Apresentação e Introdução do Curso EM-641
ENSAIOS DOS
MATERIAIS
EM-641
Apresentação e Introdução do Curso EM-641
Programa Analítico
1) Introdução
7) Ensaios de Fabricação
2) Ensaio de Tração
8) Fluência
3) Ensaio de Compressão
9) Ensaios Dinâmicos
4) Ensaio de Dureza
(Impacto e Fadiga)
5) Ensaio de Torção
10) Ensaios Nãodestrutivos
6) Ensaio de Flexão
(Raios X, Raios γ, Ultra-som,
Partículas Magnéticas e
Líquidos Penetrantes)
EM-641
Apresentação e Introdução do Curso EM-641
Bibliografia Básica
1. Garcia, A., Spim, J. A. & Santos, C. A. Ensaios dos Materiais Livros Técnicos e Científicos Editora, 2000.
2. Callister Jr, W.D. Materials Science and Engineering - An
Introduction, J. Wiley & Sons, 3a. edição, 1994.
3. Souza, S. A. Ensaios Mecânicos de Materiais Metálicos, Editora
Edgard Blucher, 5a. edição, 1989.
4. Dieter, G. E. Mechanical Metallurgy, Mc Graw-Hill Book Co. , 3a.
edição, 1986.
5. Metals Handbook, 9th Edition, Vol. 8: Mechanical Testing,
American Society for Metals, 1985.
6. Metals Handbook, 11th Edition, Vol. 11: Nondestructive
Inspection and Quality Control, American Society for Metals,
1976.
EM-641
Apresentação e Introdução do Curso EM-641
Critério de Avaliação:
P1 + P2
M =(
)
2
onde:
M- media final
P1- primeira prova
P2- segunda prova
EM-641
Apresentação e Introdução do Curso EM-641
Classificação dos Materiais
Metais:
- puros ou ligas: combinações de elementos
- grande n° de elétrons não-localizados: “nuvem de elétrons”
- bons condutores térmicos e elétricos
- resistentes e deformáveis
Cerâmicos:
- combinações de elementos metálicos e não-metálicos
- geralmente são óxidos, silicatos, aluminatos, nitretos e carbonetos
- cimento e vidro
- isolantes : térmicos / elétricos
- mais resistentes ao calor e ambientes agressivos
- mais duros, porém quebradiços
Polímeros:
- plásticos; elastômeros, etc
- compostos orgânicos à base de C e de H
- possuem estruturas moleculares grandes
- baixa densidade e extremamente flexíveis
EM-641
Apresentação e Introdução do Curso EM-641
Classificação dos Materiais
Compósitos:
- mais de um tipo de material
- combinação das propriedades de cada material
- plástico reforçado com fibra de vidro
Semicondutores: - propriedades intermediárias entre condutores/isolantes
- muito influenciado por pequena quantidade de impurezas
- matéria prima de circuitos integrados
Biomateriais:
- compatibilidade com o corpo humano
- não devem ser tóxicos e nem magnéticos
EM-641
Apresentação e Introdução do Curso EM-641
Estrutura dos Materiais
Estruturas cristalinas
(A) - Diamante
(B) - Grafite
EM-641
Apresentação e Introdução do Curso EM-641
Tipos
Exemplos
Madeira:compósito
celulose/lignina
Borracha
Polímeros
Naturais
São sólidos moleculares
com os átomos unidos por
ligações covalentes e
moléculas por ligações
secundárias (fracas).
