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Tecnologia dos Materiais � SENAI- SP, 2000 Trabalho elaborado pela Escola SENAI Roberto Simonsen do Departamento Regional de São Paulo. Coordenação Geral Dionisio Pretel Coordenação Paulo Roberto Martins Laur Scalzaretto Valdir Peruzzi Organização Adriano Ruiz Secco Sílvio Audi Editoração Adriano Ruiz Secco Écio Gomes Lemos da Silva Silvio Audi Adaptado de Metalmecânica – Teoria Caminhão Betoneira V. 1 e 2 Telecurso 2000 – Ensaios de Materiais Escola SENAI Roberto Simonsen Rua Monsenhor Andrade, 298 – Brás CEP 03008-000 - São Paulo, SP Tel. 011 3322-5099 Fax 011 3322-5029 E-mail: senaibras@sp.senai.br Home page: http://www.sp.senai.br �������� página Diagrama ferro-carbono 3 Tratamento térmico 16 Temperar e revenir 40 Recozer aço 45 Ensaios 48 Ensaio de tração: cálculo da tensão 57 Ensaios de tração: propriedades mecânicas avaliadas 65 Ensaio de tração: procedimentos normalizados 73 Ensaio de tração: análise dos resultados 80 Ensaio de compressão 89 Ensaio de cisalhamento 98 Dobramento e flexão 105 Ensaio de embutimento 117 Ensaio de torção 123 Referências bibliográficas 131 3 ���������� �� ���� � � As ligas de ferro–carbono são as mais utilizadas dentre todas as ligas metálicas. O ferro é um metal abundante na crosta terrestre e caracteriza-se por ligar-se com outros elementos, metálicos ou não metálicos, dos quais o principal é o carbono. O diagrama ferro -- carbono é fundamental para facilitar a compreensão sobre o que ocorre com as ligas ferrosas quando submetidas a operações de tratamento térmico, que modificam suas propriedades mecânicas para aplicações sob as mais variadas condições de serviço. Inicialmente, observaremos as transformações do elemento ferro quando submetido ao aquecimento ou resfriamento lentos. O ferro, como todos os metais tem uma estrutura cristalina. A disposição própria e regular dos átomos de cada metal, em forma de cristais, se chama rede cristalina ou reticulado cristalino. O ferro sólido, quando aquecido ou resfriado, apresenta diferentes estruturas em seu reticulado cristalino; conseqüentemente, suas propriedades também ficam diferentes. Esse fenômeno se denomina alotropia e é representado pelas letras do alfabeto grego: �, �, �, �, etc. 4 O gráfico a seguir mostra a curva característica de resfriamento ou aquecimento. do ferro puro e sua correspondente transformação alotrópica. No intervalo de 1538ºC e 1394ºC o ferro puro se solidifica em reticulado cúbico de corpo centrado CCC, chamado Fe � (ferro delta). A 1394ºC se realiza a reestruturação do reticulado cúbico de corpo centrado em reticulado cúbico de face centrada, permanecendo até 912ºC. O reticulado cúbico de face centrada CFC denomina-se Fe � (ferro gama) ou austenita. A 912ºC o ferro puro sofre mudança na estrutura do reticulado novamente para cúbico de corpo centrado CCC, chamado Fe � 5 (ferro alfa) ou ferrita. Abaixo dessa temperatura, a estrutura do reticulado do ferro é cúbica de corpo centrado. O trecho abaixo de 770ºC não representa mudança de estrutura do reticulado, mas o surgimento de propriedades magnéticas do ferro; o Fe� abaixo de 770ºC é magnético e acima de 770ºC não tem propriedades magnéticas. A mudança estrutural do reticulado cristalino do ferro traz consigo a modificação de suas propriedades; assim, o Fe� quase não dissolve o carbono; o Fe� dissolve até 2,11% de carbono e o Fe � dissolve até 0,09% de carbono. Essa situação ocorre devido à estrutura cúbica de face centrada do Fe� apresentar uma distância maior entre os átomos do que a estrutura cúbica de corpo centrado do Fe� e Fe�, então 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, comumente está ligado com o carbono. No gráfico apresentado foi vista a curva de resfriamento ou aquecimento do ferro puro com indicações das formas alotrópicas e suas respectivas temperaturas de transformação. Nas ligas de ferro – carbono existem também as formas alotrópicas � e �, mas as temperaturas de transformação oscilam em função do teor de carbono na liga. O diagrama abaixo de fase ferro – carbono, auxilia na visualização dessas oscilações importantes para o estudo dos aços e ferros fundidos. 6 O diagrama de fase ferro – carbono pode ser dividido em três partes: de 0 a 0,008%C - ferro puro de 0,008 a 2,11%C - aço de 2,11 a 6,69%C - ferro fundido ��� ��� � ���� ��� ����������� �� ���� � �� � ����������� Solução sólida de carbono em ferro CCC , existente até a temperatura de 912ºC, caracteriza-se pela baixa solubilidade de carbono no ferro, chegando ao máximo de 0,0218% a 727ºC. 7 ���� ��������� Solução sólida de carbono em ferro CFC, existindo entre as temperaturas de 912ºC e 1495ºC, e com solubilidade máxima de carbono no ferro de 2,11% a 1148ºC. � ���������� Solução sólida de carbono em ferro CCC, sendo estável até 1538ºC, quando o ferro se liqüefaz. A solubilidade do carbono é baixa, atingindo um máximo de 0,09% a 1495ºC. Quando não houver referência contrária, o termo ferrita, subentenderá a ferrita � . � � �������� � ��� É um carboneto de ferro de alta dureza com teor de carbono de 6,69% de carbono. �������� � ���� ��� ����������� �� ���� � � ������� � Indica a ocorrência de uma parada (Arrêt) durante a transformação. Assim ao resfriar um aço com 0,77% C, observa- se uma “parada” na temperatura de 727ºC, ou seja, enquanto a transformação � ��+ Fe3C não se completar a temperatura permanecerá constante. 8 ������� � Indica a temperatura de transformação magnética do ferro CCC a 770ºC. ������� � Indica a temperatura de transformação � ��. À medida que o teor de carbono vai aumentando, a temperatura A3 vai diminuindo, até o limite de 727ºC, onde se encontra com A1. ������� �� Indica a temperatura de transformação � � Fe3C. Inicia-se a 727ºC com 0,77% C e vai aumentando com a elevação do teor de carbono, até atingir 1148ºC a 2,11% C. ������� ������ Indica que, abaixo desta linha, todo material estará no estado sólido. ��������������� Indica que, acima desta linha, todo material estará na forma líquida. � �� ��� � ���� ��� ����������� �� ���� � � � �� � ������ � Indica a presença de uma liga eutética, com 4,3% C a 1148ºC. � �� � �� � �� � Indica a presença de uma liga eutetóide, com 0,77%C a 727ºC. 9 � �! � �� ����� ���������� ���" �� No ponto eutetóide se verifica uma transformação importante no estudo dos aços, ou seja um aço com 0,77%C acima de 727ºC encontra-se no estado de austenita. No ponto eutetóide a austenita se transforma em uma mistura de duas fases – ferrita e cementita - que se denomina perlita. A perlita tem uma estrutura finamente raiada que, semelhante a madrepérola, está formada de lâminas finíssimas superpostas, alternando-se uma camada de ferrita e outra de cementita, conforme a figura a seguir. Assim os aços com 0,77% C são chamados de eutetóides. Aços com menos de 0,77%C são chamados hipoeutetóides e com mais de 0,77%C são chamados hipereutetóides. 10 Embora a perlita não seja uma fase, e sim um constituinte, é possível prever quais são as microestruturas presentes nos aços após o resfriamento lento. Os aços hipoeutetóides (até 0,77%C) apresentam em sua microestruturaferrita e perlita conforme mostra a figura esquemática abaixo. A figura a seguir mostra o aspecto micrográfico de um aço hipoeutetóide com aproximadamente 0,3%C, submetido ao ataque reativo de nital, ampliado 200 vezes. Os grãos escuros são de perlita e os grãos brancos são de ferrita. 11 Os aços eutetóides (0,77%C) apresentam em sua microestrutura somente perlita, conforme mostra a figura esquemática abaixo. A figura a seguir mostra o aspecto micrográfico de um aço eutetóide com 0,77%C, submetido ao ataque reativo de nital, ampliado 1000 vezes. Nota-se a estrutura lamelar; as linhas escuras representando a cementita e as linhas brancas a ferrita 12 Os aços hipereutetóides (0,77% a 2,11%C) apresentam em sua microestrutura perlita e cementita, conforme mostra a figura esquemática a seguir. A figura a seguir mostra o aspecto micrográfico de um aço hipereutetóide com aproximadamente 1%C, submetido ao ataque reativo de picral, ampliado 200 vezes. Nota-se que a cementita está disposta em torno dos grãos de perlita, formando uma rede. Os aços hipoeutetóides apresentarão tanto maior quantidade de ferrita quanto menos carbono contiverem, e os aços hipereutetóides tanto maior quantidade de cementita quanto mais se aproximarem do teor de 2,11% de carbono. A figura a seguir mostra de modo esquemático o teor de carbono e sua microestrutura correspondente. 