Tecnologia dos Materiais - IFBA

Tecnologia dos Materiais - IFBA

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Ministério da Educação

Secretaria de Educação Profissional e Tecnológica

CURSO TECNICO DE MECÂNICA 2009

Aço superduplex SAF 2507 Laboratório de Metalografia

Professoras: Maria Dorotéia Costa Sobral Dilcian Gomes Ribeiro de Oliveira

A apostila é uma compilação de textos, alguns com pequenas modificações, da bibliografia recomendada, e não substitui os livros.

Bibliografia Recomendada

Editora Globo

A bibliografia denominada de básica pode ser encontrada na Biblioteca do IFBA. Os três volumes do Chiaverini, Tecnologia Mecânica [1] contém todo o assunto estudado em Tecnologia dos Materiais, exceto a parte referente à prática de Metalografia, que pode ser encontrada no livro de Colpaert [5]. O livro que melhor explica os ensaios mecânicos é o livro de Souza [2]. O livro de Remy [6] foi escrito em linguagem mais simples, mas a norma utilizada é a alemã (DIN) e não a que é usada no Brasil (ABNT). Da lista da bibliografia complementar, os livros mais baratos são os do Telecurso 2000 da

Básica 1. Chiaverini, Vicente. Tecnologia Mecânica. Vol. I, I e II. Ed. McGraw-Hill. 1986.

2. Souza, S. Augusto. Ensaios Mecânicos de Materiais Metálicos. Editora Edgard

Blutcher Ltda. 1982. 3. Chiaverini, Vicente. Aços e Ferros Fundidos. ABM. 1987. 4. Van Vlack, L. H. Princípios de Ciência e Tecnologia dos Materiais. Ed. Campus. 1970. 5. Colpaert, Hubertus, Metalografia dos produtos siderúrgicos comuns. 1969. 6. Remy, A., Gay, M. e Gonthier, R. Materiais. Ed. Hemus. 7. Coutinho, Telmo de Azevedo. Análise e Prática Metalográfica. Ed. 8. Fazano, Carlos Alberto T. V. A Prática Metalográfica. Ed. 9. Catálogos Técnicos (diversos) 10. Costa e Silva, A. L. e Mei, P. R. Aços e Ligas Especiais. Villares Metals S. A. 1988. Complementar

• Higgins, R. A. Propriedades e Estrutura dos Materiais em Engenharia. Editora Difel. 1982.

• Coutinho, C. Bottrel. Materiais Metálicos para Engenharia. 1992.

• Garcia, Amauri; Spim, J. A. e Santos, C. A. dos. Ensaios dos Materiais, Editora LTC. 2000.

• Telecurso 2000, Apostila. Mecânica, Ensaios. Editora Globo. 1995

• Telecurso 2000, Apostila. Mecânica, Materiais. Editora Globo. 1995.

• Telecurso 2000, Apostila. Tratamentos Térmicos e Tratamentos de Superfície. Editora Globo. 1995

• Freire, J. M. Materiais de Construção Mecânica. L. T. C. 1983.

Como você se sentiria se a chave que acabou de mandar fazer quebrasse ao dar a primeira volta na fechadura? Ou se a jarra de vidro refratário que a propaganda diz que pode ir do fogão ao freezer trincasse ao ser enchida com água fervente? Ou ainda, se o seu guarda-chuva virasse ao contrário em meio a um temporal? É. Hoje em dia ninguém se contenta com objetos que apresentem esses resultados. Mas por longo tempo essa foi a única forma de avaliar a qualidade de um produto! Nos séculos passados, como a construção dos objetos era essencialmente artesanal, não havia um controle de qualidade regular dos produtos fabricados. Avaliava-se a qualidade de uma lâmina de aço, a dureza de um prego, a pintura de um objeto simplesmente pelo próprio uso. Um desgaste prematuro que conduzisse à rápida quebra da ferramenta era o método racional que qualquer um aceitava para determinar a qualidade das peças, ou seja, a análise da qualidade era baseada no comportamento do objeto depois de pronto. O acesso a novas matérias-primas e o desenvolvimento dos processos de fabricação obrigaram a criação de métodos padronizados de produção, em todo o mundo. Ao mesmo tempo, desenvolveram-se processos e métodos de controle de qualidade dos produtos. Atualmente, entende-se que o controle de qualidade precisa começar pela matéria-prima e deve ocorrer durante todo o processo de produção, incluindo a inspeção e os ensaios finais nos produtos acabados. Nesse quadro, é fácil perceber a importância dos ensaios de materiais: é por meio deles que se verifica se os materiais apresentam as propriedades que os tornarão adequados ao seu uso. Que propriedades são essas, que podem ser verificadas nos ensaios?