Tecidos
Proteínas
Enzimas: proteína
c/ efeito catalítico:
ex: fermento
Nylon
Sintéticos
Polietileno
Acrílico
Borracha
EM-641
Apresentação e Introdução do Curso EM-641
Cerâmicos
Átomos unidos por ligações iônicas com, eventualmente, algum
caráter covalente
Exemplos:
NaCl (sal), giz (carbonato de cálcio), gesso (gipsita: sulfato de
cálcio),
Óxidos: Al2O3, MgO, ZrO2 (zirconita), SiO2 (sílica),
Carbetos: SiC, Cimento(3CaO.SiO2 ), Concreto (compósito)
EM-641
Apresentação e Introdução do Curso EM-641
Classe
Exemplos
Aços Carbono
Aços e Ferros
Fundidos
Aços Liga: Ex: 4340:
Ni-Cr-Mo
Aços Inoxidáveis:
ex:304 (18Cr8Ni)
Ligas Al-Cu:
sol./precipitação
Ligas Al-Si:
modificação c/ Na
Não-Ferrosos
Ligas Cu-Zn (latões)
Ligas Cu-Sn
(bronzes)
Ligas Zn-Al
Ligas Mg-Al
Classe
Ligas
Especiais
Amorfos
Exemplos
Ligas de Co
Superligas – Ni-Cr-Co
Ligas Ti
Ligas Ni-Fe-B
Ligas Ni-Nb
EM-641
Apresentação e Introdução do Curso EM-641
⌦ Metal Puro
Para um metal puro, a curva de resfriamento a partir do estado líquido é dada
por:
Acima da temperatura de fusão o material se encontrará no
condição de líquido e abaixo dessa temperatura na condição
de sólido.
O ponto TF corresponde ao ponto de transformação.
Líquido
(1 fase)
Tv
TF
Resfriamento do líquido
Transformação de fase
(Liberação de calor latente)
Tf
Temperatura
Sólido
(1 fase)
Resfriamento
do sólido
Tf é chamada de
Temperatura de fusão
Tempo
EM-641
Apresentação e Introdução do Curso EM-641
⌦ Diagrama de Equilíbrio: Ligas Binárias
Liga binária: metal puro (componente A) ao qual será adicionada uma certa
quantidade de um elemento de liga (componente B). A curva de resfriamento partindo
de uma temperatura TV, será dada por:
Diagrama de fases
Tem peratura
Tv
Líquido
(1 fase)
Resfriamento do líquido
TL
Transformação de fase
(sólido + líquido)
Tl
Resfriamento
do sólido
Ts
Liga binária:
Metal base (solvente) - A
Metal de liga (soluto) - B
Tempo
TS
Sólido +
Líquido
Sólido
(1 ou + fases)
TL - Temperatura liquidus
TS - Temperatura solidus
EM-641
Apresentação e Introdução do Curso EM-641
⌦ Diagrama de Equilíbrio: Construção
Para diferentes teores de soluto B no solvente A, diferentes curvas de
A+10%B
A+70%B
Temperaturas de transformação versus
teor de soluto
Limite das
Temperaturas liquidus
100% A
Limite das
Temperaturas solidus
Tem peratur a
Tem peratura
resfriamento serão obtidas:
Limite das
Temperaturas liquidus
Liquido
Líquido
+
Sólido
Tf A
A+50%B
A+30%B
A+90%B
Curvas térmicas e levantamento das
temperaturas de transformação de fase
Limite das
Temperaturas solidus
Sólido
100% B
Tempo
Tf B
100% A 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% B
%B
EM-641
Apresentação e Introdução do Curso EM-641
⌦ Diagrama de Equilíbrio: Linhas
Um diagrama de equilíbrio (ou diagrama de fases) completo, deve apresentar
como informações as temperaturas de transformação de fase, os campos de fases
e as solubilidades envolvidas:
Linha
Solidus
Temperatura
Tf A
Linhas Liquidus
β+ L
α+L
α
Ca
20%
30%
β
Cb
Ce
Linha Solvus
100% A 10%
Tf B
Liquido (1 fase)
Sólido (2 fases)
α+β
40%
50%
%B
60%
70%
80%
90% 100% B
EM-641
Apresentação e Introdução do Curso EM-641
Definição e Conceitos Fundamentais:
⌦ Componente:
Define um metal puro, e/ou os componentes
individuais que formam uma liga
(Cu puro, Al puro, Au puro, etc)
etc
⌦ Sistema:
Define todo o espectro de possibilidades de
mistura de componentes
(Al-Cu, Fe-C, Sn-Pb, Ti-Ni, etc)
etc
⌦ Fase:
Define uma porção homogênea de um sistema. (Fase α, Fase β,
Fase θ, Fase eutética)
tica
EM-641
Apresentação e Introdução do Curso EM-641
⌦ Formação das Fases:
Componente A
SOLIDIFICAÇÃO
Componente B
Sólido - Condição 1
Estrutura cristalina organizada
apresentando duas fases
Líquido
Estrutura desorganizada
apresentando uma única fase
Sólido - Condição 2
Estrutura cristalina organizada
apresentando uma fase formada por diferentes componentes
EM-641
Apresentação e Introdução do Curso EM-641
⌦ Solução Sólida:
Ao se adicionar pequenas quantidades de sal ou açúcar na água, estes se dissolvem a ponto de se
manter diluídos na água. Nesse caso temos uma solução líquida.