13 #�� �!� ��"$ �������� ������������ Os aços hipoeutetóides (0,4%C por exemplo) têm pouco carbono, portanto há pouca perlita e quase nenhuma cementita livre. A maior parte de massa constitui-se de ferrita que é Fe� , caracterizando-se pela baixa dureza, porém com alta ductilidade. O diagrama de fase apresentado a seguir, indica as fases presentes nos pontos determinados e o respectivo estado físico do aço hipoeutetóide com 0,4% C, quando submetido ao resfriamento lento. Ponto Temperatura aproximada Estado físico Fases presentes Comentários A 1600ºC líqüido líqüida Toda a matéria líqüida. Todo o carbono dissolvido B 1480ºC líqüido líqüida Início da solidificação. Forma-se o primeiro cristal sólido C 1450ºC mistura líqüida + sólida Campo bifásico. O líqüido vai transformando-se continuamente em austenita D 1350ºC sólido austenita Todo material solidificado. O ultimo líqüido solidificou-se E 1000ºC sólido austenita Apenas sólido presente – austenita - é Fe CFC com todo carbono dissolvido F 780ºC sólido austenita Início da transformação da austenita em ferrita. O carbono começa a liberta-se G 750ºC sólido austenita + ferrita CFC transforma-se continuamente em CCC, libertando carbono para formar a perlita H 727ºC sólido perlita + ferrita Completada a transformação I <727ºC sólido perlita + ferrita Material pronto para ser utilizado 14 Nos aços hipereutetóides ( 0,9%C por exemplo), devido ao alto teor de carbono, teremos a formação de cementita mais a perlita. O diagrama de fase apresentado a seguir mostra as fases presentes e o respectivo estado físico do aço hipereutetóide com 0,9% C ,quando submetido ao resfriamento lento. Ponto Temperatura aproximada Estado físico Fases presentes Comentários A > 1500ºC líqüido líqüida Toda a matéria líqüida. Todo o carbono dissolvido. B 1500ºC líqüido líqüida Início da solidificação. Forma-se o primeiro cristal sólido. C 1450ºC mistura líqüida + sólida Campo bifásico. O líqüido vai transformando-se continuamente em austenita. D 1430ºC sólido austenita Todo material solidificado. O último líqüido solidificou-se. E 1000ºC sólido austenita Apenas sólido presente - austenita - é Fe CFC com todo carbono dissolvido. F 800ºC sólido austenita Início da transformação da austenita em cementita. O carbono começa a libertar-se. G 760ºC sólido austenita + cementita CFC transforma-se continuamente em CCC, libertando carbono para formar a cementita. H 727ºC sólido perlita + cementita Completada a transformação. I < 727ºC sólido perlita + cementita Material pronto para ser utilizado. 15 %� �� ����� � ����� �� �� ������ �� �� �� �" �� Um aço resfriado muito lentamente a partir do campo austenítico apresentará, em temperatura ambiente, uma ou mais das fases ferrita, perlita e cementita, dependendo de seu teor de carbono. Porém, se o resfriamento do aço a partir da região austenítica for muito rápido impede-se a formação da perlita. Certamente produz-se um rearranjo cúbico de face centrada (CFC) para cúbico de corpo centrado (CCC), porém os átomos de carbono permanecem retidos em seu núcleo. Como o resfriamento é rápido e a dimensão do reticulado cristalino � é menor que a dimensão do reticulado cristalino �, o carbono é forçado a permanecer no reticulado cristalino �, causando deformação e tensão, a conseqüência disso é uma estrutura dura, quebradiça, acicular denominada martensita, que não é prevista no diagrama ferro carbono. 16 &����� �� ������� � Tratamentos térmicos são ciclos térmicos a que são submetidos os aços. São compostos por operações de aquecimento, a uma velocidade adequada, com permanência por tempo suficiente em temperatura de tratamento correta e velocidade de resfriamento compatível com o objetivo desejado. Os tratamentos térmicos visam alterar a estrutura natural dos aços, conferindo ou melhorando suas propriedades mecânicas. Os principais objetivos dos tratamentos térmicos são: � remoção de tensões internas (oriundas de resfriamento desigual, trabalho mecânico ou outra causa); � aumento ou diminuição da dureza; � aumento da resistência mecânica; � melhora da ductilidade; � melhora da usinabilidade; � melhora da resistência ao desgaste; � melhora das propriedades de corte; � melhora da resistência à corrosão; � melhora da resistência ao calor; � modificação das propriedades elétricas e magnéticas. 17 ��� � ��� ������’������ �������� �� �� ������ �� O tratamento térmico é composto por um ciclo de tempo - temperatura, e os fatores mais importantes a considerar são: aquecimento, tempo de permanência nessa temperatura e resfriamento. ��������� - como o objetivo principal do tratamento térmico é a modificação de suas propriedades mecânicas. Verifica-se que isso só é conseguido mediante uma alteração em sua estrutura. Assim sendo, o aquecimento é feito acima da zona crítica até sua completa austenitização, ou seja, a dissolução total do carboneto de ferro no ferro gama. O diagrama de fase Fe-C permite visualizar as temperaturas mínimas de transformação alotrópica em função do teor de carbono do aço em tratamento. Na fase de aquecimento, dentro do processo de tratamento térmico, são apropriadamente consideradas a velocidade e a temperatura máxima de aquecimento. A velocidade de aquecimento deve ser adequada à composição e ao estado de tensões do aço. 18 Como tendência geral, o aquecimento muito lento provoca um crescimento excessivo dos grãos de austenita, tornando o aço frágil. Por outro lado, um aquecimento muito rápido em aços ligados ou em aços com tensões internas (provocadas por fundição, forjamento, etc.) poderá provocar empenamento ou mesmo aparecimento de fissuras. A temperatura de aquecimento deverá ser adequada para que ocorram as modificações estruturais desejadas. Se ela for inferior a temperatura de transformação, as modificações não ocorrerão; se for demasiadamente superior ocorrerá um crescimento indesejáveldos grãos de austenita. Essa temperatura de aquecimento depende da composição química do aço e principalmente do seu teor de carbono. A figura a seguir mostra de modo esquemático o crescimento do grão da austenita devido a temperaturas excessivas. � Na prática, o máximo que se admite é 50ºC acima de A3 para os aços hipoeutetóides. Para os aços hipereutetóides, devido à necessidade de altas temperaturas para dissolução do carboneto de ferro, será inevitável o crescimento de grão de austenita. No tratamento térmico, o crescimento do grão de austenita é mais prejudicial que a presença de carboneto não dissolvido; assim, a temperatura recomendada é inferior à linha Acm , mais precisamente, 50ºC acima de A1. 19 ���� �� ����������� �� ������ ��� �� ��������� – o tempo de permanência na mesma temperatura deve ser o suficiente para que as peças se austenitizem de modo uniforme em toda a secção. Se o tempo de permanência for além do necessário, pode haver indesejável crescimento dos grãos de austenita. Empiricamente, adotam-se 2 minutos por milímetro de espessura. Assim, para uma peça com 20mm de espessura serão necessários 40 minutos de permanência na temperatura de aquecimento para a completa difusão dos elementos da liga na austenita. ���������� – Este é o fator mais importante do ponto de vista de tratamento térmico, pois a velocidade de resfriamento determinará efetivamente a estrutura e as propriedades finais desejadas. Os meios de resfriamento usuais são: ambiente do forno, ar e meios líqüidos. O quadro abaixo apresenta em ordem crescente de velocidade alguns meios de resfriamento. Meio de resfriamento Solução aquosa a 10% NaOH Solução aquosa a 10% NaCL Solução aquosa a 10% Na2CO3 20 Água a 0ºC Água a 18ºC Água a 25ºC Óleo 1 Óleo 2 Óleo 3 Água a 50ºC Tetracloreto de carbono Água a 75ºC Água a 100ºC Ar liqüido Ar Vácuo A figura ao lado permite comprovar a importância do diagrama de resfriamento contínuo na determinação dos constituintes e suas respectivas propriedades, que resultam de quando os aços são submetidos a diferentes velocidades de resfriamento. Examinando a figura podemos concluir que: um aço esfriado muito lentamente, no forno, por exemplo (curva A), começa a se