Tecnologia de Materiais, Notas de estudo de Cultura

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Tecnologia dos Materiais

© CPTM / SENAI-SP - 22 / Fevereiro / 2010

Capa Pedro de Amaral Azevedo Revisão Luiz Carlos Tonon Diagramação Valdir da Silva Bezerra

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Sumário

• Classificação e características de materiais
• Metais não-ferrosos e ligas
• Obtenção do Ferro Gusa
• Ferro fundido
• Aço-carbono
• Aços Inoxidáveis
• Materiais plásticos
• Comportamento das ligas em função da temperatura e composição
• Diagrama ferro-carbono
• Tratamentos térmicos dos aços
• Força
• Esforços
• Ensaios de materiais
• Ensaios destrutivos
• Ensaios não destrutivos
• Referências bibliográficas

Conhecidas as classes dos materiais passemos agora a especificá-los por grupos e emprego a que se destinam, pois todos os materiais possuem características próprias que devemos conhecer para podermos empregá-los mais adequadamente.

Materiais metálicos Ao estudarmos a classe dos materiais metálicos podemos dividi-los em dois grupos distintos: os ferrosos e os não-ferrosos.

Materiais metálicos ferrosos Desde sua descoberta os materiais ferrosos tornaram-se de grande importância na construção mecânica.

Os materiais ferrosos mais importantes são:

• Aço - liga de Fe e C com C < 2% - material tenaz, de excelentes propriedades, de fácil trabalho, podendo também ser forjável.
• Ferro fundido - liga de Fe e C com 2 < C < 5% - material amplamente empregado na construção mecânica, e que, mesmo não possuindo a resistência do aço, pode substituí-lo em diversas aplicações, muitas vezes com grande vantagem.

Como esses materiais são fáceis de serem trabalhados, com eles é construída a maior parte de máquinas, ferramentas, estruturas, bem como instalações que necessitam materiais de grande resistência.

Materiais metálicos não-ferrosos São todos os demais materiais metálicos empregados na construção mecânica. Possuem empregos os mais diversos, pois podem substituir os materiais ferrosos em várias aplicações e nem sempre podem ser substituídos pelos ferrosos.

Esses materiais são geralmente utilizados isoladamente ou em forma de ligas metálicas, algumas delas amplamente utilizadas na construção de máquinas e equipamentos.

Podemos dividir os não-ferrosos em dois tipos em função da densidade:

• Metais pesados (ρ > 5kg/dm^3 ) cobre, estanho, zinco, chumbo, platina, etc.
• Metais leves (ρ < 5kg/dm^3 ) alumínio, magnésio, titânio, etc.

Normalmente, os não-ferrosos são materiais caros, logo não devemos utilizá-los em componentes que possam ser substituídos por materiais ferrosos.

Esses materiais são amplamente utilizados em peças sujeitas a oxidação, dada a sua resistência, sendo muito utilizados em tratamentos galvânicos superficiais de materiais. São também bastante utilizados em componentes elétricos.

Nos últimos anos, a importância dos metais leves e suas ligas têm aumentado consideravelmente, principalmente na construção de veículos, nas construções aeronáuticas e navais, bem como na mecânica de precisão, pois têm-se conseguido ligas metálicas de alta resistência e de menor peso e, com isto, tende-se a trocar o aço e o ferro fundido por esses metais.

Materiais não-metálicos Existem numerosos materiais não-metálicos que podem ser divididos em:

• Naturais - madeira, couro, fibras, etc.
• Artificiais ou sintéticos - baquelite, celulóide, acrílico, etc.

Os materiais plásticos estão sendo empregados em um número cada vez maior de casos como substitutos de metais.

Daí a necessidade de conhecermos um pouco mais esses materiais que vem se tornando uma presença constante nos campos técnico, científico, doméstico, etc. Deles nos ocuparemos um pouco mais na unidade Materiais plásticos.

Estrutura cristalina dos metais

A maioria dos metais ao se solidificar experimenta uma contração de volume, o que indica uma menor separação entre os átomos no estado sólido.

Nesse estado, os átomos animados de pequena energia cinética não conseguem deslizar livremente uns em relação aos outros.

2. Rede cúbica de corpo centrado Metais: V, Cr, Mo, W e tipo de ferro que se chama ferro α.
3. Hexagonal compacta Metais: Mg, Zn, Cd, Ti.

A transformação mecânica dos metais (tais como laminação, dobramento, estampagem) depende do tipo da estrutura cristalina.

Nas estruturas do tipo (1) a transformação ocorre facilmente, enquanto na estrutura (3) a transformação é mais difícil de ser verificada.

No processo de dobramento de metais que possuem o tipo (3) - exemplo: Mg e Zn, a peça pode quebrar mais facilmente do que nos metais que possuem estrutura do tipo (1) exemplo: aço ou Al.

Formação da estrutura na solidificação A estrutura cristalina, formada na solidificação através do resfriamento, irá definir a estrutura do material, os seus constituintes e propriedades.

No estado líquido os átomos metálicos se movem livremente. Com a queda da temperatura, diminui a energia de movimento dos átomos e passa a predominar a força de atração entre eles. Por isto os átomos vão se unindo uns aos outros, em determinadas posições, formando os cristais (embriões). Essa formação é orientada segundo direções preferenciais, denominadas eixo de cristalização.