O termo Solução Sólida,
lida tem a mesma idéia, entretanto refere-se a materiais no estado sólido.
Um componente B pode formar uma solução sólida com um componente A, se o componente B se
misturar a estrutura do componente A (de modo intersticial ou substitucional ) de tal forma a manter
uma condição de fase única.
Componente solvente
Componente solvente
Solução sólida
Intersticial
Solução sólida
Substitucional
Componente soluto
FASE
ÚNICA
Componente soluto
EM-641
Apresentação e Introdução do Curso EM-641
⌦ Constituição de uma liga:
As fases que se encontram presentes;
A composição de cada fase;
A proporção de cada fase;
⌦ As propriedades mecânicas de um material dependem do arranjo da microestrutura.
Outros fatores de importância nas propriedades serão:
A ESCALA da fase
Fase A (Matriz) Fase B (Precipitado)
A MORFOLOGIA da fase
Fase A (Matriz) Fase B (Precipitado)
EM-641
Apresentação e Introdução do Curso EM-641
Contorno de Grãos
Materiais policristalinos são formados por unidades cristalinas (grãos) com diferentes orientações
cristalográficas.
A fronteira entre os grãos é uma região de defeitos:
Contornos de Grão > deformação associada > maior energia.
No interior do grão todos os átomos estão arranjados segundo a célula unitária típica.
Controle do Tamanho de Grão:
EM-641
Apresentação e Introdução do Curso EM-641
EM-641
Apresentação e Introdução do Curso EM-641
Imperfeições em Sólidos:
• Maioria das propriedades dos materiais são influenciadas pela presença de imperfeições
• Defeito cristalino: irregularidade na rede cristalina com uma ou mais das suas dimensões na ordem
de um diâmetro atômico
• Classificação das imperfeições:
• Pontuais
( dimensão “um” associados com 1 ou 2 posições atômicas ): vacâncias ou lacunas, impurezas
intersticiais e substitucionais
• Lineares
( dimensão “um” associados com varias posições atômicas ): discordâncias
• Planares ou Interfaciais
( dimensão “dois” associados com planos ou superfícies ): superfícies externas, interfaces, fronteiras
de grão,
• Volumétricas
( dimensão “três” associado com volumes e espaços): vazios; fraturas; inclusões e outras fases
EM-641
Apresentação e Introdução do Curso EM-641
Poros ligas
Al-Cu
Inclusões
em Aços
EM-641
Apresentação e Introdução do Curso EM-641
Ligas FerroCarbono: Aço e
Ferro Fundido
Diagrama de
Equilíbrio Fe-C
EM-641
Apresentação e Introdução do Curso EM-641
Ligas Ferro-Carbono: Aço e Ferro Fundido
Transformações apresentadas pelo ferro durante o aquecimento:
EM-641
Apresentação
e Introdução
do Curso EM-641
DECOMPOSI
ÇÃO
DA AUSTENITA
RESFRIAMENTO DE UM AÇO EUTETÓIDE
o
912 C
γ
γ
γ
γ
γ
o
727 C α
γ
γ
zoom
γ
γ + Fe 3 C
γ+α
0,0218% de C =
α
α
Ferrita
+ Fe 3C
Cementita
0,77%C
Perlita
C
C
DIFUSÃO
DO C
C
C C
C CC
C C C C
C
C C C
C C C
C C C C
C
C C
C
C
C C
6,67% de C = Fe 3C
Empobrecido para
0,0218% de C
Enriquecido com
6,67% de C
Empobrecido para
0,0218% de C
EM-641
Apresentação
Introdução do CursoDE
EM-641
AN
ÁLISE DOeRESFRIAMENTO
UM AÇO HIPOEUTETÓIDE
C é expulso do
contorno para o centro
Ponto 1
Formação de
Ferrita no contorno
de grão
912 C
γ
γ
γ
727 C
γ
γ
C continua a
migrar para o
centro