transformar em perlita ao atingir o ponto Ai e, ao atingir Af, é inteiramente Transformado em perlita. Essa perlita é de granulação grosseira e apresenta baixa dureza; logo, aços esfriados muito lentamente apresentam, em temperatura ambiente, o constituinte perlita de granulação grosseira e de baixa dureza. Com esfriamento mais rápido, em ar, por exemplo (curva B), o aço apresentará perlita fina, com dureza elevada. Com velocidade de esfriamento maior, em óleo (curva C), a 21 transformação iniciada em Ci e terminada em Cf dá como constituinte perlita mais fina, com dureza maior. Com resfriamento ainda mais rápido (curva D), verifica-se que o início de transformação se dá no ponto Di. A velocidade de esfriamento agora é tal que não possibilita que a curva de esfriamento D toque na curva de fim de transformação, de modo que a transformação em perlita apenas se inicia, interrompendo-se em seguida e, ao atingir o ponto DMi, a austenita que não se transformou passa a martensita, cuja formação termina em DMf. A estrutura resultante dessa velocidade de esfriamento é simultaneamente perlita e martensita. Com esfriamento muito rápido (curva F), em água, verifica-se que a curva de esfriamento não toca na curva de transformação, de modo que não há transformação da austenita em produto lamelar, mas simplesmente passagem a martensita, quando, no esfriamento, são atingidas as temperaturas correspondentes a Mi e Mf. Logo, os aços esfriados mais rapidamente são os mais duros. Há uma curva de esfriamento (curva E), que tangencia a curva C de início de transformação para esfriamento contínuo. Essa velocidade de esfriamento, denominada velocidade crítica de têmpera, indica que é desnecessário esfriar-se o aço mais rapidamente para que se produza estrutura martensítica. Pode- se definir a velocidade crítica de esfriamento (ou de têmpera) como a menor velocidade de esfriamento que produzirá estrutura inteiramente martensítica. Em última análise, o tratamento térmico será escolhido de acordo com a estrutura e as propriedades que se desejam. Assim, quando se visa obter a máxima dureza, deve-se procurar produzir a estrutura martensítica, isto é, escolher um tratamento térmico com esfriamento rápido. Quando se visa ao mínimo de dureza, é necessária a estrutura perlítica, ou seja um resfriamento lento. 22 Efeitos da secção da peça - A velocidade de esfriamento é afetada pela secção da peça, pois seu interior se esfria mais lentamente que a superfície. A figura abaixo mostra de modo esquemático o esfriamento do centro e o da superfície de uma peça em três meios de esfriamento diferentes. � ������ ������� �� ������� �� ��" � ( � )�� �� � É o tratamento térmico que visa reduzir a dureza do aço, aumentar a usinabilidade, diminuir a resistência à tração, remover tensões de trabalhos a frio ou a quente, atingindo a microestrutura ou as propriedades desejadas. Existem, basicamente, 3 tipos principais de recozimento: � Recozimento total ou pleno. � Recozimento para alívio de tensões ou subcrítico. � Esferoidização. ��� ����� �� � ���� – consiste em austenitizar o aço a uma temperatura de mais ou menos 50ºC acima da linha A3 para aços hipoeutetóides e de 50ºC acima de A1 para hipereutetóides. O aço deve ser mantido nesta temperatura o tempo suficiente para que ocorra a solubilização do carbono e dos outros elementos de liga na austenita. Em seguida, deve-se fazer um resfriamento lento dentro do próprio forno, controlando-se a velocidade de resfriamento de aproximadamente 25ºC por hora. O diagrama de fase Fe-C 23 apresentado abaixo mostra de modo esquemático as faixas de temperatura para o recozimento pleno. Obtém-se, no recozimento pleno, uma estrutura de perlita grosseira que é a microestrutura ideal para melhorar a usinabilidade dos aços de baixo e médio teor de carbono (0,2% a 0,6%C); para aços de alto carbono, é preferível a estrutura “esferoidita”; obtida pelo coalescimento. A figura ao lado indica que os constituintes estruturais que resultam do recozimento pleno são: perlita para os aços eutetóide, perlita e ferrita para os aços hipoeutetóides e perlita e cementita para os aços hipereutetóides. ��� ����� ���� ����� �� ������ � ������ �� - consiste no aquecimento do aço a uma temperatura entre 10ºC e 20ºC abaixo de A1, objetivando aliviar tensões provocadas por transformações mecânicas, corte por chama, soldagem, etc. A peça deve ser mantida a essa temperatura de 1 a 2 horas e, em seguida, resfriada lentamente no próprio forno, na cal ou ao ar livre. A figura a seguir mostra esquematicamente as faixas de 24 temperaturas utilizadas no recozimento para alívio de tensões ou subcrítico. ����� ������� - o recozimento de esferoidização aplica-se principalmente em aços de médio e alto teor de carbono, com a finalidade de melhorar a usinabilidade. O tratamento objetiva transformar a rede de lâminas de cementita, em forma globular ou esferoidal de carboneto, em aço. A figura a seguir mostra esquematicamente a microestrutura do aço, antes e após o recozimento de esferoidização. Antes Depois Para ocorrer essa transformação, o aço deve ser aquecido entre 680ºC e 750ºC. Esta temperatura deve ser mantida o tempo suficiente parahomogeneizar a temperatura em toda a peça e o resfriamento deve ser lento, cerca de 10º a 20ºC por hora. A figura a seguir mostra esquematicamente as faixas de temperaturas utilizadas no recozimento de esferoidização. 25 * �����)�"$ � Esse tratamento térmico consiste na austenitização completa do aço, seguida de resfriamento em ar tranqüilo. A figura aao lado mostra no diagrama Fe-C que a faixa de temperatura para a normalização, supera a linha A3 para os aços hipoeutetóides e a linha Acm para os aços hipereutetóides. Essa temperatura situa-se entre 35ºC e 40ºC, conforme o teor de carbono do aço em consideração. O objetivo deste tratamento é obter uma microestrutura mais fina e homogênea dos cristais. A normalização é usada no aço, após a fundição, forjamento ou laminação, preparando-o para uma boa resposta à têmpera. Têmpera - é um tratamento térmico que executamos no aço com teor de carbono maior que 0,3%C, com a finalidade de obter combinações de dureza e resistência mecânica. A estrutura que permite tais combinações é a estrutura martensítica. 26 A têmpera é composta por um conjunto de três etapas: aquecimento, manutenção numa determinada temperatura e resfriamento. No aquecimento, o aço deve ser austenitizado em torno de 50ºC acima da linha A3 para aços hipoeutetóides. Para aços hipereutetóides a temperatura é de 50ºC acima de A1, isto é, nos aços hipoeutetóides a ferrita e a perlita se transformam em austenita. Nos aços hipereutetóides a perlita se transforma em austenita e a cementita continua inalterada por ser um constituinte duro. A figura a seguir mostra no diagrama Fe-C a faixa de temperatura de têmpera em função da porcentagem de carbono no aço. A permanência do aço numa determinada temperatura deve ser suficiente para que a superfície e o centro da peça adquiram a mesma temperatura e ocorra a solubilidade completa do carbono. Como regra, 2 minutos por milímetro de espessura do material são suficientes. O resfriamento na têmpera determina efetivamente a estrutura martensítica, portanto ele deve ser feito em um meio que possibilite uma curva de resfriamento que passe à esquerda do cotovelo da curva em C , evitando assim a transformação da austenita em produtos normais. A figura a seguir mostra a curva 27 de resfriamento para temperar aço 1080 ; a linha Mi indica o início, e a linha Mf, o fim da transformação da austenita em martensita. ( � ��� � É um tratamento térmico que normalmente se realiza após a têmpera com a finalidade de aliviar as tensões internas, diminuir a dureza excessiva e a fragilidade da martensita temperada, e, assim, aumentar a ductilidade e resistência ao choque. O revenido deve ser feito logo após a têmpera, para se evitar a perda de peças por ruptura provocada pelas tensões da têmpera. A figura a seguir mostra de modo esquemático o ciclo de têmpera e revenido. 