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Ciência e Tecnologia dos Materiais CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS APOSTILA Prof. Renato Geribello Ciência e Tecnologia dos Materiais 1 – Apresentação do professor - formação - experiência na indústria e na UBC 2 – Apresentação da disciplina : Ciência e Tecnologia dos Materiais 3 – Critério de avaliação para a média da AV1 - P1, P2 e trabalho portal - configuração provas - devolutivas 4 – Aulas teóricas e práticas em laboratório - estilo das aulas - disciplina - chamada 5 - Bibliografia 6 – Apostila eletrônica 7 – e mail da turma e dos alunos CONSIDERAÇÕES INICIAIS Prof. Renato Geribello Ciência e Tecnologia dos Materiais UNIDADE – I MATERIAIS UNIDADE – I I AÇO UNIDADE – I I I TRATAMENTOS TÉRMICOS UNIDADE – I V TESTES DOS MATERIAIS APOSTILA Ciência e Tecnologia dos Materiais UNIDADE I MATERIAIS APOSTILA Ciência e Tecnologia dos Materiais Construção Civil Compreende a construção de edifícios, viadutos, pontes, aeroportos, . . . Materiais de construção civil: cimento, pedra, areia, tijolo, aço, . . . Construção Mecânica Compreende a fabricação de máquinas, equipamentos, veículos, . . . Materiais de construção mecânica: metais, cerâmicos, plásticos e compostos CONCEITO DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA Metálicos Ferrosos Aços Ferros Fundidos Não Ferrosos Cerâmicos Plásticos Compostos MATERIAIS UTILIZADOS NA CONSTRUÇÃO MECÂNICA Ciência e Tecnologia dos Materiais PARTICIPAÇÃO DO AÇO EM UM AUTOMÓVEL Ciência e Tecnologia dos Materiais Fonte: IAB - Os materiais metálicos são os mais empregados na construção mecânica. - São subdivididos em dois grupos: “materiais metálicos ferrosos e não ferrosos” - Os materiais metálicos ferrosos (aços e ferros fundidos) são empregados em maior quantidade. - Dentre os materiais metálicos ferrosos, o aço é o mais utilizado. MATERIAIS METÁLICOS Ciência e Tecnologia dos Materiais - A matéria prima básica para a produção dos materiais ferrosos “aços e ferros fundidos” é o minério de ferro, que existe em abundância na crosta terrestre. - O materiais ferrosos apresentam baixo custo de extração e processamento quando comparado a outros metais importantes, como por exemplo o alumínio. - Suas propriedades intrínsecas são bastante significativas. - O Brasil possui enormes reservas de minério de ferro. - Estamos em condições extremamente favoráveis para a implantação de um grande parque siderúrgico. MATERIAIS METÁLICOS FERROSOS Ciência e Tecnologia dos Materiais MINÉRIO DE FERRO PRINCIPAIS RESERVAS CONHECIDAS PAIS 10 6 t % Fe 1 Brasil 37.757 54 ~ 70 2 Canadá 10.997 30 ~ 60 3 África Sul 8.600 40 ~ 60 4 França 8.017 30 ~ 40 5 Índia 7.239 40 ~ 70 6 EUA 4.925 20 ~ 60 7 Suécia 3.370 30 ~ 60 8 Inglaterra 3.162 20 ~ 50 9 Venezuela 2.000 60 ~ 70 10 Alemanha 1.500 20 ~ 30 Ciência e Tecnologia dos Materiais PRODUÇÃO MUNDIAL DE AÇO EM 2014 MAIORES PRODUTORES MUNDIAIS DE AÇO unid: 10 6 t PAIS 2008 2010 2012 2014 2014 (%) Evolução 08 ~14 (%) 1 China 512.3 638.7 731.0 822,7 59.4 60.6 2 Japão 118.7 109.6 107.2 110.7 8.0 (6.7) 3 EUA 91.9 80.5 88.7 88.3 6.5 (3.9) 4 Índia 57.8 69.0 77.3 83.2 6.0 43.9 5 Rússia 68.5 66.9 70.4 70.7 5.1 3.2 6 Coréia Sul 53.6 58.9 69.1 71.0 5.0 32.5 7 Alemanha 45.8 43.8 42.7 42.9 3.1 (6.3) 8 Turquia 26.8 29.1 35.9 34.0 2.5 26.9 9 Brasil 33.7 32.9 34.5 33.9 2.4 0.6 10 Ucrânia 37.3 33.4 33.0 27.2 2.0 (27.1) Fonte: IAB Ciência e Tecnologia dos Materiais PRODUÇÃO MUNDIAL DE AÇO EM 2014 EVOLUÇÃO DA PRODUÇÃO DE AÇO PRODUÇÃO 1970 1980 1990 2000 2010 2012 2014 Mundial (10 6 t) 595 716 770 849 1433 1559 1665 América Latina (10 6 t) 13,2 28,9 38,2 56,1 61,7 65,7 65,4 Brasil (10 6 t) 5,4 15,3 20,6 27,9 32,9 34,5 33,9 Brasil / Mundo (%) 0,9 2,1 2,7 3,3 2,3 2,2 2,0 Brasil / A. Latina (%) 40,9 52,9 53,9 49,7 53,3 52,5 51,8 Posição Brasil no mundo 18ª 10ª 9ª 8ª 9ª 9ª 9ª Fonte: IAB Ciência e Tecnologia dos Materiais PRODUÇÃO DE AÇO AMÉRICA LATINA - 2014 PRODUÇÃO DE AÇO AMÉRICA LATINA EM 2014 unid. 10 3 t CLASSIFICAÇÃO PAIS PRODUÇÃO % 1 Brasil 33.897 51.8 2 México 18.995 29.0 3 Argentina 5.488 8.4 4 Venezuela 1.485 2.3 5 Colômbia 1.208 1.8 6 Chile 1.079 1.7 7 Peru 1.078 1.7 8 Equador 662 1.0 9 Trinidad e Tobago 591 0.9 10 América Central 516 0.8 11 Cuba 256 0.4 12 Uruguai 94 0.1 13 Paraguai 47 0.1 Total 65.396 100.0 Fonte: IAB Ciência e Tecnologia dos Materiais PRODUÇÃO DE AÇO POR REGIÃO - 2013 PRODUÇÃO DE AÇO BRUTO POR REGIÃO unid.: 10 6 t REGIÃO 2013 % Ásia 1080.6 67.3 Europa 204.6 12.7 C.E.I 108.8 6.8 América Norte 99.3 6.2 América Latina 65.4 4.1 Oriente Médio 26.4 1.6 África 16.0 1.0 Oceania 5.6 0.3 TOTAL 1606.7 100.0 Fonte: IAB Ciência e Tecnologia dos Materiais PRODUÇÃO BRASILEIRA POR ESTADO - 2014 PRODUÇÃO BRASILEIRA AÇO BRUTO - 2014 Estado 10 3 t % % acum. 1 Minas Gerais 11.086 32.7 32.7 2 Rio de Janeiro 10.459 30.9 63.6 3 Espírito Santo 5.689 16.8 80.4 4 São Paulo 4.800 14.2 94.6 5 Rio Grande Sul 728 2.1 96.7 6 Pará 331 1.0 97.7 7 Paraná 248 0.7 98.4 8 Bahia 227 0.7 99.1 9 Pernambuco 209 0.6 99.7 10 Ceará 110 0.3 100.00 TOTAL 33.897 100.00 100.00 Região Sudeste 94.5 % Região Sul 2.9 % Região Nordeste 1.6 % Região Norte 1.0 % Fonte: IAB Ciência e Tecnologia dos Materiais PRODUÇÃO BRASILEIRA DE AÇO BRUTO - 2013 PRODUÇÃO BRASILEIRA AÇO BRUTO - 2013 Configuração Usina Produção Aço (10 3 t) Participação (%) Integradas 27.416 80.3 Semi integradas 6.747 19.7 TOTAL 34.163 100.O Fonte: IAB Ciência e Tecnologia dos Materiais PRODUÇÃO BRASILEIRA DE AÇO BRUTO - 2013 PRODUÇÃO BRASILEIRA AÇO BRUTO - 2013 Processo Lingotamento Produção aço (10 3 t) Participação (%) Convencional 711 2.1 Contínuo 33.431 97.8 Aço para Fundição 21 0.1 TOTAL 34.163 100.0 Fonte: IAB Ciência e Tecnologia dos Materiais CONSUMO PER CAPTA DE AÇO CONSUMO "PER CAPTA" AÇO BRUTO (2014) Pais kg/hab habitantes (milhões) 1 Coréia do Sul 1.166 51 2 Japão 573 126 3 China 531 1.372 4 Alemanha 512 81 5 Itália 383 60 6 EUA 377 322 7 Rússia 342 146 8 Espanha 246 46 9 México 215 121 10 Chile 178 18 11 Brasil 140 205 Fonte: IAB Ciência e Tecnologia dos Materiais CONSUMO PER CAPTA DE AÇO Ciência e Tecnologia dos Materiais CONSUMO "PER CAPTA" AÇO BRUTO Evolução 1980 ~ 2014 Pais 1980 2000 2010 2014 Evolução (X) 1 China 34 98 427 531 15.61 2 Coréia do Sul 160 818 1077 1.166 7.28 3 Chile 56 97 154 178 3.17 4 México 120 142 143 215 1.79 5 Brasil 101 93 137 140 1.38 6 Espanha 202 435 323 246 1.21 7 Alemanha 469 475 467 512 1.09 8 EUA 376 425 267 377 1.00 9 Japão 611 601 503 573 0.94 Fonte: IAB DISTRIBUIÇÃO SETORIAL DO CONSUMO DE AÇO - 2014 Ciência e Tecnologia dos Materiais Os materiais cerâmicos constituem um grupo muito extenso de materiais para fins de construção e industriais. Principais características dos materiais cerâmicos → Elevado ponto de fusão, o que os torna refratários, ou seja, apresentam estabilidade a elevadas temperaturas. → Condutividade elétrica nula ou muito pequena. → Grande resistência ao ataque químico. → Elevada dureza (consequentemente frágeis). Principais componentes Elementos metálicos: Alumínio, silício, magnésio, berílio, titânio e boro. Não metálicos: Oxigênio, carbono e nitrogênio. MATERIAIS CERÂMICOS Ciência e Tecnologia dos Materiais MATERIAIS CERÂMICOS Ciência e Tecnologia dos Materiais ISOLANTES REFRATÁRIOS Etapas de fabricação 1-Preparação: ingredientesna forma de pó ou partículas. 2-Conformação: → Líquida: vazamento em moldes de gesso → Semi-líquida (até 20% umidade): sob pressão em moldes metálicos → Sólida (até 5% de umidade): sob pressão em moldes metálicos → Extrusão: tijolos e telhas 3-Secagem: → Peças de baixo custo: em ambiente normal, protegidas das intempéries → Louças brancas: temperatura entre 925ºC e 1425ºC → Refratários e eletrônicos: temperaturas acima de 1650°C MATERIAIS CERÂMICOS Ciência e Tecnologia dos Materiais TIPOS DE MATERIAIS CERÂMICOS 1- Porcelanas Componentes : mistura de argila, quartzo, feldspato e outros. Aplicações : indústria química e elétrica Química: tanques, tubulações e filtros Elétrica: componentes para voltagens acima 500V 2- Refratários Componentes : sílica, alumina, magnésio,... Aplicações : revestimentos de fornos 3- Óxidos Componentes : um ou mais elementos metálicos Aplicações : resistores: óxido de berílio : cadinhos para metais: óxido de zircônio : êmbolos de bombas: óxido de alumínio 4- Vidros : Originam-se da fusão da sílica (SiO2) : Temperatura de fusão: ~ 1500 ºC : Recicláveis MATERIAIS CERÂMICOS Ciência e Tecnologia dos Materiais INTRODUÇÃO Os plásticos são materiais artificiais cujo Carbono é o elemento fundamental. A palavra origina-se do grego PLASTIKOS, que significa: “próprio para ser moldado”. CRONOLOGIA 1839 Charles Goodyear Desenvolveu a vulcanização. Adição “S” à borracha aumenta a resistência ao calor. 