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Dec 05, 2023

Colocando o pedal no metal - e outros materiais em movimento

Avanços recentes em polímeros, metais e compósitos estão levando a

Avanços recentes em polímeros, metais e compósitos estão levando a indústria de manufatura a direções ousadas e muitas vezes inesperadas

Os humanos começaram a transformar metais em formas úteis milênios atrás, primeiro com cobre e ouro, depois bronze, seguido de ferro e aço. Os polímeros têm uma história muito mais curta - pouco mais de um século - mas desde então se tornaram tão importantes quanto suas contrapartes metálicas.

Depois, há os recém-chegados à evolução dos materiais, entre eles os plásticos reforçados com fibra de carbono (CFRP) e os compósitos de matriz metálica, que se tornaram cada vez mais populares nos últimos anos devido à sua resistência e rigidez, peso relativamente baixo e "ajustabilidade" para várias aplicações.

As inovações continuam em todo o espectro de materiais, gerando uma mistura eclética de formulações avançadas com propriedades específicas de aplicação para aumentar a resistência, durabilidade e conformabilidade, reduzindo o peso e melhorando a sustentabilidade. Não que houvesse muita dúvida, mas o desenvolvimento de materiais modernos é realmente uma ciência.

Ironicamente, um dos jogadores mais estabelecidos neste zoológico de materiais, o aço, está mais uma vez se esforçando para liderar o grupo - pelo menos no mundo automotivo. Isso ocorre porque o aço avançado de alta resistência (AHSS) e o aço de ultra-alta resistência (UHSS) ocuparam o lugar do motorista em muitos projetos de carros e caminhões, graças ao seu peso e benefícios ambientais.

Os chamados aços de 3ª geração "podem reduzir o peso estrutural de um veículo em até 25% e reduzir as emissões totais de CO2 do ciclo de vida em até 15% a mais do que qualquer outro material automotivo", de acordo com o American Iron and Steel Institute (AISI). , Washington DC

Chris Kristock, vice-presidente do programa automotivo da AISI, observou que a indústria siderúrgica passou por várias fases distintas no caminho para esses aços de alta resistência. "Alguns de nós podem se lembrar dos praticamente indestrutíveis Checker Cabs dos anos 50, cujos painéis da carroceria eram feitos de ligas pesadas de carbono-manganês", disse ele. "Naquela época, a resistência era obtida com o uso de materiais mais espessos, uma prática inédita hoje em dia."

O primeiro passo para metais mais finos veio com a adição de columbium, titânio, vanádio e elementos de liga semelhantes, todos os quais servem para aumentar a resistência, mantendo boa ductilidade. No entanto, nem todas as melhorias são puramente metalúrgicas. As montadoras logo desenvolveram o processo de estampagem a quente, onde o aço contendo quantidades ligeiramente maiores de carbono e manganês (e um pouco de boro) é aquecido a 1.800° F (982° C) durante a conformação e, em seguida, temperado enquanto ainda está na matriz. E embora esse processo produzisse peças fortes e de alta qualidade, as montadoras queriam mais.

Kristock explicou que os aços Gen3 são de natureza bifásica, com uma microestrutura ferrítica-martensítica que aumenta significativamente suas propriedades mecânicas.

"O aço de baixo carbono tradicional tem resistência ao escoamento para formar cerca de 210 megapascais (MPa), ou 30.000 psi", disse ele. "Ainda assim, as siderúrgicas começaram a distribuir ligas comerciais que podem ser estampadas a frio com limite de escoamento na faixa de 800 MPa e resistência à tração associada de 1.180 MPa, com alguns graus de estampagem a quente capazes de atingir níveis de limite de escoamento em peças acabadas de até 1400 MPa ou até sete vezes maior do que o aço-carbono com resistência à tração associada de até 1.500 MPa. E ainda não terminaram — vemos que aços com nível de resistência 10 vezes maior estão no horizonte."

Como afirmado no início, os humanos fabricam aço há milênios. Então, o que mudou? Essas grandes melhorias se devem a elementos de liga recém-descobertos ou a algum método de fabricação drasticamente diferente?

A resposta, explicou Kristock, é nenhum dos dois. "Graças aos controles de processo avançados e uma série de melhorias tecnológicas, estamos mais bem equipados para manipular o processamento térmico que ocorre durante a fabricação do aço", disse ele. "Podemos aquecer e resfriar o aço de forma que ele quebre a relação tradicional de resistência versus ductilidade."