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Materiais de Construção Mecânica
Classificação dos materiais utilizados em equipamentos mecânicos em geral:
Introdução:
Um bom conhecimento de materiais é importante não só para quem
projeta ou constroí como para aquele que simplesmente realiza manutenção de
equipamento mecânico (saber substituir um material por outro). Para tanto o
material deverá ser avaliado sob dois aspectos fundamentais: suas
qualidades mecânicas e seus custos de matéria - prima e de produção.
Também é com o conhecimento das propriedades dos materiais que
podemos escolher os fatores de segurança e estes influem decisivamente na
parte econômica do projeto.
O número de materiais usados na construção mecânica é
elevadíssimo, bastando dizer que só de aços existem várias centenas de
tipos.
Se considerarmos um automóvel por exemplo, veremos que o número
de materiais diferentes que o compõem, ultrapassa uma centena. Como
exemplo, podemos citar que as válvulas de admissão e escapamento são feitas
contendo silício, cromo e níquel e a segunda pode ser de um aço especial
contendo silício e cromo em percentagens diferentes. Já nos motores de
avião as válvulas de escapamento podem ser ocas e cheias de sódio ou
mercúrio.
Ao estudarmos a classe dos materiais metálicos podemos dividi-
los em dois grupos distintos: ferrosos e não ferrosos.
Materiais metálicos ferrosos
Dê uma forma geral podemos dividir os mesmos em dois grupos
distintos, mais importantes:
aço: liga Fe-C contendo geralmente de 0,008 até cerca de 2% de C (carbono),
além de certos elementos residuais do processo, sendo um material tenaz, de
excelentes propriedades, de fácil trabalho, podendo também ser forjável.
Principais influências do carbono nas propriedade do aço:
Aumento da dureza
Aumenta o limite de resistência e limite de escoamento
Redução da ductilidade
Diminui a tenacidade
Diminuição do alongamento
Aumenta a temperabilidade (formação da martensita)
Dificulta a soldagem (endurecimento e trincas na solda e na ZAT
– zona afetada termicamentre)
Justificativa: hidrogênio do revestimento do eletrodo fica retido no cordão
da solda (usar eletrodo de baixo teor de hidrogênio, com pós – aquecimento
para liberar hidrogênio)
Ver gráfico a seguir:
Os aço podem ser classificados em:
Aços ao carbono comum: são os aços cujos elementos residuais estão em
pequenas percentagens, ou seja, a liga é formada basicamente por ferro e
carbono.
Aços liga: são os aços ao carbono que recebem a adição de um ou mais
elementos químicos (cromo, níquel, molibdênio, vanádio, etc.) de modo a
melhorar a qualidade deste.
Causas principais para uso dos aços ligados:
Alta temperatura; fator fluência
Baixas temperaturas: fratura frágil
Corrosão
Exigência de não contaminação
Segurança
Obs.: Usaremos os aços especiais ou ligados quando quisermos aliar
resistência mecânica com o fator peso das peças, através da diminuição do
tamanho / secção das mesmas.
Limites de carbono para soldagem em equipamentos de processo químico:
0,26%: limites para partes soldadas sujeitas a pressão ou a outros
esforços principais, em vasos de pressão importantes.
0,30%: limite para outras partes soldadas em vasos de pressão
importantes, bem como para tubulações soldadas, tanques sem pressão e
vasos de baixa responsabilidade.
0,35%: limite máximo admissível para qualquer parte soldada.
ferro fundido: liga Fe-C com 2 5 kg/ dm3), ex.: cobre
estanho
zinco
chumbo
platina, etc.
Metais leves:
(ρ < 5 kg/ dm3), ex.: alumínio
magnésio
titânio, etc.
Normalmente, os não ferrosos são materiais caros, logo tudo
faremos para não utiliza-los em componentes que possam ser substituídos por
materiais ferrosos.
Dar-se-á preferência para a sua utilização em peças sujeitas a
oxidação, dada a sua resistência, sendo muito utilizadas em tratamentos
galvânicos superficiais de materiais. São também amplamente utilizados em
componentes elétricos pois em geral apresentam bom coeficiente de
condutibilidade elétrica.
Nos últimos anos, a importância dos metais leves e sua ligas
têm aumentado consideravelmente, principalmente na construção de veículos,
nas construções aeronáuticas e navais, bem como na mecânica de precisão,
pois têm-se conseguido ligas metálicas de alta resistência e de menor peso
e, com isto, tende-se a trocar o aço e o ferro fundido por esses metais.
Observação:
A palavra "metal" tem, em Metalurgia, um conceito diferente
daquele que se lhe dá em Química. Quando um metalurgista se refere a um
metal, não tem em vista um elemento simples, no estado de pureza, mas sim
um produto industrial em que juntamente com o elemento químico considerado,
se encontram sempre impurezas e elementos estranhos, ora em quantidade
insignificante, ora em percentagem apreciável. Muitas vezes uma pequena
variação na percentagem de um elemento secundário altera consideravelmente
as propriedades do metal principal. e portanto, indispensável indicar os
elementos estranhos que acompanham o metal e a sua percentagem.
Os metais são extraídos dos minérios que os contêm por
processos metalúr- gicos que, nem sempre reduzem as impurezas dos mesmos.
Em geral o processo adotado, termina numa fusão, se já não
advém dela.
A maioria dos metais, à temperatura ambiente, se apresenta em
estado sólido. O mercúrio, gálio, rubídio e césio se apresentam em estado
líquido. Na prática, todos os metais são passíveis de constituírem ligas
quando associados a outros.