28 A temperatura do revenido varia em função do tipo de aço, dureza e característica mecânica desejada. O diagrama abaixo permite avaliar o efeito da temperatura de revenido sobre a dureza e a resistência ao choque de um aço 1045 temperado. Cada material possui uma curva característica. A temperatura de revenido também tem o objetivo de regularizar a dureza. Isso pode ser feito de duas maneiras. Uma delas é experimental, e se revine a peça aos poucos a partir de 100ºC, medindo-se a dureza em cada faixa até que se obtenha a dureza desejada. Outra maneira é a consulta aos diagramas de revenido, onde se lê diretamente o valor da temperatura em função da dureza desejada. Um exemplo de aplicação do diagrama é apresentado na figura abaixo. 29 A manutenção numa determinada temperatura é um importante fator para peças de massa elevada. Como regra, deve-se manter por 60 minutos, adicionando-se uma hora para cada polegada de espessura da peça. O esfriamento após o revenido é feito em ar livre, salvo nos casos de aços que sofrem um fenômeno chamado fragilidade ao revenido (aços ligados ao Cr e Ni), quando revenidos nas faixas entre 260ºC e 315ºC e, também, entre 450ºC e 600ºC. É recomendado que, no caso de dúvida quanto à susceptibilidade do aço a este problema ou quando o revenido tiver que ser feito nestas faixas de temperatura, que seja seguido de resfriamento brusco em água fria. &����� �� ���� ������ �� Esses tratamentos baseiam-se no conhecimento das curvas em C ou TTT e nos fenômenos que ocorrem durante o aquecimento e o resfriamento dos aços, possibilitando substituir com vantagens os tratamentos térmicos convencionais. Dentre esses tratamentos, destacam-se a austêmpera e a martêmpera. ����’�! ��� Esse tratamento isotérmico aproveita as transformações da austenita que ocorrem a uma temperatura constante. O constituinte que se origina na austêmpera é a bainita, que se caracteriza pela alta ductilidade, tenacidade e resistência mecânica, conhecida como “efeito mola”, portanto, com propriedades superiores à da martensita revenida. A austêmpera consiste em submeter o aço a uma seqüência de operações e transformações: � aquecimento a uma temperatura que possibilite a austenitização; como regra, seguir os parâmetros de aquecimento da têmpera; � resfriamento num banho mantido a uma temperatura constante, geralmente entre 260ºC e 400ºC; � permanência no banho a essa temperatura para, isotermicamente, ocorrer a transformação da austenita em bainita; 30 � resfriamento até a temperatura ambiente, em ar livre ou banho de sal. A figura a seguir representa esquematicamente o diagrama de transformação da austêmpera. +���’�! ��� Esse tratamento consiste em interromper o resfriamento a partir da temperatura de austenitização, de modo a retardar o resfriamento do aço por alguns instantes em uma temperatura pouco superior à linha MI (temperatura de início da transformação martensítica), resultando numa uniformização de temperatura na superfície e no centro das peças submetidas a esse tratamento. Esse procedimento diminui a perda de peças por trincas e empenos, que são defeitos causados pelo resfriamento rápido da têmpera convencional. A martêmpera consiste em submeter o aço a uma seqüência de operações: � Aquecimento a uma temperatura de austenitização; � Resfriamento num meio fluido quente (óleo quente, banho de sal) até uma temperatura acima da transformação martensítica (linha Mi ); � Manutenção nesse meio de resfriamento até a uniformização da temperatura entre a superfície e o núcleo da peça; 31 � Resfriamento posterior a uma velocidade moderada (geralmente em ar) de modo a prevenir diferenças de temperatura entre a superfície e o núcleo das peças. Após a martêmpera, as peças são submetidas a uma operação comum de revenido, como se tivessem sido temperadas. A figura a seguir representa esquematicamente o diagrama de transformação da martêmpera. &’�! �����! �������� 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 das peças tratadas. 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. 32 ������� � � ����� - o aquecimento da peça é feito por meio da incidência de uma chama oxiacetilênica na superfície da peça, a uma temperatura acima da zonacrítica (727ºC), atingindo uma camada predeterminada a endurecer; em seguida é feito um resfriamento por jateamento de água. Existem dois métodos de aquecimento para têmpera superficial : circular e linear. A figura a seguir mostra esquematicamente uma peça submetida ao método circular combinado com o movimento progressivo giratório. A próxima figura mostra esquematicamente um dispositivo próprio para têmpera superficial linear. 33 ������� ����������� � � ������ - 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 de indução). O aquecimento da peça é gerado pela resistência do material ao fluxo da corrente elétrica. A figura a seguir mostra o processo de têmpera superficial por indução. Alcançada a temperatura de têmpera, resfria-se rapidamente a peça por meio de um jato de água ou óleo. 34 &����� �� ��� �� ��,��� �� 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. A figura a seguir ilustra esta situação. Os tratamentos termoquímicos mais usados são: � cementação; � nitretação; � carbonitretação; � boretação. Esses tratamentos são feitos com substâncias sólidas, líquidas ou gasosas. � � ���"$ � Aplica-se a aços com até 0,30% de carbono e com baixo teor de elementos de ligas. A cementação é aplicada em peças como engrenagens, eixos, parafusos, etc., que necessitam de resistência mecânica e de alta dureza na superfície e núcleo dúctil com boa tenacidade. O aço é colocado em um meio rico em carbono e aquecido a uma temperatura acima da temperatura de transformação em 35 austenita, pois neste estado ele consegue dissolver melhor o carbono. A profundidade de penetração do carbono depende do tempo de cementação. O diagrama abaixo mostra a influência do tempo e da temperatura na penetração superficial de carbono. Como o processo se dá por difusão, a camada superficial apresentará grande saturação do elemento carbono na superfície, decrescendo em direção ao núcleo como mostra a figura abaixo. 36 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 850ºC a 950ºC. 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. A tabela abaixo relaciona o tipo de cementação com o meios cementantes Tipo de cementação Meios cementantes Sólida (caixa) Carvão vegetal duro Carvão coque 20% Ativadores 5 a 10% Líquida (banho em sais fundidos) Cianeto de sódio Cianeto de bário Cianato de sódio Cianato de bário Outros sais Gasosa (fornos de atmosfera) Gás metano Gás propano, etc. Os aços, depois de submetidos à cementação, devem ser temperados; geralmente não se faz o revenido, mas, se for necessário aliviar as tensões residuais da têmpera, faz-se, então o revenido com temperatura entre 160º e 200ºC. *��� ��"$ � É um tratamento termoquímico de endurecimento superficial semelhante à cementação, que se caracteriza pela introdução superficial de nitrogênio no aço até uma certa profundidade, sob a ação de um ambiente nitrogenoso a uma temperatura determinada, para formar uma camada dura de nitretos. A nitretação é realizada com os seguintes objetivos: 37 � 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 500ºC a 560ºC, tornando as peças menos suscetíveis a empenamentos ou distorções. Após a nitretação, não é necessário têmpera para produzir dureza na camada nitretada. A nitretação pode ser feita em meio líquido ou gasoso. O nitrogênio introduzido na superfície do aço 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. Nesse processo, o tempo de formação da camada é muito grande, como mostra o gráfico abaixo. Na nitretação líquida, o meio nitretante são banhos de sais fundidos, em geral cianetos e cianatos, responsáveis pelo fornecimento do nitrogênio. 38 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 ao carbono. O gráfico a seguir mostra a influência do carbono e dos elementos de liga na profundidade da camada nitretada. Nota-se que a profundidade de penetração é tanto menor, quanto maior o teor de carbono. ��� ���� ��"$ � Processo de introduzir carbono e nitrogênio no aço a partir de uma mistura gasosa apropriada. O carbono provém de um gás rico em carbono e o nitrogênio a partir da amônia. É um processo misto de cementação a gás e nitretação a gás, e sua temperatura varia de 700ºC a 900ºC. O objetivo principal da carbonitretação é formar no aço uma camada resistente ao desgaste, de 0,07mm a 0,7mm, e é usada geralmente em peças de pequeno porte, como componentes de máquinas de escrever, carburadores, relógios e aparelhos eletrodomésticos. - � ��"$ � Processo mais recente entre os tratamentos superficiais nos aços carbono, aços liga, ferro fundido comum e nodular. 