Atividade de pesquisa 01 - Elementos de Máquinas

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Elementos de Máquinas
Aluno (a): JAMÁLI FABIANO BIAZOTTO
Data: 20 / 05 / 2021
Atividade de Pesquisa 01
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1 – Os aços são ligas que têm o ferro e o carbono como elementos principais, contendo ainda outros elementos, como manganês, fósforo, enxofre, níquel, cromo e outros. Cite e comente sobre os principais tipos de aços.
Os aços liga, são aqueles que possuem outros elementos em sua estrutura além do ferro e carbono. Estes elementos trazem como objetivo a alteração das as propriedades do aço, como aumento da resistência mecânica, por exemplo.
Em geral, os elementos mais encontrados em adição ao aço são: cromo, manganês, níquel, molibdênio, tungstênio, vanádio e silício a depender das propriedades específicas que se deseja atingir.
Semelhantemente ao aço carbono, o aço liga pode ser subdividido com base em sua composição, veja:
Aço baixa liga: Até 5% de elementos aditivos
Aço média liga: Entre 5% e 12% de elementos aditivos
Aço alta liga: Acima de 12% de elementos aditivos
O aço liga é um produto bastante utilizado na construção civil e na indústria. É um material composto por ligas de ferro e carbono e é utilizado na fabricação dos mais diferentes produtos, dentre eles eletrodomésticos, veículos, materiais de construção, entre outros.
O aço é muito popular e de grande aplicabilidade, sendo suas propriedades mecânicas um dos fatores que o faz ser tão utilizado. Essas propriedades variam de acordo com os diferentes tipos de material e as suas composições.
Tipos de aço quanto à sua composição
Para início de conversa, todo aço contém carbono, porém quando é necessário que o produto atinja outras propriedades mecânicas que o aço carbono comum não atinge, os elementos de liga - cromo, níquel, cobre, entre outros - são adicionados à composição química.
Sendo assim, conheça um pouco agora as classificações desses materiais que se diferem pela composição:
Aços carbono
Esse tipo de aço é formado pela liga de ferro com carbono, onde o teor de carbono nesse caso é inferior a 2,11%. São chamados de aço carbono todos os produtos derivados apenas da junção do ferro com o carbono -podendo o teor do elemento variar - sem quantidades significativas de outros na composição.
Nesse tipo de aço, normalmente existem elementos residuais, como manganês, fósforo ou silício, mas as quantidades não são suficientes para alterar suas propriedades. Os aços carbono são amplamente utilizados em diversas aplicações.
Abaixo tem-se uma relação com a variação do teor de carbono nesse tipo de aço:
Os aços carbono são os mais produzidos, constituindo cerca de 90% da produção mundial. Podem ser divididos ainda em:
· Aço de alto carbono – acima de 0,50% até o limite de 2,11%;
· Aço de médio carbono – entre 0,20% e 0,49%;
· Aço de baixo carbono – entre 0,05% e 0,20%;
· Aço de carbono extra baixo – entre 0,015% e 0,05%;
· Aço de carbono ultrabaixo – abaixo de 0,015%.
Aço liga
Já os aços liga contêm, além das ligações entre ferro e carbono, outros elementos em proporções significativas que podem alterar as propriedades químicas ou mecânicas do material. Geralmente, os outros elementos adicionados à composição do aço são: manganês, níquel, cromo, molibdênio, vanádio, tungstênio e silício. Isso vai depender da propriedade que querem que o aço atinja.
Esses elementos normalmente são utilizados para aumentar a dureza e a resistência mecânica ou química do aço ou para conferir-lhe outras propriedades que sejam interessantes para sua aplicação.
Os aços liga também são divididos de acordo com o teor de elementos em sua composição:
Aço baixa liga – a soma dos teores de todos os elementos liga adicionados não ultrapassa 5% de todo o material.
Aço média liga – a soma dos teores de todos os elementos liga fica entre 5% e 12% de todo o material.
