MATERIAIS+PARA+EQUIPAMENTOS+DE+PROCESSO[1]

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Centro Universitário Padre Anchieta 
 Ciência dos Materiais 
 
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Professor Ailton 
1. Materiais para Equipamento de Processo 
Introdução 
 No dicionário novo Aurélio tem-se a seguinte definição: 
 
• Material: pertencente ou relativo à matéria 
• Matéria: qualquer substância sólida liquida ou gasosa que ocupa lugar no espaço. 
 
 Vários subconjuntos desta definição podem ser formulados abaixo apresentamos um que é do 
interesse da disciplina: 
 
“são substâncias com propriedades que as tornam úteis em: máquinas, 
estruturas, dispositivos e produtos. Em outras palavras, os materiais que o 
homem utiliza para melhorar sua existência” 
 
 Os materiais se colocam entre os recursos básicos da Sociedade, juntamente com os alimentos, a 
energia, a informação entre outros. Um ciclo simplificado dos materiais é mostrado na figura 1. 
 
 
 
Figura 1.1 - Ciclo esquemático da transformação de materiais. 
 
 
 
MATERIA 
PRIMA 
BRUTA 
Carvão, minérios, 
rochas, madeiras, 
petróleo, etc 
Processamento 
Transformação 
ou 
Processamento 
MATERIA 
PRIMA 
INDUSTRIAL 
Ligas metálicas, 
chapas, plásticos, 
tecidos, cristais, 
etc 
Prospecção, 
Mineração 
ou Colheita 
Reciclagem 
Fabricação ou 
Montagem 
Meio 
Ambiente 
Descarte 
Sucata 
ou 
Residuo 
Uso, serviço 
e/ou 
deterioração 
Bens de consumo 
Prédios, casas, 
carros, máquinas, 
equipamentos, 
componentes, 
vestuário, fármacos, 
etc 
MATERIA 
PRIMA BASICA 
Metais, fibras, 
pós, cerâmicas, 
papel, produtos 
químicos, etc 
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 A classificação dos materiais sólidos pode ser feita sob vários pontos de 
referência. De maneira resumida, os materiais sólidos podem ser classificado como mostrado na tabela 1 
 
 Tabela 1- Classificação dos materiais: 
MATERIAL ALGUMAS CARACTERISITICAS 
Metais Bons condutores elétricos e térmicos; alta densidade; não são transparentes à luz visível; são resistentes; 
Cerâmicos Maus condutores elétricos e térmicos; possuem alta dureza, porem 
são quebradiços. 
Polímeros Orgânicos;flexíveis;baixa densidade; baixa dureza;grande 
elasticidade 
Compósitos 
Projetado com a mistura de dois ou mais materiais diferentes onde 
alguns constituem a matriz e outros fazem parte como aditivos (ou 
reforços) para a melhoria do desempenho em algumas das 
propriedades da matriz 
Semicondutores A condutividade elétrica nos semicondutores é grandemente influenciada pela quantidade de impurezas contida nos materiais, 
Biomateriais São compatíveis com os tecidos dos seres vivos, podem ser qualquer um dos citados acima 
Materiais 
Avançados 
Quando os materiais acima são melhorados com o uso de alta 
tecnologia, ou os materiais utilizados na tecnologia de ponta. 
 
 
1.1- Equipamentos de Processo 
 
 Toda vez que um material sofre uma transformação física ou química, ou é armazenado, manuseado ou 
distribuído em um equipamento, o equipamento é definido como equipamento de processo. Os equipamentos 
de processo estão divididos em: 
� Vaso de pressão: 
o Torres de destilação, de fracionamento, de absorção, etc. 
o Vasos de acumulação, de estocagem de mistura, etc 
o Reatores 
o Esferas de armazenagem de gases 
� Trocadores de calor 
o Trocadores de calor propriamente ditos 
o Resfriadores 
o Aquecedores 
o Condensadores 
� Fornos 
� Caldeiras 
� Máquinas 
o Bombas 
o Compressores 
o Sopradores 
o Centrifugadores 
� Tubulação industrial 
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o Tubulação de processo 
o Tubulação de utilidades 
o Tubulação de transporte 
o Tubulação de drenagem 
 
 Todos os equipamentos, na maioria das industria de processamento funcionam 24h por dia, assim a 
escolha do material correto para os equipamentos de processo será decisivo no custo do produto. Uma vez 
que uma interrupção não programada para manutenção de um único equipamento, na melhor das hipóteses, 
diminui o fluxo de produção da industria, aumentando o custo da manufatura do produto. 
 
