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Materiais de Construção Mecânica
Classificação dos materiais utilizados em equipamentos mecânicos em geral:
Introdução :
Um bom conhecimento de materiais é importante não só para quem projeta ou constroí como para aquele que simplesmente realiza manutenção de equipamento mecânico (saber substituir um material por outro). Para tanto o material deverá ser avaliado sob dois aspectos fundamentais: suas qualidades mecânicas e seus custos de matéria - prima e de produção. Também é com o conhecimento das propriedades dos materiais que podemos escolher os fatores de segurança e estes influem decisivamente na parte econômica do projeto. O número de materiais usados na construção mecânica é elevadíssimo, bastando dizer que só de aços existem várias centenas de tipos. Se considerarmos um automóvel por exemplo, veremos que o número de materiais diferentes que o compõem, ultrapassa uma centena. Como exemplo, podemos citar que as válvulas de admissão e escapamento são feitas contendo silício, cromo e níquel e a segunda pode ser de um aço especial contendo silício e cromo em percentagens diferentes. Já nos motores de avião as válvulas de escapamento podem ser ocas e cheias de sódio ou mercúrio.
Ao estudarmos a classe dos materiais metálicos podemos dividi-los em dois grupos distintos: ferrosos e não ferrosos.
Materiais metálicos ferrosos
Dê uma forma geral podemos dividir os mesmos em dois grupos distintos, mais importantes:
aço : liga Fe-C contendo geralmente de 0,008 até cerca de 2% de C (carbono), além de certos
elementos residuais do processo, sendo um material tenaz, de excelentes propriedades, de fácil trabalho, podendo também ser forjável. Principais influências do carbono nas propriedade do aço: Aumento da dureza Aumenta o limite de resistência e limite de escoamento Redução da ductilidade Diminui a tenacidade Diminuição do alongamento Aumenta a temperabilidade (formação da martensita)
Dificulta a soldagem (endurecimento e trincas na solda e na ZAT – zona afetada termicamentre) Justificativa: hidrogênio do revestimento do eletrodo fica retido no cordão da solda (usar eletrodo de baixo teor de hidrogênio, com pós – aquecimento para liberar hidrogênio) Ver gráfico a seguir:
Os aço podem ser classificados em:
Aços ao carbono comum : são os aços cujos elementos residuais estão em pequenas
percentagens, ou seja, a liga é formada basicamente por ferro e carbono.
Aços liga : são os aços ao carbono que recebem a adição de um ou mais elementos químicos
(cromo, níquel, molibdênio, vanádio, etc.) de modo a melhorar a qualidade deste. Causas principais para uso dos aços ligados: Alta temperatura; fator fluência Baixas temperaturas: fratura frágil Corrosão Exigência de não contaminação Segurança Obs.: Usaremos os aços especiais ou ligados quando quisermos aliar resistência mecânica com o fator peso das peças, através da diminuição do tamanho / secção das mesmas. Limites de carbono para soldagem em equipamentos de processo químico:
- 0,26%: limites para partes soldadas sujeitas a pressão ou a outros esforços principais, em vasos de pressão importantes.
- 0,30%: limite para outras partes soldadas em vasos de pressão importantes, bem como para tubulações soldadas, tanques sem pressão e vasos de baixa responsabilidade.
- 0,35%: limite máximo admissível para qualquer parte soldada.
ferro fundido : liga Fe-C com 2<C<6,7%: material amplamente empregado na construção
mecânica, e que, mesmo não possuindo a resistência do aço, pode substitui-lo em diversas aplicações, muitas vezes com grandes vantagens. Como esses materiais são fáceis de serem trabalhados, com eles é construída a maior parte das máquinas, ferramentas, estruturas, bem como instalações que necessitam materiais de grande resistência.
Materiais metálicos não ferrosos
A maioria dos metais, à temperatura ambiente, se apresenta em estado sólido. O mercúrio, gálio, rubídio e césio se apresentam em estado líquido. Na prática, todos os metais são passíveis de constituírem ligas quando associados a outros.
