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Tecnologia dos Materiais - Ciência dos Materiais
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Rockwell para um material com dureza esperada de 80HRB? A primeira coisa a ser feita é descobrir a profundidade aproximada atingida pelo penetrador. Para isso, deve ter ido ao quadro com a escala B (dureza Rockwell normal), e constatado que esta escala usa penetrador esférico. Com essas informações, deve ter escolhido a fórmula: P = 0,002 ´ (130 - 80) para encontrar o valor da profundidade aproximada. Feitos os cálculos, deve ter concluído que esta profundidade é de aproximadamente 0,1 mm. Uma vez que a espessura do corpo de prova equivale, em geral, a pelo menos 17 vezes a medida da profundidade, a espessura mínima da chapa deve ser de 1,7 mm. Como você viu, o ensaio de dureza Rockwell tornou possível avaliar a dureza de materiais que não poderiam ser submetidos ao ensaio Brinell. Mesmo assim, há situações em que nem o ensaio Brinell nem o Rockwell são recomendáveis. Por isso, a próxima aula será dedicada a outro tipo de ensaio de dureza, o ensaio Vickers. Ensaios de Dureza Vickers e Knoop Figura 16. Penetradores para ensaio Vickers e Knoop. 28 OUTROS ENSAIOS Ensaio de Compressão - É a aplicação de carga compressiva uniaxial em um corpo-de- prova. A deformação linear obtida pela medida da distância entre as placas que comprimem o corpo versus a carga de compressão consiste na resposta desse tipo de ensaio, basicamente utilizado nas indústrias de construção civil e de materiais cerâmicos. Além disso, fornece resultados de análise estatística, permitindo quantificar o comportamento mecânico do concreto, da madeira, dos compósitos e de materiais de baixa ductilidade (frágeis). Os resultados numéricos obtidos no ensaio de compressão são similares aos obtidos no ensaio de tração. Figura 17. Ensaio de Compressão Ensaio de Torção – Consiste na aplicação de carga rotativa em um corpo-de-prova geralmente de geometria cilíndrica. Mede-se o ângulo de deformação (θ) como função do momento torsor aplicado (Mt). Esse ensaio é amplamente utilizado na indústria de componentes mecânicos, como motores de arranque, turbinas, motores de máquinas pesadas e outros, principalmente por ter a vantagem de fornecer dados quantitativos das características mecânicas dos materiais que compõem o eixo, particularmente as tensões de cisalhamento. Entre os principais resultados do ensaio, destacam-se: limite de escoamento à torção, módulo de ruptura à torção e módulo de elasticidade transversal (G). 29 Figura 18. Eixo de transmissão de caminhões e esquema do ensaio de torção. Ensaio de Impacto – O comportamento dúctil-frágil dos materiais pode ser mais amplamente caracterizado por estes ensaios. A carga é aplicada na forma de esforços por choque (dinâmicos), sendo o impacto obtido por meio da queda de um martelete ou pêndulo, de uma altura determinada, sobre a peça a examinar. As massas utilizadas no ensaio são intercambiáveis, possuem diferentes pesos e podem cair de alturas variáveis. Os ensaios mais conhecidos são denominados Charpy e Izod, dependendo da configuração geométrica do entalhe e do modo de fixação do corpo-de-prova na máquina. Como resultado do ensaio, obtém-se a energia absorvida pelo material até a fratura. A principal aplicação desse ensaio refere-se à caracterização do comportamento dos materiais, na transição da propriedade dúctil para a frágil como função da temperatura, possibilitando a determinação da faixa de temperaturas na qual um material muda de dúctil para frágil. O ensaio de impacto é largamente utilizado nas indústrias naval e bélico, e em particular, nas construções que deverão suportar baixas temperaturas. Figura 19. Equipamento para ensaio de impacto. Garcia, Amauri; Spim, J. A. e Santos, C. A. dos. Ensaios dos Materiais, Editora LTC. 2000, Telecurso, Ensaio de Impacto. 