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Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 1
Sumário
Classificação e características de materiais 2
Obtenção do ferro gusa e ferro fundido 13
Aço 37
Comportamento das ligas em função da temperatura e composição 61
Diagrama ferro-carbono 71
Tratamento térmico dos aços 86
Metais não-ferrosos e ligas 113
Sinterização 128
Corrosão dos metais 138
Ensaio dos materiais 153
Ensaios destrutivos 159
Ensaios não-destrutivos 170
Materiais plásticos 196
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 2
Classificação e características de materiais
Objetivos
Ao final desta unidade o participante deverá:
Conhecer
Estar informado sobre:
• Classificação dos materiais naturais, artificiais, ferrosos e não-ferrosos;
• Propriedades dos materiais.
Saber
Reproduzir conhecimentos sobre:
• Estrutura dos metais;
• Formação da estrutura na solidificação;
• Componentes da estrutura: átomo, cristais, grão, contorno do grão;
• Propriedades físicas dos metais.
Introdução
Quando da confecção de um determinado produto, deve-se, como um dos fatores prioritários,
selecionar o material adequado que o constituirá.
Para tanto, o material deve ser avaliado sob dois aspectos: suas qualidades mecânicas e seu
custo.
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 3
Classificação de materiais
Apresentamos a seguir uma classificação dos materiais mais comumente utilizados, tendo cada
um sua importância e emprego definidos em função de suas características e propriedades.
materiais
metálicos não metálicos
ferrosos não ferrosos sintéticos naturais
aço
FoF
o
pesa
dos
leve
s
plás
ticos
resi
nóid
es
mad
eira
mou
ro
etc.
Conhecidas as classes dos materiais passemos agora a especificá-los por grupos e emprego a
que se destinam, pois todos os materiais possuem características próprias que devemos conhecer
para podermos empregá-los mais adequadamente.
Materiais metálicos
Ao estudarmos a classe dos materiais metálicos podemos dividi-los em dois grupos distintos: os
ferrosos e os não-ferrosos.
Materiais metálicos ferrosos
Desde sua descoberta os materiais ferrosos tornaram-se de grande importância na construção
mecânica.
Os materiais ferrosos mais importantes são:
• Aço – liga de Fe e C com C < 2% - material tenaz, de excelentes propriedades, de fácil
trabalho, podendo também ser forjável.
• Ferro fundido – liga de Fe e C com 2 < C < 5% - material amplamente empregado na
construção mecânica, e que, mesmo não possuindo a resistência do aço, pode substituí-lo em
diversas aplicações, muitas vezes com grande vantagem.
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 4
Como esses materiais são fáceis de serem trabalhados, com eles é construída a maior parte de
máquinas, ferramentas, estruturas, bem como instalações que necessitam materiais de grande
resistência.
Materiais metálicos não-ferrosos
São todos os demais materiais metálicos empregados na construção mecânica. Possuem
empregos os mais diversos, pois podem substituir os materiais ferrosos em várias aplicações e
nem sempre podem ser substituídos pelos ferrosos.
Esses materiais são geralmente utilizados isoladamente ou em forma de ligas metálicas, algumas
delas amplamente utilizadas na construção de máquinas e equipamentos.
Podemos dividir os não-ferrosos em dois tipos em função da densidade:
• Metais pesados (ρ > 5kg/dm3) cobre, estanho, zinco, chumbo, platina, etc.
• Metais leves (ρ < 5kg/dm3) alumínio, magnésio, titânio, etc.
Normalmente, os não-ferrosos são materiais caros, logo não devemos utilizá-los em componentes
que possam ser substituídos por materiais ferrosos.
Esses materiais são amplamente utilizados em peças sujeitas a oxidação, dada a sua resistência,
sendo muito utilizados em tratamentos galvânicos superficiais de materiais.
São também bastante utilizados em componentes elétricos.
Nos últimos anos, a importância dos metais leves e suas 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.
Materiais não-metálicos
Existem numerosos materiais não-metálicos que podem ser divididos em:
• Naturais – madeira, couro, fibras, etc.
• Artificiais ou sintéticos – baquelite, celulóide, acrílico, etc.
Os materiais plásticos estão sendo empregados em um número cada vez maior de casos como
substitutos de metais.
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 5
Daí a necessidade de conhecermos um pouco mais esses materiais que vêm-se tornando uma
presença constante nos campos técnico, científico, doméstico, etc. Deles nos ocuparemos um
pouco mais na unidade Materiais plásticos.
Estrutura cristalina dos metais
A maioria dos metais ao se solidificar experimenta uma contração de volume, o que indica uma
menor separação entre os átomos no estado sólido.
Nesse estado, os átomos animados de pequena energia cinética não conseguem deslizar
livremente uns em relação aos outros.
No estado sólido, os átomos não estão em repouso, mas vibram em torno de determinadas
posições de equilíbrio assumidas espontaneamente por eles ao se solidificarem.
Arranjo dos átomos
Essas posições não são assumidas ao acaso, pelo contrário, apresentam uma ordenação
geométrica especial característica, que é uma função da natureza do metal.
Essa disposição ordenada, característica dos metais sólidos e de outros materiais não-metálicos,
denomina-se estrutura cristalina.
Tipos de estruturas cristalinas
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 6
Dentre as estruturas destacamos três tipos:
1) Rede cúbica de faces centradas
Metais: Ni, Cu, Pb, Al e tipo de ferro que se chama ferro γ.
2) Rede cúbica de corpo centrado
Metais: V, Cr, Mo, W e tipo de ferro que se chama ferro α.
3) Hexagonal compacta
Metais: Mg, Zn, Cd, Ti.
- A dimensão da rede varia de tipo para tipo.
A transformação mecânica dos metais (tais como laminação, dobramento, estampagem) depende
do tipo da estrutura cristalina.
Nas estruturas do tipo (1) a transformação ocorre facilmente, enquanto na estrutura (3) a
transformação é mais difícil de ser verificada.
No processo de dobramento de metais que possuem o tipo (3) – exemplo: Mg e Zn, a peça pode
quebrar mais facilmente do que nos metais que possuem estrutura do tipo (1) – exemplo: aço ou
Al.
Formação da estrutura na solidificação
Fundamentos da Mecânica - Materiais
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A estrutura cristalina, formada na solidificação através do resfriamento, irá definir a estrutura do
material, os seus constituintes e propriedades.
No estado líquido os átomos metálicos se movem livremente. Com a queda da temperatura,
diminui a energia de movimento dos átomos e passa a predominar a força de atração entre eles.
Por isto os átomos vão se unindo uns aos outros, em determinadas posições, formando os cristais
(embriões). Essa formação é orientada segundo direções preferenciais, denominadas eixo de
cristalização.
À medida que esses cristais crescem em direções definidas, encontram-se e estabelecem uma
superfície de contato que chamamos de limite ou contorno de grãos.
Observe a seguir o processo de formação da estrutura cristalina na solidificação.
O tamanho do grão na estrutura do metal varia de acordo com o número de embriões formados e
com o tipo de metal.
Num mesmo metal podem-se formar grãos pequenos ou grandes, se modificarmos o tempo de
solidificação (velocidade de resfriamento e pressão).
Se diminuirmos o tempo de solidificação, teremos uma estrutura formada por maior número de
grãos (estrutura fina). Caso contrário, ocorre o inverso (estrutura grossa).
As estruturas de grãos muito grandes possuem baixa resistência à tração.
Fundamentos da Mecânica - Materiais
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A figura ao lado apresenta no
diagrama de solidificação como
se processa a formação dos
metais durante o resfriamento.
Diagrama de solidificação
Propriedades dos materiais
Na construção de peças e componentes, devemos observar se os materiais empregados
possuem as diversas propriedades físicas e mecânicas que lhe serão exigidas pelas condições e
solicitações do trabalho a que se destinam. A seguir mostraremos algumas dessas propriedades.
Elasticidade
Uma mola deve ser elástica. Por ação de uma força, deve se deformar e, quando cessada a força,
deve voltar à posição inicial.
Fundamentos da Mecânica - Materiais
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Para comprovarmos a elasticidade do aço para molas, prendemos a mola na morsa por um lado e
a estiramos pelo outro lado até que se estique.
Quando a soltamos, se a mola voltar à posição inicial é porque o aço possui boa elasticidade.
Fragilidade
Materiais muito duros tendem a se quebrar com facilidade, não suportando choques, enquanto
que os materiais menos duros resistem melhor aos choques. Assim, os materiais que possuem
baixa resistência aos choques são chamados frágeis. Exemplos: FoFo, vidro, etc.
Ductilidade
Pode-se dizer que a ductilidade é o oposto da fragilidade. São dúcteis os materiais que por ação
de força se deformam plasticamente, conservando a sua coesão, por exemplo: cobre, alumínio,
aço com baixo teor de carbono, etc.
Na figura seguinte temos um fio de cobre de 300mm de comprimento. Se puxarmos este fio, ele
se esticará até um comprimento de 400 a 450mm sem se romper porque uma das qualidades do
cobre é ser dúctil.
Ductilidade
Tenacidade
Se um material é resistente e possui boas características de alongamento para suportar um
esforço considerável de torção, tração ou flexão, sem romper-se, é chamado tenaz.
A chave da figura seguinte pode ser tracionada e flexionada sem romper-se facilmente porque é
de um material tenaz.
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 10
Tenacidade
Dureza
As ferramentas devem ser duras para que não se desgastem e possam penetrar em um material
menos duro.
A dureza é, portanto, a resistência que um material oferece à penetração de outro corpo.
Resistência
Resistência de um material é a sua oposição à mudança de forma e ao cisalhamento. As forças
externas podem exercer sobre o material cargas de tração, compressão, flexão, cisalhamento,
torção ou flambagem.
Flexão Cisalhamento
Torção Tração
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Flambagem Compressão
Toda força externa gera no material tensões de acordo com o tipo de solicitação.
Elasticidade e plasticidade
São propriedades de mudança de forma. Denominamos deformação elástica à deformação não
permanente e deformação plástica à deformação permanente.
Densidade
A densidade de um material está relacionada com o grau de compactação da matéria.
Fisicamente, a densidade (ρ) é definida pela massa (M) dividida pelo volume (V).
ρ =
3dm
Kg
V M
Exemplo: o cobre tem maior densidade que o aço: ρ Cu = 8,93kg/dm3
ρAço = 7,8kg/dm3
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 12
Questionário – resumo
1. Quais os materiais metálicos ferrosos mais importantes?
2. Como são classificados os materiais metálicos não-ferrosos em função da densidade?
3. Dê exemplos de materiais não-metálicos naturais e artificiais ou sintéticos.
4. Cite três tipos de estrutura cristalina dos metais e como elas se comportam frente à
transformação mecânica?
5. Como ocorre a formação da estrutura cristalina na solidificação?
6. Comente as seguintes propriedades dos materiais: densidade, resistência, fragilidade,
ductilidade, tenacidade, elasticidade e dureza.
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 13
Obtenção do ferro gusa e ferro fundido
Objetivos
Ao final desta unidade o participante deverá:
Conhecer
Estar informado sobre:
• Processo de obtenção do ferro gusa no alto-forno e os materiais utilizados;
• Reações químicas que ocorrem no alto-forno;
• Obtenção, classificação e tipos de ferro fundido;
• Fundição em areia.
Saber
Reproduzir conhecimentos sobre:
• Características da estrutura do carbono nos ferros fundidos lamelar e globular;
• Propriedades e exemplos de aplicação do ferro fundido branco, cinzento, nodular e maleável;
• Normas ABNT, DIN e ASTM.
Ser capaz de
Aplicar conhecimentos para:
• Selecionar os ferros fundidos em função de suas propriedades.
Introdução
O elemento químico ferro é o metal mais usado para as construções mecânicas. Nesta unidade,
estudaremos como ele é extraído do minério e transformado em ferro gusa e depois em ferro
fundido. Na próxima unidade (Aço), estudaremos como o ferro gusa se transforma em aço.
Obtenção do ferro gusa
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Os minérios de ferro são rochas que contêm óxidos de ferro ou carbonatos de ferro agregados a
quartzo, argila, composto de enxofre, fósforo, manganês.
Minério Designação química Fórmula química Conteúdo de Fe
Magnetita Óxido ferroso férrico Fe3O4 60...70%
Hematita roxa Óxido de ferro anidro Fe4O3 40...60%
Hematita parda ou
limonita Óxido de ferro hidratado 2Fe2O3 + 3H2O 20...45%
Siderita Carbonato de ferro FeCO3 30...45%
Antes da fusão do minério no alto-forno para a obtenção do ferro gusa, o minério deve ser britado
(quebrado). As impurezas pétreas são separadas por flotação e, em seguida, elimina-se a
umidade e parte do enxofre. Os minérios de granulometria fina são compactados formando
briquetes.
Transformação do minério em metal
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SENAI - 2009 15
A transformação do minério em metal é feita no alto-forno que é um forno de cuba com uma altura
de 30 a 80m e um diâmetro máximo de 10 a 14m.
Neste forno entra o minério e sai o ferro gusa que contém 5 – 6% de carbono, ± 3% de silício (Si),
± 6% de manganês (Mn) assim como altos teores de enxofre e fósforo. Um teor alto de carbono,
enxofre e fósforo tornam o ferro gusa muito frágil, não forjável e não soldável.
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SENAI - 2009 16
Alto-forno (funcionamento)
A transformação do minério em ferro gusa é feita em dois movimentos: o movimento descendente
de carga (sólidos) em oposição ao movimento ascendente dos gases.
Alto-forno
As cargas introduzidas na goela do alto-forno para ser obtido o ferro gusa são as seguintes:
• Minério
Óxido de ferro (Fe2O3) quebrado e aglomerado.
• Coque metalúrgico
Possui grande resistência ao esmagamento e uma excelente
Porosidade para deixar passar a corrente gasosa.
• Fundente adicional
Permite a separação do metal da ganga numa temperatura relativamente baixa. A composição
do fundente depende da natureza da ganga.
Exemplos de fundentes:
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SENAI - 2009 17
• Mn
Atua como dissulfurante, desoxidante e elemento de liga, 33 a 35kg/ton de aço.
• Cal
Adicionada para facilitar a fusão da escória e é também um desfosforizante.
• Fluorita CaF2
Ajuda na fluidificação da escória.
Os movimentos descendente e ascendente produzidos no alto-forno formam as seguintes zonas:
Secagem (entre 3000C e 3500C)
A água contida nos elementos da carga é evaporada e parte do enxofre também é eliminada.
Redução (entre 3500C e 7500C)
O minério (óxido de ferro) combina-se com
o monóxido de carbono (CO) (veja equação
ao lado).
Equação química da redução
3Fe2O3 + CO → 2Fe3O4 + CO2
Fe3O4 + CO → 3FeO + CO2
Equação química da
carbonetação
3FeO + 3CO → 3Fe + 3CO2
3Fe + C → Fe3C
Carbonetação (entre 7500C e 11500C)
Com a temperatura elevada, o óxido de ferro entra em
combinação parcial com o monóxido de carbono,
formando o dióxido de carbono. Numa outra reação, o
ferro (Fe) combina-se com o carbono formando a
cementita Fe3C, numa combinação muito dura.
Após a carbonetação, o ponto de fusão da liga ferro e
carbono diminui bastante (veja equação ao lado).
Fusão (entre 11500C e 18000C)
Corresponde à passagem do ferro carburado (o gusa) do estado sólido ao líquido.
A transformação em líquido é feita numa temperatura aproximada de 16000C. O metal líquido
escorre para o fundo do cadinho, enquanto que sobre o metal fica a escória, separada por
diferença de densidade. A escória fica na superfície e protege o gusa contra a oxidação que o ar
injetado das ventaneiras poderia provocar.
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SENAI - 2009 18
O ferro gusa que sai do alto-forno
pode ser solidificado em pequenos
lingotes que servirão de matéria-
prima para uma segunda fusão, de
onde resultará o ferro fundido, ou o
gusa poderá ser transportado
líquido (carro torpedo) para a
aciaria.
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SENAI - 2009 19
Ferro fundido
É uma liga de ferro carbono com um teor de carbono de 2% a 4,5%. Esse material se caracteriza
frente ao aço por um ponto de fusão mais baixo e uma moldabilidade mais fácil. Portanto, para
peças de forma complicada, a fundição em ferro fundido é mais econômica do que a fundição em
aço.
O ferro gusa é transformado numa segunda fusão em ferro fundido (FoFo). Esta fusão é feita em
fornos tipo cubilô ou forno elétrico.
A carga desses fornos é formada de lingotes de ferro gusa, sucata de aço e ferro fundido, coque e
fundente (calcário), podem-se também adicionar elementos de liga como o cromo, níquel ou
molibdênio. Através desta segunda fusão, obtém-se uma estrutura mais densa com a granulação
mais fina e uniforme.
Forno cubilô
O forno cubilô é um forno de cuba, cilíndrico com um diâmetro de aproximadamente um metro, e
uma altura de seis a oito metros.
Compõe-se de uma camisa de
chapa de aço revestida com um
material refratário. Esse forno é
carregado por cima, como o alto-
forno.
Forno cubilô
Fundamentos da Mecânica - Materiais
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Após o aquecimento, quando se encontra no estado líquido, o ferro fundido acumula-se em um
cadinho, na parte inferior, e, em seguida, é feita a corrida. O ferro fundido é vertido em uma
caçamba de fundição e transportado até os moldes onde são fundidas as peças.
Tipos de ferro fundido
O carbono contido no ferro fundido pode estar combinado com o ferro formando a cementita que é
dura e quebradiça e apresenta uma fratura clara (ferro fundido branco).
Quando o carbono está separado do ferro formando veios de grafite, apresenta uma fratura
cinzenta (ferro fundido cinzento).
A quantidade e o tamanho dos veios de grafite que se formam dependem da composição química
e da velocidade de resfriamento.
Aumentando o teor de silício e diminuindo a velocidade de resfriamento, há maior formação de
grafite. No entanto, se aumentarmos o teor de manganês e a velocidade de resfriamento, o
carbono ficará combinado com o ferro formando a cementita.
Ferro fundido cinzento (GG)
Fundamentos da Mecânica - Materiais
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Nesse tipo de ferro fundido, o carbono se apresenta na forma de veios de grafite. Esses veios de
grafite (lamelas) são formados devido a um resfriamento lento no momento da fundição e/ou
devido à composição química do material (alto teor de silício).
O ferro fundido cinzento ou lamelar (GG ou GGL) é, comercialmente, barato e tem as seguintes
características quanto ao processo de fabricação:
• Funde-se com facilidade
• Contrai-se pouco ao esfriar
• Tem pouca tendência a formar vazios internos
• Apresenta boa usinabilidade
O ferro fundido cinzento apresenta também as seguintes propriedades mecânicas:
• Fragilidade (resiste pouco às solicitações por choque)
• Resistência baixa a tração (causada pelos veios de grafite)
• Boa capacidade de deslizamento (melhor que a do aço)
• Resistência a compressão elevada
• Grande poder de amortecimento interno de vibrações mecânicas
A resistência a compressão e o poder de amortecimento de vibrações tornam o ferro fundido
cinzento ideal para confecções de carcaças de motores e corpos de máquinas.
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SENAI - 2009 22
Ferro fundido nodular (GGG)
Se se adicionam, na hora do vazamento do ferro fundido na panela, ligas de magnésio (níquel-
magnésio ou ferro-silício-magnésio), o grafite não se agregará sob a forma de lamelas e sim sob a
forma de glóbulos. Por essa razão esse ferro fundido é chamado globular ou nodular.
O grafite estando na forma globular proporciona ao ferro fundido maior resistência a tração, flexão
e alongamento.
Outra característica do ferro fundido nodular é que ele resiste bem a agentes químicos e ao calor.
Por isso é muito usado em tubos e fornos de indústrias químicas, em máquinas agrícolas, na
construção de tratores e automóveis, na construção de bombas e turbinas.
Ferro fundido branco ou duro (GH)
Nesse tipo de ferro fundido, o carbono está sempre combinado com o ferro, formando um
componente duro na estrutura – a cementita (Fe3C).
Composição típica de ferro fundido duro
C...................................2,8 a 4,0%
Si..................................0,2 a 1,0%
Mn................................0,6 a 1,5%
S..................................0,2 a 0,45%
P...................................0,15 máx.
A cementita é formada devido a um resfriamento rápido do ferro fundido e devido à influência de
elementos químicos: um teor de silício baixo e de manganês elevado.
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 23
Pela escolha adequada da composição química do ferro fundido e pelo controle da velocidade de
resfriamento do metal no molde, é possível fazer uma peça onde a superfície seja de ferro fundido
duro e o núcleo de ferro fundido cinzento.
Essas características são interessantes para alguns tipos de peças como, por exemplo, a roda de
trem que deve ter resistência ao desgaste e, ao mesmo tempo, resistência a impactos.
Ferro fundido maleável (GT)
O ferro fundido maleável é obtido a partir do ferro fundido branco que é submetido à
maleabilização (tratamento térmico posterior à fundição) tornando-se, assim, bem tenaz, algo
deformável e facilmente usinável.
Composição típica de um ferro fundido branco
destinado a ser maleabilizado.
Carbono combinado...................3,0 a 3,50%
Si................................................0,50 a 0,80%
Mn..............................................0,10 a 0,40%
S................................................0,20 a 0,05%
F.................................................0,15% máx.
Distinguem-se dois tipos de ferro fundido maleável:
• Ferro fundido maleável branco
• Ferro fundido maleável preto
Ferro fundido maleável branco (GTW)
É próprio para a fabricação de peças pequenas de pequena espessura de parede.
Essas peças são fundidas em ferro fundido branco e depois, por um longo tratamento
térmico de descarbonetação, reduz-se o teor de carbono da superfície da peça de 2 a 4% para 1 a
1,5% (com isso conseguimos um material menos frágil).
O tratamento de descarbonetação consiste em colocar as peças fundidas em ferro fundido branco
em caixas contendo óxidos de ferro finamente granulado. Depois, colocamos essas caixas em
fornos a temperatura de 900 a 10500C durante dois a cinco dias. Ou segundo procedimentos mais
modernos, a peça é aquecida em fornos elétricos ou a gás com uma atmosfera oxidante.
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 24
Através do aquecimento, o óxido de ferro se decompõe, liberando o oxigênio que irá reagir com o
carbono contido na peça. Com isso se reduz o teor de carbono na superfície da peça de 2,5 a
3,5% para 0,5 a 1,8% C.
A profundidade de descarbonetação é limitada e por isso se emprega esse tratamento em peças
de paredes delgadas de até 12mm.
Ferro fundido maleável preto (GTS)
Para a obtenção de ferro fundido maleável preto, faz-se um tratamento térmico de recozimento no
ferro fundido branco (800 a 9000C durante vários dias) em uma atmosfera neutra, por exemplo,
envolvendo a peça em areia.
Diagrama do tratamento térmico
Nesse caso, a cementita do ferro fundido branco se decompõe em grafite em forma de nódulos e
ferrita. Esse tipo de tratamento não depende da espessura da parede da peça.
Observação
Na figura seguinte, observamos um resumo de como são obtidos os vários tipos de ferros
fundidos.
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 25
Obtenção dos vários tipos de ferro fundido
O processo de fundição
Para fundir uma peça, confecciona-se primeiro um modelo em madeira, aço, alumínio ou plástico,
de acordo com os planos técnicos.
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 26
Esse modelo deve ser um pouco maior do que a peça, devido à contração do metal ao se
solidificar e esfriar conforme tabela seguinte.
Material Contração do metal (%)
Aço
FoFo
Alumínio
Liga CuZnSn
2
1
1,25
1,50
As figuras a seguir mostram a sequência da fundição de uma peça.
Desenho da peça
Modelo fabricado em madeira, levando-se em conta a contração do metal.
Este modelo é dividido em duas partes.
Coloca-se o modelo sob a caixa de fundição e compacta-se a areia.
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 27
Macho fabricado de areia com resina
para ter maior resistência
Colocação do macho no molde
Vazamento do metal no molde Peça fundida com o canal de vazamento e
massalote
É importante notar que as propriedades mecânicas das peças fundidas variam dentro de uma
mesma peça em função da espessura da parede, da forma da secção, da maior ou menor
velocidade de resfriamento em cada ponto.
As figuras a seguir mostram os defeitos mais comuns que aparecem nas peças fundidas.
Inclusões de escórias
Escórias e óxidos metálicos que se misturaram no metal durante o vazamento.
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 28
Poros
O material fundido não se solidifica uniformemente. A solidificação se produz de fora para dentro.
Nos lugares mais grossos da peça, formam-se vazios que são denominados poros ou cavidades.
Para evitar esse problema, é conveniente que as peças fundidas não tenham uma variação
brusca de espessura das paredes, ou que se acrescentem partes na peça que se solidifiquem por
último e que irão conter os poros, bolhas e inclusões. Essas partes são chamadas de massalote e
serão eliminadas depois.
Trincas
A variação de secção provoca também diferentes velocidades de resfriamentos o que pode
ocasionar diferentes estruturas e tensões internas na peça, provocando trincas. Para uniformizar a
velocidade de resfriamento, podem-se alojar no molde placas de resfriamento.
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 29
Bolhas
A umidade da areia do molde se
decompõe em hidrogênio e oxigênio com
a temperatura de vazamento do metal e
esses gases penetram na estrutura do
material.
Desigualdade na espessura das
paredes
É provocada pelo deslocamento do macho
durante o vazamento.
Paredes mais grossas e irregulares
São provocadas pela compactação
insuficiente da areia, que se desprende
com a pressão do material durante a
fundição.
Como descobrir defeitos de fundição
Antes da usinagem, é interessante examinar as peças fundidas com a ajuda de raios X ou de
ultra-som para detectar defeitos (bolhas ou inclusões internas). Caso contrário esses defeitos só
serão percebidos durante a usinagem o que acarretará uma perda de tempo e elevação dos
custos.
Classificação e nomenclatura dos ferros fundidos
As normas especificam os ferros fundidos com letras e números onde cada um possui um
significado.
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 30
Nos exemplos abaixo temos especificações segundo a norma DIN e ABNT.
DIN GG 40
Resistência a tração 400N/mm2
Ferro fundido cinzento
GGG 60
Resistência a tração 600N/mm2
Ferro fundido nodular
ABNT FC 40
Resistência a tração 400N/mm2
Ferro fundido cinzento
Características segundo DIN
Símbolo GG –
Densidade: 7,25kg/dm3
Ponto de fusão: 1150 – 12500C
Temperatura de fundição: 13500C
Resistência a tração: 10 – 40kp/mm2
Alongamento: insignificante
Contração: 1%
Composição: 2,6 - 3,6% C
1,8 - 2,5% Si
0,4 - 1,0% Mn
0,2 - 0,9% P
0,08 - 0,12% S
Classificação do ferro fundido cinzento
O ferro fundido é classificado por suas classes de qualidade. Essas classes são especificadas por
vários sistemas de normas tais como DIN, ASTM, etc. Por exemplo, a ABNT especifica as
classificações da seguinte forma:
• As classes FC10 e FC15 possuem excelentes fusibilidade e usinabilidade e são indicadas,
principalmente a FC15, para bases de máquinas e carcaças metálicas.
• As classes FC20 e FC25 aplicam-se em elementos estruturais de máquinas, barramentos,
cabeçotes, mesas, etc.
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 31
• As classes FC30 e FC35 possuem maior dureza e resistência mecânica e aplicam-se em
engrenagens, buchas, blocos de motor, etc.
• A classe FC40 de maior resistência que as outras possui elementos de liga, como cromo,
níquel e molibdênio, sendo empregada em peças de espessuras médias e grandes.
Classes de ferros fundidos cinzentos segundo ABNT
Classe Limite de resistência a tração
(min.) X 10 [N/mm
2]
Dureza brinell (valores máximos)
Resistência à flexão estática (valores médios)
X 10 [N/mm2]
FC10 10 201 -
FC15 23
18
15
11
241
223
212
201
34
32
30
27
FC20 28
23
20
16
255
235
223
217
41
39
36
33
FC25
33
28
25
21
269
248
241
229
-
46
42
39
FC30 33 269 -
30 262 48
26 248 45
FC35 38
35
31
-
277
269
-
54
51
FC40 40
36
-
-
60
57
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SENAI - 2009 32
A ASTM agrupa os ferros fundidos cinzentos em sete classes. Os números das classes ASTM
representam valores de resistência a tração em l b/pol2, os valores métricos para o limite de
resistência a tração são aproximados.
