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Processos Mecânicos de Fabricação
Relatório da Aula prática: Avaliação da Dureza e Microestrutura de peças de Cobre Puro
Professor:
Osmar Roberto Bagnato
Alunos:
Alexandre Kumata – RA. 004201500414
Allen Oliveira – RA. 004201500914
Carlos Eduardo Bernardelli – RA. 004201603409
Thomas Jones – RA. 004201501403
Vitor de Castro– RA. 004201500905
Campinas, 26 de Setembro de 2016
Aula Prática – Avaliação da Dureza e Microestrutura de peças de Cobre Puro
Resumo:
Este relatório refere-se à aula prática realizada para verificar e avaliar a dureza e a microestrutura de peças de cobre puro no laboratório da USF (Universidade São Francisco). Nessa aula foi utilizada a técnica de preparação metalográfica (exposto as etapas do procedimento bem como quais são as máquinas necessárias para esta finalidade). Foi realizado o processo de preparação do material para realização da metalografia e por fim, através de um microscópio, foi possível analisar a micro estrutura do material preparado.
Objetivo:
Uso da técnica de preparação metalográfica para observação e identificação micro estrutural de peças de cobre encruadas e recozidas, afim de determinar e avaliar a microestrutura de amostras de cobre normalizada, encruada e recozida.
Introdução:
O cobre é um mineral não ferroso e têm sido utilizado a milhares de anos pelas mais diversificadas culturas espalhadas pelo mundo. A primeira era do cobre teve seu desenvolvimento marcante no Egito. Estimativas iniciais da descoberta do cobre sugerem por volta de 9000 a.C. no Oriente. Ele foi encontrado na superfície da Terra em forma de cobre nativo, um metal puro em seu estado metálico, sendo utilizado, posteriormente para produção de moedas, armas e utensílios diversos. Hoje em dia é utilizado em muitos objetos de decoração, joalheria, cabos elétricos e canalizações. 
Estrutura
O cobre é um elemento com o número atômico 29, massa atómica 63,54 u, com a designação científica de Cu (do latim cuprum). Classificado como metal de transição, pertence ao grupo 11 (1B) da Classificação Periódica dos Elementos. 
É um dos metais mais importantes industrialmente. Este metal possui relação direta com a prata e o ouro, uma vez que o cobre faz parte da liga destes dois metais. 
Devidos as suas propriedades, esse metal se torna altamente dúctil e condutor para ambos os atributos, seja térmico ou elétrico. Maleável e macio também são umas de suas características. As utilizações comuns para este metal incluem, principalmente, a sua adição em ligas de materiais de construção e também são muito utilizados para a confecção de fiação elétrica.
Propriedades:
As propriedades físicas do cobre são capazes de torná-los reativos com o ar, e mais notavelmente com o oxigênio. Isto cria uma fina camada de manchas sobre a porção visível do metal, dando ao cobre a sua coloração única. O cobre puro sem exposição ao ar mantém uma cor rosada. Eles fazem parte de uma pequena família metálica, com o césio e o ouro, pois não são coloridos. O cobre tem a tendência de refletir a luz, sem o espectro azul e violeta, fazendo-a cair no âmbito vermelho de cores.
Além seu estado sólido, o cobre pode também exibir-se em um estado líquido ou gasoso. As propriedades do cobre em seu estado liquefeito faz com que se apresente na cor verde, sem luz ambiente, enquanto a luz brilhante o torna rosa. Quando queimado em estado gasoso, o cobre emite uma fumaça negra, causada pela interação com o oxigênio.
Uma das propriedades físicas que prevalecem no cobre é o fato de que ele se encaixa com a prata e o ouro para compor o grupo 11 da tabela periódica dos elementos. Cada um destes elementos formam ligações metálicas que apresentam um único elétron orbitando na última camada sobre o núcleo. Isto faz com que o grupo 11 de metais, seja todos maleáveis e condutores.
As propriedades químicas do cobre incluem a tendência de causar um tipo de corrosão galvânica. Quando o cobre é colocado em contato direto com certos metais, tais como o ferro, e se junta a isso a água, a corrosão pode ocorrer nesta composição. A junção entre os metais atua como uma bateria e produz correntes elétricas. Isto é extremamente importante na indústria de canalização, onde ambos os tubos de cobre e ferro são utilizados para transferir água. Para evitar este problema, os tubos são geralmente separados por um plástico ou borracha na parte de transição.
Uma propriedade interessante do cobre é o seu efeito germicida de ocorrência natural. Muitos agentes patogênicos são mortos por qualquer liga contendo mais do que 65 por cento de cobre dentro de um período de oito horas. Temperaturas mais frias são capazes de causar uma prorrogação neste prazo. Este fato é altamente útil em configurações, tais como hospitais, que são responsáveis por muitos casos de infecções. Por simplesmente cobrir as superfícies com ligas de cobre, a taxa de infecção pode ser diminuída consideravelmente, melhorando e muito a qualidade de saúde nos hospitais e clínicas médicas.