39 O processo consiste no enriquecimento superficial do aço com de boro e se efetua em meio sólido de carboneto de boro a uma temperatura de 800ºC a 1050ºC. O composto formado na superfície da peça boretada é o boreto de ferro, com dureza elevadíssima, que, medida na escala Vickers, alcança 1700 kgf/mm2 a 2000 kgf/mm2 (16.680 MPa a 19.620 MPa). A alta dureza da camada boretada oferece elevada resistência ao desgaste e resistência à corrosão. Essa camada é resultado do tempo de boretação que varia de 1 a 8 horas. O diagrama a seguir permite verificar a profundidade da camada boretada em função do tempo e da temperatura. O aço boretado é usualmente temperado e revenido. 40 & �! ���� �� � ���� Temperar e revenir são operações de tratamento térmico destinadas a aços carbono e aços ligados, conferindo ao aço tratado propriedades mecânicas de dureza e, consequentemente, resistência ao desgaste. Na operação de têmpera, o aço adquire elevada dureza acompanhada de tensões e fragilidades, que são características da estrutura martensítica, obtida pelo resfriamento rápido. O revenido reduz a fragilidade provocada pela têmpera, corrige a dureza e aumenta a tenacidade do aço temperado. Normalmente a operação de revenir acompanha a operação de têmpera. � 41 �� � �� �� � . ��"$ /�&’�! ��� 1. Ligueo forno. 2. Regule a temperatura de aquecimento. Observação A temperatura de aquecimento deve ser de 50ºC acima da linha A3 para aços hipoeutetóides e de 50ºC acima da linha A1 para aços hipereutetóides. 3. Coloque o material no forno. Observação O tempo de permanência na temperatura de aquecimento deve ser suficiente para a completa difusão dos elementos da liga na austenita. Como regra, adota-se um tempo de 2 minutos por milímetro de bitola. 42 4. Resfrie o material para efetivar a operação de têmpera. Observações A velocidade de resfriamento está relacionada à severidade do meio (água ou óleo), ao tipo de aço, ao grau de agitação e ao volume da peça. resfriamento deve ser feito em um meio liquido para possibilitar a formação da martensita. As peças devem ser mergulhadas sempre na vertical. Deve-se agitar a peça ou o meio de resfriamento para garantir que a curva de resfriamento passe à esquerda da curva em “C” do aço em tratamento. 43 �� � �� �� � . ��"$ /�( � ���� 1. Regule a temperatura de aquecimento. Observação A temperatura de aquecimento varia em função do tipo de aço, da dureza e da característica mecânica desejada. � � Cada material tem uma curva característica. 2. Coloque o material no forno. 44 Observação O tempo de permanência na temperatura de aquecimento deve ser de no mínimo 60 minutos para peças com até 25mm de espessura. Para peças de massa elevada, acrescentar 60 minutos para cada 25mm de espessura. 3. Resfrie o material para efetivar a operação de revenido no aço temperado. Observações A velocidade de resfriamento deve ser média, normalmente ao ar tranqüilo. Aços ligados ao cromo e níquel, principalmente, devem ser resfriados em água para evitar o fenômeno chamado de fragilidade ao revenido. 4. Repetir a operação até obter a dureza desejada. 45 ( � ) ���" � O recozimento pleno ou simplesmente recozimento é um tratamento térmico que deve ser feito para recuperar e homogeneizar a estrutura cristalina do aço. Visa reduzir principalmente a dureza do aço, recuperando a usinabilidade em peças que sofreram têmpera, forjamento, laminação ou deformação a frio. O recozimento pleno é composto basicamente por três fases: aquecimento, tempo de permanência à temperatura e resfriamento. 46 �� � �� �� � . ��"$ � 1. Ligue o forno. 2. Regule a temperatura de aquecimento. Observação A temperatura de aquecimento deve ser de 50ºC acima da linha A3 para aços hipoeutetóides e de 50ºC acima da linha A1 para aços hipereutetóides. 3. Coloque o material no forno. Observação O tempo de permanência na temperatura de aquecimento deve ser suficiente para a completa difusão dos elementos da liga na austenita. Como regra, adota-se um tempo de 2 minutos por milímetro de bitola. 47 4. Resfrie o material para efetivar o recozimento. Observações O resfriamento deve ser feito no próprio forno ou na câmara de esfriamento a uma velocidade de 25ºC por hora. Um método empírico consiste em recobrir as peças com cavacos de ferro fundido, cinza, cal virgem em pó ou qualquer material que seja mal condutor de calor para diminuir a velocidade de resfriamento. A microestrutura obtida no recozimento pleno é a perlita grosseira de baixa dureza, que é o constituinte ideal para melhorar a usinabilidade dos aços. 48 %���� ��� 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. 49 O acesso a novas matérias-primas e o desenvolvimento dos processos de fabricação obrigaram à 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? É possível que você já tenha analisado algumas delas ao estudar o módulo Materiais ou mesmo em outra oportunidade. Mesmo assim, é bom refrescar a memória, para entender com mais facilidade os assuntos que virão. Ao terminar o estudo desta aula, você conhecerá algumas propriedades físicas e químicas que os materiais precisam ter para resistirem às solicitações a que serão submetidos durante seu tempo de vida útil. Saberá quais são os tipos de ensaios simples que podem ser realizados na própria oficina, sem aparatos especiais. E ficará conhecendo também como se classificam os ensaios em função dos efeitos que causam nos materiais testados. 50 ������� �� �� �� �� ���� �� 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. 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. 51 0�� ��$ �� �� �� �� ���� �� 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. 52 Ensaio pela análise da centelha - É utilizadopara 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. 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. Observações: � Protótipo – é a versão preliminar de um produto, produzida em pequena quantidade, e utilizada durante a fase de testes. � Corpo de prova – é uma amostra do material que se deseja testar, com dimensões e forma especificadas em normas técnicas. 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 53 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. �� !�� ��� ��� ����� ������ 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 colocamos 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 aço-carbono, em contato com o ar, sofre corrosão, com mudança na sua 54 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. Quando você solta o pedal da embreagem do carro, ele volta à posição de origem graças à elasticidade da mola ligada ao sistema acionador do pedal. A elasticidade é um exemplo de propriedade mecânica. Pode ser definida como a capacidade que um material tem de retornar à sua forma e dimensões originais quando cessa o esforço que o deformava. 55 A estampagem de uma chapa de aço para fabricação de um capô de automóvel, por exemplo, só é possível em materiais que apresentem plasticidade suficiente. Plasticidade é a capacidade que um material tem de apresentar deformação permanente apreciável, sem se romper. Uma viga de uma ponte rolante deve suportar esforços de flexão sem se romper. Para tanto, é necessário que ela apresente resistência mecânica suficiente. Resistência mecânica é a capacidade que um material tem de suportar esforços externos (tração, compressão, flexão etc.) sem se romper. Para determinar qualquer dessas propriedades é necessário realizar um ensaio específico. 56 &�! ��� � ���� ��� �1��� �� Existem vários critérios para classificar os ensaios mecânicos. A classificação que adotaremos agrupa os ensaios em dois blocos: � ensaios destrutivos; � ensaios não destrutivos. Ensaios destrutivos são aqueles que deixam algum sinal na peça ou corpo de prova submetido ao ensaio, mesmo que estes não fiquem inutilizados. Os ensaios destrutivos podem ser de: � tração � compressão � cisalhamento � dobramento � flexão � embutimento � torção � dureza � fluência � fadiga � impacto Ensaios não destrutivos são aqueles que após sua realização não deixam nenhuma marca ou sinal e, por conseqüência, nunca inutilizam a peça ou corpo de prova. Por essa razão, podem ser usados para detectar falhas em produtos acabados e semi- acabados. 