Classes Resistência a tração Resistência a tração
20 20.000 l b/pol2 140N/mm2
25 25.000 l b/pol2 175N/mm2
30 30.000 l b/pol2 210 N/mm2
35 35.000 l b/pol2 245N/mm2
40 40.000 l b/pol2 280N/mm2
50 50.000 l b/pol2 350N/mm2
60 60.000 l b/pol2 420N/mm2
Classificação de ferro fundido nodular segundo ABNT especificação P-EB-585.
A título informativo
Classe
Limite de resistência a tração, min. Kg/mm
2
Limite de escoamento (0,2%) min. Kg/min
2
Alongamento (5d), min. %
Faixa de dureza
aproximada brinell
Estruturas predominantes
FE 3817
FE 4212
FE 5007
FE 6002
FE 7002
FE 3817
RI*
38,0
42,0
50,0
80,0
70,0
38,0
24,0
28,0
35,0
40,0
45,0
24,0
17
12
7
2
2
17
140-180
150-200
170-240
210-280
230-300
140-180
Ferrítica
Ferrítica-perlítica
Perlítica-ferrítica
Perlítica
Perlítica
Ferrítica
*Classe com requisito de resistência a choque.
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SENAI - 2009 33
Aplicações dos ferros fundidos cinzentos, segundo as classes ASTM
Classe Espessura das peças Aplicações
20
Fina: até 13mm
Média: de 13 a 25mm
Grossa: acima de 25mm
Utensílios domésticos, anéis de pistão, produtos sanitários, etc.
Bases de máquinas, fundidos ornamentais, carcaças metálicas, tampas de poços de inspeção, etc.
Certos tipos de tubos, conexões, bases de máquinas pesadas, etc.
25
Fina: até 13mm
Média: de 13 a 25mm
Grossa: acima de 25mm
Aplicações idênticas às da classe 20, quando se necessita de maior resistência mecânica.
30
Fina: até 13mm
Média: de 13 a 25mm
Grossa: acima de 25mm
Elementos construtivos: pequenos tambores de freio, placas de embreagem, cárters, blocos de motor, cabeçotes, buchas, grades de filtro, rotores, carcaças de compressor, tubos, conexões, pistões hidráulicos, barramentos e componentes diversos usados em conjuntos elétricos, mecânicos e automotivos.
35
Fina: até 13mm
Média: de 13 a 25mm
Grossa: acima de 25mm
Aplicações idênticas às da classe 30.
40
Fina: até 13mm
Média: de 13 a 25mm
Grossa: acima de 25mm
Aplicações de maior responsabilidade, de maiores durezas e resistência a tração, para o que se pode usar inoculação ou elementos de liga em baixos teores: engrenagens, eixo de comando de válvulas, pequenos virabrequins, grandes blocos de motor, cabeçotes, buchas, bombas, compressores, rotores, válvulas, munhões, cilindros e anéis de locomotivas, bigornas, pistões hidráulicos, etc.
50
Fina: até 13mm
Média: de 13 a 25mm
Grossa: acima de 25mm
Aplicações idênticas às da classe 40.
60
Fina: até 13mm
Média: de 13 a 25mm
Grossa: acima de 25mm
É a classe de maior resistência mecânica, usando-se normalmente pequenos teores de Ni, Cr e Mo.
Tambores de freio especiais, virabrequins, bielas, cabeçotes, corpos de máquina diesel, peças de bombas de alta pressão, carcaças de britadores, matrizes para forjar a quente, cilindros hidráulicos, etc.
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SENAI - 2009 34
Especificações ASTM de ferro fundido nodular
Classe Limite de
resist. a tração min. Kg/mm2
Limite de escoamento
min. Kg/mm2
Alongamento min. Em 2”
% Condição Aplicações
ASTM-A 339-55
80-60-03 56 42 3 Fundido Uso geral
60-45-10 42 31,5 10 Geralmente recozido Uso geral
ASTM-A 396-58
120-90-02 84 63 2 Tratado termicamente
Para elevada resistência mecânica
100-70-03 70 49 3 Idem Idem
ASTM-A 395-56T
60-45-15
60-40-18
42
42
31,5
28
15
18
Recozido
Recozido
Equipamento pressurizado a temperaturas elevadas
Os números indicativos das classes referem-se aos valores:
• Do limite de resistência a tração (em milhares de libras por polegada quadrada);
• Do limite de escoamento (em milhares de libras por polegada quadrada);
• Do alongamento em porcentagem de um corpo de prova de 2”.
Denominação de ferro fundido segundo norma DIN 17006
GG – Ferro fundido cinzento
Exemplo:
GG-18 Ferro fundido cinzento com resistência a tração de 180N/mm2
GGK Ferro fundido cinzento em coquilha
GGZ Ferro fundido cinzento centrifugado
GH – Ferro fundido duro
Exemplo:
GH-25 Ferro fundido com uma camada de ferro fundido branco de 25mm e o núcleo com ferro
fundido cinzento
GH-95 Dureza shore de 95
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 35
Observação: numeração até 50 especifica a profundidade da camada
dura em milímetros. Numeração acima de 50 especifica a dureza shore.
GT – Ferro fundido maleável
Exemplo:
GTW-35 Ferro fundido maleável branco com resistência a tração de 340N/mm2
GTS-35 Ferro fundido maleável preto com resistência a tração de 330N/mm2
Ferro fundido com grafite lamelar Símbolo Resist. a tração N/mm2
Resist. a tração N/mm2
Densidade kg/dm3
Propriedades
GG-10
GG-20
100
200
-
350
7.2 Ferro fundido comum sem qualidade especial para uso geral.
GG-25
GG-35
GG-40
250
340
390
420
530
590
7.35 Ferro fundido de alta qualidade para peças altamente solicitadas como por exemplo cilindros, êmbolos.
Ferro fundido nodular Limite de alongamento
0,2%* N/mm2
Alongamen-to de ruptura ( l o = 5do)
% Usinabilidade Propriedades
GGG-40
GGG-50
GGG-60
GGG-70
400
500
600
700
250
320
380
440
15
7
3
2
Boa
Muito boa
Muito boa
boa
GGG tem propriedades semelhantes ao aço devido ao carbono em forma de grafite esferoidal.
Ferro fundido maleável Alongamento de ruptura
( l o = 3do) Aplicação
GTW-40
GTW-55
GTS-45
390
540
440
215
355
295
5
5
7
Peças de parede fina de fundição tenaz por exemplo rodas, chaves, conexões.
*O alongamento de 0,2% de comprimento inicial l o é o usado para limite de elasticidade de
materiais não dúcteis.
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SENAI - 2009 36
Questionário – Resumo
1. Quais as substâncias que normalmente vêm agrupadas com os minérios de ferro?
2. Defina ferro fundido?
3. Quais são os tipos de ferro fundido? Cite as suas propriedades gerais.
4. Especifique FC-40 – GG-30 – GTS-40 – GGG-60 – FE4212.
5. Como é feita a fundição em areia?
6. Quais os defeitos mais comuns em peças fundidas?
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 37
Aço
Objetivos
Ao final desta unidade o participante deverá:
Conhecer
Estar informado sobre:
• Processos de obtenção do aço.
Saber
Reproduzir conhecimentos sobre:
• Influência dos elementos de liga nas propriedades dos aços;
• Processo de refinação e enriquecimento do aço;
• Normalização conforme ABNT, SAE, AISI e DIN.
Ser capaz de
Aplicar conhecimentos para:
• Selecionar os aços em função de suas propriedades mecânicas;
• Interpretar normas de identificação dos aços.
Definição de aço
É uma liga de ferro e carbono que contém no máximo 2,0% de carbono, além de certos elementos
residuais resultantes dos processos de fabricação.
Obtenção do aço
O ferro gusa que sai do alto-forno tem alto teor de carbono (3 a 5%) e elevado teor de impurezas
como enxofre, fósforo, manganês e silício.
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 38
Para transformar o ferro gusa em aço, é necessário reduzir o seu teor de carbono (0 – 2,0%),
manganês, silício e eliminar, ao máximo, o seu teor de fósforo e enxofre. Para tanto, existem
vários processos.
Processo Bessemer e Thomas-
Bessemer
O conversor Bessemer tem um
revestimento de tijolos de sílica que não
pode ser utilizado com ferro gusa rico em
fósforo.
O conversor Thomas-Bessemer, por sua
vez, tem um revestimento de tijolos de
dolomita rica em cal adequada para
trabalhar com ferro gusa rico em fósforo.
Em ambos os processos, Bessemer ou
Thomas-Bessemer, reduz-se o teor de
carbono do ferro gusa pela injeção de ar
por orifícios que existem no fundo do
conversor.
O ferro gusa líquido procedente do
misturador é vertido no conversor em
posição horizontal, adicionando-se cal ou
dolomita.
Processo Bessemer e Thomas-Bessemer
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 39
Colocando-se o conversor na posição vertical, o ar enriquecido com oxigênio é soprado durante
dez a vinte minutos. Durante esse tempo o oxigênio reage com o carbono, e o silício, o manganês
e a cal reagem com o fósforo formando a escória.
A escória do conversor Thomas-Bessemer é moída e utilizada como adubo por possuir alto teor
de fósforo.
Produtos do conversor Bessemer e Thomas-Bessemer
• Aço ao carbono não-ligados.
Conversor a oxigênio (LD)
Nos conversores a oxigênio, é fabricada
mais de 50% da produção mundial de
aço. No Brasil, eles são também
amplamente utilizados.
A carga desse conversor é constituída de
ferro gusa líquido, sucata de ferro, minério
de ferro e aditivos (fundentes).
Com uma lança refrigerada com água,
injeta-se oxigênio puro a uma pressão de
4 a 12bar no conversor.
Processo conversor a oxigênio (LD)
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 40
A oxidação do carbono e dos acompanhantes do ferro libera grande quantidade de calor. Para
neutralizar essa elevada temperatura que prejudicaria o refratário, adiciona-se sucata ou minério
de ferro.
Pela adição de fundentes como a cal, os acompanhantes do ferro como o manganês, silício,
fósforo e enxofre unem-se formando a escória.
Para aumentar a qualidade do aço, adicionam-se os elementos de liga no final ou quando o aço
está sendo vertido na panela.
Os aços produzidos no LD não contêm nitrogênio pois não se injeta ar, daí a alta qualidade obtida.
Esse conversor oferece vantagens econômicas sobre os conversores Thomas-Bessemer e
Siemens-Martin.
Produtos do conversor a oxigênio (LD)
• Aços não-ligados
• Aços para cementação
• Aços de baixa liga
Conversor Siemens-Martin
O forno Siemens-Martin é um forno de câmara fixo. A carga do forno pode ser constituída de 70%
de sucata de aço e o resto de ferro gusa e fundentes (cal) para formar a escória.
Representação esquemática de um forno Siemens-Martin
A temperatura de fusão é de 18000C, que se consegue pela queima de gás ou óleo.
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 41
Os gases produzidos pela combustão saem do forno e passam, através de um empilhamento de
tijolos, pela parte inferior do forno (recuperador) onde cedem calor dirigindo-se depois para a
chaminé. A cada vinte minutos mais ou menos, o sentido dos gases é invertido de modo que o ar
passe pelo recuperador que está aquecido.
Produtos do conversor Siemens-Martin
• Aços carbono não-ligados
• Aços de baixa liga
• Aços-ferramenta que não exigem alta qualidade
Forno elétrico
Os aços finos, em particular os altamente ligados, são obtidos em fornos elétricos.
Com o aço vindo do conversor a oxigênio ou Siemens-Martin e mais sucata selecionada alimenta-
se o forno elétrico. Nesse forno, o aço é purificado e adicionam-se os elementos de liga
desejados. Como a geração de calor se dá por uma corrente elétrica, não existe nenhuma chama
de gás que desprenda enxofre.
Existem dois tipos de fornos elétricos para a produção de aço:
• Forno de arco voltaico
• Forno de indução
O forno de arco voltaico tem dois ou três eletrodos de carvão. Ao ligar, a corrente elétrica salta
em arco voltaico das barras de carvão passando pelo material a fundir. A temperatura obtida neste
processo é da ordem de 36000C, o que torna possível fundir elementos de liga como o tungstênio
(temperatura de fusão 33700C) ou molibdênio (temperatura de fusão 26000C).
Forno de arco voltaico
No forno de indução a corrente
alternada passa por uma bobina situada
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 42
ao redor de um cadinho, com isto se
induzem correntes parasitas no material a
fundir que aquecem o banho. Esse forno
é empregado para fabricação de aços
altamente ligados e de ferro fundido
nodular.
Forno de indução Solidificação do aço
Os aços produzidos nos conversores são colocados em panelas e destas panelas são vertidos em
moldes de fundição ou em lingoteiras onde se solidificam em forma de lingotes quadrados ou
redondos.
Esses lingotes serão transformados em produtos semi-acabados por meio de prensagem,
forjamento ou laminação em chapas, barras de perfil L, U, redondas, sextavadas, etc.
O aço líquido dentro do molde começa a se solidificar das paredes para o centro da peça. Com o
processo de solidificação, há a formação de gases devido a reações químicas, tais como
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 43
decomposição da água em hidrogênio e oxigênio, reação do carbono com o óxido de ferro
gerando ferro e gás carbônico.
As bolhas de gás ascendentes
originam um forte movimento do aço
que ainda está líquido, com isto os
gases, o fósforo, o enxofre, o silício
são deslocados para o interior do
bloco que irá se resfriar por último. A
esse processo chamamos
segregação.
Lingote com massalote
As acumulações de fósforo no aço produzem fragilidade (perigo de ruptura na conformação a frio).
As acumulações de enxofre no aço ocasionam fragilidade a quente (perigo de ruptura na
laminação ou no forjamento). Altos teores localizados de W, Ti, Mo produzem pontos duros que
podem ocasionar a ruptura das peças.
Aços fundidos acalmados
Para evitar o acúmulo de gases no interior do aço, são adicionados alumínio, silício ou manganês
ao se fundir ou vazar o aço. O oxigênio se une a esses elementos formando óxidos metálicos que
não podem ser reduzidos pelo carbono (equação → 2FeO + Si + 2Fe + SiO2). Obtém-se por meio
desse processo um aço acalmado.
O aço solidificado acalmado possui uma boa homogeneidade e , desta forma, diminui-se a
segregação. Os aços de qualidade são sempre acalmados, pois caso contrário o oxigênio oxidaria
os componentes da ligação.
Bolhas e cavidades em lingotes de aço
Tratamento a vácuo
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 44
Os gases absorvidos pelo aço líquido são prejudiciais, por isso aços ligados de alta qualidade
devem ser desgaseificados.
Os óxidos (de ferro ou elementos de liga) tornam o aço quebradiço; o nitrogênio produz
envelhecimento; o hidrogênio produz fortes tensões e pequenas trincas entre os cristais.
Para desgaseificar o aço líquido se emprega o tratamento a vácuo. A figura seguinte mostra dois
tipos desse tratamento.
Tratamento a vácuo
Os aços que passam por esse processo apresentam maior grau de pureza, o que resulta em
maior tenacidade e melhor resistência à fadiga.
Refusão elétrica sob escória
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SENAI - 2009 45
Por esse processo, um bloco de aço ligado fundido em forno elétrico se torna um eletrodo e goteja
através de uma escória, desembocando em uma coquilha de cobre refrigerada por água. A escória
faz a vez de uma resistência elétrica, gerando calor necessário para a fusão, ao ser percorrida
pela corrente elétrica.
Nessa escória, são retidas ao mesmo tempo as substâncias não desejadas e os gases dissolvidos
no aço.
Por esse processo, obtêm-se blocos (tarugos) de aço altamente ligados com uma textura uniforme
sem segregação ou inclusões.
Influência dos elementos de liga nos aços
Devido às necessidades industriais, a pesquisa e a experiência possibilitaram à descoberta de
aços especiais, mediante a adição e a dosagem de certos elementos no aço carbono.
Conseguiram-se assim aços-liga com características como resistência a tração e a corrosão,
elasticidade, dureza, etc. bem melhores do que as dos aços ao carbono comuns.
Influência dos elementos de liga nas propriedades do aço
Elemento Eleva Abaixa
Não
-
met
ais
Carbono C Resistência, dureza, temperabilidade Ponto de fusão, tenacidade, alongamento, soldabilidade e forjabilidade
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 46
Silício Si Elasticidade, resistência a tração, profundidade de têmpera, dureza a quente, resistência a corrosão,
separação da grafite no ferro fundido
Soldabilidade
Fósforo P Fluidez, fragilidade a frio, resistência a quente Alongamento, resistência a choque
Enxofre S Quebra de cavaco, viscosidade Resistência a choque
Manganês Mn Profundidade de têmpera, resistência a tração, resistência a choque, resistência a desgaste
Facilidade de ser transformado (laminado, trefilado); separação
da grafite no ferro fundido
Níquel Ni Tenacidade, resistência a tração, resistência a corrosão, resistência elétrica, resistência a quente,
profundidade de têmpera
Dilatação térmica
Cromo Cr Dureza, resistência a tração, resistência a quente,
temperatura de têmpera, resistência a frio, resistência a desgaste, resistência a corrosão
Alongamento (em grau reduzido)
Vanádio V Resistência a fadiga, dureza, tenacidade, resistência a
quente
Sensibilidade ao aparecimento de
trincas por aquecimentos sucessivos
Molibdênio Mo Dureza, resistência a quente, resistência a fadiga Alongamento, forjabilidade
Cobalto Co Dureza, capacidade de corte, resistência a quente Tenacidade, sensibilidade ao aparecimento de trincas por
aquecimentos sucessivos
Met
ais
Tungstênio W Dureza, resistência a tração, resistência a corrosão,
temperatura de têmpera, resistência a quente, resistência a desgaste
Alongamento (em grau reduzido)
Classificação dos aços
Podemos classificar os aços segundo a sua aplicação em:
• Aços de construção em geral
• Aços para tornos automáticos
• Aços para cementação
• Aços para beneficiamento
• Aços para nitretação
• Aços inoxidáveis
• Aços para ferramentas
- para trabalho a frio
- para trabalho a quente
- aços rápidos
Aços de construção em geral
Os aços de construção em geral são aços básicos não-ligados que são selecionados pela sua
resistência a tração e pelo seu limite de elasticidade, ou são aços não-ligados de qualidade que
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 47
devem satisfazer a exigências tais como forjabilidade e soldabilidade. Nesse último caso, são
controlados os teores de carbono, fósforo e enxofre.
As aplicações comuns desses aços são em construção de edifícios, pontes, depósitos,
automóveis e máquinas.
Norma DIN
Aços para torno automático
São aços de qualidade não-ligados ou de baixa liga utilizados na fabricação de peças em tornos
automáticos e devem desprender cavacos quebradiços e curtos.
Esta propriedade (cavaco curto) obtém-se mediante um teor conveniente de enxofre. Os aços
para tornos automáticos contêm: 0,07 a 0,65% de carbono, 0,18 a 0,4% de enxofre, 0,6 a 1,5% de
manganês, 0,05 a 0,4% de silício e, quando se pede uma melhor fragilidade do cavaco e
superfícies lisas, o aço deve conter, além dos elementos já citados, 0,15 a 0,3% de chumbo.
Exemplos:
10 S 20
11 S Mn 28
11 S Mn Pb 28
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 48
35 S 20
Aços para cementação
São aços com baixo teor de carbono (0,1 a 0,2%) que, por meio de um tratamento termoquímico,
sofrem uma elevação de seu teor de carbono na superfície da peça a fim de aumentar a dureza
superficial conservando o núcleo tenaz para resistir a choques.
Trata-se de aços de qualidade não-ligados, aços finos ou aços finos ligados.
Na superfície da peça endurecida por cementação alcança-se uma dureza de 59 HRC.
Exemplos:
C 10
CK 10
16 Mn Cr 5
17 Cr Ni Mo 6
Aços para beneficiamento
São aços que, por meio de um tratamento térmico de beneficiamento (têmpera mais revenimento),
consegue-se um aumento de resistência, dureza e tenacidade.
Os aços para beneficiamento não-ligados possuem um teor de carbono acima de 0,3% e só se
pode beneficiar uma camada delgada. Quando se deseja beneficiar uma camada mais espessa,
empregam-se aços para beneficiamento ligados.
As aplicações comuns desses aços são em: eixos, parafusos, engrenagens, molas.
Exemplos:
C 30
CK 60
42 Cr Mo 4
Aços para nitretação
São aços que, pela introdução de nitrogênio por meio de tratamento termoquímico, aumenta-se a
dureza superficial das peças (até 67 HRC).
Esses aços contêm cromo, molibdênio e alumínio que favorecem a absorção do nitrogênio.
As aplicações comuns desses aços são em: engrenagens, matrizes de trabalho a quente.
Exemplos:
31 Cr Mo 12
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 49
34 Cr A l Ni 7
Aços inoxidáveis
São aços que possuem um teor mínimo de 12% de cromo e se caracterizam pela sua grande
estabilidade frente a substâncias agressivas (água, ar, gases, ácidos e bases).
As aplicações comuns desses aços são na indústria química e na de alimentos e em aparelhos
cirúrgicos, talheres, etc.
Exemplos:
X 3 Cr Ni 18 10
X 10 Cr Ni Mo Ti 18 12
X 5 Cr Ni 18 9
Aços para ferramentas
São os que se empregam para trabalhar outros materiais com ou sem a remoção de cavacos. São
subdivididos em:
• Aços para trabalho a frio
• Aços para trabalho a quente
• Aços rápidos
Aços para trabalho a frio
Destinam-se à fabricação de ferramentas utilizadas no processamento a frio de aço, ferro fundido
e metais não-ferrosos.
As principais propriedades destes aços são:
• Alta resistência a abrasão
• Elevada resistência de corte
• Alta tenacidade
• Alta resistência a choque
• Grande estabilidade dimensional
As aplicações comuns desses aços são em facas e punções de corte, estampos de dobramento,
estampagem, cunhagem, matrizes, trefilação, etc.
Exemplos:
X 210 Cr 12
X 210 Cr W 12
X 155 Cr V Mo 12 1
Aços para trabalho a quente
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 50
São aços que se destinam à fabricação de ferramentas utilizadas no processamento a quente de
materiais.
Suas principais características são alta resistência a revenimento, elevada resistência mecânica a
quente, boa tenacidade, grande resistência a abrasão em temperaturas elevadas, boa
condutividade térmica, elevada resistência a fadiga e boa resistência à formação de trincas
provocadas por aquecimento e resfriamentos sucessivos.
As aplicações comuns desses aços são em matrizes de forjamento, matrizes para fundição de
latão ou alumínio sob pressão, matrizes para extrusão a quente, etc.
Exemplos:
X 37 Cr Mo W 5 1
X 40 Cr Mo V 5 1
50 Ni Cr 13
Aços rápidos
São aços onde os elementos de liga formam carbonetos complexos que são duros e resistentes
ao desgaste e a altas temperaturas.
Norma DIN
A seqüência dos componentes é sempre a mesma: W – Mo – V – Co
Exemplo:
S - 6 - 5 - 2
- 5
↓↓↓↓ ↓↓↓↓ ↓↓↓↓ ↓↓↓↓
↓↓↓↓
aço rápido 6% W 5% Mo 2% V 5% Co
São assim designados pela sua capacidade de usinar metais com velocidade de corte maiores do
que as possíveis com aços ferramenta ao carbono.
As aplicações comuns desses aços são em: bits, fresas, brocas especiais, machos, brochas.
Normas
ABNT – SAE – AISI
A ABNT se baseou nos sistemas americanos SAE e AISI, resultando a norma NBR 6006.
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 51
Aço é a liga composta de ferro (Fe) e carbono (C). Contém, ainda, pequenas porcentagens de
manganês (Mn), silício (Si), enxofre (S) e fósforo (P), que são considerados elementos residuais
do processo de obtenção.
O elemento que exerce maior influência é o carbono e o seu teor nos aços ao carbono varia de
0,008 a 2% C aproximadamente.
O aço é representado por um número como nos exemplos abaixo.
Exemplos:
Os aços mais usados industrialmente possuem teores de carbono que variam entre 0,1 a 0,95%C,
ou seja, aço 1010 a 1095. Acima de 0,95%C são considerados como aços ao carbono especiais.
Para fins de aplicações industriais e de tratamentos térmicos, os aços ao carbono classificam-se
em:
• Aços de baixo teor de carbono 1010 a 1035
• Aços de médio teor de carbono 1040 a 1065
• Aços de alto teor de carbono 1070 a 1095
A tabela seguinte apresenta aços ao carbono para construção mecânica.
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 52
Classificação ABNT dos aços ao carbono Designação Carbono % Manganês %
1006 A
1008 A
1010 A
1015 A
1020 A
1025 A
1026 A
1030 A
1035 A
1038 A
1040 A
1041 A
1043 A
1045 A
1050 A
1060 A
1070 A
1080 A
1090 A
1095 A
0,08 max
0,10max
0,08 – 0,13
0,13 – 0,18
0,18 – 0,23
0,22 – 0,28
0,22 – 0,28
0,28 – 0,34
0,32 – 0,38
0,35 – 0,42
0,37 – 0,44
0,36 – 0,44
0,40 – 0,47
0,43 – 0,50
0,47 – 0,55
0,55 – 0,66
0,65 – 0,76
0,75 – 0,88
0,85 – 0,98
0,90 – 1,03
0,25 – 0,40
0,25 – 0,50
0,30 – 0,60
0,30 – 0,60
0,30 – 0,60
0,30 – 0,60
0,60 – 0,90
0,60 – 0,90
0,60 – 0,90
0,60 – 0,90
0,60 – 0,90
1,35 – 1,65
0,70 – 1,00
0,60 – 0,90
0,70 – 1,00
0,60 – 0,90
0,60 – 0,90
0,60 – 0,90
0,60 – 0,90
0,30 – 0,50
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 53
A tabela seguinte apresenta a classificação dos aços-liga, segundo ABNT.
