ENSAIOS DOS MATERIAIS EM-641

ENSAIOS DOS

MATERIAIS

Programa Analítico

1) Introdução

2) Ensaio de Tração

3) Ensaio de Compressão

4) Ensaio de Dureza

5) Ensaio de Torção

6) Ensaio de Flexão

7) Ensaios de Fabricação

8) Fluência

9) Ensaios Dinâmicos

(Impacto e Fadiga)

10) Ensaios

Não-destrutivos

(Raios X, Raios

γ

, Ultra-som,

Partículas Magnéticas e

Bibliografia Básica

1. Garcia, A., Spim, J. A. & Santos, C. A. Ensaios dos Materiais

-Livros Técnicos e Científicos Editora, 2000.

2. Callister Jr, W.D. Materials Science and Engineering - An

Introduction, J. Wiley & Sons, 3a. edição, 1994.

3. Souza, S. A. Ensaios Mecânicos de Materiais Metálicos, Editora

Edgard Blucher, 5a. edição, 1989.

4. Dieter, G. E. Mechanical Metallurgy, Mc Graw-Hill Book Co. , 3a.

edição, 1986.

5. Metals Handbook, 9th Edition, Vol. 8: Mechanical Testing,

American Society for Metals, 1985.

6. Metals Handbook, 11th Edition, Vol. 11: Nondestructive

Inspection and Quality Control, American Society for Metals,

1976.

Critério de Avaliação:

onde:

M- media final

P

₁

- primeira prova

P

₂

- segunda prova

)

P

P

(

M

2

2

1

+

=

Classificação dos Materiais

Metais:

- puros ou ligas: combinações de elementos

- grande n° de elétrons não-localizados: “nuvem de elétrons”

- bons condutores térmicos e elétricos

- resistentes e deformáveis

Cerâmicos:

- combinações de elementos metálicos e não-metálicos

- geralmente são óxidos, silicatos, aluminatos, nitretos e carbonetos

- cimento e vidro

- isolantes : térmicos / elétricos

- mais resistentes ao calor e ambientes agressivos

- mais duros, porém quebradiços

Polímeros:

- plásticos; elastômeros, etc

- compostos orgânicos à base de C e de H

- possuem estruturas moleculares grandes

- baixa densidade e extremamente flexíveis

Classificação dos Materiais

Compósitos:

- mais de um tipo de material

- combinação das propriedades de cada material

- plástico reforçado com fibra de vidro

Semicondutores: - propriedades intermediárias entre condutores/isolantes

- muito influenciado por pequena quantidade de impurezas

- matéria prima de circuitos integrados

Biomateriais:

- compatibilidade com o corpo humano

- não devem ser tóxicos e nem magnéticos

Estrutura dos Materiais

Estruturas cristalinas

(A) - Diamante

Polímeros

São sólidos moleculares

com os átomos unidos por

ligações covalentes e

moléculas por ligações

secundárias (fracas).

Borracha

Acrílico

Polietileno

Nylon

Sintéticos

Enzimas: proteína

c/ efeito catalítico:

ex: fermento

Proteínas

Tecidos

Borracha

Madeira:compósito

celulose/lignina

Naturais

Exemplos

Exemplos

Tipos

Tipos

Cerâmicos

Átomos unidos por ligações iônicas com, eventualmente, algum

caráter covalente

Exemplos:

NaCl (sal), giz (carbonato de cálcio), gesso (gipsita: sulfato de

cálcio),

Óxidos: Al

O

, MgO, ZrO

(zirconita), SiO

(sílica),

Ligas Mg-Al

Ligas Zn-Al

Ligas Cu-Sn

(bronzes)

Ligas Cu-Zn (latões)

Ligas Al-Si:

modificação c/ Na

Ligas Al-Cu:

sol./precipitação

Aços Inoxidáveis:

ex:304 (18Cr8Ni)

Aços Liga: Ex: 4340:

Ni-Cr-Mo

Aços Carbono

Exemplos

Exemplos

Classe

Classe

Aços e Ferros

Fundidos

Não-Ferrosos

Ligas Ni-Nb

Ligas Ni-Fe-B

Ligas Ti

Superligas – Ni-Cr-Co

Ligas de Co

Exemplos

Exemplos

Classe

Classe

Ligas

Especiais

Amorfos

⌦

⌦

Metal Puro

Metal Puro

Para um metal puro, a curva de resfriamento a partir do estado líquido é dada

por:

T

T

Líquido

(1 fase)

Sólido

(1 fase)

Acima da temperatura de fusão o material se encontrará no condição de líquido e abaixo dessa temperatura na condição

de sólido.

O ponto T_F corresponde ao ponto de transformação.

Tempo

Te

m

pe

ra

tu

ra

Tv

Tf

Resfriamento do líquido

Resfriamento do sólido

Tf é chamada de

Temperatura de fusão

⌦

⌦

Diagrama de Equil

Diagrama de Equil

í

í

brio:

brio:

Ligas Bin

Ligas Bin

á

á

rias

rias

Tempo

Te

m

pe

ra

tu

ra

Tv

Tl

Ts

Metal base (solvente) - A Metal de liga (soluto) - B

Liga binária: metal puro (componente A) ao qual será adicionada uma certa

quantidade de um elemento de liga (componente B). A curva de resfriamento partindo

de uma temperatura T

, será dada por:

Diagrama de fases

Diagrama de fases

T

T

_L

_L

Líquido

(1 fase)

Sólido

(1 ou + fases)

T

T

_S

_S

Sólido +

Líquido

T_LL--Temperatura liquidusTemperatura liquidus T

⌦

⌦

Diagrama de Equil

Diagrama de Equil

í

í

brio:

brio:

Constru

Constru

ç

ç

ão

ão

Para diferentes teores de soluto B no solvente A, diferentes curvas de

resfriamento serão obtidas:

Tempo

Te

m

pe

ra

tu

ra

Curvas t

Curvas té

é

rmicas e levantamento das

rmicas e levantamento das

temperaturas de transforma

temperaturas de transformaç

ção de fase

ão de fase

Temperaturas de transforma

Temperaturas de transformaç

ção versus

ão versus

teor de soluto

teor de soluto

%B

Te

m

pe

ra

tu

ra

Liquido

Sólido

Líquido

+

Sólido

Tf

Tf

⌦

⌦

Diagrama de Equil

Diagrama de Equil

í

í

brio:

brio:

Linhas

Linhas

Um diagrama de equilíbrio (ou diagrama de fases) completo, deve apresentar

como informações as temperaturas de transformação de fase, os campos de fases

e as solubilidades envolvidas:

%B

Te

m

pe

ra

tu

ra

Linha Solvus

Liquido (1 fase)

Tf

A

Tf

B

Sólido (2 fases)

α + β

α

α

+ L

β

+ L

_β

Linhas Liquidus

Linha

Solidus

Ca

Ce

Cb

Defini

Defini

ç

ç

ão e Conceitos Fundamentais:

ão e Conceitos Fundamentais:

⌦

⌦

Sistema:

Sistema:

⌦

⌦

Componente:

Componente:

Define um metal puro, e/ou os componentes individuais que formam uma liga

(Cu puro, Al puro,

Cu puro, Al puro, Au

Au

puro, etc)

puro, etc

Define todo o espectro de possibilidades de mistura de componentes

(Al

Al-

-Cu,

Cu,

Fe-

Fe

-C,

C, Sn

Sn-

-Pb

Pb,

, Ti

Ti-

-Ni

Ni, etc

, etc)

⌦

⌦

Fase:

Fase:

Define uma porção homogênea de um sistema.