Aço alta liga – a soma dos teores de todos os elementos liga é no mínimo 12% de todo o material;
Aço baixa liga de alta resistência – nesse caso o teor de carbono é menor que 0,25% e o teor dos outros elementos liga é menor que 2%. Geralmente os elementos liga mais utilizados para esse tipo de aço são o Nióbio, Vanádio e Titânio, que ajudam no aumento da resistência do material.
Tipos de aço quanto à aplicação
Outra classificação muito comum para os tipos de aço se refere à aplicação para a qual ele se destina. Apresentamos aqui algumas das classificações mais comuns. Acompanhe!
Aços estruturais
São muito importantes na indústria da construção por terem alta resistência mecânica e suportarem grandes carregamentos. Os aços estruturais normalmente são aços carbono ou com pequenas quantidades de elementos de liga. Nesse grupo, encontra-se o aço ASTM A36 que é largamente empregado por muitas construtoras.
A maior utilização desses tipos de aço no Brasil é nas estruturas de concreto armado. Como o concreto tem alta resistência à compressão, o aço inserido dentro da estrutura atua como boa resistência à tração. Além de ter boa aderência com o concreto, o aço ainda tem deformações compatíveis como o material.
Os aços estruturais mais utilizados são o CA-50 e o CA-60, cujas resistências de escoamento são 50 kgf/mm² e 60 kgf/mm², respectivamente.
Aços para molas
Os aços utilizados para fabricação de molas têm elevado limite elástico, ou seja, suportam forças e tensões sem que sua deformação seja permanente. A maioria dos aços para mola são aços carbono, sendo as ligas necessárias somente em situações especiais.
Aços para fundição
É o material utilizado para produção de peças em aço fundido. Nesse processo, o aço líquido é vazado em moldes e adquire a forma da cavidade quando se solidifica. Podem ser aço carbono ou aço liga, contanto que apresentem boa resistência.
Aços para construção mecânica
Esse tipo de aço é usado para construção mecânica, ou seja, são usados para fabricar peças forjadas, rolamentos, eixos, engrenagens, entre outros. Os aços para construção mecânica são aços carbono ou com baixo teor de liga e abrangem uma ampla gama de produtos.
Além dessas aplicações, existem diversas classes, como os aços para usinagem, para trilhos, para fins elétricos e outros.
Tipos de aço e suas geometrias
Uma outra classificação para o aço é quanto a sua geometria, visto que ela depende do processamento que o produto recebeu na usina siderúrgica. Normalmente, são divididos em três grupos: semiacabados, produtos planos e produtos longos.
Semiacabados
Uma das últimas etapas da produção do aço antes do acabamento é chamada de lingotamento. No lingotamento, o aço líquido proveniente do alto-forno é distribuído para moldes, dentro dos quais ele se solidifica.
Ao final do lingotamento, são produzidos os chamados produtos semiacabados, que podem ser blocos, tarugos ou placas.
Produtos planos
Para a fabricação dos produtos planos, eles passam por um processo chamado laminação, quando o material semiacabado que acabou de sair pelo processo de lingotamento tem que passar por dois cilindros.
Os cilindros giram aplicando ao material uma força de compressão. O resultado final dessa força é uma placa final que pode vir a se tornar uma chapa ou bobina de aço.
As chapas e bobinas podem ser feitas de aços carbono puros ou revestidos - pintados, zincados, galvanizados etc, aços inoxidáveis ou outros tipos de aço liga. Alguns dos principais produtos planos são:
· Bobina fria ou quente;
· Chapa fina quente ou fria;
· Bobina e chapa galvanizada;
· Bobina pré-pintada;
· Tubos;
· Perfis dobrados;
· Telhas;
· Lambris.
Produtos longos
Os produtos longos também podem ser obtidos na laminação. No entanto, sua característica principal é que o comprimento é muito superior à sua largura e à sua altura. Normalmente, são vendidos na forma de barras, fios, tubos, vergalhões,perfis e cantoneiras. Conheça alguns dos tipos mais comuns:
· Barra chata, quadrada ou redonda;
· Telas e treliças;
· Vergalhão CA 50 e CA 60.
Tipos de aço mais produzidos e a suas aplicações
Agora que você viu quais as classificações do aço de acordo com vários fatores, veja quais os aços mais produzidos nas indústrias e sua forma de produção.
