Projeto - Ciência e Tecnologia dos Materiais

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1. INTRODUÇÃO
Os avanços e desenvolvimento da sociedade estão diretamente ligados as habilidades dos seus membros em produzir e manipular materiais com o propósito de atender suas necessidades, explorando seus benefícios e aplicando suas descobertas no aprimoramento de áreas como transporte, comunicação, produção de alimentos, habitação e mais. Nas civilizações antigas o nível de conhecimento em relação a manipulação e produção de materiais eram primordiais para seu crescimento. (Citato Ciência E Engenharia De Materiais William D. Callister, Jr).
Inicialmente o acesso aos materiais era limitado aqueles que ocorriam naturalmente como a pedra, madeira, argila, ouro, entre outros. Mais tarde foi descoberto métodos de tratamento térmico e adição de substâncias que alteravam as propriedades dos materiais naturais, concedendo características especificas para suprir as exigências de suas aplicações. 
Através do processamento do ferro foi criado o aço, um dos materiais mais fortes, durável e resistente já produzido. A descoberta deste material mudou o curso da história, influenciando fortemente a maneira que vivemos e exercendo um papel importantíssimo no avanço da tecnologia. As aplicações do aço são bem variadas e por isto ele está presente em quase todos os âmbitos, podemos encontra-lo em construções de edifícios, máquinas, automóveis, aviões e até em coisas mais simples como torneiras, talheres e panelas. (Citato Ciência E Engenharia De Materiais William D. Callister, Jr).
A aplicação do aço na produção de peças para automóveis e máquinas é vital, isto se deve ao seu baixo custo em relação aos outros materiais e suas características únicas. Um dos aços mais comuns utilizados para produção de peças é o 1020 devido sua baixa temperabilidade, excelente forjabilidade e soldabilidade. Portanto, será analisado neste projeto as propriedades de escoamento, limite de resistência e limite de ruptura do aço 1020, que são importantes para a sua viabilidade na produção de peças de automóveis e maquinas. Além disso, buscamos comparar os dados obtidos com o ensaio com os dados já tabelados deste material
2. FUNDAMENTO TEÓRICO
2.1 Ferro
Para que o ferro se transforme em aço ele entra em um processo redução e passa por um procedimento de aquecimento em altos fornos. (Citado por Henrique Ferraz, Estudante de Arquitetura e Urbanismo da EESC-USP).
2.2 Aço
O aço não é um elemento natural, para que ele passe a ser aço é necessário que o ferro entre em um processo que irá alterar seu nível de carbono. (Citado por Henrique Ferraz, Estudante de Arquitetura e Urbanismo da EESC-USP).
2.3 Aço 1020
O Aço 1020 é um aço carbono comumente utilizado na usinagem de peças em consequência de seu ótimo custo benefício e excelente soldabilidade, plasticidade e forjabilidade. O número 1020 representa duas características deste metal e são determinados de acordo com as regras da ABNT (Associação brasileira de normas técnicas). O “10” significa que ele tem a designação carbono, e o “20” representa a porcentagem de carbono. (Citado por Henrique Ferraz, Estudante de Arquitetura e Urbanismo da EESC-USP).
2.4 Estrutura do aço 
A estrutura do aço é solidificada pela formação de cristais que por sua vez esta indo em todas as direções fazendo eixos ate a massa chegar a forma solida. O tratamento do aço que é dividido por quatro etapas e as principais características que são: Recozimento, Normalização, Têmpera e Revenido. 
As propriedades que são:
Elasticidade: É quando o material poder retornar a sua forma original.
Plasticidade: É quando o material sofre uma deformação plástica e fica permanente.
Ductilidade: O material ter uma capacidade de se deformar sobre uma força aplicada, podendo mostrar a onde pode ocorrer a ruptura.
Fragilidade: É o oposto da ductilidade, ela se rompe sem avisos.
Resiliência: Tem como objetivo de absorver energia mecânica.
Tenacidade: Poder absorver a energia total sendo ela plástica ou elástica que o material vai aquentar até sua quebra. 
Fluência: É quando ocorre a deformação continua que o material ao decorrer dos seus pontos de tensão, assim após uma carga constante até sofrer a deformação elástica.
Fadiga: Pode dizer que o material se quebre por esforços repetitivos. 
Dureza: Que o material aguente penetrações para saber a resistência ao risco ou a abrasão. Esses tipos de propriedades através de ensaios específicos. (Citado por Henrique Ferraz, Estudante de Arquitetura e Urbanismo da EESC-USP).