Classificação ABNT dos aços-liga
Designação C % Mn % Si % Cr % Ni % Mo %
1340
4130
4135
4140
4320
4340
5115
5120
5130
5135
5140
5160
E52100
6150
8615
8620
8630
8640
8645
8650
8660
E9315
0,38 – 0,43
0,28 – 0,33
0,33 – 0,38
0,38 – 0,43
0,17 – 0,22
0,38 – 0,43
0,13 – 0,18
0,17 – 0,22
0,28 – 0,33
0,33 – 0,38
0,38 – 0,43
0,55 – 0,65
0,95 – 1,00
0,48 – 0,53
0,13 – 0,18
0,18 – 0,23
0,28 – 0,33
0,38 – 0,43
0,43 – 0,48
0,40 – 0,53
0,55 – 0,65
0,13 – 0,18
1,60 – 1,90
0,40 – 0,60
0,70 – 0,90
0,75 – 1,00
0,45 – 0,65
0,60 – 0,80
0,70 – 0,90
0,70 – 0,90
0,70 – 0,90
0,60 – 0,80
0,70 – 0,90
0,75 – 1,00
0,25 – 0,45
0,70 – 0,90
0,70 – 0,90
0,70 – 0,90
0,70 – 0,90
0,75 – 1,00
0,75 – 1,00
0,75 – 1,00
0,75 – 1,00
0,45 – 0,65
0,20 – 0,35
0,20 – 0,35
0,20 – 0,35
0,20 – 0,35
0,20 – 0,35
0,20 – 0,35
0,20 – 0,35
0,20 – 0,35
0,20 – 0,35
0,20 – 0,35
0,20 – 0,35
0,20 – 0,35
0,20 – 0,35
0,20 – 0,35
0,20 – 0,35
0,20 – 0,35
0,20 – 0,35
0,20 – 0,35
0,20 – 0,35
0,20 – 0,35
0,20 – 0,35
0,20 – 0,35
0,80 – 1,10
0,80 – 1,10
0,80 – 1,10
0,40 – 0,60
0,70 – 0,90
0,70 – 0,90
0,70 – 0,90
0,80 – 1,10
0,80 – 1,05
0,70 – 0,90
0,70 – 0,90
1,30 – 1,60
0,80 – 1,10
0,40 – 0,60
0,40 – 0,60
0,40 – 0,60
0,40 – 0,60
0,40 – 0,60
0,40 – 0,60
0,40 – 0,60
1,00 – 1,40
-
-
-
1,65 – 2,00
1,65 – 2,00
-
-
-
-
-
-
-
-
0,40 – 0,70
0,40 – 0,70
0,40 – 0,70
0,40 – 0,70
0,40 – 0,70
0,40 – 0,70
0,40 – 0,70
3,00 – 3,50
0,15 – 0,25
0,15 – 0,25
0,15 – 0,25
0,20 – 0,30
0,20 – 0,30
-
-
-
-
-
-
-
0,15 – 0,25
0,15 – 0,25
0,15 – 0,25
0,15 – 0,25
0,15 – 0,25
0,15 – 0,25
0,15 – 0,25
0,08 – 0,15 O tipo 6150 tem 0,15% de vanádio
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SENAI - 2009 54
A tabela seguinte apresenta as classes de aços com suas respectivas composições segundo
normas SAE – AISI – ABNT
Sistema SAE e AISI de classificação dos aços
Designação
SAE AISI Tipo de aço
10XX
11XX
13XX
23XX
25XX
31XX
33XX
303XX
40XX
41XX
43XX
46XX
47XX
48XX
50XX
51XX
501XX
511XX
521XX
514XX
515XX
61XX
86XX
87XX
92XX
93XX
98XX
950
XXBXX
XXLXX
C 10XX
C 11XX
13XX
23XX
25XX
31XX
E 33XX
-
40XX
41XX
43XX
46XX
47XX
48XX
50XX
51XX
-
E511XX
E521XX
-
-
61XX
86XX
87XX
92XX
93XX
98XX
-
XXBXX
CXXLXX
Aços-carbono comuns
Aços de usinagem (ou corte) fácil, com alto S
Aços-manganês com 1,75% de Mn
Aços-níquel com 3,5% de Ni
Aços-níquel com 5,0% de Ni
Aços-níquel-cromo com 1,25% de Ni e 0,65% de Cr
Aços-níquel-cromo com 3,50% de Ni e 1,57% de Cr
Aços resistentes à corrosão e ao calor ao Ni-Cr
Aços-molibdênio com 0,25% de Mo
Aços-cromo-molibdênio com 0,50% ou 0,95% de Cr e 0,12%, 0,20% ou 0,25% de Mo
Aços-níquel-cromo-molibdênio, com 1,82% de Ni, 0,50% ou 0,80% de Cr e 0,25% de Mo
Aços-níquel-molibdênio com 1,57% ou 1,82% de Ni e 0,20 ou 0,25 de Mo
Aços-níquel-cromo-molibdênio com 1,05% de Ni, 0,45% de Cr e 0,20% de Mo
Aços-níquel-molibdênio com 3,50% de Ni e 0,25% de Mo
Aços-cromo com 0,27%, 0,40% ou 0,50% de Cr
Aços-cromo com 0,80% a 1,05% de Cr
Aços de baixo cromo para rolamentos, com 0,50% de Cr
Aços de médio cromo para rolamentos, com 1,02% de Cr
Aços de alto cromo para rolamentos, com 1,45% de Cr
Aços resistentes à corrosão e ao calor ao Cr
Aços resistentes à corrosão e ao calor ao Cr
Aços-cromo-vanádio com 0,80% ou 0,95% de Cr e 0,10% ou 0,15% de V (min.)
Aços-níquel-cromo-molibdênio com 0,55% de Ni, 0,50% ou 0,65% de Cr e 0,20% de Mo
Aços-níquel-cromo-molibdênio com 0,55% de Ni, 0,50% de Cr e 0,25% de Mo
Aços-silício-manganês com 0,65%, 0,82%, 0,85% ou 0,87% de Mn, 1,40 ou 2,00% de Si e 0%,
0,17%, 0,32% ou 0,65% de Cr
Aços-níquel-cromo-molibdênio com 3,25% de Ni, 1,20% de Cr e 0,12% de Mo
Aços-níquel-cromo-molibdênio com 1,00% de Ni, 0,80% de Cr e 0,25% de Mo
Aços de baixo teor em liga e alta resistência
Aços-boro com 0,0005% de B min.
Aços-chumbo com 0,15% - 0,35% de Pb
Exemplo de utilização da tabela
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SENAI - 2009 55
Observações:
Letras adicionais na nomenclatura do aço têm os seguintes significados:
B... Aço obtido pelo processo Bessemer.
C... Aço obtido em forno Siemens-Martin.
E... Aço obtido em forno elétrico.
X... Análise fora da norma.
TS... Norma estabelecida para prova.
..B.. Aço contendo, no mínimo, 0,0005% boro.
LC.. Aço com baixo teor de carbono C máx de 0,03%C.
F... Aço de cavaco curto para tornos automáticos.
..L.. Indica presença de chumbo (0,15% a 0,35% Pb).
Exemplos:
B 1 1 1 3
C 1 1 4 5
E 3 3 1 0
46 B 12
12 L 14
Normalização dos aços conforme norma DIN 17006
A norma DIN 17006 divide os aços em três tipos:
• Aço sem ligas
• Aço com baixa liga (elementos de ligas 5%)
• Aço com alta liga (elementos de ligas 5%)
Designação e normalização dos aços sem ligas
Aços de baixa qualidade – são tipos de aços de baixa pureza, sem ligas e que não podem ser
tratados termicamente. São designados através das letras St (aço) e da resistência mínima a
ruptura.
Aços ao carbono – têm melhor pureza, podem ser tratados termicamente.
São designados através da letra C (carbono) e da porcentagem do carbono.
Para caracterizar a diferença dos aços finos não-ligados, além da letra C colocam-se letras com
os seguintes significados:
K -Aço fino com teor de enxofre mais fósforo menor do que 0,01%
f -Aço para têmpera a chama e por indução
q -Aço para cementação e beneficiamento, adequado para deformação a frio.
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SENAI - 2009 56
Normalização
Aços de baixa qualidade
Exercício:
Aços ao carbono
Exercício:
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 57
Designação e normalização dos aços com baixa liga
São aços que possuem no máximo até 5% de teor de ligas.
Para designar o teor dos elementos de liga, os números na norma devem ser divididos pelos
fatores correspondentes ao elemento químico. Os fatores são apresentados na tabela a seguir.
Fatores para elementos de liga
Fator 4 Fator 10 Fator 100
Cobalto Co
Cr
Mn
Ni
Si
Tungstênio W
Alumínio Al
Mo
Ti
Vanádio V
Carbono C
P
S
N
A norma se compõe dos seguintes elementos:
• Não se coloca a letra C para o carbono.
• As outras letras definem os elementos de liga.
• Os números divididos pelos fatores definem o teor dos elementos e são colocados na mesma
seqüência, como as letras.
Aços com baixa liga
Exercício:
16 Mn Cr 5
17 Cr Ni Mo 6
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SENAI - 2009 58
Designação e normalização dos aços com alta liga
São aços com um teor de liga acima de 5%.
Para designá-los, coloca-se um X em frente do teor de carbono.
Todos os elementos, exceto o carbono, têm o fator 1, ou seja, os números apresentam o valor de
teor real.
Aços rápidos para ferramentas são designados da seguinte forma:
S 6 – 5 – 2 – 5
Coloca-se S (aço rápido) no início e os teores das ligas.
O teor de carbono só pode ser determinado através da especificação do produtor.
Aços com alta liga
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SENAI - 2009 59
Designação completa segundo a norma DIN
A normalização compõe-se de três partes:
Obtenção
Composição
Tratamento
Exemplo:
E C35 V70
Forno elétrico Aço de carbono de 0,35% de C
Beneficiado até uma resistência de 700N/mm2
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SENAI - 2009 60
Significado das letras (continua)
Da obtenção Da composição Do tratamento
A – resistente ao
envelhecimento
Ag – prata
Al – alumínio
As – arsênico
A – recozido
B – forno Bessemer B – boro
Be – berílio
Bi – bismuto
B – não se pode melhorar as
características mecânicas
por trabalho a frio
C C – carbono
Ce – cério
Co – cobalto
Cr – cromo
Cu – cobre
E – forno elétrico
EB – forno elétrico básico
E E – endurecido por
cementação
F – forno de reverbero Fe – ferro
F – temperado com chama
ou por indução
F – resistência a tração em
kp/mm2
G – fundido
GG – ferro fundido com
grafite em lâminas
GGG – ferro fundido com
grafite em bolas
(nodular)
GH – ferro fundido duro
GS – aço fundido
GTW – fundido maleável
branco
GTS – fundido maleável preto
GTP – fundido maleável
perlítico
GGK – fundido em coquilha
GSZ – aço fundido
centrifugado
G G – recozido
g – liso
H – fundido semi-acalmado H – chapas sem liga para
caldeiras
H – temperado
HF – temperado por chama
HJ – temperado por indução
J – forno elétrico de indução J J
K K – baixo teor de fósforo e
enxofre
K – deformado a frio
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SENAI - 2009 61
Da obtenção Da composição Do tratamento
L – metal para solda ou
resistente a formação de
trincas em solução
alcalina
LE – forno elétrico de arco
Li – lítio L
M – forno Siemens-Martin
MB – forno Siemens-Martin
básico
MY – forno Siemens-Martin
ácido
Mg – magnésio
Mn – manganês
Mo - molibdênio
m – superfície fosca
N N – nitrogênio
Nb – nióbio
Ni – níquel
N – normalizado
NT – nitretato
P – soldável por pressão P – fósforo
Pb – chumbo
P
Q – deformado a frio q – indicada para deformação
a frio
Q
R – acalmado
RR – especialmente acalmado
R r – superfície áspera
S – soldável por fusão S – enxofre
Sb – antimônio
Si – silício
Sn – estanho
St – aço sem dados químicos
S – recozido
SH – descascado
T – forno Thomas Ta – tântalo
Ti – titânio
T
U – fundido sem acalmar U U – superfície laminada ou
forjada
V V – vanádio V – beneficiada
W – aço afinado com ar W – tungstênio W – aço para ferramentas sem
liga
X X – em aços de alta liga
multiplicar por 1
X
Y – aço soprado com oxigênio
forno LD
Y Y
Z – trefilado em barras Zn – zinco
Zr - zircônio
Z
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SENAI - 2009 62
A figura seguinte ilustra os principais meios de obter ferro fundido e aço.
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 63
Questionário-Resumo
1. Qual a definição de aço?
2. Qual a classe, porcentagem de elementos de liga do aço ABNT 1045?
3. Quais os efeitos conseguidos com os aços-liga ou especiais?
4. Qual a identificação numérica dos aços ao molibdênio?
5. Qual a classe, porcentagem de elementos de liga e porcentagem de carbono do aço AISI –
2515?
6. Quais os elementos de liga e suas respectivas porcentagens do aço ABNT 8615?
7. Qual o tipo de aço segundo as normas SAE521XX e AISI E521XX?
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 64
8. O que especifica a norma DIN 17006?
9. Qual o teor dos elementos de liga dos aços 17CrNiMo6, X5CrNiMo1813 e S12-1-4-5?
10. Na designação GTS70, qual o material e de quanto é sua resistência a ruptura?
11. Qual a forma de obtenção, composição e tratamento posterior do aço GS17CrMoV 5 11 N
segundo a norma DIN 17006?
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SENAI - 2009 65
Comportamento das ligas em função da temperatura e
composição
Objetivos
Ao final desta unidade, o participante deverá:
Conhecer
Estar informado sobre:
• Tipos das ligas metálicas com cristais mistos, mistura de cristais e combinações
intercristalinas.
Saber
Reproduzir conhecimentos sobre:
• Curvas características da liquefação e solidificação de metais puros;
• Pontos críticos de transformação (sólido, líquido , ponto de parada);
• Curvas características de liquefação e solidificação de ligas típicas em função da composição
no diagrama Cu-Ni e Sn-Pb;
• Influência dos elementos de liga no tempo de transformação.
Ser capaz de
Aplicar conhecimentos para:
• Interpretar diagramas para ligas com dois componentes;
• Transferir conhecimentos na interpretação do diagrama ferro-carbono.
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SENAI - 2009 66
Introdução à liquefação e solidificação dos metais
Toda matéria possui três estados físicos: sólido, líquido e gasoso. Fundamentalmente o que
diferencia um estado do outro é o grau de agregação dos átomos. O sólido é um estado no qual
os átomos estão fortemente ligados, já no estado líquido essa ligação não é tão forte e, no estado
gasoso, essa ligação não existe.
A mudança de estados da matéria ocorre com ganho ou perda de energia (calor).
Para o estudo dos metais, o estado gasoso é pouco importante, portanto, trataremos apenas das
fases sólida e líquida.
Ao fornecermos calor a um material sólido, sua fusão ocorre em duas fases bem distintas:
• Ao receber energia, os átomos aumentam sua vibração. Isso se traduz fisicamente em um
aumento de temperatura do corpo, até o ponto de sua temperatura de fusão. Nesta altura os
átomos ainda estão fortemente ligados.
• Uma vez atingido o ponto de fusão, inicia-se o enfraquecimento das ligações entre os átomos.
Isso ocorre através do calor fornecido ao material.
O calor não mais servirá para aumentar as vibrações dos átomos, mas sim para enfraquecer as
suas ligações, não haverá aumento em sua temperatura até que todas as ligações sejam
enfraquecidas, tornando-se líquido o material.
Ao calor necessário para aumentar o estado de vibração dos átomos (aumentar a temperatura)
chamamos de calor sensível.
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 67
Já o calor necessário para enfraquecer (ou destruir completamente, no caso de vaporização) as
ligações atômicas é chamado calor latente.
Vamos usar o zinco para exemplificar esse processo.
No diagrama seguinte, coloca-se na coordenada vertical a temperatura (em 0C) e na coordenada
horizontal, o tempo (em segundos).
Liquefação e solidificação do Zn
No aquecimento contínuo, a temperatura aumenta em função do tempo. Quando chegar ao ponto
de sólido (4190C), o metal começa a se liquefazer. Apesar da mesma quantidade de calor
recebida, a temperatura permanece constante, isso porque todo o calor é gasto pela mudança do
estado de agregação. Esta zona horizontal é chamada ponto de parada.
A temperatura voltará a aumentar somente quando todo o metal estiver liquefeito.
Embaixo do ponto sólido, o estado de agregação é sólido, acima do ponto de líquido, passa a ser
líquido.
Na zona dos pontos de parada, o estado de agregação é líquido ou sólido.
No processo de resfriamento a seqüência ocorre na ordem inversa.
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 68
Ligas metálicas
Antes de falarmos sobre ligas metálicas, é importante definir o que vem a ser uma solução sólida.
Dá-se o nome de solução a uma mistura na qual não se consegue distinguir os seus diversos
componentes.
Cada um dos componentes possíveis de serem distinguidos será chamado fase.
Uma solução que se encontra em estado sólido é chamada solução sólida.
Esquema de estrutura bifásica.
Uma fase é ferro puro (ferrita)
e a outra cementita.
Exemplo: nos aços temos uma solução sólida de Fe e C. Essa solução é chamada cementita.
- Ligas metálicas são misturas, em solução, de dois ou mais metais:
Exemplo: Cu – Ni
Cu – Zn (latão)
Cu – Sn (bronze)
Fe – C (aço)
Praticamente, todos os metais utilizados na indústria não são puros, mas sim ligas de uma ou
mais fases.
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 69
Composição de ligas metálicas
Os diferentes elementos que compõem uma liga metálica são chamados componentes. Observe
os exemplos seguintes.
Liquefação e solidificação da ligas
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 70
Solução sólida ou cristal misto
No processo de solidificação de uma liga de dois metais, que formam cristais mistos, a
transformação do estado líquido para o estado sólido não se faz no ponto de parada, mas durante
um intervalo de solidificação.
No ponto líquido começam a se
formar os primeiros cristais mistos. A
formação e o crescimento desses
cristais continuam até o ponto sólido.
Em temperaturas abaixo do ponto
sólido, a liga está totalmente no
estado sólido.
Os componentes de uma liga têm diferentes pontos líquidos e necessitam de diferentes
quantidades de calor para a sua solidificação, portanto se variarmos as porcentagens dos
elementos de ligas, variarão as temperaturas dos pontos líquidos e dos pontos sólidos.
Unindo todas as temperaturas de ponto líquido e todas as temperaturas de ponto sólido, obtemos
o diagrama de fases.
Desenvolvimento de um diagrama de fases para uma liga Cu – Ni (cristais mistos)
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 71
Interpretação do diagrama de fases
Exemplo: para uma liga de 20% Ni e 80% Cu.
• A linha horizontal mostra a composição (em %). Quando temos 20% Ni, automaticamente
teremos 80% Cu.
• Para cada composição temos uma temperatura inicial e uma final de solidificação.
• Para a liga com 80% Cu – 20% Ni, a solidificação inicia-se no ponto B e termina no ponto D,
abaixo do qual a liga está totalmente sólida.
• Acima do ponto B a liga está totalmente líquida.
• Para cada composição, temos então dois pontos que geram duas linhas, dividindo o diagrama
em três partes.
• Para resfriamento, a linha chamada líquidus indica, para cada composição, a temperatura em
que se inicia a solidificação e a sólidus, onde termina.
• Cada região do diagrama indica fases. Acima da linha líquidus, fase totalmente líquida, abaixo
da linha sólidus – fase totalmente sólida, e, entre as duas, temos o intervalo de solidificação,
onde estão presentes duas fases, sólida e líquida.
• Seguindo a linha ABCDE (figura anterior), traçada no diagrama, teremos para a liga 80 Cu –
20 Ni o que está descrito na tabela a seguir.
Ponto No
de fases
presentes
Tipo da fase Interpretação
da liga
A 1 líquida totalmente líquido
B 1 líquida inicia-se solidificação
C 2 líquida e sólida líquido – sólido
D 1 sólida final de solidificação
E 1 sólida totalmente sólido
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SENAI - 2009 72
Mistura de cristais
No processo de solidificação de uma
liga de dois elementos que formam
uma mistura de cristais, temos uma
concentração definida, onde a curva de
resfriamento dessa mistura é igual à
curva de resfriamento de um metal
puro.
Curva de resfriamento do eutético
A liga com essa concentração tem o ponto líquido mais baixo que todas as outras concentrações e
é chamada de liga eutética.
Componentes Temperatura de fusão Temperatura de fusão do eutético
Ferro fundido Ferro 96%
Carbono 4%
15350C
38400C
12000C
Solda prata Cobre 55%
Prata 45%
10830C
9610C
6200C
Alumínio fundido
por pressão
Alumínio 88%
Silício 12%
6600C
14140C
5770C
Chumbo duro Chumbo 87%
Antimônio 13%
3270C
6300C
2510C
Na solidificação de uma liga que tem composição diferente da composição eutética, o elemento
que está em maior proporção que a liga eutética começa a se solidificar até que a fase líquida
atinja a composição eutética, ocorre então a solidificação da fase eutética em uma única
temperatura.
Curva de resfriamento de concentração diferente do eutético
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SENAI - 2009 73
Diagrama de fases de um sistema que forma mistura de cristais
Na figura abaixo vemos o diagrama de fases Pb – Sn que forma uma mistura de cristais.
A forma de obter este diagrama é análoga à do diagrama de fases de cristais mistos vista na
figura “Desenvolvimento de um diagrama de fases para uma liga Cu-Ni (cristais mistos)”.
Combinações intermetálicas
A curva de resfriamento de uma combinação intermetálica corresponde à curva de um metal puro
e será estudada no diagrama Fe-C, na unidade 5.
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SENAI - 2009 74
Questionário – Resumo
1. Comente o diagrama de liquefação e solidificação do Zn, considerando: T(C), t(s), ponto de
sólido, ponto de parada, ponto de líquido, curvas (resfriar e aquecer).
2. Explique por que no ponto de parada a temperatura é constante em um intervalo de tempo
definido.
3. Descreva um processo de solidificação de uma liga de dois metais que formam cristais mistos.
4. Consulte o diagrama de fases para uma liga Cu – Ni (cristais mistos) e diga em quais
porcentagens de Cu – Ni o intervalo de solidificação é maior.
5. O que é uma liga?
6. Explique os tipos de ligas e cite exemplos.
7. Defina o que significa eutético, usando o diagrama de fases para o sistema Sn – Pb.
8. Consulte a tabela de ligas eutéticas e cite os componentes, a temperatura de fusão e a
temperatura eutética.
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SENAI - 2009 75
Diagrama ferro-carbono
Objetivos
Ao final desta unidade, o participante deverá:
Conhecer
Estar informado sobre:
• Diagrama de resfriamento do ferro puro;
• Pontos característicos de temperatura, transformações e estrutura das fases.
Saber
Reproduzir conhecimentos sobre:
• Transformações estruturais das ligas ferro-carbono na solidificação;
• Diagrama ferro-carbono para aço com as variáveis: carbono, temperatura, linhas e zonas;
• Componentes estruturais nas zonas do diagrama ferro-carbono para aço;
• Classificação dos aços em função da porcentagem de carbono (eutetóide, hipo e
hipereutetóide).
Ser capaz de
• Descrever e interpretar o diagrama ferro-carbono simplificado;
• Determinar as zonas e temperaturas de transformação, sistemas estruturais e constituintes
para aços com diferentes teores de carbono.
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SENAI - 2009 76
Liquefação e solidificação do ferro puro
Da mesma forma como foram apresentados os metais na unidade anterior, podemos apresentar a
curva de solidificação (liquefação) do ferro puro, como mostra o gráfico seguinte.
Solidificação do ferro puro
Existem quatro pontos de parada:
• A 1 5360C o ferro puro se solidifica em rede cúbica de corpo centrado (c.c.c.), chamada ferro δ
(delta) e assim permanece até 1 3920C.
• A 1 3920C o ferro muda de estrutura para a estrutura cúbica de face centrada (c.f.c.) chamada
ferro γ (gama) ou austenita.
• Abaixo de 9110C o ferro muda de estrutura novamente para a cúbica de corpo centrado (c.c.c.)
chamada ferro α (alfa).
• Abaixo de 7690C o ferro é magnético. Isso ocorre devido a um rearranjo dos elétrons de cada
átomo.
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SENAI - 2009 77
A distância entre os átomos na estrutura c.f.c. é maior do que na estrutura de c.c.c., portanto
nesse estado é mais fácil aceitar átomos estranhos, como por exemplo, átomos de carbono.
A esse fenômeno damos o nome de solubilidade no estado sólido.
O ferro puro raramente é usado, o mais comum é estar ligado com o carbono. Em função da
adição de carbono no ferro puro, as temperaturas de transformação irão se alterar conforme
veremos a seguir.
Diagrama ferro-carbono
O diagrama ferro-carbono pode ser dividido em três partes:
- de 0 a 0,05%C – ferro puro
- de 0,05 a 2,06%C – aço
- de 2,06 a 6,7%C – ferro fundido
Construção do diagrama ferro-carbono
O diagrama ferro-carbono é fundamental para facilitar a compreensão sobre o que ocorre na
têmpera, no recozimento e nos demais tratamentos térmicos.
Para melhor entendermos o diagrama completo, que será visto no fim da unidade, façamos uma
série de experiências com seis corpos de provas conforme tabela seguinte.
Corpo de prova Teor de carbono (%)
1 0,2
2 0,4
3 0,6
4 0,86
5 1,2
6 1,4
Aquecemos os corpos de prova com aplicação constante de calor e medimos em intervalos
regulares (cada cinco minutos) a temperatura dos corpos de prova. Já sabemos que a
característica da curva é semelhante à das outras ligas.
No corpo de prova no 1 com 0,2% de C, observamos que há uma variação na velocidade da
elevação da temperatura a 7230C (Ac1) e a 8600C (Ac3) – que chamamos de ponto de parada.
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SENAI - 2009 78
Determinando as temperaturas Ac1 e Ac3 ou Accm dos outros corpos de prova, conforme figuras
abaixo, poderemos construir parte do diagrama ferro-carbono simplificado, unindo todas as
temperaturas Ac1 e todas as temperaturas Ac3, conforme veremos no exercício a seguir.
Exercício
1. Com base na tabela abaixo, construa o diagrama Fe – C simplificado (figura abaixo):
• Coloque no gráfico todos os pontos de parada.
• Trace uma linha ligando todos os pontos Ac1.
• Trace outra linha ligando todos os pontos Ac3 e Accm.
Observação
O diagrama Fe – C completo pode ser visto na figura “Diagrama ferro-carbono completo”.
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SENAI - 2009 79
Pontos de parada dos corpos de prova
Temperatura
Corpo de prova Ac1 0C
Ac3 ou Accm 0C
1 723 AC3 = 860
2 723 AC3 = 820
3 723 AC3 = 775
4 723 ..........
5 723 ACcm = 890
6 723 ACcm = 990
Diagrama ferro-carbono (simplificado)
Estrutura do aço no resfriamento lento
O diagrama de fases encontrado na figura anterior corresponde ao diagrama de uma mistura de
cristais como já foi visto na unidade Comportamento das ligas em função da temperatura e
composição (diagrama de fases Pb – Sn) com a diferença que para o sistema Pb – Sn a
transformação era líquido-sólido e neste diagrama (Fe – C) ocorre uma transformação de
estrutura dentro do estado sólido.
A presença do carbono faz com que o ferro mude de estrutura cúbica de face centrada (austenita)
para cúbica de corpo centrado (ferrita) a uma temperatura diferente de 9110C.
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SENAI - 2009 80
Essa temperatura varia em função do teor de carbono no ferro e é representada no gráfico abaixo
pela linha G – S – E .
Acima da linha G – S – E há uma solução com uma única fase: o ferro γ + C = austenita.
Estrutura austenítica
Abaixo da linha G – S – E o ferro começa a mudar de estrutura, de cúbica de face centrada (ferro
γ) para cúbica de corpo centrado (ferro α).
Como o ferro α não consegue dissolver todo o carbono, forma-se uma segunda fase que é a
cementita (Fe3C) que contém 6,67% de C.
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Estrutura da cementita Fe3C
Abaixo da linha P – K, vamos ter uma solução sólida com duas fases – ferro α + cementita.
Agora vamos estudar novamente os corpos de prova.
Começamos com o corpo de prova nº 4 com 0,86% de carbono.
Aço eutetóide – 0,86% de C
Aço eutetóide
Este aço quando está acima de 7230C tem uma estrutura cúbica de face centrada (austenita) e
todo o carbono está dissolvido nela.
Abaixo de 7230C o ferro muda de estrutura para cúbica de corpo centrado (ferrita).
A ferrita não consegue dissolver o carbono e por isso forma-se uma estrutura mista constituída de
lâminas de ferrita (ferro puro) e lâminas de cementita (Fe3C). A essa estrutura dá-se o nome de
perlita.
Micrografia de um aço eutetóide mostrando a estrutura de perlita.
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O aço com 0,86% de carbono tem uma única temperatura de transformação e por isso ele é
chamado também de aço eutetóide.
A figura anterior mostra um aço eutetóide visto ao microscópio, observa-se que 100% da estrutura
é perlita.
Vamos agora estudar o corpo de prova no 3 com 0,6% de carbono.
Aço hipoeutetóide
O diagrama da figura abaixo
indica que acima da linha G – S o
aço apresenta-se com a estrutura
do ferro γ ou austenita.
Abaixo da linha G – S, tem início a transformação do ferro γ (austenita) em ferro α (ferrita).
Como a ferrita não contém carbono, a austenita que ainda não se transformou, vai se
enriquecendo de carbono.
Quando o aço atinge a temperatura de 7230C (linha P – S) a austenita que ainda não se
transformou, transforma-se em perlita.
Na figura abaixo observamos a estrutura de um aço hipoeutetóide (carbono entre 0,05% até
0,86%), constituído de ferrita (parte clara) e perlita (partes com lamelas).
Micrografia de um aço hipoeutetóide com estrutura de ferrita e perlita.
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SENAI - 2009 83
Agora vamos estudar o corpo de prova no 5 com 1,2% de carbono.
Aço hipereutetóide
Os aços com teor de carbono acima de 0,86% até 2,06% são denominados aços hipereutetóides.
O diagrama da figura ao lado
indica que acima da linha S – E
o aço apresenta-se com a
estrutura de ferro γ (austenita).