1846 Schonbein Criou a nitrocelulóide Utilizada em filmes fotográficos 1909 Baekeland Criou o baquelite Alta dureza e resistência ao calor 1935 Wallace Carothers Criação do nylon MATERIAIS PLÁSTICOS Ciência e Tecnologia dos Materiais NYLON - CURIOSIDADES Wallace Carothers Americano Criou o nylon em 1935 (faleceu em 1937 com 41 anos) Tempo de degradação: aproximadamente 400 anos Origem do nome: iniciais das cidades nas quais a empresa que inicialmente produziu o nylon possuía fábricas: New York e Londres MATERIAIS PLÁSTICOS Ciência e Tecnologia dos Materiais O plástico é um polímero. POLÍMEROS São formados pela união de monômeros MONÔMEROS São compostos orgânicos formados por apenas uma molécula Exemplo 2NO2 → N2O4 (dióxido de mononitrogênio) (tetróxido de dinitrogênio) (monômero) (polímero) Principais tipos de plásticos TERMOFIXOS (termoestáveis ou termo rígidos) São plásticos cuja rigidez não se altera com a temperatura. (o calor excessivo leva à degradação) TERMOPLÁSTICOS São plásticos que podem ser moldados sob a ação da temperatura MATERIAIS PLÁSTICOS Ciência e Tecnologia dos Materiais TERMOFIXOS (termoestáveis ou termo rígidos) São plásticos cuja rigidez não se altera com a temperatura. → Fenólicos : carcaça de radio e carcaça de televisão. → Poliésteres : malas → Alquidos : isoladores e chaves elétricas → Epóxis : componentes de estrutura de aviões TERMOPLÁSTICOS São plásticos que podem ser moldados sob a ação da temperatura → Oleofínicos : cabos de ferramentas, e brinquedos. → Poliestirenos : revestimento porta refrigerador → Vinílicos : estofamentos → Acrílicos : hélices marítimas e caixas ar condicionado. MATERIAIS PLÁSTICOS Ciência e Tecnologia dos Materiais TERMOFIXOS MATERIAIS PLÁSTICOS Ciência e Tecnologia dos Materiais MATERIAIS PLÁSTICOS Ciência e Tecnologia dos Materiais TERMOPLÁSTICOS Um material composto é formado pela união de dois materiais de naturezas diferentes, resultando em um material de performance superior àquela de seus componentes tomados separadamente. Principais macro componentes Fibras Partículas Lâminas Escamas Substâncias de enchimento Os componentes determinam a natureza da estrutura interna dos compostos. MATERIAIS COMPOSTOS Ciência e Tecnologia dos Materiais Principais tipos de materiais compostos Fibrosos (Fibras) Plásticos reforçados com fibras, resina epoxi com fibra de carbono. Particulados (Partículas) Materiais plásticos com partículas metálicas Alumínio = atua como decorativo e melhora condutividade térmica Cobre= melhora condutividade elétrica Chumbo= melhora a capacidade de amortecimento Lamelares (Lâminas) Correias de tecido/borracha, vidro de segurança (vidro/resina/vidro). Escamados (Escamas) Escamas são mantidas juntas por um aglomerante. Os compostos de mica são muito importantes como isolantes de motores elétricos. Enchidos (Substâncias de enchimento) Esqueleto preenchido com outro material MATERIAIS COMPOSTOS Ciência e Tecnologia dos Materiais INTRODUÇÃO - O que entendemos por construção mecânica - Do que se ocupa a construção civil - Materiais utilizados na construção mecânica: -metálicos, cerâmicos, plásticos e compostos. METÁLICOS - São os mais empregados na construção mecânica - Minério de ferro: abundância, baixo custo transformação - Informações sobre produção e consumo de aço MATERIAIS CERÂMICOS - Constituem grupo extenso - Principais características - Principais componentes metálicos e não metálicos - Etapas de fabricação - Tipos de cerâmicos: porcelanas, refratários, óxidos e vidros MATERIAIS PLÁSTICOS - Material artificial - Principais tipos: termoplásticos e termoestáveis MATERIAIS COMPOSTOS - Principais macro componentes - Principais materiais compostos RESUMO DA INTRODUÇÃO Ciência e Tecnologia dos Materiais Ciência e Tecnologia dos Materiais UNIDADE I I AÇO APOSTILA AÇO Liga ferro – carbono contendo de 0,008 à 2,0% de carbono e elementos de liga (silício, manganês, cromo, níquel, enxofre, molibdênio, . . .) em teores residuais ou adicionados intencionalmente em teores acima dos residuais Os aços são divididos e dois grandes grupos: Aços ao carbono Aços ligados DEFINIÇÃO DE AÇO Ciência e Tecnologia dos Materiais AÇO AO CARBONO Liga ferro – carbono contendo de 0,008 à 2,0% de carbono e elementos de liga (silício, manganês, cromo, níquel, enxofre, molibdênio, . . .) em teores residuais. AÇO LIGADO Liga ferro – carbono contendo de 0,008 à 2,0% de carbono e elementos de liga (silício, manganês, cromo, níquel, enxofre, molibdênio, . . .) em teores acima dos residuais. Estes elementos são adicionados intencionalmente para conferir alguma propriedade ao aço Exemplos : Cromo (eleva dureza), Enxofre (melhora usinabilidade), . . . DEFINIÇÃO DE AÇO Ciência e Tecnologia dos Materiais DEFINIÇÃO DE AÇO Ciência e Tecnologia dos Materiais EXEMPLOS DE APLICAÇÕES EFEITO DOS ELEMENTOS DE LIGA NAS PROPRIEDADES DOS AÇOS PROPRIEDADES MECÂNICAS ELEMENTO DE LIGA D U R EZ A R ES IS T. TR A Ç Ã O LI M .E SC O A M EN TO A LO N G A M EN TO R ED U Ç Ã O Á R EA R ES IS T. IM PÁ C TO EL A ST IC ID A D E FO R JA B IL ID A D E U SI N A B IL ID A D E Silício ↑ ↑ ↑↑ ↓ ~ ↓ ↑↑↑ ↓ ↓ Cromo ↑↑ ↑↑ ↑↑ ↓ ↓ ↓ ↑ ↓ ~ Níquel ↑ ↑ ↑ ~ ~ ~ ~ ↓ ↓ Manganês ↑ ↑ ↑ ~ ~ ~ ↑ ↑ ↓ Alumínio ~ ~ ~ ~ ↓ ↓ ~ ↓↓ ~ Molibdênio ↑ ↑ ↑ ↓ ↓ ↑ ~ ↓ ↓ Cobre ↑ ↑ ↑↑ ~ ~ ~ ~ ↓↓↓ ~ Enxofre ~ ~ ~ ↓ ↓ ↓ ~ ↓↓↓ ↑↑↑ Fósforo ↑ ↑ ↑ ↓ ↓ ↓↓↓ ~ ↓ ↑↑ EFEITO DOS ELEMENTOS DE LIGA NAS PROPRIEDADES DOS AÇOS Ciência e Tecnologia dos Materiais INTRODUÇÃO - Produção mundial atual de aço é cerca de 1,6 bilhões de toneladas anuais. - Existe a necessidade de nomenclatura padronizada para facilitar comercialização. - Maioria dos países possui norma específica regulamentando a nomenclatura. Entidades regulamentadoras: Alemanha : DIN França : AFNOR Itália : UNI Inglaterra : BS Japão : JIS EUA : SAE Brasil : ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas) NOMENCLATURA DOS AÇOS DESTINADOS A CONSTRUÇÃO MECÂNICA Ciência e Tecnologiados Materiais AFNOR (França) Association Française de Normalisation (Associação Francesa de Normalização) BS (Inglaterra) Bristish Standard (Norma Inglesa) DIN (Alemanha) Deutsches Institut Für Normung (Instituto Alemão de Normalização) JIS (Japão) Japan Industry Standards (Normas Industriais Japonesas) UNI (Itália) Ente Nazionale Italiano di Unificazione (Agência Nacional Italiana de Unificação) SAE (Estados Unidos) Society of Automotive Engineers (Sociedade de Engenheiros Automotivos) NOMENCLATURA DOS AÇOS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA Ciência e Tecnologia dos Materiais NOMENCLATURA DOS AÇOS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA Ciência e Tecnologia dos Materiais - Ultimamente os países se juntaram em blocos tais como o Mercosul e a Comunidade Européia. - Norma adotada no Brasil a partir do ano 2.000: “NORMA BRASILEIRA ABNT NBR NM 87:2000” ABNT = Associação Brasileira de Normas Técnicas NBR = Norma Brasileira NM = Norma Mercosul 87 = Número da Norma 2000 = Ano de publicação NOMENCLATURA DOS AÇOS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA Ciência e Tecnologia dos Materiais DESIGNAÇÃO Palavra COPANT (Comissão Panamericana de Normas Técnicas) . Seguida de um número de 4 ou 5 dígitos, dependendo do tipo de aço. Dois primeiros dígitos: indicam a família do aço. Dois ou três dígitos seguintes: indicam 100 vezes o teor médio de Carbono que o aço contém. A presença de Boro, Chumbo ou Enxofre é indicada através da inserção das letras B, L ou S entre os dois primeiros e os dois ou três algarismos finais. COPANT 5140 Família = 51 Teor de Carbono = 0,40% NOMENCLATURA DOS AÇOS NORMA BRASILEIRA ABNT NBR NM 87:2000 Ciência e Tecnologia dos Materiais COPANT YY XX COPANT YY XXX YY = família XX ou XXX = teor aproximado de “C” do aço x 100 COPANT 5140 Família = 51 Teor de Carbono = 0,40% Ciência e Tecnologia dos Materiais NOMENCLATURA DOS AÇOS NORMA BRASILEIRA ABNT NBR NM 87:2000 AÇO FAMÍLIA % ~ “C” Copant 1045 10 0,45 Copant 4340 43 0,40 Copant 8620 86 0,20 Copant 52100 52 1,00 Copant 15B36 15 0,36 (*) Copant 12L14 12 0,14 (**) Copant 43S40 43 0,40 (***) (*) B= Boro (**) L= Chumbo (***) S= Enxofre Ciência e Tecnologia dos Materiais NOMENCLATURA DOS AÇOS NORMA BRASILEIRA ABNT NBR NM 87:2000 FAMILIAS DOS AÇOS Ciência e Tecnologia dos Materiais ELEMENTOS DE LIGA FAMÍLIA Carbono 10XX Enxofre (0,08 ~ 0,13%) 11XX Manganês (1,75%) 13XX Níquel (3,50%) 23XX Níquel (5,00%) 25XX Níquel (1,25%) - Cromo (0,65 ou 0,80%) 31XX Níquel (3,50%) - Cromo (1,55%) 33XX Molibdênio (0,25%) 40XX Cromo (0,95%) - Molibdênio (0,20%) 41XX Níquel (1,80%) - Cromo (0,50 ou 0,80%) - Molibdênio (0,25%) 43XX Níquel (1,80%) - Molibdênio (0,25%) 46XX Níquel (3,50%) - Molibdênio (0,25%) 48XX Cromo ( 0,30 ou 0,60%) 50XX Cromo ( 0,80 ou 0,95% ou 1,05%) 51XX Cromo (0,50%) com alto carbono (1,00%) 50XXX Cromo (1,00%) com