Introdução a Tecnologia dos Materiais

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Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais
TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
Aron Matheus 
Contagem – MG
2015
 TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
Aron Matheus 
Profº. Renato
Trabalho apresentado à disciplina de Introdução a Engenharia do curso de Graduação em Engenharia Mecânica na Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais (campus Contagem).
Contagem
 2015
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Resumo
 Este trabalho tem como objetivo introduzir aos estudantes o conteúdo, a definição, história e origem, aplicações e tirar as dúvidas abordado no curso de Engenharia Mecânica na disciplina de Tecnologia dos Materiais com ênfase na metalmecânica lecionado no 3° período da graduação na Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais.
 Acreditamos que, ao ler este trabalho os estudantes perceberão o quanto o tema é interessante e entenderão claramente a relevância do que irão aprender. Incluí vários exemplos das modernas aplicações de ciência e engenharia dos materiais que afetam a vida dos próprios estudantes. Em minha opinião, se eles reconhecerem que muitas das maravilhas tecnológicas atuais dependem do desempenho dos materiais de engenharia, ficarão ainda mais motivados a aprender como aplicar os fundamentos aqui apresentados.
 
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Sumário	
51	Capítulo 1 – Introdução	�
61.1	Considerações Iniciais	�
71.2 Objetivos do Trabalho	�
71.3 Organização dos Capítulos	�
82	Capítulo 2 O que é Ciência e Engenharia dos Materiais	�
93	Capítulo 3 – Materiais de Construção Mecânica	�
104	Capítulo 4 - Propriedades tecnológicas	�
114.1 Usinabilidade	�
124.2 Conformabilidade	�
134.3 Temperabilidade	�
144.4 Soldabilidade	�
155	Capítulo 5 – Ligas metálicas e seu beneficiamento	�
165.1 Definições	�
176	Capítulo 6 – Tratamentos Térmicos	�
 146.1 Tratamentos Térmicos Tipos Aplicados nos Aços	�9
207	Capítulo 7 – Conclusão	�
218	Capítulo 8 – Referências Bibliográficas	�
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Capítulo 1 – Introdução
 Classificação dos materiais-características selecionadas nos materiais usados no processo de conformação mecânica, a todos os conteúdos lecionados nos cursos de engenharia dependem da tecnologia dos materiais para iniciativa de qualquer projeto. Mediante a preservação e sustentabilidade do meio em que é necessário tal projeto.
 Ligas metálicas e o seu beneficiamento no desenvolvimento dos tratamentos térmicos superficiais dos aços em especifica dureza da peças a ser tratada e qual a sua finalidade no âmbito do projeto.
Considerações Iniciais
A evolução da sociedade humana sempre foi influenciada pela descoberta de novos materiais. É possível correlacoinar cada importante salto occorido no desenvolvimento da humanidade com descobertas envolvendo novos materiais. Pode se vizualizar na tabela 1 a cronologia da utilização dos materiais no decorrer do tempo.
Os primeiros utensilios utlizados pelo homem foram obtidos a partir de madeira ou pedra, principalmente para a fabricação de ferramentas e armas e afins. Tal desenvolvimento,de certa forma, tornou mais fácil a obtenção e processamento dos recursos mínimos para a sobrevivência, fornecendo consequentemente, maior tempo livre para o nosso desenvolvimento intelectual.
O desenrolar deste processo funcionou como uma bola de neve.Quanto mais ele se desenvolvia mais tempo disponível para pensar e se desenvolver ele tinha. Os primeiros elementos que o homemm modificou quimicamente foram o carbono, de materiais que queimados, e uma pequena quantidade de metais. 
1.2 Objetivos do Trabalho
O objetivo deste trabalho é introduzir os estudos realizados pela conteúdo desenvolvido na disciplina de tecnologia dos materiais. Este trabalho contemplou as seguintes fases de estudos:
O que é Ciência e Engenharia dos Materiais?
Estudo das propiedades tecnológicas
Soldabilidade, Usinabilidade, Conformabilidade e Temperabilidade
Ligas metálicas
Beneficiamento dos materiais
Tratamentos Térmicos
1.3 Organização dos Capítulos
Nos próximos capítulos são apresentadas todas as fases de estudos contempladas neste trabalho. Os capítulos são organizados da seguinte maneira:
O Capítulo 2 fala sobre os materiais de construção mecânicas.