A Norma Regulamentadora NR-13 (caldeiras e vasos de presssão) do ministério do trabalho regulamenta os períodos de campanas de acordo com 
a classe desses equipamentos 
 
13.1.9 Para os propósitos desta NR, as caldeiras são classificadas em 3 (três) categorias, conforme segue: 
a) caldeiras da categoria A são aquelas cuja pressão de operação é igual ou superiora 1960 KPa (19.98 Kgf/cm2); campana de 80h 
b) caldeiras da categoria C são aquelas cuja pressão de operação é igual ou inferior a 588 KPa (5.99 Kgf/cm2) e o volume interno é igual ou inferior 
a 100 (cem) litros; Campana de 40h 
c) caldeiras da categoria B são todas as caldeiras que não se enquadram nas categorias anteriores. Campana de 60h 
(mais informações no site do Ministério do trabalho e saúde) 
 
1.2- Fatores gerais na seleção de materiais para equipamentos de processo 
 
 A seleção do material adequado é influenciada por diversos fatores, alguns destes conflitantes (o 
material menos corrosivo é geralmente o mais caro) alguns são gerais para todos os equipamentos e alguns 
são específicos para alguns tipos de equipamentos: Abaixo apresentamos resumidamente alguns tipos de 
fatores do material que influenciam na sua escolha: 
 
1.2.1 Fatores relativos as Propriedades Mecânicas 
A determinação e/ou conhecimento das propriedades mecânicas é muito importante para a escolha do 
material para uma determinada aplicação, bem como para o projeto e fabricação do componente. 
As propriedades mecânicas definem o comportamento do material quando sujeitos à esforços 
mecânicos, pois estas estão relacionadas à capacidade do material de resistir ou transmitir estes esforços 
aplicados sem romper e sem se deformar de forma incontrolável. 
 As propriedades mecânicas de um material podem ser “didaticamente” dividas em estáticas, 
dinâmicas e físicas 
� Estáticas: quando as forças aplicadas a um material são constantes; 
 
� Dinâmicas: quando existem variações nas forças 
o carregamentos repentinos (impactos) ou carregamentos que variam rapidamente em 
magnitude; 
o ciclos repetitivos de carga e não-carga; 
o mudanças freqüentes na forma do carregamento (tensão/compressão); 
 
� Físicas: (térmica, condutividade, óticas, etc.) 
 
 
 
 
1.2.2 Fatores relativos ao Serviço 
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� Temperatura de trabalho 
Geralmente igual à temperatura do fluido 
� Composição química do fluido, pH do fluido, caráter redutor/oxidante 
pode levar a fragilização do material, causar alterações químicas no material, corroer o material 
� Corrosividade do material. 
os efeitos da corrosão do material contaminam o fluido 
� impurezas e contaminantes existentes ou possíveis de existir 
existência ou não de gases dissolvidos ou sólidos em suspensão 
� Pressão, temperatura e velocidade de escoamento do fluido 
o material deve resistir mecanicamente aos esforços solicitados, os esforços podem ser feitos 
pelo fluido assim como por agentes externos 
 
1.2.3 Fatores relativos à fabricação do equipamento 
 Os materiais apresentam determinadas limitações quanto à possibilidade de fabricação de 
equipamentos tais quais soldabilidade, usinabilidade e facilidade de conformação; independente do tipo, 
formato ou tamanho do equipamento. A exceção é o aço carbono 
 
1.2.4 Disponibilidade do material 
 Facilidade de obtenção (importação, prazo de entrega) do material em sua forma de apresentação 
(tubos, chapas grossas ou finas, bobinas, etc). Caso não se tenha facilidade na obtenção do material é 
necessário manter um estoque no almoxarifado. 
 
1.2.5 Custo do material 
 Para este fator é necessário computar o custo da aquisição assimcomo o tempo de vida, custo da 
fabricação, manutenção, amortização, etc. 
 
1.2.6 Experiência prévia 
 Este fator nos diz que é mais seguro utilizar materiais que já demonstraram sua eficácia para um 
serviço. 
 