Materiais não metálicos
Existem inúmeros materiais não metálicos, que podem ser
divididos em:
Naturais: madeiras couros, fibras, algodão, linho, amianto, etc.
Artificiais ou sintéticos: baquelite, celulóide, acrílico, tintas,
vernizes, esmaltes, etc.
Os mateiras plásticos estão sendo empregados em um número cada
vez maior de casos como substitutos dos metais.
Daí a necessidade de conhecermos um pouco mais sobre estes
materiais, razão pela qual voltaremos a esse assunto mais para a frente, em
nosso curso.
Tabela 1: Custo relativo dos materiais de construção mecânica
"Materiais "Custo " "materiais "Custo "
" "relativo" " "relativo"
"Aço carbono estrutural "1,00 " "Aço inoxidável tipo 321 "13,7 "
"Aço carbono qualificado "1,15 " "Aço inoxidável tipo 410 "6,0 "
"Aço carbono acalmado "1,25 " "Ferro fundido "0,95 "
"(Si) " " " " "
"Aço liga ½ Mo "2,3 " "Latão de alumínio "7,6 "
"Aço liga 1 ¼ Cr – ½ Mo "3,1 " "Latão almirantado "7,8 "
"Aço liga 5 Cr – ½ Mo "4,5 " "Cobre – Níquel 90-10 "22,0 "
"Aço liga 3 ½ Ni "3,0 " "Cobre – Níquel 70-30 "27,0 "
"Aço inoxidável tipo 304 "8,6 " "Alumínio "2,5 "
"Aço inoxidável tipo 304L"13,3 " "Metal Monel "31,8 "
"Aço inoxidável tipo 310 "13,5 " "Titânio "41,0 "
"Aço inoxidável tipo 316 "11,1 " "Incoloy "48,5 "
Na comparação dos custos dos materiais, devem ainda ser levados em
consideração os seguintes pontos:
Resistência a corrosão dos diversos materiais. Em um material que seja
menos resistente a corrosão, deverá ser acrescentada uma sobre espessura
de sacrifício, aumentando, assim, a espessura total e o peso do material.
Reciprocamente, poderá em muitos casos ser conseguida uma economia de
peso e de custo, com o emprego de um material mais resistente a corrosão,
ainda que mais caro.
Maior ou menor dificuldade de soldagem, pois há materiais que exigem
técnicas especiais de soldagem, tratamentos térmicos e também métodos
mais rigorosos mais caros de inspeção das soldas.
Maior ou menor facilidade de conformação e de trabalho do material.
Necessidade ou não de alívio de tensões após a solda, o que é necessário
quando o material a ser soldado ultrapassa certos valores de espessura,
em função do tipo de material que se está trabalhando.
Propriedades físicas dos materiais
Incluem-se neste grupo, as propriedades inerentes dos materiais
relativas a sua constituição, composição química e forma de obtenção. São
elas que definem o que é o material.
Restringem as aplicações de cada material. São aquelas
inerentes à composição química e forma de obtenção. São aquelas que definem
o que é o material.
a) peso especifico:
É o peso correspondente a massa existente em uma unidade de volume do
material considerado. É ele quem define qual material deve ser conforme
haja necessidade de alívio de peso ou de maior lastro. A unidade usualmente
usada em mecânica para o peso específico é o kg/dm3. Ex.: feixe de tubos
para trocadores de calor.
"Calcular o peso da chapa de aço "2- Calcular o peso de uma barra de ( "
"abaixo sabendo-se que a mesma tem 1,5"igual a 2" e comprimento de 6 m, cujo"
"x 2,5 m e espessura de ¼". ((aço = "material é o alumínio. Ver tabela "
"7,85 x 10-6 kg/mm3) "peso específico nos anexos. "
" " "
" " "
" " "
" " "
" " "
" " "
" " "
" " "
" " "
" " "
" " "
Obs.: Ver também anexos ao final da apostila para mais exemplos e
exercícios, além de tabela de peso de chapas e outros perfis de materiais.
b) Fusibilidade:
Determina a temperatura em que o material passa do estado sólido para
o líquido sob a ação do calor, o que restringe a aplicação de materiais que
tem baixo ponto de fusão como o chumbo, estanho, plásticos, etc. Exprime a
capacidade do material em estando fundido, preencher facilmente moldes
complicados e com muitas reentrâncias. Ex.: peças fundidas (carcaça de
bombas, compressores e carcaças de máquinas em geral).
Todo o material é fusível, mas para ser industrialmente fusível é
preciso que tenha um ponto de fusão relativamente baixo e que não sofra
durante o processo de fusão, oxidações profundas, nem alterações na sua
estrutura e homogeneidade.
c) Dilatação Térmica
É a propriedade do material de se dilatar/contrair com a variação da
temperatura, o que oF impede alguns materiais de serem usados em condições
extremas de temperatura, como em fornos, caldeiras, sistemas de
refrigeração e frigoríficos.
Obs.:
Temperatura:
È a grandeza que mede o estado de agitação térmica das
partículas que constituem um corpo.
Escala térmica:
dilatação:
linear: é aquela em que predomina a variação em uma única
direção. (ex.: barras, trilhos de trem, cabos em geral, etc.).
superficial: idem, em duas direções. (ex.: chapas). É também
conhecida por dilatação superficial.
Volumétrica: é aquela em que se considera a dilatação em três
direções.
Dilatação em líquidos: Aumentando-se a temperatura da H2O entre
0 oC e 4 oC, há uma diminuição do volume, a partir dai há um aumento deste
volume.