alto carbono (1,00%) 51XXX Cromo (1,45%) com alto carbono (1,00%) 52XXX Cromo (0,80 ou 0,95%) - Vanádio (0,10 ou 0,15% 61XX Níquel (0,55%) - Cromo (0,50) - Molibdênio (0,20%) 86XX Níquel (0,55%) - Cromo (0,50) - Molibdênio (0,25%) 87XX Silício (2,00%) - Manganês (0,55%) 92XX Níquel (3,25%) - Cromo (1,20) - Molibdênio (0,12%) 93XX Manganês (1,00%) - Níquel (0,45%) - Cromo (0,40%) - Molobdênio (0,12) 94XX Níquel (0,55%) - Cromo (0,17) - Molibdênio (0,20%) 97XX Níquel (1,00%) - Cromo (0,80) - Molibdênio (0,25%) 98XX Não existe um valor único para o teor de cada elemento químico. A norma ABNT NBR NM 87:2000 especifica os limites máximo e mínimo de cada elemento. Exemplo - 01 Para o aço Copant 8640 os elementos químicos especificados e seus respectivos limites, são: ELEMENTO MÍNIMO MÁXIMO Carbono (C) 0,38 0,43 Manganês (Mn) 0,75 1,00 Silício (Si) 0,15 0,35 Níquel (Ni) 0,40 0,70 Cromo (Cr) 0,40 0,60 Molibdênio (Mo) 0,15 0,25 Família 86 Ni ~ 0.55 Cr ~ 0,50 Mo ~ 0,20 COMPOSIÇÃO QUÍMICA DOS AÇOS ABNT NBR NM 87:2000 Ciência e Tecnologia dos Materiais Número de combinações possíveis na elaboração do aço Copant 8640: ELEMENTO MÍNIMO MÁXIMO (possibilidades) Carbono 0,38 0,43 6 Manganês 0,75 1,00 26 Silício 0,15 0,35 21 Níquel 0,40 0,70 31 Cromo 0,40 0,60 21 Molibdênio 0,15 0,25 11 Combinações possíveis: (6 X 26 X 21 X 31 X 21 X 11) Combinações possíveis: 23.459.436 COMPOSIÇÃO QUÍMICA DOS AÇOS ABNT NBR NM 87:2000 Ciência e Tecnologia dos Materiais Exemplo – 02 Aço Copant 1010 ELEMENTO MÍNIMO MÁXIMO Carbono (C) 0,08 0,13 Manganês (Mn) 0,30 0,60 Fósforo (P) 0,00 0,040 Enxofre (S) 0,00 0,050 Exemplo – 03 Aço Copant 52100 ELEMENTO MÍNIMO MÁXIMO Carbono (C) 0,96 1,10 Manganês (Mn) 0,25 0,45 Silício (Si) 0,15 0,35 Cromo (Cr) 1,30 1,60 Família 52 com alto Carbono Cr ~ 1,45% COMPOSIÇÃO QUÍMICA DOS AÇOS ABNT NBR NM 87:2000 Ciência e Tecnologia dos Materiais AÇOS CARBONO DESIGNAÇÃO CARBONO MANGANÊS FÓSFORO ENXOFRE C Mn P S 1010 0,08 / 0,13 0,30 / 0,60 max 0,040 max 0,050 1020 0,18 / 0,23 0,30 / 0,60 max 0,040 max 0,050 1045 0,43 / 0,50 0,60 / 0,90 max 0,040 max 0,050 1050 0,48 / 0,55 0,60 / 0,90 max 0,040 max 0,050 1070 0,65 / 0,75 0,60 / 0,90 max 0,040 max 0,050 1080 0,75 / 0,88 0,60 / 0,90 max 0,040 max 0,050 1090 0,85 / 0,98 0,60 / 0,90 max 0,040 max 0,050 AÇOS RESSULFURADOS DESIGNAÇÃO CARBONO MANGANÊS FÓSFORO ENXOFRE C Mn P S 1110 0,08 / 0,13 0,30 / 0,60 max 0,040 0,08 / 0,13 1141 0,37 / 0,45 1,35 / 1,65 max 0,040 0,08 / 0,13 1146 0,42 / 0,49 0,70 / 1,00 max 0,040 0,08 / 0,13 1151 0,48 / 0,55 0,70 / 1,00 max 0,040 0,08 / 0,13 COMPOSIÇÃO QUÍMICA DOS AÇOS ABNT NBR NM 87:2000 Ciência e Tecnologia dos Materiais AÇOS CARBONO DE ALTO MANGANÊS DESIGNAÇÃO CARBONO MANGANÊS FÓSFORO ENXOFRE C Mn P S 1524 0,19 / 0,25 1,35 / 1,65 max 0,040 max 0,050 1536 0,30 / 0,37 1,20 / 1,50 max 0,040 max 0,050 1541 0,36 / 0,44 1,35 / 1,65 max 0,040 max 0,050 1548 0,44 / 0,52 1,10 / 1,40 max 0,040 max 0,050 AÇOS LIGADOS DESIGNAÇÃO CARBONO MANGANÊS SILÍCIO NIQUEL CROMO MOLIBDÊNIO C Mn Si Ni Cr Mo 4130 0,28 / 0,33 0,40 / 0,60 0,15 / 0,35 - 0,80 / 1,10 0,15 / 0,25 5120 0,17 / 0,22 0,70 / 0,90 0,15 / 0,35 - 0,70 / 0,90 - 52100 0,98 / 1,10 0,25 / 9,45 0,15 / 0,35 - 1,30 / 1,60 - 8640 0,38 / 0,43 0,75 / 1,00 0,15 / 0,35 0,40 / 0,70 0,40 / 0,60 0,15 / 0,25 9262 0,55 / 0,65 0,75 / 1,00 1,80 / 2,20 - 0,25 / 0,40 - COMPOSIÇÃO QUÍMICA DOS AÇOS ABNT NBR NM 87:2000 Ciência e Tecnologia dos Materiais SIMILARIDADES COPANT SAE DIN BS AFNOR UNI 1010 1010 C 10 045 A 10 XC 10 C 10 1020 1020 C 22 050 A 20 XC 18 C 20 1045 1045 C 45 080 A 47 XC 48 C 45 12L14 12L14 9SMnPb28 - S 250 Pb 9SMnPb28 1541 1541 40Mn6 150 M 36 40M6 - 4142 4142 42CrMo4 708 A 42 42CD 4 40CrMo4 5135 5135 37Cr4 530 A 36 38C4 38Cr4 8620 8620 21NiCrMo2 805 A 20 20NCD2 20NiCrMo2 SIMILARIDADES Ciência e Tecnologia dos Materiais Conceito de liga Quando misturamos dois elementos (A e B) que se combinam, formamos uma liga binária composta pelos elementos A e B. Da mesma maneira, ao misturamos três elementos (A, B e C) que se combinam, formamos uma liga terciária composta pelos elementos A, B e C. O diagrama de equilíbrio ferro – carbono refere-se ao diagrama de equilíbrio de uma liga binária composta dos elementos ferro e carbono. Ele é obtido experimentalmente, por pontos, e apresenta as temperaturas em que ocorrem as diversas transformações dessas ligas em função do seu teor de carbono. DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO FERRO - CARBONO Ciência e Tecnologia dos Materiais DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO FERRO - CARBONO Ciência e Tecnologia dos Materiais Detalhamento do diagrama -01 No eixo das ordenadas estão indicadas as temperaturas desde 0ºCaté 1600ºC. No eixo das abscissas estão indicadas as ligas ferro – carbono com teores de carbono variando de 0 à 6,7%. A região do diagrama que diz respeito aos aços é a região compreendida entre 0,008 e 2,0% de carbono; acima de 2,0 até 6,7% de carbono estão os ferros fundidos. Obs.: 1-Acima de 4,0 / 4,5% de carbono essas ligas apresentam pequena ou nenhuma importância comercial. 2-O diagrama de equilíbrio ferro-carbono é, de fato, um diagrama Fe – Fe₃C pois na extremidade direita, quando o carbono atinge 6,7% forma-se o carboneto de ferro ou Fe₃C. DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO FERRO - CARBONO Ciência e Tecnologia dos Materiais Detalhamento do diagrama -02 Linha líquidus: acima dela todas as ligas estão totalmente liquidas. Linha sólidus: abaixo dela todas as ligas estão totalmente sólidas Obs.: entre as duas linhas, líquidus e sólidus, as ligas estão parte líquida e parte sólida. Linhas de transformação na fase sólida (GS – SE – OS – SK): indicam o início e o fim das transformações na fase sólida. Zona crítica: é a região delimitada pelas linhas de transformação na fase sólida. DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO FERRO - CARBONO Ciência e Tecnologia dos Materiais Detalhamento do diagrama -03 Ponto A: à temperatura de 1534º corresponde ao ponto de fusão do ferro puro. Ponto S: denominado ponto eutetóide, corresponde a uma liga com 0,8% de carbono -Aços eutetóides : C = 0,8%: -Aços hipo-eutetóides : 0,008% < C < 0,8% -Aços hiper-eutetóides : 0,8% < C < 2,0% Ponto C: denominado ponto eutético, corresponde a uma liga com 4,3% de carbono (liga com menor ponto de fusão: 1147ºC) Ponto D: corresponde ao ponto de fusão do Fe₃C. DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO FERRO - CARBONO Ciência e Tecnologia dos Materiais DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO FERRO - CARBONO Ciência e Tecnologia dos Materiais AUSTENITA Origem do nome: metalurgista inglês Roberts Austen Estrutura: grãos poligonais irregulares Propriedades: boa resistência mecânica, não magnética e estável acima de 723ºC FERRITA Origem do nome: do latim Ferrum Estrutura: grãos poligonais irregulares Propriedades: baixa dureza, baixa resistência a tração, alta resistência ao choque e elevado alongamento CEMENTITA Origem do nome: do latim Caementum Composição: carboneto de ferro (Fe₃C) com 6,67% de carbono Propriedades: elevada dureza e baixa ductilidade PERLITA Composição: mistura mecânica com 88% (ferrita) e 12% (cementita) Propriedades: intermediárias entre as duas, mantida as proporções CONSTITUINTES DOS AÇOS E SUAS INFLUÊNCIAS NAS PROPRIEDADES MECÂNICAS Ciência e Tecnologia dos Materiais USINA SIDERÚRGICA É a denominação de empresa produtora de aço. As usinas siderúrgicas são divididas em dois grupos USINAS SIDERÚRGICAS INTEGRADAS USINAS SIDERÚRGICAS NÃO INTEGRADAS USINAS SIDERÚRGICAS INTEGRADAS Produzem aço a partir do minério de ferro (minério de ferro → ferro gusa → aço) Ex.: Usiminas, CSN, Açominas USINAS SIDERÚRGICAS NÃO INTEGRADAS Produzem aço a partir de sucata de aço e ferro gusa (sucata de aço + ferro gusa → aço) Ex.: Gerdau Mogi, Gerdau Pinda, Gerdau Charqueadas USINAS SIDERÚRGICAS Ciência e Tecnologia dos Materiais FERRO GUSA Definição Ferro gusa é o produto da redução do minério de ferro pelo carvão, obtido na forma líquida em fornos apropriados. Raramente é aplicado na confecção de peças Como carga de fornos de produção de aço ou ferro fundido pode ser utilizado na forma líquida ou sólida. Gusa líquido: utilizado nas usinas siderúrgicas integradas Gusa sólido: utilizado nas usinas siderúrgicas não integradas O equipamento apropriado para a produção de ferro gusa é o “Alto Forno”. FERRO GUSA Ciência e Tecnologia dos Materiais Características do equipamento O alto forno é uma estrutura de aço revestida internamente com material refratário. Tem a forma aproximada de dois troncos de cone de alturas diferentes unidos pela base por meio de um anel. O conjunto todo repousa sobre outro anel ALTO FORNO Ciência e Tecnologia dos Materiais CUBA GOELA VENTRE RAMPA CADINHO