Secretaria de Estado de Ciência e Tecnologia
Fundação de Apoio à Escola Técnica - FAETEC
Escola Técnica Estadual de Santa Cruz - ETESC
Tecnologia
dos
Materiais
Wagner Marques
Se, como no senso comum, tomássemos discurso como fala ou
troca de perguntas e respostas, pensaríamos na leitura do texto
como um diálogo entre autor e leitor. No entanto, o que se mostra
no texto não é, do autor, o dizer, mas sua intenção de dizer.
Leitura, portanto, é diálogo entre o leitor e a intenção de dizer de
um autor. Sendo assim, o nascimento do texto dá-se na leitura
atenta, onde escrita e palavra confundem-se, possibilitando a
compreensão do discurso da intenção de dizer. (Bicudo & Garnica,
SUMÁRIO
Introdução... 01
UNIDADE I – MATERIAIS: PROPRIEDADES E ENSAIOS 1 – Propriedades dos Materiais... 03
2 – Noções de Ensaios Mecânicos... 04
2.1 – Ensaios Mecânicos Destrutivos... 05
2.1.1 – Ensaio de Tração... 06
2.1.2 – Ensaio de Compressão... 10
2.1.3 – Ensaio de Dureza ... 12
2.1.3.1 – Dureza Brinell... 13
2.1.3.2 – Dureza Rockwell... 16
2.1.3.3 – Dureza Vickers... 19
2.1.4 – Ensaio de Fadiga... 21
2.1.5 – Ensaio de Impacto... 23
2.2 – Ensaios Mecânicos Não Destrutivos... 25
2.2.1 – Ensaio Visual... 25
2.2.2 – Líquidos Penetrantes... 26
2.2.3 – Partículas Magnéticas... 28
2.2.4 – Ultra-som... 29
2.2.5 – Radiografia Industrial... 29
UNIDADE II – FASES E LIGAS 1 – Estruturas Cristalinas... 32
1.1 – Cristalinidade... 32
1.2 – Sistemas Cristalinos... 33
1.2.1 – Cúbico Simples... 33
1.2.2 – Cúbico de Corpo Centrado... 34
1.2.3 – Cúbico de Faces Centradas... 34
1.3 – Solução x Mistura... 34
2 – Ligas de Ferro-Carbono... 36
2.1 – Introdução... 36
2.2 – Diagrama de Fases da Liga Fe-C... 36
2.3 – Microconstituintes... 38
2.3.1 –Ferrita ou Ferro α... 38
2.3.2 –Austenita ou Ferro γ... 38
2.3.3 – Cementita ou Carbeto de Ferro... 38
2.4 – Noção de Obtenção do Aço... 39
2.4.1 – Processos Pneumáticos... 41
2.4.2 – Processo Siemens-Martin... 41
2.5 – Sistema de Classificação dos Aços... 41
2.6 – Efeito dos Elementos de Ligas nos Aços... 43
2.7 – Ferros Fundidos... 45
2.7.1 – Ferros Fundidos Brancos... 45
2.7.2 – Ferros Fundidos Maleáveis... 46
2.7.3 – Ferros Fundidos Cinzentos... 46
2.7.4 – Ferros Fundidos Nodulares... 46
3 – Ligas Não Ferrosas... 47
3.1 – Liga de Cobre-Estanho... 47
3.2 – Liga de Cobre-Zinco... 47
3.3 – Liga de Cobre-Níquel... 48
3.4 – Ligas de Alumínio... 48
4 – Ligas Não Metálicas... 49
4.1 – Plásticos... 49
4.2 – Cerâmica... 50
4.3 – Outros... 50
UNIDADE III – TRANSFORMAÇÕES NOS AÇOS 1 – Transformação da Austenita... 52
1.1 – Efeito da Velocidade de Esfriamento... 52
1.2 –Diagrama “Tempo-Temperatura-Transformação”... 52
1.2.1 – Efeito da Seção da Peça... 57
1.3 – Fatores que Afetam a Posição das Curvas do Diagrama TTT... 58
1.4 – Fatores de Influência nos Tratamentos Térmicos... 59
2 – Tratamentos Térmicos... 59
2.1 – Recozimento... 59
2.1.1 – Recozimento Total ou Pleno... 60
2.1.2 – Recozimento para Alívio de Tensões... 60
2.1.3 – Esferoidização... 61
2.2 – Normalização... 61
2.3 – Têmpera... 63
2.4 – Revenido... 64
3 – Tratamentos Isotérmicos... 65
3.1 – Austêmpera... 65
3.2 – Martêmpera... 66
4 – Tratamentos Termo-Químicos... 67
4.1 – Cementação... 67
4.2 – Nitretação... 68
INTRODUÇÃO
Uma das coisas que torna o homem diferente dos outros animais que vivem em nosso planeta é a sua inteligência, que gerou um inconformismo por não entender como as
coisas “funcionam” no universo.
Um grego, chamado Demócrito, sugeriu que toda a matéria seria composta de pequenas partículas, as quais chamou de átomos. Esta palavra grega quer dizer indivisível, e ele a usou porque achava que o átomo era tão pequeno que não podia mesmo ser dividido.
Hoje, sabemos que os átomos são formados por partículas ainda menores. São representadas pelos protons, neutrons e eletrons. A teoria diz que no átomo existe um núcleo formado pelos protons, que são partículas com carga elétrica positiva, e pelos neutrons, que são partículas com carga elétrica nula. Girando em órbitas ao redor desse núcleo, estão os eletrons, que são partículas com carga elétrica negativa.
A importância dessa descoberta reside no fato de que é necessário conhecer as estruturas que compõem cada um dos materiais, a fim de que possamos entender as
propriedades deles como um todo, uma vez que se refletem em função dos seus “pequenos componentes”.
Desta forma, procederemos um estudo acerca das propriedades dos materiais, a maneira de conhecê-las e analisá-las, dos seus componentes e sua influência nas características finais, além de verificar que é possível modificar certas propriedades de alguns materiais, bem como a maneira como pode ser feita. Paralelamente, aprenderemos a verificar qual deve ser a dimensão de algumas peças usadas na eletromecânica, em função do material do qual são fabricadas e de como serão utilizadas, utilizando-se alguns cálculos que nos levem ao dimensionamento das mesmas.
UNIDADE I
1 – PROPRIEDADES DOS MATERIAIS
Vários tipos de materiais são usados na fabricação de um automóvel, como o aço, o ferro fundido, o plástico, a borracha. Cada um deles possui características próprias: o ferro fundido é duro e frágil, assim como o vidro que também é transparente, o aço é bastante resistente, o plástico é impermeável, a borracha é elástica. Todas essas capacidades próprias de cada material são o que chamamos de propriedades.
As propriedades mecânicas aparecem quando o material está sujeito a esforços de natureza mecânica. Essas propriedades determinam maior ou menor capacidade que o material tem para transmitir ou resistir aos esforços que lhe são aplicados. Essa capacidade é necessária não só no processo de fabricação, mas também durante a sua utilização. Do ponto de vista da indústria mecânica, esse conjunto de propriedades é considerado o mais importante para a escolha da matéria prima.
Dentre as propriedades desse grupo, uma das mais importantes é a resistência mecânica. Essa qualidade permite que o material seja capaz de resistir à ação de determinados tipos de esforços, como a tração e a compressão. Está ligada às forças internas de atração existentes entre as partículas que compõem o material. A resistência à tração, por exemplo, é uma propriedade bastante desejável nos cabos de aço de um guindaste.
Em materiais para a fabricação de molas é necessário que a elasticidade esteja presente. A elasticidade é a capacidade que o material possui de se deformar, quando submetido a um esforço, e de voltar à forma original, quando o esforço termina. Quando se fala em elasticidade, o primeiro material a ser lembrado é a borracha. No entanto, vale citar que o aço é utilizado na fabricação de molas, as quais necessitam dessa propriedade.
Um material pode ter também plasticidade. Isso quer dizer que, quando submetido a um esforço, ele é capaz de se deformar, sem se romper, e manter essa forma quando o esforço desaparece. Essa propriedade é importante para os processos de fabricação que exigem conformação mecânica, como, por exemplo, na fabricação de partes da carroceria de um veículo. Pode ser chamada também de ductilidade ou maleabilidade.