Como os líquidos estão contidos em recipientes sólidos, a
dilatação realmente sofrida pelo líquido é igual a soma da dilatação
aparente do líquido com a dilatação volumétrica do recipiente.
exercícios:
1- Um fio de cobre tem 8 metros de comprimento a 18 (C. Determine seu
comprimento quando aquecido a 35 (C. ((Cu = 17 x 10-6 (C-1).
2- Uma régua de aço ((aço = 11 x 10-6 (C-1) foi calibrada numa certa
temperatura de tal modo que o erro máximo de cada divisão de milímetro é
de 5 x 10-5 mm. Qual é o intervalo máximo de temperatura em que essa
régua pode ser usada, em torno da temperatura de calibração, se se
pretende conservar essa precisão.
3- O tanque de gasolina de um carro, com capacidade de 60 litros, é
completamente cheio a 10 (C, e o carro é deixado num estacionamento onde
a temperatura é de 30 (C. Sendo o coeficiente de dilatação volumétrica da
gasolina igual a 1,1 x 10-3 (C-1, e considerando desprezível a variação
de volume do tanque, a quantidade de gasolina derramada foi, em litros,
de:
4- Uma barra de metal mede 1,100 m a 0 oC. Tal barra, posta num forno, e
decorrido certo tempo, aumenta de comprimento, atingindo o comprimento de
1,107 m. Sabendo-se que o coeficiente de dilatação linear do metal é
igual a 12 x 10-6 (C-1, calcule a temperatura do forno.
5- Uma placa de determinado material tem área igual a 40 m2 a 0 oC. Sabendo-
se que o coeficiente de dilatação linear do material é igual a 24 x 10-6
o C-1, calcule a área final da placa à 50 oC.
d) condutibilidade térmica:
É a capacidade do material dissipar energia, na forma de calor. Alguns
materiais tem alto coeficiente de irradiação de calor, como o alumínio e o
cobre, sendo utilizados em trocadores de calor, radiadores, dissipadores,
panelas, etc..
Condução: é a principal forma de propagação de calor de uma partícula a
outra de um corpo. Quando se aquece a extremidade de uma barra de ferro,
por exemplo, seus átomos ganham mais energia no ponto de aquecimento.
Assim, vibram mais intensamente e se chocam com os átomos vizinhos,
transferindo-lhes calor. Estes, por sua vez, transmitem a energia cinética,
de modo que o calor é conduzido ao longo da barra e alcança a extremidade
fria. Apesar de o calor passar de uma partícula a outras, elas não se
chocam, mais apenas vibram mais intensamente.
Convecção: é a transferência de calor pela matéria em movimento. Essa
propagação ocorre por causa do deslocamento de moléculas. Desse modo,
quando se esquenta a água, as moléculas que estão no fundo do recipiente se
aquecem primeiro. Então, a densidade da água no fundo diminui e as
moléculas sobem. Formam-se correntes ascendentes mais quentes e correntes
descendentes mais frias. São as chamadas correntes de convecção que
uniformizam a temperatura e facilitam o aquecimento dos líquidos e dos
gases.
Radiação: é a propagação de calor por ondas eletromagnéticas. O calor do
Sol, por exemplo, chega a Terra por meio de ondas (raios infravermelhos)
que se propagam através do vácuo.
e) condutibilidade elétrica:
É a propriedade que possuem certos corpos de permitir mais ou menos a
passagem da corrente elétrica.
Os corpos que permitem a eletricidade passar são chamados condutores;
os metais são condutores de eletricidade.
O cobre e suas ligas e o alumínio conduzem bem a eletricidade, sendo
empregados na fabricação de linhas elétricas e aparelhagens; as ligas Cr –
Ni, Fe – Ni conduzem mal, servindo para construção de resistências
elétricas, como por exemplo reostatos, etc.
Materiais isolantes: não deixam passar a eletricidade: madeira
seca, baquelite, ebonite, etc.
Em anexo apresentamos tabela de propriedades físicas dos materiais.
PROPRIEDADES TECNOLÓGICAS DOS MATERIAIS
Classificam-se neste grupo as propriedades referentes ao comportamento
dos materiais, sob diferentes ações mecânicas e aos tratamentos térmicos
a) maleabilidade
Propriedade do material que expressa a maior ou menor facilidade do
material ser deformado permanentemente por ação de uma pressão ou choque
(compressão) uma carga de compressão, sem se romper, ou seja, é o quanto
ele pode ser amassado (laminado, forjado, dobrado, extrudado).
Um material é maleável quando sob a ação do laminador ou do martelo da
forja não sofrer rupturas ou fortes alterações na estrutura (endurecimento
inadmissível).
A maleabilidade pode ser a quente ou a frio. Se a maleabilidade a
frio é muito grande o material é chamado plástico.
laminação:
O material é submetido sucessivamente a cargas de compressão,
aplicadas entre dois cilindros laminadores, que vão reduzindo
sua espessura e alterando sua forma.