2.5 Produção do Aço
Todos os anos são produzidas toneladas de aço no mundo todo e diferente do ouro, o aço não é um elemento natural. Desse modo, para a produção do aço é necessário que o ferro passe por um processamento que altera o seu nível de carbono. 
Após a mineração do ferro, ele é aquecido a temperaturas altíssimas que ultrapassam 2800°C, isto permite a transformação do seu estado sólido para líquido. Esta transformação força os átomos de carbono a se separarem dos átomos de ferro, tendo como resultado o ferro fundido. Depois de derretido o ferro é tratado com injeções de oxigênio, processo básico de oxigenação para remoção de impurezas. Posteriormente na fornalha elementos de liga são adicionados para dar características especificas de força, durabilidade ou flexibilidade e por fim o aço é colocado em um molde para que seja obtida a forma desejada. (Citato Aço - Indústria Humana National Geographic Documentário) Alto-forno onde é aquecido o ferro na figura 1. 
Figura1 - Alto-Forno.
(Fonte: Sibilia Aspiratori Industriali)
2.6 Aplicações
O Aço 1020 é frequentemente utilizado em componentes mecânicos como engrenagens, pinos, eixos em geral, virabrequins, anéis de engrenagem, parafusos, polias (como na figura abaixo), discos de roda e colunas. Além disto é ideal para aplicações que exigem pequenos e médios esforços. Em algumas de suas aplicações é exigido uma certa dureza, para aumentar esta característica o aço passa por um processo de cementação.
Figura 2 – Polia e Eixo de aço 1020.
(Fonte: SMO Peças e Equipamentos)
2.7 Composição Química 
É composto por ferro, manganês, carbono, silício, e resíduos do processo de fabricação. Algumas de suas características não são controladas durante o processo de produção, portanto não são garantidos os teores de elementos. A porcentagem de cada elemento pode ser observada na Tabela 1
Tabela 1 – Porcentagem dos elementos químicos que compõem o aço 1020 
	Elemento
	Quantidade %
	Manganês 
	0,50
	Carbono
	0,20
	Enxofre
	0,05
	Fosforo
	0,04
	Ferro
	99,21
Fonte: (Gelson Luz Materiais)
2.8 Propriedades do Aço 1020
As principais propriedades do aço 1020 são: 350 Mpa para limite de escoamento, 420 Mpa para resistência a tração, 126 HV de dureza vickers e 2 J de tenacidade. Os valores estão representados na Tabela 2.
Tabela 2 – Principais Propriedades Do Aço 1020
	Propriedades 
	Unidade de medida 
	Valores
	Limite de escoamento 
	MPa
	295
	Resistencia a tração 
	Mpa
	395
	Dureza Vickers
	HV
	126
	Tenacidade
	J
	 2
Fonte: (Rafael Silveira Ensaios Mecânicos) 
2.9 Ensaio de Tração e Deformação
O ensaio de tração é um ensaio destrutivo e estático que consiste na aplicação de força de tração crescente em um corpo de prova para alongá-lo até a ruptura. Através deste ensaio podemos obter dados quantitativos das características mecânicas do material, como a sua variação de comprimento. Na Figura 3 podemos observar uma ilustração do ensaio de tração. 
Figura 3 – Ilustração Ensaio de Tração 
Fonte: (Universidade de São Paulo - USP)
3. METODOLOGIA 
3.1 Escolha do Material
Para este projeto foi proposto o estudo das propriedades dos materiais através de experimentos (ensaios) visando as características necessárias para viabilidade de sua aplicação. Para atender esta finalidade foi realizado um levantamento bibliográfico e com as informações obtidas definimos o aço 1020 como o material de estudo neste projeto. 
3.2 Escolha das Propriedades e do Ensaio
Foram identificadas determinadas dificuldades que impossibilitaram que o ensaio pudesse ser realizado, destemodo, ficou acordado entre os integrantes do grupo que seria utilizado um ensaio já realizado. Dois integrantes do grupo ficaram responsáveis em realizar o levantamento de dados necessário para definir qual seriam as propriedades a serem estudadas e qual ensaio atenderia melhor esta finalidade.
Sendo assim, com a pesquisa realizada foi considerado que as aplicações do aço 1020 normalmente exigem resistência de tração e deformação em consequência do seu uso em usinagem de peças, que posteriormente serão usadas para montagens de automóveis e máquinas. Por isto, as propriedades escolhidas para demonstrar estas características foram: escoamento, limite de resistência e limite de ruptura. O ensaio escolhido para obter estas propriedades foi o de tração. Foi utilizado o ensaio realizado por Rafael Abel da Silveira. 