O Capítulo 3 apresenta uma sobre as propriedades tecnológicas sobre a avaliação de desempenho de sistemas mecânicos, apresentando as suas principais técnicas.
O capítulo 4 aborda estudos relativos a escalonamento de processos de ligas metálicas e o seu beneficiamento destes e suas características principais.
O Capítulo 5 apresenta as características do tratamento térmico
Finalizando, o capitulo 6 apresenta as conclusões e as contribuições do trabalho.
Capítulo 2 O que é Ciência e Engenharia dos Materiais
 Ciência e Engenharia dos Materiais é um campo interdisciplinar voltado à intervenção de novos materiais e ao aperfeiçoamento dos já conhecidos, mediante o desenvolvimento da correlação composição-microestrutura-síntese-processamento. O termo composição indica a constituição química de um material. Já o termo microestrutura se refere à descrição detalhada do arranjo dos átomos. Os cientistas e engenheiros de materiais lidam não só com o desenvolvimento de materiais, mas também com sua síntese e seu processamento, bem como refere-se ao modo como os materiais são feitos, a partir de quais substâncias químicas encontradas na natureza ou sintetizadas pelo homem. O termo processamento diz respeito ao modo como os materiais são transformados em componentes úteis e com propriedades adequadas. A ciência dos materiais concentra-se nos fundamentos científicos da correlação entre síntese e processamento, microestrutura e propriedades dos materiais. A engenharia dos materiais, por sua vez, desenvolve modos de converter ou transformar materiais em dispositivos ou estruturas úteis.
Capítulo 3 – Materiais de Construção Mecânica
 Os materiais de construção mecânica, por classificação, são dividos em quatro grandes grupos de desenvolvimento tecnológico. O primeiro em escala de uso e mais antigo é o grupo de materiais metálicos. Em seguida temos os materiais poliméricos e, de desenvolvimento mais recente os materiais de cerâmica avançada e também os materiais compósitos. A disponibilidade comercial dos mesmos é crescente e competem entre si por propriedades de uso em situações específicas de engenharia. Procurou-se abordar, neste texto, aspectos gerais destes materiais, de maneira que sua seleção tenha critérios baseados nas propriedades requeridas na manufatura de componentes para os mais diversas aplicações.
Figura1-9 Diagrama esquemático do protótipo de um avião x-33. Observe o uso de materiais distintos nas diferentes partes. Esses veículos estarão vários componentes para a espaçonave Venturestar.
Capítulo 4 - Propriedades tecnológicas
 Na produção de certos componentes mecânicos, algumas propriedades tecnológicas podem ser consideradas, para que o material a ser processado tenha um comportamento que não comprometa seu desempenho tanto durante o processamento, como em sua utilização. Essas propriedades derivam-se das propriedades físicas, químicas e físico-químicas dos materiais, mas que devido a sua importância são tratadas como uma nova classe de propriedades que são:
Usinabilidade
Conformabilidade
Temperabilidade
Soldabilidade
4.1 Usinabilidade
 Usinabilidade não possui uma definição direta, como classes ou números. De um modo geral, ela inclui a habilidade do material da peça ser usinado, o desgaste que ele cria na aresta de corte e a formação de cavacos que se pode obter. Nestes aspectos, um aço carbono de baixa-liga é mais fácil de cortar, comparado aos aços inoxidáveis austeníticos mais exigentes. 
 Os aços baixa-ligasão considerados como tendo uma melhor usinabilidade comparados aos aços inoxidáveis. O conceito “boa usinabilidade”, geralmente refere-se à ação de corte sem problemas e uma vida útil apropriada da ferramenta. A maioria das avaliações de usinabilidade para um determinado material é feita usando testes práticos e os resultados são determinados com relação a outro teste em outro tipo de material sob aproximadamente as
mesmas condições. Nestas condições a figura 1 mostra um tornemaneto de um aço SAE 1045 em um centro de torneamento a CNC.
 
 Figura 1. Tornemaneto AÇO SAE 1045
4.2 Conformabilidade
 É a capacidade do material de ser deformado plasticamente através de processos de conformação mecânica. Esta propriedade está associada á ductilidade do material. Facilidade com que o material pode ser dobrado, prensado, estampado ou forjado sem prejuízos à sua integridade física sob vários aspectos metalúrgicos, mecânicos, visuais e dimensionais. Na figura 2 mostra um processo de conformação de uma chapa aço SAE 1020.