57 %���� �� ����"$ /��2���� ����� ��$ � #��� ��"$ � Você com certeza já andou de elevador, já observou uma carga sendo elevada por um guindaste ou viu, na sua empresa, uma ponte rolante transportando grandes cargas pra lá e pra cá. Além das grandes cargas movimentadas nessas situações, um outro fato certamente chama a sua atenção: são os cabos de aço usados nesses equipamentos! Você faz idéia do esforço que esses cabos têm de agüentar ao deslocar estas cargas? Sabe como se chama esse esforço e como ele é calculado? Sabe que a determinação deste tipo de esforço e a especificação das dimensões de cabos estão entre os problemas mais freqüentemente encontrados no campo da Mecânica? Tanto o superdimensionamento como o subdimensionamento de produtos podem trazer conseqüências graves: o primeiro porque gera desperdício de material, maior consumo de energia e baixo desempenho; o segundo porque o produto vai falhar e, além do prejuízo, pode causar sérios acidentes, com danos irreparáveis. Essas considerações servem para ilustrar o quanto é importante conhecer a resistência dos materiais, que pode ser avaliada pela realização de ensaios mecânicos. O ensaio mecânico mais importante para a determinação da resistência dos materiais é o ensaio de tração. 58 Se você está interessado em aprofundar seus conhecimentos sobre esses assuntos, está no caminho certo. Nesta aula você terá oportunidade de conhecer as unidades de medida usadas nos ensaios mecânicos de tração. Ficará sabendo o que se entende por tensão e deformação. E aprenderá a fórmula para calcular a tensão a que estão submetidos os materiais durante o uso. Fique com a gente! ������� �� �� �� �� ���� ��� ����"$ � Como você já sabe, as propriedades mecânicas constituem uma das características mais importantes dos metais em suas várias aplicações na engenharia, visto que o projeto e a fabricação de produtos se baseiam principalmente no comportamento destas propriedades. A determinação das propriedades mecânicas dos materiais é obtida por meio de ensaios mecânicos, realizados no próprio produto ou em corpos de prova de dimensões e formas especificadas, segundo procedimentos padronizados por normas brasileiras e estrangeiras. ����� � � ��� � O corpo de prova é preferencialmente utilizado quando o resultado do ensaio precisa ser comparado com especificações de normas internacionais. O ensaio de tração consiste em submeter o material a um esforço que tende a alongá-lo até a ruptura. Os esforços ou cargas são medidos na própria máquina de ensaio. No ensaio de tração o corpo é deformado por alongamento, até o momento em que se rompe. Os ensaios de tração permitem conhecer como os materiais reagemaos esforços de tração, quais os limites de tração que suportam e a partir de que momento se rompem. 59 ��� �������!����3���� � ���"$ � Imagine um corpo preso numa das extremidades, submetido a uma força, como na ilustração ao lado. Quando esta força é aplicada na direção do eixo longitudinal, dizemos que se trata de uma força axial. Ao mesmo tempo, a força axial é perpendicular à seção transversal do corpo. Observe novamente a ilustração anterior. Repare que a força axial está dirigida para fora do corpo sobre o qual foi aplicada. Quando a força axial está dirigida para fora do corpo, trata-se de uma força axial de tração. A aplicação de uma força axial de tração num corpo preso produz uma deformação no corpo, isto é, um aumento no seu comprimento com diminuição da área da seção transversal. 60 Este aumento de comprimento recebe o nome de alongamento. Veja o efeito do alongamento num corpo submetido a um ensaio de tração. Na norma brasileira, o alongamento é representado pela letra A e é calculado subtraindo-se o comprimento inicial do comprimento final e dividindo-se o resultado pelo comprimento inicial. Em linguagem matemática, esta afirmação pode ser expressa pela seguinte igualdade: A Lf Lo Lo � � sendo que Lo representa o comprimento inicial antes do ensaio e Lf representa o comprimento final após o ensaio. Suponha que você quer saber qual o alongamento sofrido por um corpo de 12mm que, submetido a uma força axial de tração, ficou com 13,2mm de comprimento. Aplicando a fórmula anterior, você fica sabendo que: A Lf Lo Lo � � � A 13,2 12 12 � � � A 1,2 12 0,1mm / mm� � A unidade mm/mm indica que ocorre uma deformação de 0,1mm por 1mm de dimensão do material. 61 Pode-se também indicar a deformação de maneira percentual. Para obter a deformação expressa em porcentagem, basta multiplicar o resultado anterior por 100. No nosso exemplo: A = 0,1mm/mm x 100 = 10%. E agora, que tal você tentar? 4 �������� � � �� ���� �� � Escreva na forma percentual o valor da deformação correspondente a 0,2cm/cm. Resposta: ...................................................................................... . A resposta correta é 20%. Você deve ter chegado a este valor multiplicando 0,2 por 100. Há dois tipos de deformação, que se sucedem quando o material é submetido a uma força de tração: a elástica e a plástica. � Deformação elástica: não é permanente. Uma vez cessados os esforços, o material volta à sua forma original. 62 � Deformação plástica: é permanente. Uma vez cessados os esforços, o material recupera a deformação elástica, mas fica com uma deformação residual plástica, não voltando mais à sua forma original. Tensão de tração: o que é e como é medida A força de tração atua sobre a área da seção transversal do material. Tem-se assim uma relação entre essa força aplicada e a área do material que está sendo exigida, denominada tensão. Neste módulo, a tensão será representada pela letra T. �� � ��� �������� Tensão (T) é a relação entre uma força (F) e uma unidade de área (S): T = F S ��� Para efeito de cálculo da tensão suportada por um material, considera-se como área útil da seção deste material a soma das áreas de suas partes maciças. Por exemplo: um cabo metálico para elevação de pesos, cuja área da seção é de 132,73mm 2 , composto por 42 espiras de 1,2mm 2 , tem como área útil 50,4mm 2 . 63 A unidade de medida de força adotada pelo Sistema Internacional de Unidades (SI) é o newton (N). ����� � � ��� � A unidade quilograma-força (kgf) ainda é usada no Brasil porque a maioria das máquinas disponíveis possui escalas nesta unidade. Porém, após a realização dos ensaios, os valores de força devem ser convertidos para newton (N). A unidade de medida de área é o metro quadrado (m2). No caso da medida de tensão, é mais freqüentemente usado seu submúltiplo, o milímetro quadrado (mm2). Assim, a tensão é expressa matematicamente como: T = N mm2 ����� � � ��� � Durante muito tempo, a tensão foi medida em kgf/mm2 ou em psi (pound square inch, que quer dizer: libra por polegada quadrada). Com adoção do Sistema Internacional de Unidades (SI) pelo Brasil, em 1978, essas unidades foram substituídas pelo pascal (Pa). Um múltiplo dessa unidade, o megapascal (MPa), vem sendo utilizado por um número crescente de países, inclusive o Brasil. Veja no quadro de conversões a seguir a correspondência entre essas unidades de medida. 1 N = 0,10 2kgf 1 kgf = 0,454 lb = 9,807 N 1 MPa = 1N/mm 2 = 0,102 kgf/mm 2 1 kgf/mm 2 = 1422,27 psi = 9,807 MPa = 9,807 N/mm 2 64 ��������� ���� ��$ � Um amigo, que está montando uma oficina de manutenção mecânica, pediu sua ajuda para calcular a tensão que deve ser suportada por um tirante de aço de 4mm2 de seção, sabendo que o material estará exposto a uma força de 40 N. Simples, não é mesmo? Sabendo qual a força aplicada (F = 40 N) e qual a área da seção do tirante (S = 4mm2), basta aplicar a fórmula: T = F S T = 40N 4mm T = 10N mm2 2 � � Portanto, a tensão que o cabo deverá suportar é de 10 N/mm2. Mas, se seu amigo quiser saber a resposta em megapascal, o resultado será 10 MPa. Muito bem! Por ora, se todos os assuntos apresentados ficaram claros, já está mais que bom. Antes de passar para o estudo da próxima aula, resolva os exercícios a seguir para ter certeza de que tudo que foi visto nesta aula não apresenta mais mistérios para você. 65 %���� ��� ����"$ /�!� !