Abaixo da linha S – E, a austenita já não consegue dissolver todo o carbono e por isso começa a
se formar cementita (Fe3C) que contém 6,7% de carbono. Essa cementita vai se localizar nos
contornos dos grãos de austenita. A austenita por sua vez vai se empobrecendo de carbono.
Ao atingir 7230C no resfriamento, tem-se cementita (Fe3C) e austenita com 0,86%C. Ao abaixar
mais a temperatura, essa austenita se transforma em perlita (lamelas de ferrita + cementita).
Na figura seguinte vemos um aço hipereutetóide onde observamos a perlita e a cementita (parte
clara) nos contornos dos grãos.
Micrografia de um aço hipereutetóide com estrutura de perlita e cementita.
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SENAI - 2009 84
O diagrama de equilíbrio ferro-carbono
Na figura seguinte apresentamos o diagrama de equilíbrio Fe – C completo.
Diagrama ferro-carbono completo
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SENAI - 2009 85
Exercícios
1. A figura seguinte mostra as várias regiões do diagrama Fe – C pelas quais passa um aço com
0,4%C ao ser resfriado.
Complete o quadro abaixo informando:
• Qual o estado físico?
• Quais as fases presentes?
• Comente qual é a estrutura do ferro e como se encontra o carbono.
Ponto Temperatura
aproximada Estado físico
Fases
presentes Comentários
A > 1 5000C líquido líquida Todo o C dissolvido
B 15000C
C 14500C
D 14300C
E 10000C
F 8000C
G 7600C
H 7230C (T. crítica)
I < 7230C
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SENAI - 2009 86
2. A figura seguinte mostra as várias regiões do diagrama Fe – C pelas quais passa um aço
0,9%C ao ser resfriado.
Complete o quadro abaixo informando:
• Qual o estado físico?
• Quais as fases presentes?
• Comente qual a estrutura do ferro e como se encontra o carbono.
Ponto Temperatura
aproximada
Estado
físico Fases presentes Comentários
A > 1 6000C líquido líquida Todo o C dissolvido no Fe
B 1 4800C
C 1 4500C
D 1 3500C
E 1 0000C
F 7800C
G 7500C
H 7230C
I <7230C
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SENAI - 2009 87
Considerações gerais
• Tudo o que foi dito com relação ao resfriamento vale também para o aquecimento.
• A condição para que essas transformações de estrutura ocorram é a baixa velocidade de
resfriamento.
• Se resfriarmos um aço rapidamente, outras estruturas diferentes das descritas no diagrama Fe
– C se formarão. Esse é o princípio dos Tratamentos térmicos, que veremos na próxima
unidade.
Resumo
Ferrita
• Ferro na forma cúbica de corpo centrado.
• carbono é insolúvel na ferrita.
• É mole e dúctil.
Cementita
• Carbeto de ferro – a composição da cementita corresponde à fórmula Fe3C. Isso corresponde
a um teor de carbono de 6,67%.
• É muito dura.
Perlita
• É uma combinação de ferrita e cementita.
• Possui um teor médio de carbono de 0,86%.
Austenita
• Ferro na forma cúbica de face centrada.
• Consegue dissolver até 2% de carbono.
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SENAI - 2009 88
Questionário – Resumo
1. Qual é a nomenclatura dos aços em função do teor de carbono?
2. Descreva e comente a composição da ferrita e da perlita.
3. Qual a composição estrutural de um aço com 0,45% de carbono, esfriado lentamente até a
temperatura ambiente?
4. Qual a composição de um aço com 1,2% de carbono, esfriado lentamente até a temperatura
ambiente?
5. Faça um comentário a respeito de estrutura austenítica.
6. Descreva as estruturas cristalinas do ferro puro, designado a temperatura de transformação.
7. Descreva as transformações da estrutura do aço no aquecimento em função do carbono.
8. Denomine a estrutura dos aços abaixo em função da temperatura. Consulte o diagrama ferro-
carbono.
0,3%C - a 8100C
0,86%C - a 7230C
1,4%C - a 5600C
1,7%C – a 9000C
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SENAI - 2009 89
Tratamentos térmicos dos aços
Objetivos
Ao final desta unidade, o participante deverá:
Conhecer
Estar informado sobre:
• Diferentes tipos de tratamentos térmicos e termoquímicos;
• Leitura da curva;
• Mecanismo da difusão;
• Tratamentos térmicos dos aços ligados.
Saber
Reproduzir conhecimentos sobre:
• Transformação da estrutura e estrutura resultante após a têmpera;
• Fatores que influenciam nos tratamentos térmicos;
• Temperaturas aplicadas nos diferentes processos de tratamento térmico;
• Aplicação dos processos em função do teor de carbono do aço;
• Efeitos dos processos do material.
Ser capaz de
Aplicar conhecimentos para:
• Indicar e selecionar o processo de tratamento térmico adequado para a produção;
• Interpretar tabelas e diagramas.
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SENAI - 2009 90
Introdução
Os tratamentos térmicos consistem de aquecimento, tempo de permanência a determinada
temperatura e resfriamento.
A estrutura de aço estudada na unidade anterior, no diagrama Fe – C só é obtida se o
resfriamento for bem lento. Se o resfriamento for mais rápido, obtêm-se outras estruturas que
estudaremos nesta unidade.
Fatores que influenciam nos tratamentos térmicos
Velocidade de aquecimento
A velocidade de aquecimento deve ser adequada à composição e ao estado de tensões do aço.
Como tendência geral o aquecimento muito lento provoca um crescimento excessivo dos grãos
tornando o aço frágil.
Entretanto, um aquecimento muito rápido em aços ligados ou em aços com tensões internas
(provocadas por fundição, forjamento, etc.) poderá provocar deformações ou trincas.
Temperatura de aquecimento
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 91
A temperatura de aquecimento deverá ser adequada para que ocorram as modificações
estruturais desejadas . Se ela for inferior a essa temperatura, as modificações estruturais não
ocorrerão; se for superior, ocorrerá um crescimento dos grãos que tornará o aço frágil.
Tempo de permanência na mesma temperatura
O tempo de permanência na mesma temperatura deve ser o suficiente para que as peças se
aqueçam de modo uniforme em toda a secção, e os átomos de carbono se solubilizem totalmente.
Se o tempo de permanência for além do necessário, pode haver indesejável crescimento dos
grãos.
Resfriamento
As estruturas formadas no diagrama de equilíbrio Fe – C só vão se formar se o resfriamento for
muito lento.
Diagrama Fe – C
Para a austenita se transformar em ferrita, cementita e perlita não há só a necessidade de o ferro
mudar de reticulado cristalino mas também envolve a movimentação dos átomos de carbono,
através da austenita sólida, e isso leva algum tempo.
A austenita possui um reticulado cúbico de face centrada (c.f.c.) e consegue dissolver o carbono;
já na ferrita (cúbico de corpo centrado – c.c.c.) o carbono é praticamente insolúvel.
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 92
Quando resfriamos rapidamente um aço ele se transforma de c.f.c. para c.c.c. e o carbono
permanece em solução. Isso cria uma estrutura deformada, supersaturada de carbono que recebe
o nome de martensita que é tetragonal e não cúbica.
Devido a essas microtensões criadas no reticulado cristalino pelo carbono é que a martensita é
dura, resistente e não dúctil.
Efeito do teor de carbono sobre a dureza de martensita
Nos tratamentos térmicos, variando as velocidades de resfriamento, obtemos diferentes estruturas
e com isso obtemos diferentes dureza, resistência a tração, fragilidade, etc.
Com o auxílio do diagrama de transformação isotérmica também chamado de curva T.T.T. (tempo,
temperatura, transformação), poderemos entender melhor os fenômenos que ocorrem quando o
aço é resfriado a diferentes velocidades de resfriamento.
Curvas de velocidade de resfriamento
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 93
A austenita
E ferrita
P perlita
B bainita
M martensita
D dureza em HRC
Curva T.T.T.
Curva T.T.T.
A figura anterior mostra a curva T.T.T. do aço 43 MnCr6. Se esfriarmos esse aço lentamente, com
a velocidade de esfriamento da curva V, obtém-se uma estrutura com 15% de ferrita e 85% de
perlita, que terá uma dureza de 22 rockwell C.
Se aumentarmos a velocidade de resfriamento, obtém-se uma estrutura mais fina e com maior
dureza (curva IV).
Se resfriarmos como na curva II, obtém-se a estrutura de bainita que é uma estrutura
intermediária entre a martensita e a perlita, isto é, é cementita dispersa em ferrita.
Com a velocidade de resfriamento da curva I, obtém-se uma estrutura de 100% de martensita que
terá uma dureza máxima para esse aço (61HRC). Essa velocidade é chamada de velocidade
crítica.
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 94
Os meios de resfriamento são os responsáveis pelas diferentes velocidades de resfriamento. O
quadro seguinte apresenta em ordem decrescente de velocidade alguns meios de resfriamento.
Meios de resfriamento
Solução aquosa a 10% NaOH
Solução aquosa a 10% NaCl
Solução aquosa a 10% Na2CO3
Água 00C
Água a 180C
Água a 250C
Óleo
Água a 500C
Tetracloreto de carbono
Água a 750C
Água a 1000C
Ar líquido
Ar
Vácuo
Os elementos de liga no aço, de uma forma geral, diminuem a velocidade crítica de resfriamento
para a formação da martensita.
Em linha cheia vê-se o
diagrama T.T.T. de um aço
1050 comum. Em linha
tracejada pode-se observar
a influência da adição de
0,25% molibdênio sobre o
mesmo aço.
Portanto, o meio de resfriamento deve ser mais brando, como é, por exemplo, o óleo, ou mesmo o
ar.
Recozimento
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 95
É o tratamento térmico realizado com a finalidade de alcançar um ou vários dos seguintes
objetivos:
• Remover tensões de trabalhos mecânicos a frio ou a quente;
• Reduzir a dureza do aço para melhorar a sua usinabilidade;
• Diminuir a resistência a tração;
• Aumentar a ductilidade;
• Regularizar a textura;
• Eliminar efeitos de quaisquer tratamentos térmicos.
Recozimento total ou pleno
Consiste em aquecer o aço a mais ou menos 500C acima da linha G – S – K e manter esta
temperatura o tempo suficiente para que ocorra a solubilização do carbono e dos outros
elementos de liga no ferro gama (austenita). Em seguida, deve-se fazer um resfriamento lento.
O resfriamento é feito dentro do próprio forno, controlando-se a velocidade de resfriamento.
Obtém-se desse recozimento uma estrutura de perlita grosseira que é a estrutura ideal para
melhorar a usinabilidade dos aços de baixo e médio teor de carbono (0,2 a 0,6%); para aços com
alto teor de carbono é preferível a estrutura de esferoidita que veremos no recozimento de
esferoidização.
A figura seguinte mostra a curva T.T.T. do aço AISI 5140 com a curva de resfriamento do
recozimento.
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SENAI - 2009 96
Curva T.T.T. de aço AISI 5140 com 0,43%C, 0,68%Mn e 0,93%Cr.
Recozimento de esferoidização
O recozimento de esferoidização objetiva transformar a rede de lâminas de cementita em
carbonetos mais ou menos esféricos ou esferoiditas.
Esse tratamento melhora a usinabilidade e a ductilidade dos aços de alto teor de carbono.
Para ocorrer essa transformação, o aço deve ser aquecido a uma temperatura entre 6800C a
7500C, em função do teor de carbono.
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 97
Processos de recozimento
Esta temperatura deve ser mantida o tempo suficiente para homogeneizar a temperatura em toda
a peça e o resfriamento deve ser lento, cerca de 100C a 200C por hora.
Recozimento subcrítico
Consiste em aquecer o aço a uma temperatura entre 550 a 6500C (abaixo da zona crítica – figura
a seguir) com a finalidade de promover uma recristalização em peças que foram deformadas a frio
(laminação, forjamento) ou para aliviar tensões internas provocadas nos processos de soldagem,
corte por chama, solidificação de peças fundidas.
Normalização
A normalização consiste em aquecer as peças 200C a 300C acima da temperatura de
transformação (linha G – S – E) e resfriá-las mais rápido que no recozimento porém mais lento
que na têmpera. O mais comum é um resfriamento ao ar.
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 98
Temperatura para normalização
O objetivo deste tratamento é obter uma granulação mais fina e uniforme dos cristais, eliminando
as tensões internas.
A normalização é usada em aço, após a fundição, forjamento ou laminação e no ferro fundido
após a fundição.
Têmpera dos aços
A têmpera é um tratamento térmico que executamos em um aço quando desejamos aumentar sua
dureza e resistência mecânica. Conseguimos isso mudando a estrutura do aço (de ferrita + perlita)
para uma estrutura martensítica.
A operação consiste basicamente em três etapas:
• Aquecimento
• Manutenção de uma determinada temperatura
• Resfriamento
Aquecimento
O aço deve ser aquecido em torno de
500C acima da zona crítica (linha G –
S – K – figura ao lado) para que nos
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 99
aços hipoeutetóides a perlita e a ferrita
se transformem em austenita.
Temperatura de têmpera
Para os aços hipereutetóides, a temperatura pode ser mais baixa (± 500C acima da linha S – K –
figura acima). Nessa temperatura a perlita se transforma em austenita e a cementita já é um
constituinte duro.
Manutenção da temperatura
É o tempo necessário para que toda a peça chegue a uma mesma temperatura e se solubilize
totalmente o carbono.
Resfriamento
O resfriamento deve ser feito em um meio que possibilite uma velocidade crítica, permitindo obter
a estrutura de martensita.
Esse meio pode ser: água, sal moura, óleo ou mesmo o próprio ar dependendo da velocidade de
resfriamento que se precise.
A figura ao lado mostra a curva de
resfriamento para temperar o aço
1080, a linha Ms indica o início e a
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 100
linha Mf, o fim da transformação da
austenita em martensita.
Curva T.T.T. do aço ABNT 1080
mostrando a curva de resfriamento
para a têmpera
Revenimento dos aços
O revenimento é um tratamento térmico que normalmente se realiza após a têmpera (figura
seguinte) com a finalidade de aliviar as tensões internas; diminuir a dureza excessiva e fragilidade
do material, aumentando a ductilidade e a resistência ao choque. O revenimento consiste em
aquecer a peça entre 100 e 4000C e resfriar lentamente.
Beneficiamento
Consiste em fazer uma têmpera, seguida de um revenimento a uma temperatura entre 4500 a
6500C.
Os fabricantes de aço costumam fornecer diagramas semelhantes aos da figura seguinte de onde
se escolhe a temperatura de revenimento em função das características mecânicas desejadas.
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 101
Efeito da temperatura de revenimento
sobre a dureza e a resistência ao choque
de um aço ABNT 1045
Alguns tipos de aços quando revenidos dentro de uma faixa de temperatura apresentam um
aumento da fragilidade, medida em ensaio de resistência ao choque.
Essa faixa de temperatura deve ser evitada revenindo-se a uma temperatura mais baixa ou a uma
temperatura mais alta seguida de um resfriamento rápido (água ou óleo).
Por exemplo:
Aços Cr – Ni (tipo SAE 3140 e semelhantes) quando revenidos na faixa de 4550C a 5930C ou se
aquecidos acima desta temperatura e resfriados lentamente, apresentam baixa resistência ao
choque. Entretanto se aquecidos, por exemplo, a 6200C e resfriados rapidamente, sua resistência
ao choque será satisfatória.
As causas deste fenômeno ainda estão sendo estudadas.
Atribui-se esse fato a uma possível precipitação de uma fase frágil dentro desta faixa de
temperatura. Sabe-se que elevados teores de manganês, fósforo e cromo acentuam o fenômeno
enquanto o molibdênio o retarda.
Tratamento térmico de aços ligados
Para a determinação das temperaturas deve-se sempre consultar as tabelas e diagramas do
fornecedor.
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 102
Aço ABNT 4340
Composição %
C
Si
Mn
Cr
Ni
Mo
0,38 – 0,43
0,15 – 0,30
0,60 – 0,80
0,70 – 0,90
1,65 – 2,00
0,20 – 0,30
Diagrama de revenimento do aço ABNT 4340
Em geral, os aços ligados necessitam de temperaturas altas para dissolver os carbonetos de
elementos de liga (Cr, W, Mo, Ni).
O resfriamento é menos brusco (óleo, ar) e a estrutura obtida é mais fina (grãos menores).
O revenimento após a têmpera deve ser iniciado o mais depressa possível, e em alguns casos é
recomendado mais de um revenimento devido ao problema da austenita retida.
Austenita retida
Alguns aços ligados ao serem resfriados da temperatura de têmpera não se transformam
inteiramente de austenita em martensita.
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 103
Essa austenita que não se transformou (austenita retida) pode se transformar depois de algum
tempo. Isso provoca uma variação dimensional da peça que poderá causar uma trinca.
Nesses casos, recomenda-se fazer mais de um revenimento. No primeiro, a austenita retida se
transformará em martensita; observa-se um aumento de dureza. Em seguida, em um segundo
revenimento, as tensões da martensita serão aliviadas e o material se estabilizará.
Outro tratamento que pode ser executado nesses aços é o tratamento subzero.
Tratamento subzero
Consiste em se resfriar o aço a temperaturas muito inferiores a ambiente, para que ele atinja a
linha de fim da transformação martensítica Mf, na curva T.T.T.
Recorre-se a esse tratamento quando a estabilidade dimensional de ferramentas ou calibres situa-
se em faixas muito apertadas de tolerância.
Normalmente o primeiro tratamento subzero é executado após um primeiro revenimento, pois
seria fatal para a peça um resfriamento direto da temperatura de austenitização.
Em instrumentos de alta precisão podem ser adotadas séries de cinco a seis ciclos sucessivos de
resfriamentos subzeros e revenimentos.
Os meios usados podem ser uma mistura de gelo seco em álcool (-700C) ou nitrogênio líquido (-
1950C).
A figura abaixo apresenta a curva T.T.T. do aço SAE D3 que apresenta forte tendência à retenção
de austenita após a têmpera. Devido a essa tendência, recomenda-se resfriar o material a
temperaturas de –70 a –800C, logo após a têmpera, seguido de revenimento normal.
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Curva T.T.T. aço SAE D3 – (Villares VC130)
Composição 2,00%C, 12,00%Cr
A figura seguinte mostra a variação da dureza em função da temperatura usada para revenir.
Curva de revenimento para o aço SAE D3.
A experiência foi feita com corpos de prova quadrados
com 20mm de lado, austenitizados a 9600C
e revenidos na temperatura indicada por uma hora.
Têmpera superficial
Na têmpera superficial produz-se uma mudança da estrutura cristalina localizada apenas na
superfície do aço, que adquire as propriedades e características típicas da estrutura martensítica.
Esse processo tem como objetivo aumentar consideravelmente a resistência ao desgaste na
superfície e manter a tenacidade do núcleo.
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SENAI - 2009 105
Devem ser empregados aços de 0,3% a 0,6% de teor de carbono.
A têmpera superficial pode ser realizada por dois processos: chama e indução.
Têmpera por chama
O aquecimento da peça é feito por meio da incidência de uma chama oxiacetilênica na superfície
da peça, a uma temperatura acima da zona crítica (7230C), atingindo uma camada
predeterminada a endurecer; em seguida é feito um resfriamento por jateamento de água.
Existem vários métodos de aquecimento. As duas próximas figuras mostram os tipos de
aquecimento para têmpera superficial:
- Circular e linear.
Têmpera superficial circular
método combinado progressivo-giratório
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SENAI - 2009 106
Têmpera superficial linear
Têmpera superficial por indução
O calor para aquecer a peça até a temperatura de austenitização pode ser gerado na própria peça
por indução eletromagnética.
A peça a ser temperada é colocada dentro de uma bobina. Um gerador fornece a corrente elétrica
de alta freqüência, que cria um campo magnético na bobina. Esse campo magnético provoca um
fluxo de corrente elétrica na peça (princípio da indução). O aquecimento da peça é gerado pela
resistência do material ao fluxo da corrente elétrica.
Processos de têmpera superficial por indução.
Alcançada a temperatura de têmpera, resfria-se rapidamente a peça por meio de um jato de água
ou óleo.
Tratamentos termoquímicos
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SENAI - 2009 107
Os processos termoquímicos são aplicados nos aços com baixo teor de carbono com o objetivo
de aumentar sua dureza superficial e a resistência ao desgaste, mantendo o núcleo dúctil e tenaz.
Absorvendo um elemento endurecedor, o material modifica sua composição química superficial.
Os tratamentos termoquímicos mais usados são:
• Cementação
• Nitretação
• Boretação
Esses tratamentos são feitos com substâncias sólidas, líquidas ou gasosas.
Cementação
A cementação se aplica a aços com até 0,25% de carbono e com baixo teor em elementos de
ligas.
O aço é colocado em um meio
rico em carbono e aquecido a
uma temperatura acima da
temperatura de transformação
em austenita, pois neste estado
ele consegue dissolver melhor o
carbono. A profundidade de
penetração do carbono depende
do tempo de cementação.
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SENAI - 2009 108
Como o processo se dá por
difusão, a camada superficial
apresentará grande saturação do
elemento carbono, decrescendo
em direção ao núcleo como
mostra a figura ao lado.
Difusão do carbono na cementação
Temperatura de cementação
As temperaturas de cementação mais elevadas favorecem a penetração reduzindo o tempo de
cementação, porém, conferem uma granulação mais grosseira, o que reduz os limites de
resistência a tração, torção, flexão, etc.
Os valores mais usuais de temperatura de cementação oscilam de 8500C a 9500C.
Tempo de cementação
O tempo de cementação é determinado em função da espessura da camada cementada
desejada, da temperatura e do meio cementante. Obviamente, quanto maior for o tempo e mais
alta a temperatura, mais profunda será a camada.
Meios de cementação
A cementação, quanto aos meios cementantes (tabela abaixo), pode ser:
• Sólida (caixa)
• Liquida (banho em sais fundidos)
• Gasosa (fornos de atmosfera)
Cementação Meios cementantes
Sólida
Carvão vegetal duro
Carvão coque 20%
Ativadores 5 a 10%
Líquida
Cianetos de sódio
Cianetos de bário
Cianatos de sódio
Cianatos de bário
Outros sais
Gasosa
Gás metano
Gás propano, etc.
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SENAI - 2009 109
Aplicação da cementação
Peças como engrenagens, eixos, parafusos, etc., que necessitam de resistência mecânica e de
alta dureza na superfície e núcleo dúctil com boa tenacidade.
Nitretação
A nitretação, semelhantemente à cementação, é um tratamento de endurecimento superficial em
que se introduz superficialmente nitrogênio no aço até uma certa profundidade, a uma
temperatura determinada em ambiente nitrogenoso.
Exemplos:
34 Cr A l Mo 5
31 Cr Mo 12
34 Cr A l Ni 7
A nitretação é realizada com os seguintes objetivos:
• Obtenção de elevada dureza superficial, maior do que nos outros processos, exceto na
boretação;
• Aumento da resistência ao desgaste;
• Aumento da resistência à fadiga;
• Aumento da resistência à corrosão;
• Melhoria de resistência superficial ao calor.
A nitretação é realizada com temperatura inferior à zona crítica de 500 a 5600C, tornando as
peças menos suscetíveis a empenamentos ou distorções. Após a nitretação não há necessidade
de qualquer tratamento.
A nitretação pode ser feita em meio líquido ou gasoso, devendo ser aplicada em peças
temperadas. O nitrogênio introduzido na superfície combina-se com o ferro, formando uma
camada de nitreto de ferro de elevada dureza.
Na nitretação gasosa, o elemento nitretante é a amônia que se decompõe, parcialmente,
fornecendo o nitrogênio.
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SENAI - 2009 110
Nesse processo, o tempo de formação da camada é muito grande, como mostra o gráfico
seguinte.
Diagrama da nitretação gasosa
Na nitretação líquida, o meio nitretante são banhos de sais fundidos, em geral cianetos e cianatos,
responsáveis pelo fornecimento do nitrogênio.
A nitretação líquida apresenta vantagens sobre a gasosa, pois confere ao aço camadas mais
profundas em menos tempo e reduz a possibilidade de deformações. Oferece bons resultados
também para os aços comuns ao carbono.
O gráfico abaixo nos mostra a influência do carbono e das ligas na profundidade da camada
nitretada.
Diagrama de nitretação líquida
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SENAI - 2009 111
Boretação
É o processo mais recente dos tratamentos superficiais nos aços liga, ferro fundido comum e
nodular.
O processo se efetua em meio sólido de carboneto de boro a uma temperatura de 8000C a 1
0500C. O composto formado na superfície é o boreto de ferro, com dureza elevadíssima, na faixa
de 1 700 a 2 000 vickers.
A alta dureza da camada boretada oferece elevada resistência ao desgaste e, inclusive, elevada
resistência à corrosão.
Essa camada é resultado do tempo de boretação. Um aço SAE 1 045 boretado a 9000C
apresentou o seguinte resultado:
• Camada 100µ em 4 horas
• Camada 150µ em 8 horas
• Camada 200µ em 12 horas
O aço boretado é usualmente temperado e revenido.
Resumo dos ciclos de tratamentos térmicos
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SENAI - 2009 112
Tratamento Finalidade
Remover tensões de trabalhos mecânicos a
frio ou a quente.
Reduzir dureza.
Melhorar a usinabilidade.
Obter granulação mais fina.
Eliminar tensões internas originadas na
fundição, forjamento ou laminação.
Aumenta a dureza, resistência a tração.
Aumenta a dureza superficial e mantém o
núcleo da peça dúctil e tenaz.
Aumenta a dureza superficial, resistência a
fadiga, a corrosão, melhora a resistência
superficial a calor.
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SENAI - 2009 113
Exercício
Preencha os quadros a seguir de acordo com o gráfico.
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SENAI - 2009 114
Questionário – Resumo
1. Qual a propriedade que a têmpera confere aos aços e como se realiza a operação?
2. Compare a estrutura do aço existente antes da têmpera com a estrutura formada após a
têmpera.
3. Quais são os fatores (e suas características) que influem nos tratamentos térmicos?
4. Consulte as curvas T.T.T. do aço 43MnCr6, determine as estruturas em porcentagem e a
dureza em HRC, aplicando a curva de velocidade de resfriamento IV.
5. Defina as faixas de temperatura para os seguintes processos: recozimento – normalização –
revenimento e beneficiamento.
6. Qual a finalidade do processo de recozimento, normalização e beneficiamento?
7. Quais as finalidades dos processos de têmpera superficial?
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SENAI - 2009 115
8. Quais os tipos de aços indicados para os processos de têmpera superficial?
9. Que tipos de aço podem ser utilizados para os processos de cementação e nitretação?
10. Quais os objetivos e vantagens da nitretação?
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SENAI - 2009 116
Metais não-ferrosos e ligas
Objetivos
Ao final desta unidade, o participante deverá:
Conhecer
Estar informado sobre:
• Classificação dos metais em leves ou densos;
• Processos de obtenção.
Saber
Reproduzir conhecimentos sobre:
• Propriedades e aplicação dos materiais não-ferrosos;
• Características e simbologia nas normas usando tabelas;
• Características e aplicações de ligas metálicas.
Ser capaz de
Aplicar conhecimentos para:
• Interpretar e especificar as normas dos materiais não-ferrosos e suas ligas através do uso das
tabelas;
• Selecionar o material adequado em função das propriedades exigidas.
Introdução
Os metais não-ferrosos têm aumentado cada vez mais a sua importância no mundo moderno,
quer substituindo o ferro, quer formando ligas com o ferro para melhorar as suas características.
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SENAI - 2009 117
Podemos classificá-los em dois grandes grupos:
1. Metais pesados cuja densidade é maior ou igual a 5kg/dm3.
2. Metais leves cuja densidade é menor que 5kg/dm3.
A maioria dos metais puros são moles e têm baixa resistência a tração. Mas essas propriedades
podem ser melhoradas pela adição de elementos de liga.
Pela adição de elementos de liga quase sempre aumentam-se a dureza e a resistência a tração,
diminui-se o alongamento, e a condutibilidade elétrica piora.
A obtenção dos metais
Os minérios de onde são retirados os metais, além do próprio metal, contêm também impurezas,
tais como: oxigênio, hidrogênio e enxofre. A quantidade (porcentagem) de metal varia em função
do tipo de minério.