o
Ponto 3
γ
γ
o
Ponto 2
γ
Pto 1
Pto 2 - Temperatura T
o
Pto 3 - T = 728 C
0,77%C
α
o
Pto 4 - T = 726 C
Núcleo do grão
enriquecido com
0,77% de C
Ponto 4
Ferrita
%C na Austenita
Perlita
(Ex. 1040 = 0,4%C)
0,77%C
0,77%C
0,77%C
%C na
primeira Ferrita
%C na Ferrita
na temperatura T
%C na Austenita
na temperatura T
EM-641
Apresentação e Introdução do Curso EM-641
ANÁLISE DO RESFRIAMENTO DE UM AÇO HIPEREUTETÓIDE
C é expulso do
centro para o contorno
Ponto 1
Formação de
Cementita no contorno
de grão (6,67%C)
912 C
Ponto 2
727 C
Núcleo do grão
empobrecido com
0,77% de C
γ
γ
γ
γ
γ
1148 oC
2,11 %C
Pto 1
C continua a
migrar para o
contorno
o
Ponto 3
γ
γ
o
γ
Pto 2 - Temperatura T
0,77%C
o
Pto 3 - T = 728 C
α
o
Pto 4 - T = 726 C
%C na Austenita
(Ex. 1,3%C)
Cementita
Ponto 4
Perlita
0,77%C
0,77%C
0,77%C
%C na Austenita
naEM-641
temperatura T
Apresentação e Introdução do Curso EM-641
Microestruturas
de Aços
Carbono com
diferentes
teores de C
Aço 1005
AÇO SAE 1035 - TREFILADO
Aço 1020
Aço 1045
EM-641
Apresentação e Introdução do Curso EM-641
Diagramas TTT
O resfriamento rápido de ligas
Fe-C, a partir da região
austenítica, pode conduzir à
formação de microestruturas
refinadas de equilíbrio e até
estruturas fora do equilíbrio
dependendo da velocidade de
resfriamento imposta.
EM-641
Apresentação e Introdução do Curso EM-641
Tratamentos Térmicos
Têmpera: É um processo para a obtenção de estrutura metaestável de
elevada dureza. Consiste em aquecer a peça acima da zona crítica,
manter por tempo suficiente para que toda estrutura se transforme em
austenita e resfriar rapidamente, em água ou óleo, obtendo-se a
martensita (metaestável)
•
Revenido: Uma operação geralmente realizada após a têmpera para
melhorar a relação entre a dureza e a ductilidade da peça. Consiste
em aquecer a peça a uma temperatura abaixo do limite inferior da zona
crítica e mantê-la por um certo tempo.
•
Normalização: consiste em aquecer a peça a uma temperatura acima
da zona crítica , manter o tempo suficiente para que toda estrutura se
transforme em austenita e resfriar no ar. A estrutura final é composta
por perlita fina e ferrita primária.
•
Recozimento: Consiste em elevar a temperatura da peça acima da
zona crítica, mantê-la por um tempo suficiente e resfriá-la lentamente.
EM-641
Apresentação e Introdução do Curso EM-641
EM-641
Apresentação e Introdução do Curso EM-641
EM-641
Apresentação e Introdução do Curso EM-641
EM-641
Apresentação e Introdução do Curso EM-641
Martensita grosseira - aumento 75x
EM-641
Apresentação e Introdução do Curso EM-641
A adição de Silício à composição química dos ferros fundidos,
favorece a decomposição da cementita que é um composto
metaestável:
Fe3C → 3Fe + C
O carbono na forma de grafita assume a a morfologia de veios,
formando o que se denomina de ferro fundido cinzento.
A adição de magnésio ou cério, ao invés do silício, favorece a
formação de nódulos de grafita dando origem ao ferro-fundido
nodular.
O resfriamento rápido do ferro-fundido inibe a decomposição da
cementita, dando origem ao ferro fundido branco, conhecido
assim pelo aspecto esbranquiçado de sua fratura.