Aço laminado à quente e a frio
As chapas de aço podem ser laminadas a quente ou a frio. Quando é feita a quente, as chapas são fabricadas em temperaturas altas superiores a 900°C, e o resultado são bobinas laminadas a quente. Depois desse processo, o produto passa pelo processo de desbobinamento, que é onde as chapas são cortadas transversalmente e já saem prontas. Esse tipo de aço é matéria-prima para produção de tubos metálicos, autopeças, rodas, entre outros.
No caso das chapas laminadas a frio, a temperatura de produção é abaixo de 100°C. Estas são mais maleáveis, mas nem por isso perdem no quesito resistência e podem ter acabamento diferenciado. Por conta disso, são usadas em eletrodomésticos, automóveis, esquadrias para construção civil etc.
A principal diferença entre os dois tipos está nos processos de fabricação, visto que o aço laminado a frio passa por mais etapas que o laminado a quente.
Aço Galvanizado
O aço galvanizado é o material que passa pelo processo de galvanização que faz com o que o material atinja resistências maiores. A galvanização consiste na imersão do aço em zinco fundido que garante ao produto uma resistência à corrosão. O principal uso desse material é na fabricação de canos, vigas de apoio, entre outras aplicações dentro da construção civil.
Aço Galvalume
O aço galvalume é um tipo de aço liga composto por zinco, silício e alumínio. Esse tipo de material é excelente em resistência a corrosão, e tem vida útil quatro vezes maior que o aço galvanizado. Por esse motivo o aço galvalume é muito utilizado em atmosferas agressivas, como nas indústrias e na marinha. Tem uma beleza estética maior, e tem grande aplicabilidade na construção civil, como telhas para cobertura metálica.
Aço Inox
Os aços inoxidáveis, ou simplesmente aço inox, é a produção do aço com adição de Cromo e Níquel, feitos em alto forno a partir do ferro-gusa. O aço inox, além de resistir à corrosão atmosférica, ele é resistente à diversos outros produtos químicos.
Sendo assim, ele tem muita aplicabilidade, tanto na construção civil - uso em tubulações, componentes de equipamentos etc, como em outros setores. O aço inox mantém o seu brilho atraente por muito tempo, sendo necessária apenas uma simples limpeza.
É um tipo de material que suporta altas temperaturas e tem resistência mecânica bastante elevada, podendo ser usado na produção de fornos, câmaras de combustão, máquinas de diversos tipos, entre outros.
Como você pôde perceber, o aço possui inúmeros tipos, geometrias e as mais variadas aplicações. Ele é um dos materiais mais consumidos em todo o Brasil e no mundo, movimentando a economia e garantindo milhares de empregos.
2 – O que é Ductilidade? Cite um exemplo.
A ductilidade é uma das diversas propriedades mecânicas dos metais que lhe confere a qualidade de suportar a maleabilidade a ponto de se deformar sem se romper. É a capacidade de ser deformado, esticado e dobrado, sem rachar e sem perder sua resistência. Ex: ouro, prata, cobre etc.
3 – O que é uma FADIGA? Comente sobre o ensaio de fadiga mais frequentemente mais utilizado.
Fadiga é a ruptura de componentes, sob uma carga bem inferior à carga máxima suportada pelo material, devido a solicitações cíclicas repetidas. Quando a trinca aumenta de tamanho, o suficiente para que o restante do material não suporte mais o esforço que está sendo aplicado, a peça se rompe repentinamente. Tipos de ensaio de fadiga Os aparelhos de ensaio de fadiga são constituídos por um sistema de aplicação de cargas, que permite alterar a intensidade e o sentido do esforço, e por um contador de número de ciclos. O teste é interrompido assim que o corpo de prova se rompe. O ensaio é realizado de diversas maneiras, de acordo com o tipo de solicitação que se deseja aplicar: - torção; - tração - compressão; - flexão; - flexão rotativa.
4 – O processo de falha por fadiga é caracterizado por três etapas distintas. Cite e comente.
