Como visto anteriormente, existe uma grande variedade de materiais que podem apresentar

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ELEMENTOS ORGÂNICOS DE MÁQUINAS I

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AT--096

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Universidade Federal do Paraná Universidade Federal do Paraná

Curso de Engenharia Industrial Madeireira Curso de Engenharia Industrial Madeireira

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096

Dr. Alan

Dr. Alan SulatoSulato de Andrade de Andrade

alansulato@ufpr.br alansulato@ufpr.br

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MATERIAIS METÁLICOS

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MATERIAIS METÁLICOS

INTRODUÇÃO:

Como visto anteriormente, existe uma grande

variedade de materiais que podem apresentar propriedades interessantes para serem aplicados na propriedades interessantes para serem aplicados na área de engenharia, porém a grande variedade de materiais pode gerar algumas dúvidas para o engenheiro iniciante.

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MATERIAIS METÁLICOS

INTRODUÇÃO:

Na construção de componentes específicos ou

máquinas complexas é necessário a utilização de alguns materiais, na grande maioria das vezes, alguns materiais, na grande maioria das vezes, materiais metálicos, devido principalmente a suas propriedades. Devemos entender que as propriedades dos materiais podem definir tanto o desempenho de um determinado componente quanto o processo de fabricação do mesmo.

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MATERIAIS METÁLICOS

INTRODUÇÃO:

Assim, levando em consideração um número

extremamente grande de materiais metálicos diferentes, contando ainda com suas variantes de diferentes, contando ainda com suas variantes de tratamento térmico e composição, podemos perguntar: Como definir qual o melhor material para um determinado fim? Alguns pontos a serem considerados inevitavelmente serão em relação ao custo, o tempo de vida ou durabilidade, a aparência e a finalidade.

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MATERIAIS METÁLICOS

INTRODUÇÃO:

Este documento mostrará de maneira resumida,

informações gerais e diretrizes para o engenheiro de modo que ele possa conhecer quais são os modo que ele possa conhecer quais são os principais tipos de materiais metálicos que podem ser empregados em uma dada situação do projeto.

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MATERIAIS METÁLICOS

INTRODUÇÃO:

Foi na Idade dos Metais, período que seguiu à Idade

da Pedra que homem começava a dominar, ainda que de maneira rudimentar, a técnica da fundição que de maneira rudimentar, a técnica da fundição dos metais.

Assim este teve condições de criar instrumentos

mais eficazes para o cultivo agrícola, exploração das florestas e a prática da caça, além da influência direta sobre disputas e guerras.

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MATERIAIS METÁLICOS

INTRODUÇÃO:

O primeiro tipo de metal utilizado foi o cobre. Com o

passar dos anos o estanho também foi utilizado como outro recurso na fabricação de armas e como outro recurso na fabricação de armas e utensílios. Com a junção desses dois metais, por volta de 3000 a.C., houve o aparecimento do bronze.

Só muito tempo depois é que se tem notícia da

descoberta do ferro. Manipulado por comunidades da Ásia Menor, cerca de 1500 a.C., o ferro teve um lento processo de propagação. Isso se deu porque as técnicas de manipulação da liga de ferro eram de difícil aprendizado.

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MATERIAIS METÁLICOS

INTRODUÇÃO:

O Ferro é o metal mais utilizado pelo homem na

atualidade, com mais de 90% em peso da produção mundial dos metais. A abundância deste mineral, o custo relativamente baixo de produção e as múltiplas mundial dos metais. A abundância deste mineral, o custo relativamente baixo de produção e as múltiplas propriedades físico-químicas que podem ser obtidas com adição de outros elementos de liga são fatores que dão a este metal uma extensa variedade de aplicações.

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MATERIAIS METÁLICOS

INTRODUÇÃO:

Alguns metais, como o cobre e alumínio por

exemplo, podem ser usados no estado quimicamente quase puro. Entretanto, isso não ocorre com o ferro. No uso prático, este metal está sempre ligado ao quase puro. Entretanto, isso não ocorre com o ferro. No uso prático, este metal está sempre ligado ao carbono e a outros elementos e, assim, no âmbito da ciência dos materiais e também na linguagem do dia-a-dia, a palavra "ferro" deve ser entendida como uma liga dos elementos químicos ferro, carbono e outros.

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MATERIAIS METÁLICOS

INTRODUÇÃO:

Aço é a denominação genérica para ligas de

ferro-carbono com teores de ferro-carbono de 0,008 a 2,0%, contendo outros elementos residuais do processo de produção e podendo conter outros elementos de liga contendo outros elementos residuais do processo de produção e podendo conter outros elementos de liga propositalmente adicionados. Se o aço não contém estes últimos, é chamado especificamente de aço-carbono. Do contrário, aço-liga. Ferro fundido é a designação genérica para ligas de ferro-carbono com teores de carbono acima de 2,0%.