(Fase

Fase

α

α

, Fase

, Fase

β

β

,

,

Fase

SOLIDIFICA

SOLIDIFICA

Ç

Ç

ÃO

ÃO

S

S

ó

ó

lido

lido

-

-

Condi

Condi

ç

ç

ão 1

ão 1

Estrutura cristalina organizada

apresentando

duas fases

duas fases

S

S

ó

ó

lido

lido

-

-

Condi

Condi

ç

ç

ão 2

ão 2

Estrutura cristalina organizada

apresentando

uma fase formada por diferentes componentes

uma fase

L

L

í

í

quido

quido

Estrutura desorganizada

apresentando uma única fase

Componente A

Componente B

⌦

⌦

⌦

Solu

Solu

ç

ç

ão S

ão S

ó

ó

lida:

lida:

Ao se adicionar pequenas quantidades de sal ou açúcar na água, estes se dissolvem a ponto de se manter diluídos na água. Nesse caso temos uma solução líquida.

O termo SoluSoluçção São Sóólida, tem a mesma idéia, entretanto refere-se a materiais no estado sólido.lida

Um componente B pode formar uma solução sólida com um componente A, se o componente B se misturar a estrutura do componente A (de modo intersticial ou intersticial ou substitucional ) de tal forma a manter substitucional uma condição de fase única.

Componente solvente

Componente soluto

Solução sólida

Intersticial

Componente solvente

Componente soluto

Solução sólida

Substitucional

FASE

FASE

Ú

Ú

NICA

NICA

⌦

⌦

Constitui

Constitui

ç

ç

ão de uma liga:

ão de uma liga:

As

fases que se encontram presentes

fases

;

A

composi

composi

ç

ç

ão de cada fase

ão

;

A

propor

propor

ç

ç

ão de cada fase

ão

;

⌦

⌦

As propriedades mecânicas de um material dependem do arranjo da microestrutura.

arranjo da microestrutura.

Outros fatores de importância nas propriedades serão:

Fase A (Matriz) Fase B (Precipitado)

A

ESCALA da fase

ESCALA

Fase A (Matriz) Fase B (Precipitado)

A

MORFOLOGIA da fase

MORFOLOGIA

Materiais policristalinos são formados por unidades cristalinas (grãos) com diferentes orientações cristalográficas.

A fronteira entre os grãos é uma região de defeitos:

Contornos de Grão > deformação associada > maior energia.

No interior do grão todos os átomos estão arranjados segundo a célula unitária típica.

Contorno de Grãos

Contorno de Grãos

Imperfei

Imperfei

ç

ç

ões em S

ões em S

ó

ó

lidos:

lidos:

• Maioria das propriedades dos materiais são propriedades influenciadas pela preseninfluenciadas pela presençça de imperfeia de imperfeiççõesões

• Defeito cristalino: irregularidade na rede cristalina com uma ou mais das suas dimensões na ordem irregularidade na rede cristalina de um diâmetro atômico

• Classificação das imperfeições:

•

( dimensão “um” associados com 1 ou 2 posições atômicas ): vacâncias ou lacunas, impurezas vacâncias ou lacunas, impurezas intersticiais e

intersticiais e substitucionaissubstitucionais

•

( dimensão “um” associados com varias posições atômicas ): discordâncias discordâncias

•

( dimensão “dois” associados com planos ou superfícies ): superfsuperfíícies externas, interfaces, fronteirascies externas, interfaces, fronteiras de grão,

de grão,

•

Poros ligas

Poros ligas

Al

Al

-

-

Cu

Cu

Inclusões

Inclusões

em A

em A

ç

ç

os

os

Ligas

Ferro-Carbono: Aço e

Ferro Fundido

Diagrama de

Equilíbrio Fe-C

Transformações apresentadas pelo ferro durante o aquecimento:

912 C

o

727 C

o

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C C C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C C

C

C

C

C

C

γ

γ

γ

γ

γ

γ

γ

RESFRIAMENTO DE UM A

RESFRIAMENTO DE UM A

Ç

Ç

O EUTET

O EUTET

Ó

Ó

IDE

IDE

γ + α

γ

α

α

+ Fe C

₃

+ Fe C

₃

γ

0,77%C

zoom

zoom

DIFUSÃO

DIFUSÃO

DO C

DO C

α

α

Cementita

Cementita

Ferrita

Ferrita

Perlita

Perlita

α

γ

γ

γ

γ

γ

γ

γ

γ

%C na

Pto 1

Ponto 1

Ponto 1

%C na Austenita

(Ex. 1040 = 0,4%C)

