MRG
Medidas e
Representações
Gráficas
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Classificação e características dos materiais
Escolha do material X Produto
Avaliar o material:
- suas qualidades mecânicas;
- custo.
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couro
Classificação e características dos materiais
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Classificação e características dos materiais
Materiais metálicos
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.
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Classificação e características dos materiais
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/dm3) cobre, estanho, zinco, chumbo, platina, etc.
• Metais leves (ρ < 5kg/dm3) 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.
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Classificação e características dos materiais
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 vêm-se
tornando uma presença constante nos campos técnico, científico, doméstico, etc.
Deles nos ocuparemos um pouco mais na unidade Materiais plásticos.
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Classificação e características dos materiais
Estrutura cristalina dos metais
No estado sólido, os átomos não estão em repouso, mas vibram em torno de
determinadas posições de equilíbrio assumidas espontaneamente por eles ao
se solidificarem.
Arranjo dos átomos
Essas posições não são assumidas ao acaso, pelo contrário, apresentam uma
ordenação geométrica especial característica, que é uma função da natureza
do metal.
Essa disposição ordenada, característica dos metais sólidos e de outros
materiais não-metálicos, denomina-se estrutura cristalina.
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Classificação e características dos materiais
Tipos de estruturas cristalinas
Dentre as estruturas destacamos três tipos:
1. Rede cúbica de faces centradas:
Metais: Ni, Cu, Pb, Al, dentre outros.
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Classificação e características dos materiais
2. Rede cúbica de corpo
centrado:
Metais: V, Cr, Mo, W, dentre
outros.
3. Hexagonal compacta:
Metais: Mg, Zn, Cd, Ti.
- A dimensão da rede varia
de tipo para tipo.
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Classificação e características dos materiais
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.
Processo de formação da estrutura cristalina na solidificação
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Classificação e características dos materiais
Propriedades dos materiais
Elasticidade:
Uma mola deve ser elástica. Por ação de uma
força, deve se deformar e, quando cessada a
força, deve voltar à posição inicial.
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.
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Classificação e características dos materiais
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.
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Classificação e características dos materiais
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 ao lado pode ser
tracionada e flexionada sem romper-se
facilmente porque é de um material tenaz.
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Classificação e características dos materiais
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.
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Classificação e características dos materiais
Resistência
Resistência de um material é a sua oposição à mudança de forma e ao
cisalhamento.
As forças externas podem exercer sobre o material cargas de tração,
compressão, flexão, cisalhamento, torção ou flambagem.
Flexão
Cisalhamento
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Classificação e características dos materiais
Torção
Tração
Flambagem
Compressão
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Classificação e características dos materiais
Elasticidade e plasticidade
São propriedades de mudança de forma. Denominamos deformação elástica à
deformação não permanente e deformação plástica à deformação permanente.
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 = M/V
Kg/dm³
Exemplo: o cobre tem maior densidade que o aço:
ρCu = 8,93kg/dm3
ρAço = 7,8kg/dm3
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Classificação e características dos materiais
1)
2)
3)
4)
5)
6)
7)
Questionário:
Na fabricação de um produto, deve-se selecionar adequadamente o
material, avaliando quais aspectos?
A classificação dos materiais é definida levando-se em consideração suas:
Os materiais metálicos são divididos em quais classes?
Os materiais não metálicos podem ser divididos em:
A estrutura cristalina dos metais influencia sua:
Explique as características das seguintes propriedades dos materiais:
a) Elasticidade:
b) Fragilidade:
c) Ductilidade:
d) Tenacidade:
e) Dureza:
Quais os tipos de resistências que os materiais podem sofrer através de
forças externas?
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Obtenção do Ferro Gusa
Os minérios de ferro são rochas que contêm óxidos de ferro ou carbonatos
de ferro agregados a quartzo, argila, composto de enxofre, fósforo e
manganês.
