Materiais de construção mecânica

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Materiais de construção mecânica
•Instrutor Diego Santana
Escola Técnica SENAI Santo Amaro
HISTÓRICO
 Origem
 A primeira vez que o homem viu o ferro foi sob a forma de 
meteoritos. Daí a palavra “siderurgia”, pois Sidus significa estrela, 
em Latim;
 Primeiras evidências de uso: China e Índia (a 2000 anos antes de 
Cristo);
HISTÓRICO
 Início da Industrialização: Os Hititas, em, 
aproximadamente, 1700 a.C., aqueciam uma mistura de 
minério de ferro e carvão vegetal em um buraco no solo. 
Obtinham, assim, uma massa pastosa que era, em 
seguida, batida para desprender as impurezas e 
escórias. 
HISTÓRICO
• O que restava da massa de ferro era depois forjado na 
forma de punhais, espadas, utensílios e armaduras de 
malha.
Metalurgia Extrativa
Os minérios e o Brasil
• Em 1554, o Pe. Anchieta 
notificou a existência de 
depósitos de prata e minério 
de ferro no atual estado de SP.
• A produção de ferro 
(magnetita) só começou em 
1587 por Afonso Sardinha.
• Depois de Afonso Sardinha, a 
produção de ferro estagnou, 
só sendo retomada no século 
seguinte.
• Hoje, o Brasil é considerado o 
9º produtor mundial.
METAIS FERROSOS 
•São materiais que tem como elemento principal o ferro (Fe). 
São eles:
•Ferro fundido: é uma liga ferro – carbono com teores de 
carbono entre 2,11% a 6,67% 
•Aço: é uma liga ferro – carbono com teores de carbono 
variando entre 0,008% a 2,11%.
•O ferro fundido e o aço são produzidos a partir da obtenção 
do ferro gusa.
MATÉRIAS - PRIMAS PARA OBTENÇÃO DO 
FERRO GUSA NA SIDERURGIA
Minério de Ferro
Carvão
Calcário
MINÉRIO DE FERRO
• Os minerais que contém ferro em quantidade apreciável são os 
óxidos, silicatos,carbonatos, sulfetos. O óxido é o mais 
importante do ponto de vista siderúrgico.Os principais óxidos 
são:
• Magnetita (óxido ferroso - férrico), de fórmula Fe3O4 contendo 
72,4 % Fe.
• Hematita (óxido férrico), de fórmula Fe2O3 contendo 69,9% Fe.
• Limonita (óxido Hidratado de ferro), de fórmula 2Fe2O3 3H2O 
contendo em média 48,3 % Fe
CARVÃO
O carvão coque ou de madeira é utilizado no 
alto-forno e tem as seguintes funções:
• Fornecedor de calor para combustão;
• Fornecedor do carbono para redução do 
óxido de ferro,
• Indiretamente, fornecedor do carbono como 
principal elemento de liga do ferro gusa.
Carvão mineral Carvão vegetal
CARVÃO
O carvão utilizado no alto-forno, pode ser obtido de duas 
formas:
1- Queima da madeira (carvão vegetal);
2- Através de um processo de aquecimento a altas 
temperaturas da Hulha (carvão mineral).
À esse processo, dá- se o nome de coqueificação 
originando assim, o coque (carvão mineral depois do 
processo de aquecimento).
• O coque e o carvão de madeira permitem que temperaturas 
mais elevadas sejam atingidas,dentro do alto-forno. Por 
serem menos inflamáveis do que os produtos naturais que 
os originam.
COMPOSIÇÃO QUÍMICA DO CARVÃO 
VEGETAL E MINERAL
•Carvão mineral (%)
•Carvão vegetal
CALCÁRIO (CaCO3)
• Assume o papel de fundente que é 
combinar-se com as impurezas (gangas) do 
minério e com as cinzas do carvão. 
Formando as chamadas “escórias”.
•Composição média do 
Calcário para uso em 
alto-forno 
•PRODUÇÃO DO FERRO GUSA:
ALTO - FORNO
É o principal aparelho 
utilizado para a produção do 
ferro gusa. 