Pto 2 - Temperatura T

Ponto 2

Ponto 2

%C na Ferrita

%C na Austenita

Ponto 3

Ponto 3

Pto 4 - T = 726 C

_{Ponto 4}

_{Ponto 4}

Perlita

Perlita

Ferrita

Ferrita

C

C

é

é

expulso do

expulso do

contorno para o centro

contorno para o centro

C continua a C continua a migrar para o migrar para o centro centro N

Núúcleo do grãocleo do grão enriquecido com enriquecido com 0,77% de C 0,77% de C

912 C

o

727 C

o

Pto 3 - T = 728 C

α

γ

γ

γ

γ

γ

γ

γ

γ

Ponto 1

Ponto 1

AN

AN

Á

Á

LISE DO RESFRIAMENTO DE UM A

LISE DO RESFRIAMENTO DE UM A

Ç

Ç

O HIPEREUTET

O HIPEREUTET

Ó

Ó

IDE

IDE

Ponto 2

Ponto 2

Ponto 3

Ponto 3

Pto 4 - T = 726 C

C

C

é

é

expulso do

expulso do

centro para o contorno

centro para o contorno

C continua a C continua a migrar para o migrar para o contorno contorno N

Núúcleo do grãocleo do grão empobrecido com empobrecido com 0,77% de C 0,77% de C

Pto 1

Pto 2 - Temperatura T

Pto 3 - T = 728 C

Ponto 4

Ponto 4

Perlita

Perlita

Cementita

Cementita

912 C

o

727 C

o

Aço 1005

Aço 1020

Aço 1045

Microestruturas

de Aços

Carbono com

diferentes

teores de C

O resfriamento rápido de ligas

Fe-C, a partir da região

austenítica, pode conduzir à

formação de microestruturas

refinadas de equilíbrio e até

estruturas fora do equilíbrio

dependendo da velocidade de

resfriamento imposta.

Tratamentos Térmicos

Têmpera: É um processo para a obtenção de estrutura metaestável de

elevada dureza. Consiste em aquecer a peça acima da zona crítica,

manter por tempo suficiente para que toda estrutura se transforme em

austenita e resfriar rapidamente, em água ou óleo, obtendo-se a

martensita (metaestável)

•

Revenido: Uma operação geralmente realizada após a têmpera para

melhorar a relação entre a dureza e a ductilidade da peça. Consiste

em aquecer a peça a uma temperatura abaixo do limite inferior da zona

crítica e mantê-la por um certo tempo.

•

Normalização: consiste em aquecer a peça a uma temperatura acima

da zona crítica , manter o tempo suficiente para que toda estrutura se

transforme em austenita e resfriar no ar. A estrutura final é composta

por perlita fina e ferrita primária.

•

Recozimento: Consiste em elevar a temperatura da peça acima da

zona crítica, mantê-la por um tempo suficiente e resfriá-la lentamente.

A adição de Silício à composição química dos ferros fundidos,

favorece a decomposição da cementita que é um composto

metaestável:

Fe

₃

C

→ 3Fe + C

O carbono na forma de grafita assume a a morfologia de veios,

formando o que se denomina de ferro fundido cinzento.

A adição de magnésio ou cério, ao invés do silício, favorece a

formação de nódulos de grafita dando origem ao ferro-fundido

nodular.

O resfriamento rápido do ferro-fundido inibe a decomposição da

cementita, dando origem ao ferro fundido branco, conhecido

assim pelo aspecto esbranquiçado de sua fratura.