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MATERIAIS METÁLICOS

ESTRUTURA:

Como os demais metais, se solidifica pela formação

de cristais, que vão crescendo a diferentes direções, formando os denominados eixos de cristalização. A partir de um eixo principal, crescem eixos formando os denominados eixos de cristalização. A partir de um eixo principal, crescem eixos secundários, que por sua vez se desdobram em novos eixos e assim por diante até que toda a massa do metal se torne sólida. O conjunto formado pelo eixo principal e secundários de um cristal é denominado dendrita.

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MATERIAIS METÁLICOS

ESTRUTURA:

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MATERIAIS METÁLICOS

ESTRUTURA:

Quando duas dendritas se encontram, origina-se uma

superfície de contato e ao término do processo de cristalização, formam cada uma as partículas que compõem o metal, de modo que todos os metais, após cristalização, formam cada uma as partículas que compõem o metal, de modo que todos os metais, após sua solidificação completa, são constituídos de inúmeras partículas fundamentais, justapostas e unidas.

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MATERIAIS METÁLICOS

ESTRUTURA:

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MATERIAIS METÁLICOS

ESTRUTURA:

Estados de Alotropia ou polimorfismo: é a propriedade que certos metais (como o ferro) apresentam ao possuírem reticulados cristalinos

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MATERIAIS METÁLICOS

PRODUÇÃO:

A usina siderúrgica é a empresa responsável pela

transformação do minério de ferro em aço, de maneira que ele possa ser usado comercialmente. Este processo tem o nome de Redução. Primeiramente, o que ele possa ser usado comercialmente. Este processo tem o nome de Redução. Primeiramente, o minério – cuja origem básica é o óxido de ferro (FeO) – é aquecido em fornos especiais (alto fornos), em presença de carbono (sob a forma de coque ou carvão vegetal) e de fundentes (que são adicionados para auxiliar a produzir a escória, que, por sua vez, é formada de materiais indesejáveis ao processo de fabricação).

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MATERIAIS METÁLICOS

PRODUÇÃO:

O objetivo desta primeira etapa é reduzir ao máximo o

teor de oxigênio da composição FeO. A partir disso, obtém-se o denominado ferro-gusa, que contem de 3,5 a 4,0% de carbono em sua estrutura. Após uma obtém-se o denominado ferro-gusa, que contem de 3,5 a 4,0% de carbono em sua estrutura. Após uma análise química do ferro, em que se verificam os teores de carbono, silício, fósforo, enxofre, manganês entre outros elementos, o mesmo segue para uma unidade da siderúrgica denominada aciaria, onde será finalmente transformado em aço.

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MATERIAIS METÁLICOS

PRODUÇÃO:

O aço, por fim, será o resultado da descarbonatação

do ferro gusa, ou seja, é produzido a partir deste, controlando-se o teor de carbono para no máximo 2,0%. O que temos então, é uma liga metálica controlando-se o teor de carbono para no máximo 2,0%. O que temos então, é uma liga metálica constituída basicamente de ferro e carbono, além de certos elementos residuais resultantes de seu processo de fabricação.

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MATERIAIS METÁLICOS

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MATERIAIS METÁLICOS

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MATERIAIS METÁLICOS

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MATERIAIS METÁLICOS

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MATERIAIS METÁLICOS

AÇO:

Os aços diferenciam-se entre si pela forma, tamanho

e uniformidade das partículas que o compõem e, é claro, por sua composição química. Esta pode ser alterada em função do interesse de sua aplicação claro, por sua composição química. Esta pode ser alterada em função do interesse de sua aplicação final, obtendo-se através da adição de determinados elementos químicos, aços com diferentes graus de resistência mecânica, soldabilidade, ductilidade, resistência à corrosão, entre outros.

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MATERIAIS METÁLICOS

AÇO:

Dependendo do seu conteúdo em elementos ligantes

são classificados em:

Aço baixa liga. Aço alta liga.

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MATERIAIS METÁLICOS

AÇO:

Dependendo do seu conteúdo em carbono os aços

são classificados em:

Aço baixo em carbono. Aço médio em carbono. Aço alto em carbono.

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MATERIAIS METÁLICOS

AÇO:

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MATERIAIS METÁLICOS

AÇO:

Aço baixo em carbono. Contém menos de 0,25% de

carbono em peso. São utilizados em veículos, tubulações, elementos estruturais e outros. Também tubulações, elementos estruturais e outros. Também existem os aços de alta resistência com baixa liga de carbono, entretanto, contêm outros elementos fazendo parte da composição, até uns 10% em peso; apresentam uma maior resistência mecânica e podem ser trabalhados facilmente.