Para que servem os ensaios? Se você parar para observar crianças brincando de cabo-de-guerra, ou uma dona de casa torcendo um pano de chão, ou ainda um ginasta fazendo acrobacias numa cama elástica, verá alguns exemplos de esforços a que os materiais estão sujeitos durante o uso. Veja a seguir a representação esquemática de alguns tipos de esforços que afetam os materiais.

Figura 1. Tipos de esforços a que estão submetidos os materiais.

É evidente que os produtos têm de ser fabricados com as características necessárias para suportar esses esforços. Mas como saber se os materiais apresentam tais características? Realizando ensaios mecânicos! Os ensaios mecânicos dos materiais são procedimentos padronizados que compreendem testes, cálculos, gráficos e consultas a tabelas, tudo isso em conformidade com normas técnicas. Realizar um ensaio consiste em submeter um objeto já fabricado ou um material que vai ser processado industrialmente a situações que simulam os esforços que eles vão sofrer nas condições reais de uso, chegando a limites extremos de solicitação.

Onde são feitos os ensaios Os ensaios podem ser realizados na própria oficina ou em ambientes especialmente equipados para essa finalidade: os laboratórios de ensaios. Os ensaios fornecem resultados gerais, que são aplicados a diversos casos, e devem poder ser repetidos em qualquer local que apresente as condições adequadas. São exemplos de ensaios que podem ser realizados na oficina: Ensaio por lima - É utilizado para verificar a dureza por meio do corte do cavaco. Quanto mais fácil é retirar o cavaco, mais mole o material. Se a ferramenta desliza e não corta, podemos dizer que o material é duro. Ensaio pela análise da centelha - É utilizado para fazer a classificação do teor de carbono de um aço, em função da forma das centelhas que o material emite ao ser atritado num esmeril. Por meio desses tipos de ensaios não se obtêm valores precisos, apenas conhecimentos de características específicas dos materiais. As informações servem de comparação entre os materiais.

Corpo de prova

Extensômetro

Garras de fixação

Cabeçote móvel

Base fixa

Dinamômetro

Figura 2. Máquina de Ensaios Universal.

Os ensaios podem ser realizados em protótipos, no próprio produto final ou em corpos de prova e, para serem confiáveis, devem seguir as normas técnicas estabelecidas.

Imagine que uma empresa resolva produzir um novo tipo de tesoura, com lâmina de aço especial. Antes de lançar comercialmente o novo produto, o fabricante quer saber, com segurança, como será seu comportamento na prática. Para isso, ele ensaia as matérias-primas, controla o processo de fabricação e produz uma pequena quantidade dessas tesouras, que passam a ser os protótipos. Cada uma dessas tesouras será submetida a uma série de testes que procurarão reproduzir todas as situações de uso cotidiano. Por exemplo, o corte da tesoura pode ser testado em materiais diversos, ou sobre o mesmo material por horas seguidas. Os resultados são analisados e servem como base para o aperfeiçoamento do produto. Os ensaios de protótipos são muito importantes, pois permitem avaliar se o produto testado apresenta características adequadas à sua função. Os resultados obtidos nesses testes não podem ser generalizados, mas podem servir de base para outros objetos que sejam semelhantes ou diferentes. Já os ensaios em corpos de provas, realizados de acordo com as normas técnicas estabelecidas, em condições padronizadas, permitem obter resultados de aplicação mais geral, que podem ser utilizados e reproduzidos em qualquer lugar.