•Nele, ocorre as reações, 
essencialmente, de redução 
dos óxidos dos minérios de 
ferro, mediante o uso do 
material à base de carbono 
(carvão). 
•Da mesma forma, 
indiretamente, nele ocorre o 
suprimento de carbono para 
as ligas ferro – carbono que 
são os principais produtos do 
alto forno. 
Seção transversal de um alto forno moderno.
CONSTRUÇÃO DO ALTO FORNO
É composto por três partes principais:
1- Cadinho: parte do alto forno onde se acumulam o metal fundido e a escória, 
resultante das reações que ocorrem no interior do alto forno. O diâmetro do 
cadinho, dependendo da capacidade do forno, pode ser mais ou menos igual ou 
maior que 10 metros. A altura do cadinho supera frequentemente 4 metros.
2- Rampa: tem formato tronco – cônico; suas dimensões variam desde o diâmetro 
do cadinho até acima de 10,5 metros. Sua altura pode superar 4 metros. 
A inclinação da rampa é da ordem de 800 a 820 em relação à horizontal.
3- Cuba : também de forma tronco – cônica tem a seção menor voltada para cima, 
no topo ou goela. Sua altura, a partir da rampa, pode chegar a 25 metros. Em 
consequência, a altura do alto forno, compreendendo o cadinho, rampa e cuba, 
supera 30 metros aos quais devem juntar – se 4,5 a 5 metros do fundo do 
cadinho ao piso do chão.
CARREGAMENTO DO ALTO FORNO
•O sistema copo e cone tem por 
função realizar uma distribuição 
uniforme da carga para evitar a 
saída de gases para a atmosfera
CARGAS E PRODUTOS RESULTANTES DE UM ALTO FORNO
•FORNOS 
PRIMITIVOS
Forja Catalã
• A forja catalã foi desenvolvida no século VI da era cristã (período 
que correspondia à Idade Média), na Europa.
• Obtinha-se um tipo grosseiro de aço pela redução direta do minério, 
sem a obtenção intermediária de ferro gusa. A liga pastosa, ao 
solidificar, tornava-se frágil e quebradiça.
• Forja catalã. Utilizava 4 kg de carvão para 1 kg de ferro
OBTENÇÃO DO AÇO
O ferro gusa é uma liga ferro-carbono, na qual o carbono 
e impurezas normais ( Si, Mn, P, S), se encontram em 
teores elevados. A sua transformação em aço, que é 
uma liga de mais baixos teores de C, Si, Mn, P, S, 
corresponde a um processo de oxidação o qual 
consegue diminuir o percentual destes elementos até 
valores desejados. Os agentes oxidantes usados para a 
transformação do ferro gusa em aço podem ser de 
natureza gasosa, como o ar e oxigênio, ou podem ser 
de natureza sólida, como minérios na forma de óxidos. 
Assim, os processos para a produção do aço podem ser 
classificados de acordo com o agente utilizado.
1- Processos pneumáticos: onde o agente oxidante pode 
ser o ar ou o oxigênio.
2- Processos Siemens – Martin, elétrico, duplex, etc., em 
que os agentes oxidantes são substâncias sólidas 
contendo óxidos.
• Dependendo da composição do ferro gusa e do 
tipo de aço desejado, pode - se considerar 
ainda outra divisão dos processos de sua 
fabricação, qualquer que seja o tipo de forno:
3- Processos ácidos: em que podem ser 
diminuídos ou removidos facilmente os 
elementos, C, Si e Mn, não acontecendo, 
também o mesmo com os elementos P e o S.
4- Processos básicos: em que todos os elementos 
citados podem ser reduzidos aos valores 
desejados.
OBTENÇÃO DO AÇO
• O princípio básico de 
qualquer um dos processos 
pneumáticos é introduzir ar 
ou oxigênio, pelo fundo, 
lateralmente ou pelo topo, 
por intermédio de uma 
“lança”. 
1- PROCESSOS PNEUMÁTICOS
•CONVERSOR BESSEMER
•É um processo pneumático tradicional que tem o nome de seu 
inventor, em 1847, na Inglaterra. Na mesma época um outro 
forno análogo ao de Bessemer foi desenvolvido, nos EUA, por 
Kelly.