Materiais não metálicos
Existem inúmeros materiais não metálicos, que podem ser divididos em: Naturais: madeiras couros, fibras, algodão, linho, amianto, etc. Artificiais ou sintéticos: baquelite, celulóide, acrílico, tintas, vernizes, esmaltes, etc. Os mateiras plásticos estão sendo empregados em um número cada vez maior de casos como substitutos dos metais. Daí a necessidade de conhecermos um pouco mais sobre estes materiais, razão pela qual voltaremos a esse assunto mais para a frente, em nosso curso.
Tabela 1: Custo relativo dos materiais de construção mecânica
Materiais Custo relativo materiais Custo relativo
Aço carbono estrutural 1,00 Aço inoxidável tipo 321 13, Aço carbono qualificado 1,15 Aço inoxidável tipo 410 6, Aço carbono acalmado (Si) 1,25 Ferro fundido 0, Aço liga ½ Mo 2,3 Latão de alumínio 7, Aço liga 1 ¼ Cr – ½ Mo 3,1 Latão almirantado 7, Aço liga 5 Cr – ½ Mo 4,5 Cobre – Níquel 90-10 22, Aço liga 3 ½ Ni 3,0 Cobre – Níquel 70-30 27, Aço inoxidável tipo 304 8,6 Alumínio 2, Aço inoxidável tipo 304L 13,3 Metal Monel 31, Aço inoxidável tipo 310 13,5 Titânio 41, Aço inoxidável tipo 316 11,1 Incoloy 48,
Na comparação dos custos dos materiais, devem ainda ser levados em consideração os seguintes pontos:
- Resistência a corrosão dos diversos materiais. Em um material que seja menos resistente a corrosão, deverá ser acrescentada uma sobre espessura de sacrifício, aumentando, assim, a espessura total e o peso do material. Reciprocamente, poderá em muitos casos ser conseguida uma economia de peso e de custo, com o emprego de um material mais resistente a corrosão, ainda que mais caro.
- Maior ou menor dificuldade de soldagem, pois há materiais que exigem técnicas especiais de soldagem, tratamentos térmicos e também métodos mais rigorosos mais caros de inspeção das soldas.
- Maior ou menor facilidade de conformação e de trabalho do material.
- Necessidade ou não de alívio de tensões após a solda, o que é necessário quando o material a ser soldado ultrapassa certos valores de espessura, em função do tipo de material que se está trabalhando.
P ropriedades físicas dos materiais
Incluem-se neste grupo, as propriedades inerentes dos materiais relativas a sua constituição, composição química e forma de obtenção. São elas que definem o que é o material. Restringem as aplicações de cada material. São aquelas inerentes à composição química e forma de obtenção. São aquelas que definem o que é o material.
a) peso especifico: É o peso correspondente a massa existente em uma unidade de volume do material considerado. É ele quem define qual material deve ser conforme haja necessidade de alívio de peso ou de maior lastro. A unidade usualmente usada em mecânica para o peso específico é o kg/dm 3. Ex.: feixe de tubos para trocadores de calor.
1- Calcular o peso da chapa de aço abaixo sabendo-se que a mesma tem 1,5 x 2,5 m e espessura de ¼”. (F 07 2 aço = 7,85 x 10-6^ kg/mm^3 )
2- Calcular o peso de uma barra de F 0D 8 igual a 2” e comprimento de 6 m, cujo material é o alumínio. Ver tabela peso específico nos anexos.
superficial : idem, em duas direções. (ex.: chapas). É também conhecida por
dilatação superficial.
Volumétrica : é aquela em que se considera a dilatação em três direções.
Dilatação em líquidos : Aumentando-se a temperatura da H 2O entre 0 oC e 4 oC,
há uma diminuição do volume, a partir dai há um aumento deste volume. Como os líquidos estão contidos em recipientes sólidos, a dilatação realmente sofrida pelo líquido é igual a soma da dilatação aparente do líquido com a dilatação volumétrica do recipiente.
exercícios:
1- (^) Um fio de cobre tem 8 metros de comprimento a 18 F 0B 0 C. Determine seu comprimento quando aquecido a 35 F 0B 0 C. (F 06 1Cu = 17 x 10 -6^ F 0B 0 C -1).