EM-641
Apresentação e Introdução
do Curso
EM-641 BRANCO EUTÉTICO
RESFRIAMENTO
DE UM FERRO
FUNDIDO
No diagrama ignorou-se o peritético por questões didáticas
LIQUIDO
Líquido
L+γ
γ
o
912 C
2,11 %C
0,77%C
o
727 C
L + Fe 3C
α
4,3%C
γ + Fe 3C
α + Fe 3C
Ponto 1 - 1147oC
Ponto 2 - T
Ponto 3 - 726o C
% C na Austenita
na temperatura T
Ponto 1
C
C
C C
C
C
C C C
C
C C
C
C
C C
C C C C
C
C
C
C
C
C C
C
DIFUSÃO
DO C
C
C
Empobrecido para
2,11% de C
Enriquecido com
6,67% de C
Empobrecido para
2,11% de C
AUSTENITA
Ponto 3
CEMENTITA
Perlita
LEDEBURITA
EM-641
1148oC
Apresentação e Introdução
do CursoFUNDIDO
EM-641 BRANCO HIPOEUTÉTICO
RESFRIAMENTO
DE UM FERRO
No diagrama ignorou-se o peritético por questões didáticas
Líquido
LIQUIDO
L+γ
γ
o
912 C
o
Pto 2 - Temperatura T
L + Fe 3C
4,3%C
2,11 %C
%C na Austenita
no resfriamento
0,77%C
727 C
Ponto 1 - Formaç
Formação dos
primeiros cristais só
sólidos de
Austenita
α
γ + Fe 3C
1148oC
Ponto 3 - 1147 o C
Ponto 4 - 728o C
α + Fe 3C
P.ex.: Fe - 3,5 %C
γ
Ponto 2
Dendritas
de Austenita
%C na Austenita
em solidificação
%C no líquido
remanescente
Ledeburita
(Fe3 C + γ)
Ponto 3
EM-641
Apresentação e Introdução
do CursoFUNDIDO
EM-641 BRANCO HIPEREUTÉTICO
RESFRIAMENTO
DE UM FERRO
No diagrama ignorou-se o peritético por questões didáticas
γ
o
912 C
Líquido
Ponto 1 - Formaç
Formação dos
primeiros cristais só
sólidos
de Cementita
L+γ
Pto 2 - Temperatura T
o
L + Fe 3C
4,3%C
2,11 %C
α
1148oC
Pto 3 - 1147 o C
%C na Austenita
no resfriamento
0,77%C
727 C
LIQUIDO
γ + Fe 3C
α + Fe 3C
Fe3 C
Ponto 2
Agulhas de
Cementita
Líquido
remanescente
%C no líquido
remanescente
Ledeburita
(Fe3 C + γ)
Ponto 3
EM-641
Apresentação
e Introdução do
RESUMO
DO DIAGRAMA
FeCurso
-Fe 3 CEM-641
No diagrama ignorou-se o peritético por questões didáticas
AÇOS
γ
o
912 C
o
727 C
FERRO FUNDIDO BRANCO
L+
L + Fe 3C
2,11 %C
0,77%C
α
Fe
γ
Líquido
1148oC
4,3%C
γ
+ Fe 3 C
Linha que define
o aparecimento
da CEMENTITA
α + Fe3 C
Eutetóide
100% Perlita
(α + Fe 3 C )
Hipoeutetóide
α + Perlita
(α + Fe 3 C )
Hipereutetóide
Fe3 C + Perlita
(α + Fe 3 C )
Hipoeutético
Perlita +
Ledeburita
Hipereutético
Fe3C + Ledeburita
Eutético
100% Ledeburita
Fe3C + Perlita
( α + Fe C )
3
Fe 3C
EM-641
Apresentação e Introdução do Curso EM-641
RESUMO DO DIAGRAMA Fe-Fe 3 C
No diagrama ignorou-se o peritético por questões didáticas
AÇOS
γ
o
912 C
L+
o
Líquido
γ
L + Fe 3C
2,11 %C
0,77%C
α
727 C
FERROS FUNDIDOS BRANCO
γ
Linha que define
o aparecimento
da CEMENTITA
+ Fe 3 C
α + Fe3 C
Material Muito Duro
Material Hiper Duro
300 < HB < 450
HB ≅ 80
Fe
Material Ductíl
100 < HB < 240
1148oC
4,3%C
450 < HB < 550
Eutético
100% Ledeburita
Eutetóide
100% Perlita
(α + Fe 3 C )
Material Duro
240 < HB < 300
Fe3C + Perlita
( α + Fe C )
3
HB ≅ 550
Fe 3C
Dados de dureza para
condições
EM-641 normais de
solidificação
Apresentação e Introdução do Curso EM-641
Ferro Fundido Nodular com matriz
de ferrita + perlita
Ferro Fundido Cinzento com matriz
ferrítica
Ferro Fundido branco
Ferro Fundido Nodular com matriz
ferrítica
EM-641
Apresentação e Introdução do Curso EM-641
Porosidade
Exemplo:
compactado
de
pó
de
ferro,
compactação uniaxial em matriz de duplo
efeito, a 550 MPa
Exemplo: compactado de pó de ferro após
sinterização a 1150 oC, por 120min
Segunda Fase
Micro-estrutura composta por veios
grafita sobre uma matriz perlítica.