Propriedades dos materiais Todos os campos da tecnologia, especialmente aqueles referentes à construção de máquinas e estruturas, estão intimamente ligados aos materiais e às suas propriedades. Tomando como base as mudanças que ocorrem nos materiais, essas propriedades podem ser classificadas em dois grupos: · físicas;

· químicas. Se colocarmos água fervente num copo descartável de plástico, o plástico amolece e muda sua forma. Mesmo mole, o plástico continua com sua composição química inalterada. A propriedade de sofrer deformação sem sofrer mudança na composição química é uma propriedade física. Por outro lado, se deixarmos uma barra de aço-carbono (ferro + carbono) exposta ao tempo, observaremos a formação de ferrugem (óxido de ferro: ferro + oxigênio). O açocarbono, em contato com o ar, sofre corrosão, com mudança na sua composição química. A resistência à corrosão é uma propriedade química. Entre as propriedades físicas, destacam-se as propriedades mecânicas, que se referem à forma como os materiais reagem aos esforços externos, apresentando deformação ou ruptura.

Propriedades mecânicas

As propriedades mecânicas constituem as características mais importantes dos metais para sua aplicação no campo da engenharia, visto que o projeto e a execução das estruturas metálicas, quer móveis, quer fixas, assim como a confecção dos componentes mecânicos são baseados no seu conhecimento. As propriedades mecânicas definem o comportamento de um material quando sujeito a esforços mecânicos e correspondem às propriedades que, num determinado material indicam a sua capacidade de transmitir e resistir aos esforços que lhe são aplicados, sem romper ou sem que se verifiquem deformações incontroláveis. Esses esforços mecânicos são os mais variados. Eles podem significar a aplicação de uma carga de modo lento e gradual; neste caso a natureza do esforço é estática, como tração, compressão, dobramento, torção etc. A aplicação da carga pode ser feita de modo repentino como o choque. Sua natureza é dinâmica. Finalmente os esforços podem ser repetidos, a carga variando repetidamente, seja em valor, seja em direção, como na fadiga. Para ter-se uma melhor visão do comportamento dos metais quando sujeitos a esses tipos de esforços - para o que se utilizam os chamados “ensaios mecânicos” – é necessário definir com precisão alguns conceitos fundamentais.

Definições – Na determinação das propriedades mecânicas, aplicam-se cargas expressas em kgf. Como resultado dessa aplicação, ocorre uma distribuição interna de forças ou componentes de forças que pode resultar numa mudança na forma da peça submetida à carga. Define-se tensão como a intensidade dessas forças, correspondendo, portanto, à carga dividida pela secção transversal do corpo. A tensão é expressa em kgf/mm2 ou MPa1.

Há três tipos básicos de tensões, em função do tipo de carga aplicada:

Plano de tensão

Tração Compressão Cisalhamento Figura 3. Tensões em função da carga aplicada.

- tensão de tração, na qual há uma tendência de separação do material em duas partes, em relação ao plano de tensão; - tensão de compressão, que é o inverso da tração; as partes do material adjacentes ao plano de tensão tendem a comprimir-se uma contra a outra; - tensão de cisalhamento, em que as duas partes tendem a escorregar uma sobre a outra.

Matematicamente, há somente dois tipos de cargas ou de tensões, pois a compressão pode ser considerada como a versão negativa da tração.