A dureza é a resistência do material à penetração, à deformação plástica permanente, ao desgaste. Em geral, os materiais duros são também frágeis. Por falar nisso,
Se colocarmos dois cubos do mesmo tamanho, sendo um de chumbo e o outro de plástico, em uma balança com dois pratos, é fácil perceber que o prato com o cubo de chumbo descerá muito mais que o prato com o cubo de plástico. Isso ocorre porque o chumbo é mais denso que o plástico. Em outras palavras, cabe mais matéria dentro do mesmo espaço. Essa propriedade se chama densidade.
Os metais são bons condutores de eletricidade, pois possuem alta condutividade elétrica, ou seja, se deixam percorrer facilmente pela corrente elétrica. Já quando o material oferece resistência à passagem da corrente elétrica, dizemos que ele possui alta
resistividade. Essa é a propriedade dos materiais que são maus condutores elétricos. Para que você não leve choque elétrico, os fios elétricos são recobertos por um material plástico, pois esse material resiste à passagem da corrente elétrica.
Existem outros materiais que são capazes de absorver e conduzir grande quantidade de calor. A essa propriedade chamamos de condutividade térmica. Também os metais são bons condutores de calor.
As propriedades químicas são aquelas que se manifestam quando o material entra em contato com outros materiais ou com o ambiente. Elas se apresentam sob a forma de presença ou de ausência de corrosão. O alumínio, por exemplo, é um material que, em contato com o ambiente, resiste bem à corrosão. Já o ferro na mesma condição se oxida, ou como dizemos, enferruja, pois não resiste bem à corrosão. Tal propriedade é denominada
resistência à corrosão.
2 - NOÇÕES DE ENSAIOS MECÂNICOS
Veja a seguir a representação esquemática de alguns tipos de esforços aos quais os materiais podem ser submetidos:
F F F F F
F F F
F CISALHAMENTO FLEXÃO FLAMBAGEM
É evidente que os produtos têm de ser fabricados com as características necessárias para suportar esses esforços. Para saber se os materiais apresentam tais características, realizamos os ensaios mecânicos, que são procedimentos padronizados, compreendendo testes, cálculos, gráficos e consultas a tabelas, tudo isso em conformidade com as normas técnicas. Realizar um ensaio consiste em submeter um objeto já fabricado ou um material que será industrializado a esforços extremos de solicitação.
Os ensaios podem ser agrupados em dois blocos: ensaios destrutivos e ensaios não destrutivos. Ensaios destrutivos são aqueles que deixam algum sinal na peça ou corpo de prova submetido ao ensaio, mesmo que estes não fiquem inutilizados. Ensaios não destrutivos são aqueles que, após sua realização, não deixam marca alguma ou sinal e, por consequência, nunca inutilizam a peça ou o corpo de prova, a menos que a peça seja condenada. Por essa razão, podem ser usados para detectar falhas em produtos acabados e semiacabados.
2.1 - ENSAIOS MECÂNICOS DESTRUTIVOS
Há ensaios que se realizam à custa da ruptura de um corpo de prova, sendo que o mesmo pode romper de duas maneiras:
Fratura frágil: caracteriza-se pelo aspecto cristalino, não se notando, praticamente, estricção na região da fratura. Os materiais frágeis se rompem sem nenhuma deformação plástica, de forma brusca.
Fratura dúctil: possui aparência fibrosa, ocorrendo grande deformação plástica antes da ruptura.
F
F De acordo com a temperatura a que seja submetido um corpo de prova a sua fratura pode apresentar variações. A essa temperatura chamamos de temperatura de transição, que pode ser definida como uma faixa de temperatura, relativamente pequena, onde a energia absorvida pelo corpo de prova cai apreciavelmente, ou seja, ocorre mudança no caráter da ruptura do material, passando de dúctil a frágil ou vice-versa.
2.1.1 - ENSAIO DE TRAÇÃO
O ensaio mais importante para a determinação da resistência dos materiais é o ensaio de tração. Consiste em submeter o material a um esforço que tende a alongá-lo até a ruptura. Os esforços ou cargas são medidos na própria máquina de ensaio.
Neste ensaio, o corpo é deformado por alongamento, até o momento que se rompe. Permite conhecer como os materiais reagem aos esforços de tração, quais os limites de tração que suportam e a partir de que momento ocorre a sua ruptura.
Quando uma força é aplicada na direção do eixo longitudinal, dizemos que se trata de uma força axial. A aplicação de uma força axial num corpo preso produz uma deformação, ou seja, é capaz de provocar um aumento no seu comprimento com diminuição da área da seção transversal. Este aumento
de comprimento recebe o nome de alongamento, ao passo que a redução da área da seção transversal é conhecida por estricção. Podem ocorrer dois tipos de deformação, quando um corpo é submetido a uma força axial de tração: a elástica e a plástica. A
fase elástica fase plástica
F F
elástica plástica
A força de tração atua sobre a área da seção transversal do material, ocasionando uma relação entre essa força aplicada e a área do material que está sendo exigida, denominada tensão. No ensaio de tração convencionou-se que a área da seção utilizada para os cálculos é a da seção inicial.
Quando um corpo de prova é submetido ao ensaio em questão, a máquina utilizada fornece um gráfico que mostra as relações entre a força aplicada e as deformações ocorridas durante o ensaio. Esse gráfico é conhecido por diagrama tensão-deformação, e que nos permite avaliar as propriedades do material no decorrer do processo.
Analisando o diagrama tensão-deformação passo a passo, podemos verificar quais propriedades que ele nos permite determinar. A primeira é o limite elástico.
O limite elástico recebe esse nome porque, se o ensaio for interrompido antes deste ponto e a força de tração retirada, o corpo volta à sua forma original, como faz um elástico.
Na fase elástica, se dividirmos a tensão pela deformação, em qualquer ponto, obteremos sempre um valor constante. Esse valor é chamado módulo deelasticidade, e é a medida de rigidez do material, ou seja, quanto maior for o módulo, mais rígido será o material.
σ
(tensão)
σ
ε (deformação)
escoamento
limite de ruptura
Prosseguindo a aplicação da força, termina a fase elástica e tem início a fase plástica, onde já ocorre uma deformação permanente, mesmo que se retire a força de tração. No início desta fase ocorre um fenômeno chamado escoamento, que se caracteriza por uma deformação permanente do material sem que haja aumento de carga, mas com aumento da velocidade de deformação.
Ele é obtido verificando-se a parada do ponteiro na escala da força durante o ensaio e o patamar formado no gráfico exibido pela máquina. Entretanto, vários metais não apresentam escoamento, e mesmo nas ligas em que ocorre, ele não pode ser observado, na maioria dos casos, porque acontece muito rápido e não é possível detectá-lo.
Durante o escoamento ocorre o encruamento, que é um endurecimento causado pela quebra dos grãos que compõem o material quando deformados a frio. O material resiste cada vez mais à tração, exigindo uma tensão cada vez maior para se deformar. Nessa fase, a tensão começa a subir, até atingir um valor máximo, num ponto chamado de limite de resistência.
Este valor de tensão é um dos utilizados para a especificação dos materiais nas normas, pois é um resultado preciso que se pode obter no ensaio de tração e é utilizado como base de cálculo de todas as outras tensões determinadas neste ensaio.
Continuando a tração, chega-se à ruptura do material, que ocorre num ponto chamado limite de ruptura. A tensão no limite de ruptura é menor que a tensão no limite de resistência, devido à diminuição da área que ocorre no corpo de prova depois que se atinge a carga máxima.
Durante esse ensaio ocorre a redução percentual da área da seção transversal do corpo de prova na região onde vai se localizar a ruptura. Esse fenômeno é chamado
estricção e determina a ductilidade do material, ou seja, quanto maior for a porcentagem de estricção, mais dúctil será o material.
σ
σ
ε
ε
comprimento útil
cabeças
ℓ
unidades de controle
corpo de prova
registrador gráfico cabeçote
móvel
garras de fixação
base fixa
O ensaio de tração é realizado na máquina universal que possui este nome porque se presta à realização de diversos tipos de ensaio.