gusa escória Espessuras das paredes: rampa = 70 cm , cadinho = 1 m Inspeção das paredes: termovisão ALTO FORNO Ciência e Tecnologia dos Materiais Matérias primas utilizadas na produção de ferro gusa Minério de ferro Carvão (coque ou vegetal) Calcáreo (fundente para abaixar o ponto de fusão das impurezas) Quantidades utilizadas na produção de uma tonelada de ferro gusa Minério de ferro : 2,0 t Carvão : 0,8 t Calcáreo : 0,3 t Ar : 3000 m³ Obs.: Em grandes altos fornos só é possível utilizar carvão mineral (coque), pois o carvão vegetal devido a sua baixa resistência a compressão não suporta o peso da carga ALTO FORNO Ciência e Tecnologia dos Materiais Gradiente de temperatura dentro de um alto forno ALTO FORNO Ciência e Tecnologia dos Materiais Principais instalações acessórias Carregadores Compressores Recuperadores de calor Equipamentos de limpeza dos gases ALTO FORNO Ciência e Tecnologia dos Materiais ALTO FORNO Ciência e Tecnologia dos Materiais PRIINCIPAIS FONTES DE SUCATA RETORNO (gerada na própria usina siderúrgica) INDUSTRIAL (gerada na indústria) OBSOLESCÊNCIA CLASSIFICAÇÃO DA SUCATA QUANTO A DENSIDADE Baixa densidade : ex.: cavacos de usinagem Média densidade : ex.: pedaços de barras Alta densidade : ex.: bases de máquinas Obs.: sucatas de baixa ou média densidade podem, quando prensadas, ser transformadas em alta densidade, QUANTO A COMPOSIÇÃO QUÍMICA Classificadas de acordo com o elemento de liga predominante em sua composição. Exemplos: Sucata de aço carbono (sem elemento de liga) Sucata de aço molibdênio Sucata de aço níquel INFORMAÇÕES SOBRE SUCATA DE AÇO Ciência e Tecnologia dos Materiais INFORMAÇÕES SOBRE SUCATA DE AÇO Ciência e Tecnologia dos Materiais RETORNO (pontas barras) INDUSTRIAL (feixes de molas) INDUSTRIAL (cavaco de usinagem) INFORMAÇÕES SOBRE SUCATA DE AÇO Ciência e Tecnologia dos Materiais OBSOLESCÊNCIA INFORMAÇÕES SOBRE SUCATA DE AÇO Ciência e Tecnologia dos Materiais OBSOLESCÊNCIA MATERIAIS INDESEJÁVEIS NA SUCATA DE AÇO Ciência e Tecnologia dos Materiais TUBO DE AÇO PREENCHIDO DE CONCRETO BOTIJÕES DE GAS Ciência e Tecnologia dos Materiais UNIDADE I I I TRATAMENTOS TÉRMICOS DOS AÇOS APOSTILA Introdução A construção mecânica exige peças metálicas dentro de determinados requisitos de propriedades mecânicas, de modo a torná-las aptas a suportarem satisfatoriamente as condições de serviço a que estarão sujeitas. Na grande maioria dos casos os processos de produção não conferem às peças as propriedades desejadas. Como por exemplo, uma peça fundida ou submetida a processamento a frio apresenta tensões que poderão ser prejudiciais durante o uso. Daí a necessidade de submetê-las a determinados tratamentos térmicos com o objetivo de atingir as propriedades especificadas. TRATAMENTOS TÉRMICOS DOS AÇOS Ciência e Tecnologia dos Materiais O tratamento térmico surgiu há muitos séculos atrás quando o homem descobriu que o aquecimento e resfriamento podiam modificar as propriedades mecânicas dos aços, isto é, torná-los mais duros, mais moles, mais maleáveis, ... Mais tarde, descobriu também que a rapidez com que os aços eram resfriados e a quantidade de carbono que possuíam influíam decisivamente nessas modificações. Um tratamento térmico é feito em três fases distintas: 1 - aquecimento 2 - manutenção da temperatura 3 – resfriamento TRATAMENTOS TÉRMICOS DOS AÇOS Ciência e Tecnologia dos Materiais Definição Por tratamento térmico (TºTº) compreendemos a operação de aquecer um material a uma determinadatemperatura , deixá-lo algum tempo nesta temperatura e em seguida resfriá-lo em condições especificadas com a finalidade de obter propriedades especiais. As propriedades mecânicas dos aços dependem, em princípio, de suas estruturas; os tratamentos térmicos modificam, em maior ou menor escala, a estrutura dos aços, resultando, como consequência, na alteração mais ou menos acentuada de suas propriedades. Os diversos tratamentos térmicos são executados através da alteração da temperatura de aquecimento e velocidade de resfriamento dos materiais. TRATAMENTOS TÉRMICOS DOS AÇOS Ciência e Tecnologia dos Materiais Principais objetivos dos tratamentos térmicos Remoção de tensões residuais decorrentes de processos mecânicos de conformação Refino da microestrutura (diminuição do tamanho de grão) Aumento ou diminuição de dureza Aumento ou diminuição da resistência mecânica Aumento da ductilidade Melhoria da usinabilidade Aumento da resistência ao desgaste Melhoria da resistência ao impacto Modificação de propriedades magnéticas Remoção de gases : desidrogenação TRATAMENTOS TÉRMICOS DOS AÇOS Ciência e Tecnologia dos Materiais Observações 1-Em geral, a melhora de uma das propriedades (ou várias propriedades) mediante um determinado tratamento térmico é conseguida com prejuízo das propriedades inversamente proporcionais. Ex.: aumento da dureza provoca redução da resistência ao impacto. Em função disso o tratamento térmico a ser aplicado em um determinado material deve ser criteriosamente escolhido. Devemos analisar todo o conjunto e não somente a peça a ser tratada. 2-Não se verifica, pela simples aplicação de um tratamento térmico, qualquer alteração na composição química no material da peça tratada. TRATAMENTOS TÉRMICOS DOS AÇOS Ciência e Tecnologia dos Materiais Fatores de influência nos tratamentos térmicos Considerando que o tratamento térmico é um ciclo tempo x temperatura, os fatores que devem ser inicialmente considerados são: Temperatura de aquecimento Tempo de permanência na temperatura Velocidade de resfriamento Atmosfera do forno TRATAMENTOS TÉRMICOS DOS AÇOS Ciência e Tecnologia dos Materiais Temperatura de aquecimento Para cada tipo de liga e tratamento térmico existe a temperatura indicada de aquecimento. De maneira geral os tratamentos térmicos dos aços são realizados em temperaturas dentro do campo austenítico, visando a sua completa austenitização. A velocidade de aquecimento depende do tamanho e da forma do componente; velocidade muito elevada pode causar distorções ou até mesmo trincas nas peças. Normalmente, as taxas de aquecimento empregadas pela indústria são determinadas pelos fabricantes dos fornos, sendo que os valores típicos em fornos de aquecimento resistivo estão entre 600 e 1200°C /h. Obs. fornos de indução apresentam taxas mais elevadas. TRATAMENTOS TÉRMICOS DOS AÇOS Ciência e Tecnologia dos Materiais Tempo de permanência na temperatura de tratamento O tempo de permanência na temperatura de tratamento é a soma do tempo para a homogeneização da temperatura na peça e o tempo da transformação de fase. A literatura normalmente descreve a equação empírica abaixo para a determinação do tempo de permanência em aços para CM: tp: tempo de permanência em “horas” tp = 0,5. eeq eeq:espessura equivalente em “pol” Obs.: para fornos com duas fontes de calor a espessura equivalente é 0,5 da maior espessura da peça em polegadas. Ex. para uma peça com espessura de ~ 4”, a eeq é 2” (4 x 0,5) e o tempo de permanência (tp) será de 1h. Períodos superiores ao descrito, provocam descarbonetação e crescimento do tamanho de grão. Períodos inferiores ao descrito podem ser insuficientes para provocar a transformação da estrutura. TRATAMENTOS TÉRMICOS DOS AÇOS Ciência e Tecnologia dos Materiais Atmosfera do forno A atmosfera do forno pode influenciar diretamente no resultado do tratamento térmico. A presença de oxigênio na atmosfera do forno provoca oxidação do ferro e consequentemente a descarbonetação superficial da peça. Este fenômeno começa a se manifestar a partir de 500ºC. A presença de carbono na atmosfera provoca a carbonetação superficial . O ideal seria que os tratamentos fossem realizados em fornos à vácuo ou com atmosferas inertes, à base de argônio. TRATAMENTOS TÉRMICOS DOS AÇOS Ciência e Tecnologia dos Materiais Resfriamento É o fator mais importante pois é ele que determina efetivamente a estrutura final da peça e, em consequência, as suas propriedades mecânicas finais. Para a escolha do meio de resfriamento adequado deve ser considerada a estrutura final desejada na peça. Os principais meios de resfriamento são: O próprio forno O ar Meios líquidos Meios sólidos TRATAMENTOS TÉRMICOS DOS AÇOS Ciência e Tecnologia dos Materiais Resfriamento 1-Desligando o forno Forno 2-Abaixando controladamente a temperatura do forno 1.a- aquecido 1-Ar tranqüilo 1.b- temperatura ambiente Ar 1.c-frio 2-Ar forçado 1-Tipo (óleo, água, polímeros ou soluções aquosas) Meios Líquidos 2-Temperatura (aquecido ou não) 3-Agitação (com ou sem agitação) Meios Sólidos (areia, vermiculita, cal,...) TRATAMENTOS TÉRMICOS DOS AÇOS Ciência e Tecnologia dos Materiais Severidade de um meio de resfriamento É a capacidade do meio em retirar calor da peça; quanto maior a severidade maior a capacidade de retirada