de
Grão de perlita: é constituído por
lamelas alternadas de duas fases:
ferrita (ou ferro-α) e cementita (ou
carboneto de ferro).
EM-641
Apresentação e Introdução do Curso EM-641
Microestruturas
de Ferro
Fundido com
conteúdos
crescentes de
Mg
EM-641
Apresentação e Introdução do Curso EM-641
Ensaios dos Materiais
Normalização:
linguagem comum entre fornecedores e usuários dos materiais
pesquisa e desenvolvimento
Propriedades Mecânicas:
Estrutura Interna
do Material
Finalidade:
Resistência
Elasticidade
Plasticidade
Tenacidade
Metalurgia
Comportamento
Mecânico
Mecânica
Resiliência
Comportamento
Estrutural / Projeto
Obtenção de informações rotineiras do produto
Desenvolver novas informações sobre os materiais
Métodos de Ensaios:
Determinam que os ensaios devem ser realizados em função da
geometria da peça, do processo de fabricação, e de acordo com as
normas técnicas vigentes, podendo ser:
- Ensaios da própria peça
- Ensaios de modelos
- Ensaios em amostras
- Ensaios em corpos-de-prova retirados de parte da estrutura
EM-641
Apresentação e Introdução do Curso EM-641
Classificação :
i ) Destrutivos: provocam inutilização parcial ou total da peça;
Tração, Dureza, Fadiga, Fluência, Torção,
Flexão, Impacto
Quanto à integridade
ii ) Não- Destrutivos: não comprometem a integridade da peça;
Raios-X, Raios-γ, Ultra-Som, Partículas Magnéticas,
Líquidos Penetrantes, Microdureza
i ) Estáticos: carga aplicada lenta (estados de equilíbrio);
Tração, Compressão, Flexão, Dureza e Torção
Quanto à velocidade:
ii ) Dinâmicos: carga aplicada rapidamente ou ciclicamente;
Fadiga e Impacto
iii ) Carga Constante: carga aplicada durante um longo período;
Fluência
EM-641
Apresentação e Introdução do Curso EM-641
Metal
Líquido
Estrutura Metalográfica
Inicial
( estrutura bruta de fusão )
Passo 1
Processo 1
Forma 1
Estrutura 1
Processo 2
Forma 2
Estrutura 2
Passo 2
Produto Acabado
Forma, estrutura e
propriedades finais
especificadas pelo
projeto base.
Passo
Final
Especificações de Projeto
Processo
Final
Forma
Final
Estrutura
Final
• Características de processamento
Forjabilidade:
facilidade de preenchimento da matriz;
Usinabilidade:
adequadas condições de corte;
Suscetibilidade a tratamentos: condições de modificação estrutural (TT e superficiais);
• Características de aplicação
Resistência mecânica:
Resistência ao desgaste:
Ductilidade:
apresentar a resistência especificada no projeto;
apresentar nível dureza para evitar desgaste prematuro;
impactos exige que seu núcleo não seja frágil.
EM-641
Apresentação e Introdução do Curso EM-641
⌦ Determinação das Propriedades
Realização de ensaios padronizados
e normalizados sob condições
específicas de:
Solicitações mecânicas
tração
compressão
cisalhamento
cíclica
Temperaturas
ambiente
baixas
altas
Ambientais
inerte
redutora: O2+2H2O+4e->4(OH)oxidante:Fe> Fe2+ +2ecorrosiva
Tipos de tensões: tração, compressão, cisalhamento e torção
EM-641