À medida que esses cristais crescem em direções definidas, encontram-se e estabelecem uma superfície de contato que chamamos de limite ou contorno de grãos.

Observe a seguir o processo de formação da estrutura cristalina na solidificação.

O tamanho do grão na estrutura do metal varia de acordo com o número de embriões formados e com o tipo de metal.

Num mesmo metal podem-se formar grãos pequenos ou grandes, se modificarmos o tempo de solidificação (velocidade de resfriamento e pressão).

Se diminuirmos o tempo de solidificação, teremos uma estrutura formada por maior número de grãos (estrutura fina). Caso contrário, ocorre o inverso (estrutura grossa).

As estruturas de grãos muito grandes possuem baixa resistência à tração.

Para comprovarmos a elasticidade do aço para molas, prendemos a mola na morsa por um lado e a estiramos pelo outro lado até que se estique.

Quando a soltamos, se a mola voltar à posição inicial é porque o aço possui boa elasticidade.

Fragilidade Materiais muito duros tendem a se quebrar com facilidade, não suportando choques, enquanto que os materiais menos duros resistem melhor aos choques. Assim, os materiais que possuem baixa resistência aos choques são chamados frágeis. Exemplos: FoFo, vidro, etc.

Ductilidade Pode-se dizer que a ductilidade é o oposto da fragilidade. São dúcteis os materiais que por ação de força se deformam plasticamente, conservando a sua coesão, por exemplo: cobre, alumínio, aço com baixo teor de carbono, etc.

Na figura seguinte temos um fio de cobre de 300mm de comprimento. Se puxarmos este fio, ele se esticará até um comprimento de 400 a 450mm sem se romper porque uma das qualidades do cobre é ser dúctil.

Ductilidade

Tenacidade Se um material é resistente e possui boas características de alongamento para suportar um esforço considerável de torção, tração ou flexão, sem romper-se, é chamado tenaz.

A chave da figura seguinte pode ser tracionada e flexionada sem romper-se facilmente porque é de um material tenaz.

Tenacidade

Dureza As ferramentas devem ser duras para que não se desgastem e possam penetrar em um material menos duro.

A dureza é, portanto, a resistência que um material oferece à penetração de outro corpo.

Densidade A densidade de um material está relacionada com o grau de compactação da matéria.

Fisicamente, a densidade (ρ) é definida pela massa (M) dividida pelo volume (V).

ρ = (^)  

dm^3

Kg V

M

Exemplo: o cobre tem maior densidade que o aço: ρ (^) Cu = 8,93kg/dm^3 ρAço = 7,8kg/dm^3

A obtenção dos metais

Os minérios de onde são retirados os metais, além do próprio metal, contêm também impurezas, tais como: oxigênio, hidrogênio e enxofre. A quantidade (porcentagem) de metal varia em função do tipo de minério.

O quadro abaixo mostra esquematicamente o processo de obtenção da maioria dos metais.

Obtenção dos metais

Minério

Calcinação

Redução

Metal bruto

Afinagem (eliminação das impurezas)

Metal siderúrgico

Metal puro

Para obter um metal quase que totalmente puro (99,99%) usam-se normalmente outros processos além do processo normal de obtenção do metal siderúrgico, os quais dependem do tipo de metal.

Normalização

Segundo DIN 1700 Para metais puros escreve-se o símbolo do elemento químico seguido do grau de pureza.

Designação de metais puros Zn símbolo

99, grau de pureza

Para ligas adota-se a seguinte forma:

Produção ou aplicação Composição Propriedades especiais G= Gd= Gk= Gz= V= GI= L=

Fundido Fundido a pressão Fundido em coquilha Fundido por centrifugação Liga prévia de adição Met. antifricção para mancais Metal para solda

Símbolo químico do metal base Símbolo químico dos elementos de liga seguidos do seu teor em porcentagem

F-40= W= h= Wh= Zh= P= 150Hv= bk= gb= g= dek=

Resistência a tração em Kgf/mm^2 mole duro dureza de laminado dureza de trefilado dureza de prensagem dureza vickers brilhante decapado recozido oxidável com efeito decorativo

Exemplos:

1. GD-Zn A l 4 Cu1 → Liga de zinco fundido sob pressão com 4% de A l , 1% de Cu.
2. A l Cu 1Mg F40 →Liga de alumínio com 1% de Cu e resistência a tração de 40kfg/mm^2 ≅ 390N/mm2.

Metais não-ferrosos pesados

Cobre(Cu) Propriedades: é um metal de cor avermelhada, bom condutor de eletricidade e calor, resistente a corrosão, dúctil e maleável (pode atingir mais de 90% de deformação a frio, sem recozimento intermediário).

Propriedades do cobre Densidade 8,96g/cm^3 Ponto de fusão 1 083^0 C Resistência a tração 200...360N/mm^2 Alongamento 50...35% Coeficiente de dilatação térmica

16,5X10-6cm/cm/^0 C (20^0 C)

É utilizado para transmissão de energia elétrica (fios, chaves, conexões) e energia térmica (trocadores de calor).

Quando são necessárias propriedades mecânicas mais elevadas, usam-se ligas de cobre.