�� ��� �� � �1���������������� #��� ��"$ � Nos tempos em que moleque que era moleque brincava com estilingue, qualquer um sabia, na prática, como escolher o material para fazer a atiradeira. Mas se você não for daquela época, arranje um elástico, desses comuns, e siga os procedimentos sugeridos a seguir. Segure o elástico com as duas mãos, uma em cada ponta, como mostra a ilustração. Depois, mantendo um dos lados fixos, vá aplicando, vagarosamente, uma força de tração do lado oposto. Pare de aplicar a força por um instante. Observe como o elástico tende a retornar à sua forma original quando a força é aliviada. Volte a tracionar um dos lados. Veja que, ao mesmo tempo em que o elástico vai se alongando, sua seção se estreita. Agora não tem mais jeito! Mesmo que você pare de tracionar, o elástico não volta mais à forma original. Continue tracionando mais um pouco. Epa! O elástico se rompeu. Você está com dois 66 pedaços, um em cada mão. Juntando os dois pedaços você notará que eles estão maiores que o pedaço original. Isso que você acabou de fazer pode ser considerado uma forma rudimentar de ensaio de tração. Quando o ensaio de tração é realizado num laboratório, com equipamento adequado, ele permite registrar informações importantes para o cálculo de resistência dos materiais a esforços de tração e, conseqüentemente, para projetos e cálculos de estruturas. Algumas informações são registradas durante a realização do ensaio e outras são obtidas pela análise das características do corpo de prova após o ensaio. Os dados relativos às forças aplicadas e deformações sofridas pelo corpo de prova até a ruptura permitem traçar o gráfico conhecido como diagrama tensão-deformação. Nesta aula você aprenderá a interpretar o diagrama tensão- deformação e ficará sabendo quais as propriedades determinadas no ensaio de tração: limite elástico ou de proporcionalidade,limite de escoamento, limite de resistência, limite de ruptura e estricção. Esqueça o estilingue. Jogue fora seu elástico, se é que já não o fez, e estique o olho nesta aula. Você vai ficar sabendo muita coisa interessante! ���������� ��$ �� � ���"$ �� Quando um corpo de prova é submetido a um ensaio de tração, a máquina de ensaio fornece um gráfico que mostra as relações entre a força aplicada e as deformações ocorridas durante o ensaio. Mas o que nos interessa para a determinação das propriedades do material ensaiado é a relação entre tensão e deformação. 67 Você já sabe que a tensão (T) corresponde à força (F) dividida pela área da seção (S) sobre a qual a força é aplicada. No ensaio de tração convencionou-se que a área da seção utilizada para os cálculos é a da seção inicial (So). Assim, aplicando a fórmula So F = T , podemos obter os valores de tensão para montar um gráfico que mostre as relações entre tensão e deformação. Este gráfico é conhecido por diagrama tensão-deformação. Os valores de deformação, representados pela letra grega minúscula e (épsilon), são indicados no eixo das abscissas (x) e os valores de tensão são indicados no eixo das ordenadas (y). A curva resultante apresenta certas características que são comuns a diversos tipos de materiais usados na área da Mecânica. Analisando o diagrama tensão-deformação passo a passo, você vai ficar conhecendo cada uma das propriedades que ele permite determinar. A primeira delas é o limite elástico. 68 ����� � �2���� �� Observe o diagrama a seguir. Note que foi marcado um ponto A no final da parte reta do gráfico. Este ponto representa o limite elástico. O limite elástico recebe este nome porque, se o ensaio for interrompido antes deste ponto e a força de tração for retirada, o corpo volta à sua forma original, como faz um elástico. Na fase elástica os metais obedecem à lei de Hooke. Suas deformações são diretamente proporcionais às tensões aplicadas. Exemplificando: se aplicarmos uma tensão de 10 N/mm2 e o corpo de prova se alongar 0,1%, ao aplicarmos uma força de 100 N/mm2 o corpo de prova se alongará 1%. ��� Em 1678, Sir Robert Hooke descobriu que uma mola tem sempre a deformação (�) proporcional à tensão aplicada (T), desenvolvendo assim a constante da mola (K), ou lei de Hooke, onde K = T/�. + ��� �� � ���������� � Na fase elástica, se dividirmos a tensão pela deformação, em qualquer ponto, obteremos sempre um valor constante. 69 Este valor constante é chamado módulo de elasticidade. A expressão matemática dessa relação é: � T = E , onde E é a constante que representa o módulo de elasticidade. O módulo de elasticidade é a medida da rigidez do material. Quanto maior for o módulo, menor será a deformação elástica resultante da aplicação de uma tensão e mais rígido será o material. Esta propriedade é muito importante na seleção de materiais para fabricação de molas. ����� �� �!� ! ��� ������� �� Porém, a lei de Hooke só vale até um determinado valor de tensão, denominado limite de proporcionalidade, que é o ponto representado no gráfico a seguir por A’, a partir do qual a deformação deixa de ser proporcional à carga aplicada. Na prática, considera-se que o limite de proporcionalidade e o limite de elasticidade são coincidentes. %�� �� �� �� Terminada a fase elástica, tem início a fase plástica, na qual ocorre uma deformação permanente no material, mesmo que se retire a força de tração. 70 No início da fase plástica ocorre um fenômeno chamado escoamento. O escoamento caracteriza-se por uma deformação permanente do material sem que haja aumento de carga, mas com aumento da velocidade de deformação. Durante o escoamento a carga oscila entre valores muito próximos uns dos outros. ����� �� �� ����’������ Após o escoamento ocorre o encruamento, que é um endurecimento causado pela quebra dos grãos que compõem o material quando deformados a frio. O material resiste cada vez mais à tração externa, exigindo uma tensão cada vez maior para se deformar. Nessa fase, a tensão recomeça a subir, até atingir um valor máximo num ponto chamado de limite de resistência (B). Para calcular o valor do limite de resistência (LR), basta aplicar a fórmula: So maxF = LR 71 ����� �� ���!������ Continuando a tração, chega-se à ruptura do material, que ocorre num ponto chamado limite de ruptura (C). Note que a tensão no limite de ruptura é menor que no limite de resistência, devido à diminuição da área que ocorre no corpo de prova depois que se atinge a carga máxima. Agora você já tem condições de analisar todos esses elementos representados num mesmo diagrama de tensão- deformação, como na figura a seguir. 72 %�����"$ �� É a redução percentual da área da seção transversal do corpo de prova na região onde vai se localizar a ruptura. A estricção determina a ductilidade do material. Quanto maior for a porcentagem de estricção, mais dúctil será o material. Por ora é suficiente. Que tal descansar um pouco para assentar as idéias e depois retomar o estudo resolvendo os exercícios propostos a seguir? Se tiver alguma dificuldade, faça uma revisão dos assuntos tratados nesta aula antes de prosseguir. 73 %���� �� ����"$ /�!� � ��� �� �� � �����)�� �� #��� ��"$ � Hoje em dia é comum encontrar uma grande variedade de artigos importados em qualquer supermercado e até mesmo em pequenas lojas de bairro: são produtos eletrônicos japoneses, panelas antiaderentes francesas, utilidades domésticas com o inconfundível design italiano e uma infinidade de quinquilharias fabricadas pelos chineses. Isso sem contar os veículos americanos, coreanos, russos etc., que de uma hora para outra invadiram nossas ruas e estradas. Por outro lado, os setores exportadores brasileiros também vêm conquistando espaço no comércio internacional. A crescente internacionalização do comércio de produtos põe em destaque a importância da normalização dos ensaios de materiais. Qualquer que seja a procedência do produto, os testes pelos quais ele passou em seu país de origem devem poder ser repetidos, nas mesmas condições, em qualquer lugar do mundo. É por isso que essa aula será dedicada ao estudo da normalização direcionada para o ensaio de tração. Você ficará sabendo quais são as principais entidades internacionais e nacionais que produzem e divulgam as normas técnicas mais utilizadas pelos laboratórios de ensaios. E saberá também o que dizem algumas normas que fornecem especificações sobre corpos de prova. 