A máquina universal é hidráulica, movida pela pressão de óleo, e está ligada a um dinamômetro que mede a força aplicada ao corpo de prova.
A parte útil do corpo de prova, identificada no desenho anterior por
ℓ
0, é a região onde são feitas as medidas das propriedades mecânicas do material. Segundo a ABNT, o comprimento da parte útil dos corpos de prova utilizados nos ensaios de tração deve corresponder a cinco vezes o diâmetro da seção da parte útil. Por acordo internacional, sempre que possível, um corpo de prova deve ter 10mm de diâmetro e 50mm de comprimento inicial. Deve-se medir o diâmetro do corpo de prova em dois pontos no comprimento da parte útil, e calcular a média. Por fim, devem-se traçar as divisões no comprimento útil. Num corpo de prova de 50mm, as marcações devem ser feitas de 5 em 5mm.2.1.2 - ENSAIO DE COMPRESSÃO
Podemos observar o esforço de compressão na construção mecânica, principalmente em estruturas e em equipamentos como suportes e bases de máquinas. Para esses casos é indicado o ensaio de compressão, principalmente quando se trata de materiais frágeis, como o ferro fundido, a madeira, a pedra, o concreto. É também indicado para produtos acabados, como molas e tubos.
No ensaio de compressão o corpo de prova é submetido a uma força axial para dentro, distribuída de modo uniforme em toda a seção transversal do mesmo. Da mesma forma que o de tração, este ensaio pode ser executado na máquina universal, com adaptação de duas placas.
F
F F As relações que valem para a tração valem também para a compressão. Isso significa que um corpo submetido à compressão também sofre uma deformação elástica e a seguir, uma deformação plástica.
O ensaio de compressão não é muito utilizado para os metais em razão das dificuldades para medir as propriedades avaliadas neste tipo de ensaio. Os valores numéricos são de difícil verificação, podendo levar a erros. Além disso, a deformação lateral do corpo de prova é barrada pelo atrito entre as superfícies do corpo de prova e da máquina.
Outro problema é a possível ocorrência de flambagem, isto é, o encurvamento do corpo de prova. A flambagem ocorre principalmente em corpos de prova com comprimento muito grande em relação ao diâmetro.
Nos materiais dúcteis, a compressão vai provocando uma deformação lateral apreciável. Essa deformação lateral prossegue até o corpo de prova se transformar num disco, sem que ocorra a ruptura. É por isso que este ensaio fornece apenas as propriedades mecânicas referentes à zona elástica.
F F
deformação plástica F F
F
F
F
A única propriedade mecânica que é avaliada nos ensaios de compressão de materiais frágeis é o seu limite de resistência à compressão, calculado pela carga máxima dividida pela seção original do corpo de prova.
Na prática, considera-se que o limite de resistência à compressão é cerca de oito vezes maior que o limite de resistência à tração, sendo esta relação tomada por base quando não é viável a realização do ensaio de compressão.
2.1.3 - ENSAIO DE DUREZA
Na área da metalurgia, considera-se dureza como a resistência à deformação plástica permanente. Na área da mecânica, é a resistência à penetração de um material duro no outro. Para um projetista, é uma base de medida que serve para avaliar a resistência do material ao desgaste. E, para um técnico em usinagem, é a resistência ao corte do material. Em outras palavras, só existe um material duro se houver outro mole.
Existe uma escala de dureza, desenvolvida por Mohs, em 1822, que apresenta dez minérios ordenados numa escala crescente do grau 1 a 10, de acordo com sua capacidade de riscar ou de ser riscado.
ESCALA DE DUREZA MOHS (1822)
1 – Talco 2 – Gipsita 3 – Calcita 4 – Fluorita 5 – Apatita 6 – Feldspato 7 – Quartzo 8 – Topázio
F
penetrador
d p peça
D
As limitações da escala Mohs levaram ao desenvolvimento de outros métodos de determinação de dureza. Falaremos aqui dos ensaios de dureza Brinell, Rockwell e Vickers.
2.1.3.1 - ENSAIO DE DUREZA BRINELL
Este ensaio consiste em comprimir lentamente uma esfera de aço temperado, de diâmetro D, sobre uma superfície plana, polida e limpa de um metal, por meio de uma carga F, durante um tempo t, produzindo uma calota esférica de diâmetro d. É representada pelas letras HB, e corresponde à relação entre a carga aplicada (F) e a área da calota esférica impressa na material ensaiado (Sc).
O ensaio padronizado, proposto por Brinell, é realizado com carga de 3.000kgf e esfera de 10mm de diâmetro, de aço temperado, com aplicação da carga durante 15 segundos. Nessas condições, ou seja, sempre que se tratar do ensaio padronizado, o número da dureza Brinell deve ser seguido pelas letras HB, como, por exemplo, 207 HB.
Vejamos na tabela que se segue os valores de dureza Brinell normal, em função do diâmetro de impressão:
HB = F Sc
Sc = D p HB = F
DUREZA BRINELL EM FUNÇÃO DO DIÂMETRO DA IMPRESSÃO
(Diâmetro da esfera do penetrador: 10mm)
d (mm) HB
(F=3000kgf) d (mm)
HB
(F=3000kgf) d (mm)
HB (F=3000kgf)
2,75 495 3,60 285 4,45 183
2,80 477 3,65 277 4,50 179
2,85 461 3,70 269 4,55 174
2,90 444 3,75 262 4,60 170
2,95 429 3,80 255 4,65 167
3,00 415 3,85 248 4,70 163
3,05 401 3,90 241 4,75 159
3,10 388 3,95 235 4,80 156
3,15 375 4,00 229 4,85 152
3,20 363 4,05 223 4,90 149
3,25 352 4,10 217 4,95 146
3,30 341 4,15 212 5,00 143
3,35 331 4,20 207 5,10 137
3,40 321 4,25 201 5,20 131
3,45 311 4,30 197 5,30 126
3,50 302 4,35 192 5,40 121
3,55 293 4,40 187 5,50 116
Para padronizar o ensaio, foram fixados valores de fatores de carga (F/D2) de acordo com a faixa de dureza e o tipo de material.
F/D2
DUREZA MATERIAIS
30 90 a 415 HB Aços e ferros fundidos 10 30 a 140 HB Cobre, alumínio e suas ligas
O diâmetro da esfera é determinado em função da espessura do corpo de prova ensaiado. A norma brasileira determina que a espessura mínima do material ensaiado deve ser 17 vezes a profundidade da calota. Veja abaixo os diâmetros de esfera mais usados e os valores de carga para cada caso, em função do fator de carga escolhido:
DIÂMETRO DA ESFERA
(mm)
F(kgf) = 30D2 F(kgf) = 10D2 F(kgf) = 5D2 F(kgf) = 2,5D2
10 3.000 1.000 500 250
5 750 250 125 62,5
2,5 187,5 62,5 31,25 15,625
Caso prático: Uma empresa comprou um lote de chapas de aço carbono com espessura de
5mm e dureza estimada HB = 180. Essas chapas devem ser ensaiadas para confirmar se estão dentro das especificações. Nosso problema é saber se podemos realizar o ensaio padrão, e, caso contrário, como devemos verificar a dureza dessas chapas.
valor de dureza Brinell 85, medido com uma calota de 10mm de diâmetro e uma carga de 1.000kgf, aplicada por 30 segundos, é representada da seguinte forma:
85 HB 10 / 1000 / 30
A medida do diâmetro da calota esférica (d) deve ser obtida pela média de duas leituras obtidas. Este ensaio é feito em equipamento de fácil operação, porém é limitado pela esfera empregada. Usando-se esferas de aço temperado só é possível medir dureza até 500HB, pois durezas maiores danificariam a esfera. Além disso, esse ensaio não deve ser realizado em determinadas superfícies cilíndricas.
2.1.3.2 - ENSAIO DE DUREZA ROCKWELL
penetrador cônico penetrador
esférico
A leitura do grau de dureza é feita diretamente num mostrador acoplado à máquina de ensaio, de acordo com uma escala adequada à faixa de dureza do material. Os penetradores utilizados na máquina de ensaio de dureza Rockwell são do tipo esférico (esfera de aço temperado) ou cônico (cone de diamante com 120º de conicidade).
