O que é a camada branca presente na superfície do chocolate?

Nada mais justo do que falar sobre chocolate na semana de páscoa! Você já abriu uma barra de chocolate e presenciou uma camada branca fina por cima dele? O que você acha que pode ser? Mofo? Precipitados de proteína do leite? Cristais de gordura?

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Se você disse sim à última pergunta, você acertou! Como o chocolate deve ser consumido à 20 ºC, quando ele é refrigerado irá aparecer essa pequena camada na superfície. Ela é conhecida como eflorescência do chocolate (em inglês: chocolate bloom) e é formada quando a manteiga de cacau derretida cristaliza numa forma menos estável.

A temperatura de cristalização do chocolate é muito importante no processo e os fabricantes estão sempre muito atentos a ela. Assim eles conseguem produzir um chocolate crocante e brilhante, na forma que conhecemos. Isso é feito através do estudo das curvas de resfriamento e aquecimento do chocolate, como fazemos na engenharia para inúmeros materiais.

A manteiga de cacau possui seis formas e eles se diferem pela temperatura de fusão. Os cristais mais estáveis fundem entre 34 e 36 ºC, já os menos estáveis a aproximadamente 17ºC. Para cristalizar na forma mais estável possível o chocolate passa por tratamentos térmicos, nos quais envolvem fases de aquecimento e resfriamento.

A eflorescência do chocolate ocorre quando a gordura do chocolate derrete, passa pelo chocolate e alcança a superfície. Então quando o chocolate resfria de uma forma descontrolada, formam-se esses cristais instáveis na superfície. Foram feitos estudos para saber qual o mecanismo utilizado pela gordura para passar pelo chocolate, já que esse fenômeno não era inteiramente compreendido. Para isso foi utilizado até mesmo raio-x para estudá-lo em tempo real.

Os resultados obtidos mostraram que o óleo adicionado às amostras de chocolate em pó, move-se rapidamente até a gordurosa manteiga de cacau, envolta por partículas sólidas. O óleo dissolve a manteiga, assim mudando a estrutura cristalina característica dela. A dissolução também desencadeia um processo químico que leva alterações microscópicas na superfície da amostra. Quando a temperatura diminui, a gordura começa a cristalizar, portanto o fenômeno está relacionado com as alterações microestruturais da manteiga de cacau em diversas temperaturas.

Esse estudo foi até mesmo publicado na ACS Applied Materials e Interfaces. Quem diria que a engenharia de materiais abrange até mesmo o chocolate?

Desejamos uma ótima páscoa e muitos chocolates!

Esse texto foi originalmente publicado École polytechnique fédérale de Lausanne.

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#1 Processos a LASER: Tratamento térmico

Hoje nós falaremos sobre….

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gatos LASER!

O LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) virou sinônimo para precisão, qualidade e velocidade. É muito utilizado porque é uma máquina flexível em relação aos processos que nela podem ser feitos, o feixe de luz possui propriedades únicas e é uma intensa fonte de energia.

Pode ser utilizado da indústria médica até na bélica, não faltam aplicações para eles! No processamento de materiais isso não é diferente, existem muitos processos que podemos utilizar. Nessa e nas próximas 2 semanas falaremos sobre 3 processos (Tratamento térmico, cladding e soldagem) que são muito estudados, a interação deles com o material e também suas vantagens.

Os LASERS podem se dividir em três categorias, dependendo do tipo do seu meio ativo: líquido, gasoso e sólido. Os dois tipos que hoje são mais estudados e aplicados nos processamentos de materiais são:

LASER de CO2

Esse é um LASER gasoso baseado numa mistura de dióxido de carbono (CO2), que será estimulado eletricamente. Eles são mais utilizados para trabalhar com materiais não metálicos, na maioria dos casos polímeros. Porém isso não significa que não possam ser utilizados em metais! Eles possuem uma alta qualidade do feixe e eficiência.