Pode ser executada tanto a frio quanto a quente, e seus
principais produtos são:
a quente: placas e chapas grossas, barras de secção redonda,
retangular (chata) ou quadrada, perfilados.
a frio: chapas finas para estampagem (recozidas), barras de
pequena secção para usinagem, tiras paras fatorização de tubos
(com costura).
forjamento:
O material é conformado por compressão através de impressões
sucessivas de uma ferramenta (martelo), adquirindo o formato
dado pela seqüência de golpes (recalque e estiramento) ou da
matriz em que fica apoiada (moldagem). No caso de estiramento, a
peça vai sendo virada a cada golpe pela ação de um manipulador
mecânico, permitindo que a carga seja aplicada em diversos
pontos, em todos os sentidos da peça, obtendo um material de
maior tenacidade. Como na extrusão, em geral , é feito a quente.
extrusão:
o material é empurrado por um êmbolo, que o força a escoar
através do orifício de uma matriz, tomando o formato e as
dimensões deste. A compressão sofrida pelo material é muito
grande, gerando grandes esforços, motivo pelo qual este processo
é feito, em geral, a quente. É usado para aços mais macios
(extra doces) e, em larga escala, para metais não ferrosos. É um
processo muito usado na fabricação de tubos.
Abaixo temos uma figura que mostra o detalhe o cilindro num
processo de extrusão direta. Os principais produtos são:
perfilados; barras redondas, quadradas e sextavadas; tubos sem
costura; arruelas; etc.
b) ductilidade
Capacidade do material de ser
deformado permanentemente, por carga
de tração sem se romper, ou seja, a
possibilidade de ser estirado,
trefilado, repuxado. Pode-se dizer que
a ductilidade é o oposto da
fragilidade. Ex.: cobre , alumínio,
aço com baixo teor de carbono, etc.
Obs.: Abaixo apresentamos uma classificação dos metais usados pela ordem
decrescente de maleabilidade e ductilidade.
Maleabilidade: Au –Ag – Cu – Sn – Pt – Pb – Zn – Fe – Ni
Ductilidade: Au – Ag – Pt – Fe – Ni – Cu – Zn – Sn - Pb
c) fragilidade:
Característica do material de apresentar ruptura repentina, quando
submetido a um esforço, sem apresentar deformação aparente. Os materiais
frágeis não aceitam conformação. EX.: ferro fundido, vidro.
d) soldabilidade:
Capacidade do material de ser soldado (rejuntado) por caldeamento
(compressão a quente das partes a serem unidas, sem utilização de material
auxiliar). Materiais de baixa caldeabilidade só podem ser soldados através
de eletrodos especiais.
A soldabilidade depende do tempo em que o metal permanece num estado
sólido – plástico, sob o efeito do calor produzido pela ação soldante. O
metal ou liga que passar instantaneamente do estado sólido para o líquido é
dificilmente soldável. (Ex.: ferro fundido).
1- O que é soldagem?
Segundo a American Welding Society (AWS), "soldagem é o processo de
união de materiais usado para obter a coalescência (união) localizada de
metais, produzida por aquecimento até uma temperatura adequada, com ou sem
utilização de pressão e ou material de adição" (in Tecnologia de Soldagem
de Paulo Villani Marques, pág. 352).
2- Qual a principal vantagem da soldagem sobre os outros processos de
união, como por exemplo a rebitagem ou o aparafusamento?
Possibilidade de obter uma união em que os materiais tem uma
continuidade não só na aparência externa, mas também nas suas propriedades
mecânicas e químicas, relacionadas a sua estrutura interna.
" "Percentagens de custo "
" "Matéria - prima "Fabricação "
"Aços ao carbono A – 285 Gr "40 "60 "
"C " " "
"Aço liga 1 ( Cr e ( Mo "50 "50 "
"Aço inoxidável tipo 304 "65 "35 "
"materiais "soldabilidade "
" "ótima "boa "regular "difícil "
"Aço de baixo "X " " " "
"carbono " " " " "
"Aço de médio " "X "X "X "
"carbono " " " " "
"Aço de alto " " " "X "
"carbono " " " " "
"Aço inox "X "X " " "
"Aço liga " " "X " "
"Ferro fundido " " "X " "
"cinzento " " " " "
"Ferro fundido " " "X " "
"maleável e " " " " "
"nodular " " " " "
"Ferro fundido " " " "X "
"branco " " " " "
"Ligas de " "X " " "
"alumínio " " " " "
"Ligas de cobre " "X " " "
Carbono equivalente = % C + % Mn/6 + % Cr + % Mo/5 + % V + (% Ni + % Cu)/15
Obs. Importantes quanto a solda em aço ao carbono comum.
a) teor de carbono acima de 0,30 % e espessura acima de 12 mm.
Pré aquecer a 110 oC e aquecer entre os passes.
b) alívio de tensões , a 600 oC quando:
b1) vasos de pressão ASME, seção VIII divisão I
espessura até 50 mm (exceto quando feito pré – aquecimento)
espessura acima de 50 mm, tratamento obrigatório durante 2:00
horas.
b2) tubulações:
obrigatório para espessuras acima de 19 mm.
c) emprego de eletrodos de baixo teor de hidrogênio quando:
espessura igual ou maior que 25 mm.
Teor de carbono igual ou maior à 0,22 %.
Limite de escoamento maior que 35 kg/mm2.
d) radiografia total das soldas importantes em partes com espessura
superior a 30 mm.
e) temperabilidade:
Capacidade do material sofrer alterações nas suas características
mecânicas e, consequentemente, nas suas aplicações quando submetido a
Tratamentos Térmicos (Def.: processo de aquecimento e resfriamento do
material em condições adequadas para obtermos a alteração de determinadas
propriedades).
Tal propriedade caracteriza o aço com certo teor de carbono, assim, como
determinadas ligas de alumínio, transformando a estrutura cristalográfica
do material que em conseqüência altera todas as propriedades mecânicas.
f) Usinabilidade
Capacidade do material apresentar maior ou menor resistência de ser
usinado (cortado, desbastado, furado, etc.) pela ação de uma ferramenta de
corte. Podemos relaciona-la também com a "vida da ferramenta de corte", ou
com a "energia ou tempo necessário ara removermos certa quantidade de
material". Os graus de usinabilidade dos diferentes aços são estabelecidos
em função do aço de CORTE LIVRE SAE 1112 que é tido como o de 100% de
usinabilidade.