 Figura 2. Conformação de uma chapa
4.3 Temperabilidade
 Está diretamente relacionada com a profundidade da superfície em direção ao núcleo com a qual o material pode ser endurecido num tratamento térmico de têmpera. A temperabilidade é habitualmente definida como sendo a capacidade de um aço para formar martensita na têmpera. Com um aço mais temperável, pode-se usar uma taxa de resfriamento mais baixa e ainda assim formar martensita. Uma maior temperabilidade é muito importante em aços-liga e aços-ferramenta. Na figura 3 mostra a têmpera de um anel externo do rolamento de rolos cilíndricos de uma carreira SKF.
 Figura 3. Têmpera anel externo rolamento
4.4 Soldabilidade
 É a capacidade de um material ser unido pelo processo de soldagem, tendo por objetivo a continuidade das propriedades físicas, químicas e mecânicas do mesmo. Utilizando-se parâmetros normais de regulagem da máquina, de material de adição e de rendimento, ou à capacidade de o material ser soldado sem que haja a formação de microestruturas prejudiciais às suas características e propriedades mecânicas. Na figura 4 mostra a soldagem de um aço inox 310 pelo processo de caldeamento.
 Os aços inoxidáveis são selecionadas em função de sua excelente resistência à corrosão. Todos os aços inoxidáveis contêm um mínimo de 12% de Cr, que permite a formação de uma camada superficial uniforme e protetora de óxido de cromo quando o aço é exposto em atmosfera contendo oxigênio. O cromo é o elemento de liga que torna o aço inoxidável.
 
 Figura 4. Soldagem do aço inox 310.
Capítulo 5 – Ligas metálicas e seu beneficiamento
 As ligas metálicas ferrosas, são as mais utilizadas na construção mecânica, em elementos estruturais e componentes diversos.
 O ferro é um metal abundante na crosta terrestre e caracteriza-se por ligar-se com muitos outros elementos metálicos e não-metálicos, o principal elemento dos quais o ferro combina-se, é o carbono. Por este fato, essas ligas também são denominadas de ligas ferro carbono, e dividem-se em dois tipos principais os aços e ferros fundidos.
 O fenômeno do polimorfismo, como visto anteriormente com o ferro, também se apresenta nas ligas ferro carbono (será estudado no tópico seguinte). Característica que permite, a essas ligas (principalmente os aços) de serem tratadas termicamente, com o objetivo de alterar as propriedades mecânicas, possibilitando as mais variadas aplicações.
 A adequada aplicação das ligas ferro carbono, exige um conhecimento das propriedades, e consequentemente da microestrutura, que são dependentes das condições de processamento e da composição química.
 Esse texto consistirá nas definições das principais ligas ferro carbono, e nas classificações, segundo a composição química e também quanto as aplicações.
Descrevendo ainda a influência dos elementos de liga
5.1 Definições
 Definir as ligas ferro carbono, não é tão simples quanto parece, visto que apesar de levarem o nome de dois elementos químicos, na prática as mesmas não são ligas binárias, sempre se tem a presença de elementos químicos secundários oriundos da forma de obtenção desses materiais ou adicionados propositalmente para melhorar as propriedades mecânicas. Serão adotadas as seguintes definições, segundo a tabela 2.
Tabela 2. Classificação geral e principais definições das ligas de ferro carbono.
Capítulo 6 – Tratamentos Térmicos
 Como primeira consideração, convém ressaltar que existe uma diferença importante entre tratamento térmico e processo de fabricação. O processo de fabricação tem como objetivo principal, produzir um objeto conferindo-lhe uma forma. O tratamento térmico tem como objetivo principal alterar as propriedades mecânicas de uma determinada peça. Assim sendo, os tratamentos térmicos estão relacionados à modificação das propriedades mecânicas dos materiais sem alterar (ou sem alterar consideravelmente) sua forma e composição química.
 Esta modificação é obtida, na maior parte das vezes, através da alteração da microestrutura dos materiais. Logo, quando se faz um tratamento térmico, tem-se em mente alterar propriedades mecânicas, sendo que a modificação da microestrutura é somente um meio para se conseguir tal objetivo. Muitas vezes, pode-se obter a modificação da propriedade mecânica alterando-se a microestrutura com modificação na composição química (da superfície).