1.2.7 Tempo de vida previsto do material 
 Igual ou superior ao tempo de vida do equipamento. O tempo de vida do material depende da natureza 
da aplicação, da importância do equipamento e da amortização do investimento. 
 
1.2.8 Variações toleradas de forma ou dimensões 
 Para a maior parte dos equipamentos é tolerada variações (próximas de 1%) de forma e dimensões. 
Mas existem exceções, por exemplo nas emendas parafusadas, nestas exceções o material selecidonado deve 
apresentar uma boa estabilidade dimensional. 
 
1,2,9 Segurança 
 É necessário prever os efeitos de dilatação, corrosão, desgastes do material para evitar a paralisação 
dos equipamentos e mesmo para evitar desastres. São exemplos de risco potencial os materiais que trabalham 
com fluido infamáveis, tóxicos, explosivos, ou substancias radioativas, ou em temperaturas e pressões 
elevadas 
 
 
1.2.10 Outros fatores específicos de certos equipamentos 
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• Coeficiente de atrito (tubulações) 
• Condutividade térmica (tubos de troca de calor) 
• Método de fixação dos tubos aos espelhos em aparelhos de troca de calor 
• Compatibilidade dos espelhos ou chicanas com os tubos de troca de calor por causa da corrosão 
galvânica 
• Dureza e resistência a abrasão 
• Possibilidade de solda com outros materiais 
 
 Para a escolha do material mais adequado é indispensável a experiência do projetista ou usuário do 
equipamento, resultante do acumulo de informações adquiridas ao longo de sua carreira. Para a maioria dos 
trabalhos já existem materiais consagrados pela tradição ou pelas normas e códigos existentes. Numa nova 
prática onde os materiais ainda não sejam consagrados cabe ao projetista o estudo do melhor material. O 
projetista deve sempre estar atento ao mercado que evolui e propõem novos materiais. Indica-se a seguinte 
rotina para a seleção de materiais de um determinado serviço 
 
1- Relacionar e estudar a experiência prévia existente para o serviço em questão 
2- Analisar todos os fatores de influência na escolha dos materiais 
3- Classificar os fatores em ordem de importância 
4- Conhecer os materiais disponíveis e suas formas de apresentação 
5- Se necessário realizar teste e ensaios com o material escolhido 
6- Escolher dentre os materiais possíveis, levando em conta o custo e a amortização. 
 
1.3. Classificação dos Materiais para Equipamentos de Processo 
 Os materiais metálicos são de longe os mais usados na fabricação de equipamentos de processos, 
assim receberão uma maior atenção nessa disciplina. Abaixo mostramos a tabela 2 com os materiais mais 
usados na fabricação de equipamentos de processo. 
 
Tabela 2 – Materiais para equipamentos de processo 
Metais ferrosos 
 
Aço-carbono, aço-liga, aço inoxidável Materiais para vaso de pressão e 
trocadores de calor Metais não ferrosos Alumínio, cobre, níquel, titânio, zircônio e as ligas destes materiais 
Materiais para caldeiras e fornos Metais ferrosos Aço carbono, aço liga, aço inoxidável 
Metais ferrosos 
 
Aço-carbono, aço-liga, aço inoxidável 
Metais não ferrosos 
 
Alumínio, cobre, níquel, titânio, zircônio e as ligas destes materiais Materiais para tanques de 
armazenamentos 
Materiais não metálicos 
 
Concreto armado, Materiais Plásticos 
Metais ferrosos 
 
Aço-carbono, aço-liga, aço inoxidável, ferros fundidos, ferro maleável, 
ferro forjado, ferro-ligado 
Metais não ferrosos 
 
Alumínio, cobre, chumbo, níquel, zircônio, titânio e ligas desses 
materiais 
Materiais para tanques de 
armazenamentos e outros 
reservatórios sem pressão 
Materiais não metálicos 
 
Concreto armado, cimento amianto, vidro, cerâmica e materiais plásticos 
Materiais metálicos Aço inoxidável, zinco, níquel e ligas, chumbo e ligas, titânico, zircônio e ligas Materiais para revestimentos 
internos de equipamentos de 
processo Materiais não metálicos Concreto, vidro cerâmica borrachas, grafita,asfalto e plásticos 
 
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1.4. Resistência dos materiais 
 
Abaixo citamos os principais parâmetros que caracterizam a resistência dos materiais 
 
Ensaios de tração 
É realizado em máquinas de ensaio de tração universal utilizando corpos de provas 
normalizados por associações nacionais e internacionais 
 
 
Figura 1.2 – a) Desenhos esquemáticos não dimensionados de corpos de prova para ensaio de tração (Sousa S. A.), b)Desenho 
esquemático de uma máquina de teste de tração. 
 