•A capacidade da maioria dos 
conversores Bessemer variam 
entre 25 a 30 t.
•Composição do ferro gusa 
no conversor, para 
operação nas melhores 
condições:
•REPRESENTAÇÃO GRÁFICA DAS MODIFICAÇÕES DE COMPOSIÇÃO QUÍMICA DO METAL QUE OCORREM 
DURANTE A OPERAÇÃO DOS CONVERSORES.
CONVERSOR THOMAS
• Este processo,patenteado em 1879, na Inglaterra, diferencia – se 
do Bessemer por apresentar revestimento de dolomita, de natureza 
básica. 
• As características físicas e o sistema de sopragem são iguais. 
• O ponto final de operação de ambos os conversores é determinado 
pela inspeção visual da chama. 
• Para um conversor de 40 t, o tempo de sopro varia entre 15 a 16 
minutos.
• A principal diferença entre o conversor Thomas e o Bessemer 
reside na reações químicas que permite, no primeiro, a remoção do 
fósforo, pela utilização de cal a qual é possível porque o forno é 
revestido de material refratário de natureza básica; e igualmente na 
remoção do enxofre. A oxidação ou remoção do carbono, 
manganês e silício é processadade modo idêntico ao Bessemer.
PROCESSO SIEMENS - MARTIN
• O princípio deste processo consiste em aquecer uma 
determinada carga de material ferroso num “forno de sola” 
(open - hearth), mediante um combustível (geralmente 
gasoso), em mistura com ar, ambos previamente 
aquecidos em “recuperadores” ou em “regeneradores”, de 
modo a atingir – se uma temperatura de vazamento de 
aproximadamente 16500 C.
• A carga consiste em ferro gusa (sólido ou líquido) e sucata 
sólida.
• Esse processo pode superar 200 t por operação.
• Esse processo está sendo paulatinamente descontinuado 
pelas maiores vantagens dos processos pneumáticos.
PROCESSO SIEMENS - MARTIN
PROCESSO ELÉTRICO
•Consiste numa carcaça cilíndrica de aço. A 
parte inferior do forno,soleira, é constituída 
de um revestimento refratário de natureza 
básica, de natureza básica ou ácida. As 
partes laterais e a cobertura ( abóbada) são 
revestidas de tijolos refratários tipo silicoso.
•O sistema de aquecimento compreende 
três eletrodos, igualmente espaçados, cada 
um dos quais ligado a uma fase de um 
suprimento trifásico de eletricidade. 
•Os eletrodos podem ser de carbono ou de 
grafita, sendo preferível esta última por 
possuir maior resistência e condutividade 
elétrica mais elevada. O efeito de 
aquecimento é produzido por arcos que se 
formam entre os três eletrodos. 
•A faixa de voltagem vai de 90 a 500 volts. 
As condições de fusão são controladas pela 
variação de voltagem aplicada e pelo ajuste 
automático da posição ou altura dos 
eletrodos.
•FORNO DE ARCO ELÉTRICO
FORNO ELÉTRICO A ARCO
•Os fornos elétricos a arco são 
dimensionados em termos de 
diâmetro de carcaça; isso determina 
a capacidade em toneladas do metal 
líquido do forno.
•EXEMPLO: Um forno com diâmetro 
de 2,75 m tem uma capacidade de 
10 a 12 t de metal líquido.
Um forno com diâmetro de 3,35 m 
tem uma capacidade de 22 e 26 t. 
•A produção por hora depende da 
energia disponível; em média, a 
produção de 1 t/h exige cerca de 
1000 kVA de capacidade de 
transformador.
•Funde qualquer tipo de sucata.
PROCESSO DUPLEX
• Consiste na combinação de dois processos, 
como por exemplo conversor Bessemer ácido e 
Siemens – Martin básico.
• No Bessemer, o ferro gusa proveniente do alto 
forno, é inteiramente oxidado, de modo a reduzir 
ao mínimo os teores de silício e manganês e 
oxidar grande parte do carbono.
• A seguir, o material é transferido ao forno 
Siemens – Martin básico onde o restante do 
carbono e fósforo são oxidados. O aço é então 
acabado, recarbonetado e recebe as adições 
finais de ferros – ligas.