No diagrama ignorou

No diagrama ignorou-

-

se o perité

se o perit

é

tico por questões did

tico por questões did

áticas

á

ticas

912 C

o

727 C

o

1148 C

o

α

γ

_4,3%C

_4,3%C

γ

+ Fe C

₃

α

+ Fe C

₃

Líquido

+ Fe C

₃

L

L +

γ

LIQUIDO

Ponto 1

Ponto 1 -

-

1147 C

1147 C

o

o

Ponto 1

DIFUSÃO

DIFUSÃO

AUSTENITA

AUSTENITA

CEMENTITA

CEMENTITA

Ponto 2

Ponto 2

-

-

T

T

Ponto 3

Ponto 3

-

-

726 C

726 C

o

Ponto 3

Perlita

No diagrama ignorou

No diagrama ignorou-

-

se o perité

se o perit

é

tico por questões did

tico por questões did

áticas

á

ticas

4,3%C 4,3%C

912 C

o

727 C

o

1148 C

o

α

γ

γ

+ Fe C

₃

α

+ Fe C

₃

Líquido

+ Fe C

₃

L

L +

γ

LIQUIDO

Ponto 1 --FormaFormaçção dos ão dos

primeiros cristais s

primeiros cristais sóólidos de lidos de Austenita Austenita P.ex.: Fe P.ex.: Fe --3,5 %C3,5 %C

Ponto 4

Ponto 4 -

-

728 C

728 C

o

em solidificação %C no líquido remanescente

Ponto 3

Ponto 3 -

-

1147 C

1147 C

o

no resfriamento

Pto

Pto2 2 --Temperatura TTemperatura T

Ponto 2 Ponto 2

Dendritas

de Austenita

γ

Ledeburita

(

Fe C

₃

+

γ)

No diagrama ignorou

No diagrama ignorou-

-

se o perité

se o perit

é

tico por questões did

tico por questões did

áticas

á

ticas

4,3%C 4,3%C

912 C

o

727 C

o

1148 C

o

α

γ

γ

+ Fe C

₃

α

+ Fe C

₃

Líquido

+ Fe C

₃

L

L +

γ

LIQUIDO

Agulhas de

Cementita

Ponto 1 --FormaFormaçção dos ão dos

primeiros cristais s

primeiros cristais sóólidos lidos de Cementita

de Cementita

Pto

Pto2 2 --Temperatura TTemperatura T

Ponto 2 Ponto 2

Líquido

remanescente

Pto

Pto

3

3

-

-

1147 C

1147 C

o

o

Fe C

₃

Ledeburita

(

Fe C

₃

+

γ)

No diagrama ignorou

No diagrama ignorou-

-

se o perité

se o perit

é

tico por questões did

tico por questões did

áticas

á

ticas

4,3%C 4,3%C

912 C

o

727 C

o

1148 C

o

α

γ

γ

+ Fe C

₃

α

+ Fe C

₃

Líquido

+ Fe C

₃

L

L +

γ

Fe C

₃

Fe

AÇOS

FERRO FUNDIDO BRANCO

Eutet

Eutet

ó

ó

ide

ide

100% Perlita

100% Perlita

( )

( )

α

+ Fe C

₃

Hipoeutet

Hipoeutet

ó

ó

ide

ide

α

α

+ Perlita

+ Perlita

Hipereutet

Hipereutet

ó

ó

ide

ide

Fe C + Perlita

Fe C + Perlita

Eut

Eut

é

é

tico

tico

100% Ledeburita

100% Ledeburita

+ Fe C

α

₃

Fe C + Perlita

( )