Falha por Fadiga
A maioria das falhas em máquinas ocorrem devido a cargas que variam no tempo, e não a esforços estáticos. Essas falhas ocorrem, tipicamente, em níveis de tensão significativamente inferiores aos valores da resistência ao escoamento dos materiais. Assim, quando estão envolvidos carregamentos dinâmicos, as teorias de falha para carregamentos estáticos podem levar a projetos sem segurança.
A figura ao lado, mostra uma fratura por fadiga de um parafuso, causada por flexão repetida, unidirecional. O ponto A indica o início da trinca que se propagou, deixando “marcas de praia”, indicada pelo ponto B e finalmente o ponto C indicando a região final da fratura. As falhas por fadiga sempre têm início com uma pequena trinca, pré-existente pela manufatura do material ou que se desenvolveu ao longo do tempo, pelas deformações cíclicas, ao redor dos pontos de concentração de tensões. A falha por fadiga é geralmente de natureza frágil mesmo em materiais dúcteis e a fratura ou rompimento do material geralmente ocorre com a formação e propagação de uma trinca que se inicia em pontos onde há imperfeição estrutural ou de composição e/ou de alta concentração de tensões (que ocorre geralmente na superfície). A superfície da fratura é geralmente perpendicular à direção da tensão à qual o material foi submetido. Os esforços alternados que podem levar à fadiga podem ser: Tração, tração e compressão, flexão e torção.
Portanto, é fundamental que o projeto de peças dinamicamente carregadas, sejam elaborados de modo a minimizar a concentração de tensões.
Estágios na Falha por Fadiga:
Costuma-se dividir o processo de fadiga em três ciclos:
 
Estágio I (Nucleação / Início da Trinca): Corresponde à nucleação da trinca por deformação plástica localizada e o seu crescimento inicial, ao longo de planos de escorregamento, sob a influência de tensões de cisalhamento. As trincas começam a se nuclear e a se propagar por planos orientados a aproximadamente 45° do eixo de tensão. O crescimento das trincas neste estágio é da ordem de micrometros por ciclo. Uma vez iniciada, a trinca se propaga nos correspondentes planos cristalográficos até encontrar contornos de grão. Este estágio NÃO é visível a olho nu na superfície da fratura, pois normalmente não se estende por mais de 2 a 5 grãos. Pode corresponder de 0% a 90% do número total de ciclos que o componente suporta antes de fraturar. A presença de entalhes e altas tensões localizadas reduz a duração deste estágio. Ocorre devido a imperfeições, partículas, inclusões, etc. (em escala microscópica os metais não são homogêneos e isotrópicos) e pontos de concentração de tensão, que contenha uma componente de tensão de tração. Pode ter uma pequena duração para o seu início;
Estágio II (Propagação): Corresponde ao crescimento da trinca num plano perpendicular à direção da tensão principal de tração. A transição do estágio I para o estágio II se dá através da formação de numerosos degraus, também não visíveis a olho nu. Já a fratura no estágio II é sempre visível, pode corresponder à maior parte da área da fratura e é a mais característica do processo de fadiga. A propagação se dá em uma direção perpendicular ao eixo de tensão. Neste estágio, a trinca normalmente apresenta estrias características, visíveis apenas ao microscópio eletrônico, que correspondem às posições da frente de propagação nos vários ciclos de tensões.
Já no aspecto macro gráfico a fratura apresenta as chamadas marcas de praia, produzidas devido a alterações no ciclo de tensões, seja no valor ou na frequência de aplicação das tensões; paradas intermediárias também podem produzir estas marcas. As marcas de praia podem se apresentar nítidas, ocupando áreaconsiderável na superfície de fratura, ou pequena área e podem ser difíceis de distinguir em consequência do escorregamento entre as superfícies ou de solicitação moderada.
Em ligas de alumínio de alta resistência a superfície de fadiga pode ser facilmente confundida com fratura frágil. As marcas de praia não se formam quando não há alteração no ciclo de tensões. É o que se observa em corpos de prova fraturados em laboratório sob ciclo constante. Envolve o maior tempo de vida da peça e se houver a presença de corrosão sua velocidade irá aumentar (na corrosão sob fadiga, a trinca aumenta até mesmo sob carregamento estático).