Propriedades Físicas:
Estado da matéria			sólido
Ponto de fusão			1357,77 K
Ponto de ebulição			2835 K
Entalpia de fusão			13,26 kJ/mol
Entalpia de vaporização		300,4 kJ/mol
Volume molar			7,11×10−6 m3/mol
Pressão de vapor			1 Pa a 1509 K
Velocidade do som			3570 m/s a 20 °C
Classe magnética			Diamagnético
Susceptibilidade magnética	-9,7x10-6
Propriedades Químicas:
Ocorre principalmente em compostos de:
Cu(I): cuprosos
Cu(II): cúpricos
A maioria dos compostos de Cu(I) com ânions monoatômicos são insolúveis em água, e são facilmente oxidados a Cu(II)
O Cu(II) forma sais mais solúveis em água quando exposto ao ar úmido com gás carbônico lentamente se oxida, formando uma camada verde chamada de zinabre, de fórmula: CuCO3.Cu(OH)2
Aplicações:
APLICAÇÕES NA INDÚSTRIA ELÉTRICA
	Cabos para redes elétricas;
	Linhas telefônicas;
	Transformadores;
	Peças para rádio e TV;
	Ânodos.
APLICAÇÕES NA INDÚSTRIA MECÂNICA
	Arruelas;
	Rebites;
	Radiadores de automóveis;
	Trocadores de calor;
	Fios e tiras.
APLICAÇÕES NA INDÚSTRIA QUÍMICA
	Caldeiras;
	Destiladores;
	Tanques; 
	Alambiques.
APLICAÇÕES NA CONSTRUÇÃO CIVIL
	Objetos artísticos;
	Telhados;
	Calhas;
	Tubulações de gás.
Efeito do encruamento sobre as propriedades do Cobre:
Conforme é possível observar na “Figura 1 – Porcentagem da Redução de Área”, o gráfico mostra o efeito da trefilação sobre as propriedades mecânicas do arame de cobre de alta condutibilidade.
(Figura 1 – Porcentagem da Redução de Área)
Conforme é possível observar na “Figura 2 – Porcentagem da Redução de Espessura”, o gráfico mostra o efeito da laminação a frio sobre as propriedades mecânicas de fitas de cobre de alta condutibilidade.
(Figura 2 – Porcentagem da Redução de Espessura)
Tratamento térmico de Cu e suas ligas:
Os tratamentos térmicos são ciclos de aquecimento e resfriamento que produzem mudanças de estado de tensões ou alterações macroestruturais significativas, que resultam em mudança de propriedades físicas em geral e mecânicas em particular, as quais definem o campo de aplicação do material.
Os principais tipos de tratamentos térmicos aplicados ao cobre e suas ligas são os seguintes:
Normalização: Tratamento térmico de recozimento usado para refinar os grãos (diminuir o tamanho médio dos grãos) e produzir uma distribuição de tamanhos mais uniforme e desejável.
Recozimento para alívio de tensões: Para evitar corrosão sob tensão acarretada por tensões residuais é realizado em temperaturas inferiores à temperatura de recristalização, portanto abaixo da temperatura na qual ocorre significativo amolecimento no material.
Recozimento pleno: Tem propósito de amolecer um material encruado como consequência do trabalho mecânico. Além da recuperação inicial, resulta em recristalização, e, em casos de tempo prolongado e/ou temperatura elevada, crescimento de grão.
Efeito da recristalização sobre as propriedades:
Em temperaturas ainda mais elevadas adifusão atômica aumenta de tal modo que é possível que novos cristais comecem a se formar nas regiões mais energéticas do sólido. Isto ocorre porque a tensão destas regiões e a alta temperatura fornecem a energia de ativação da recristalização e também porque a estrutura deformada é menos estável e mais energética do que os novos cristais em formação.
Conforme é possível observar na “Figura 3 – Influência da Temperatura”, o gráfico mostra a influência da temperatura de recozimento nas propriedades mecânicas do cobre.
(Figura 3 – Influência da Temperatura)
Materiais e Métodos:
Materiais e equipamentos utilizados no experimento:
I - Amostras:
Uma de diâmetro 20 x 10 mm de cobre no estado normalizado;
	Duas de cobre deformadas a frio, formato paralelogramo;
	Três de cobre recozidas a 500°C por 60, 120 e 180 minutos.
II - Durômetro digital de bancada 
III - Politriz (Arotec APL-2);
IV - Lixas (#220,#300,#400,#600)
V - Polimento (Al2O3);
VI - Ataque químico com solução de cloreto férrico de 5 a 10 segundos conforme a amostra;
VII - Microscópio óptico com câmara digital (Arotec Exodo);
Metodologia Experimental:
Para realizar o procedimento metalografico é preciso apenas uma pequena amostra do material a ser analisado. Para esta aula foram disponibilizadas quatro tipos de amostras de cobre puro:
A0 – “como recebida” / normalizada;
A1, A2, A3 – Tratados em tempos diferentes;
A4 – Encruada.
A primeira etapa a ser realizada é o ensaio de dureza. Para realização do ensaio de dureza as amostras de cobre puro foram preparadas para serem medidas no Durômetro de Bancada, ilustrado na “Figura 4 – Durômetro de Bancada”.