Por exemplo, se disser que a usinabilidade de aço SAE 1070 é de 45 %,
significa que na usinagem deste aço, o rendimento é de 45% em relação ao do
aço SAE 1112.
Os fatores envolvidos nessas propriedades são entre outros:
Natureza do material sob usinagem
Natureza do material da ferramenta
Forma da ferramenta
Condições de corte: velocidade, avanço, profundidade de corte
Natureza da operação de corte: torneamento, frezamento, etc.
Natureza do corte: contínua ou interrompido
Condições da máquina operatriz
Refrigeração
Devido a necessidade de termos um custo cada vez mais baixo na
indústria, para reduzirmos os custos em uma produção em massa, a
usinabilidade é uma propriedade de grande interesse e assim, temos uma
série de profissionais estudando métodos de melhorarmos a usinabilidade dos
materiais. Podemos assim melhorar a usinabilidade dos materiais basicamente
por dois métodos:
Modificação do desenho da ferramenta
Alteração da sua estrutura
Para exemplos de usinabilidade relativa de algumas ligas ferrosas e não
ferrosas consultar tab. 32 do vol. 1 do Livro Tecnologia Mecânica, Vicente
Chiaverini.
g) tenacidade:
Capacidade do material
suportar grandes esforços antes de
se romper, sem apresentar grande
deformação. O material tenaz, ao
contrário do material frágil pode
sofrer deformações pequenas, mas
para isto, são necessárias grandes
cargas. Pode ser considerada uma
característica mecânica, já que a
energia mecânica total necessária
para levar o material a ruptura,
pode ser determinada pela área
abaixo da curva obtida no ensaio de
tração.
Corresponde a energia total absorvida pelo material durante o ensaio.
É numericamente igual à área abaixo da curva obtida no ensaio de tração,
incluindo as zonas elástica e plástica.
Ex.: Barra de torção.
Em ordem decrescente, segundo a tenacidade, temos os metais:
Fe – Cu – Ag – Au – Zn – Sn – Pt - Ni
PROPRIEDADES MECÂNICAS
São valores obtidos em ensaios de laboratório, que simulam condições
reais de aplicação do material, ou seja, quando ele é submetido a um
esforço (tração, compressão, flexão, torção, etc.) Quando o material recebe
a ação de uma solicitação extrema, aparecem, em seu interior, reações a
esse esforço, o que são denominadas tensões, essas propriedades são
representadas em sua maioria, em valores numéricos obtidos através de
ensaios efetivados nos laboratórios.
a) Dureza
Em princípio, designa-se a propriedade do material de se opor
(oferecer resistência) à penetração de outro material.
Quando aumentamos a dureza de um material aumentamos a sua resistência
mecânica e sua fragilidade, diminuindo a sua ductilidade.
Na prática, representa duas coisa importantes:
resistência ao desgaste
resistência a deformação ( ou conformação)
Por esta razão, os materiais mais duros são usados na fabricação de
peças sujeitas a maiores esforços, atrito constante, etc., enquanto os
materiais mais dúcteis são usados em aplicações que necessitam de
conformação mecânica (laminação, dobramento, estampagem, etc.).
No ensaio de tração, percebemos que, quanto mais duro é o material,
maiores são os seus limites de escoamento e de ruptura, sendo a dureza
diretamente proporcional ao limite de resistência do material, de maneira
que, conhecido o valor de sua dureza pelo método Brinell (HB), podemos
determinar o limite de resistência do material.
Existem, na prática, vários padrões para medirmos a dureza do material
e entre os mais usados, incluem-se os métodos Brinell, Rockwell, Vickers e
Shore.
Apresentamos abaixo algumas definições típicas de dureza
Metalurgia: resistência a deformação permanente (laminação).
Mecânica: resistência a penetração de um material duro no
outro.
Projetista: resistência mecânica com ou sem tratamento térmico,
resistência ao desgaste.
Técnico em usinagem: resistência ao corte do metal.
Mineralogista: resistência ao risco.
Só existe um material duro se existir um material mole.
b) Plasticidade
É a propriedade do material de se deixarem deformar permanente sem se
romper, assumindo diferentes tamanhos ou formas sem sofrerem rupturas,
rachaduras ou fortes alterações de estrutura quando submetidos a pressões
ou choques compatíveis com as suas propriedades mecânicas. O material
quando submetido a um esforço sofre uma deformação permanente, e só se
rompe quando a tensão aplicada ao material ultrapassa a tensão máxima.
A plasticidade é influenciada pelo calor ( aço ao rubro torna-se
bastante plástico).
O inverso da plasticidade é a fragilidade ou quebrabilidade; assim, um
material é dito frágil ou quebradiço quando o mesmo ao romper-se apresenta
uma pequena deformação.
A plasticidade pode ser subdividida em:
Maleabilidade
Ductilidade
c) elasticidade:
É a propriedade do material, cuja deformação causada por uma
tensão, desaparece quando esta deixa de agir. Em termos de engenharia, o
maior interesse concentra-se mais na tensão do que na deformação, e é esta
a razão porque se registra, para os dados técnicos de elasticidade o valor
da tensão que representa o limite de elasticidade. Ex.: aço para molas.
d) resistência:
No sentido amplo, a palavra resistência refere-se a habilidade do material
de suportar esforços sem se romper. No entanto, nos projetos de máquinas, a
resistência implica no conhecimento do tipo e maneira como uma carga atua
sobre cada componente de máquina.