AÇOS –LIGAS 
• Aços que sofreram adição de outros 
elementos, tais como, Al, Ni, Cr, Mo, V, 
Cu, Co, W, com o objetivo de melhorar 
suas propriedades mecânicas.
VANTAGENS DOS AÇOS LIGAS
• Melhor usinabilidade
• Melhor temperabilidade
• Melhor capacidade de corte
• Melhor resistência ao desgaste
• Melhor resistência à corrosão
INFLUÊNCIA NAS PROPRIEDADES MECÂNICAS
TABELA AÇOS - LIGAS
OBTENÇÃO DO FERRO FUNDIDO
• O ferro fundido é obtido diminuindo-se a porcentagem de carbono 
do ferro gusa.
• É portanto um ferro de segunda fusão.
• A fusão do ferro gusa, para a obtenção do ferro fundido, é feita em 
fornos apropriados sendo o mais comum, o forno “Cubilô”.
http://images.google.com.br/imgres?imgurl=http://www.revistaelo.com.br/img_sumario/fundituba05p.jpg&imgrefurl=http://www.revistaelo.com.br/sumario/sum_florestal_03.htm&usg=__E77kPz3oDCrv4k2QcKaIHCIX4BU=&h=283&w=275&sz=24&hl=pt-BR&start=1&um=1&tbnid=RaqEFXigFwyvEM:&tbnh=114&tbnw=111&prev=/images%3Fq%3Dferro%2Bfundido%2Bliquido%26um%3D1%26hl%3Dpt-BR
OBTENÇÃO DO FERRO FUNDIDO
• O seu diâmetro interno pode 
chegar a 1,80 m e a altura e a 
altura superar a 15 metros.
• Sua capacidade de fusão varia 
de 1 t /h até cerca de 50 t /h.
• A carga é composta de metal, 
combustível ( carvão coque) e 
uma substância fundente 
(para facilitar a separação das 
impurezas do metal e do carvão 
e formar escória)
• A composição da carga 
depende da experiência.
FORNO CUBILÔ
•FORNO CUBILÔ
FORNO CUBILÔ
Para a produção de ferro fundido com a seguinte composição:
A carga total do cubilô é a seguinte:
FERROS FUNDIDOS 
• São considerados os seguintes tipos de 
ferros fundidos:
• Ferro fundido branco 
• Ferro fundido cinzento 
• Ferro maleável 
• Ferro nodular
• Propriedades : elevadas dureza e resistência 
ao desgaste, difícil usinabilidade.
• Suas aplicações: revestimento de moinhos, 
bolas para moinhos de bola, cilindros de 
laminação para borracha, vidro, linóleo, 
plásticos e metais, rodas de vagões, peças 
empregadas em equipamento para britamento 
de minérios, moagem de cimento etc. 
FERRO FUNDIDO BRANCO
FERRO FUNDIDO CINZENTO
• Propriedades :Pela sua fácil fusão e moldagem, 
excelente usinabilidade, resistência mecânica 
satisfatória, boa resistência ao desgaste e boa 
capacidade de amortecimento, é dentre os ferros 
fundidos, a mais usada.
• Aplicações: bases de máquinas, carcaças metálicas, 
barramentos, cabeçotes, mesas de máquinas 
operatrizes, engrenagens, virabrequins, bases pesadas 
e colunas de máquinas, buchas grandes, blocos de 
motor, anéis de pistão, produtos sanitários, tampas de 
poços de inspeção, tubos, conexões, carcaças de 
compressores, rotores, pistões hidráulicos, 
engrenagens, eixos de comando de válvulas 
FERRO MALEÁVEL
• Resulta de um ferro fundido branco, o qual é sujeito a um 
tratamento térmico especial de longa duração chamado 
“maleabilização”. É considerado um material intermediário 
entre o aço e o ferro fundido cinzento.
• Propriedades: ductilidade e tenacidade, resistência a 
tração, resistência a fadiga, resistência ao desgaste e 
usinabilidade.