2- Uma régua de aço (F 06 1 aço = 11 x 10 -6^ F 0B 0 C -1^ ) foi calibrada numa certa temperatura de tal modo que o erro máximo de cada divisão de milímetro é de 5 x 10 -5^ mm. Qual é o intervalo máximo de temperatura em que essa régua pode ser usada, em torno da temperatura de calibração, se se pretende conservar essa precisão.
3- O tanque de gasolina de um carro, com capacidade de 60 litros, é completamente cheio a 10 F 0B 0 C, e o carro é deixado num estacionamento onde a temperatura é de 30 F 0B 0 C. Sendo o coeficiente de dilatação volumétrica da gasolina igual a 1,1 x 10 -3^ F 0B 0 C -1, e considerando desprezível a variação de volume do tanque, a quantidade de gasolina derramada foi, em litros, de:
4- Uma barra de metal mede 1,100 m a 0 oC. Tal barra, posta num forno, e decorrido certo tempo, aumenta de comprimento, atingindo o comprimento de 1,107 m. Sabendo-se que o coeficiente de dilatação linear do metal é igual a 12 x 10 -6^ F 0B 0 C -1^ , calcule a temperatura do forno.
5- Uma placa de determinado material tem área igual a 40 m 2 a 0 oC. Sabendo-se que o coeficiente
de dilatação linear do material é igual a 24 x 10 -6^ o^ C -1^ , calcule a área final da placa à 50 oC.
d) condutibilidade térmica:
Classificam-se neste grupo as propriedades referentes ao comportamento dos materiais, sob diferentes ações mecânicas e aos tratamentos térmicos
a) maleabilidade Propriedade do material que expressa a maior ou menor facilidade do material ser deformado permanentemente por ação de uma pressão ou choque (compressão) uma carga de compressão, sem se romper, ou seja, é o quanto ele pode ser amassado (laminado, forjado, dobrado, extrudado). Um material é maleável quando sob a ação do laminador ou do martelo da forja não sofrer rupturas ou fortes alterações na estrutura (endurecimento inadmissível). A maleabilidade pode ser a quente ou a frio. Se a maleabilidade a frio é muito grande o material é chamado plástico.
laminação : O material é submetido sucessivamente a cargas de compressão, aplicadas entre dois cilindros laminadores, que vão reduzindo sua espessura e alterando sua forma. Pode ser executada tanto a frio quanto a quente, e seus principais produtos são: a quente : placas e chapas grossas, barras de secção redonda, retangular (chata) ou quadrada, perfilados. a frio : chapas finas para estampagem (recozidas), barras de pequena secção para usinagem, tiras paras fatorização de tubos (com costura).
forjamento :
O material é conformado por compressão através de impressões sucessivas de uma ferramenta (martelo), adquirindo o formato dado pela seqüência de golpes (recalque e estiramento) ou da matriz em que fica apoiada (moldagem). No caso de estiramento, a peça vai sendo virada a cada golpe pela ação de um manipulador mecânico, permitindo que a carga seja aplicada em diversos pontos, em todos os sentidos da peça, obtendo um material de maior tenacidade. Como na extrusão, em geral , é feito a quente.
extrusão :
o material é empurrado por um êmbolo, que o força a escoar através do orifício de uma matriz, tomando o formato e as dimensões deste. A compressão sofrida pelo material é muito grande, gerando grandes esforços, motivo pelo qual este processo é
feito, em geral, a quente. É usado para aços mais macios (extra doces) e, em larga escala, para metais não ferrosos. É um processo muito usado na fabricação de tubos. Abaixo temos uma figura que mostra o detalhe o cilindro num processo de extrusão direta. Os principais produtos são: perfilados; barras redondas, quadradas e sextavadas; tubos sem costura; arruelas; etc.
b) ductilidade Capacidade do material de ser deformado permanentemente, por carga de tração sem se romper, ou seja, a possibilidade de ser estirado, trefilado, repuxado. Pode-se dizer que a ductilidade é o oposto da fragilidade. Ex.: cobre , alumínio, aço com baixo teor de carbono, etc.