Minério
Designação química
Fórmula química
Conteúdo de Fe
Magnetita
Óxido ferroso férrico
Fe3O4
60...70%
Hematita roxa
Óxido de ferro anidro
Fe3O3
40...60%
Hematita parda ou limonita
Óxido de ferro hidratado
2Fe2O3 + 3H2O
20...45%
Siderita
Carbonato de ferro
FeCO3
30...45%
Antes da fusão do minério no alto-forno para a obtenção do ferro gusa, o minério
deve ser britado (quebrado). As impurezas pétreas são separadas por flotação e,
em seguida, elimina-se a umidade e parte do enxofre. Os minérios de
granulometria fina são compactados formando briquetes.
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Obtenção do Ferro Gusa
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Obtenção do Ferro Gusa
Transformação do minério em
metal
A transformação do minério em
metal é feita no alto-forno que é
um forno de cuba com uma
altura de 30 a 80m e um
diâmetro máximo de 10 a 14m.
Neste forno entra o minério e sai
o ferro gusa que contém 5 – 6%
de carbono, ± 3% de silício (Si),
± 6% de manganês (Mn) assim
como altos teores de enxofre e
fósforo. Um teor alto de carbono,
enxofre e fósforo tornam o ferro
gusa muito frágil, não
forjável e não soldável.
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Obtenção do Ferro Gusa
Alto-forno (funcionamento)
A transformação do minério em ferro gusa
é feita em dois movimentos: o movimento
descendente de carga (sólidos) em
oposição ao movimento ascendente dos
gases.
Carga do auto-forno:
• Minério: Óxido de ferro (Fe2O3)
quebrado e aglomerado.
• Coque metalúrgico: Possui grande
resistência ao esmagamento e uma
excelente porosidade para deixar passar
a corrente gasosa.
• Fundente
adicional:
Permite
a
separação do metal da ganga numa
temperatura relativamente baixa. A
composição do fundente
depende da natureza da ganga.
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Obtenção do Ferro Gusa
O ferro gusa que sai do alto-forno pode ser
solidificado em pequenos lingotes que
servirão de matéria-prima para uma segunda
fusão, de onde resultará o ferro fundido, ou o
gusa poderá ser transportado líquido (carro
torpedo) para a aciaria.
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Diagrama Ferro - Carbono
Diagrama ferro-carbono
O ferro puro raramente é usado, o mais comum é ele estar “ligada” ao carbono
e outros elementos.
O diagrama ferro-carbono, classifica o ferro de acordo com a porcentagem de
carbono agregada a ele.
O diagrama ferro-carbono pode ser dividido em três partes:
- de 0 a 0,05%C – ferro puro
- de 0,05 a 2,06%C – aço
-de 2,06 a 6,7%C – ferro fundido
A porcentagem de carbono e de outras ligas ao ferro, altera suas
características, definindo assim, a sua utilização e aplicação.
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Diagrama Ferro - Carbono
Para conseguir a estrutura desejada do material, é importante controlar as temperaturas de
aquecimento e de resfriamento do material.
A velocidade de resfriamento do material deve ser lenta.
Se resfriarmos um aço rapidamente, outras estruturas diferentes se formarão. Esse é o princípio
dos Tratamentos Térmicos.
Algumas estruturas formadas:
Ferrita
O ferro é insolúvel na ferrita, é mole e ductil
Cementita
Corresponde a um teor de carbono de 6,67% e é muito duro.
Perlita
Combinação de ferrita e perlita, possuindo um teor de carbono de 0,86%.
Austenita
Consegue dissolver até 2% de carbono,
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Diagrama Ferro - Carbono
1)
2)
3)
4)
5)
6)
7)
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9)
Questionário:
Os minérios de ferro são rochas que contêm:
As impurezas existentes no minério de ferro são retiradas através de qual
processo?
A transformação do minério de ferro em metal ocorre em que
equipamento?