Ponto 1: Limite de proporcionalidade: É a maior tensão que uma material
pode suportar sem perder a proporcionalidade entre a tensão e a deformação,
o que vale dizer que dentro desse limite, a deformação do material é
proporcional à tensão produzida no mesmo (Lei de Hook).
Ponto 2: Limite de elasticidade: É definido como sendo a maior tensão que o
material pode suportar sem que se produza no mesmo uma deformação
permanente, isto é, limite no qual o corpo retorna a sua forma original
quando a tensão deixa de existir.
Ponto 3: Limite de escoamento: É definido como sendo a tensão na qual o
material perde a sua propriedade elástica. Num material dúctil (ex.: aço
doce SAE 1020), o fenômeno do escoamento é bem definido, em virtude de um
acréscimo acentuado de deformação sem que haja aumento considerável de
tensão, provocando uma deformação permanente, ou seja, ele nunca mais
retorna a forma original.
Ponto 4: Limite de resistência: É definido como a maior tensão que o
material pode suportar (tensão de ruptura). Pode se calculado dividindo-se
a carga máxima aplicada no ensaio pela área da secção transversal inicial.
Ponto 5: Módulo de elasticidade: É definido como sendo a relação entre a
tensão e o correspondente alongamento, verificada dentro do limite de
proporcionalidade do material.
Ponto 6: Tensão limite de ruptura.
e) resiliência
Representa a energia mecânica absorvida pelo material até o seu limite
de elasticidade, ou seja sem sofrer deformação permanente. Na prática
representa a resistência do material a choques e, é numericamente igual a
área abaixo da curva até o limite de elasticidade.
Obs.: Recursos para melhorarmos as propriedades mecânicas dos materiais:
Alterar composição química
Processos mecânicos de fabricação
Alteração do tamanho do grão
Tratamentos térmicos
Estes assuntos serão motivo de nossas próximas aulas.
PROPRIEDADES DE USO OU DE UTILIZAÇÃO
Essas propriedades se relacionam com o comportamento dos
materiais em face às diversas condições ambientes que as peças encontrarão
durante o seu trabalho.
Dentre as mais importantes temos:
Preço: de grande importância na fabricação seriada;
côr: também de grande importância nas fabricações, tendo em vista o
grande interesse despertado nas massas consumidoras, pela combinações de
cores agradáveis;
Atualmente estão sendo lançados aços inoxidáveis coloridos
(podem ser usados nos para choques de automóveis); um outro exemplo seria a
borracha branca usada na banda branca dos pneumáticos.
Resistência ao ar: propriedade pela qual o material pode ser
empregado sem qualquer revestimento protetor, nas atmosferas como em
Copacabana, etc., é necessário um revestimento protetor. As chapas
galvanizadas (folhas de zinco) são exemplos.
Resistência ao calor: de grande importância na fabricação de
peças sob ação do calor, é uma propriedade de grande importância quando as
peças vão ficar expostas ao fogo direto ou indiretamente, por exemplo, nas
máquinas térmicas, tubos de caldeiras, fomos, caçambas, em usinas
siderúrgicas, etc.
Resistência â ação corrosiva: - propriedade pela qual o
material resiste a ambientes sujeitos à corrosão química, petróleo, etc.
Os tubos. de ferro fundido quando enterrados são corroídos em
face das bactérias que produzem emanações sulfurosas que originam H2SO4
devendo assim ser protegidos com uma camada asfaltica. Nas latas de
conservas são usadas as folhas de flandres.
Resistência à fluidez -(creep) - Os materiais ferrosos quando
submetidos a cargas de tração constantes por longo tempo a elevadas
temperaturas, se deformam continuamente mesmo quando a solicitação é menor
do que a tensão de escoamento do material naquela temperatura. Este
fenômeno de alongamento contínuo e que pode conduzir à ruptura é denominado
fluência ( creep ).
A fluência ocorre mesmo quando o material é solicitado na
temperatura ambiente, mas nessa temperatura a fluência é praticamente
desprezível comparada com a que ocorre em temperaturas elevadas.
O fenômeno da fluência ainda não está completamente estudado,
mas o seu conhecimento é necessário quando o material trabalha em
temperaturas elevadas, como por exemplo: palhetas de turbinas a vapor que
podem trabalhar a 500 oC; palhetas de turbinas a gás que podem trabalhar a
650 oC; auto claves; tubos de caldeiras; reservatórios de alta .pressão,
etc.
A resistência à fluência é especificada pelo alongamento
percentual que se produz numa temperatura, num certo intervalo de tempo
para uma certa solicitação, por exemplo 1% para 550 oC em 1000 horas, para
40 kg/mm2.
O fenômeno da fluência ocorre nos instrumentos de corda,
violão, por exemplo. É importante frisar que certas peças ficam
inutilizadas se alongarem apenas 0,01%.
Grau de polimento: há casos em que o material deve deixar-se
polir até o espelhamento (lapidação).
O grau de polimento depende do acabamento que se deseja dar à
superfície. Os metais mais duros e os preciosos adquirem e conservam um
polimento maior que os outros.
As engrenagens, mancais, canos, válvulas, apresentam um grau de
polimento bem elevado o que influi na escolha da viscosidade do
lubrificante adequado. Quanto mais polida a peça menos viscoso é o óleo e
maior a resistência à fadiga da peça.