Quando se utiliza o penetrador cônico deve-se fazer a leitura na escala externa do mostrador, de cor preta. Ao se usar o penetrador esférico, faz-se a leitura na escala vermelha. O valor indicado na escala do mostrador é o valor da dureza Rockwell.
Podem ser medidas as durezas Rockwell normal e a Rockwell superficial. Nos ensaios de dureza Rockwell normal utiliza-se uma pré-carga de 10kgf e a carga e maior pode ser de 60, 100 ou 150kgf. Já na dureza Rockwell superficial, a pré-carga é de 3kgf e a carga maior pode ser de 15, 30 ou 45kgf. Vejamos os quadros a seguir, que mostram as escalas mais utilizadas nos processos industriais.
escala preta
ESCALA DE DUREZA ROCKWELL NORMAL E SUAS APLICAÇÕES
ESCALA ESCALA COR DA CARGA MAIOR PENETRADOR UTILIZAÇÃO FAIXA DE APLICAÇÃO CAMPO DE
C preta 150 cone de diamante de 120°
20 a 70 HRC
aço titânio, aços com camada endurecida profunda, materiais com HRB > 100 D preta 100 cone de diamante
de 120°
40 a 77 HRD chapas finas de aço com média camada endurecida
A preta 60 cone de diamante
de 120° 20 a 88 HRA
carbonetos, folhas de aço com fina camada superficial endurecida G vermelha 150 esfera de aço
de 1,5875mm
30 a 94 HRG ferro maleável, ligas níquel e cobre-níquel-zinco
B vermelha 100 esfera de aço
de 1,5875mm 20 a 100 HRB ligas de cobre, aços brandos, ligas de alumínio, ferro maleável F vermelha 60 esfera de aço
de 1,5875mm
60 a 100 HRF ligas de cobre
recozidas, folhas finas de metais moles K vermelha 150 esfera de aço
de 3,175mm
40 a 100 HRK metais de mancais e outros muito moles ou finos
E vermelha 100 esfera de aço de 3,175mm
70 a 100 HRE ferro fundido, ligas de alumínio e de
magnésio H vermelha 60 esfera de aço
de 3,175mm 80 a 100 HRH alumínio, zinco, chumbo
ESCALA DE DUREZA ROCKWELL SUPERFICIAL E SUAS APLICAÇÕES
ESCALA COR DA ESCALA CARGA MAIOR PENETRADOR UTILIZAÇÃO FAIXA DE APLICAÇÃO CAMPO DE
45N preta 45 cone de diamante de 120°
35 a 70 HR 45N
Aplicações similares às escalas HRC, HRA e HRD. 30N preta 30 cone de diamante
de 120°
40 a 80 HR 30N 15N preta 15 cone de diamante
de 120°
65 a 90 HR 15N 45T vermelha 45 esfera de aço
de 1,5875mm 10 a 75 HR 45T
Aplicações similares às escalas HRG, HRB e HRF. 30T vermelha 30 esfera de aço
de 1,5875mm 10 a 84 HR 30T 15T vermelha 15 esfera de aço
de 1,5875mm
d
No valor de dureza indicado por 64 HRC, 64 é o valor da dureza, HR indica que se trata de ensaio de dureza Rockwell e a última letra, C, indica qual a escala empregada.
Também neste ensaio a espessura mínima do corpo de prova deve ser 17 vezes a profundidade atingida pelo penetrador. Obtém-se a medida aproximada desta profundidade (p), a partir do valor da dureza indicado na máquina de ensaio, utilizando-se as fórmulas a seguir:
Penetrador de diamante: HR normal : p = 0,002 x (100 - HR) HR superficial : p = 0,001 x (100 - HR)
Penetrador esférico: HR normal : p = 0,002 x (130 - HR) HR superficial : p = 0,001 x (100 - HR)
Caso prático: Qual a profundidade aproximada de penetração que será atingida ao ensaiar
um material com dureza estimada de 40 HRC? E a espessura mínima do corpo de prova?
2.1.3.3 - ENSAIO DE DUREZA VICKERS
Coube a Smith e Sandland, em 1925, o mérito de desenvolver um método de ensaio que ficou conhecido como ensaio de dureza Vickers. Este método se baseia na resistência que o material oferece à penetração de uma pirâmide de diamante de base quadrada e ângulo entre faces de 136º, sob uma determinada carga.
O valor da dureza Vickers (HV) é o quociente da carga aplicada (F) pela área da impressão (S) deixada no corpo ensaiado. A máquina que faz o ensaio não fornece o valor da área de impressão da pirâmide, mas permite obter, por meio de um microscópio acoplado, as medidas das diagonais (d1 e d2) formadas pelos
vértices opostos da base da pirâmide.
Desta forma, obtemos a fórmula para o cálculo da dureza Vickers:
A força deve ser expressa em quilograma-força (kgf) e a diagonal média em milímetros (mm).
Caso prático: Qual é o valor de dureza Vickers de um material que apresentou 0,24mm e
0,26mm de medida de diagonais de impressão, após a aplicação de uma força de 10 kgf?
A dureza Vickers é representada pelo valor de dureza, seguido do símbolo HV e de um número que indica o valor da carga aplicada. No exemplo anterior, a representação do valor da dureza é 296,7 HV 10.
O tempo normal de aplicação da carga varia de 10 a 15 segundos. Quando a duração da aplicação da carga é diferente, indica-se o tempo de aplicação após a carga. Por exemplo, na representação 440 HV 30 / 20, o último número indica que a carga foi aplicada por 20 segundos.
Por uma questão de padronização, as cargas recomendadas são de 1, 2, 3, 4, 5, 10, 20, 30, 40, 60, 80, 100 e 120kgf.
HV = 1,8544 F d2
d = d1 + d2
impressão perfeita impressão com afundamento impressão com aderência posição da impressão perfeita
Pode-se, ainda, realizar ensaio de microdureza Vickers, cujo procedimento prático é o mesmo do ensaio de dureza Vickers, porém as cargas são menores que 1kgf, podendo ter valores tão pequenos como 10gf.
Alguns defeitos de impressão podem aparecer, devido à aderência ou ao afundamento do metal em volta das faces do penetrador, como mostra a figura abaixo.
É possível corrigir esses defeitos, alterando-se o valor da carga do ensaio para mais ou para menos, dependendo do material e do tipo de defeito apresentado.
Este tipo de ensaio apresenta algumas vantagens. As impressões são extremamente pequenas e, na maioria dos casos, não inutilizam as peças, mesmo as acabadas. O penetrador, por ser de diamante, é praticamente indeformável. Pode ser aplicado a materiais de qualquer espessura e pode também ser usado para medir durezas superficiais.
No entanto, quando se usam cargas menores que 300gf, pode haver recuperação elástica, dificultando a medida das diagonais. Além disso, a máquina de dureza Vickers requer aferição constante, pois qualquer erro na velocidade de aplicação da carga traz grandes diferenças nos valores de dureza.
2.1.4 - ENSAIO DE FADIGA
n
(número de ciclos)n
3n
2n
1σ
1σ
2σ
3σ
nσ
LIMITE DE FADIGA
A falha supracitada é um fenômeno chamado fadiga, que corresponde à ruptura de componentes, sob uma carga bem inferior à carga máxima suportada pelo material, devido a solicitações cíclicas repetidas. De maneira geral, peças sujeitas à fadiga estão submetidas a esforços que se repetem com regularidade.
Um exemplo bem típico pode ser observado dobrando-se repetidamente um pedaço de arame de aço. Após repetir algumas vezes, se você observar atentamente, notará algumas pequenas trincas. Se continuar dobrando, observará que a trinca aumenta de tamanho até ocorrer a ruptura do arame.