• Aplicações: conexões para tubulações hidráulicas, 
conexões em linhas de transmissão elétrica, correntes, 
suportes de molas, caixas de direção e de diferencial, cubos 
de rodas, sapatas de freios, pedais de freio e de 
embreagem, colares de tratores, caixas de engrenagens etc.
FERRO NODULAR
• Propriedades :Também chamado de ferro fundido 
dúctil e caracteriza-se por excelente resistência 
mecânica, tenacidade e ductilidade
• Os processos de nodulização desses materias consiste 
na adição, no metal fundido, de determinadas ligas 
contendo magnésio, cério, cálcio, lítio, sódio ou bário.
• Aplicações: peças sujeitas a pressão, como 
compressores, lingueteiras e bielas e outros tipos de 
peças que exijam maior resistência ao choque, como 
virabrequins, matrizes, mancais, polias, rodas 
dentadas, engates, sapatas, tambores de freio etc
MICROESTRUTURA DOS FERROS FUNDIDOS
TABELA FERROS FUNDIDOS
Tipo C Si Mn P S
Cinzento 2,5 - 4,0 % 1,0 - 3,0 % 0,2 - 1,0 % 0,002 - 1,0 % 0,02 - 0,25 %
Grafítico compacto 2,5 - 4,0 % 1,0 - 3,0 % 0,2 - 1,0 % 0,01 - 0,1% 0,01 - 0,03 %
Dúctil 3,0 - 4,0 % 1,8 - 2,8 % 0,1 - 1,0 % 0,01 - 0,1 % 0,01 - 0,03 %
Branco 1,8 - 3,6 % 0,5 - 1,9 % 0,25 - 0,8 % 0,06 - 0,2 % 0,06 - 0,2 %
Maleável 2,2 - 2,9% 0,9 - 1,9 % 0,15 - 1,2 % 0,02 - 0,2 % 0,02 - 0,2%
METAIS NÃO FERROSOS
• Como o próprio nome já diz, são metais 
que em sua composição química, não 
existe o elemento ferro. Ou em quantidade 
desprezível. São os mais comuns:
• Cobre (Cu)
• Alumínio (Al)
• Zinco (Zn)
• Chumbo (Pb)
PROPRIEDADES 
MECÂNICAS DOS METAIS
POR QUE ESTUDAR?
 A determinação e/ou conhecimento das propriedades 
mecânicas é muito importante para a escolha do material 
para uma determinada aplicação, bem como para o 
projeto e fabricação do componente.
 As propriedades mecânicas definem o comportamento 
do material quando sujeitos à esforços mecânicos, pois 
estas estão relacionadas à capacidade do material de 
resistir ou transmitir estes esforços aplicados sem romper 
e sem se deformar de forma incontrolável.
PRINCIPAIS PROPRIEDADES 
MECÂNICAS
Resistência Mecânica 
Dureza
Ponto de Fusão 
Plasticidade
Maleabilidade
Ductilidade
Soldabilidade
Tenacidade
Resiliência
RESISTÊNCIA MECÂNICA
Resistência mecânicade uma estrutura é 
a sua capacidade de suportar as 
solicitações externas sem que estas 
venham a lhe causar deformações 
plásticas (deformações irreversíveis). 
DUREZA
 Capacidade de um material resistir à penetração.
 É a resistência à deformação plástica permanente;
 É a resistência ao risco ou a capacidade de riscar;
 Dureza é a propriedade característica de um material 
sólido, que expressa sua resistência a deformações 
permanentes e está diretamente relacionada com a 
força de ligação dos átomos. 
PONTO DE FUSÃO
Temperatura na qual o metal passa do 
estado sólido para o estado líquido.
http://images.google.com.br/imgres?imgurl=http://www.brasilaluminio.com.br/aluminioliuido.160.jpg&imgrefurl=http://www.brasilaluminio.com.br/hist%25F3ria.htm&usg=__MT5H_SIKNW3BX1V3wpyulXDP6qI=&h=164&w=120&sz=7&hl=pt-BR&start=3&um=1&tbnid=1vXSgVwIjy3WUM:&tbnh=98&tbnw=72&prev=/images%3Fq%3Daluminio%2Bliquido%26ndsp%3D20%26um%3D1%26hl%3Dpt-BR%26sa%3DN
PLASTICIDADE
Propriedade do material de se deformar 
de maneira irreversível, quando submetido 
à solicitações externas.