Obs.: Abaixo apresentamos uma classificação dos metais usados pela ordem decrescente de maleabilidade e ductilidade.
Maleabilidade: Au –Ag – Cu – Sn – Pt – Pb – Zn – Fe – Ni
Ductilidade: Au – Ag – Pt – Fe – Ni – Cu – Zn – Sn - Pb
c) fragilidade: Característica do material de apresentar ruptura repentina, quando submetido a um esforço, sem apresentar deformação aparente. Os materiais frágeis não aceitam conformação. EX.: ferro fundido, vidro.
a) teor de carbono acima de 0,30 % e espessura acima de 12 mm. Pré aquecer a 110 oC e aquecer entre os passes. b) alívio de tensões , a 600 oC quando: b1) vasos de pressão ASME, seção VIII divisão I espessura até 50 mm (exceto quando feito pré – aquecimento) espessura acima de 50 mm, tratamento obrigatório durante 2:00 horas. b2) tubulações: obrigatório para espessuras acima de 19 mm. c) emprego de eletrodos de baixo teor de hidrogênio quando: espessura igual ou maior que 25 mm. Teor de carbono igual ou maior à 0,22 %. Limite de escoamento maior que 35 kg/mm 2. d) radiografia total das soldas importantes em partes com espessura superior a 30 mm.
e) temperabilidade: Capacidade do material sofrer alterações nas suas características mecânicas e, consequentemente, nas suas aplicações quando submetido a Tratamentos Térmicos (Def.: processo de aquecimento e resfriamento do material em condições adequadas para obtermos a alteração de determinadas propriedades). Tal propriedade caracteriza o aço com certo teor de carbono, assim, como determinadas ligas de alumínio, transformando a estrutura cristalográfica do material que em conseqüência altera todas as propriedades mecânicas.
f) Usinabilidade Capacidade do material apresentar maior ou menor resistência de ser usinado (cortado, desbastado, furado, etc.) pela ação de uma ferramenta de corte. Podemos relaciona-la também com a “vida da ferramenta de corte”, ou com a “energia ou tempo necessário ara removermos certa quantidade de material”. Os graus de usinabilidade dos diferentes aços são estabelecidos em função do aço de CORTE LIVRE SAE 1112 que é tido como o de 100% de usinabilidade. Por exemplo, se disser que a usinabilidade de aço SAE 1070 é de 45 %, significa que na usinagem deste aço, o rendimento é de 45% em relação ao do aço SAE 1112.
Os fatores envolvidos nessas propriedades são entre outros:
- Natureza do material sob usinagem
- Natureza do material da ferramenta
- Forma da ferramenta
- Condições de corte: velocidade, avanço, profundidade de corte
- Natureza da operação de corte: torneamento, frezamento, etc.
- Natureza do corte: contínua ou interrompido
- Condições da máquina operatriz
- Refrigeração
Devido a necessidade de termos um custo cada vez mais baixo na indústria, para reduzirmos os custos em uma produção em massa, a usinabilidade é uma propriedade de grande interesse e assim, temos uma série de profissionais estudando métodos de melhorarmos a usinabilidade dos materiais. Podemos assim melhorar a usinabilidade dos materiais basicamente por dois métodos: Modificação do desenho da ferramenta Alteração da sua estrutura
Para exemplos de usinabilidade relativa de algumas ligas ferrosas e não ferrosas consultar tab. 32 do vol. 1 do Livro Tecnologia Mecânica, Vicente Chiaverini.
g) tenacidade:
Capacidade do material suportar grandes esforços antes de se romper, sem apresentar grande deformação. O material tenaz, ao contrário do material frágil pode sofrer deformações pequenas, mas para isto, são necessárias grandes cargas. Pode ser considerada uma característica mecânica, já que a energia mecânica total necessária para levar o material a ruptura, pode ser determinada pela área abaixo da curva obtida no ensaio de tração.