Os aparelhos de ensaio de fadiga são constituídos por um sistema de aplicação de cargas que permite alterar a intensidade e o sentido do esforço, e por um contador de ciclos. O teste é interrompido assim que o corpo de prova se rompe. O ensaio mais usual, realizado em corpos de prova extraídos de barras ou perfis metálicos, é o de flexão rotativa. Os resultados do ensaio de fadiga geralmente são apresentados numa curva tensão-número de ciclos, ou simplesmente curva
σ
- n
. Supondo-se que, para uma certa solicitaçãoσ
1 o corpo de prova se rompa em um certo número de ciclosn
1 ; para umasolicitação
σ
2 , se rompa comn
2 ciclos; e assim por diante.Superfícies mal acabadas, defeitos superficiais causados por polimento, tratamentos superficiais, diminuem a resistência à fadiga. Por outro lado, tratamentos superficiais endurecedores podem aumentar a resistência à fadiga. O tratamento térmico adequado, assim como o encruamento dos aços dúcteis, aumentam a resistência à fadiga.
Sempre que possível, deve-se evitar a concentração de tensões. Desta forma é possível melhorar a resistência à fadiga do material. A indústria tem que se preocupar com a fadiga antes de lançar um produto no mercado, a fim de prezar a segurança do consumidor.
2.1.5 – ENSAIO DE IMPACTO
Este ensaio caracteriza-se por submeter o corpo ensaiado a uma força brusca e repentina, que deve rompê-lo. Para este tipo de esforço são desejáveis materiais que tenham capacidade de absorver energia e dissipá-la, para que a ruptura não aconteça, ou seja, materiais que apresentem tenacidade.
O ensaio de impacto é usado para medir a tendência de um metal de se comportar de maneira frágil. O choque ou impacto representa um esforço de natureza dinâmica, levando em conta a velocidade de aplicação da força. Força associada à velocidade traduz-se em energia. Portanto, este ensaio consiste em medir a quantidade de energia absorvida por um corpo de prova, quando submetido à ação de um esforço de choque de valor conhecido.
Corpo de prova tipo Izod
impacto do martelo
charpy
izod
e final corresponde à energia absorvida pelo material. De acordo com o Sistema Internacional de Unidades (SI), a unidade de energia é o joule (J), porém, em máquinas mais antigas, a unidade de energia pode ser dada em kgf.m, kgf.cm ou kgf.mm.
Nos ensaios de impacto, utilizam-se duas classes de corpos de prova com entalhe: o Charpy e o Izod. Esses corpos de prova seguem especificações de normas internacionais. Os corpos de prova Charpy compreendem três tipos, conforme a figura abaixo:
As diferentes formas de entalhe são necessárias para assegurar que haja ruptura do corpo de prova, mesmo em materiais mais dúcteis. Quando a queda do martelo não provoca a ruptura do corpo de prova, o ensaio deve ser repetido com outro tipo de corpo de prova, que apresente um entalhe mais severo.
O corpo de prova Izod tem a mesma forma de entalhe do Charpy tipo A, localizado em posição diferente, levemente deslocado do centro, conforme representado na figura abaixo.
Corpos de prova de ferro fundido e ligas não ferrosas fundidas sob pressão não apresentam entalhe.
Uma outra diferença entre o ensaio Charpy e o Izod é que no primeiro o golpe é desferido na face oposta ao entalhe e no Izod é desferido no mesmo lado do entalhe.
Charpy tipo C Charpy tipo B
Mesmo tomando-se todos os cuidados para controlar a realização do ensaio, os resultados obtidos com vários corpos de prova de um mesmo metal são bastante diversos. Para chegar a conclusões confiáveis a respeito do material ensaiado, é recomendável fazer o ensaio em pelo menos três corpos de prova.
2.2 – ENSAIOS MECÂNICOS NÃO DESTRUTIVOS
Como o próprio nome sugere, esses ensaios caracterizam-se por não deixar marcas no material ensaiado. Por isso, podem ser realizados em produtos acabados, sem qualquer risco de inutilizá-los em consequência do ensaio.
2.2.1 – ENSAIO VISUAL
Quando se escolhem frutas e legumes numa bancada, usamos a visão para separar, por exemplo, a laranja mais bonita e saudável daquela feia e estragada. Essa atividade simples nada mais é do que um tipo de ensaio não destrutivo: o ensaio visual.
O ensaio visual dos metais foi o primeiro método de ensaio não destrutivo aplicado pelo homem. É, com certeza, o ensaio mais barato usado em todos os ramos da indústria. A inspeção visual exige definição clara e precisa de critérios de aceitação e rejeição do produto que está sendo inspecionado. Requer, ainda, inspetores treinados e especializados para cada tipo ou família de produtos. Um inspetor visual de chapas laminadas não poderá inspecionar peças fundidas e vice-versa, sem prévio treinamento.
A principal ferramenta do ensaio visual são os olhos. Como a visão varia em cada um de nós, devem-se padronizar fatores como a luminosidade, a distância ou o ângulo em que é feita a observação, tomando-se sempre o cuidado com a ilusão de ótica. A distância recomendada para a inspeção visual situa-se em torno de 25cm.
peça
superfície
descontinuidade
peça
líquido penetrante
descontinuidade
Um fator de fracasso na inspeção é a fadiga visual dos inspetores, que observam os mesmos tipos de peças durante longos períodos de trabalho. Além disso, os inspetores devem ter acompanhamento oftalmológico, com exames periódicos, para garantir acuidade visual.
Podem ser utilizados instrumentos ópticos, para determinados tipos de inspeção, que complementam a função do nosso olho. Os instrumentos mais utilizados são as lupas, os microscópios, os espelhos e as câmeras de TV em circuito fechado.
2.2.2 – LÍQUIDOS PENETRANTES
Depois do ensaio visual, o ensaio por líquidos penetrantes é o ensaio não destrutivo mais antigo. Algumas trincas podiam ser percebidas, mas o ensaio visual não era suficiente para detectar todas elas, pela dificuldade de limpeza das peças.
A finalidade deste ensaio é detectar descontinuidades abertas na superfície das peças, como trincas e poros, e consiste em aplicar um líquido penetrante sobre a superfície a ser ensaiada. Após remover o excesso da superfície, faz-se sair da descontinuidade o líquido penetrante retido, utilizando-se para isso um revelador. Dessa forma, o líquido penetrante, contrastando com o revelador, deixa visível o defeito. O ensaio de líquidos penetrantes compreende as seguintes etapas:
a) Preparação e limpeza da superfície: a limpeza da superfície a ser ensaiada é fundamental para a revelação precisa e confiável. Seu objetivo é remover tinta, camadas protetoras, óxidos, areia, graxa, óleo, poeira ou qualquer resíduo que impeça o penetrante de entrar na descontinuidade.
Para remover esses resíduos sem contaminar a superfície de ensaio utilizam-se solventes, desengraxantes ou outros meios apropriados.
peça
descontinuidade
peça
revelador
descontinuidade
peça
revelação do defeito
descontinuidade
fluorescente, capaz de penetrar nas descontinuidades depois de um determinado tempo em contato com a superfície de ensaio.
c) Remoção do excesso do penetrante: decorrido o tempo mínimo de penetração, deve-se remover o excesso de penetrante, de modo que a superfície fique totalmente isenta do líquido, ficando retido apenas nas descontinuidades. Uma operação de limpeza deficiente pode mascarar os resultados, revelando até descontinuidades inexistentes.
d) Revelação: aplica-se um revelador, que nada mais é que um talco branco, que pode ser aplicado a seco ou misturado em algum líquido. O revelador atua como um mata-borrão, sugando o penetrante das descontinuidades, revelando-as.
e) Inspeção: para os líquidos penetrantes visíveis, a inspeção é feita sob luz branca natural ou artificial. Para os líquidos penetrantes fluorescentes, as indicações se tornam visíveis em ambientes escuros, sob a presença da luz negra.
f) Limpeza: após a inspeção da peça e elaboração do relatório de ensaio, ela deve ser totalmente limpa, removendo-se totalmente os resíduos do ensaio.
2.2.3 – PARTÍCULAS MAGNÉTICAS
Nesse ensaio, utilizamos “forças invisíveis” que alinham as partículas magnéticas sobre as peças ensaiadas. Onde houver descontinuidades, a orientação será alterada, revelando-as. Esse tipo de ensaio pode detectar defeitos até aproximadamente 3mm de profundidade.