Tabela 3 – Medidas dos corpos de prova 
Associação Corpo de Prova A (mm) B (mm) C (mm) 
aprox. 
D (mm) 
Aprox. 
R (mm) 
Mínimo 
Redondo 70 10 18 150 15 
Chapa grossa 240 40 50 400 25 
ABNT 
Associação Brasileira de 
Normas Técnicas Chapa fina 75 12,5 20 200 20 
Redondo 60 12,5 18 130 15 
Chapa grossa 225 40 50 450 25 
ASTM 
American Society of 
Materials Testings Chapa fina 60 12,5 20 200 12,5 
 
Figura 1.3 – Diagrama tensão deformação. (Gere J M) 
Curva 
convencional 
Curva real 
Fase 
elástica 
Escoamento 
Limite de 
resistência 
Tensão de 
escoamento 
Limite de 
proporciona-
lidade 
Endurecimento de 
deformação 
Estricção 
Fratura 
σ 
ε 
Raio de concordância 
R 
D 
A 
B C 
R 
D 
A 
B C 
CABEÇA 
PARTE ÚTIL 
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Tensão Admissível 
 
A resistência real de uma estrutura deve exceder a resistência exigida, a qual a estrutura será 
submetida. 
Define-se fator de segurança como 
 
 Fator de segurança n = Resistência real . 
 Resistência exigida 
Define-se margem de segurança como 
 
 Margem de segurança = n – 1 
 
Para muitas estruturas é importante que o material permaneça dentro da região elástica. Dessa 
forma a tensão admissível de um material será: 
 
 Tensão admissível = Tensão de escoamento 
 fator de segurança 
 
Ductilidade: 
 é a extensão de deformação plástica do material antes da fratura 
 é a capacidade do material mudar de forma antes da fratura (ruptura) 
 
A ductilidade de um material pode ser calculada pela estricção (redução da área transversal) em um 
ensaio de tração 
Dureza: 
dureza é a propriedade característica de um material sólido, que expressa sua resistência a 
deformações permanentes e está diretamente relacionada com a força de ligação dos átomos. 
Pode significar a resistência que um corpo faz à penetração de outro, independente de deformações 
permanentes. 
Para a medição da dureza, utiliza-se o chamado ensaio de penetração . A partir de um referencial 
intermediário, a dureza pode ser expressa em diversas unidades. Dependendo da penetração podem 
ser positivas ou negativas. Sendo comum usar os processos Brinell, Rockwell ou Vickers. Também há 
a popular escala de Mohs para o minerais, que é uma tabela arbitrada de 1 a 10 na qual figuram alguns 
desses em escala crescente a partir do talco ao diamante. 
Tenacidade: 
Tenacidade, ou módulo de tenacidade, é definido como o trabalho por unidade de volume para 
romper o material. Corresponde à capacidade do material de absorver energia até sua ruptura 
A tenacidade, assim como a dureza, é obtida no ensaio de tensão-deformação do material e 
corresponde a área abaixo da curva de tensão deformação. 
 
 
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Fluência 
Fluência é o fenômeno lento e progressivo de deformaçãopermanente que se observa nos 
materiais metálicos quando submetidos a um esforço estático de tração a uma temperatura 
elevada. 
 
 A fluência de um material pode ser medida com o ensaio de tensão constante para uma certa 
temperatura 
 
Fadiga 
 
É a fratura do material submetido a esforços repetitivos de tensões menores que aa tensões 
críticas do material. È responsável por 90% das falhas mecânicas dos materiais 
 
Normalmente utilizá-se ciclos senodais nos ensaios de tração deformação. Os gráficos de tensão 
deformação são plotados em função da amplitude de tração e do número de ciclos 
 
Resiliência. 
 