Corresponde a energia total absorvida pelo material durante o ensaio. É numericamente igual à área abaixo da curva obtida no ensaio de tração, incluindo as zonas elástica e plástica. Ex.: Barra de torção. Em ordem decrescente, segundo a tenacidade, temos os metais: Fe – Cu – Ag – Au – Zn – Sn – Pt - Ni
Só existe um material duro se existir um material mole.
b) Plasticidade É a propriedade do material de se deixarem deformar permanente sem se romper, assumindo diferentes tamanhos ou formas sem sofrerem rupturas, rachaduras ou fortes alterações de estrutura quando submetidos a pressões ou choques compatíveis com as suas propriedades mecânicas. O material quando submetido a um esforço sofre uma deformação permanente, e só se rompe quando a tensão aplicada ao material ultrapassa a tensão máxima. A plasticidade é influenciada pelo calor ( aço ao rubro torna-se bastante plástico). O inverso da plasticidade é a fragilidade ou quebrabilidade; assim, um material é dito frágil ou quebradiço quando o mesmo ao romper-se apresenta uma pequena deformação. A plasticidade pode ser subdividida em:
- Maleabilidade
- Ductilidade
c) elasticidade: É a propriedade do material, cuja deformação causada por uma tensão, desaparece quando esta deixa de agir. Em termos de engenharia, o maior interesse concentra-se mais na tensão do que na deformação, e é esta a razão porque se registra, para os dados técnicos de elasticidade o valor da tensão que representa o limite de elasticidade. Ex.: aço para molas.
d) resistência: No sentido amplo, a palavra resistência refere-se a habilidade do material de suportar esforços sem se romper. No entanto, nos projetos de máquinas, a resistência implica no conhecimento do tipo e maneira como uma carga atua sobre cada componente de máquina.
Ponto 1: Limite de proporcionalidade: É a maior tensão que uma material pode suportar sem perder a proporcionalidade entre a tensão e a deformação, o que vale dizer que dentro desse limite, a deformação do material é proporcional à tensão produzida no mesmo (Lei de Hook). Ponto 2: Limite de elasticidade: É definido como sendo a maior tensão que o material pode suportar sem que se produza no mesmo uma deformação permanente, isto é, limite no qual o corpo retorna a sua forma original quando a tensão deixa de existir. Ponto 3: Limite de escoamento: É definido como sendo a tensão na qual o material perde a sua propriedade elástica. Num material dúctil (ex.: aço doce SAE 1020), o fenômeno do escoamento é bem definido, em virtude de um acréscimo acentuado de deformação sem que haja aumento considerável de tensão, provocando uma deformação permanente, ou seja, ele nunca mais retorna a forma original. Ponto 4: Limite de resistência: É definido como a maior tensão que o material pode suportar (tensão de ruptura). Pode se calculado dividindo-se a carga máxima aplicada no ensaio pela área da secção transversal inicial. Ponto 5: Módulo de elasticidade: É definido como sendo a relação entre a tensão e o correspondente alongamento, verificada dentro do limite de proporcionalidade do material. Ponto 6: Tensão limite de ruptura.
e) resiliência Representa a energia mecânica absorvida pelo material até o seu limite de elasticidade, ou seja sem sofrer deformação permanente. Na prática representa a resistência do material a choques e, é numericamente igual a área abaixo da curva até o limite de elasticidade.
Obs.: Recursos para melhorarmos as propriedades mecânicas dos materiais: Alterar composição química Processos mecânicos de fabricação Alteração do tamanho do grão Tratamentos térmicos Estes assuntos serão motivo de nossas próximas aulas.