de calor. Velocidades relativas de resfriamento Padrão: cilindro de liga Fe-Ni, com 1” de diâmetro, à 550ºC, resfriado em água em agitação a velocidade de 38ºC/seg. Considerando-se o meio “água em agitação” como velocidade 1.00, a tabela abaixo indica as velocidades relativas dos outros meios. MEIO DE RESFRIAMENTO VELOCIDADE RELATIVA Polímeros especiais 1.230 Água em agitação 1.000 Óleo em agitação 0.400 Ar forçado 0.032 Ar tranquilo 0.015 TRATAMENTOS TÉRMICOS DOS AÇOS Ciência e Tecnologia dos Materiais Velocidades relativas de resfriamento em meios líquidos Padrão: esfera de liga Ni-Cr, com 4mm de diâmetro, à 860ºC, resfriado em água à 18ºC. Obs.: o meio “água à 18ºC” considerado como velocidade 1.00. MEIO DE RESFRIAMENTO VELOCIDADE RELATIVA Solução aquosa - 10% NaOH 2.060 Solução aquosa - 10% NaCl 1.960 Água à 0ºC 1.060 Água à 18ºC 1.000 Água à 25ºC 0.720 Óleo 01 0.300 Óleo 02 0.220 Água à 50ºC 0.170 Óleo 03 0.140 Tetracloreto de carbono 0.055 Água à 75ºC 0.047 TRATAMENTOS TÉRMICOS DOS AÇOS Ciência e Tecnologia dos Materiais RECOZIMENTO É um tratamento térmico com o qual se procura dar ao material um estado muito próximo ao do equilíbrio termodinâmico (químico e estrutural) Consiste em aquecer o material até a uma temperatura em torno da zona crítica , deixá-lo aquecido durante um certo tempo e, a seguir, esfriá-lo lentamente. Objetivos: reduzir a dureza eliminar as tensões residuais aumentar a ductilidade facilitar o trabalho a frio regularizar a estrutura bruta de fusão melhorar a usinabilidade eliminar os efeitos de TºTº ou mecânico anterior TRATAMENTOS TÉRMICOS DOS AÇOS RECOZIMENTO Ciência e Tecnologia dos Materiais O tratamento genérico recozimento abrange os seguintes tratamentos Recozimento total (ou pleno) Recozimento isotérmico (ou crítico) Recozimento para alívio de tensões Esferoidização TRATAMENTOS TÉRMICOS DOS AÇOS RECOZIMENTO Ciência e Tecnologia dos Materiais RZ Total RZ Isotérmico Alívio de Tensões Esferoidização Temperatura de aquecimento Eutetóides e Hipoeutetóides: 50ºC acima A3 Hipereutetóides: acima do limite inferior de A1 Idem à do RZ Total Abaixo do limite inferior de A1 Aquecimento e resfriamento alternado acima e abaixo deA1 Resfriamento Lento, dentro do forno 1-Rápido até a temperatura de formação de perlita. 2-Permanência nesta temperatura até transformação total. 3-Resfriamento rápido até a temperatura ambiente Lento, ao ar Lento Objetivos Eliminar efeitos de TºTº ou mecânico anterior Idem aos do RZ Total Aliviar tensões residuais de conformação mecânica, solidificação e soldagem Melhorar a usinabilidade de aços alto carbono Estrutura obtida Perlita e Ferrita Idem à do RZ Total Mesma anterior ao tratamento Esferoidizada TRATAMENTOS TÉRMICOS DOS AÇOS RECOZIMENTO Ciência e Tecnologia dos Materiais TRATAMENTOS TÉRMICOS DOS AÇOS RECOZIMENTO Teor de carbono Te m p e ra tu ra Ciência e Tecnologia dos Materiais NORMALIZAÇÃO A normalização consiste na austenitização completa do aço, seguida de resfriamento ao ar. Tem por objetivo refinar e homogeneizar a estrutura, eliminando os pontos críticos resultantes de trabalhos anteriores e também prepara o material para outros tipos de tratamentos térmicos. É indicada normalmente para homogeneização de estrutura após o forjamento, laminação ou fundição e antes da tempera. Temperaturas de aquecimento Aços eutetóides e hipo eutetóides: 30ºC acima da temperatura de recozimento Aços hiper eutetóides: 50º acima do limite superior da zona crítica (Acm) TRATAMENTOS TÉRMICOS DOS AÇOS NORMALIZAÇÃO Ciência e Tecnologia dos Materiais TEMPERATURA DE AQUECIMENTO TRATAMENTOS TÉRMICOS DOS AÇOS NORMALIZAÇÃO Ciência e Tecnologia dos Materiais Propriedades mecânicas do normalizado em relação ao recozido Mais elevadas Dureza Resistência a tração Limite de escoamento Inferiores Alongamento Estricção (redução de área) TRATAMENTOS TÉRMICOS DOS AÇOS NORMALIZAÇÃO Ciência e Tecnologia dos Materiais TÊMPERA Introdução O tratamento térmico de têmpera tem como objetivo a obtenção de uma microestrutura que proporcione propriedades de dureza, resistência mecânica e resistência ao desgaste, elevadas. A peça a ser temperada é inicialmente aquecida à temperatura de austenitização e em seguida submetida a um resfriamento rápido em um meio com água, óleo, salmoura ou mesmo ar. A microestrutura resultante é composta predominantemente de martensita, uma fase que apresenta elevada dureza. A martensita é o constituinte mais duro e mais frágil dos aços; sua dureza varia conforme o teor de carbono do aço TRATAMENTOS TÉRMICOS DOS AÇOS TÊMPERA Ciência e Tecnologia dos Materiais Cuidados a serem tomados no aquecimento Controlar a temperatura e tempo de aquecimento (excesso causa crescimento de grãos e a falta tempera imperfeita). Trabalhar com atmosfera controlada para evitar descarbonetação. Apoiar bem a peça. Aquecer gradativamente a peça. Cuidados a serem tomados no resfriamento Escolher o meio de menor severidade que dê as propriedades requeridas. Agitar o banho ou a peça impedindo a fixação de bolhas e garantindo o contato metal/meio de têmpera. Estudar a colocação da peça no meio de tempera a fim de esfriá-la o mais homogeneamente possível. TRATAMENTOS TÉRMICOS DOS AÇOS TÊMPERA Ciência e Tecnologia dos Materiais Motivos que podem causar dureza insuficiente no TºTº de têmpera: Aço especificado incorretamente Descarbonetação superficial da peça Tempo de permanência na temperatura insuficiente Meio de têmpera inadequado ou aquecido TRATAMENTOS TÉRMICOS DOS AÇOS TÊMPERA Ciência e Tecnologia dos Materiais TÊMPERA SUPERFICIAL Introdução Em um grande número de aplicações o endurecimento superficial é mais conveniente que o endurecimento total, principalmente em regiões específicas de componentes que sofrerão solicitação de desgaste a abrasão. O endurecimento é localizado e as características originais do núcleo do componente são preservadas. Processos de endurecimento superficial: Encruamento por conformação mecânica a frio. Ex.: jato de granalhas ou trefilação. Tratamento químico da superfície. Ex.: aplicação de “cromo duro” Tratamentos termoquímicos. Ex.: cementação, nitretação e carbonitretação. Têmpera superficial. Ex.: por chama e por indução. TRATAMENTOS TÉRMICOS DOS AÇOS TÊMPERA Ciência e Tecnologia dos Materiais TÊMPERA SUPERFICIAL Definição Têmpera superficial é um processo em que a superfície da peça é aquecida à temperatura de austenitização, mantida durante um tempo nesta temperatura e, em seguida, submetida a um resfriamento rápido que provoca a transformação martensítica na sua superfície, enquanto que as propriedades mecânicas do núcleo permanecem inalteradas. Os tipos de têmpera superficial são Têmpera por chama Têmpera por indução TRATAMENTOS TÉRMICOS DOS AÇOS TÊMPERA Ciência e Tecnologia dos Materiais TÊMPERA SUPERFICIAL POR CHAMA Têmpera em que o aquecimento provém de chama direcionada à peça, através de maçarico ou outro instrumento. A chama é resultado da combustão do acetileno, propano ou outro gás. Em alguns equipamentos, para se obter um aquecimento uniforme a peça pode girar Esquema simplificado TRATAMENTOS TÉRMICOS DOS AÇOS TÊMPERA Ciência e Tecnologia dos Materiais TÊMPERA SUPERFICIAL POR INDUÇÃO Têmpera em que o aquecimento da peça é produzido por uma bobina de indução elétrica seguida de um resfriamento brusco, normalmente em água. O meio de têmpera pode ser jato de água, imersão ou outro arranjo. Com bobinas de formato adequado, a têmpera por indução permite uma precisa definição da área a endurecer. TRATAMENTOS TÉRMICOS DOS AÇOS TÊMPERA Ciência e Tecnologia dos Materiais TÊMPERA SUPERFICIAL POR INDUÇÃO TRATAMENTOS TÉRMICOS DOS AÇOS TÊMPERA Ciência e Tecnologia dos Materiais REVENIMENTO Definição O revenimento é o tratamento térmico que objetiva reduzir a dureza e as tensões internas obtidas na têmpera e aumentar a ductilidade e a tenacidade da peça, a valores pré-determinados. Processo Consiste no reaquecimento de peças temperadas, a temperaturas situadas abaixo da linha inferior de transformação A1 do aço, seguido de resfriamento controlado. O resfriamento deve ser lento, podendo ser feito em banho de sal, de óleo ou mesmo à temperatura do forno, esfriando juntamente com este. Com raras exceções, o revenimento dos aços é normalmente realizado entre 175 e 700ºC e tempos que variam de 30 minutos até 4 horas. TRATAMENTOS TÉRMICOS DOS AÇOS REVENIMENTO Ciência e Tecnologia dos Materiais LABORATÓRIO MATERIAIS Ciência e Tecnologia dos Materiais Introdução O controle da qualidade de um produto metalúrgico pode ser: - dimensional - estrutural Dimensional Como o próprio nome indica, é aquele que se preocupa em controlar um determinado produto quanto às suas dimensões físicas. Este campo também é denominado de Metrologia. Estrutural