3.3 Máquina utilizada no Ensaio de Tração
A máquina normalmente mais utilizada em um ensaio de tração é a universal, seu nome provém da possibilidade de realização de diversos tipos de ensaios. A máquina universal escolhida para este ensaio foi o modelo DL10000 com capacidade máxima de 100KN. Todos os dados obtidos com este ensaio foram analisados através dos softwares TESC. Abaixo a figura 4 do modelo DL10000.
Figura 4 – Máquina Universal DL10000
Fonte: (EMIC Tração, Compressão, Máquinas de Ensaio, Prensas de Compressão, Dinamômetros)
3.3.1 Corpo de Prova
O formato do corpo de prova é uma tira de aço 1020 com medidas de: Largura de 20 mm, comprimento 250 mm, espessura de 2 mm, e com área de 40 mm². O aço passou por um processo de recozimento. A seguir, na Figura 5 a imagem do corpo de prova antes do ensaio e na Figura 6 após o ensaio. 
Figura 5 – Corpo de Prova Antes Do Ensaio
Fonte: (Rafael Silveira Ensaios Mecânicos)
Figura 6 – Após o Ensaio
Fonte: (Rafael Silveira Ensaios Mecânicos)
3.3.2 Dados do Ensaio de Tração
Através deste ensaio obteve-se a relação entre tração e deformação, a variação do comprimento do corpo conforme a aplicação crescente de força de tração, alongando-se até o momento de ruptura. Os dados obtidos podem ser observados na Tabela 3 e sua demonstração gráfica no Gráfico 1. 
Tabela 3 - Relação Entre Tensão X Deformação.
	Tensão x Deformação
	Deformação mm
	Tensão Mpa
	Deformação de Eng mm
	0,00058784
	17,91625
	0
	1,3748
	198,2625
	0,005
	2,5886
	283,375
	0,01
	3,8943
	288,525
	0,016
	5,6443
	289,45
	0,023
	7,538
	297,05
	0,028
	18,333
	345,725
	0,073
	30,75
	361,625
	0,123
	42,083
	365,675
	0,168
	52,666
	365,35
	0,211
	63,089
	280,325
	0,252
 
 	 Fonte: (Rafael Silveira Ensaios Mecânicos)
Gráfico 1 – Demonstração Gráfica Relação Entre Tensão X Deformação.
 Fonte: (Rafael Silveira Ensaios Mecânicos)
Os dados obtidos com a relação de tração x deformação permitiu identificar as características de tensão de escoamento, resistência a tração (ponto de maior tensão no gráfico), tensão máxima (ponto do gráfico, em que, existe a maior tensão) e ponto de ruptura (ponto, em que, ocorre a quebra da peça). Os dados estão representados na tabela a seguir: 
Tabela 4 – Características Do Material Submetido A Tração
	Tensão de escoamento
	297,05 Mpa
	Tensão máxima e resistência a tração 
	365,675 Mpa
	Ponto de Ruptura
	280,325 Mpa
 
Fonte: (Rafael Silveira Ensaios Mecânicos) 
 
4. ANÁLISE DOS DADOS
Através do ensaio de tração realizado pode-se observar que o aço quando é submetido a uma tensão de até 198 MPa sofre apenas deformação elástica, ficando dentro do limite de proporcionalidade. Acima desta tensão até 283 MPa continua havendo deformação elástica porem sem proporcionalidade. Passando de 283 MPa ele passa da região elástica e vai para a região de escoamento, ou seja, a deformação continua sem que aja aumento da tensão.
Após passar do limite de escoamento de 297 MPa o material entrou na região de encruamento, em que começa a sofrer deformação plástica, ou seja, uma deformação irrecuperável, havendo também uma redução em seu diâmetro. O limite da resistência alcançado pelo aço foi de 365 MPa, tensão máxima que o material suportou, a partir desta ele entra na zona de estricção, em que, a tensão começa a baixar, porém, continua havendo deformação. Até chegar ao ponto de ruptura de 280 Mpa onde o material se rompe.
5. CONCLUSÃO
Na sociedade contemporânea o metal é um material indispensável, principalmente o aço que se tornou vital no desenvolvimento da tecnologia. Por isso optou-se pelo Aço 1020, uma vez que sua aplicação em produção de peças para máquinas e automóveis é fundamental. 
A pesquisa realizada contribuiu para melhoria do nosso conhecimento sobre materiais e suas propriedades, facilitando a análise dos dados obtidos nos ensaios para a aplicação do material, no caso o aço 1020. Além disso, desenvolvemos habilidades individuais de cada integrante do grupo ao que se refere ao assunto abordado. 