PROPRIEDADES DE USO OU DE UTILIZAÇÃO
Essas propriedades se relacionam com o comportamento dos materiais em face às diversas condições ambientes que as peças encontrarão durante o seu trabalho. Dentre as mais importantes temos: Preço : de grande importância na fabricação seriada;
A resistência à fluência é especificada pelo alongamento percentual que se produz numa temperatura, num certo intervalo de tempo para uma certa solicitação, por exemplo 1% para 550 oC em 1000 horas, para 40 kg/mm 2.
O fenômeno da fluência ocorre nos instrumentos de corda, violão, por exemplo. É importante frisar que certas peças ficam inutilizadas se alongarem apenas 0,01%.
Grau de polimento : há casos em que o material deve deixar-se polir até o espelhamento (lapidação). O grau de polimento depende do acabamento que se deseja dar à superfície. Os metais mais duros e os preciosos adquirem e conservam um polimento maior que os outros. As engrenagens, mancais, canos, válvulas, apresentam um grau de polimento bem elevado o que influi na escolha da viscosidade do lubrificante adequado. Quanto mais polida a peça menos viscoso é o óleo e maior a resistência à fadiga da peça.
Fatores que influem na seleção do material:
Vejamos os principais fatores que devem ser considerados na seleção de um material
industrial: Condições de trabalho , podendo ser subdivididas em:
- solicitações mecânicas
- local de trabalho do material
Assim, uma peça que vai ser submetida a um esforço de tração, tirante, por exemplo,
não poderá ser feita de um material de pequena resistência à tração, como por exemplo de ferro fundido comum. Os materiais abrasivos, em locais de alta ou baixa temperatura, na presença de radiações atômicas, em ambiente muito úmido, etc. Assim, uma bomba para ácido sulfúrico deve ser feita de materiais que não sejam atacados por esse produto. Na indústria de laticínios os materiais empregados são resistentes à corrosão como por exemplo o aço inoxidável. Os tubos de caldeira devem ser de materiais resistentes ao fogo.
Disponibilidade de material : para se escolher um material ele deve ser disponível em quantidade necessária e também quando desejado para reposição de peças. A escolha do material não deve ser feita apenas em livros, mas sim nos catálogos de fabricantes.
Custo : por custo entendemos não só o material em bruto como também o dos processos de fabricação, isto é, o custo total, isto porque um material pode ter preço reduzido mais implicar em processo de fabricação dispendioso.
Aparência : a aparência é importante quando o produto de destina ao grande público. Assim uma peça de alumínio anodizado é agradável a vista (tampos de panelas, etc.). Já para uma peça estrutural que está escondida, a aparência não é tão importante. É em virtude da aparência que se usa niquelados, cromados, materiais plásticos coloridos, oxidados (armas, ferramentas), partes esmaltadas (porcelanizadas), fundição sob pressão (zamak, plásticos).
Adaptabilidade para os processos de produção : certos materiais se prestam melhor que outro para determinados processos de fabricação incluindo ou não tratamentos térmicos, e assim dependendo do equipamento que dispomos somos conduzidos a escolha de certos materiais (sapatas de freio de chapas de aço estampadas e soldadas por pontos em lugar de liga de alumínio fundida).
Forma da peça : em certos casos a forma da peça condiciona o processo de fabricação e dessa maneira influi indiretamente na escolha do material. É o caso de um bloco de motor, cujo processo normal de fabricação é a fundição. Já grandes motores dieesel possuem o bloco fabricado a partir de chapas grossas e perfilados soldados.
Tabela de propriedades físicas dos materiais
material Símbolo
químico
Peso específico
(x10 –6) Kg/mm^3
Temperatura de fusão
o C
Coeficiente de dilatação
Aço doce 0,20 %C 7,85 1500 11 x 10- Aço duro 0,60 %C 7,84 1470 11 x 10- Alumínio Al 2,70 659 23,8 x 10- Antimônio Sb 6,69 630 1 x 10- Bronze 8,80 900 17,5 x 10-