Preocupa-se com o material da peça, sua composição, propriedades, estrutura, etc. Classifica-se em: a) Ensaios físicos: destrutivos e não destrutivos b) Análise química. c) Ensaio metalográfico. d) Ensaios especiais LABORATÓRIO MATERIAIS Ciência e Tecnologia dos Materiais Ensaio Metalografico É o estudo da estrutura dos metais. Para estudarmos a estrutura dos metais temos que proceder a sua observação. A observação está subdividida em duas classes: - Microscopia - Macroscopia LABORATÓRIO MATERIAIS Ciência e Tecnologia dos Materiais Microscopia A análise é executada em microscópio com aumentos que podem variar: 50X, 100X, 200X, 500X, 1000X, 1500X e 2500X. Estes microscópios são específicos e conhecidos como microscópios metalográficos, microscópios metalúrgicos ou microscópios óticos. LABORATÓRIOMATERIAIS Ciência e Tecnologia dos Materiais Macroscopia Análise feita a olho nu, com lupa ou com microscópio estéreo com aumentos que podem variar de 5X a 64X. Através da macroscopia temos uma idéia de conjunto, referente à homogeneidade do material, à distribuição e natureza de falhas, impurezas, etc. As heterogeneidades mais comuns detectadas nas macroscopias dos aços são: vazios, segregação e trincas. ETAPAS DE PREPARAÇÃO DA AMOSTRA PARA ANÁLISE MICROSCÓPICA Ciência e Tecnologia dos Materiais Corte A amostra a ser analisada deve ser cortada de forma a não sofrer alterações pelo método de corte. Usa-se o método a frio, em geral serras, para o corte primário, ou seja, para se separar a porção aproximada que será analisada Na sequencia, usa-se um equipamento denominado "cut-off" que faz um corte mais preciso, utilizando-se de um fino disco abrasivo e farta refrigeração, a fim de não provocar alterações por calor na amostra. Ciência e Tecnologia dos Materiais Embutimento O propósito do embutimento, além de produzir amostras de tamanho uniforme, é proteger e facilitar o manuseio da amostra durante a sua preparação. O processo de embutimento é dividido em dois grupos - embutimento a quente - embutimento a frio ETAPAS DE PREPARAÇÃO DA AMOSTRA PARA ANÁLISE MICROSCÓPICA Ciência e Tecnologia dos Materiais Embutimento a quente O embutimento a quente é realizado utilizando uma prensa de embutimento. O corpo de prova deve ser centralizado na máquina e em seguida colocado sobre ele uma “medida” de baquelite. Posteriormente, com auxílio de uma alavanca lateral que aciona um pistão hidráulico, aplica-se uma pressão de 115 kg/cm². Após um tempo de 5 minutos retira-se o corpo de prova. O processo é realizado a uma temperatura em torno de 200°C. Embutimento a frio No embutimento a frio são utilizados dois produtos: resina e catalisador. A amostra é colocada em um molde que é preenchido com resinas sintéticas de polimerização rápida. ETAPAS DE PREPARAÇÃO DA AMOSTRA PARA ANÁLISE MICROSCÓPICA Ciência e Tecnologia dos Materiais Lixamento O lixamento é o processo de preparação da superfície da amostra para o subseqüente polimento. Ele é iniciado com lixa de granulação mais grossa passando sucessivamente para lixa de granulação mais fina, em direção transversal aos riscos já existentes (sempre mudando a direção em 90º). Normalmente inicia-se o lixamento com a lixa de granulometria 220, seguida pelas lixas 320, 400 e 600. Em alguns casos usa-se lixas mais finas que a lixa 600, chegando-se a 1000 ou 1200. De acordo com número de grãos por cm² temos os diversos tipos de lixa (quanto mais grãos por cm² mais fina é a lixa) O processo de lixamento é feito sob refrigeração com água. ETAPAS DE PREPARAÇÃO DA AMOSTRA PARA ANÁLISE MICROSCÓPICA Ciência e Tecnologia dos Materiais A lixa é formada pelo costado, adesivos e grãos. O costado pode ser de papel ou tecido e os grãos normalmente são de Carbureto de Silício. ETAPAS DE PREPARAÇÃO DA AMOSTRA PARA ANÁLISE MICROSCÓPICA Ciência e Tecnologia dos Materiais ETAPAS DE PREPARAÇÃO DA AMOSTRA PARA ANÁLISE MICROSCÓPICA Comparação entre lixas - MEV Ciência e Tecnologia dos Materiais ETAPAS DE PREPARAÇÃO DA AMOSTRA PARA ANÁLISE MICROSCÓPICA Polimento Consiste na obtenção de uma superfície isenta de riscos, de modo a se obter uma imagem clara ao microscópio. O polimento é executado com panos especiais, colados à pratos giratórios, sobre os quais são depositadas pequenas quantidades de abrasivos que variam em função do tipo de metal que está sendo polido. Durante o polimento a amostra também é refrigerada, com álcool ou agentes refrigerantes específicos. Ciência e Tecnologia dos Materiais ETAPAS DE PREPARAÇÃO DA AMOSTRA PARA ANÁLISE MICROSCÓPICA Para os aços os abrasivos mais comuns são, o óxido de alumínio e a pasta de diamante. O óxido de alumínio (Al2O3), também conhecido como alumina é um composto químico de alumínio e oxigénio. A pasta de diamante tem granulometria média de 1 mµ e é fornecida em seringas contendo 6g. Ciência e Tecnologia dos Materiais ETAPAS DE PREPARAÇÃO DA AMOSTRA PARA ANÁLISE MICROSCÓPICA Ataque químico Há uma enorme variedade de ataques químicos para diferentes tipos de metais e situações. Em geral, o ataque é feito por imersão da amostra, durante um período de aproximadamente 20 segundos, assim a microestrutura é revelada. Um dos reagentes mais usados é o NITAL, (ácido nítrico e álcool), que funciona para a grande maioria dos metais ferrosos. Ciência e Tecnologia dos Materiais ETAPAS DE PREPARAÇÃO DA AMOSTRA PARA ANÁLISE MICROSCÓPICA Observação microscópica Ciência e Tecnologia dos Materiais ETAPAS DE PREPARAÇÃO DA AMOSTRA PARA ANÁLISE MICROSCÓPICA FERRITA Ciência e Tecnologia dos Materiais ETAPAS DE PREPARAÇÃO DA AMOSTRA PARA ANÁLISE MICROSCÓPICA FERRITA e PERLITA Ciência e Tecnologia dos Materiais ETAPAS DE PREPARAÇÃO DA AMOSTRA PARA ANÁLISE MICROSCÓPICA MARTENSITA Ciência e Tecnologia dos Materiais ETAPAS DE PREPARAÇÃO DA AMOSTRA PARA ANÁLISE MICROSCÓPICA NORMALIZADA Ciência e Tecnologia dos Materiais ETAPAS DE PREPARAÇÃO DA AMOSTRA PARA ANÁLISE MICROSCÓPICA ESFEROIDIZADA TESTES DOS MATERIAS UNIDADE IV TESTES DOS MATERIAIS Ciência e Tecnologia dos Materiais TESTES DOS MATERIAS Ciência e Tecnologia dos Materiais ENSAIOS DESTRUTIVOS São ensaios que exigem a retirada de amostras e a confecção de corpos de prova os quais são deformados ou rompidos para se concluir sobre a propriedade que está sendo analisada. Ex. – ensaio de tração, ensaio de compressão, ensaio de impacto, ensaio de dureza, ensaio de torção, ... ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS São ensaios que não exigem a retirada de amostras nem a confecção de corpos de prova. Estes ensaios são realizados nas peças semi acabadas ou acabadas e não afetam o uso posterior das mesmas. São ensaios que não deixam vestígios de que foram realizados. Ex. – ensaio por ultra som, ensaio de raios X, ensaio por partículas magnéticas, ensaio pelos líquidos penetrantes, ... ENSAIO DE DUREZA INTRODUÇÃO CONCEITOS DE DUREZA Não existe um conceito único da propriedade dureza; o conceito depende do profissional que está utilizando a propriedade. Eng Mecânico: resistência à penetração de um material duro em outro. Eng Metalúrgico: resistência à deformação plástica. Técnico em usinagem de metais: medida de resistência ao corte do metal. Mineralogista: resistência ao risco que um material pode fazer em outro. Ciência e Tecnologia dos Materiais PRINCIPAIS TIPOS DE ENSAIOS DE DUREZA 1-Dureza por risco 2-Dureza por penetração 3-Dureza por choque ENSAIO DE DUREZA INTRODUÇÃO Ciência e Tecnologia dos Materiais ENSAIO DE DUREZA MOHS 1 - DUREZA POR RISCO Com este tipo de medida vários minerais estão relacionados quanto a possibilidade de um riscar o outro. ESCALA DE MOHS (1.822) É a mais antiga. Consiste na tabela de 10 minerais dispostos em ordem crescente quanto a possibilidade de um riscar o outro Ciência e Tecnologia dos Materiais ENSAIO DE DUREZA MOHS ESCALA Talco 01 Gipsita 02 Calcita 03 Fluorita 04 Apatita 05 Ortoclásio 06 Quartzo 07 Topázio 08 Safira 09 Diamante 10 A maioria dos metais está entre as durezas 4 e 10 na escala de Mohs Ciência e Tecnologia dos Materiais ENSAIO DE DUREZA BRINELL 2 -DUREZA POR PENETRAÇÃO 2.A – DUREZA BRINELL Proposta por J.A.Brinell (1.900), denominada dureza Brinell e simbolizada por HB. ENSAIO Consiste em comprimir lentamente uma esfera de aço de diâmetro “D”, sobre a superfície plana, polidae limpa de um metal através de uma carga “Q”, durante um tempo “t”. Esta compressão provocará a impressão de uma calota esférica com diâmetro “d”. A leitura do diâmetro “d” possibilitará, junto com “Q” e “D”, o cálculo da dureza Brinell do material. Ciência e Tecnologia dos Materiais ENSAIO DE DUREZA BRINELL Ciência e Tecnologia dos Materiais ENSAIO DE DUREZA BRINELL Ciência e Tecnologia dos Materiais DEFINIÇÃO Quociente entre a carga aplicada e a área da superfície da calota Q 2Q HB = ----- = ------------------------- Sc π.D (D- √D² – d²) unidade: kgf / mm² ENSAIO DE DUREZA BRINELL Ciência e Tecnologia dos Materiais VARIAÇÃO DA CARGA E ESFERA Inicialmente foi proposto carga de 3.000 kgf e esfera de 10 mm de diâmetro. Em função da dureza do material e tamanho da amostra estas variáveis podem ser alteradas MATERIAL DIÂMETRO DIÂMETRO CARGA DUREZA ESFERA IMPRESSÃO (kgf) BRINELL (mm) (mm) AÇO “A” 10 6,3 3.000 85 7 4,4 1.470 85 5 3,13 750 87 1,19 0,748 42,5 86 AÇO “B” 10 4,75 3.000 159 7 3,33 1.470 158 5 2,35 750 163 1,19 0,567 42,5 158 AÇO “C” 10 3,48 3.000 306 7 2,43 1.470 308 5 1,75 750 302 1,19 0,411 42,5 311 ENSAIO DE DUREZA BRINELL Ciência e Tecnologia dos Materiais LOCALIZAÇÃO DA IMPRESSÃO - afastamento das bordas do corpo de prova ~ 2,5 x “d” - distância entre duas impressões ~ 5 x “d” - espessura do corpo de prova ~ 10 x “d” “d” = diâmetro da calota esférica ENSAIO DE DUREZA BRINELL Ciência e Tecnologia dos Materiais RELAÇÃO EMPÍRICA : Dureza Brinell e o limite de resistência a tração convencional RT = k . HB RT = limite de resistência a tração k = depende do material HB = dureza Brinell do material RT (unidade) = kgf/mm² ENSAIO DE DUREZA BRINELL Ciência e Tecnologia dos Materiais Relação entre a dureza Brinell e o limite de resistência a tração convencional RT = k . HB MATERIAL k Aço Carbono 0.36 Aço ligado 0,33 Níquel recozido 0,49 Cobre recozido 0,52 Latão recozido 0,55 Liga de alumínio 0,40 ENSAIO DE DUREZA BRINELL Ciência e Tecnologia dos Materiais 2.B – DUREZA ROCKWELL Desenvolvida por Rockwell (1.922) e simbolizada por HR seguida da letra que indica a escala utilizada. O resultado é lido diretamente na máquina eliminando o tempo de medição e diminuindo a possibilidade de erros pessoais. PENETRADORES São pequenos e podem não prejudicar as peças ensaiadas. Esféricos: confeccionados em aço temperado. Cônicos: confeccionados em diamante com 120º de conicidade. ENSAIO DE DUREZA ROCKWELL Ciência e Tecnologia dos Materiais ENSAIO DE DUREZA ROCKWELL Ciência e Tecnologia dos Materiais ENSAIO Aplica-se uma pré-carga que é regulada com ajuda do ponteiro auxiliar existente no mostrador do equipamento (aplicada manualmente com a elevação do prato de sustentação da amostra). Após a aplicação da pré-carga aplica-se a carga maior com velocidade controlada e constante. Retirada a carga maior efetua-se a leitura diretamente no mostrador do equipamento ENSAIO DE DUREZA ROCKWELL Ciência e Tecnologia dos Materiais ENSAIO DE DUREZA ROCKWELL Ciência e Tecnologia dos Materiais ENSAIO DE DUREZA ROCKWELL Ciência e Tecnologia dos Materiais ENSAIO DE DUREZA ROCKWELL Ciência e Tecnologia dos Materiais ESCALAS Designadas por letras A, B, C, ... que aparecem após a sigla HR. Para cada escala existem penetrador e carga específica. OBSERVAÇÕES 1-Cobrem toda gama de durezas encontradas nos metais. 2-Dureza em material desconhecido: iniciar pela escala mais alta para evitar danificação ao penetrador. AMOSTRA Superfície deve ser lixada para evitar irregularidades que ocasionem erros (a pré-carga também serve para evitar o efeito das irregularidades) - espessura do corpo de prova mínimo: ~ 10 x profundidade da impressão - distância entre duas impressões: ~ 3 x diâmetro da impressão ENSAIO DE DUREZA ROCKWELL Ciência e Tecnologia dos Materiais ESCALAS DE DUREZA ROCKWELL ESCALA PENETRADOR CARGA MAIOR COR (kgf) B Esfera: 1,59 mm 100 Vermelha C Diamante 150 Preta A Diamante 60 Preta D Diamante 100 Preta E Esfera: 3,17 mm 100 Vermelha F Esfera: 1,59 mm 60 Vermelha G Esfera: 1,59 mm 150 Vermelha H Esfera: 3,17 mm 60 Vermelha K Esfera: 3,17 mm 150 Vermelha L Esfera: 6,35 mm 60 Vermelha M Esfera: 6,35 mm 100 Vermelha P Esfera: 6,35 mm 150 Vermelha R Esfera: 12,70 mm 60 Vermelha S Esfera: 12,70 mm 100 Vermelha V Esfera: 12,70 mm 150 Vermelha ENSAIO DE DUREZA ROCKWELL Ciência e Tecnologia dos Materiais ENSAIO DE DUREZA VICKERS 2.C – DUREZA VICKERS Desenvolvida por Smith e Sandland (1.925). O nome é função da Cia Vickers – Armstrong Ltda, que fabricou as máquinas mais conhecidas para este tipo de ensaio. Simbolizada por “HV”. ENSAIO A carga é aplicada levemente na superfície plana da amostra e mantida por cerca de 18 segundos, depois dos quais é retirada. A leitura da impressão (diagonais) é realizada com auxílio de microscópio. CARGA Não é especificada; tem que ser tal que provoque uma impressão possível de ser medida. Varia de 1 a 100 / 120 kgf Ciência e Tecnologia dos Materiais ENSAIO DE DUREZA VICKERS Ciência e Tecnologia dos Materiais CÁLCULO DA DUREZA Carga 1,8544 x Q HV = ------------------------------- = ---------------- Área da sup. Piramidal L² Q = carga aplicada L = média das 2 diagonais unidade : kgf / mm² ENSAIO DE DUREZA VICKERS Ciência e Tecnologia dos Materiais PENETRADOR Pirâmide de diamante de base quadrada com um ângulo de 136º entre as faces opostas FORMA DA IMPRESSÃO É um losango regular, ou seja, quadrado, e, pela medida “L” de suas diagonais pode-se calcular a dureza Vickers. ENSAIO DE DUREZA VICKERS Ciência e Tecnologia dos Materiais PRINCIPAIS VANTAGENS DO ENSAIO 1-Impressões extremamente pequenas que não inutilizam a peça 2-Grande precisão na medida (deformação nula no penetrador) 4-Aplicação para toda gama de durezas encontradas nos diversos materiais AMOSTRA Exige preparação cuidadosa para tornar nítida a impressão APLICAÇÃO Determinação de processos de produção, pesquisas, etc. ENSAIO DE DUREZA VICKERS Ciência e Tecnologia dos Materiais ENSAIO DE DUREZA MICRODUREZA 2.D – MICRODUREZA A microdureza refere-se a ensaios realizados com cargas menores que 1kgf. O penetrador pode ser a pirâmide de diamante Vickers ou a pirâmide alongada de Knoop. O procedimento de teste é semelhante ao do teste padrão Vickers, exceto que é feito numa escala microscópica, com instrumentos de precisão mais alta. A superfície a ser testada requer um acabamento metalográfico. Ciência e Tecnologia dos Materiais PENETRADOR KNOOP Pirâmide de diamante de base alongada, conforme desenho abaixo. FORMA DA IMPRESSÃO A impressão tem forma piramidal com uma relação entre diagonais de 7:1. ENSAIO DE DUREZA MICRODUREZA Ciência e Tecnologia dos Materiais CÁLCULO DA DUREZA KNOOP Carga Q HK = ------------------------------- = ---------------- Área da sup. Piramidal 0,07028 Lm² Q = carga aplicada (gf) Lm = diagonal maior (microns) unidade : gf / mm² ENSAIO DE DUREZA MICRODUREZA Ciência e Tecnologia dos Materiais APLICAÇÕES DO ENSAIO DE MICRODUREZA Determinação de camadas temperadas, cementadas, descarbonetadas, etc. Desenvolvimento de processos de produção para materiais frágeis muito duros e seções muito finas. ENSAIO DE DUREZA MICRODUREZA Ciência e Tecnologia dos Materiais 3 – DUREZA POR CHOQUE 3.A – DUREZA POLDI ENSAIO Uma esferade aço é colocada entre o material que se deseja medir a dureza e um material padrão e comprimida com auxílio de uma “martelada”. A compressão provocará a impressão de duas calotas esféricas: uma no material padrão e outra no material que se deseja medir a dureza. As leituras de ambos os diâmetros das calotas esféricas proporcionará o cálculo da dureza Poldi do material. ENSAIO DE DUREZA POLDI Ciência e Tecnologia dos Materiais ENSAIO DE DUREZA POLDI Ciência e Tecnologia dos Materiais ENSAIO DE DUREZA POLDI Ciência e Tecnologia dos Materiais 3 – DUREZA POR CHOQUE 3.B – DUREZA SHORE (para metais endurecidos) ENSAIO Um martelo, com ponta de diamante arredondada cai de certa altura (~ 25 cm) dentro de um cilindro de vidro sobre a superfície que se deseja medir a dureza. A altura do primeiro ressalto, medida na escala graduada, corresponde à dureza Shore do material. ENSAIO DE DUREZA SHORE Ciência e Tecnologia dos Materiais ENSAIO DE DUREZA SHORE Ciência e Tecnologia dos Materiais ENSAIO DE IMPACTO INTRODUÇÃO OBJETIVO DO ENSAIO É empregado no estudo de fratura frágil e consta como teste obrigatório para a aceitação de materiais que serão utilizados em baixa temperatura. EXEMPLOS - peças externas de aeronaves - indústria naval: cascos de navios, amarras e âncoras - equipamentos industriais utilizados em baixas temperaturas Ciência e Tecnologia dos Materiais CORPOS DE PROVA São especificados pela norma ASTM E-23 e dividem-se em duas classes: Charpy: medem 55 mm de comprimento com uma secção quadrada de 10 mm de lado. São divididos em três tipos (A, B e C) de acordo com o entalhe confeccionado no centro do corpo de prova: - tipo “A”: entalhe em forma de “V” - tipo “B”: entalhe em forma de “buraco de fechadura” - tipo “C”: entalhe em forma de “U” Izod: mede 75 mm de comprimento com uma secção quadrada de 10 mm de lado; o entalhe é sempre feito em forma de “V” à distância de 28 mm de uma das extremidades. ENSAIO DE IMPACTO INTRODUÇÃO Ciência e Tecnologia dos Materiais CORPOS DE PROVA CHARPY ENSAIO DE IMPACTO