaminação atmosférica. O primeiro fluxo, que constituirá o jato de plasma, circunda o eletrodo e passa através de um orifício calibrado constringindo o arco elétrico.O fluxo de gás de proteção corre entre o corpo que contém o orifício e uma cobertura exterior. A Figura abaixo ilustra, em corte, um bocal de uma pistola plasma.
Fontes de energia

A fonte de energia utilizada é de corrente constante, podendo ser retificador, gerador ou inversores, utilizando-se corrente contínua, polaridade direta.

As fontes para soldagem plasma diferem das de corte, porque no corte a tensão em vazio do equipamento deve ser superior a 200V. Fontes com tensão em vazio entre 65V e 80 V podem ser adaptadas para soldagem colocando-se sistemas de abertura de arco piloto, pré e pós vazão.

Tocha de soldagem

As tochas são providas de um punho para o manuseio do soldador; um conjunto de pinças para a fixação do eletrodo, condutos para passagem de gás e água de refrigeração, um bico de cobre com o orifício para a construção do arco elétrico e um bocal de cerâmica para isolação e proteção do operador. A figura abaixo apresenta uma pistola típica para soldagem manual a plasma.
Algumas tochas têmAlgumas tochas têm somente um orifício central para a passagem do gás e arco, outras possuem outros orifícios para a passagem do gás auxiliar,
Algumas tochas têm somente um orifício central para a passagem do gás e arco, outras possuem outros orifícios para a passagem do gás auxiliar, permitindo maiores velocidades de soldagem permitindo maiores velocidades de soldagem Figura abaixo.
somente um orifício central para a passagem do gás e arco, outras possuem outros orifícios para a passagem do gás uxiliar, permitindo maiores velocidades de soldagem.

O diâmetro do orifício central deve ser escolhido de acordo com a corrente elétrica a ser utilizada.


Eletrodos

O eletrodo utilizado é de tungstênio comercialmente puro (99,5%), ou tungstênio dopado com tório ou zircônio, não sendo consumível. Para cortes em alta velocidade tem-se utilizado um eletrodo de tungstênio dopado com óxido de lantânio, de vida mais longa que os anteriores. São classificados pela Norma DIN 32528 (1) e (2).

Gases

Em soldagem plasma, pode-se utilizar o mesmo tipo de gás tanto para a formação do plasma, quanto para a proteção adicional da poça de fusão.
O argônio tem sido o preferido na soldagem com baixas correntes em função do seu maior potencial de ionização. Ele promove uma melhor limpeza das camadas de óxidos de metais reativos e facilita a abertura do arco elétrico.
Podem-se aplicar outros gases inertes como o hélio puro ou misturado com argônio, porém estes requerem tensões mais altas para abertura do arco. A utilização do He desenvolve maior energia no plasma, portanto, a refrigeração do bocal do orifício tem que ser muito mais eficiente.
A seleção do gás de proteção depende do tipo e da espessura do metal de base a ser soldado.


Misturas de argônio e hidrogênio também são utilizadas, as principais vantagens do H2 são seu caráter redutor e a sua capacidade de aumentar a composição do arco, reduzindo, assim, o risco de mordeduras e aumentando a velocidade de soldagem.
A soldagem por este processo não requer metal de adição face a sua concentação de calor e facilidade de fusão das partes, porém, caso haja necessidade, o metal de adição apresenta-se na forma de vareta ou arame enrolado em bobinas.
Na soldagem manual a técnica de deposição é por gotejamento, sendo adicionado por uma das mãos enquanto a outra controla o banho de fusão.
Na soldagem automática bobina de arame é colocada em um alimentador automático com velocidade constante. Este sistema é utilizado quando a corrente de soldagem ultrapassa 100 A, e pode ainda ser aplicado com pré-aquecimento do arame por efeito "Joule" passando-se uma corrente elétrica através deste antes de atingir poça de fusão.