Deformação: é a mudança dimensional que se verifica no material como resultado da carga aplicada. Exprime-se quase sempre em porcentagem. Contudo, na torção por exemplo, a deformação está relacionada com o ângulo de torção, expresso em radianos. Resistência(strength): é a carga ou tensão máxima suportada pelo material dentro de determinadas condições; por exemplo, resistência elástica, resistência à carga máxima, resistência à ruptura, etc. Ductilidade: corresponde à capacidade de um material poder ser deformado apreciavelmente antes de romper. O aço de baixo carbono, por exemplo, é uma liga de grande ductilidade. Os materiais não dúcteis são chamados de frágeis, sendo a fragilidade a característica correspondente. Exemplo: ferro fundido cinzento. Dureza: ela é, na realidade, uma medida de resistência à penetração de uma ponta (esférica, cônica ou piramidal constituída de material duro) oferecida pelo material do cdp; Módulo de elasticidade: corresponde à relação entre a tensão e deformação no regime elástico; é uma medida da rigidez, pois quanto maior for, menor será a deformação elástica para uma dada tensão aplicada, e assim se constitui num importante parâmetro para o projeto do produto. Tenacidade: corresponde à quantidade de energia necessária para romper um material, podendo, portanto, ser medida pela quantidade de trabalho por unidade de volume necessário para levar o material à ruptura sob a ação de carga estática. A tenacidade pode ser expressa em Joules/m3.

Fadiga: as falhas de componentes metálicos em serviço, na maioria das vezes, decorrem devido à fadiga provocada por solicitações cíclicas. A fratura apresenta características frágeis e é influenciada por diversos fatores como pontos de concentrações de tensões residuais e outros. Resistência ao choque: a solicitação dinâmica das peças metálicas por impacto é um dos fatores que conduz a fratura também com características frágeis. Os ensaios de choque são padronizados nos ensaios Charpy e Izod. Resistência à fluência: as solicitações mecânicas podem provocar, a partir de uma determinada temperatura, a deformação plástica em função do tempo à tensão ou carga constante; essa propriedade é fundamental para o projeto de componentes de máquinas e estruturas que devem operar em temperaturas elevadas.

Coeficiente de segurança e tensão admissível de trabalho. Ao projetar-se uma estrutura ou um componente mecânico, depois de conhecidas as tensões às quais as peças estão sujeitas, lança-se mão de um fator chamado fator de segurança, ou coeficiente de segurança pelo qual é dividida a resistência adotada para o material escolhido. O coeficiente de segurança é, portanto, um número empírico pelo qual a resistência do material é dividida de modo a obter-se uma tensão conservadora, por assim dizer. O resultado desse quociente é chamado tensão admissível de trabalho. São inúmeras as razões pelas quais a tensão de trabalho de um membro de uma estrutura ou de uma máquina deve corresponder a um valor inferior à resistência do material. Em primeiro lugar, os materiais de construção, em particular, os metais, tendem a deteriorar-se em serviço, pela ação do meio ambiente. Em segundo lugar, ocorrem freqüentes variações na distribuição das tensões adotadas no projeto, além de surgirem ocasionalmente sobrecargas. Em terceiro lugar, é difícil garantir-se perfeição na fabricação de uma determinada peça metálica, além de poderem ser introduzidas variações de tensões adicionais no transporte, montagem e instalação da máquina ou da estrutura. Nessas condições, o comportamento do material pesquisado em laboratórios de ensaios mediante a determinação de suas propriedades em amostras pode divergir do seu verdadeiro comportamento na prática. Os fatores ou coeficientes de segurança variam grandemente em função do tipo de carga, do tipo de material e das condições de serviço. Para materiais dúcteis que se deformam antes de romper, os seus valores variam de 1,5 a 4. Para materiais frágeis quem rompem bruscamente, sem qualquer aparente deformação prévia, os coeficientes de segurança podem atingir valores de 5 a 8. Em resumo, os membros de máquinas e estruturas, principalmente quando sujeitos a cargas estáticas, raramente rompem em serviço graças ao coeficiente de segurança, a não ser que fiquem repentinamente sujeitos a uma carga acidental de considerável grandeza. No caso de partes móveis de máquinas, as falhas ocorrem mais freqüentemente pela presença de cargas dinâmicas ou cíclicas.

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