3

Hipoeut

Hipoeut

é

é

tico

tico

Perlita +

Perlita +

Ledeburita

Ledeburita

Hipereut

Hipereut

é

é

tico

tico

Fe C + Ledeburita

Fe C + Ledeburita

₃

₃

Linha que define

o aparecimento

da CEMENTITA

RESUMO DO DIAGRAMA Fe

RESUMO DO DIAGRAMA Fe

-

-

Fe C

Fe C

No diagrama ignorou

No diagrama ignorou-

-

se o perité

se o perit

é

tico por questões didá

tico por questões did

3

3

áticas

ticas

4,3%C 4,3%C

912 C

o

727 C

o

1148 C

o

α

γ

γ

+ Fe C

₃

α

+ Fe C

₃

Líquido

+ Fe C

₃

L

L +

γ

Fe C

₃

Fe

AÇOS

FERROS FUNDIDOS BRANCO

Eutet

Eutet

ó

ó

ide

ide

100% Perlita

100% Perlita

Eut

Eut

é

é

tico

tico

100% Ledeburita

100% Ledeburita

+ Fe C

α

₃

Fe C + Perlita

( )

3

Material Muito Duro

300 < HB < 450

Material Hiper Duro

450 < HB < 550

Material Ductíl

Material Duro

Dados de dureza para

HB ≅ 550

HB ≅ 80

Linha que define

o aparecimento

da CEMENTITA

Ferro Fundido Nodular com matriz ferrítica

Ferro Fundido branco

Ferro Fundido Cinzento com matriz ferrítica

Ferro Fundido Nodular com matriz de ferrita + perlita

Exemplo: compactado de pó de ferro, compactação uniaxial em matriz de duplo efeito, a 550 MPa

Exemplo: compactado de pó de ferro após

sinterização a 1150 o_{C, por 120min}

Porosidade

Porosidade

Segunda Fase

Segunda Fase

Micro-estrutura composta por veios de grafita sobre uma matriz perlítica.

Grão de perlita: é constituído por lamelas alternadas de duas fases: ferrita (ou ferro-α) e cementita (ou

Microestruturas

de Ferro

Fundido com

conteúdos

crescentes de

Mg

Normalização:

Propriedades Mecânicas:

Finalidade:

Métodos de Ensaios:

- Ensaios da própria peça - Ensaios de modelos - Ensaios em amostras

- Ensaios em corpos-de-prova retirados de parte da estrutura

Classificação :

i ) Destrutivos: provocam inutilização parcial ou total da peça;

Tração, Dureza, Fadiga, Fluência, Torção, Flexão, Impacto

Quanto à integridade

ii ) Não- Destrutivos: não comprometem a integridade da peça;

Raios-X, Raios-

γ

i ) Estáticos: carga aplicada lenta (estados de equilíbrio);

Tração, Compressão, Flexão, Dureza e Torção

Quanto à velocidade: ii ) Dinâmicos: carga aplicada rapidamente ou ciclicamente;

Fadiga e Impacto

iii ) Carga Constante: carga aplicada durante um longo período;

Metal Líquido

Estrutura Metalográfica Inicial

( estrutura bruta de fusão )

Passo 1 Passo 2 Processo 1 Processo 2 Forma 1 Forma 2 Estrutura 1 Estrutura 2 Produto Acabado Forma, estrutura e propriedades finais especificadas pelo projeto base. Processo Final Forma Final Estrutura Final Passo

Final Especificações de Projeto

• Características de processamento

Forjabilidade

Forjabilidade:: facilidade de preenchimento da matriz; Usinabilidade

Usinabilidade: adequadas condições de corte;: Suscetibilidade a tratamentos:

Suscetibilidade a tratamentos: condições de modificação estrutural (TT e superficiais); • Características de aplicação

Resistência mecânica:

Resistência mecânica: apresentar a resistência especificada no projeto; Resistência ao desgaste:

Resistência ao desgaste: apresentar nível dureza para evitar desgaste prematuro; Ductilidade:

Tipos de tensões: tração, compressão, cisalhamento e torção

⌦

⌦

Determina

Determina

ç

ç

ão das Propriedades

ão das Propriedades

Realização de ensaios padronizados e normalizados sob condições

específicas de: Solicita

Solicitaçções mecânicasões mecânicas tração compressão cisalhamento cíclica Temperaturas Temperaturas ambiente baixas altas Ambientais Ambientais inerte redutora: O2+2H2 O+4e->4(OH)-oxidante:Fe> Fe2+ +2e-corrosiva