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MATERIAIS METÁLICOS

AÇO:

Aço médio em carbono. Entre 0,25% e 0,6% de

carbono em peso. Para melhorar suas propriedades são tratados termicamente. São mais resistentes que são tratados termicamente. São mais resistentes que os aços baixo em carbono, porém menos dúcteis, sendo empregados em peças de engenharia que requerem uma alta resistência mecânica e ao desgaste.

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MATERIAIS METÁLICOS

AÇO:

Aço alto em carbono. Entre 0,6% e 2,0% de carbono

em peso. São os mais resistentes, entretanto, os menos dúcteis. Adicionam-se outros elementos para menos dúcteis. Adicionam-se outros elementos para que formem carbetos, por exemplo, formando o carbeto de tungstênio. Estes carbetos são mais duros, formando aços utilizados principalmente para a fabricação de ferramentas.

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MATERIAIS METÁLICOS

AÇO:

De maneira geral, os aços possuem excelentes

propriedades mecânicas: resistem bem à tração, à compressão, à flexão, e como é um material homogêneo, pode ser laminado, forjado, estampado, compressão, à flexão, e como é um material homogêneo, pode ser laminado, forjado, estampado, estriado e suas propriedades podem ainda ser modificadas por tratamentos térmicos ou químicos, estes vistos mais adiante.

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MATERIAIS METÁLICOS

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MATERIAIS METÁLICOS

FERRO FUNDIDO

O ferro fundido é uma liga de ferro-carbono-silício, de

teores de carbono acima de 2,0%, essa quantidade de carbono é superior à que pode ser retida em de carbono é superior à que pode ser retida em solução sólida na austenita, desta forma, no ferro fundido há carbono parcialmente livre. O carbono livre se apresenta na forma de veios ou lamelas de grafita.

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MATERIAIS METÁLICOS

FERRO FUNDIDO

Dentro da denominação geral de "ferro fundido",

podem ser distinguidos os seguintes tipos de liga:

Ferro fundido cinzento, Ferro fundido cinzento, Ferro fundido branco, Ferro fundido misto,

Ferro fundido maleável,

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MATERIAIS METÁLICOS

FERRO FUNDIDO

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MATERIAIS METÁLICOS

FERRO FUNDIDO CINZENTO

Nesse tipo de material, a fratura apresenta uma

coloração escura (onde a sua denominação). Essa fratura é caracterizada por apresentar como fratura é caracterizada por apresentar como elementos de liga fundamentais o carbono e o silício. Uma parcela relativamente grande do carbono está no estado livre (grafita lamelar) e outra parcela no estado combinado (Fe₃C).

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MATERIAIS METÁLICOS

FERRO FUNDIDO CINZENTO

A faixa de composição dos ferros fundidos cinzentos

está compreendida entre os seguintes valores: Carbono: 2,5 a 4,0%; Silício: 1,2 a 3,0%; Manganês: Carbono: 2,5 a 4,0%; Silício: 1,2 a 3,0%; Manganês: 0,3 a 1,0%; Fósforo: 0,1 a 1,0%; Enxofre: 0,05 a 0,25%.

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MATERIAIS METÁLICOS

PROPRIEDADES DO FERRO FUNDIDO CINZENTO

Nesse tipo de material, a resistência mecânica esta

associada ao tamanho da peça. Para uma dada concentração de carbono total e silício há uma concentração de carbono total e silício há uma tendência de modificação da resistência mecânica.

Em peças finas tende haver uma maior concentração de carbono e silício. Em peças espessas, a quantidade desses elementos dever ser reduzida sob a pena de queda da dureza e do limite de resistência à tração.

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MATERIAIS METÁLICOS

APLICAÇÃO DO FERRO FUNDIDO CINZENTO

Possuí aplicações diversas pelas suas

características.

Pela usinabilidade e fundibilidade, são indicados Pela usinabilidade e fundibilidade, são indicados para: bases de máquinas, carcaças metálicas, elementos estruturais de máquinas operatrizes como barramentos, cabeçotes, mesas, etc;

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MATERIAIS METÁLICOS

Ligados se tornam mais resistentes, sendo indicados:

Engrenagens, virabrequins, bases pesadas e colunas de máquinas, buchas grandes, blocos de motores, etc; de máquinas, buchas grandes, blocos de motores, etc;

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MATERIAIS METÁLICOS

Outras aplicações do material:

confecção de anéis de pistão, produtos sanitários, tampas de poços de inspeção, tubos, conexões, tampas de poços de inspeção, tubos, conexões, carcaças de compressores, rotores, pistões hidráulicos, eixos de comando

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MATERIAIS METÁLICOS

FERRO FUNDIDO BRANCO

Nesse tipo de material, a fratura apresenta uma

coloração clara, essa coloração é característica do fato de que o carbono se encontra quase que inteiramente de que o carbono se encontra quase que inteiramente combinado na forma de Fe₃C (cementita). Isso ocorre devido as condições de fabricação e ao menor teor de silício.