LASER de fibra

Pertencem ao grupo dos LASERS de fase sólida, como o nome já diz, o meio ativo do laser é um material sólido. A vantagem desse equipamento é que pode-se obter um diâmetro focal muito pequeno, ou seja, a intensidade pode chegar a 100 vezes mais do que o de CO2. Geralmente são utilizados em metais para fins de marcação, soldagem e tratamento térmico.

Tratamento térmico

O tratamento térmico a LASER é um processo autógeno (não há adição de material), possui o objetivo de tratar termicamente uma área pré-selecionada da peça sem fundir o material e tem o princípio muito parecido com os processos tradicionais: Os maiores candidatos para receberem o tratamento são materiais ferrosos (aços e ferros fundidos).

O processo ocorre da seguinte forma: Uma fina camada é aquecida acima da temperatura de austenitização e é resfriado em uma taxa muito alta, produzindo então uma estrutura martensítica. O tratamento com uma região da superfície e profundidade definidas propicia uma melhoria das propriedades tribológicas do material, como resistência ao desgaste, à corrosão e à fadiga.

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Modelo de funcionamento do tratamento térmico feito com LASER. O feixe (LASER Beam) é passado pela peça e forma uma região tratada (Heat Treat Depth). Fonte imagem

No vídeo abaixo dá para ver como acontece o processo:

Com esse processo é possível obter uma alta taxa de produção, as taxas de distorção no material são baixas e é possível realizar um tratamento térmico local (no tradicional geralmente a peça inteira tem que ser submetida), geralmente não é necessário fazer a têmpera em meio líquido, há baixo nível de contaminação e áreas difíceis da peça podem ser submetidas ao tratamento. Além disso, por fazer o tratamento em apenas uma região da peça e realizar o processo em minutos, possui alta produtividade, ou seja, é mais barato na maioria das vezes do que os processos convencionais quando for utilizado em grande escala.

As desvantagens do processo são o custo (no caso de uma pequena produção), alto investimento inicial, mão-de-obra qualificada e a manutenção do equipamento.

Lembrando que nas próximas semanas falaremos mais sobre LASER e será focado na parte de cladding e soldagem.

Referências:

Majumdar, J.D.; Manna, I. “Laser processing of materials.” Sadhana 28.3-4 (2003): 495-562.

Laser Types

SOARES, E.J.F. Tratamento Superficial a Laser dos aços AISI 1045 e AISI 4340: Transformações Microestruturais e Propriedades. 2005. 145 f. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) – Universidade Estadual de Campinas. Campinas, 2005.

Ion, John. Laser processing of engineering materials: principles, procedure and industrial application. Butterworth-Heinemann, 2005.

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Aços com efeito TRIP

Hoje falaremos sobre um grupo de aços muito utilizado na indústria automobilística: os aços com efeito TRIP (plasticidade induzida por transformação de fases). Estes materiais estão inseridos na família de aços AHSS (aços avançados de alta resistência), os quais oferecem uma elevada resistência mecânica, necessária para diminuir o peso dos veículos na indústria automobilística, enquanto mantém elevada a conformabilidade do material, fator tão importante para a produção dos componentes estruturais. Além dos aços TRIP, são parte desta família os aços dual phase, martensíticos, complex phase e ferrítico-bainíticos.

Os aços TRIP apresentam matriz ferrítica com dispersão das fases bainita e austenita retida, sendo esta última a responsável pela modificação das propriedades do aço na medida em que este sofre deformação plástica. Em outras palavras, a plasticidade induzida por transformação de fases presente nestes aços é consequência da transformação de austenita retida em martensita, que é proporcional à deformação plástica sofrida pelo material. Assim, consegue-se um aço otimizado, que apresenta diferentes microconstituintes de acordo com o que é exigido do mesmo. Desta forma, o material é conformado quando apresenta um microconstituinte cúbico de faces centradas (CFC), a austenita, que é bastante dúctil por apresentar muitos planos de escorregamento para as discordâncias, facilitando a conformação. Em seguida, introduzindo deformação plástica, a resistência do material em serviço é aumentada consideravelmente através da transformação desta austenita metaestável em martensita, tornando o aço capaz de suportar um maior esforço.