Assim como no ensaio por líquidos penetrantes, o ensaio por partículas magnéticas necessita primeiramente de uma limpeza da peça a ser ensaiada. Feita a limpeza, é executada a magnetização da peça, que nada mais é que a aplicação de um campo magnético na mesma.
Partículas magnéticas são um substituto para a limalha de ferro, sendo constituídas de pós de ferro, óxidos de ferro muito finos e, portanto, com propriedades magnéticas semelhantes às do ferro. Na realidade, elas são partículas magnetizáveis e não pequenos ímãs ou pó de ímã.
Depois de magnetizada a peça, são aplicadas as partículas magnéticas e logo a seguir, realiza-se a inspeção para a observação e avaliação das indicações. Registram-se os resultados e promove-se a limpeza da peça, reaproveitando-se as partículas, se possível. Se a peça apresentar magnetismo residual, deverá ser desmagnetizada.
placa de papelão
ímã
limalha de ferro
2.2.4 - ULTRASSOM
O ensaio por ultrassom é um ensaio mecânico não destrutivo utilizado para detectar descontinuidades em todo o volume do material a analisar, tanto em metais (ferrosos ou não ferrosos) como em não metais. O ensaio baseia-se na velocidade de propagação do som na peça a ser ensaiada. A presença de uma descontinuidade alterará a velocidade de propagação no meio.
2.2.5 – RADIOGRAFIA INDUSTRIAL
Se você já teve algum tipo de fratura óssea ou pegou uma gripe mais forte, certamente o médico deve ter solicitado uma radiografia da área afetada, para fazer um diagnóstico do seu problema. Realizada a radiografia, é provável que você já tenha observado, junto com o médico, o resultado apresentado numa chapa radiográfica semelhante ao negativo de uma fotografia.
Na indústria, usa-se o mesmo tipo de exame, com o mesmo produto final para análise, a chapa radiográfica, para detectar descontinuidades em materiais. É a radiografia industrial, mais um tipo de ensaio não destrutivo. Este tipo de ensaio é muito utilizado para detectar possíveis vazamentos em cordões de solda.
Na radiografia industrial podem ser utilizados raios X e raios
.
No caso dos raios X, a emissão de radiação cessa quando se desliga o equipamento. A fonte de raios gama, pelo contrário, emite radiações continuamente e por isso deve ser guardada numa blindagem.Não é necessário empregar energia elétrica para gerar raios gama. Portanto, eles podem ser usados em locais remotos, até mesmo onde não haja energia elétrica. Além disso, a gamagrafia pode ser utilizada em locais e condições em que os raios X não sejam acessíveis.
UNIDADE II
1 - ESTRUTURAS CRISTALINAS
1.1 - CRISTALINIDADE
Uma molécula tem regularidade estrutural porque as ligações existentes determinam um número específico de vizinhos para cada átomo e a orientação no espaço dos mesmos. Portanto, uma repetição deve existir ao longo de determinadas substâncias. A maioria dos materiais de interesse para a mecânica tem arranjos atômicos, que também são repetições, nas três dimensões, de uma unidade básica, denominada célula unitária, as quais darão origem às estruturas conhecidas como cristais.
Por exemplo, a cristalização do sal comum ocorre na forma de cubos e decorre da estrutura cristalina cúbica do cloreto de sódio (NaCl). O arranjo no pequeno cubo é idêntico ao arranjo em todos os outros cubos. Logo, se conhecermos a estrutura das células unitárias que se repetem, podemos descrever a estrutura do cristal.
1.2 - SISTEMAS CRISTALINOS
Qualquer empacotamento atômico deverá se encaixar em um dos principais tipos de cristais. O mais simples e mais regular deles envolve três conjuntos, mutuamente perpendiculares, de planos paralelos,
igualmente espaçados entre si, de forma a dar uma série de cubos. A maior parte dos cristais que aqui estudaremos cairá dentro do sistema cúbico. Entre os exemplos inclui-se a maioria dos metais comuns, com exceção do magnésio e do zinco que são hexagonais. Os átomos podem ser agrupados, dentro do sistema cúbico, em três diferentes tipos de repetição, explicitadas a seguir.
1.2.1 – CÚBICO SIMPLES
Esta estrutura é hipotética para metais puros, mas nos fornece um excelente ponto de partida. Além das três dimensões a, também chamadas de parâmetro cristalino,
serem iguais e os três eixos mutuamente perpendiculares, há posições equivalentes em cada célula. A estrutura contém apenas um átomo metálico por célula unitária. Apenas 1/8 de cada átomo cai dentro da célula. Esta é a razão pela qual os metais não se cristalizam na estrutura cúbica simples.
z
y
x
a
a
1.2.2 – CÚBICO DE CORPO CENTRADO
O ferro tem estrutura cúbica de corpo centrado (ccc) à temperatura ambiente. A célula unitária tem um átomo em cada vértice do
cubo e um outro átomo no centro do cubo. Cada átomo de ferro, em uma estrutura cúbica de corpo centrado, é cercado por oito átomos de ferro adjacentes. Há dois átomos por célula unitária neste tipo de estrutura. Um átomo está no centro do cubo e oito oitavos estão nos oito vértices.
Embora o ferro seja o material mais comum com uma estrutura ccc, podemos ainda citar o cromo (Cr) e o tungstênio (W) que também apresentam a mesma estrutura.
1.2.3 – CÚBICO DE FACES CENTRADAS
Além de um átomo em cada vértice da célula unitária, há um no centro de cada face e nenhum no centro do cubo. Estruturas cúbicas de faces centradas (cfc) são mais comuns que as estruturas cúbicas de corpo centrado.
Alumínio (Al), cobre (Cu), prata (Ag), chumbo (Pb) e níquel (Ni) possuem este arranjo atômico.
Cada célula unitária de uma estrutura cfc possui quatro átomos. Os oito oitavos dos vértices contribuem com um átomo e as seis metades nos centros das faces com um total de três.
1.3 – SOLUÇÃO X MISTURA
Líquido + açúcar sólido Sal + solução 23,3% NaCl
Esse outro gráfico mostra um sistema de maior importância prática que o primeiro. Apresenta quatro campos distintos: solução líquida (uma única fase), mistura de gelo e solução líquida (uma fase sólida e outra líquida), mistura de sal e solução líquida (uma fase sólida e outra líquida) e mistura de gelo e solução sólida (duas fases sólidas).
A figura ao lado mostra a solubilidade do açúcar comum na água, de acordo com seu limite de solubilidade. Todas as composições à esquerda da curva correspondem a uma única fase, pois todo o açúcar está dissolvido na fase líquida, ao passo que, com porcentagens mais elevadas de açúcar, que correspondem ao lado direito da curva, é impossível dissolver
T (°C) 100
50
0
% de açúcar 0 20 40 60 80 100 % de H2O 100 80 60 40 20 0
Composição
completamente o açúcar; logo, teremos uma mistura de duas fases, açúcar sólido e um
“xarope” líquido. Esse exemplo mostra a variação da solubilidade com a temperatura, além
de demonstrar um método simples de colocar em gráfico a temperatura como uma função da composição química.
T (°C) 20 10 0 -10 -20
%NaCl 0 5 10 15 20 25 30 % H2O 100 95 90 85 80 75 70
As faixas da esquerda (gelo + solução) e da direita (sal + solução) são chamadas de faixas de solidificação, pois é onde está ocorrendo a passagem do estado líquido para o estado sólido e vice-versa do sistema em questão. Abaixo de –21°C somente observamos o estado sólido, ao passo que o estado líquido varia de acordo com as curvas de solubilidade. Somente existe um ponto onde haverá a passagem direta do estado líquido
Solução líquida (xarope) Limite de solubilidade Solução líquida (salmoura)
Gelo + solução
para o sólido e vice-versa, o qual chamamos de ponto eutético. Nessas circunstâncias, teremos uma única fase sólida.
Esse diagrama explica, também, as baixas temperaturas atingidas pelos oceanos. A água do mar é uma solução de água e sal com cerca de 1,5% de NaCl, a qual pode ser resfriada a 0°C e se manter completamente líquida, conforme observamos na figura acima. Se pensarmos em temperaturas mais baixas, verificaremos a explicação para a formação
dos “icebergs”.