Através dos ensaios realizados pode-se constatar que por meio das propriedades é possível identificar quais são as características de cada material e criar um parâmetro em relação as exigências de sua aplicação. 
1
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Especificação dos Aços 1020 e 1045 
Fonte: Giassi Ferro e Aço: http://giassiferroeaco.com.br/qual-a-especificacao-dos-acos-1020-e-1045/ 
Conceito de Aço 1020
Fonte: Trimetais Indústria Metalúrgica Ltda: http://trimetais.com.br/materiais/aco-1020/
Figura 1 – Alto Forno: http://www.sibilia.it/en/
Figura 2 – Polia e Eixo de Aço 1020: http://www.smoequipamentos.com.br/index.php?route=product/search&search=1020
Tabela 1 - Porcentagem dos elementos químicos que compõem o aço 1020:
http://www.materiais.gelsonluz.com/2017/10/aco-sae-1020-propriedades-mecanicas.html
Tabela 2 - Principais Propriedades Do Aço 1020: https://rafaelsilveiraensaiosmecanicos.wordpress.com/2015/09/10/ensaio-de-tracao-realizado-no-dia-2108/
Ensaios de Tração e Deformação: Ensaios Mecânicos dos Materiais Prof. Waldek W. Bose Filho
Figura 3 – Ilustração Ensaio de Tração: https://edisciplinas.usp.br/pluginfile.php/217019/mod_resource/content/1/Ensaio%20de%20Tra%C3%A7%C3%A3o.pdf
Ensaios de Tração e Deformação: https://rafaelsilveiraensaiosmecanicos.wordpress.com/2015/09/10/ensaio-de-tracao-realizado-no-dia-2108/
Figura 4 – Máquina Universal DL10000: http://www.emic.com.br/Produtos+Mostra/2/9/234/Maquina+universal+para+ensaios+mecanicos+de+tracao_+compressao_+flexao_+etc_+modelo+EMIC+23_50_+eletromecanica_+microprocessada_+marca+INSTRON_EMIC
Figura 5 – Corpo de Prova Antes Do Ensaio: https://rafaelsilveiraensaiosmecanicos.files.wordpress.com/2015/09/wp_20150821_14_01_52_pro.jpg
Figura 6 – Após o Ensaio: https://rafaelsilveiraensaiosmecanicos.files.wordpress.com/2015/09/wp_20150905_16_30_08_pro-1.jpg
Tabela 3 - Relação Entre Tensão X Deformação: https://pt.scribd.com/doc/98826257/Ensaios-e-Caracterizacao-de-Materiais-1020
Gráfico 1 - Demonstração Gráfica Relação Entre Tensão X Deformação: https://rafaelsilveiraensaiosmecanicos.wordpress.com/2015/09/10/ensaio-de-tracao-realizado-no-dia-2108/
Tabela 4 – Características Do Material Submetido A Tração: https://rafaelsilveiraensaiosmecanicos.wordpress.com/2015/09/10/ensaio-de-tracao-realizado-no-dia-2108/ 
7. ANEXOS
Cronograma:
	Cronograma Projeto Integrador
	Tarefas
	Inicio
	Tempo de execução(dias)
	Data de entrega
	Elaboração do cronograma
	20/03/2018
	7
	27/03/2018
	Pesquisa/ coleta de dados
	27/03/2018
	20
	16/04/2018
	Elaboração do texto
	10/04/2018
	10
	20/04/2018
	Revisão e correção textual
	20/04/2018
	3
	23/04/2018
	Montagem do projeto
	23/04/2018
	7
	30/04/2018
	Montagem da Apresentação
	30/04/2018
	7
	07/05/2018
	Entrega do relatório
	08/05/2018
	0
	08/05/2018
	Apresentação do projeto
	22/05/2018
	0
	22/05/2018
Tensão x Deformação
Tensão Mpa	297,05
365,675
280,325
17.916250000000002	198.26249999999999	283.375	288.52499999999998	289.45	297.05	345.72500000000002	361.625	365.67500000000001	365.35	280.32499999999999Deformaçao mm	
0	5.0000000000000001E-3	0.01	1.6E-2	2.3E-2	2.8000000000000001E-2	7.2999999999999995E-2	0.123	0.16800000000000001	0.21099999999999999	0.252	
1	
1	
1	
1	
1	
1	
1	
1	
1	Deformação mm 
Tensão MPa