O funcionamento deste mecanismo pode ser melhor explicado a partir da figura abaixo, de um corpo de prova submetido a ensaio de tração.

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Corpo de prova apresentando estricção em ensaio de tração.

Verifica-se que após a estricção no ensaio de tração, esta nova região formada, de menor seção transversal resistente, será a região mais solicitada e local da futura ruptura do material. No entanto, se você for pensar no aço TRIP submetido a essas condições de ensaio, verificará que esta região da estricção, por apresentar maior grau de deformação, será também aquela em que haverá uma maior concentração de martensita. Assim, esta região apresentará resistência comparável às demais e a deformação voltará a ser mais bem distribuída ao longo do corpo de prova, que consequentemente irá apresentar uma maior taxa de encruamento e maior alongamento no ensaio de tração. Na indústria automobilística, portanto, este material também terá a vantagem de no caso de eventual colisão do veículo, absorver uma quantidade elevada de energia. Além, é claro, da vantagem associada à fácil conformabilidade.

Quanto à produção dos aços TRIP, é necessário um tratamento térmico que apresenta duas etapas. Primeiramente, o metal é aquecido e permanece um tempo no intervalo de temperatura de 780 a 880 °C, ou seja, sofre um recozimento intercrítico. Uma vez obtida a microestrutura austenítica, inicia-se o resfriamento controlado do aço para a formação de ferrita e bainita. A ferrita é formada primeiro, por meio de um resfriamento contínuo, e em seguida é formada a bainita ao manter-se o material em condição isotérmica, a 400°C. A quantidade de bainita formada é controlada e o tratamento é interrompido antes que a transformação bainítica possa ser concluída. Assim, assegura-se que ao resfriar o material ao ar, parte da austenita inicial seja mantida na microestrutura. Esta austenita será denominada de austenita retida e estará em condição metaestável, transformando-se em martensita à medida que o material for sendo deformado plasticamente.

O tratamento pode ser resumido pelo esquema abaixo:

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Tratamento térmico de aço TRIP após ser submetido a laminação à frio. Fonte: NIGRI,2008.

Você pode estar se perguntando por que razão o aço precisa apresentar estes 3 microconstituintes. Isto se deve ao fato de que o aço TRIP não garante suas propriedades mecânicas apenas com a transformação martensítica induzida por deformação, mas também por endurecimento por solução sólida, refino de grão, endurecimento por precipitação e presença simultânea de fases duras e macias em sua microestrutura.  Para isso, utilizam-se elementos de liga, tais como Mn e P (endurecimento por solução sólida), Si e Cu (endurecimento por solução sólida e precipitação) e Nb (refino de grão) unidos às fases ferrita, bainita e austenita retida, de diferentes durezas. Na realidade, ainda não se conhece quais as contribuições  exatas de cada fase no comportamento mecânico do aço, provavelmente devido à quantidade de fatores envolvidos na melhoria deste tipo de propriedade.

Referências:

EMADODDIN, E.; AKBARZADEH, A.; DANESHI, G. H. Effect of intercritical annealing on retained austenite characterization in textured TRIP-assisted steel sheet. Materials characterization, v. 57, n. 4, p. 408-413, 2006.

UTHAISANGSUK, V.; PRAHL, U.; BLECK, W. Micromechanical modelling of damage behaviour of multiphase steels. Computational Materials Science, v. 43, n. 1, p. 27-35, 2008.

GIRAULT, Etienne et al. Study of the temperature dependence of the bainitic transformation rate in a multiphase TRIP-assisted steel. Materials Science and Engineering: A, v. 273, p. 471-474, 1999.

NIGRI, E. Estudo Exploratório da Soldagem por Fricção e Mistura Mecânica de um Aço TRIP 800. 2008. 130 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Metalúrgica) –  PPG em Engenharia Metalúrgica, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2008.

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