Corresponde à capacidade do material de absorver energia quando este é deformado 
elasticamente 
 
1.5. Fatores que determinam a resistência dos materiais 
 
 Vários fatores influenciam na resistência dos materiais: A composição química; o processo de 
fabricação, acabamento e apresentação; tamanho dos grãos do material e tratamentos térmicos. Abaixo 
discutiremos um pouco de cada um desses fatores. 
 
Composição Química: 
 A composição de um material pode ser alterada para mudar suas propriedades mecânicas, por 
exemplo: as resistências limite do ferro e do alumínio são de 1.406 kg/cm2 e 281 kg/cm2 já suas ligas são 
13,5 e 19,5 vezes maiores que estes materiais respectivamente. Isso ocorre por uma mudança microestrutural 
do material, dificultando a movimentação das discordâncias, pela formação de novos componentes mais 
resistentes. A adição de elementos de liga também podem alterar a resistência a fluência, a tenacidade e a 
abrasão (desgaste produzido pelo atrito das mós, lixa, etc) do material. 
 
Processo de Fabricação: 
Laminação: reduzir a lâmina (o metal), com o auxílio do laminador ou máquina de laminar 
Extrusão; passagem forçada de um metal, ou plástico, através de um orifício, tendo em vista 
conceder-lhe uma forma alongada ou filamentosa 
Trefilação: fabricar fios metálicos, por estiramento (de um metal) através dos orifícios de uma fieira 
Forjamento: dar forma ao ferro ou a qualquer outro metal, por meio do fogo, da bigorna e do martelo 
Fundição: o metal é derretido pela ação do calor e depois lançado no molde 
 
 Todos os processos de fabricação que resultam em deformações plásticas (exceto a fundição) 
melhoram a resistência dos materiais por diminuir a quantidade de discordância do material. Quanto mais 
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rigorosa for a deformação maior a resistência do material. Por este motivo materiais 
com pequenas espessuras possuem maiores resistências unitárias que materiais com grandes espessuras. 
Alem disso os materiais espessos, por exemplo: chapas grossas têm um custo maior por peso e maior 
dificuldade no controle de qualidade. 
 Nos trabalhos de deformação a frio acontece o fenômeno do encruamento que é o aumento da carga 
necessária para nova deformação plástica do material, isto ocorre devido à interferências mútuas entre as 
discordâncias. A conseqüência do encruamento é um aumento na resistência a deformação do material e uma 
diminuição de sua ductilidade. 
 Deformação a frio refere-se a deformação realizada em temperaturas abaixo à temperatura de 
recristalização do material. Temperatura de recristalização é a temperatura em que ocorre um rearranjo 
completo dos átomos e a nucleação de novos cristais não deformados. 
 
Tamanho do Grão do Material: 
 O tamanho do grão da estrutura metalúrgica tem também grande influencia nas propriedades 
mecânicas dos materiais, quanto menor for o grão maior será a resistência mecânica do material. Pois fica 
mais difícil para as discordâncias propagarem. 
 
Tratamentos Térmicos 
 Um grande aumento nos limites de resistência dos materiais e de escoamento, e na dureza, pode ser 
conseguido pelo tratamento de têmpera (banho em que se temperam os metais, introduzindo-os candentes 
em água fria) A têmpera sempre é seguido do tratamento de revenido (tratamento térmico que tem por fim 
levar o metal a um estado mais estável depois da têmpera) que melhora a ductilidade do material, mas reduz 
um pouco sua dureza e resistência. 
 
De forma geral pode-se dizer que os recursos para modificar a resistência de materiais são: 
 
� Adição de elementos de liga 
� Encruamento 
� Modificação do tamanho dos grãos 
� Tratamentos térmicos 
 
 
 Finalizando devemos lembrar que todos os materiais são regularizados por norma técnicas. As 
principais instituições de normas técnicas são: 
 
 
Brasil 
ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas 
ABRACO – Associação Brasileira de corrosão 
 
USA 
ASTM – American Society for Testing and Materials 
AISI – American Iron and Steel Institute 
API – American Petroleum Institute 
SAE – Society of Automotive engineers 
 
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Europa 
BSI - British Standards Institution (Grã-Betanha) 
 DIN – Deutches Institut für Normung (Alemanha) 
 AFNOR – Association Française de Normalization (França)