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MATERIAIS METÁLICOS

PROPRIEDADES DO FERRO FUNDIDO BRANCO

Suas características principais são a elevada dureza e

resistência ao desgaste e uma baixa usinabilidade (mesmo com as melhores condições e materiais de (mesmo com as melhores condições e materiais de corte).

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MATERIAIS METÁLICOS

APLICAÇÃO DO FERRO FUNDIDO BRANCO

Para cada tipo de aplicação há composições típicas

para o ferro fundido branco, isto devido a suas características mecânicas. O ferro fundido branco é características mecânicas. O ferro fundido branco é recomendado para as seguintes aplicações: revestimentos de moinhos; bolas para moinhos de bola; cilindros para laminação de borracha, vidro, linóleo, plásticos e metais; rodas de vagões; peças para equipamentos para britamento de minérios, moagem de cimento;

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MATERIAIS METÁLICOS

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MATERIAIS METÁLICOS

FERRO FUNDIDO MISTO

Consiste em uma mistura dos ferros cinzento e

branco, visando melhorar alguma característica, possuindo assim composição bem variada.

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MATERIAIS METÁLICOS

FERRO FUNDIDO MALEÁVEL

O ferro fundido maleável é considerado um material

intermediário entre o aço e o ferro fundido cinzento. Apresenta as características fundamentais do ferro Apresenta as características fundamentais do ferro fundido aliada às propriedades mecânicas de aços de baixo e médio carbono e com uma ductibilidade razoável. A resistência à corrosão é muito boa devido às características superficiais que se originam nos processos de maleabilização

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MATERIAIS METÁLICOS

FERRO FUNDIDO MALEÁVEL

Processos de maleabilizacão

Há dois processos de maleabilizacão do ferro fundido branco. O primeiro é um processo de descarbonelação branco. O primeiro é um processo de descarbonelação e que origina um ferro fundido maleável de núcleo branco (desenvolvido na Europa).

O segundo é o processo de maleabilizacão por grafitização e que origina o ferro fundido maleável de núcleo preto (desenvolvido na EUA).

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MATERIAIS METÁLICOS

APLICAÇÕES DO FERRO FUNDIDO MALEÁVEL

O ferro fundido maleável apresenta um vasto campo

de aplicação nas industrias: mecânica, elétrica, automobilística, de materiais de construção, automobilística, de materiais de construção, equipamentos pesados. É muito utilizado na confecção de peças como: conexões para tubulações hidráulicas, conexões de linhas de transmissão elétrica, correntes, suportes de molas, caixas de direção e de diferencial, cubos de rodas, sapatas de freios, pedais de freios e de embreagens, colares de tratores. caixas de engrenagens, etc.

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MATERIAIS METÁLICOS

FERRO FUNDIDO DÚCTIL OU NODULAR

É caracterizado por apresentar carbono livre na forma

de grafita esferoidal. Grafita esferoidal o que confere ao material uma boa ductibilidade. Esse tipo de ao material uma boa ductibilidade. Esse tipo de estrutura é obtido com um tratamento realizado ainda no estado líquido, adicionando-se ligas contendo magnésio, cério, cálcio, lítio, sódio e bário.

O ferro fundido de origem possui uma composição semelhante à do ferro fundido cinzento comum ou com baixo teor de liga.

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MATERIAIS METÁLICOS

Processo de nodulizacão

Nesse processo, o magnésio age como inibidor da grafitização, de curta duração, de modo que o ferro grafitização, de curta duração, de modo que o ferro fundido solidifica inicialmente formando cementita. Quando cessa a ação do magnésio, a cementita começa a decompor-se e origina uma grafita que se desenvolve em todas as direções, adquirindo uma forma próxima da esférica.

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MATERIAIS METÁLICOS

Processo de nodulizacão

Um tratamento térmico de recozimento e normalização decompõe a cementita em ferrita e produz mais grafita decompõe a cementita em ferrita e produz mais grafita esferoidal. O recozimento também alivia as tensões e a normalização produz melhores propriedades mecânicas.