2 - LIGAS DE FERRO-CARBONO
2.1 - INTRODUÇÃO
Os aços, que são essencialmente ligas ferro-carbono, oferecem exemplos da maioria das reações e microestruturas disponíveis para a mecânica, a fim de ajustar as propriedades dos materiais. Além disso, as ligas ferro-carbono se tornaram o material estrutural predominante nas construções e fabricações.
A versatilidade dos aços como materiais estruturais é evidenciada pelos muitos tipos de aços que são manufaturados. De um lado, temos aços doces usados em latarias de automóveis. De outro lado, os aços duros e tenazes usados na fabricação de engrenagens. Alguns aços possuem resistência à corrosão elevada. Aços para aplicações elétricas possuem características magnéticas especiais, e assim por diante. Os diagramas de fase podem ser usados para ajudar a explicar cada uma das características descritas acima.
2.2 - DIAGRAMA DE FASES DA LIGA Fe-C
A figura a seguir mostra o diagrama de fases ou diagrama de equilíbrio completo para o sistema ferro-carbono. Este diagrama pode ser usado como um “mapa” a partir do
0,8 910
0 1 2 3 4 6 7
%C T (ºC)
1600
910
723
+ cementita
+ cementita
+ líquido
líquido
cem. + líq.
+
+ δ δ
δ + líquido
Diagrama de fases da liga Fe-C
O ferro puro sofre uma mudança na sua estrutura cristalina. À temperatura ambiente apresenta estrutura cristalina cúbica de corpo centrado e, a partir de 910ºC, passa a cúbica de faces centradas. Podemos observar melhor as transformações que ocorrem nos aços, através da análise da região eutetoide do diagrama.
T(°C) 950
900
850 800
+ + cementita
750
723°C 700
+ cementita
%C 0 0,5 1,0 1,5 composição química
2.3 – MICROCONSTITUINTES
2.3.1 – FERRITA OU FERRO
A modificação estrutural do ferro puro em temperatura ambiente é denominada ferrita ou ferro . A ferrita é muito mole e dúctil; na pureza em que é encontrada comercialmente, seu limite de resistência é inferior à 32kgf/mm2. É um material ferro-magnético a temperaturas abaixo de 766ºC. Possui a estrutura cristalina cúbica de corpo centrado.
2.3.2 – AUSTENITA OU FERRO
A modificação cúbica de faces centradas do ferro é denominada austenita ou ferro
. É a forma estável do ferro puro entre 910ºC e 1400ºC. Fazer uma comparação direta entre as propriedades mecânicas da austenita e da ferrita é difícil, pois devem ser comparadas em temperaturas diferentes. Entretanto, na faixa de temperaturas na qual é estável, a austenita é mole e dúctil e, conseqüentemente, se presta bem para os processos de fabricação. Muitos aços são laminados em temperaturas de 1100ºC ou acima, com o ferro na forma cúbica de faces centradas. A austenita não é ferro-magnética em nenhuma temperatura.
2.3.3 – CEMENTITA OU CARBETO DE FERRO
Nas ligas ferro-carbono, o excesso de carbono em relação ao limite de solubilidade deve formar uma segunda fase, a qual é freqüentemente o carbeto de ferro ou a cementita. A composição da cementita corresponde à fórmula Fe3C. Isto não significa que existam
moléculas de Fe3C, mas, simplesmente, que o reticulado cristalino contém átomos de ferro
2.3.4 – PERLITA
Para o teor de 0,8% de carbono, à temperatura de 723ºC, ocorre uma reação do sistema Fe-C, denominada reação eutetoide, onde há formação simultânea de ferrita e cementita, a partir da austenita de composição eutetoide. Como se formam simultaneamente, a ferrita e a cementita estão intimamente misturadas. Esta mistura é caracteristicamente lamelar, isto é, composta de camadas alternadas de ferrita e cementita. A microestrutura resultante, denominada perlita, é muito importante na tecnologia do aço, pois pode ser formada em quase todos os tipos de aços por meio de tratamentos térmicos adequados.
2.4 – NOÇÃO DE OBTENÇÃO DO AÇO
Antes de falarmos sobre a obtenção do aço, é necessário sabermos como é produzido o ferro gusa, já que este é o ponto de partida para a fabricação do aço.
A metalurgia do ferro consiste essencialmente na redução dos óxidos dos minérios de ferro (manganês), mediante o emprego de um redutor, que é um material a base de carbono (carvão), o qual atua igualmente como combustível e, indiretamente, como supridor do carbono para as ligas ferro-carbono de alto carbono, que são os principais produtos do alto-forno.
São utilizados também os fundentes, cuja função é combinar-se com as impurezas
do minério e com as cinzas do carvão, formando as chamadas “escórias”. O principal
fundente é o calcáreo (CaCO3 - carbonato de cálcio).
A figura a seguir mostra a seção transversal típica de um alto-forno moderno, que é utilizado para a produção do ferro gusa. Como se vê, trata-se de uma estrutura cilíndrica de grande altura. O forno propriamente dito é constituído essencialmente de cadinho, rampa, cuba e topo.
cadinho rampa cuba topo ou goela
ventaneira
furo de corrida do gusa furo de
corrida da escória
Seção transversal de um alto-forno
cubilô
A cuba, também de forma tronco-cônica, tem a seção menor voltada para cima, no topo ou goela, que é onde se situa o sistema de carregamento, sendo o mais comum chamado de copo e cone. Este sistema tem por objetivo realizar uma distribuição uniforme da carga e evitar a evasão de gases para a atmosfera.
Num alto-forno existem duas correntes de materiais responsáveis pelas reações que se verificam: uma
corrente sólida, representada pela carga que desce gradativamente e uma
corrente gasosa que se origina pela reação do carbono do carvão com o oxigênio do ar soprado pelas ventaneiras, que sobe em contra-corrente.
O principal produto do alto-forno é o ferro gusa, cuja utilização
pode ser feita nas aciarias, para onde é encaminhado ainda no estado líquido e transformado em aço, ou nas fundições que se utilizam de lingotes de ferro gusa já no
estado sólido. Basicamente, o ferro gusa é uma liga ferro-carbono de alto teor de carbono e teores variáveis de silício, manganês, fósforo e enxofre, devido à natureza das matérias primas empregadas no alto-forno e ao processo de produção.Os lingotes de ferro gusa são transformados em ferro fundido, após a sua fusão nos cubilôs e vazamento em moldes.
é uma liga de mais baixos teores de C, Si, Mn, P e S, corresponde a um processo de oxidação, reduzindo a porcentagem daqueles elementos a teores desejados.
Em conseqüência, na transformação do ferro gusa em aço, utilizam-se “agentes oxidantes”, os quais podem ser de natureza gasosa ou sólida. Desta forma, os processos
para a produção do aço podem ser classificados de acordo com o agente utilizado.
2.4.1 – PROCESSOS PNEUMÁTICOS
São aqueles onde o agente oxidante é o ar ou o oxigênio. Nos conversores Bessemer, Thomas e de sopro lateral, é soprado ar sob pressão e no conversor de sopro pelo topo é introduzido oxigênio, o que provoca temperaturas de reação mais elevadas que nos outros conversores. Estes processos produzem uma reação fortemente exotérmica, não necessitando de prévio aquecimento das cargas.
2.4.2 – PROCESSO SIEMENS-MARTIN
Onde os agentes oxidantes são substâncias sólidas, contendo óxidos, devendo ser aquecidas as cargas para a realização das reações. Este processo permite um controle muito maior da composição química do aço, de modo que não somente aços de baixo carbono, como também de médio e alto carbono, além de aços liga, podem ser produzidos.
2.5 – SISTEMA DE CLASSIFICAÇÃO DO AÇO
Uma das classificações mais generalizadas e que, inclusive, serviu de base para o sistema adotado no Brasil, é a da AISI e SAE, que considera a composição química do aço. Aqui a classificação dos aços é regida pela Norma Brasileira 82, da Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT/NB 82).
A seguir, é apresentada uma tabela com alguns dos diversos tipos de aços utilizados pela indústria, classificados de acordo com sua composição química.