 Obviamente, não se trata de um tratamento térmico, pois há alteração da composição química. Estes tratamentos são então chamados de tratamentos termoquímicos e são aplicados principalmente para modificar a região superficial de um componente metálico. 
 Voltando aos tratamentos térmicos, podemos defini-lo da seguinte maneira: 
Tratamento térmico é um ciclo de aquecimento e resfriamento controlado com o objetivo de alterar as propriedades mecânicas de um objeto sem mudar sua forma e composição química. 
 Em geral, num tratamento térmico, quando se faz a modificação da microestrutura a fim de se melhorar uma propriedade mecânica é comum ocorrer perda de outra(s) propriedade(s). Assim sendo, os tratamentos térmicos devem ser criteriosamente selecionados a fim de se ponderar as características obtidas numa determinada peça. 
Algumas propriedades comumente modificadas num tratamento térmico são: 
• Redução de tensões internas residuais; 
• Aumento ou redução de dureza; 
• Aumento da resistência mecânica; 
• Aumento da ductilidade; 
• Aumento da tenacidade; 
Outras propriedades tecnológicas, como usinabilidade, conformabilidade, resistência ao desgaste, entre outras, podem ser melhoradas com a modificação destas propriedades. 
 Além disso, é interessante mencionar que os tratamentos térmicos podem ocorrer também sem a intenção do usuário. Alguns destes tratamentos podem ser consequência de um processo de fabricação, como por exemplo, uma soldagem. Querendo ou não, a região em torno do cordão de solda sofrerá um tratamento térmico e o conhecimento adequado de como isso pode ocorrer é crucial para a produção de componentes isentos de defeitos, ou com relação às medidas a serem adotadas para minimizar os efeitos negativos destes.
6.1 Tratamentos Térmicos tipos aplicados nos aços
 Os tratamentos térmicos aplicados aos aços têm a grosso modo dois objetivos principais: aumentar dureza ou diminuir dureza. No entanto, os objetivos específicos definem o tipo de tratamento térmico a ser utilizado. 
Nesta apostila vamos mencionar os tratamentos mais importantes, que podem ser agrupados em 3 grandes grupos: 
• Recozimentos;• Normalização; 
• Têmperas; 
Em geral, os recozimentos têm o objetivo principal de reduzir a dureza do material, as têmperas têm objetivo de aumentar a dureza enquanto que a normalização visa melhorar a tenacidade dos aços. 
 Os recozimentos podem ser divididos em vários tipos dependendo do seu objetivo específico, como: recozimento pleno, recozimento para alívio de tensões, para recristalização, de esferoidização, para homogeneização, entre outros. As têmperas possuem também suas variações: têmpera direta, sub-zero, austêmpera e martêmpera. Já a normalização não possui variações específicas. 
 
Capítulo 7 – Conclusão
 Desta forma, podemos concluir que todos os trabalhos desenvolvidos industrialmente o primeiro passo para desenvolver qualquer projeto além da iniciativa a ser tomada é estudar e identificar com quais materiais serão utilizados para tal procedimento, seguindo de qual finalidade e disposição para todos as peças do projeto.
 Ao se projetar um material para determinada aplicação, uma série de fatores precisa ser considerada. O material deve alcançar as propriedades físicas e mecânicas desejadas, deve permitir o processamento ou a fabricação em um formato específico e deve oferecer uma solução econômica aos problemas do projeto. Também é importante proteger o meio ambiente estimulando, se possível, a reciclagem dos materiais. O engenheiro provavelmente precisará compatibilizar os diversos requisitos de projeto para obter um produto ao mesmo tempo viável tecnicamente e comercializável.
Capítulo 8 – Referências Bibliográficas
	[1]
	ASHBY, M. F., JONES, D. R. H.; Engenharia de Materiais Vol 1: uma introdução a propriedades, aplicações e projeto. Rio de Janeiro: Elsevier (2007) 371p.
	[2]
	Aru_suzy_apostila_tecnologia_dos_materiais.pdf
	[3]
	SMITH, W. F. Princípios de Ciência e Engenharia dos Materiais. 3a ed. McGraw
Hill, Portugal, 1998
	[4]
[5]
	“Apostila_ITM_Henrique_C_Pavanati_(nov2010).pdf
“Ciência e Engenharia dos Materiais. Donald R.Askeland I Pradeep P. Phulé.
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