INTRODUÇÃO Ciência e Tecnologia dos Materiais CORPO DE PROVA IZOD ENSAIO DE IMPACTO INTRODUÇÃO Ciência e Tecnologia dos Materiais TÉCNICA DO ENSAIO O martelo, montado na extremidade de um pêndulo, é ajustado a certa altura “h” de tal maneira que sua energia potencial tenha valor fixo e conhecido. O martelo solto bate no corpo de prova e, depois de deforma-lo e rompe-lo, sobe até uma altura “h’” que é inversamente proporcional à energia absorvida para deformar e romper o corpo de prova. A energia absorvida é lida diretamente no mostrador do equipamento. Quanto menor for a altura “h’” atingida pelo martelo, mais energia o corpo de prova absorveu. ENSAIO DE IMPACTO INTRODUÇÃO Ciência e Tecnologia dos Materiais TÉCNICA DO ENSAIO ENSAIO DE IMPACTO INTRODUÇÃO Ciência e Tecnologia dos Materiais ENSAIO DE IMPACTO CHARPY Os corpos de prova são livremente apoiados na máquina com uma distância entre apoios especificada em 40 mm (posição horizontal). ENSAIO DE IMPACTO CHARPY Ciência e Tecnologia dos Materiais ENSAIO DE IMPACTO IZOD O corpo de prova é engastado à máquina de ensaio ficando o entalhe na altura da superfície do engaste (posição vertical) ENSAIO DE IMPACTO IZOD Ciência e Tecnologia dos Materiais ENSAIO DE IMPACTO BRUGGER Desenvolvido pela ZF-Alemanha, tem como objetivo determinar a resistência ao impacto de materiais destinados à fabricação de engrenagens. O corpo de prova é forjado, usinado, cementado, temperado e revenido; as suas duas extremidades simulam dentes de engrenagem. O impacto é efetuado na face de cada um dos dentes do corpo de prova. ENSAIO DE IMPACTO BRUGGER Ciência e Tecnologia dos Materiais INFLUÊNCIA DA TEMPERATURA É a temperatura onde há mudança no caráter de ruptura do material, passando de dúctil a frágil e vice versa. TEMPERATURA DE TRANSIÇÃO A temperatura tem influência decisiva no ensaio e deve sempre ser mencionada no resultado ENSAIO DE IMPACTO TEMPERATURA Ciência e Tecnologia dos Materiais RETIRADA DO CORPO DE PROVA RESULTADO DO ENSAIO O resultado do ensaio deve mencionar: - Tipo do ensaio realizado (Charpy, Izod ou Brugger) - Corpo de prova ensaiado (ex.: Charpy tipo A, B ou C) - Região e sentido da retirada da amostra - Temperatura de realização do ensaio - Unidade: energia (ex.: Joule, kgf x m) Toda norma deve especificar a região e o sentido de retirada das amostras para confecção dos corpos de prova. ENSAIO DE IMPACTO RESULTADO Ciência e Tecnologia dos Materiais ENSAIO DE TRAÇÃO INTRODUÇÃO É o mais importante de todos os ensaios destrutivos. Consiste em submeter um material a um esforço que tende a alonga-lo ou estica-lo, objetivando determinar, entre outras propriedades, a sua resistência a tração. Geralmente realizado em corpos de prova padronizados para poder comparar os resultados. Ciência e Tecnologia dos Materiais ENSAIO DE TRAÇÃO CORPOS DE PROVA São padronizados por diversas associações de normas técnicas. - placas e chapas : CP’s retangulares - produtos acabados de seção circular : CP’s cilíndricos - barras finas ou arames : CP’s segmentos do material As dimensões dos CP’s dependem do tamanho da amostra que se dispõe e da capacidade da máquina de ensaio. Ciência e Tecnologia dos Materiais ENSAIO DE TRAÇÃO CORPOS DE PROVA Ciência e Tecnologia dos Materiais ENSAIO DE TRAÇÃO EXECUÇÃO DO ENSAIO O corpo de prova é fixado na máquina de ensaio que aplica esforços crescentes na direção axial. As deformações correspondentes são medidas através de um aparelho especial chamado extensômetro. O corpo de prova é levado até a ruptura. Ciência e Tecnologia dos Materiais ENSAIO DE TRAÇÃO EXECUÇÃO DO ENSAIO Ciência e Tecnologia dos Materiais ENSAIO DE TRAÇÃO GRÁFICO: TENSÃO x DEFORMAÇÃO Pode ser traçado por pontos ou obtido através da máquina de ensaio. É o resultado da deformação obtida em função da tensão aplicada. A uniformidade das deformações termina no momento em que começa a aparecer o fenômeno de estricção ou diminuição da seção do CP. A ruptura ocorre na região estrita. Ciência e Tecnologia dos Materiais ENSAIO DE TRAÇÃO GRÁFICO: TENSÃO x DEFORMAÇÃO Tensão Deformação LR - - - - - - - - - - - - - - - - - - LE - - - Ciência e Tecnologia dos Materiais ENSAIO DE TRAÇÃO ELASTICIDADE - PLASTICIDADE Ciência e Tecnologia dos Materiais ENSAIO DE TRAÇÃO EXTENSÔMETRO Ciência e Tecnologia dos Materiais ENSAIO DE TRAÇÃO ALONGAMENTO: Ɛ = (Lf – L0) * 100 / L0 Ciência e Tecnologia dos Materiais ENSAIO DE TRAÇÃO REDUÇÃO DE ÁREA OU ESTRICÇÃO: RA = (A0 – Af) * 100 / A0 Ciência e Tecnologia dos Materiais ENSAIO DE TRAÇÃO DEFINIÇÕES TENSÃO Resistência de um CP a uma força externa aplicada sobre ele, por unidade de área. T=F/A DEFORMAÇÃO Variação de uma dimensão qualquer desse corpo de prova quando submetido a um determinado esforço. Ciência e Tecnologia dos Materiais ENSAIO DE TRAÇÃO ESCOAMENTO Fenômeno no qual o CP apresenta uma grande variação dimensional com tensão constante. Indica o início da plasticidade e é mais facilmente verificado nos materiais dúcteis. LIMITE DE ESCOAMENTO É a tensão atingida durante o escoamento LIMITE DE RESISTÊNCIA É a tensão máxima suportada pelo material Ciência e Tecnologia dos Materiais ENSAIO DE TRAÇÃO METAL DÚCIL É aquele que apresenta região plástica muito extensa. METAL FRÁGIL É aquele que apresenta região plástica muito pequena ou mesmo nula Ciência e Tecnologia dosMateriais INTRODUÇÃO O ensaio de dobramento fornece uma indicação qualitativa da ductilidade do material; não determina valor numérico. Consiste em dobrar um corpo de prova de eixo retilíneo (secção circular, tubular, retangular ou quadrada) assentado em dois apoios afastados a uma distância especificada, por intermédio de um cutelo que aplica um esforço de flexão no centro do corpo de prova, até que seja atingido o ângulo de dobramento “α” especificado. ENSAIO DE DOBRAMENTO Ciência e Tecnologia dos Materiais TÉCNICA DO ENSAIO ENSAIO DE DOBRAMENTO Ciência e Tecnologia dos Materiais VARIÁVEIS DO ENSAIO Diâmetro do cutelo = D Ângulo de dobramento = α ENSAIO DE DOBRAMENTO Ciência e Tecnologia dos Materiais VARIÁVEIS DO ENSAIO DIÂMETRO DO CUTELO Quanto menor o diâmetro do cutelo, maior a severidade do ensaio. ÂNGULO DE DOBRAMENTO Quanto maior o ângulo de dobramento, maior a severidade do ensaio. ENSAIO DE MAIOR SEVERIDADE Diâmetro do cutelo = 0 mm Ângulo de dobramento = 180º ENSAIO DE DOBRAMENTO Ciência e Tecnologia dos Materiais CARGA APLICADA Não é especificada e não precisa ser medida; tem que ser tal que consiga dobrar o corpo de prova. VELOCIDADE DO ENSAIO Não é um fator importante desde que o ensaio não seja realizado com uma velocidade extremamente alta de maneira a enquadrá-lo nos ensaios dinâmicos. ENSAIO DE DOBRAMENTO Ciência e Tecnologia dos Materiais VARIANTES DO ENSAIO DE DOBRAMENTO DOBRAMENTO GUIADO Aplicação de força no ponto de máximo dobramento. DOBRAMENTO LIVRE O dobramento é obtido pela aplicação de força nas extremidades do corpo de prova, sem aplicação de força no ponto de máximo dobramento. DOBRAMENTO SEMIGUIADO Uma das extremidades é engastada de algum modo e o dobramento é efetuado na outra extremidade. ENSAIO DE DOBRAMENTO Ciência e Tecnologia dos Materiais DOBRAMENTO GUIADO Os apoios devem ser bem lubrificados para eliminar ao máximo o atrito, evitando o tracionamento indevido no corpo de prova. ENSAIO DE DOBRAMENTO Ciência e Tecnologia dos Materiais DOBRAMENTO LIVRE ENSAIO DE DOBRAMENTO Ciência e Tecnologia dos Materiais DOBRAMENTO SEMIGUIADO ENSAIO DE DOBRAMENTO Ciência e Tecnologia dos Materiais CORPOS DE PROVA Os corpos de prova poderão ser retirados dos produtos acabados ou poderão ser os próprios produtos acabados, se eles forem adequados para serem colocados na máquina de dobramento CORPOS DE PROVA DE PRODUTOS ACABADOS Parafusos, pinos, barras, ... CORPOS DE PROVA RETIRADOS DE PRODUTOS ACABADOS Chapas de aço ENSAIO DE DOBRAMENTO Ciência e Tecnologia dos Materiais ENSAIO DE DOBRAMENTO ANÁLISE DO RESULTADO Examina-se a olho nu a zona tracionada do corpo de prova que não deve conter trincas ou descontinuidades acima de um determinado valor especificado. O resultado do ensaio é considerado reprovado se o corpo de prova apresentar estes defeitos ou se romper antes de atingir o ângulo a especificado. Ciência e Tecnologia dos Materiais APLICAÇÕES O ensaio de dobramento é indicado para componentes que serão submetidos a operações de dobramento em serviço. Entre as aplicações usuais estão: Barras para construção civil Barras soldadas (qualificação de processo de solda e de soldadores) Componentes para uso em micro-eletrônica Peças acabadas (parafusos e pinos) As mais comuns são os testes para barras de construção civil e para barras soldadas ENSAIO DE DOBRAMENTO Ciência e Tecnologia dos Materiais
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