O quadro abaixo mostra esquematicamente o processo de obtenção da maioria dos metais.
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SENAI - 2009 118
Para obter um metal quase que totalmente puro (99,99%) usam-se normalmente outros processos
além do processo normal de obtenção do metal siderúrgico, os quais dependem do tipo de metal.
Normalização
Segundo DIN 1700
Para metais puros escreve-se o símbolo do elemento químico seguido do grau de pureza.
Designação de metais puros
Zn
símbolo
99,99
grau de pureza
Para ligas adota-se a seguinte forma:
Produção ou
aplicação
Composição
Propriedades
especiais
G = Fundido
GD = Fundido a
pressão
GK = Fundido
em coquilha
Gz = Fundido por
centrifugação
V = Liga prévia de
adição
Gl = Met. antifricção
para mancais
L = Metal para solda
1. Símbolo químico
do metal base
2. Símbolo químico
dos elementos de
liga seguidos de
seu teor em
porcentagem
F-40 = Resistência a
tração em
kgf/mm2
W = mole
h = duro
Wh = dureza de
laminado
Zh = dureza de
trefilado
P = dureza de
prensagem
150Hv = dureza
vickers
bk = brilhante
gb = decapado
g = recozido
dek = oxidável
com efeito
decorativo
Exemplos:
1. GD-Zn A l 4 Cu1 → Liga de zinco fundido sob pressão com 4% de A l , 1% de Cu.
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SENAI - 2009 119
2. A l Cu Mg1 F40 →Liga de alumínio com 1% de Cu e resistência a tração de 40kfg/mm2 ≅
390N/mm2.
Exercício
Explique as denominações das ligas abaixo:
G l Sn80
A l Cu Mg1 W
A l Mg Si1 dek F28
Gk Cu A l 10 Ni
Metais não-ferrosos pesados
Cobre(Cu)
Propriedades: é um metal de cor avermelhada, bom condutor de eletricidade e calor, resistente a
corrosão, dúctil e maleável (pode atingir mais de 90% de deformação a frio, sem recozimento
intermediário).
Propriedades do cobre
Densidade 8,96g/cm3
Ponto de fusão 1 0830C
Resistência a tração 200...360N/mm2
Alongamento 50...35%
Coeficiente de dilatação
térmica
16,5X10-6cm/cm/0C
(200C)
É utilizado para transmissão de energia elétrica (fios, chaves, conexões) e energia térmica
(trocadores de calor).
Quando são necessárias propriedades mecânicas mais elevadas, usam-se ligas de cobre.
Liga cobre-zinco (latões)
São ligas de cobre e zinco onde o teor de zinco varia de 5 a 50%, podendo ainda conter outros
elementos de liga como o chumbo, estanho e alumínio em pequenos teores.
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 120
Exemplos de liga cobre-zinco
Cu Zn30 F43
Cu Zn20 Al F35
Cu Zn39 Sn F35
Liga cobre-estanho (bronzes)
Os bronzes são ligas de cobre com estanho (2 a 16%). À medida que cresce o teor de estanho,
aumenta a resistência mecânica e diminui a ductilidade. As propriedades mecânicas podem ser
melhoradas com a adição de até 0,4% de fósforo que atuará como desoxidante, dando origem ao
chamado bronze fosforoso.
O chumbo é adicionado para melhorar as propriedades de antifricção, a usinabilidade e a
estanqueidade (de peças fundidas); o zinco é adicionado para atuar como desoxidante (nas peças
fundidas) e melhorar a resistência mecânica.
Exemplos de liga cobre-estanho
Cu Sn8 F53
Cu Sn6 Zn F70
Liga cobre-níquel e liga cobre-níquel-zinco (alpacas)
As alpacas contêm de 45 a 70% de cobre, 10 a 30% de níquel e o restante de zinco.
Exemplo de alpaca
Cu Ni25 Sn5 Zn2 Pb2
São utilizadas para confecção de peças decorativas, talheres e utensílios semelhantes, molas de
contato de equipamentos elétricos e telefônicos, arames de resistores elétricos, válvulas
hidráulicas.
Liga cobre-alumínio
São utilizadas para confecção de cestos de decapagem, sapatas de laminador, engrenagens
internas, bombas resistentes a álcalis, assentos de válvulas, hastes, hélices navais, mancais,
buchas.
Exemplos de liga cobre-alumínio
Cu A l 10 Fe1
Cu A l 11 Fe5 Ni5
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SENAI - 2009 121
Propriedades mecânicas
Liga
Limite de
resistênci
a a tração
kgf/mm2
Alongamento
%
Dureza
brinell
Uso
Cu – ETP*
22 – 45 48 – 6 45 – 105
Cabos condutores de eletricidade,
motores, geradores,
transformadores, bobinas.
(latões)
CuZn30
33 – 85 62 – 3 65 – 160
Tubos de trocadores de calor para
água não poluída, cápsulas e roscas
de lâmpadas, cartuchos,
instrumentos musicais, carcaças de
extintores de incêndio, componentes
estampados e conformados (tais
como rebites, pinos e parafusos).
CuZn9Pb2
27 – 40 45 – 12 55 – 105
(Boa usinabilidade e condutibilidade
elétrica). Parafusos, componentes
rosqueados de dispositivos elétricos,
conectores fêmea-macho para
computadores.
(bronzes)
CuSn6
37 – 100 60 – 2 80 – 225
(Possui pequeno teor de fósforo 0,02
– 0,40%). Tubo de condução de
águas ácidas de mineração,
componente para a indústria química,
têxtil e de papel, engrenagens,
componentes de bombas, molas
condutoras de eletricidade, eletrodos
de soldagem.
CuSn10Pb10
18 28 69
Mancais para altas velocidades e
grandes pressões, mancais para
laminadores.
*Cu – ETP → cobre eletrolítico tenaz
Chumbo
É um metal com aspecto exterior característico, pois apresenta uma cor cinza azulada. Sua
superfície de ruptura (recente) é de uma cor branca prateada muito brilhante. É fácil de conhecê-lo
pelo peso: é um material muito denso e macio.
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 122
Propriedades do chumbo
Densidade 11,3 3dm
kg
Ponto de fusão 0C 3270C
Resistência a tração 15...20 2mm
N
Alongamento 50...30%
O chumbo é muito dúctil, fácil de dobrar, laminar, martelar (a frio). Os tubos são curvados com
auxílio de uma mola, ou enchendo-os de areia fina e seca, ou com ajuda de um aparelho de
curvar.
Liga-se com dificuldades a outros metais, exceto com o estanho, com o qual se produz a solda de
estanho.
É bem resistente a corrosão, pois, quando exposto ao ar, recobre-se de uma camada protetora de
óxido.
Designação do chumbo
Denominação Norma Impureza
Chumbo fino Pb 99,99 0,01%
Chumbo siderúrgico Pb 99,9 0,1%
Chumbo refundido Pb 98,5 1,5%
Precaução
Partículas de chumbo que aderem às mãos podem penetrar no organismo e provocar uma
intoxicação; por isso é indispensável lavar bem as mãos após o trabalho.
Aplicação
É utilizado no revestimento de cabos elétricos subterrâneos e no revestimento de recipientes para
ácidos usados na indústria química.
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 123
O chumbo fino aplica-se em placas de acumuladores, cristais óticos e proteção contra raios X.
Zinco (Zn)
É um metal branco azulado. Sua superfície de ruptura é formada de cristais que se distinguem
facilmente.
Entre os metais, é o que tem maior coeficiente de dilatação térmica (0,000029/0C). Exposto à
umidade do ar, combina-se com o bióxido de carbono (CO2), formando uma capa cinzenta de
carbonato de zinco (Zn+CO2) que protege o metal.
É muito sensível aos ácidos, que o atacam e destroem, sendo portanto, impossível conservar
ácidos em recipientes de zinco.
Propriedades do zinco
Densidade 7,1 3dm
kg
Ponto de fusão 4190C
Resistência à tração 20...36 2mm
N
Alongamento 1%
As propriedades do zinco podem ser sensivelmente melhoradas por adição de outros metais.
Designação do zinco
Denominação Norma Impureza
Zinco fino Zn 99,95 0,005%
Zinco siderúrgico Zn 99,5 0,5%
Zinco fundido G-Zn.A l 6.Cu 1%
Com liga de alumínio se torna mais resistente, com liga de cobre, mais duro. O magnésio
compensa as impurezas existentes e igualmente o torna mais duro. Também o bismuto, o chumbo
e o tálio melhoram consideravelmente as propriedades do zinco para sua usinagem.
Aplicação
Peças de aço, que estejam sujeitas a oxidação do tempo, devem receber uma zincagem (banho
de zinco) para sua proteção.
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 124
As ligas de zinco, também chamadas de zamac, são muito utilizadas para obter peças
complicadas através de fundição por injeção. Esse processo facilita a fabricação em série e
aumenta a precisão das peças.
Nome comercial Norma
Zamac 2
Zamac 3
Zamac 5
Zamac 610
Zn A l 4 Cu3
Zn A l
Zn A l 4 Cu
Zn A l 6 Cu
Essas ligas são usadas na confecção de maçanetas, componentes de relógio, botões de controle,
brinquedos (particularmente em miniaturas), componentes de máquinas de escrever, de calcular e
de eletrodomésticos.
Estanho (Sn)
É um metal branco azulado e macio que se funde facilmente e é resistente a corrosão.
Dobrando-se uma barra de estanho, ouve-se um ruído como se o metal estivesse trincado. Esse
ruído é produzido em conseqüência do deslizamento dos cristais, que atritam entre si (grito do
estanho).
Não se altera quando em contato com ácidos orgânicos ou quando exposto às intempéries.
Propriedades do estanho
Densidade 7,3kg/dm3
Temp. de liquefação 2320C
Resistência a tração 40...50N/mm2
Ductilidade 40%
Em temperaturas inferiores a –150C, o estanho se decompõe formando um pó de cor cinzenta.
O estanho puro não é empregado em construções de peças devido a sua pequena resistência a
tração.
Graças a sua grande ductilidade podem-se laminar folhas muito delgadas, de até 0,008mm de
espessura.
O estanho é muito fluido no estado fundido e adere muito bem ao aço.
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 125
Liga-se perfeitamente com outros metais, tais como: cobre, chumbo e antimônio.
A solda de estanho é possível sobre latão, aço e aço fundido.
Símbolo Aplicação
Sn 99,9 Para revestir aço usado para embalar alimentos (folha de flandres).
L – Sn50 Pb Sb Solda para indústria elétrica (temperatura de fusão 1830C..2150C).
L – Sn60 Pb Ag Solda para a indústria eletrônica (temperatura de fusão 1780C..1800C).
Metais leves
Alumínio puro
A figura seguinte mostra o
processo de obtenção do alumínio
por meio da energia elétrica. A
matéria-prima é o minério bauxita,
que é submetido a diversos
processos para secagem,
separação das impurezas e
transformação em óxido de
alumínio puro.
Obtenção do alumínio
O óxido de alumínio é transformado em alumínio puro por eletrólise (decomposição por corrente
elétrica em alumínio e oxigênio). Pode ser transformado em produtos fundidos ou laminados.
Propriedades
É um metal muito macio e muito dúctil. Pode ser identificado pela sua cor branca prateada. É bom
condutor de calor e de corrente elétrica. Tem uma grande resistência a corrosão e liga-se muito
bem a outros metais.
Propriedades do alumínio puro
Densidade 2,7kg/dm3
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 126
Ponto de fusão 6580C
Resistência a tração 90 – 230N/mm2
Ductilidade 20%...35%
Em contato com o ar se recobre de uma camada muito delgada de óxido que protege o metal
(A l +O2 →A l 2O3).
Por causa de sua capacidade de alongamento é fácil de dobrar, trefilar e repuxar. Pode ser
usinado com grandes velocidades de corte e grandes ângulos de saídas na ferramenta (γ).
Velocidade de corte do alumínio em m/min
Ferramenta/ Operação
Aço rápido γγγγ = 350 a 400
Metal duro γγγγ = 300 a 350
Tornear Furar Fresar
120 – 180 50 – 200 200 – 380
250 – 700 90 – 300 até 1 200
Aplicações do alumínio puro (em função da pureza)
Denominação Designação Impurezas
em % Formas Emprego
Alumínio puro 99,8
Al 99,8 0,2 Produtos químicos para altas exigências.
Alumínio puro 99,5
Al 99,6 0,5 Eletrotécnica, produtos químicos, construções navais.
Alumínio puro 99
Al 99 1 Usos gerais, exceto peças sujeitas à ação de agentes químicos, por exemplo: baterias de cozinha.
Alumínio extra-puro 99,99
Al 99,99 0,01
Em semi-produtos como: chapas, tiras, tubos, perfis, peças prensadas, arames e barras.
Usos químicos, joalheria.
Ligas de alumínio
Quando o alumínio é ligado a outros metais, obtêm-se ligas de alta resistência e dureza, enquanto
que suas maleabilidade e condutibilidade elétrica diminuem.
As ligas de alumínio com cobre, zinco, magnésio e silício podem ser submetidas a um tratamento
especial de têmpera. Esse processo aumenta a dureza e mais ainda a resistência a tração (duas
vezes).
As ligas podem ser classificadas em:
• Ligas de laminação
• Ligas de fundição
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 127
Ligas de alumínio de laminação
São transformadas por laminação, trefilação e trabalhos com prensa em chapas, tiras, barras,
tubos e perfis.
Ligas de alumínio fundido
São fundidas em areia, coquilha e sob pressão.
As peças moldadas sob pressão são obtidas injetando-se o metal líquido a alta pressão em
moldes de aço. Esse processo é aplicado para peças de alta precisão e boa resistência a tração. Ligas de alumínio – Norma DIN 1725 Ligas laminadas Composição Usos A l CuMg ±4% Cu
0,2 – 0,8% Mg Peças leves para alto esforço mecânico.
A l MgSi 0,6 – 1,6% Mg 0,6 – 1,6% Si
Presta-se para soldar e polir e possui alta resistência a corrosão.
Ligas fundidas G-A l Si10Mg 9 – 11% Mg
0,2 – 0,4% Mg Usada em carcaças e engrenagens. Possui alta resistência a tração (220 N/mm2) e é soldável.
G-A l Mg10 9 – 11% Mg Para peças da indústria química e aeronáutica.
Oxidação anódica
Permite melhorar a resistência a corrosão de certas ligas de alumínio. Na oxidação anódica, as
peças de alumínio recebem, depois de sua elaboração, uma camada protetora de óxido reforçado
por oxidação elétrica. Essa camada é muito dura e resiste muito bem a intempéries. As chapas
das ligas Al Cu Mg são recobertas por uma fina camada de alumínio puro ou por uma liga isenta
de cobre, por laminação a quente, para que não escureça.
Ligas de magnésio
O magnésio é um metal leve (δ = 1,74kg/dm3). O magnésio puro não pode ser empregado como
material para construção, somente suas ligas encontram aplicações industriais.
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 128
As ligas são obtidas com resistência satisfatória com adições de alumínio, zinco e silício. Podem
ser soldadas e se fundem facilmente.
Ligas de magnésio
Liga Composição
G – Mg Al 9 Zn1 8,3 a 10% A l
0,3 a 1,0% Zn
0,15 a 0,3% Mn
Propriedades
Densidade 1,8kg/dm3
Resistência a tração 24 a 28 kp/mm2
Alongamento 10 a 6%
Para melhorar a resistência a corrosão, as peças de ligas recebem um tratamento depois de
usinadas: um banho de ácido nítrico e dicromato de álcalis, que forma em sua superfície uma
capa amarelada.
Aplicações
As ligas de magnésio são utilizadas na confecção de carcaça de motores e mecanismos portáteis
que devem ser leves, tais como, serras e roçadeiras portáteis.
Precauções
Os cavacos finos que são produzidos durante a usinagem podem inflamar-se e provocar incêndio.
Para esfriar os cavacos de magnésio usa-se areia, cavacos de ferro-fundido, jamais água.
Questionário – Resumo
1. Como é feita a designação dos metais não-ferrosos puros?
2. Comente a obtenção dos metais não-ferrosos.
3. Como é feita a designação das ligas não-ferrosas?
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SENAI - 2009 129
4. Quais as propriedades mais importantes do cobre, do chumbo, do zinco e do estanho?
5. Quais as aplicações do Al, Mg, Zn, Cu e Pb?
6. Ordene os metais abaixo em função de sua resistência a tração:
Zn, Cu, Al e Pb.
7. Quais as propriedades e aplicações do latão?
8. O que significa a seguinte designação do alumínio: Al 99,5?
9. Quais as propriedades e aplicações do alumínio?
10. Quais as propriedades e aplicações das ligas de magnésio?
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SENAI - 2009 130
Sinterização
Objetivos
Ao final desta unidade, o participante deverá:
Conhecer
Estar informado sobre:
• Processo de sinterização;
• Princípio da normalização de peças sinterizadas.
Saber
Reproduzir conhecimentos sobre:
• Características físicas e mecânicas das peças sinterizadas;
• Propriedades das peças sinterizadas e aplicação na confecção de ferramentas.
Metalurgia do pó ou sinterização
A metalurgia do pó é a técnica metalúrgica que consiste em transformar pós de metais, óxidos
metálicos, carbonetos ou mesmo substâncias não-metálicas em peças com resistência adequada
à finalidade a que se destinam sem recorrer à fusão, empregando-se pressão e calor.
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SENAI - 2009 131
Processo de sinterização
Processo de sinterização
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 132
Fabricação dos pós
Para obter pós metálicos existem vários processos. O mais comum consiste em se injetar ar
comprimido ou água sobre o metal líquido.
Obtenção de pós metálicos por meio de pulverização
Esse pó passa por um tratamento de secagem e um recozimento para desoxidação. De acordo
com as propriedades exigidas na peça, são misturados vários tipos de pós com a adição de
lubrificantes para facilitar a compactação.
Compactação
É uma operação básica do
processo de sinterização. O pó é
colocado em matrizes que estão
montadas em prensas de
compressão, onde é comprimido a
pressões determinadas em função
de sua composição e das
características finais que se
desejam nas peças sinterizadas
Operação de compactação
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 133
As pressões de compactação exigidas na metalurgia do pó variam em função dos materiais
(tabela abaixo), das características finais desejadas das peças sinterizadas e da quantidade e
qualidade do lubrificante adicionado à mistura para facilitar a compactação.
Materiais Pressão
KN/cm2
Peças de latão 4,0 a 7,0
Buchas autolubrificantes de bronze 2,0 a 3,0
Escovas coletoras
Cu – grafite 3,5 a 4,5
Metal duro 1,0 a 5,0
Peças de aço
baixa densidade
média densidade
alta densidade
3,0 a 5,0
5,0 a 6,0
6,0 a 10,0
Peças que devem ter alta densidade, elevada dureza e resistência a tração são compactadas a
quente, é o caso por exemplo do metal duro.
Sinterização
Consiste no aquecimento das peças comprimidas a temperaturas específicas.
A temperatura de sinterização de pós de uma só substância é de 60 a 80% da sua temperatura de
fusão, e em caso de pós de várias substâncias essa temperatura é ligeiramente superior à
temperatura de fusão da substância de menor ponto de fusão.
A temperatura de sinterização de alguns materiais está indicada na tabela seguinte.
Temperatura de sinterização de alguns materiais
Materiais 0C
Bronze fosforoso 600 a 800
Ferro e aço 1 000 a 1 300
Metal duro 1 400 a 1 600
A sinterização é feita em forno com gás protetor ou a vácuo para evitar a oxidação. O tempo é de
30 a 150 minutos.
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 134
Em peças em que se deseja uma alta densidade e melhores propriedades de resistência, volta-se
a prensar e a sinterizar (duplo prensado e sinterizado).
Princípio da sinterização
As partículas só têm contato em poucos pontos; por isso, o efeito da coesão é muito baixo.
Através de uma alta pressão (40-80kN/cm2) a secção de contato aumenta, ou seja, a força de
coesão também aumenta.
Durante o aquecimento ocorre um fluxo plástico (temperatura próxima à fase líquida).
Nos contornos dos grãos os átomos são deslocados e formam novos grãos. Os novos grãos
diminuem os poros e formam uma nova estrutura com grande densidade.
Efeitos da sinterização – esferas de cobre
a 1020ºC (ampliação 300X).
Calibragem
Após a sinterização, prensam-se as peças em uma ferramenta (matriz) para melhorar a precisão
dimensional e a qualidade superficial.
Acabamento final
As peças sinterizadas podem sofrer operações de usinagem, tratamentos térmicos e tratamentos
superficiais.
• Tratamentos térmicos
Para melhorar a resistência a tração e a dureza de aços sinterizados pode-se
recorrer a tratamentos térmicos como a têmpera, cementação ou carbonitretação.
• Tratamentos superficiais
Para melhorar a resistência a desgaste e a corrosão empregam-se tratamentos
superficiais como a oxidação (tratamento com vapor de água), cromeação,
fosfatação, etc.
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SENAI - 2009 135
Normalização
A normalização dos materiais sinterizados é feita em função da porosidade.
Designação
Classe de
material
Volume
de material
em %
Porosidade
em %
Aplicação
AF < 73 > 27 Filtros
A 75 25 Mancais
B 80 20 Mancais
Peças de perfis
C 85 15 Peças de perfis
D 90 10 Peças de perfis
Numeração Material
00 Ferro sinterizado
10 Aço
20 Aço com cobre
30 Aço/Cu/Ni
50 Cu Sn
54 Cu Ni Zn
Exemplos:
Sint AF 50
Bronze
Porosidade – 27%
Volume de material – 73%
Para filtros
Sint D 10
Aço sinterizado
Porosidade – 10%
Volume de material – 90%
Para peças de perfis
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SENAI - 2009 136
Aplicações de materiais sinterizados
Filtros
Materiais sinterizados com grande volume de poros, como por exemplo aço cromo – níquel (Sint
A41) ou bronze sinterizado (Sint A50), são utilizados para filtros de gases e líquidos.
Buchas
Buchas de bronze sinterizadas podem absorver até 30% de seu próprio volume de óleo que ao
ser aquecido sai dos poros lubrificando as superfícies de contato (figura a seguir). Buchas
sinterizadas de bronze com grafite ou bissulfeto de molibdênio não necessitam de lubrificante
líquido. Com o deslizamento sobre pressão, forma-se na superfície de contato uma película com
baixo coeficiente de atrito que tem a função do lubrificante líquido.
Escovas coletoras
O emprego de sinterizados de grafite com cobre na fabricação de escovas coletoras oferece
vantagens sobre o grafite já que possui maior condutividade elétrica.
Escovas coletoras
Peças de precisão
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 137
Os materiais sinterizados podem, ainda, ser utilizados na confecção de engrenagens e peças de
formas complexas de automóveis e eletrodomésticos.
Peças sinterizadas
Ferramentas de metal duro
Ferramentas de corte, matrizes para compactação e componentes de instrumentos de precisão
podem ser fabricados de metal duro.
O metal duro é composto de carbonetos de tungstênio, de titânio e de tântalo, mais cobalto, que
atua como elemento de liga. Esses elementos são submetidos a altas temperatura e pressão no
processo de sinterização.
A ferramenta sinterizada de metal duro possui excelente rendimento na usinagem a alta
velocidade de corte, mantém o corte a elevadas temperaturas e tem maior vida útil que as
ferramentas de aços rápidos.
Durezas dos materiais para ferramentas
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SENAI - 2009 138
Ferramentas cerâmicas
Os materiais cerâmicos, tais como, A l 2O3, SiO2, unidos com metais como Co, Cr, Fe são
sinterizados para produzir ferramentas de corte (ferramentas cerâmicas).
Materiais cerâmicos e metálicos não podem ser ligados, só sinterizados, chamam-se também
cermets, ou seja, cerâmica + metais.
Depois de sinterizadas, as pastilhas de corte têm as propriedades dos materiais brutos, tais como:
a dureza de A l 2O3 e a resistência à tração do Cr. Os pós dos metais servem como aglutinantes.
Exemplo: Co.
A velocidade de corte desse material é mais elevada do que as indicadas para o metal duro. As
pastilhas são de baixo custo e não são retificadas após o uso.
Questionário – Resumo
1. Descreva as etapas fundamentais do processo de sinterização.
2. Quais os materiais que podem ser aplicados na sinterização?
3. Que vantagens oferece o processo de compactação a quente?
4. Descreva o princípio da sinterização.
5. Dê alguns exemplos de aplicação de peças sinterizadas.
6. Explique as seguintes normas de peças sinterizadas:
Sint – A20
Sint – C50
Sint – B54
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SENAI - 2009 139
Corrosão dos metais
Objetivos
Ao final desta unidade, o participante deverá:
Conhecer
Estar informado sobre:
• Definição de corrosão;
• Tipos de corrosão;
• Proteção dos metais por revestimentos metálicos e não-metálicos.
Saber
Reproduzir conhecimentos sobre:
• Princípio da corrosão em função do potencial elétrico dos materiais;
• Linha de voltagem;
• Mecanismo da corrosão química, eletroquímica e intercristalina;
• Aplicação dos diversos tipos de proteção à corrosão.
Ser capaz de
Aplicar conhecimentos para:
• Evitar a corrosão das peças utilizando os tipos adequados de proteção;
• Utilizar corretamente os materiais de proteção em função de seus potenciais elétricos.
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 140
Introdução
Nunca a questão da proteção dos metais contra a corrosão foi objeto de tantas pesquisas como
atualmente.
O problema da corrosão é muito complexo; primeiro estudaremos o mecanismo e, em seguida, a
influência dos vários fatores referentes à corrosão.
Definição de corrosão
Se entende por corrosão segundo DIN 50900 a destruição de materiais em conseqüência de
reações (processos) químicas ou eletroquímicas com os meios que os rodeiam.
Os exemplos de várias amostras de metais corroídos classificam a corrosão em dois grupos:
corrosão uniforme e corrosão localizada.
Corrosão uniforme
A corrosão forma uma película uniforme que recobre toda a superfície alterada. Nesse caso,
ocorre uma perda de resistência mecânica proporcional à perda da espessura.
Corrosão do cobre pelo ácido nítrico
Corrosão localizada
A corrosão localizada forma uma superfície rugosa no metal e surgem marcas que diminuem a
resistência a deformação.
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 141
Exemplo
Chapa de ferro que esteve em contato com água do mar, ou, chapa de alumínio que esteve em
contato com mercúrio são exemplos de corrosão localizada (figura seguinte). O metal é recoberto
de marcas, a superfície é rugosa. A perda do peso é pequena, porém, a capacidade de
deformação e a resistência a tração são reduzidas.
Corrosão localizada
Tipos de corrosão
Corrosão química
Esse tipo ocorre em um metal em contato com um meio corroente (sal, ácido, base, água, ar). Por
exemplo, quando o cobre entra em contato com a água e o ar, forma-se uma camada de
azinhavre, ou seja, carbonato de cobre, resultando na corrosão do metal.
Nos metais ferrosos, quando em contato com meios corroentes, forma-se a ferrugem, que os
destrói lentamente.
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 142
Quanto maior for o teor do carbono no aço ou no ferro fundido, tanto maior (ou mais forte) será a
corrosão.
Corrosão eletroquímica
Para que ocorra a corrosão
eletroquímica, deve existir um
líquido condutor de eletricidade
chamado eletrólito e dois metais
chamados de eletrodos. A esse
conjunto chamamos célula
galvânica.
Corrosão eletroquímica
São eletrólitos, por exemplo, soluções de água com ácido, base ou sal.
Ao se colocar em contato dois eletrodos de metais diferentes, o metal que tem um potencial
eletroquímico maior (catodo) atrai elétrons do metal que tem menor potencial eletroquímico
(ânodo). O ânodo, que fica com falta de elétrons, liberta então para a solução átomos com falta de
elétrons (íons positivos) gerando a corrosão.