Fatores que influem na seleção do material:
Vejamos os principais fatores que devem ser considerados na
seleção de um material industrial:
Condições de trabalho, podendo ser subdivididas em:
solicitações mecânicas
local de trabalho do material
Assim, uma peça que vai ser submetida a um esforço de tração,
tirante, por exemplo, não poderá ser feita de um material de pequena
resistência à tração, como por exemplo de ferro fundido comum. Os materiais
abrasivos, em locais de alta ou baixa temperatura, na presença de radiações
atômicas, em ambiente muito úmido, etc. Assim, uma bomba para ácido
sulfúrico deve ser feita de materiais que não sejam atacados por esse
produto.
Na indústria de laticínios os materiais empregados são
resistentes à corrosão como por exemplo o aço inoxidável.
Os tubos de caldeira devem ser de materiais resistentes ao
fogo.
Disponibilidade de material: para se escolher um material ele
deve ser disponível em quantidade necessária e também quando desejado para
reposição de peças. A escolha do material não deve ser feita apenas em
livros, mas sim nos catálogos de fabricantes.
Custo: por custo entendemos não só o material em bruto como
também o dos processos de fabricação, isto é, o custo total, isto porque um
material pode ter preço reduzido mais implicar em processo de fabricação
dispendioso.
Aparência: a aparência é importante quando o produto de destina
ao grande público. Assim uma peça de alumínio anodizado é agradável a vista
(tampos de panelas, etc.). Já para uma peça estrutural que está escondida,
a aparência não é tão importante.
É em virtude da aparência que se usa niquelados, cromados,
materiais plásticos coloridos, oxidados (armas, ferramentas), partes
esmaltadas (porcelanizadas), fundição sob pressão (zamak, plásticos).
Adaptabilidade para os processos de produção: certos materiais
se prestam melhor que outro para determinados processos de fabricação
incluindo ou não tratamentos térmicos, e assim dependendo do equipamento
que dispomos somos conduzidos a escolha de certos materiais (sapatas de
freio de chapas de aço estampadas e soldadas por pontos em lugar de liga de
alumínio fundida).
Forma da peça: em certos casos a forma da peça condiciona o
processo de fabricação e dessa maneira influi indiretamente na escolha do
material.
É o caso de um bloco de motor, cujo processo normal de
fabricação é a fundição. Já grandes motores dieesel possuem o bloco
fabricado a partir de chapas grossas e perfilados soldados.
Tabela de propriedades físicas dos materiais
"material "Símbolo "Peso específico"Temperatura de "Coeficiente "
" "químico "(x10 –6) Kg/mm3"fusão "de dilatação "
" " " "oC " "
"Aço doce 0,20 %C " "7,85 "1500 "11 x 10-6 "
"Aço duro 0,60 %C " "7,84 "1470 "11 x 10-6 "
"Alumínio "Al "2,70 "659 "23,8 x 10-6 "
"Antimônio "Sb "6,69 "630 "1 x 10-6 "
"Bronze " "8,80 "900 "17,5 x 10-6 "
"Cádmio "Cd "8,648 "320 " "
"Chumbo "Pb "11,34 "327 "29 x 10-6 "
"Cobalto "Co "8,71 "1480 "12,4 x 10-6 "
"Cobre "Cu "8,90 "1083 "17 x 10-6 "
"Cromo "Cr "6,93 "1610 " "
"Estanho "Sn "7,28 "232 "20 x 10-6 "
"Ferro fundido " "7,10 à 7,80 "1152 à 1350 "9 x 10-6 "
"Latão " "8,40 "900 "19 x 10-6 "
"Magnésio "Mg "1,74 "650 "26 x 10-6 "
"Manganês "Mn "7,30 "1260 "23,4 x 10-6 "
"Mercúrio "Hg "13,60 "- 38,9 " "
" " " "solidificação "x 10-6 "
"Molibdênio "Mo "10,20 "2620 "5,3 x 10-6 "
"Níquel "Ni "8,80 "1452 "18 x 10-6 "
"Ouro "Au "19,30 "1063 "14 x 10-6 "
"Platina "Pt "21,40 "1774 "9 x 10-6 "
"Prata "Ag "10,50 "960 "20 x 10-6 "
"Tungstênio "W "18,6 à 19,10 "3260 "4,3 x 10-6 "
"Urânio "U "18,70 "1850 " "
"Vanádio "V "5,60 "1660 " "
"zinco "Zn "7,04 à 7,16 "419 "30 x 10-6 "
Trabalho em classe
Após ler o testo acima reuna-se em grupo e discuta com seus
companheiros qual foi na opinião de vocês o motivo da ruptura da barra de
direção do carro, justificando através do que foi aprendido sobre
propriedades dos materiais. Você poderá acreditar que mais de uma
propriedade foi a responsável pela ruptura da barra de direção, basta para
isso fazer a justificativa para isso.
questionário para avaliação de conhecimentos
1) Qual a importância de se determinar os limites de resistência e de
escoamento de um material?
2) O que é elasticidade e plasticidade?
3) O estiramento é baseado na tração dos materiais, como podemos conformar
um material quando não possui resistência suficiente à tração?
4) Qual o princípio do trefilamento? Faça um esquema da máquina de
trefilar.
5) Dureza é a capacidade do material se opor a penetração de outro. Na
prática isto significa o que?
6) Qual é a diferença entre o aço e o ferro fundido? O que vem a ser aço
ligado?