74 � ���� ������ �� �� ���� ��� Os ensaios não indicam propriedades de uma maneira absoluta, porque não reproduzem totalmente os esforços a que uma peça é submetida, em serviço. Quando realizados no próprio produto, os ensaios têm maior significado pois procuram simular as condições de funcionamento do mesmo. Mas na prática isso nem sempre é realizável. Além disso, os resultados assim obtidos teriam apenas uma importância particular para aquele produto. Para determinarmos as propriedades dos materiais, independentemente das estruturas em que serão utilizados, é necessário recorrer à confecção de corpos de prova. Os resultados obtidos dependem do formato do corpo de prova e do método de ensaio adotado. Por exemplo, no ensaio de tração de um corpo de prova de aço, o alongamento é uma medida da sua ductilidade. Este valor é afetado pelo comprimento do corpo de prova, pelo seu formato, pela velocidade de aplicação da carga e pelas imprecisões do métodode análise dos resultados do ensaio. Portanto, os resultados dos ensaios, quando não são suficientemente representativos dos comportamentos em serviço, exigem na fase de projeto das estruturas a introdução de um fator multiplicativo chamado coeficiente de segurança, o qual leva em consideração as incertezas, não só provenientes da determinação das propriedades dos materiais, mas também da precisão das hipóteses teóricas referentes à existência e ao cálculo das tensões em toda a estrutura. 75 * ��������������� �������!���� ���� ��� � ���"$ � Quando se trata de realizar ensaios mecânicos, as normas mais utilizadas são as referentes à especificação de materiais e ao método de ensaio. Um método descreve o correto procedimento para se efetuar um determinado ensaio mecânico. Desse modo, seguindo-se sempre o mesmo método, os resultados obtidos para um mesmo material são semelhantes e reprodutíveis onde quer que o ensaio seja executado. As normas técnicas mais utilizadas pelos laboratórios de ensaios provêm das seguintes instituições: ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas ASTM – American Society for Testing and Materials DIN – Deutsches Institut für Normung AFNOR – Association Française de Normalisation BSI – British Standards Institution ASME – American Society of Mechanical Engineer ISO – International Organization for Standardization JIS – Japanese Industrial Standards SAE – Society of Automotive Engineers COPANT – Comissão Panamericana de Normas Técnicas Além dessas, são também utilizadas normas particulares de indústrias ou companhias governamentais. 76 %���!�� �� �!���� � ���� �� ����"$ � O ensaio de tração geralmente é realizado na máquina universal, que tem este nome porque se presta à realização de diversos tipos de ensaios. Analise cuidadosamente a ilustração a seguir, que mostra os componentes básicos de uma máquina universal de ensaios. Fixa-se o corpo de prova na máquina por suas extremidades, numa posição que permite ao equipamento aplicar-lhe uma força axial para fora, de modo a aumentar seu comprimento. A máquina de tração é hidráulica, movida pela pressão de óleo, e está ligada a um dinamômetro que mede a força aplicada ao corpo de prova. Observação Dinamômetro – é um equipamento utilizado para medir forças. A máquina de ensaio possui um registrador gráfico que vai traçando o diagrama de força e deformação, em papel milimetrado, à medida em que o ensaio é realizado. 77 � �! ��� �!� ���� O ensaio de tração é feito em corpos de prova com características especificadas de acordo com normas técnicas. Suas dimensões devem ser adequadas à capacidade da máquina de ensaio. Normalmente utilizam-se corpos de prova de seção circular ou de seção retangular, dependendo da forma e tamanho do produto acabado do qual foram retirados, como mostram as ilustrações a seguir. A parte útil do corpo de prova, identificada no desenho anterior por Lo, é a região onde são feitas as medidas das propriedades mecânicas do material. As cabeças são as regiões extremas, que servem para fixar o corpo de prova à máquina de modo que a força de tração atuante seja axial. Devem ter seção maior do que a parte útil para que a ruptura do corpo de prova não ocorra nelas. Suas dimensões e formas dependem do tipo de fixação à máquina. Os tipos de fixação mais comuns são: cunha rosca flange 78 Entre as cabeças e a parte útil há um raio de concordância para evitar que a ruptura ocorra fora da parte útil do corpo de prova(Lo). Segundo a ABNT, o comprimento da parte útil dos corpos de prova utilizados nos ensaios de tração deve corresponder a 5 vezes o diâmetro da seção da parte útil. Por acordo internacional, sempre que possível um corpo de prova deve ter 10mm de diâmetro e 50mm de comprimento inicial. Não sendo possível a retirada de um corpo de prova deste tipo, deve-se adotar um corpo com dimensões proporcionais a essas. Corpos de prova com seção retangular são geralmente retirados de placas, chapas ou lâminas. Suas dimensões e tolerâncias de usinagem são normalizadas pela ISO/R377 enquanto não existir norma brasileira correspondente. A norma brasileira (BR 6152, dez./1980) somente indica que os corpos de prova devem apresentar bom acabamento de superfície e ausência de trincas. ��� Para obter informações mais detalhadas sobre corpos de provas, consulte a norma técnica específica. Em materiais soldados, podem ser retirados corpos de prova com a solda no meio ou no sentido longitudinal da solda, como você pode observar nas figuras a seguir. 79 Os ensaios dos corpos de prova soldados normalmente determinam apenas o limite de resistência à tração. Isso porque, ao efetuar o ensaio de tração de um corpo de prova com solda, tensiona-se simultaneamente dois materiais de propriedades diferentes (metal de base e metal de solda). Os valores obtidos no ensaio não representam as propriedades nem de um nem de outro material, pois umas são afetadas pelas outras. O limite de resistência à tração também é afetado por esta interação, mas é determinado mesmo assim para finalidades práticas. �� !���"$ �� �� �! �� �!� ���!���� � ���� �� � ���"$ � O primeiro procedimento consiste em identificar o material do corpo de prova. Corpos de prova podem ser obtidos a partir da matéria-prima ou de partes específicas do produto acabado. Depois, deve-se medir o diâmetro do corpo de prova em dois pontos no comprimento da parte útil, utilizando um micrômetro, e calcular a média. Por fim, deve-se riscar o corpo de prova, isto é, traçar as divisões no comprimento útil. Num corpo de prova de 50mm de comprimento, as marcações devem ser feitas de 5 em 5 milímetros. Assim preparado, o corpo de prova estará pronto para ser fixado à máquina de ensaio. E você deve estar igualmente preparado para resolver os exercícios apresentados a seguir. 80 %���� �� ����"$ /���2��� �� �� � ������ �� #��� ��"$ � A máquina de ensaio está pronta para começar seu trabalho: o corpo de prova fixado, a velocidade de aplicação da força ajustada, a escala selecionada! Só falta ligar o equipamento e acompanhar seu funcionamento. Terminado o ensaio, vem uma etapa muito importante: a análise dos resultados. Nesta etapa determinam-se as principais propriedades que podem ser obtidas no ensaio de tração. Nesta aula você ficará sabendo como são determinadas essas propriedades e qual a sua importância no dia-a-dia e nas aplicações na área de mecânica. � � ���������� ��� ���� �� � Imagine que você vá produzir uma peça por estamparia ou dobramento, por exemplo. Você precisará obter uma deformação maior que a desejada, porque após aliviar a força aplicada o material sofrerá uma recuperação nas suas dimensões, igual ao alongamento elástico. Se o alongamento elástico for conhecido, isto será fácil. Se não, só na tentativa e aí imagine o prejuízo em retrabalhar as ferramentas. 81 O alongamento elástico pode ser medido de forma direta por meio de um aparelho chamado extensômetro, que é acoplado ao corpo de prova. Você já viu que o alongamento plástico define a ductilidade do material: quanto maior o alongamento plástico, maior a facilidade de deformar o material. Pelo alongamento, podemos saber para que tipo de processo de produção um material é indicado (forja a frio, laminação, estamparia profunda, etc.). A fórmula para calcular o alongamento você já aprendeu na Aula 2 deste módulo: Lo Lo - Lf =A O comprimento inicial (Lo) foi medido
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