Na célula galvânica da figura anterior, observamos a corrosão do zinco, porque o cobre tem um
potencial de +0,34 volts e o zinco –0,76 volts em relação ao hidrogênio (tabela abaixo). Subtraindo
um do outro teremos:
+0,34 V – (-0,76V) = 1,1V
Material Voltagem (V)
Potássio
Sódio
Magnésio
Alumínio
Zinco
Ferro
Níquel
Estanho
Chumbo
- 2,92
- 2,71
- 2,37
- 1,67
- 0,76
- 0,44
- 0,25
- 0,14
- 0,13
Met
ais
não-
nobr
es
Hidrogênio - 0,00
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SENAI - 2009 143
Met
ais
nobr
es
Cobre
Prata
Mercúrio
Platina
Ouro
+ 0,34
+ 0,80
+ 0,85
+ 1,20
+ 1,50
Reação no ânodo
Zn – 2e- → Zn ++
Reação no catodo
2H3O+ + 2e- → H2O + H2
�
O Zn++ entra na solução e este eletrodo é corroído. O gás hidrogênio (H2) vai para a atmosfera e o
eletrodo de cobre se mantém intacto.
Exemplo de corrosão eletroquímica
Para aplicarmos uniões metálicas na
construção mecânica, devemos
conhecer o mecanismo da corrosão
entre diferentes metais. Na figura ao
lado vemos uma união de alumínio
com um rebite de cobre. O cobre é
mais nobre, ou seja, possui um
potencial eletroquímico maior e,
portanto, o alumínio, que é menos
nobre, será atacado e corroído (veja
tabela anterior).
Corrosão por formação de par
eletroquímico
As figuras seguintes nos apresentam problemas de corrosão quando utilizamos materiais em
revestimentos superficiais no ferro. No primeiro caso, o ferro é menos nobre que o estanho e,
dessa forma, quando houver uma descontinuidade da camada de estanho, o ferro será corroído.
No segundo exemplo, o zinco é menos nobre que o ferro e é atacado em primeiro lugar,
protegendo o ferro da corrosão.
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 144
Ferro estanhado
Ferro galvanizado
O zinco corroe-se com uma velocidade sensivelmente menor que a do aço (101
a 141
).
Corrosão intercristalina
Nesse tipo de corrosão ocorre uma verdadeira rede de fissuras no metal, enquanto a superfície
não apresenta nenhuma alteração visível (figura seguintes). A perda de peso do material é
insignificante, entretanto pode romper-se sob um esforço muito pequeno. Sua resistência elétrica
é aumentada e pode servir para localizar a existência desse tipo de corrosão, pouco visível ao
microscópio.
Corrosão intercristalina
No exemplo da figura acima, o ferro puro é menos nobre que o Fe3C. Os íons, ao se dissolverem,
geram uma decomposição do ferro, provocando um enfraquecimento do material pela destruição
da rede.
Fatores que influem na corrosão
Os fatores que influem na corrosão dependem do metal, da peça usinada e do meio corroente.
A corrosão do metal é maior quando este é heterogêneo.
Os materiais de composição química
heterogênea e com presença de
impurezas se constituem em centros de
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 145
ataque da corrosão (figura ao lado).
Quanto mais fina é a granulação maior
será o ataque.
Corrosão eletroquímica do ferro por
influência das impurezas
Superfície da peça usinada
O grau de acabamento de uma peça usinada, e os furos e riscos existentes em sua superfície
servem de início para a corrosão.
Meio corroente
É o meio em que se encontra o metal. O tipo de meio corroente (ácido, salino ou básico), sua
composição química, concentração, pureza, temperatura, pressão, viscosidade e estado de
agitação (figura a seguir) influem na corrosão.
Corrosão do zinco em função do meio corroente
Trabalho mecânico
Os trabalhos mecânicos de dobramento, estampagem e forjamento a frio podem favorecer a
corrosão, pois alteram a forma geométrica das peças e podem lhes atribuir impurezas ou
inclusões, o que modifica a resistência do material à corrosão.
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 146
Proteção dos metais por revestimentos metálicos e não-metálicos
O recobrimento de um metal por uma camada protetora não tem somente a finalidade de protegê-
lo contra a corrosão; pode também aumentar, em certos casos, a sua resistência ao desgaste
(cromagem grossa), corrigir um defeito de usinagem ou embelezar uma peça.
Basicamente existem dois tipos de revestimento:
• Revestimentos metálicos
• Revestimentos não-metálicos
Revestimentos metálicos
A superfície a ser revestida sempre deve ser submetida a um ou mais destes tratamentos:
• Polimento
• Desengorduramento
• Decapagem
Polimento
Operação na qual se obtêm superfícies lisas e brilhantes através da ação de discos de feltros
impregnados com uma massa abrasiva de granulação muito fina. Os discos são aplicados com
uma velocidade periférica em torno de 30 a 35m/s.
As operações de polimento são utilizadas para a desoxidação das peças metálicas de funilaria e
são executadas quando a peça apresenta traços ou depósitos superficiais de óxidos (ferrugem).
O polimento pode ser eletroquímico, também chamado de polimento anódico, que se utiliza do
princípio de metalização galvânica, ou seja, as peças são introduzidas em um eletrólito (ácido
fosfórico, ácido sulfúrico ou ácido crômico) com passagem de corrente contínua. Esse tipo é muito
usado no polimento de instrumental cirúrgico.
Desengorduramento
As operações de desengorduramento precedem à fase final de proteção. São feitas nas peças
antes do acabamento com o objetivo de remover eventuais resíduos de óleo, gordura e outras
substâncias provenientes das operações anteriores e que, na peça, poderiam anular os efeitos da
proteção.
Os processos de desengorduramento podem ser químicos ou eletrolíticos.
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 147
Produtos usados para desengorduramento
Processo químico
Solventes líquidos Benzina (benzeno)
Vapores de solventes Clorobenzeno Trielina
Soluções alcalinas Soda cáustica Carboneto de sódio
Processo eletrolítico Solução de fosfato lissódico em água
O desengorduramento mediante ação eletrolítica é usado freqüentemente quando se trata de
desengordurar miudezas metálicas ou pequenas peças de série.
Decapagem
A decapagem mecânica é feita com jato de areia ou granalha de FoFo.
Na decapagem química os aços são decapados com soluções sulfúricas ou clorídricas (10%), que
eliminam os óxidos superficiais, mas também podem atacar o ferro subjacente.
Metalização das peças – eletrólise (galvanização)
Pelo processo de galvanização, são depositados sobre a peça o cobre, o níquel, o cromo, o zinco,
o cádmio, a prata e o ouro. Freqüentemente, o depósito de proteção é feito sobre um depósito
primário que favorece a aderência e a opacidade. É assim que o níquel é depositado sobre uma
camada de cobre, o cromo sobre uma camada de níquel, etc.
A peça a ser revestida constitui o catodo de uma célula galvânica (figura seguinte). O eletrólito é
uma solução que contém um sal do metal, que irá ser depositado na peça, e algumas substâncias
destinadas a melhorar o revestimento (melhorar a aderência, o brilho, etc.).
Cobreação eletrolítica
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 148
O ânodo pode ser do mesmo metal que será depositado na peça, ou de um metal insolúvel, como
por exemplo na eletrodeposição de cromo, usa-se ânodo de chumbo.
A espessura da camada depositada é da ordem de 0,01mm.
Instalação para cromagem grossa
Metais mais usados em metalização
Metais Efeito e aplicação
Zinco e cádmio
Para a proteção do aço contra o ar e a água. O material
depositado é venenoso e não pode ser aplicado em produtos
que servirão para acondicionar alimentos.
Chumbo Proteção contra ácidos sulfúricos.
Estanho
Não é venenoso; pode ser aplicado em produtos para
acondicionar alimentos.
Como proteção de chapas de aço chama-se chapa branca ou
folha de flandres.
Cobre É usado para primeira camada na metalização.
Níquel, cromo e
cobalto
Como protetores contra corrosão e desgaste. Podem ser
facilmente polidos.
Alumínio Serve para a proteção de aço e de ligas não-ferrosas.
Imersão num banho de metal em fusão
A peça a proteger é mergulhada no metal derretido: zinco (galvanização), estanho (estanhagem),
chumbo. Na saída, é enxugada para diminuir e igualar a espessura do metal depositado.
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 149
Esse processo é utilizado somente com metais muito fusíveis.
Metalização com pistola
Nesse processo, o metal protetor é derretido por meio de um maçarico oxiacetilênico. Um jato de
ar comprimido pulveriza o metal derretido sobre a peça.
As gotículas fundidas na saída da pistola são lançadas sobre a peça a proteger com uma
velocidade tal (da ordem de 100m/s) que, na chegada, chocam-se e se soldam, formando um
depósito muito aderente, de 0,03mm de espessura média.
A superfície da peça deve sofrer um tratamento anterior à metalização, de usinagem, de
jateamento e estar livre de óleos, gorduras ou graxas.
O zinco e o alumínio são cada vez mais empregados para proteger, por esse processo, os metais
contra a corrosão.
Ensaios em vários meios corroentes permitiram determinar a duração da vida média dos
revestimentos como podemos ver na tabela seguinte.
Duração de revestimento de alumínio em atmosfera marinha
Espessura
(mm)
Duração média de vida
(anos)
0,15 a 0,20 5 a 10
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 150
0,20 a 0,25
0,25 a 0,30
10 a 20
20 a 40
Proteção dos metais por revestimentos não-metálicos
O objetivo desse tipo de proteção é evitar que os meios agressivos ataquem as superfícies das
peças.
Revestimentos orgânicos
São os óleos e graxas normalmente empregados na proteção de peças de aço cujas superfícies
são acabadas e brilhantes, tais como, instrumentos de medição, roscas, etc.
Os óleos e as graxas não devem conter ácidos, para não atacarem as superfícies metálicas.
Pinturas e vernizes
Pintura é um revestimento que, aplicado a uma peça, confere-lhe determinadas propriedades
estéticas e protege sua superfície contra a oxidação e corrosão.
A pintura dever ser flexível e aderente (de forma que acompanhe as possíveis deformações da
peça), impermeável e resistente a choques, resistente aos agentes corroentes e ela deve penetrar
o máximo possível nas depressões ou reentrâncias do material.
Freqüentemente é necessário um revestimento intermediário entre o material e a pintura.
Esse revestimento é vulgarmente conhecido como zarcão, que é produzido à base de óxido de
chumbo e normalmente diluído em óleo de linhaça.
Uma pintura é composta essencialmente de duas partes:
Volátil
São os solventes que desaparecem por evaporação durante a secagem. Seu objetivo é fornecer à
pintura um grau de fluidez que permita sua aplicação em finas camadas.
Não-volátil
É a parte que forma uma película após a secagem. É composta de dois elementos:
• Elementos filmogêneos – formam, durante a secagem, uma película contínua,
aderente e resistente.
• Elementos corantes (pigmentos) – dão cor e opacidade à pintura.
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 151
Esmaltagem
Os esmaltes são vidros (borossilicatos de Ca, K ou Pb) tornados opacos pelo óxido estânico ou
pela cinza de ossos. São aplicados sobre o metal decapado. Depois da secagem, a fusão se faz
entre 800 a 1 0000C.
Devem ter um coeficiente de dilatação igual ao do metal recoberto e convêm somente para as
peças rígidas ou maciças que não devem sofrer deformações (recipientes para a indústria química
e tinturaria, utensílios de cozinha, etc.).
Modificação química da superfície do metal
Fosfatação
A peça de aço desengordurada é mergulhada numa solução de fosfato ácido de manganês ou de
zinco a 1000C. O aço é atacado. Forma-se, então, um depósito de fosfatos de ferro ±0,01mm
(nomes comerciais: parquerização, bonderização).
Uma pintura precedida de fosfatação eleva consideravelmente a resistência a corrosão de uma
peça.
Oxidação anódica do alumínio (anodização)
As peças de alumínio a oxidar são colocadas no ânodo (+) de uma bacia para eletrólise; o catodo
é uma placa de chumbo, conforme figura abaixo.
Oxidação anódica do alumínio
O banho é de ácido sulfúrico. O oxigênio nascente formado no ânodo dá uma camada protetora
de óxido de alumínio (Al2O3) de 0,04mm.
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 152
A camada de óxido de alumínio é muito dura e resistente às influências químicas. A camada de
óxido formada não é condutora de eletricidade.
A profundidade da camada anodizada depende da intensidade da corrente elétrica e do tempo de
permanência da peça no banho.
Após a anodização, a peça deve ser colocada em água a 900C para diminuir a porosidade da
camada de óxido. Se adicionarmos corante a essa água, ele entrará nos poros dando um efeito
decorativo à peça.
O processo de anodização só pode ser aplicado em peças de alumínio ou de ligas desse metal.
Questionário – Resumo
1. Comente os dois grupos de corrosão (uniforme e localizada).
2. Quais os fatores que influem na corrosão?
3. Quais são os tipos de corrosão conhecidos?
4. Descreva a corrosão eletroquímica.
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 153
5. Na proteção dos metais por revestimento metálico, qual é o tratamento preliminar que se deve
dar às peças?
6. Por que razão o estanho não pode ser utilizado para a proteção do aço?
7. Quais são os três processos usados na metalização das peças?
8. Comente a proteção dos metais por revestimentos não-metálicos (pintura e esmaltagem).
9. Comente a proteção dos metais por modificação superficial do metal a ser protegido
(fosfatação e oxidação).
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SENAI - 2009 154
Ensaios de materiais
Objetivos
Ao final desta unidade, o participante deverá:
Conhecer
Estar informado sobre:
• Finalidade dos ensaios;
• Classificação dos ensaios: simples, destrutivos e não-destrutivos.
Saber
Reproduzir conhecimentos sobre:
• Como se processam e interpretam os ensaios simples.
Ser capaz de
Aplicar conhecimentos para:
• Determinar de forma simples falhas e características físico-químicas de materiais.
Introdução
Na unidade “Classificação e características de materiais”, falamos sobre as principais
propriedades de materiais e a importância em conhecê-las.
Nesta unidade, estudaremos a forma pela qual determinamos as propriedades dos materiais, ou
seja, estudaremos os ensaios de materiais.
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SENAI - 2009 155
Propriedades de materiais
Materiais metálicos podem ser classificados, segundo suas propriedades, da seguinte maneira:
• Propriedades físicas em geral: dimensões, forma, densidade, porosidade, misturas
constituintes, macro e microestruturas, calor específico, condutibilidade elétrica, etc.
• Propriedades químicas e físico-químicas: componentes químicos, acidez, resistência a
corrosão, etc.
• Propriedades mecânicas: resistência mecânica (estática e dinâmica), elasticidade,
plasticidade, fragilidade, ductilidade.
Para determinar qualquer dessas propriedades faz-se necessário realizar um ensaio específico.
Ensaios mecânicos
Antes de nos aprofundarmos no estudo dos ensaios mecânicos, valos citar algumas das mais
importantes finalidades dos ensaios dos materiais.
Os ensaios dos materiais têm as seguintes finalidades:
• Permitir a obtenção de informações rotineiras da qualidade de um determinado produto -
ensaios de controle.
• Desenvolver novas e melhores informações sobre materiais conhecidos, ou então desenvolver
novos materiais.
• Obter medição precisa das propriedades ou constantes físicas.
Os ensaios podem ser classificados em:
• Ensaios simples na oficina
• Ensaios destrutivos
• Ensaios não-destrutivos
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SENAI - 2009 156
Normalização dos ensaios
Evidentemente, os ensaios não traduzem valores absolutos e imutáveis. Os ensaios podem ser
realizados na própria peça ou em um corpo de prova, entretanto os valores obtidos vão refletir
sempre uma situação particular. Por esse motivo, adota-se um fator de segurança para garantir
que as peças suportem os esforços reais a que serão submetidas.
Devemos, ainda, normalizar o ensaio, ou seja, especificar o método empregado, dimensões e
método de fabricação do corpo de prova.
A normalização dos ensaios e dos materiais leva a inúmeras vantagens, dentre as quais
destacamos:
• Reduz o desentendimento entre produtor e consumidor.
• Torna a qualidade de produção mais uniforme.
• Reduz os tipos similares de peças e materiais.
• Diminui o custo unitário de produção.
• Orienta o projetista na escolha do material existente.
• Permite a comparação de resultados obtidos em diferentes laboratórios, pela adoção do
mesmo método.
Ensaios simples na oficina
Por meio desses tipos de ensaios não se obtêm valores precisos, apenas conhecimentos de
propriedades específicas dos materiais.
Ensaio virtual
É utilizado para controlar a qualidade de superfícies (por exemplo, acabamento superficial de aço
laminado) bem como para distinguir os metais em função de suas cores (aço, latão, cobre, etc.).
É utilizado, também, para verificar defeitos de porosidade, fissuras e trincas.
Ensaio com lima
Utilizamos para verificar a dureza por meio do corte do cavaco.
Os materiais moles são mais facilmente cortados sendo o volume de cavaco bem maior que o de
um material de maior dureza.
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SENAI - 2009 157
Ensaio por som
Para verificar trincas em peças fundidas, rebolos, etc. Podemos também distinguir o aço (som
alto) do ferro fundido (som baixo), etc.
Ensaio por dobramento
Verifica o número de dobramentos que o material suporta antes de se quebrar. Esse método
permite testar a resistência, a tenacidade e a capacidade de deformação do material.
Ensaio por dobramento
Ensaios por centelhas
Pressionando um corpo sobre um rebolo em rotação, os abrasivos deslocam partículas, as quais,
aquecidas pelo atrito e lançadas à atmosfera, fundem-se e deixam transparecer os elementos que
as compõem.
A comparação com padrões conhecidos e a boa observação são fatores importantes para obter
bons resultados.
A figura seguinte apresenta a forma das centelhas para um aço com 0,1% de carbono e apresenta
apenas alguns indícios de bifurcação das centelhas.
Aço com 0,1% de carbono
A figura seguinte apresenta maiores bifurcações nas centelhas em função da maior quantidade de
carbono.
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SENAI - 2009 158
Aço com 0,45% a 0,50% de carbono
O aço ao manganês é caracterizado principalmente pelo fato de as centelhas darem a volta em
quase todo o rebolo, apresentando um feixe luminoso muito intenso (figura seguinte) evidenciando
a presença de carbono e manganês.
Aço ao manganês médio carbono
Questionário – Resumo
1. Cite as propriedades físicas em geral dos materiais metálicos.
2. Cite as propriedades químicas e físico-químicas dos materiais metálicos.
3. Cite as propriedades mecânicas dos materiais metálicos.
4. Quais as finalidades dos ensaios mecânicos dos materiais?
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SENAI - 2009 159
5. Quais as vantagens da normalização dos ensaios?
6. Comente os ensaios simples feitos na oficina.
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SENAI - 2009 160
Ensaios destrutivos
Objetivos
Ao final desta unidade, o participante deverá:
Conhecer
Estar informado sobre:
• Equipamentos e métodos de ensaios de: tração, impacto, dobramento e embutimento ou
estampabilidade.
Saber
Reproduzir conhecimentos sobre:
• Representação do diagrama de tensão-deformação;
• Zonas elástica e plástica;
• Limite de elasticidade e limite de resistência de um material.
Ser capaz de
Aplicar conhecimentos para:
• Descrever o princípio e a aplicação dos ensaios destrutivos;
• Interpretar os resultados obtidos;
• Reconhecer as propriedades dos materiais em função do comportamento registrado nos
diagramas.
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SENAI - 2009 161
Ensaio de tração
Esse tipo de ensaio consiste em submeter um corpo de prova a um esforço de tração na direção
axial até sua ruptura.
Corpo de prova
A ruptura ocorre depois de um alongamento do corpo de prova.
O ponto de ruptura em função da resistência e da deformação do corpo de prova é uma
característica de cada material.
A figura seguinte mostra o princípio da máquina de ensaio de tração. A força e o alongamento são
medidos através de instrumentos e registrados no diagrama tensão-deformação.
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SENAI - 2009 162
Construção do diagrama tensão-deformação
Coloca-se na ordenada a tensão σ (N/mm2) e na abscissa a deformação ξ (%).
Cálculo:
Tensão = Secção
Força
σ = SF
em N/mm2
Deformação:
ξ = 0LL∆
. 100 (%)
∆L = alongamento (mm)
L0 = comprimento inicial (mm)
L = comprimento final do corpo deformado (mm)
∆L = L – L0
Para facilitar, o estudo do diagrama será dividido em duas partes:
I – O regime elástico
II – O regime plástico
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SENAI - 2009 163
Na primeira parte, verifica-se que o diagrama é linear até o ponto P.
O material obedece à lei de Hooke, ou seja, as tensões são proporcionais às deformações.
O regime elástico termina no ponto A e recebe este nome porque, até este ponto, quando o
material estiver sem a ação da carga voltará ao seu tamanho natural, como um elástico.
Terminada a fase elástica tem início o regime plástico (II), onde começa ocorrer fenômeno
chamado de escoamento. O escoamento é caracterizado por uma deformação permanente
(plástica).
O limite de escoamento (ponto B) é a tensão que se atingida o corpo sofre uma deformação
permanente, isto é, se deixarmos de aplicar a carga, o corpo não volta mais ao comprimento
inicial.
Ainda na região plástica, a máxima tensão atingida corresponde ao limite de resistência (ponto C).
Devemos tomar cuidado para não confundir limite de resistência com tensão de ruptura (ponto F).
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 164
A partir do ponto C ocorre um alongamento com a redução da tensão causada pela deformação
do corpo de prova (redução de diâmetro).
Existem materiais (exemplos: aço endurecido, Cu, Al) que não apresentam o fenômeno de
escoamento com nitidez. Mas o limite de escoamento (ponto B) é necessário para cálculos de
resistência. Para solucionar esse problema foi convencionado um valor internacional que define o
limite de escoamento, isto é, n% de deformação permanente. Por exemplo, para aço endurecido a
deformação é de 0,2%.
Traça-se uma paralela ao trecho linear, e, quando ela interceptar a curva, determinará o limite de
escoamento (τB).
O diagrama seguinte representa as curvas de tensão-deformação de diversos materiais.
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SENAI - 2009 165
Diagrama tensão-deformação
para diversos materiais
Ensaios de impacto
Um fator muito importante que contribui para o aparecimento de fraturas do tipo frágil em peças é
a alta velocidade de aplicação da carga, isto é, carga aplicada por impacto.
Faz-se necessário padronizar um tipo de ensaio para determinar a resistência ao impacto (ou
choque), ou melhor, a energia absorvida pelo corpo de prova por ação de impacto, expresso em
Nm.
Como a energia de impacto medida depende das condições do ensaio (forma e dimensão do
corpo de prova, maneira de aplicação da carga) há necessidade da padronização dos tipos de
ensaios para permitir, posteriormente, a comparação entre os valores obtidos para o mesmo ou
diferentes materiais.
Existem, portanto, diversos métodos de ensaios, mas os principais são:
- método de impacto com tração
- método charpy
- método izod
Nós vamos falar apenas do método charpy, porque os demais são bem semelhantes.
Método charpy
Consiste em se percutir um corpo de prova, de dimensões padronizadas (figura seguinte),
convenientemente apoiado, com um martelo de dimensão também padronizado, e medir a energia
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 166
desprendida na ruptura. Os resultados dos ensaios indicam se o material tem um comportamento
dúctil, isto é, se absorve muita energia de deformação, ou então, se o comportamento é frágil, isto
é, se absorve pouca energia de deformação.
Máquina de ensaio de choque
A energia necessária para fraturar o corpo de prova (figura abaixo) é dada por:
E = G (h1 – h2) Nm
Onde: E = energia em Nm
G = peso do martelo em N
h1 = posição inicial do pêndulo
h2 = posição final do pêndulo
Corpo de prova
Aplicação:
• Depois de processos de tratamento térmico.
• Para comprovar o envelhecimento do material.
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SENAI - 2009 167
Ensaio de dobramento
O ensaio de dobramento nos fornece informações quanto à qualidade do material.
Consiste em dobrar um corpo de prova de eixo retilíneo e de secção constante, assentado em
dois apoios afastados a uma distância especificada (figura abaixo) de acordo com o tamanho do
corpo de prova, por meio de um cutelo que aplica um esforço de flexão no centro do corpo de
prova até que seja atingido um ângulo de dobramento especificado (figura seguinte).
Dobramento guiado
O ensaio é realizado na máquina universal de ensaios, adapta-se o cutelo na parte superior e, na
parte inferior, os pontos de apoio. A carga atingida no ensaio não é levada em consideração, pois
exprime valores inexatos devido ao forte atrito que ocorre entre o corpo de prova e os pontos de
apoio, e mesmo porque o objetivo que rege a realização do ensaio é dirigido para a obtenção de
dados relativos à ductilidade do material.
Aplicação do ensaio de dobramento em materiais frágeis
Materiais frágeis como o ferro fundido cinzento, aços-ferramentas e carbonetos sinterizados são
freqüentemente submetidos a um tipo de ensaio de dobramento, denominado ensaio transversal,
em que se mede a resistência e ductilidade, além da possibilidade também de se avaliar a
tenacidade e resiliência desses materiais.
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SENAI - 2009 168
Dobramento livre
Entretanto, sempre que possível, deve-se fazer o ensaio de tração, ficando o ensaio de
dobramento como substitutivo.
Quanto mais duro for o material, mais empregado é o ensaio de dobramento transversal, tendo
em vista a dificuldade de usinar o corpo de prova para o ensaio de tração. Na realidade, o ensaio
de dobramento transversal para materiais frágeis é uma extensão do ensaio de flexão e é
normalizado pela ASTM (Sociedade americana de testes em materiais) método A-438.
Esse ensaio consiste em apoiar o corpo de prova sobre dois apoios distanciados entre si por uma
distância L, sendo a carga de dobramento aplicada no centro (figura seguinte). A carga é aplicada
lentamente até o rompimento do corpo de prova. Esse ensaio permite ainda obter dados sobre
outras propriedades, como módulo de ruptura ou resistência ao dobramento.
Ensaio de estampabilidade de Erichsen
O ensaio consiste em forçar uma esfera, acionada por um pistão hidráulico, de encontro a um
corpo de prova tirado de uma chapa metálica, presa por um dispositivo de fixação.
O esforço produz uma deformação plástica, sob a forma de uma elevação (calota esférica) na
superfície da chapa que progride à medida que a esfera avança.
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 169
O ensaio termina quando ocorre a ruptura da chapa, com um som característico (estalo). O índice
de estampabilidade, dado pela altura da calota esférica formada, depende, além da constituição
metalúrgica da chapa, também de sua espessura. Quanto maior a altura, maior será a
estampabilidade da chapa. Para o caso das chapas de aço ou outros metais não-ferrosos (latão,
alumínio) para estampagem, os fabricantes costumam classificá-los segundo o índice de
estampabilidade e espessura.
Recomenda-se que a carga de fixação da chapa seja de 10 000N. A chapa e o corpo esférico
deverão ser untados com um composto à base de graxa, grafite e óleo mineral.
Questionário – Resumo
1. Quais são os quatro tipos de ensaios destrutivos?
2. Qual a finalidade de cada um dos ensaios destrutivos?
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 170
3. Quais são as fórmulas para tensão e deformação?
4. Quais são as características do regime elástico e plástico?
5. O que significam no diagrama tensão-deformação do aço doce os pontos P, A, B, C e F? Cite
suas características.
6. Compare os diagramas de tensão-deformação de um aço endurecido com o de aço doce.
7. Dois materiais – um aço dúctil e um aço endurecido – devem ser ensaiados aplicando-se o
método de ensaio charpy. Qual o resultado? Explique o porquê.
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SENAI - 2009 171
Ensaios não-destrutivos
Objetivos
Ao final desta unidade, o participante deverá:
Conhecer
Estar informado sobre:
• Aplicação do ensaio de dureza shore para materiais moles;
• Tipos de ensaios especiais, tais como: espectro-magnético, líquidos penetrantes, ultra-som e
raio X.
Saber
Reproduzir conhecimentos sobre:
• Diversos tipos de ensaios de dureza: brinell, rockwell, vickers e suas aplicações;
• Penetradores, cargas aplicadas e características da medição;
• Utilização de tabelas de conversão de dureza;
• Características e aplicações dos ensaios especiais.
Ser capaz de
Aplicar conhecimentos para:
• Selecionar o tipo de ensaio em função da peça e condições dos materiais;
• Especificar cargas através de tabelas;
• Interpretar resultados obtidos em diversos ensaios.
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 172
Ensaio de dureza
Por definição, a dureza de um metal é a resistência que ele oferece à penetração de um corpo
duro.
Efetuamos o ensaio de dureza com os objetivos de:
• Conhecer a resistência do material quanto ao desgaste e à penetração;
• Comparar sua resistência e avaliar o tratamento térmico realizado;
• Verificar as possibilidades de usinagem do material.