MALEABILIDADE
A maleabilidade é uma propriedade que 
junto a ductilidade apresentam os corpos 
ao serem moldados por deformação. Um 
corpo maleável,permite a formação de 
delgadas lâminas do material sem que 
este se rompa.
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/da/Kanazawa_Gold_Factory.jpg
DUCTILIDADE
Capacidade de um material deformar 
plasticamente sem sofrer fratura.
TENACIDADE
Corresponde à capacidade do material de 
absorver energia até sua ruptura
RESILIÊNCIA
Corresponde à capacidade do material de 
absorver energia, quando este é deformado 
elasticamente.
Materiais resilientes são aqueles que têm alto 
limite de elasticidade e baixo módulo de 
elasticidade (como os materiais utilizados para 
molas)
SOLDABILIDADE
A boa soldabilidade de um aço é 
associada à pouca transformação da 
estrutura cristalina na execução da solda 
São determinadas através de Ensaios 
Mecânicos, onde são utilizados corpos de prova 
(amostras do material do produto).
 Geralmente, usa-se normas técnicas para o 
procedimento das medidas e confecção do 
corpo de prova para garantir que os resultados 
sejam comparáveis.
As normas mais comuns são: ASTM (American 
Society for Testing and Materials), 
ABNT (Associação Brasileira de Normas 
Técnicas)
COMO DETERMINAR AS PROPRIEDADES 
MECÂNICAS DE UM MATERIAL?
ENSAIOS DE TRAÇÃO
• Determinação das 
Propriedades Mecânicas:
1. Resistência;
2. Elasticidade;
3. Rigidez;
4. Ductilidade;
5. Resiliência;
6. Tenacidade;
Extensômetro
Corpo de prova
fixado na
máquina de tração
estricção
•ENSAIOS DE TRAÇÃO
T
e
n
sã
o
 
(M
P
a
)
LR
LE ruptura
(fratura)
Deformação (%) ductilidade (alongamento)
Encruamento
(Fase Plástica)
Fase Elástica : = E  (Lei de Hooke)
(E = módulo de elasticidade)
Estricção
(instabilidade)
Resiliência
Tenacidade
Escoamento
•ENSAIO DE TRAÇÃO DE UM AÇO DE BAIXO CARBONO
E médio dos aços = 21.000 kgf/mm2 = 210.000 MPa = 210 GPa
•CÁLCULO DA DUCTILIDADE ( DEFORMAÇÃO) PELO 
ALONGAMENTO “A”
A % = comprimento final (lf) – comprimento inicial (l0)
comprimento inicial (l0)
Ensaio de Dobramento
Descrição do ensaio
• O ensaio de dobramento fornece uma indicação 
qualitativa da ductilidade do material; 
• Não determina nenhum valor numérico;
• Na maioria das vezes a carga não precisa ser medida;
• A severidade do processo depende do diâmetro do 
cutelo; 
• O dobramento sem cutelo é chamado de dobramento 
sobre si mesmo;
• A analise é feita a olho nu;
• O dobramento pode ser realizado em qualquer ponto ou 
qualquer direção do corpo de prova.
Ensaio de Dureza Brinell
Consiste em comprimir lentamente, por 
meio de uma carga P, uma esfera de aço, 
de diâmetro D, sobre uma superfície 
plana, polida ou pelo menos preparada 
com esmeril fino ou com lima tipo murça, 
de um corpo de prova ou peça, durante 
certo intervalo de tempo.
•HB + diâmetro da esfera + carga + tempo de aplicação da carga
•Exemplo: 85 HB 10 / 500 / 30
REPRESENTAÇÃO DOS RESULTADOS OBTIDOS
DURÔMETROS
• Tecnologia Mecânica, Chiaverini 3.
• Tecnologia Mecânica, Chiaverini 2.
• Engenharia de materiais, Callister.
• Curso básico de siderurgia Gerdau.
• Google imagens.
•BIBLIOGRAFIA
Fim