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MATERIAIS METÁLICOS

APLICAÇÕES DO FERRO FUNDIDO DÚCTIL OU NODULAR

As aplicações típicas desse tipo de aço são:

compressores; bielas. peças que necessitem de compressores; bielas. peças que necessitem de resistência ao choque como: virabrequins, mancais; polias; rodas dentadas; engates: sapatas; tambores de freios.

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MATERIAIS METÁLICOS

AÇÃO DOS LIGANTES

Principais elementos de liga: Cobre (até 3%) Cromo Fósforo Fósforo Molibdênio Níquel Vanádio

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MATERIAIS METÁLICOS

AÇÃO DOS LIGANTES

Aplicações: Resistentes à corrosão: Alto Si Alto Cr Alto Cr Alto Ni

Alto Si - usado como recipiente para ácidos

corrosivos

Alto Cr - apresenta excepcional resistência ao ácido

nítrico e ácidos oxidando em geral e à atmosférica.

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MATERIAIS METÁLICOS

RESUMINDO

Até 1% C – Aços mais usados na indústria

1 a 1,5% C – Aços para ferramentas especiais

1,5 a 2,5% C – Produtos pouco utilizados (fins 1,5 a 2,5% C – Produtos pouco utilizados (fins

específicos)

2,5 a 3,8% C – Ferros fundidos mais utilizados

3,8 a 6,7% C – Ferros fundidos pouco usados

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MATERIAIS METÁLICOS

RESUMINDO

Ferro fundido cinza menos duros e mais frágeis do que

Ferro fundido branco

Ferro fundido cinza pode sofrer acabamento posterior Ferro fundido branco pode sofrer acabamento Ferro fundido branco pode sofrer acabamento

posterior com ferramentas especiais e com dificuldade

Ferro fundido cinzento tem boa resistência à corrosão Ferro fundido cinzento tem capacidade de amortecer

vibrações

Ferro fundido cinzentos são mais usados que o Ferro

fundido branco

Ferro fundido branco é mais usado em peças que

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MATERIAIS METÁLICOS

ALUMÍNIO

A principal vantagem do alumínio está no fato de ele

não enferrujar, e, portanto, estar livre de problemas com a umidade e maresia. É leve e tem boas com a umidade e maresia. É leve e tem boas propriedades mecânicas. A têmpera é primordial para a qualidade das peças. Uma desvantagem é quanto a dificuldade de soldagem, e quando soldada, perde 50% de suas propriedades mecânicas, pois ocorre a destempera.

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MATERIAIS METÁLICOS

ALUMÍNIO

O alumínio funde a uma temperatura em torno de

660°C e em condutibilidade elétrica e térmica excelente. Forma ligas importantes com diversos excelente. Forma ligas importantes com diversos metais, nas quais se podem conseguir diversas propriedades. Ex: duralumínio (alumínio + cobre + magnésio) de grande resistência mecânica e leveza.

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MATERIAIS METÁLICOS

ALUMÍNIO

Sua densidade é aproximadamente de um terço da do

aço ou cobre. É muito maleável, muito dúctil e apto para a mecanização e para a fundição, além de ter para a mecanização e para a fundição, além de ter uma excelente resistência à corrosão e durabilidade devido à camada protetora de óxido.

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MATERIAIS METÁLICOS

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MATERIAIS METÁLICOS

COBRE

É um metal de cor avermelhada, dúctil e maleável,

embora duro e tenaz. Pode ser reduzido a lâminas e fios extremamente finos. Ao ar, cobre-se rapidamente fios extremamente finos. Ao ar, cobre-se rapidamente de uma camada de óxido e carbonato. Tem grande condutibilidade térmica e elétrica, densidade entre 8,6 e 8,95 Kg/m³.

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MATERIAIS METÁLICOS

COBRE

Bom condutor de eletricidade e de calor. Sua

resistência e módulo de deformação são menores do que o dos aços, mas as suas propriedades o tornam que o dos aços, mas as suas propriedades o tornam indicado para certos usos como condutores elétricos, tubos para trocadores de calor, peças que necessitam grande ductibilidade e grande tenacidade. Largamente empregado em instalações elétricas como condutor; em instalações de água, esgotos, gás, pluviais, coberturas, forrações, ornatos, etc.

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MATERIAIS METÁLICOS

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MATERIAIS METÁLICOS

EXERCÍCIO

Desafio 5:

Faça um levantamento dos principais materiais metálicos necessários na construção de câmaras de secagem utilizadas na industria madeireira. secagem utilizadas na industria madeireira. Faça um croqui detalhando do sistema proposto além de explicar as propriedades que justificam a escolha dos materiais.