Escalas de dureza
Em função dos materiais, características e métodos dos ensaios, temos vários tipos de escalas de
dureza:
• Brinell
• Rockwell
• Vickers
• Shore
• Mohs
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 173
Comparação entre as diversas escalas de dureza
Método de ensaio brinell
Esse método é baseado na relação existente entre a carga aplicada (F) a uma esfera que está
sobre a peça a ser controlada e a área da impressão produzida pela esfera na peça.
Execução do ensaio
d = 2
dd 21 +
HB = AF
= 22 dDD.(D.
F2
−−π
HB = número de dureza brinell
F = força aplicada (em kgf)
A = área da calota esférica (impressão)
D = diâmetro da esfera utilizada (em mm)
d = diâmetro da impressão ( em mm)
• Uma esfera de diâmetro (D) conhecido é comprimida por uma carga (F) também conhecida.
• Medem-se na impressão dois diâmetros (d1 e d2) perpendiculares entre si através de aparelho
ótico, e tira-se a média (d).
• Calcula-se a dureza pela fórmula acima. Na prática, usam-se tabelas que veremos a seguir.
Usando cargas e esferas diferentes, pode-se chegar a um mesmo valor de dureza. Por isso, foram
estabelecidas certas normas como segue:
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 174
1. a carga e a esfera devem ser escolhidas de modo que o diâmetro d da impressão obtida
esteja entre 0,25D<d<0,5D.
2. a carga usada depende do material a ser ensaiado e de sua espessura. Para manter a relação
do item 1 foram estabelecidos níveis de carga dados pela relação 2D
F.
Para metais excessivamente duros (HB maior que 500kgf/mm2) substitui-se a esfera de aço por
esfera de carboneto de tungstênio para minimizar a distorção da esfera, o que acarretaria em
valores falsos para d e, portanto, para HB.
Na prática usamos a tabela abaixo para determinar o diâmetro da esfera e a carga a ser utilizada.
Carga F (kgf)
Nível de carga F/D2
θθθθ
esfera
mm
Espessura
de
material
mm
30
aço e ferro
fundido
10
ligas Al
bronze latão
duro cobre
5
Al puro
zinco
2,5
metais para
mancais
1,25
Pb, Sn
metais
moles
10 acima 6 3 000 1 000 500 250 125
5 3 a 6 750 250 125 625 31,27
2,5 1,5 a 3 187,5 62,5 31,25 15,62 7,81
1 0,5 a 1,5 30 10 5 2,5 1,250
Aplicados para valores de
dureza brinell entre 90 a 415 30 a 140 15 a 70 até 30 até 30
Determinação da dureza brinell com tabelas
Relacionada a carga adequada e medindo-se a impressão efetuada na peça pela esfera,
podemos encontrar o valor da dureza brinell através de tabelas.
Tabela de dureza brinell D = 1mm
HB d
mm 30kgf 10kgf 5kgf 2,5kgf
0,200 945 315 158 78,8
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 175
0,202
0,204
0,206
0,208
0,210
926
908
890
873
856
309
303
297
291
286
154
151
148
146
143
77,2
75,7
74,2
72,8
71,3
0,212
0,214
0,216
0,218
0,220
840
824
809
794
780
280
275
270
265
260
140
137
135
132
130
70,0
68,7
67,5
66,2
65,0
Exemplo → usando uma esfera de 1mm de diâmetro e uma carga de 30kgf, obtém-se um
diâmetro da impressão d=0,212mm o que dá uma dureza de 840HB.
Aplicação do ensaio brinell
O ensaio brinell é usado especialmente para metais não-ferrosos, ferros fundidos, aços, produtos
siderúrgicos em geral e peças não temperadas.
É amplamente empregado pela facilidade de aplicação, pois pode ser efetuado em qualquer
máquina à compressão ou, mesmo, com aparelhos portáteis de baixo custo.
Simbologia
A dureza brinell possui uma indicação completa que fornece, inclusive, as condições do ensaio
como apresentada nos exemplos:
120HB5 / 250 / 30
↑ ↑ ↑ ↑ ↑
120HB – Dureza brinell
5 – Diâmetro da esfera
250 – Carga 250kgf
30 – Duração do ensaio
170HB2,5 / 62,5
170HB – Dureza brinell
2,5 – Diâmetro da esfera
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 176
62,5 – Carga kgf
10 a 15 – Duração do ensaio
Se o diâmetro da esfera for 10mm, a carga do ensaio for 3 000kgf e o tempo de duração for de
dez a quinze segundos, suprimem-se esses dados indicando somente o tipo de ensaio de dureza
(HB):
350HB
Cuidados especiais
• A espessura da peça a ser medida deve ser no mínimo igual a duas vezes o diâmetro da
impressão obtida.
• A superfície a medir deve ter um raio de curvatura no mínimo de cinco vezes o diâmetro da
esfera utilizada.
• Cada impressão deve estar distante de uma impressão vizinha, no mínimo 2,5 vezes o seu
diâmetro (distância de centro a centro).
• A carga de ensaio deve ser mantida sobre a peça a ser medida no mínimo durante trinta
segundos. Exceções: para materiais em que HB>300, esse tempo pode ser reduzido a dez
segundos. Para materiais moles em que HB<60, a carga deve ser mantida durante sessenta
segundos.
Método de ensaio rockwell
Nesse método as forças de ensaio agem em etapas, ou seja, nos modernos aparelhos de ensaio
tipo rockwell o grau de dureza pode ser verificado imediatamente no relógio acoplado ao aparelho.
Seqüência do ensaio
a)
Pré-carga
Relógio em 0.
b)
Carga total.
c)
Retirar a carga. Fazer
leitura.
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 177
D
F0
F0 + F1
U
to
f
t
=
=
=
=
=
=
=
Penetrador
Pré-carga
Carga nominal
Relógio 1 rotação = 0,2mm; Divisão = 0,002mm
Profundidade de penetração para pré-carga
Deflexão
Profundidade de penetração real
HRB = 130 - 0020t
,
HRC = 100 - 0020t
,
Dureza rockwell
1. Inicialmente, o penetrador é colocado em contato com a peça e é aplicada uma pré-carga
inicial de 10kgf.
2. Em seguida, gira-se a escala do relógio para o zero da escala coincidir com o ponteiro.
3. Aplica-se a carga de ensaio de 140kgf, ou seja, uma carga total de 150kgf.
4. A carga é mantida até o ponteiro do relógio parar.
5. Retira-se a carga (140kgf) mantendo-se a pré-carga. O ponteiro move-se para a esquerda,
devido à recuperação elástica do material.
6. Efetua-se a leitura da dureza diretamente na escala do relógio.
O método rockwell, que é muito usado por seu rápido emprego, é subdividido em dois grupos:
• Rockwell normal
• Rockwell superficial
Esses dois grupos são ainda decompostos em várias escalas (ver tabela anterior e próxima),
conforme a carga e o penetrador usado no ensaio.
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 178
Tabela de ensaios rockwell normal (pré-carga 10kgf)
Escala Penetrador Carga total
Kgf Campo de aplicação
Rockwell A Cone de diamante 1200 60 Aço cementado ou temperado Rockwell D Cone de diamante 1200 100 Aço cementado ou temperado Rockwell C Cone de diamante 1200 150 Aço cementado ou temperado Rockwell F Esfera de 1/16” 60 Aço, ferro, bronze, latão, etc.
até 240 brinell Rockwell B Esfera de 1/16” 100 Aço, ferro, bronze, latão, etc.
até 240 brinell Rockwell G Esfera de 1/16” 150 Aço, ferro, bronze, latão, etc.
até 240 brinell Rockwell H Esfera de 1/8” 60 Aço, ferro, bronze, latão, etc.
até 240 brinell Rockwell E Esfera de 1/8” 100 Aço, ferro, bronze, latão, etc.
até 240 brinell Rockwell K Esfera de 1/8” 150 Aço, ferro, bronze, latão, etc.
até 240 brinell Rockwell L Esfera de 1/4” 60 Material plástico Rockwell M Esfera de 1/4” 100 Material plástico Rockwell P Esfera de 1/4” 150 Material plástico Rockwell R Esfera de 1/2” 60 Material plástico Rockwell S Esfera de 1/2” 100 Material plástico Rockwell V Esfera de 1/2” 150 Material plástico
Tabela de ensaios rockwell superficial (pré-carga 3 kgf)
Penetrador Carga kgf Materiais
15N Cone de diamante 1200 15 Aços cementados ou temperados
30N Cone de diamante 1200 30 Aços cementados ou temperados
45N Cone de diamante 1200 45 Aços cementados ou temperados
15T Esfera de 1/16” 15 Aço, ferro e outros metais até 240HB, chapas, etc.
30T Esfera de 1/16” 30 Aço, ferro e outros metais até 240HB, chapas, etc.
45T Esfera de 1/16” 45 Aço, ferro e outros metais até 240HB, chapas, etc.
Na escala rockwell normal, os tipos mais importantes são o B e C (sendo os demais apenas
auxiliares). Na escala B o penetrador é uma esfera e na escala C o penetrador é um cone de
diamante.
Ao escolhermos o tipo de ensaio, devemos levar em consideração diversos fatores tais como:
• Material e tratamento térmico eventual.
• Espessura do material a ser controlado e porosidade, etc.
O ensaio HRB deve ser aplicado a materiais moles e o HRC a materiais duros e de média dureza.
Simbologia
A indicação da dureza rockwell é feita como nos exemplos abaixo:
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 179
45 HRC – dureza 45; penetrador cone
80 HRB – dureza 80; penetrador esfera
82 HR 15N – dureza 82; carga total 15kgf, N = rockwell superficial penetrador cone
77 HR 30T – dureza 77; carga total 30 kgf, T = rockwell superficial penetrador esfera 1/16”
Recomenda-se uma espessura mínima para a peça a ser medida igual a dez vezes o valor da
profundidade de penetração. As próximas tabelas fornecem as espessuras mínimas
recomendáveis em mm.
Espessura mínima (mm)
Dureza rockwell C Penetrador Carga
kgf Escala
20 30 40 50 60 70 80 90
Diamante 1200
60 100 150
A D C
1,1 1,4 1,8
0,9 1,3 1,6
0,8 1,1 1,4
0,7 1,0 1,2
0,6 0,8 1,0
0,5 0,7 0,8
Escala Dureza rockwell B Penetrador Carga
kgf 20 30 40 50 60 70 80 90 Esfera 0
1/16” 60
100 150
F B G
1,5 1,5
1,4 1,4
1,25 1,25
1,1 1,1 1,8
1,1 1,0 2,5
1,4 2,2
1,2 1,9
1,0 1,5
Quando se mede a dureza de peças cilíndricas pelo método rockwell C, devido à deformação da
peça, é necessária uma correção conforme a tabela seguinte.
Escala HRC – diâmetro da peça em mm 0/RC 6 10 13 16 19 22 25 32 38
20 25 30 35 40 45 50 55 60 65
3,0 2,5 2,0 1,5 1,5
3,0 2,5 2,0 2,0 1,5 1,0 1,0
3,0 2,5 2,0 2,0 1,5 1,5 1,0 1,0 1,0
2,5 3,0 2,0 1,5 1,5 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0
2,0 2,0 1,5 1,5 1,0 1,0 1,0 0,5 0,5 0,5
1,5 1,5 1,5 1,0 1,0 1,0 0,5 0,5 0,5 0,5
1,5 1,0 1,0 1,0 1,0 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5
1,0 1,0 1,0 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0 0
1,0 1,0 1,0 0,5 0,5 0,5 0,5 0 0 0
Os valores da tabela acima devem ser somados às leituras. Exemplo: numa peça com 0 de
10mm, se o resultado obtido no aparelho for 60RC, o resultado real deverá ser 60+1=61RC.
A tabela seguinte apresenta os fatores de correção para ensaio rockwell B.
Escala HRB – diâmetro da peça em mm 0/HRB 6 10 13 16 19 22 25
0 10 20 30
5,0
5,0 4,5 4,5
4,5 4,0 4,0 3,5
3,5 3,5 3,5 3,0
3,0 3,0 3,0 2,5
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 180
40 50 60 70 80 90
100
5,0 4,0 3,5
5,0 4,0 3,5 3,0 2,5
4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5
4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,5
3,0 3,0 2,5 2,0 1,5 1,5 1,0
2,5 2,5 2,0 2,0 1,5 1,5 1,0
2,5 2,0 2,0 1,5 1,5 1,0 0,5
Nota: As correções superiores a cinco pontos não são aceitáveis.
Cuidados especiais
• No primeiro ensaio rockwell, após a troca do penetrador, o resultado não deve ser
considerado, já que o penetrador ainda não está bem assentado no seu alojamento.
• A peça deve estar bem assentada sobre a mesa de apoio e devem estar bem limpas.
• O penetrador deve estar perpendicular à peça. É tolerada um inclinação de 70.
• Se, por engano, for ensaiada uma peça temperada com o penetrador de esferas, deve-se
trocar a esfera que ficará inutilizável.
• A carga deve ser aplicada sem choque e sem vibração, o que, nos aparelhos, é conseguido
por um amortecedor hidráulico.
Essa aplicação deve durar de seis a dez segundos. Nos metais moles, pode ser prolongada para
trinta segundos, devido à maior capacidade de deformação do material.
Método de ensaio vickers
Consiste em se comprimir um penetrador piramidal de diamante na peça. A pirâmide possui uma base tetragonal com um ângulo entre faces de 1360.
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 181
A compressão do penetrador na peça provoca uma impressão; determina-se a superfície da
impressão medindo-se as diagonais da área quadrada. Como sempre ocorrem diferenças entre as
diagonais, devemos considerar a média entre elas para cálculo da área.
Conhecendo-se a área e a carga aplicada, podemos estabelecer a dureza pela fórmula da figura
seguinte.
d = 2
dd 21 =
HV = AF
= 1,854 .2d
F
Onde:
HV = dureza vickers (kgf/mm2)
F = carga aplicada em kgf
A = área (mm2)
1,854 = constante
d = média das diagonais da impressão (mm)
Determinação da dureza vickers
Determinação de dureza vickers com tabelas
Conhecendo a média das diagonais da impressão e consultando a tabela de dureza vickers,
encontraremos a dureza do material que ensaiamos.
Existem durômetros universais modernos que oferecem a dureza diretamente em um mostrador
acoplado à máquina.
Simbologia
Quando o ensaio for realizado com 30kgf e uma duração de dez a quinze segundos conforme
norma, representamos assim:
640HV30
Se as condições forem diferentes, a especificação deve ser feita da seguinte forma:
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SENAI - 2009 182
108HV50/30
108 = dureza vickers
50 = carga 50kgf
30 = duração do ensaio em segundos
Vantagens do método vickers
A dureza vickers possui uma escala contínua, enquanto que a brinell possui uma escala que vai
somente até o valor de 300kgf/mm2.
A dureza vickers produz uma impressão pequena, o que evita a inutilização da peça.
Possui grande precisão de medida pois o penetrador não sofre deformação.
Aplicação do método vickers
Podemos utilizar o método vickers para determinar macro ou microdureza.
Para macrodureza a carga normal é de 30kgf, porém podem-se usar cargas entre 50 e 100kgf.
Podem também ser utilizadas cargas reduzidas, que variam de 0,1 a 2 kgf.
A macrodureza se aplica a uma vasta gama de materiais, exceto ferros fundidos e materiais
sinterizados.
O ensaio com cargas reduzidas é usado para pequenas molas, grampos, dureza de camada
cementada.
Microdureza vickers
Muitas aplicações da dureza vickers, mencionadas anteriormente estão atualmente voltadas para
o ensaio de microdureza.
O ensaio de microdureza é aplicado para determinar a profundidade de camadas cementadas ou
temperadas, dureza de constituintes individuais em uma microestrutura, dureza de materiais
frágeis e de peças extremamente finas.
A microdureza produz uma impressão microscópica no material, empregando-se uma carga
menor que 1kgf, com penetração de diamante. A carga pode chegar até 10kgf e a superfície do
corpo de prova deve ser plana para evitar distorções na dureza obtida.
Cuidados no ensaio de microdureza
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 183
• Preparação metalográfica do corpo de prova, em função da pequena carga.
• Polimento eletrolítico é preferível para evitar o encruamento do metal na superfície.
• Considerar a recuperação elástica do material quando utilizadas cargas menores que 300gf.
Os fatores acima provocam erros no ensaio, resultando em valores de dureza maiores que os
verdadeiros.
• Tempo de manutenção da carga deve ser em torno de dezoito segundos e a velocidade de
aplicação deve estar entre um e vinte microssegundos. Velocidades maiores fornecem valores
mais baixos de dureza.
• As máquinas devem ser freqüentemente calibradas e aferidas, pois erros na aplicação das
cargas alteram muito o valor da dureza principalmente no caso de cargas menores que 50kgf.
Aplicações da microdureza
• Peças de espessura delgada 0,03mm.
• Peças espelhadas utilizadas em instrumentos de precisão.
• Medição da dureza do gume da ferramenta.
• Ensaios em camadas duras e delgadas (cromação dura, nitretação, boretação, etc.).
• Determinar variação de dureza da periferia em função da descarbonetação.
• Determinação de dureza de microconstituintes da estrutura.
Designação do ensaio
Segundo norma ASTM e ASA
DPH500 345 – (microdureza 345, com penetrador em pirâmide de diamante, carga de 500 gramas).
Segundo norma ISO
345HV 500g – (microdureza 345, penetrador em pirâmide de diamante, carga 500 gramas, tempo
de aplicação da carga 10 a 15 segundos).
EHT corresponde à determinação da
profundidade da peça cementada, de
que se obtém um valor mínimo de
dureza correspondente à
especificação (figura ao lado). Por
exemplo:
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 184
Anomalias na impressão a) Losango irregular d1>d2 Causa: superfície irregular.
b) Afundamento d>dreal
Causa: ocorre afundamento do material em torno das faces do penetrador. Aparece em materiais recozidos.
c) Aderência d<dreal
Causa: aderência do material em torno do penetrador; geralmente ocorre em materiais encruados.
Ensaio de dureza shore
É um método dinâmico para a determinação de dureza que utiliza um aparelho conhecido como
escleroscópio shore.
Escleroscópio shore
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 185
A dureza é determinada pela altura do rebote de um pequeno martelo com ponta de diamante,
colocado no interior de um tubo de vidro graduado. A altura do rebote é medida na escala
graduada no tubo de vidro, dividida em 140 partes.
A norma E-448 da ASTM é uma das normas existentes para a dureza escleroscópica.
O comprimento, o peso do martelo, a altura de queda e o diâmetro da ponta de diamante
dependem de cada fabricante, mas todos os aparelhos shore indicam sempre a mesma dureza
para um mesmo material.
A máquina shore é leve, portátil e pode, portanto, ser adaptada em qualquer lugar, podendo medir
a dureza de peças muito grandes, impossíveis de serem colocadas nas máquinas de dureza por
penetração.
O tubo graduado deve ser colocado bem na vertical. É praxe fazer pelo menos cinco medidas de
dureza em pontos diversos do material para garantir bem o resultado.
O número de dureza lido é um número relativo e serve somente para a comparação de materiais.
Entretanto, verificou-se que existe uma relação entre a dureza shore e a dureza brinell.
Tabela de conversão entre dureza brinell e shore
Dureza brinell
Esfera de aço temperado
φφφφ 10mm
Carga 3 000kgf
Dureza shore
496
465
433
397
360
322
284
247
209
190
171
152
133
69
66
62
57
52
47
42
37
32
29
26
24
21
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 186
Existe também uma relação entre dureza e o limite de resistência a tração.
Relação entre dureza shore e o limite
de resistência
A escala de dureza shore é contínua, cobrindo toda a gama de variação de dureza dos metais.
Não é recomendada para peças muito finas, que possam mascarar a medida da altura do rebote.
Superfícies não lisas resultam em durezas menores que a real.
Tabela comparativa de durezas e de resistência a tração
Ensaio de dureza dos materiais (DIN50150)
Dureza rockwell Dureza
rockwell
Resistênci
a
Rm
N/mm2
Dureza
Vickers
HV
(F≥≥≥≥98N)
Dureza
brinell
HB HRC HRA HRB HRF
Resistênci
a
Rm
N/mm2
Dureza
vickers
HV
(F≥≥≥≥98N)
Dureza
brinell
HB HRC HRA
255
285
320
350
385
80
90
100
110
120
76
85,5
95
105
114
48
56,2
62,3
66,7
82,6
87
90,5
93,6
1 155
1 120
1 290
1 350
1 420
360
380
400
420
440
342
361
380
399
418
36,6
38,8
40,8
42,7
44,5
68,7
69,8
70,8
71,8
72,8
415
450
480
510
545
130
140
150
160
170
124
133
143
152
162
71,2
75
78,7
81,7
85
96,4
99
(101,4)
(103,6)
(105,5)
1 485
1 555
1 595
1 665
1 740
460
480
490
510
530
437
(456)
(466)
(485)
(504)
66,1
47,7
48,4
49,8
51,1
73,6
74,5
74,9
75,7
76,4
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 187
575
610
640
675
705
180
190
200
210
220
171
181
190
199
209
87,1
89,5
91,5
93,5
95
(107,2)
(108,7)
(110,1)
(111,3)
(112,4)
1 810
1 880
1 955
2 030
2 105
550
570
590
610
630
(523)
(542)
(561)
(580)
(599)
52,3
53,6
54,7
55,7
56,8
77
77,8
78,4
78,9
79,5
740
770
800
835
865
230
240
250
260
270
219
228
238
247
257
20,3
22,2
24
25,6
60,7
61,6
62,4
63,1
96,7
98,1
99,5
(113,4)
(114,3)
(115,1)
2 180
650
670
690
720
760
(618) 57,8
58,8
59,7
61
62,5
80
80,6
81,1
81,8
82,6
900
930
865
1030
1095
280
290
300
320
340
266
276
285
304
323
27,1
28,5
29,8
32,2
34,4
63,8
64,5
65,2
66,4
67,6
800
840
880
920
940
64
65,3
66,4
67,5
68
83,4
84,1
84,7
85,3
85,6
Podemos utilizar a tabela acima quando necessitamos saber uma dureza conhecendo outras.
Exemplo:
Ensaio hidrostático ou pneumático
Consiste em submeter tubulações, dutos, etc. a uma pressão interna, utilizando, para isso, um
líquido ou um gás.
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 188
Ensaio pneumático
Essa pressão dever ser duas vezes a pressão de serviço ou 1,5 vezes a pressão de projeto, no
caso de não haver uma norma específica para o ensaio.
A pressão pode ser tanto interna (bombas ou compressões) como externa (bombas de vácuo).
Líquidos penetrantes
São utilizados para detectar descontinuidades (trincas) superficiais, provenientes do tratamento
térmico ou dos processos de transformação-conformação.
Seqüência do ensaio
• Limpeza da superfície
A limpeza da superfície deve ser feita com um líquido solvente.
Ensaio com líquidos penetrantes
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 189
• Aplicação do líquido penetrante (normalmente em spray)
Deixa-se o líquido penetrante sobre a superfície por algum tempo, e remove-se o excesso da
superfície.
• Aplicação do líquido revelador
Devido à difusão do penetrante no revelador, a indicação torna-se sempre maior que a
descontinuidade.
Revelação da trinca
O ensaio com líquidos penetrantes é capaz de localizar qualquer tipo de descontinuidade
superficial em qualquer tipo de material.
Ensaio radiográfico
É um ensaio não-destrutivo de aplicação muito versátil.
Consiste na aplicação de raios X e Y, visando à obtenção de uma imagem nítida e fiel dos defeitos
que possam existir na estrutura de uma peça.
Baseia-se nas propriedades das radiações ionizantes de atravessarem os materiais opacos à luz,
absorvidas em maior ou menor proporção em função da natureza e espessura desses materiais.
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 190
Ensaio radiográfico
Raios X e Y
Os raios X são radiações eletromagnéticas geradas por um tubo de raios X, sendo sua energia e
intensidade reguláveis.
Os raios Y emitidos por isótopos radioativos também são radiações eletromagnéticas procedentes
da desintegração de núcleos atômicos de um elemento radioativo.
Propriedades dos raios X e Y
• São invisíveis ao olho humano.
• Propagam-se em linha reta e à velocidade da luz.
• Atravessam a matéria.
• Podem destruir células vivas.
Aplicação
Para a detecção de trincas internas ou poros em peças fundidas, soldadas, etc.
Proteção radiológica
A superexposição a raios X e Y podem provocar danos aos tecidos do corpo ou órgãos. Por esta
razão, estabelecem-se regras, regulamentos e procedimentos que devem ser sempre observados,
visando a uma proteção radiológica, tanto aos operadores como aos que trabalham nas
proximidades. Ensaio magnético
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 191
Esse ensaio consiste em magnetizar um corpo de prova e cobri-lo com finas partículas
magnetizáveis e interpretar a ocorrência de concentração local das partículas na superfície da
peça.
Ao criar-se um campo magnético num material ferromagnético (figura ao lado), as linhas de força
se distribuem homogeneamente no seu interior, exceto nas descontinuidades, onde sofrem
distorções que provocam um fluxo magnético mais denso.
Quando existem defeitos na peça, o local da trinca atrai um maior número de partículas, formando
uma camada larga e concentrada.
Os defeitos superficiais devem possuir uma certa profundidade para que sejam detectados. Além
de assinalar a existência de defeitos, o ensaio também indica a sua profundidade, visto que ela é
proporcional à concentração das partículas acumuladas.
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 192
O ensaio deve ser realizado em duas direções ortogonais, porque as descontinuidades ocorrem
em várias direções.
Nos materiais laminados ou trefilados é suficiente uma só direção, pois as descontinuidades são
sempre longitudinais.
Magnetização
A magnetização com corrente alternada deixa um reduzido magnetismo na peça, dispensando
desmagnetização posterior.
A corrente contínua proporciona maior penetração na peça (cerca de 5mm), no entanto é
necessário desmagnetizá-la.
Partículas magnéticas
As partículas magnéticas sob a forma de pó são de materiais de baixo poder remanescente.
Podemos aplicar o pó seco ou em suspensão num líquido com óleo, querosene, etc.
Geralmente, adicionam-se ao pó ou ao fluxo partículas fluorescentes que, ao serem submetidas a
radiações ultravioletas, após a magnetização, localizam os defeitos facilmente através dos brilhos
característicos.
Para maior realce e precisão na localização, as peças devem ser previamente limpas e
desengraxadas.
Aplicação do ensaio magnético
Em peças de aço ou ferro fundido, especialmente após a retificação, para detectar trincas.
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 193
Desmagnetização
Torna-se necessária a desmagnetização das peças para evitar, após sua montagem, um acúmulo
de partículas magnetizáveis danosas às peças.
Ensaios de ultra-som
Consiste na propagação de vibrações sonoras de alta freqüência através de um material.
Quanto mais alta a freqüência das ondas sonoras, tanto mais concentradas elas se propagarão.
Essas ondas têm um grande poder de penetração e propagam-se em linha reta.
Os ensaios de ultra-som são empregados para detecção de defeitos internos dos materiais, tais
como: trincas, bolhas, incrustações, etc., bem como para medir a profundidade desses defeitos na
peça.
Ensaio de ultra-som por transparência
Esse processo utiliza a porção ultra-sônica que se propaga diretamente através do corpo de
prova.
Num dos lados do corpo de prova, encosta-se um emissor sonoro e, no outro, um receptor (figura
abaixo, A, B, C).
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 194
Ensaio de ultra-som, processo de transparência
O posicionamento correto entre o emissor e o receptor é muito importante, pois o
posicionamento incorreto poderá evidenciar um defeito inexistente.
Irregularidade no posicionamento dos cabeçotes
Ensaio de ultra-som pelo processo impulso-eco
Esse processo, também chamado processo de reflexão do impulso, avalia defeitos nas peças
através da parte do som que é refletida.
A figura seguinte nos esclarece o princípio de formação do eco. Após a emissão da onda sonora,
ela se propaga no material até encontrar a parede posterior; quando isso ocorre, ela se reflete
num intervalo de tempo conhecido. A reflexão da onda sonora ocorre não só nas superfícies
posteriores, como também em regiões com defeitos, fissuras, trincas, etc.