 
Estágio III (Falha catastrófica): Corresponde à fratura brusca final que ocorre no último ciclo de tensões quando a trinca desenvolvida progressivamente atinge o tamanho crítico para propagação instável. Assim, a área da fratura desenvolvida progressivamente depende das tensões aplicadas e da tenacidade do material. Em princípio é possível que o material se deforme antes da ruptura final, mas normalmente as fraturas de fadiga são macroscopicamente “frágeis”, ou seja, não apresentam deformações macroscópicas.
Aspectos a ressaltar na fratura por fadiga.
A área ocupada pela região de fratura brusca final diminui com o aumento da tensão para o mesmo material;
Múltiplos pontos de nucleação indicam severa concentração de tensões; isto é mais nitidamente observado quando as tensões são elevadas. Estas múltiplas frentes eventualmente se unem à medida que as trincas se propagam. Antes de constituírem uma única frente, as trincas são separadas por degraus, constituindo um aspecto característico conhecido como marcas de catraca;
A trinca avança mais nas regiões de maior triaxialidade de tensões, adquirindo por isso uma forma convexa (exemplo: high stress, no stress concentration, tension); quando a região de maior triaxialidade é deslocada para a periferia, devido a entalhe, a frente da trinca pode adquirir a forma de M (high stress, mild concentration, tension) ou inverter completamente a curvatura, que passa a côncava (low stress, severe concentration, tension);
A diferença entre o aspecto das fraturas resultantes de flexão unidirecional e tração é basicamente a localização do início da trinca, que no primeiro caso corresponde à fibra externa mais solicitada a tração. Em flexão bidirecional a zona de fratura brusca final é central quando a solicitação máxima for a mesma em ambos os sentidos. Em flexão-rotação o centro de curvatura da frente de propagação se desloca em sentido contrário ao da rotação do eixo e a zona de fratura final tende a se deslocar para o centro com o aumento da tensão. Em torsão unidirecional a fratura tende a se propagar a 45º com o eixo de torção, formando superfícies em hélice, como é típico em molas helicoidais. Quando a torção é bidirecional a fratura se mantém no plano normal ao eixo com degraus tipo dente de serra. Em flexão unidirecional de eixos engastados a fratura tende a se propagar para dentro do engastamento.
 REPRESENTAÇÃO ESQUEMÁTICA DA FRATURA
5 – O que é Fotoelasticidade dos Materiais? 
A Fotoelasticidade é uma ferramenta eficiente para determinação de tensões no interior de materiais fotoelásticos. Esses materiais apresentam a propriedade da dupla refração ou birrefringência temporária quando submetidos a esforços externos, que ocorre devido às alterações nos estados de polarizações da luz transmitida através de sua estrutura. A partir de um polariscópio linear de transmissão é possível obter imagens coloridas de franjas que são utilizadas para encontrar as diferenças de tensões por meio de análise com um método de Fotoelasticidade. O objetivo desse trabalho foi determinar as distribuições dessas diferenças de tensões em duas franjas consecutivas de imagens monocromáticas produzidas em amostras fotoelásticas: pura e com um parafuso metálico inserido na estrutura, durante a cura. Os resultados apontam a possibilidade de uma análise quantitativa no estudo das propriedades por meio de um método da Fotoelasticidade, ligeiramente modificado em relação ao método tradicional.
A Fotoelasticidade é um ramo da óptica composto por técnicas e métodos que permitem investigar as tensões e deformações em materiais envolvidos com resinas que apresentam dupla refração ou birrefringência temporária. Estudar tensões e deformações e a forma com que elas agem em componentes diversos tornaram-se importante para fins científicos e tecnológicos. Por essa razão muitas técnicas e métodos foram e estão sendo produzidos com essa finalidade.
6 – O que é Fratura e quais os tipos?
Fratura dos materiais é a separação de um corpo de um material em duas ou mais partes quando este é submetido a um esforço mecânico, como a tensão. Os materiais que caracteristicamente sofrem fraturas frágeis são ditos materiais frágeis, como as rochas, o vidro e os materiais cerâmicos.
Atividade de Pesquisa 01: Elementos de Máquinas