30 SIDERURGIA Para poder fabricar o aço e o ferro fundido, precisa-se do ferro gusa. É um material duro e quebradiço, formado por uma liga de ferro e carbono, com alto teor, ou seja, uma grande quantidade de carbono e um pouco de silício (Si), manganês (Mn), fósforo (P) e enxofre (S). O grande problema tecnológico que envolve a fabricação do gusa é a obtenção das altas temperaturas que favoreçam a absorção do carbono.A história da metalurgia nos conta que os fornos primitivos eram: - Tipo poço fechado - Tipo de forja catalã, sendo que ambos usavam carvão vegetal como combustível. Figura 20 – Fornos primitivos usados na redução do minério de ferro, pelo emprego de carvão vegetal como combustível. Estes dois tipos de fornos usavam o processo de redução direta (ferro não era obtido no estado líquido): C + O2 → CO2 CO2 + C → CO CO + FeXOY → Fe + CO2 Obs.: O ferro era obtido no estado pastoso (líquido de alta viscosidade), misturado com as impurezas do minério. O ferro assim obtido apresentava-se em geral relativamente dúctil, mole, maleável e podia ser trabalhado por martelamento a temperaturas relativamente elevadas. Após ser retirado do forno (uma bola de ferro), o ferro era martelado para a remoção das impurezas. O resultado final era uma barra ou “lupa”, posteriormente reaquecida e trabalhada por martelamento (ferro pudlado). 31 Nos fornos primitivos tinha-se a possibilidade de absorção de certa quantidade de carbono (até 1%), o que por rápido resfriamento poderia elevar drasticamente a dureza do material (têmpera). Na Europa, no começo do século XIV, os fornos usados tinham se tornado tão altos e as condições de insuflação de oxigênio tão aperfeiçoadas, que a temperatura de combustão aumentou muito. Isso permitiu que o ferro absorvesse carbono e, finalmente, saísse líquido do forno. Esse produto, embora duro e quebradiço, podia ser novamente derretido com mais facilidade e ser vazado em moldes. Surgiram o alto forno e a fundição. Na Inglaterra, no século XVIII, descobriu-se que o coque, um produto sólido da destilação do carvão mineral, servia como combustível para produzir o ferro-gusa. Fornos chaminé: Carga → introduzida pelo topo Ar → soprado pela parte inferior 1500 → Inglaterra → Alto forno mais próximo aos modernos 1619 → Inglaterra → Introdução do coque 1800 → Inglaterra → Aquecimento do ar Hoje, um alto forno pode ter até 35 metros de altura. Fica dentro de um complexo industrial chamado usina siderúrgica e é o principal equipamento usado na metalurgia do ferro. As matérias-primas básicas da indústria siderúrgica são as seguintes: - Minério de ferro - Carvão - Calcáreo Minério de Ferro O minério de ferro é a principal matéria-prima do alto-forno, pois é dele que se extrai o ferro. Os minerais que contêm ferro em quantidade apreciável são os óxidos, carbonatos, sulfetos e silicatos. Os mais importantes para a indústria siderúrgica são os óxidos, sendo eles: - Magnetita (óxido ferroso-férrico) → Fe3O4 (72,4% Fe). - Hematita (óxido férrico) → Fe2O3 (69,9% Fe). - Limonita (óxido hidratado de ferro) → 2FeO3.3H2O (48,3% Fe). Obs.: O Brasil possui grandes reservas de minério de ferro de alta qualidade (alto teor de ferro). O minério de ferro é composto por três partes a saber: - Útil → parte que contém o ferro - Ganga → impurezas sem valor direto - Estéril → rocha onde o minério é encontrado. O minério de ferro pode ser classificado como Rico (60 a 70% de Fe), Médio (50- 60% de Fe) e Pobre (<50%) Beneficiamento do minério de ferro O termo genérico “beneficiamento” compreende uma série de operações que têm como objetivo tornar o minério mais adequado para a utilização nos altos-fornos. Estas 32 operações são britamento, peneiramento, mistura, moagem, concentração, classificação e aglomeração (principal). A aglomeração visa melhorar a permeabilidade da carga do alto-forno, reduzir o consumo de carvão e acelerar o processo de redução. Os processos mais importantes de aglomeração são a sinterização e a pelotização. A sinterização consiste