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 195
A diferença do tempo de reflexão é que nos oferece a detecção do defeito, bem como sua
localização no interior da peça.
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 196
Questionário – Resumo
1. Com que objetivos são efetuados os ensaios de dureza?
2. Descreva os métodos brinell, rockwell e vickers, sob os seguintes pontos de vista: carga, corpo
de prova, valor a ser medido, materiais em que são aplicados.
3. Explique as seguintes especificações de dureza normalizadas:
- 170 HB 2,5/62,5
- 70 HRC
- 640 HV 30
- 210 HV 80/30
4. No método brinell, determine a carga F e o diâmetro da esfera utilizado para ensaiar ligas de
Al com espessura de 5mm, consultando a tabela.
5. Faça a conversão:
- 91,5 HRB em HB e em HV, utilizando a tabela comparativa de durezas.
6. Quais as características dos ensaios especiais: hidrostático, de líquidos penetrantes,
radiográfico, magnético e de ultra-som?
7. Onde e quando são aplicados os ensaios especiais?
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 197
Materiais plásticos
Objetivos
Ao final desta unidade, o participante deverá:
Conhecer
Estar informado sobre:
• Elementos químicos básicos dos plásticos.
Saber
Reproduzir conhecimentos sobre:
• Classificação dos termoplásticos, duroplásticos e suas características típicas;
• Tipos de conformação com materiais plásticos.
Ser capaz de
Aplicar conhecimentos para:
• Aplicações dos plásticos em função de suas propriedades.
Definições básicas
Elasticidade
Quando submetida a uma carga ou força, uma peça deforma-se e, quando é cessada a carga ou
força que sobre ela atua, deve voltar a sua forma ou posição original.
Plasticidade
Quando submetida a uma carga ou força, uma peça deforma-se permanente e definitivamente,
não ocorrendo o fenômeno do retorno como na elasticidade. Isso ocorre quando essa força
aplicada é superior ao limite elástico do material.
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 198
Combinação química orgânica
É uma combinação entre carbono, hidrogênio, oxigênio, nitrogênio e outros compostos, os quais
também existem nos organismos vivos.
Monômero
É a menor unidade molecular do plástico, constitui sua partícula elementar.
Polímero
É a combinação de monômeros por um processo chamado polimerização, formando uma cadeia.
Molécula
É a combinação química de dois ou mais átomos. Pode ser separada (decomposta) em átomos
através de processos químicos.
Macromoléculas
Consistem em milhares de moléculas formando grandes fios (macro = grande).
O que são plásticos?
Plásticos são materiais orgânicos, obtidos através do craqueamento do petróleo, da hulha e do
gás natural liquefeito, ao contrário de materiais naturais, como madeira e metal.
Plásticos e suas matérias primas
Materiais plásticos são tipos de um vasto grupo de materiais, construídos basicamente, ou em sua
maior parte, da combinação entre o carbono e hidrogênio, oxigênio, nitrogênio e outros compostos
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 199
orgânicos e inorgânicos de origem direta ou indireta do petróleo. Os plásticos apresentam-se no
estado sólido e líquido pastoso, quando são aplicados sobre eles temperatura e pressão.
A matéria-prima utilizada para a fabricação dos plásticos pode ser largamente combinada,
resultando novos polímeros que terão propriedades individuais.
Alguns plásticos são semelhantes à borracha, enquanto que algumas borrachas, tratadas
quimicamente, são consideradas plásticas. Outros plásticos são obtidos a partir de substâncias
naturais, como é o caso da celulose e da caseína (proteína extraída do leite).
Os materiais plásticos não são materiais vulgares, mas, sim, materiais nobres, capazes de
substituir muitos outros materiais. O amplo uso dos plásticos, na era moderna, pode ser atribuído,
em grande parte, às combinações de propriedades e vantagens somente oferecidas por essa
classe de substâncias.
O plástico se transforma em qualquer tipo de produto, por ser moldável, versátil, leve, e barato
quando comparado à madeira, ao alumínio, ao cobre e ao aço.
Ele pode transformar-se em todo tipo de produto, assumindo as mais diversas formas, desde os
mais comuns do dia-a-dia aos projetos mais sofisticados, como os plásticos resistentes à
temperatura e altamente impermeáveis à corrosão (termofixos em geral), criados para resistir à
temperatura das naves espaciais.
Os plásticos podem ser transformados em fios, moldados ou laminados, usinados, flexíveis ou
rígidos, transparentes ou opacos, incolores ou pigmentados (coloridos), pintados ou metalizados.
Demanda no mercado
A partir da Segunda Guerra Mundial (1939), aumentou a demanda de plásticos de todos os tipos.
Além dos vários tipos de plásticos já existentes, plásticos completamente novos foram
introduzidos no mercado.
Os anos de guerra tiveram enorme influência no crescimento rápido das indústrias de plásticos já
estabelecidas e deram impulso a muitas outras indústrias. O consumo de plástico no Brasil
triplicou no período de 1964/70, passando de 84 mil para 252 mil toneladas, chegando a 865 mil
toneladas em 1975.
Fundamentos da Mecânica - Materiais
SENAI - 2009 200
A produção mundial tem duplicado a cada cinco anos, sendo que três categorias representam
cerca de 60% do consumo total: o cloreto de polivinila (PVC), o polietileno (em alta ou baixa
densidade) e o poliestireno.
O poliestireno e o PVC têm uso no mercado de embalagens (sacos plásticos, tampas, garrafas),
no capeamento de fios e cabos, no revestimento de canais de irrigação, etc.
O PVC e o poliestireno estenderam seu uso ao mercado de móveis (capas, forros,
acolchoamentos, cadeiras pré-moldadas) e só o poliestireno, ao mercado de eletrodomésticos.
As fibras sintéticas, plásticos especiais, têm seu consumo voltado para a fabricação de peças de
vestuário (tergal, nycron, dracon, orlon), usos domésticos (tapetes) e industriais (cordas e
cordonéis para pneus).
Também chamadas de elastômeros, as borrachas sintéticas atendem a 70% das necessidades
mundiais, no Brasil, sua utilização chega a ser de 80% do total de borracha consumida. Isso por
apresentar vantagens sobre a natural, como maior resistência à abrasão e ao calor, mais
uniformidade no processamento, fluidez na moldagem e diversidade de tipos.
O negro de fumo, por exemplo, é insubstituível na fabricação de certos tipos de borrachas,
plásticos e tintas, sendo 90% de sua produção mundial aplicada à indústria de borracha, no setor
de pneumáticos.
Propriedades comuns de todos os plásticos
Todos os plásticos consistem em macromoléculas que possuem como principal elemento químico
o carbono (C); por isso, chamam-se também combinações orgânicas.
De um modo geral os plásticos apresentam as seguintes vantagens:
• Pouco peso (Y = 0,9 – 2,2g/cm3);
• Alta resistência à corrosão;
• Baixo coeficiente de atrito;
• Baixa condutividade térmica e elétrica;
• Boa aparência;
• Facilidade de trabalho;
• Boa resistência aos álcalis, às soluções salinas e ácidas.
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SENAI - 2009 201
Entre as desvantagens podemos enumerar:
• Baixa resistência ao calor;
• Baixa resistência mecânica (σ = 15 – 100N/mm2);
• Pouca estabilidade dimensional – deformam-se facilmente com qualquer variação de
temperatura;
• Alto coeficiente de dilatação (15 vezes maior que o do aço C);
• Não resistem aos ácidos concentrados, aos solventes orgânicos e aos hidrocarbonetos.
A obtenção dos plásticos
Os produtos básicos dos materiais plásticos são as resinas sintéticas, obtidas através de reações
químicas.
Polimerização
São reações químicas que ocorrem entre moléculas iguais (monômeros) quimicamente não
saturadas, que se unem (por rompimento das duas ligações) em longas cadeias, formando
macromoléculas (polímeros).
Polimerização
Essas reações não alteram a composição química molecular, portanto, são reversíveis.
Policondensação
São reações químicas que ocorrem entre moléculas iguais ou diferentes (contendo grupos
funcionais característicos) que, ao reagirem entre si, originam moléculas mais complexas, com
eliminação de água, álcool ou outro composto simples. Essas reações alteram a composição
química molecular, portanto, são irreversíveis.
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SENAI - 2009 202
Reação de policondensação
(elimina água)
Poliadição
É uma reação que ocorre entre moléculas de iguais ou diferentes características funcionais, sem
eliminação de nenhum outro elemento.
Poliadição
Um átomo da primeira molécula une-se à segunda molécula.
Classificação dos plásticos
Termoplásticos
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SENAI - 2009 203
São resinas que amolecem com o calor (superior a 800C) e endurecem com o frio. As
macromoléculas formam fios (linhas) (figura seguintes) e são ligadas somente pelas forças de
coesão e adesão, chamadas de forças de Van der Waals não existindo, portanto, na polimerização
uma reação química. Durante o aquecimento essas forças diminuem e as macromoléculas
tornam-se móveis. O plástico então amolece e pode ser transformado várias vezes. Os
termoplásticos também podem ser soldados.
Estruturas dos termoplásticos
Nas tabelas Propriedades e aplicações dos termoplásticos mais comuns, Características físicas e
de transformação dos termoplásticos mais comuns e Comportamento químico de alguns
termoplásticos quando em contato com agentes agressivos, apresentamos as propriedades,
aplicações e características físicas e químicas dos termoplásticos mais comuns.
Duroplásticos (termofixos)
São resinas obtidas por policondensação ou poliadição e portanto é uma reação irreversível.
As macromoléculas são ligadas
quimicamente, através de cadeias laterais
formando assim uma estrutura
tridimensional difícil de romper (figura ao
lado). Os duroplásticos não são
transformáveis após a primeira formação.
Também não podem ser soldados.
Estrutura dos duroplásticos
O material bruto pode ter a forma líquida ou sólida e é moldado por meio de pressão e calor que
são necessários para ocorrer a reação de policondensação ou poliadição.
Essas resinas, usualmente, são misturadas com farinha de soja, serragem ou pó de rocha, por
motivos econômicos, e com fibras, tecidos, papel e celulose para melhorar as características
mecânicas.
As resinas termofixas mais usadas são:
• Fenólica
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SENAI - 2009 204
• Uréica
• Melamínica
• Epóxi
• Poliéster
Nas tabelas Propriedades e aplicações dos termofixos mais comuns e Características
físicas e de transformação dos duroplásticos mais comuns apresentamos as propriedades,
aplicações e características físicas desses duroplásticos.
Elásticos
São plásticos cujas macromoléculas possuem poucas pontes de redes.
Estrutura dos elásticos
O elemento de formação das pontes é o enxofre, que também é responsável pelo fenômeno da
recuperação elástica do material (vulcanização).
Estão neste grupo a borracha natural, a borracha sintética e a borracha de silicone. Veja na tabela
Propriedades e aplicações de elásticos mais comuns as propriedades e aplicações desses
materiais.
Silicone
Os silicones diferenciam-se dos demais plásticos em razão da matéria-prima de que são
constituídos.
Enquanto todos os outros plásticos são constituídos de cadeias de átomos de carbono, os
silicones são constituídos de cadeias de átomos de silício.
Os silicones são menos ativos quimicamente do que os compostos de carbono e são mais
resistentes ao calor.
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SENAI - 2009 205
São usados como a borracha (veja a tabela Propriedades e aplicações de elásticos mais comuns,
vernizes, graxas e óleos que devem resistir a alta temperatura. São encontrados em produtos tais
como ceras para polimento, tinta, cosméticos, agentes antiespuma e fluidos dielétricos.
Propriedades e aplicações dos termoplásticos mais comuns
Símbolo DIN Propriedades Aplicações
Cloreto de polivinila – Nomes comerciais: Troriplas Vestolit Hostalit Geom.
PVC
Rígido
PVC
Flexível
Boa resistência, tenacidade e dureza, dielétrico.
Muito elástico, não é indicado para embalagens de
produtos alimentícios.
Tubos, placas, juntas, discos.
Mangueiras, frisos, guarnições, revestimento de fios
e cabos elétricos, botas, solas de sapato.
Polietileno – Nomes comerciais: Hostalen Vestolen Polietileno-U Carbide
PEHD (alta
densidade)
PELD (baixa
Elevada rigidez – boa dureza superficial, dielétrico,
resistente à ebulição.
Alta flexibilidade – boa resistência, baixa dureza
Garrafas, recipientes e vasilhas para uso doméstico,
revestimento de fios, conduítes, brinquedos.
Frascos flexíveis, saquinhos, embalagens, flores
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SENAI - 2009 206
densidade) superficial. artificiais.
Polipropileno – Nomes comerciais: Hostalen Vestolen P
PP Elevada estabilidade de forma ao calor – resistente a
choques – boa dureza superficial – esterilizável a
1200C – quebradiço a 00C.
Peças de automóveis, vasilhas, capacetes,
brinquedos.
Poliestireno – Nomes comerciais: Polystirol Vestyron
OS Grande rigidez e exatidão de medidas, resistente a
choques.
Peças para eletricidade e telecomunicações,
brinquedos, pratos, xícaras, garrafas, caixas para
telefone, rádio e TV.
Policarbonato – Nomes comerciais: Makrolon Lexan
PC Transparente como vidro, alta resistência,
estabilidade dimensional até 1400C, antitóxico,
inalterável ao tempo.
Peças para computadores, interruptores
automáticos, fotografias: filmes, câmaras, carretéis;
copos para filtros, semáforos, faroletes traseiros para
carros, capacetes, jarras para água, mamadeiras.
Poliamida – Nomes comerciais: Ultramid Durethan Nylon
PA Grande capacidade para suportar cargas dinâmicas
– dureza e rigidez elevada – resistência aos choques
– amortecedor de choques, ruídos e vibrações –
resistente à abrasão e ao desgaste – boas
propriedades de deslizamento.
Carcaças de aparelhos elétricos, engrenagens,
buchas, pás para ventiladores, rotores de bombas –
parafusos e porcas – revestimento de cabos e fios,
cordas, embalagens para produtos alimentícios.
Acrilonitrilo-Butadieno-Estireno – Nomes comerciais: Novodur Lustran Vestodur
ABS Duro resistente a choques – amortece vibrações acústicas
– antitóxico – permite a produção de produtos repuxados
a frio a partir de chapas.
Utensílios domésticos: batedeiras, geladeiras;
indústria automobilística, grades, indústria
radiofônica e fotográfica: caixas para rádio e TV,
filmes; caixas e teclados para máquina de escrever e
de calcular, brinquedos.
Características físicas e de transformação dos termoplásticos mais comuns
Nome Abreviatura Densidade
g/cm3
Resistência a
tração N/m2
Temperatura de
transformação 0C
Contração
de
moldagem
%
Temperatura
máxima no
serviço 0C
Cloreto de
polivinila rígido
PVC 1,45 30...50 175 – 200 0,1 – 0,2 65
Cloreto de
polivinila flexível
PVC 1,20 10...14 175 – 200 0,2 – 2,0 65
Polietileno alta
densidade
PEHD 0,96 25 185 – 220 2,0 – 4,0 120
Polietileno baixa
densidade
PELD 0,92 10 150 –175 1,5 – 3,0 90
Polipropileno PP 0,91 30...40 200 – 220 1,5 – 3,0 140
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SENAI - 2009 207
Poliestireno PS 1,05 50...75 180 – 210 0,4 – 0,6 80
Policarbonato PC 1,20 65 240 – 290 0,4 – 0,8 140
Poliamida
(nylon)
PA 1,15 60...80 180 – 290 1,0 – 2,5 100
Acrilonitrilo-
Butadieno
Estireno
ABS
1,05
180 - 250
0,3 – 0,8
90
Comportamento químico de alguns termoplásticos quando em contato com agentes agressivos
PVL PE PP PS PC PA ABS
concentrado ácidos fraco
E
E
I
E
E
I
E
I
I
E
concentrado álcalis fraco
E
E
I
E
E
I
E
I
E
E
álcoois E E C E E E
óleos minerais graxas
E C C E E E E
benzina E I I I E E E
esteres I C C I E I
éter I C C I I E I
cetona I C C I I I I
hidrocarbonetos clorados
I I I I I E I
benzol I I I I I E
carburante I I I I E
E – Estável
I – Instável
C – Condicionamento Estável
Propriedades e aplicações dos termofixos mais comuns
Nome Comercial Propriedades Aplicações
Resina fenólica fenol formaldeído (PF)
Baquelita
Reriform
Eshalit
Trolitan
Pertinax
Repelit
Trolitax
Isolante elétrico – resistência à pressão de 12 a
15kg/mm2 e resistência à tração de 2,5kg/mm2.
Impregnada em papel
São resistentes à umidade e se incham muito
pouco quando em contato com graxa ou óleo.
Plugs, tomadas elétricas, rádios, TV,
caixas para motores pequenos,
aspiradores, baterias.
Corpos para bobinas, pranchas e peças
de isolamento elétrico, tabuleiro de
instrumentos.
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SENAI - 2009 208
Ferroell
Lenax
Durcoton
Novatext
Resitex
Celeron
Impregnada em tecido
São bastante resistente à flexão e têm boa
tenacidade.
Engrenagens, buchas, aletas de
máquinas pneumáticas, martelos.
Resina uréica – Uréia formaldeído (UF)
Beetle
Plaskon
Baquelite
É inodora e transparente. Permitindo colorir-se
com cores claras, como o branco, etc.
Aparelhos elétricos, peças para
lâmpadas, coberturas, cola, pranchas
isolantes contra o calor e o ruído.
Resina melamínica – Melamina formaldeído (MF)
Melmac
Melurac
Características semelhantes à resina uréica –
resiste bem a água, calor e ácidos orgânicos.
As mesmas da resina uréica.
Resina epóxi (EP)
Araldite
Epirole
Epoxim
Metallon
Existem variedades desta resina – líquida e
sólida, transparentes, incolores e pastosas. Os
epóxis são inodoros e sódicos. No estado
líquido são venenosos, os vapores irritam a
pele, mas endurecidos tornam-se atóxicos.
Resistem aos ácidos e a lixívia.
Isolação em interruptores,
condensadores, conectores e aparelhos
elétricos em geral, adesivos para
metais, verniz ao fogo.
Misturada com quartzo, talco, grafite,
obtemos resina para fabricação de
moldes de fundição, etc.
Resina do poliéster – Poliéster insaturado (UP)
Thermaflow
Mylar
Kriston
É incolor e transparente, mas pode-se obter
qualquer cor por meio de corantes. Endurece
sob pressão.
Peças de rádio e TV, vidraças de avião,
carrocerias de carro.
Características físicas e de transformação dos duroplásticos mais comuns
Nome Abreviatura Densidade
g/cm3
Temperatura de
transformação
0C
Temperatura máxima no
serviço
0C
Fenol – Formaldeído
(baquelita)
F.F 1,25 – 1,37 149 – 177 160
Uréia – Formaldeído
(uréia)
U.F 1,45 – 1,55 135 – 188 135
Melamina Formaldeído
(melamina)
M.F 1,40 – 1,55 135 – 188 100
Poliéster
(com fibra de vidro)
- 1,6 – 2,1 120 – 180 120
Epóxi E.P 1,2 150
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SENAI - 2009 209
Propriedades e aplicações de elásticos mais comuns
Nome Propriedades Aplicações
Borracha natural Proveniente da seiva da seringueira (látex), ela é
aquecida com enxofre (vulcanização) para tornar-se
mais consistente mantendo a elasticidade.
Não resiste bem a muitos óleos e solventes.
Pneus, guarnições,
mangueiras.
Butadieno
estireno
(SBR)
- Propriedades semelhantes da borracha natural.
- Facilidade de produção.
- Um pouco inferior à borracha natural em
resistência à tração e resistência ao desgaste.
Comumente combinada
com a borracha natural e
usada nos mesmos
produtos.
Polímeros de
clorobutadieno
(cloropreno)
(neopreno)
Borracha de
silicone
- Alta resistência ao calor, luz, óleos e a produtos
químicos, boa resistência elétrica. Não é
processado como a borracha natural.
- Suporta temperaturas de trabalho até 1500C.
- Permanece elástica até –700C.
- Alta resistência a óleos e produtos químicos.
- O vapor reaquecido destrói a borracha de
silicone.
Mangueiras e guarnições
para óleo, particularmente
para temperaturas altas.
Pneus para serviço pesado.
Mangueiras, guarnições,
isolantes para fios, etc., que
devem resistir a
temperaturas extremas.
Materiais obtidos quimicamente de produtos naturais
Celulose sintética
Fibra vulcanizada, celulóide, celona e celofane.
Fibra vulcanizada
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SENAI - 2009 210
Massa específica 1,1 a 1,4kg/dm3. De cor natural cinzenta, adquirindo comumente as cores
marrom, roxa ou preta.
Emprego: guarnições, cabos para ferramentas, sapatas para freios.
Celulóide
Massa específica 1,38kg/dm3 (inflamável).
Emprego: placas de proteção, filmes, armação de óculos.
Celona
Massa específica 1,4kg/dm3 (não facilmente inflamável mas pega fogo).
É incolor e transparente mas com o tempo fica amarelada.
Emprego: pára-brisas, resinas, armação de óculos, capa intermediária para vidros de proteção.
Celofane
Papel transparente impermeável.
Chifre sintético
Massa específica 1,3kg/dm3. Esse material é fabricado de caseína (leite desnatado). Pode ser
tingido em todas as cores, é insípido e inodoro. Quando se queima, cheira a leite queimado. É
fácil de ser usinado e se deixa polir, a 700C é fácil de dobrar ou estampar.
Emprego: substitui o chifre e o marfim na fabricação de regüetas, réguas de cálculo, cabos para
facas e pentes.
É conhecido no mercado como Galalit, Berolit, Esbirith.
Usinagem de plásticos
Devido à baixa condutividade térmica dos plásticos, o calor gerado pelo atrito entre a ferramenta e
a peça durante a usinagem não se dispersa, provocando, então, uma combustão nos
duroplásticos.
Já os termoplásticos amolecem e ficam pastosos, o que dificulta o corte.
Portanto, durante a usinagem é muito importante que se faça um bom resfriamento com ar
comprimido.
Os duroplásticos produzem cavacos curtos e quebradiços, já os termoplásticos produzem cavacos
longos e contínuos.
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SENAI - 2009 211
As ferramentas a serem utilizadas:
- Metal duro – tipo K10 ou
- Aço rápido
Deve-se normalmente utilizar alta velocidade de corte e pouco avanço.
Características das ferramentas para usinagem de plásticos
Material Ferramenta Processo Ângulo de
folga
(α0)
Ângulo de saída (γ0)
Avanço mm/rot
Velocidade de corte
m/min
Duroplásticos com material de
enchimento orgânico
MD Tornear Furar
Serrar Fresar
8 6 – 8
10 – 15 10 – 20
12 – 25 6 – 10
3 20 – 25
0,1 – 0,3 0,1
manual 0,1 – 0,3
200 – 250 60 – 80
2500 – 3000 200 – 500
Duroplásticos com material de enchimento
inorgânico
MD Tornear Furar Serrar
Fresar
5 – 8 6 – 8
10 – 15
0 – 12 0 – 6
3
0,1 – 0,3 0,1
manual
até 40 20 – 40
até 1000
PVC Aço Ráp.
Tornear Furar
Serrar Fresar
15 8 – 10
30 – 40 25 – 30
0 3 – 5
0 – 8 0 – 25
0,1 – 0,2 0,1 – 0,5
0,1 – 0,5 0,3
200 – 500 150
3000 até 1000
Poliamida (Nylon)
Aço Ráp.
Tornear Furar Serrar
Fresar
8 – 10 8 – 15 30 – 40
25 – 30
40 – 50 3 – 5 5 – 8
25
0,1 – 0,3 0,1 – 0,3 manual
0,1
200 – 500 até 100
até 2000
até 1000
Acrílico Aço Ráp.
Tornear Furar
Serrar Fresar
5 – 10 3 – 8
30 – 40 25 - 30
0 – 5 3 – 5
0 – 8 0 – 25
0,2 – 0,4 0,1 – 0,4
manual 0,2 – 0,5
500 – 600 20 – 50
até 2000 até 1000
Processos de transformação
Injeção
Na moldagem de materiais termoplásticos aquece-se o material até um estado de fluidez e, em
seguida, por meio de pressão, é lhe dada a forma de um molde.
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SENAI - 2009 212
Molde para plástico
Finalmente, esfria-se a peça antes de extraí-la do molde.
Processo de moldagem por injeção
Na moldagem por injeção, a máquina injetora é alimentada com material granulado ou em pó. Se
necessário deve ser preaquecido em um cilindro adequado, onde o material se plastifica o
suficiente para que possa ser injetado sob pressão em um molde frio e fechado, desse molde
pode-se extrair a peça moldada após o seu resfriamento.
Máquina de moldagem por injeção
Extrusão
A extrusão é um processo extremamente versátil e entre os artigos fabricados por esse processo
incluem-se tubos, mangueiras, filmes, folhas, chapas, cabos elétricos, etc.
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SENAI - 2009 213
Extrusão de filmes
Revestimento por extrusão
A seqüência básica de processamento de um termoplástico em máquinas de extrusão é a que
segue:
a) Fluidificação de matéria-prima, em geral em forma granular.
b) Vazão controlada do produto fluidificado através de uma matriz que o molda na forma
desejada.
c) Solidificação do produto.
d) Enrolamento ou corte final.
As fases a e b são realizadas realmente na máquina de extrusão, enquanto que as fases c e d
podem ser chamadas de acabamento e se realizam em equipamentos auxiliares.
A máquina de extrusão em si é constituída de um parafuso de Arquimedes, que gira dentro de um
cilindro aquecido, em relação ao qual mantém uma folga muito pequena.
Termoformação
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SENAI - 2009 214
Na termoformação, uma chapa de plástico amolecida pelo calor recebe uma determinada forma,
seja dentro de um molde, seja ao seu redor.
A termoformação pode ser dividida em três tipos principais:
Formação a vácuo
Em sua formação mais simples, o método consiste em fixar a folha num quadro ligado à caixa de
molde.
A chapa é aquecida até ficar com a consistência de borracha e, por meio de vácuo, é estirada por
sobre o molde.
A pressão atmosférica, que existe acima da folha, força-a contra o molde enquanto é resfriada
suficientemente para poder manter a sua forma definitiva.
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SENAI - 2009 215
Formação a vácuo (esquema)
Formação sob pressão ou por pressão
É o mesmo caso anterior, com a diferença que se aplica à folha aquecida uma pressão positiva de
maior ou menor intensidade.
Sopro
Aplicado na produção de
garrafas. Introduz-se um
tubo pré-formado em
estado plástico na matriz e
injeta-se ar (sopra-se). A
figura ao lado mostra a
seqüência de formação da
peça.
3
Sopro (esquema)
Calandragem
É o processo pelo qual se fabrica uma
chapa contínua passando o material
amolecido pelo calor entre dois ou mais
cilindros. As calandras foram originalmente
projetadas para o processamento de
borracha, porém, atualmente são utilizadas
também para a produção de lâmina dos
termoplásticos, especialmente de PVC
flexível e para a preparação de
revestimentos sobre papel, tecidos, etc.
Calandragem (esquema)
Moldagem por compressão
Usa-se principalmente na fabricação de produtos, basicamente de plásticos termofixos, embora
possa ser também facilmente aplicada aos trabalhos com termoplásticos.
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SENAI - 2009 216
Moldagem por transferência
É um processo em peças que possuem muitos detalhes. O processo consiste no carregamento de
uma certa quantidade de pó de moldagem em uma câmara aquecida, fora do molde, onde atinge
um estado suficientemente plástico que permite sua passagem (sob pressão) através de uma
abertura adequada, para dentro de um molde, fechado desde o início.
Questionário – Resumo
1. Quais são as vantagens e as desvantagens apresentadas pelos plásticos em geral?
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SENAI - 2009 217
2. Quais são as diferenças fundamentais entre os termoplásticos e os duroplásticos?
3. Descreva as reações de polimerização, policondensação e poliadição.
4. Quais são as propriedades e aplicações do cloreto de polivinila (PVC), polietileno ((PE),
acrílico (PMMA) e poliestireno (PS)?
5. Quais as propriedades da resina fenólica, fenol formaldeído (PF) e da resina epóxi (EP)?
6. Descreva os processos de termoformação dos materiais plásticos.