7) O teor de C de um aço influi na sua tenacidade da seguinte forma:
a) aumenta a tenacidade sem limites
b) não aumenta a tenacidade
c) aumenta a tenacidade até cerca de 0,8% C
d) aumenta a tenacidade até cerca de 1,0% C
8) Um aço doce é:
a) um aço liga, com baixos teores de liga (menor que 5%)
b) um aço comum com teor de carbono entre 0,15 e 0,30%
c) um aço com excesso de açúcar
d) nenhuma das respostas é correta
9) Um aço estrutural deve ter:
a) elevada elasticidade, resistência à fadiga e soldabilidade
b) alto teor de cromo e níquel
c) alta dureza, resistência ã corrosão e ductibilidade
d) todas as respostas são corretas
10) Os aços para ferramenta devem ter:
a) grande dureza e resistência ao desgaste, teor elevado de C e de elemento
de liga
b) grande dureza e resistência a choque, médio teor de C
c) grande dureza e tenacidade, baixos teores de C
d) cerca de 3,5 % de C e teores elevados de cromo, vanádio, molibdênio e
tungstênio
11) A medida em que o teor de C do aço vai aumentando, temos:
a) mais dureza, mais elasticidade, mais resistência a choques
b) mais dureza, mais fragilidade, mais resistência ao desgaste
c) menos dureza, com aumento do alongamento
d) mais dureza, com aumento do alongamento
12) Os ferros fundidos são ligas de grande dureza. Por isto, a única forma
de fabricar peças de ferro fundido é:
a) através de moldagem seguida de trabalho de conformação
b) por conformação mecânica seguida de usinagem para acabamento
c) lingotamento contínuo seguida de laminação a quente
e) nenhuma das respostas é correta
13) Fragilidade é uma característica comum nos materiais:
a) muito duros e indeformáveis
b) que quebram facilmente após se deformarem
c) muito dúcteis, pois se deformam facilmente
d) todas as respostas anteriores estão corretas
14) Entre os fatores que influem na determinação do coeficiente de
segurança, temos:
a) a resistência do material e o limite de escoamento
b) a sua tensão admissível
c) o tipo de carga, o seu peso específico e riscos a vida humana
d) tipos de carga e choques, custo do projeto
15) Um material tenaz é aquele que resiste a grandes esforços, como os
usados para fabricar:
a) copos, xícaras, panelas, talheres
b) molas, estruturas, engrenagens, eixos
c) rolamentos, polias, mancais e fios elétricos
d) contatores, reles, disjuntores, fusíveis
16) Entre os materiais dúcteis podemos destacar:
a) aços, alumínio, cobre, latão
b) aços de baixo teor de C, alumínio, ferro fundido branco
c) vidro, cerâmica, aços extra - duros
d) aços de baixo teor de C, cobre puro, zinco e alumínio
17) As propriedades físicas são aquelas inerentes `a natureza do material,
sua importância está na:
a) determinação da resistência de cada material
b) identificação e aplicação apropriada de cada material
c) determinação da composição química do material
d) caracterização do material que sofreu tratamento
18) Um material dúctil é aquele que:
a) não pode ser conformado, pois é muito duro
b) pode ser transformado em chapas, mas não em arames
c) pode ser conformado por compressão sem se romper
d) ao ser esticado, permite um grande alongamento
19) Metal ferroso é:
a) aço mais cromo
b) ferro mais carbono
c) material que predomina o ferro
d) liga de ferro – carbono
20) Para aumentarmos a dureza de um aço devemos:
a) aumentarmos o teor de carbono
b) temperar ou elevar o teor de carbono
c) fazer uma liga
d) usar um material tenaz
21) Quando fabricamos uma peça devemos:
a) verificar se as propriedades mecânicas são adequadas
b) fazer um tratamento térmico
c) escolher um aço ao carbono certo para a aplicação
d) escolher o material que tenha as propriedades desejadas
e) n.d.a.
22) Comente as seguintes propriedade dos materiais:
a- densidade
b- resistência
c- fragilidade
d- ductilidade
e- tenacidade
f- elasticidade
g- dureza
23) Dê exemplos de materiais não-metálicos naturais e artificiais ou
sintéticos.
24) Quais os materiais metálicos ferrosos mais importantes? Quais as suas
características gerais?
25) Como são classificados os materiais metálicos não-ferrosos em função da
densidade?
26) O que é dureza e como podemos avalia-la no material?
27) O teor de S de um aço comum influi na sua usinabilidade da seguinte
forma:
a) aumentas bastante a usinabilidade
b) não aumenta a usinabilidade
c) aumenta a usinabilidade até cerca de 0,2% de C
d) aumenta a usinabilidade a partir de 0,2% de C
28) O que é tenacidade e em que tipo de situação é interessante observarmos
esta característica?
Bibliografia:
1- CHIAVERINI, Vicente – Tecnologia Mecânica
2o edição São Paulo – Ed. McGraw-Hill
2- CHIAVERINI, Vicente – Aços e ferros fundidos
4o edição São Paulo – Associação Brasileira dos Metais
3- SENAI – SP - Tecnologia Mecânica
Curso de Manutenção Mecânica – apostila
Piratini - Catálogo de aços finos
-----------------------
"Celcius "Fahrenheit "Kelvim "
" " " "
"100 oC "212 oF "373 K "
" " " "
"0 oC "32 oF "273 K "
(l = Li . ( . (t
Lf = Li ( 1 + ( (t )
(s = Si . ( . (s
Sf = Si ( 1 + ( (s )
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h€ICJH*h€ICJOJQJh€(v = Vi . ( . (v
Vf = Vi ( 1 + ( (v )
O material frágil quebra quando submetido a um impacto ou batida.