DESIGNAÇÃO AISI-SAE TIPOS DE AÇOS
10XX Aços carbono comuns
11XX Aços de fácil usinagem, com alto S
12XX Aços de fácil usinagem, com altos P e S
13XX Aços Mn com 1,75% de Mn médio
15XX Aços Mn com manganês acima de 1,00%
40XX Aços Mo com 0,25% de Mo médio
41XX Aços Cr-Mo com 0,40 a 1,10% de Cr e 0,08 a 0,35% de Mo
43XX Aço Ni-Cr-Mo com 1,65 a 2,00% de Ni, 0,40 a 0,90% de Cr e 0,20 a 0,30%
de Mo
46XX Aço Ni-Mo com 0,70 a 2,00% de Ni e 0,15 a 0,30% de Mo
47XX Aço Ni-Cr-Mo com 1,05% de Ni, 0,45% de Cr e 0,20% de Mo
48XX Aço Ni-Mo com 3,25 a 3,75% de Ni e 0,20 a 0,30% de Mo
51XX Aço Cr com 0,70 a 1,10% de Cr
61XX Aço Cr-V com0,60 a 0,95 de Cr e 0,10 a 0,15% de V
86XX Aço Ni-Cr-Mo com 0,55% de Ni, 0,50% de Cr e 0,20% de Mo
87XX Aço Ni-Cr-Mo com 0,55% de Ni, 0,50% de Cr e 0,25% de Mo
88XX Aço Ni-Cr-Mo com 0,55% de Ni, 0,50% de Cr e 0,30 a 0,40% de Mo
AÇOS INOXIDÁVEIS
AISI C Si Mn P S Cr Ni Mo APLICAÇÕES
303 0,15 1,00 2,00 0,20 0,15 17,00a
19,00 8,00 a
10,00
---- Peças produzidas em máquinas operatrizes.
305 0,12 1,00 2,00 0,045 0,03 18,00 a 20,00
8,00 a
12,00
---- Peças fabricadas pôr meio de severas deformações a frio.
316 0,031
a 0,08
1,00 2,00 0,045 0,03 16,00 a 18,00 10,00 a 14,00 2,00 a 3,00
Peças que exigem alta resistência a corrosão localizada: equipamentos cirúrgicos, indústria químicas, equipamentos que sofram ação da maresia, aplicações criogênicas em geral. 410 0,15 1,00 1,00 0,04
0,03 11,50 a
13,50
---- ---- Cutelaria, válvulas.
631 0,07
a 0,12
0,50 0,50 a
1,00
0,045 0,03 16,00 a
18,00 7,00 a
9,00
2.6 – EFEITO DOS ELEMENTOS DE LIGA NOS AÇOS
2.6.1 – FÓSFORO (P)
Foi considerado por muito tempo um elemento exclusivamente nocivo, devido à fragilidade a frio que confere aos aços, sobretudo aos de alto teor de carbono. Apresenta, no entanto, alguns aspectos favoráveis, como o aumento da dureza, da resistência à tração, da resistência à corrosão e da usinabilidade em aços de fácil usinagem.
2.6.2 – ENXOFRE (S)
Promove a chamada “fragilidade a quente”, pois forma o sulfeto de ferro (FeS) que
apresenta um ponto de fusão muito baixo em relação ao do aço. Nessas condições, faz-se necessária a adição de manganês (Mn), com quem o enxofre tem maior afinidade, formando o sulfeto de manganês (MnS), cujo ponto de fusão é elevado, eliminando a fragilidade a quente.
2.6.3 – MANGANÊS (Mn)
Além de atuar como agente dessulfurante, formando o sulfeto de manganês (MnS) e produzindo aços de fácil usinagem, age também como elemento desoxidante, reagindo com o oxigênio e evitando, assim, o desprendimento de bolhas.
2.6.4 – SILÍCIO (Si)
A função principal do silício é a de agente desoxidante. Ele aumenta ligeiramente a dureza e a resistência mecânica do aço, sendo, ainda, o elemento de liga para chapas elétricas e magnéticas.
2.6.5 – ALUMÍNIO (Al)
2.6.6 – CROMO (Cr)
Aumenta a resistência à corrosão, à oxidação e ao desgaste (em aços com alto teor de carbono). Aumenta, também, a endurecibilidade, além de melhorar a resistência a altas temperaturas.
2.6.7 – COBALTO (Co)
Confere aos aços uma granulação finíssima, com grande capacidade de corte e resistência ao calor, como nos aços rápidos. Promove a dureza a quente.
2.6.8 – MOLIBDÊNIO (Mo)
Proporciona, assim como o cobalto, uma granulação fina aos aços, elevando a dureza e a resistência a quente. Melhora a resistência à corrosão dos aços inoxidáveis e produz maior profundidade de endurecimento.
2.6.9 – NÍQUEL (Ni)
Aumenta a tenacidade e a resistência dos aços. Juntamente com o cromo em teores elevados produz os aços inoxidáveis de boa resistência à corrosão.
2.6.10 - COBRE (Cu)
O principal efeito do cobre nos aços é o aumento da resistência à corrosão atmosférica.
2.6.11 – TUNGSTÊNIO (W)
Promove maior capacidade de corte aos aços, pois forma partículas duras e resistentes ao desgaste. Acrescenta, ainda, dureza e resistência a altas temperaturas, conservando o fio de corte das ferramentas, mesmo quando aquecidas ao rubro.
2.6.12 – VANÁDIO (V)
2.7- FERROS FUNDIDOS
Pelo conhecimento do diagrama de equilíbrio Fe-C, definem-se ferros fundidos como as ligas ferro-carbono cujo teor de carbono situa-se acima de 2,11% aproximadamente. Face à influência do silício nessa liga, o ferro fundido é normalmente considerado uma liga ternária Fe-C-Si, pois o silício encontra-se presente em teores bastante elevados.
Por outro lado, em função de sua constituição estrutural, o carbono está geralmente presente na forma livre, denominada grafita.
Considerando o efeito do silício nas propriedades dos ferros fundidos, utiliza-se o conceito de carbono equivalente, representado pela fórmula:
C.E. = %C + 1 %Si 3
Exemplo: Determine o carbono equivalente para um ferro fundido que apresenta 3,6% de
carbono e 2,1% de silício na sua composição química.
O efeito que o silício exerce relaciona-se com sua tendência grafitizante, ou seja, promove a decomposição do Fe3C em ferro e carbono, e este último sob a forma de grafita.
2.7.1 – FERROS FUNDIDOS BRANCOS
Praticamente todo o carbono se apresenta na forma combinada de carbeto de ferro (Fe3C). Suas propriedades fundamentais, devido justamente a alta quantidade de cementita,
Algumas das aplicações do ferro fundido branco são em equipamentos de manuseio de terra, mineração, moagem, rodas de vagões.
2.7.2 – FERROS FUNDIDOS MALEÁVEIS
Como material alternativo, desenvolveu-se um tipo de ferro fundido branco, o qual submetido a um tratamento térmico especial, chamado maleabilização, adquire maleabilidade, ou seja, a liga se torna mais tenaz. A maleabilização é um tratamento térmico que consiste num aquecimento prolongado, em condições previamente estabelecidas (temperatura, tempo e meio), de modo a provocar a transformação de parte ou da totalidade do carbono combinado em grafita.
Algumas das aplicações dos ferros fundidos maleáveis são em flanges, tubos, peças de válvulas, bielas, virabrequins, certas engrenagens, cubos de rodas.
2.7.3 – FERROS FUNDIDOS CINZENTOS
Entre os ferros fundidos esta é a liga mais usada, devido à fácil fusão e moldagem, boa resistência mecânica, excelente usinabilidade, boa resistência ao desgaste e boa capacidade de amortecimento. Estas propriedades estão relacionadas à presença do carbono livre na forma de grafita.
A produção do ferro fundido cinzento é feita mediante um resfriamento lento, o qual proporciona maior quantidade de carbono livre ou grafita. Esta liga pode ser submetida a tratamentos térmicos, como os aços.
Algumas das aplicações dos ferros fundidos cinzentos são em bases de máquinas, carcaças metálicas, mesas de máquinas operatrizes, engrenagens, blocos de motor.
2.7.4 – FERROS FUNDIDOS NODULARES