A Corrente de soldagem

Pode ser baixa se comparada ao processo TIG. No processo conhecido como microplasma trabalha-se com correntes iniciais em faixas tão baixas quanto 0,1 à 1 A e máxima de 20 A, ou elevadas pois o processo admite a utilização de correntes até 500 A. De uma forma arbitrária, costuma-se demarcar a fronteira de 100 A como o limite de baixas correntes e, acima dela, para as chamadas altas correntes.
A configuração da corrente
Típica é corrente contínua, polaridade direta, porém para soldagem de alumínio, trabalha-se com polaridade inversa ou corrente alternada, esta última causa uma certa instabilidade de arco.
A Tensão
A tensão de arco é menos sensível a uma variação do comprimento do arco, garantindo, assim, uma maior estabilidade dos parâmetros sendo superiores à do processo TIG, em valores de 50 V ou maiores.
O processo a arco plasma possui duas técnicas principais, sendo por arco transferido e não transferido.
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Solda a Plasma

A soldagem plasma é um processo que produz a união entre metais pela fusão dos componentes da junta. A elevada energia que promove a fusão é produzida por um arco constrito estabelecido entre um eletrodo não consumível de tungstênio e o bocal constritor.O eletrodo de tungstênio não consumível, protegido por uma atmosfera gasosa, é o principal ponto em comum entre os processos TIG e plasma. A principal diferença encontra-se na forma em que o arco elétrico se estabelece entre o eletrodo de tungstênio e a peça a ser soldada.Graças a esta constrição do arco elétrico e conseqüente concentração da energia gerada, o processo plasma oferece inúmeras vantagens em relação aos demais empregados no mercado.

Benefícios de Plasma x TIG

Maior tolerância da distância bocal – peça
Maior velocidade de soldagem
Melhoria do ciclo de trabalho devido à ausência de contaminação do eletrodo de tungstênio
Redução da distorção das chapas soldadas
Redução da zona termicamente afetada

Benefícios de Plasma x MIG/MAGAlém das vantagens apresentadas acima, temos:

Eliminação do metal de adição na grande maioria das aplicações
Eliminação dos respingos
Incremento substancial na velocidade de soldagem podendo atingir ganhos superiores a 100%
Redução de retrabalhos

Liga Hipoeutetóide

Uma liga com composição à esquerda do ponto eutetóide (que contenha entre 0,02 e 0,76%p de C) é conhecida como liga hipoeutetóide. Aço hipoeutetóide é aquele que possui menos carbono que o previsto na composição eutetóide. O resfriamento de uma liga hipoeutetóide - em condições de equilíbrio, com resfriamento lento - até uma temperatura abaixo da eutetóide, produzirá uma microestrutura em que a ferrita estará presente tanto na perlita quanto como uma fase que se formou enquanto se resfriava ao longo da região das fases (). A ferrita nucleia-se no contorno de grão da austenita (ferro ). Denomina-se ferrita eutetóide a ferrita presente na perlita, e ferrita proeutetóide a ferrita que se formou acima da temperatura eutetóide. A Fig. 9.i mostra uma representação esquemática do desenvolvimento das microestruturas, durante a solidificação em condições de equilíbrio, para uma liga ferro-carbeto de ferro de composição hipoeutetóide . A segunda parte da Figura 9.i é uma fotomicrografia de um aço com 0,38%p de C (hipoeutetóide), que possui uma microestrutura composta por perlita e ferrita proeutetóide.

Encruamento

O encruamento é um fenômeno modificativo da estrutura dos metais, em que há um endurecimento devido à baixa temperatura, causando uma deformação plástica.

O encruamento de um metal pode ser definido como sendo o seu endurecimento por deformação plástica. Ocorre basicamente porque os metais se deformam plasticamente por movimento de discordâncias e estas interagem diretamente entre si ou com outras imperfeições, ou indiretamente com o campo de tensões internas de várias imperfeições e obstáculos. Estas interações levam a uma redução na mobilidade das discordâncias, o que é acompanhada pela necessidade de uma tensão maior para provocar maior deformação plástica.