(Figura 4 – Durômetro de Bancada)
O Procedimento para este ensaio é embasado de acordo com os seguintes passos, que foi repetido três vezes por material:
Coloca-se o corpo de prova no equipamento;
Aplica-se uma pré-carga variável de acordo com o material;
Tara-se a escala de dureza, de acordo com a pré-carga;
Aguardam-se em média dez segundos para estabilização do equipamento; 
Por fim é liberada a carga, e visualiza-se o resultado, ilustrado na “Figura 5 – peça de cobre recozida”.
Os resultados obtidos para cada amostra estão representados na “Tabela 1 – Resultado de dureza”, abaixo:
	Amostra
	Tipo
	Carga aplicada
	Dureza 1
	Dureza 2
	Dureza 3
	Dureza média
	A0
	Normalizada
	100 kg
	28 HRB
	26,5 HRB
	26 HRB
	26,8 HRB
	A1
	Recozida
	100 kg
	4 HRB
	2 HRB
	4 HRB
	3,3 HRB
	A2
	Recozida
	60 kg
	46 HRB
	43 HRB
	47 HRB
	45,3 HRB
	A3
	Recozida
	60 kg
	55 HRB
	53 HRB
	54 HRB
	54 HRB
	A4
	Encruada
	100 kg
	45,5 HRB
	44,5 HRB
	47 HRB
	45,6 HRB
(Tabela 1 – Resultado de dureza)
Figura 5 – peça de cobre recozida
Após este procedimento foi necessário realizar o lixamento das amostras e em seguida o polimento do material para diminuir ao máximo as imperfeições na superfície da peça e fazer uma análise mais precisa sobre a microestrutura da peça. Nessa etapa foi utilizada uma politriz, indicada na “Figura 6 – Politriz (Arotec APL-2)” e lixas com diferentes graus de granulação por centímetro quadrado (#400/600), a fim de conseguir o acabamento desejado para a peça. 
Figura 6 – Politriz (Arotec APL-2)
Todo o processo de lixamento é feito com refrigeração contínua de água. Em seguida é realizado o polimento que foi executado com pequenas quantidades de abrasivos de óxido de alumínio sobre os pratos giratórios da politriz, como é possível ver na “Figura 7 – Polimento com Óxido de Alumínio”.
Figura 7 – Polimento com Óxido de Alumínio
Após o processo de lixamento e polimento, a amostra do cobre é submetida a um ataque químico com solução de cloreto férrico de 5 a 10 segundos conforme a amostra, que tem como objetivo permitir a identificação (visualização) dos contornos de grão e as diferentes fases na microestrutura. Por fim, a peça é coloca no microscópio mostrado na “Figura 8 – Microscópio (Arotec Exodo)” para realizar a análise óptica da microestrutura da peça. 
Figura 8 – Microscópio (Arotec Exodo)
Resultados e Discussões:
Através das imagens das peças obtidas nesta aula prática, o tipo da micro estrutura das peças não foi conclusiva devido ao mau polimento realizados pelos alunos nas amostras em questão, conforme ilustrado na “Figura 9 – Análise da peça no microscópio 1”.
Figura 9 – Análise da peça no microscópio 1
Da mesma forma, não foi possível associar os tipos de micro estrutura (tipo 1 com tipo 2) De qualquer modo, conforme é possível notar na “Figura 10 – Análise da peça no microscópio”, a peça possui um alguns grãos alongados que indicam o sentido do forjamento da amostra, bem como é possível notar alguns grãos poligonais, que é o que ocorre com os grãos após a peça ser recruada.
Figura 10 – Análise da peça no microscópio 2
Conclusões:
Portanto é possível concluir que a variação do tratamento do material influencia de maneira considerável na dureza do mesmo, podemos ver que a carga deve ser regulada de acordo com o tratamento de cada material. E de acordo com a análise da fotografia tirada no microscópio eletrônico e com as imagens e as informações adquiridas ao longo do curso de que os processos antecedentes a análise de grãos pelo microscópio, são fundamentais e devem ser realizados com meticulosidade, pois as informações presentes nos materiais se mostram assim mais clara e de fácil analise. Foram apresentadas algumas dificuldades no experimento, como as variável de tempo em que se deve manter a peça no banho químico na solução de cloreto férrico, também como o direcionamento e posicionamento no polimento e lixamento da amostra. Por fim, entendemos que todo o trabalho, seja ele qual for deve ser feito com total atenção e esmero, e vivenciamos o que foi passado em aula na prática, algo que realmente atiça a curiosidade dos alunos e que atividades desse cunho são essenciais para a formação acadêmica dos envolvidos.
	
Referencias Bibliográficas:
Roteiro para aula prática – Metalografia - Prof. Osmar R. Bagnato
VAN VLACK, L.H, Princípios de Ciência dos Materiais. Ed. Edgard Blücher Ltda, 12.Ed., São Paulo, 1998. 427 p.
COLPAERT, Hubertus. Metalografia dos produtos siderúrgicos comuns. 4ª edição – São Paulo: Edgard Blucher, 2008
CALLISTER JR., W. D. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 5.ed. Rio de Janeiro: LTC, 2002