Neste equipamento entra o minério de ferro e sai o ferro gusa que
contém:
Para a obtenção do ferro gusa são necessários quais componentes?
Qual é a faixa de temperatura de fusão do ferro gusa?
O ferro gusa é a base para a obtenção de qual material?
Quais devem ser as porcentagens de carbono para:
a) ferro gusa (puro);
b) aço;
c) fofo (ferro fundido).
O que é necessário fazer para se conseguir a estrutura desejada de um
material?
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Aço - Carbono
Liga de ferro-carbono que contem, geralmente entre 0,008% até 2,11%
de carbono, além de outros elementos que resultam dos processos de
fabricação.
É obtido a partir do ferro-gusa em uma aciaria.
Processo utilizado é a descarbonetação – remoção de parte do carbono
existente no gusa através da oxidação.
Elementos removidos: enxofre (S), fósforo (P), silício (Si) e manganês (Mn).
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Aço - Carbono
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Aço - Carbono
Apesar da presença desses elementos, os aços-carbono são
especificados apenas em função do teor de carbono que
apresentam.
Assim, dependendo do teor de carbono, esses aços subdividemse em três classes:
· Aços com baixos teores de carbono: entre 0,008% e 0,3%;
· Aços com médios teores de carbono: entre 0,3% e 0,7%;
· Aços com altos teores de carbono: entre 0,7% e 2,11%.
A quantidade de carbono tem influência decisiva nas
propriedades dos aços. Ela influi na dureza, na resistência à
tração e na maleabilidade dos aços. Quanto mais carbono um
aço contiver, mais duro ele será.
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Aço - Carbono
O aço é ainda o material mais usado na indústria mecânica e pode ser
trabalhado pelos mais diversos processos de fabricação. Suas propriedades
mecânicas permitem que ele seja:
Dobrado
Laminado
Curvado
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Aço - Carbono
Trefilado
Repuxado
Forjado
Usinado
Soldado
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Aço - Carbono
Aço-liga
Os aços-liga ou aços especiais são obtidos mediante a adição e dosagem de
certos elementos ao aço-carbono quando esse está sendo produzido.
Os principais elementos que adicionam-se aos aços são os seguintes:
alumínio (Al), manganês (Mn), níquel (Ni), cromo (Cr), molibdênio (Mo),
Vanádio (V), Silício (Si), cobre (Cu), cobalto (Co) e tungstênio (W).
De um modo geral, ao introduzir elementos de liga nos aços visa-se aos
seguintes objetivos:
· Alterar as propriedades mecânicas;
· Aumentar a usinabilidade, a temperabilidade e a capacidade de corte;
· Conferir dureza a quente;
· Conferir resistência ao desgaste;
· Conferir resistência ä corrosão;
· Conferir resistência à oxidação (ao calor);
· Modificar as características elétricas e magnéticas
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Aço - Carbono
TABELA DA PÁGINA 164
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Aço - Carbono
Identificação dos aços
Os ferros fundidos, os aços-carbono e os aços-liga podem ser identificados
por processos químicos (análises químicas) ou por meio da prova da
centelha, que é um processo físico.
A prova da centelha consiste em encostar, levemente, a amostra de ferro ou
aço no rebolo de uma esmerilhadeira em funcionamento, de preferência no
escuro. Isso permite ao operador observar a cor, o aspecto e a luminosidade
das centelhas, o que exige bastante habilidade e prática.
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Aço - Carbono
Aço-carbono com baixo teor em carbono - a cor das
centelhas é amarelada e o feixe é moderado.
Aço-carbono com médio teor em carbono - os feixes
são curtos, mais brilhantes e abertos, formando
estrelas.
Aço-carbono com alto teor em carbono - os feixes são
compridos e brilhantes, formando grande quantidade de
estrelas.
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Aço - Carbono
Ferro fundido cinzento - os feixes são curtos e pouco
brilhantes e de cor vermelho-escuro .
Aço inoxidável - os feixes são curtos, alaranjados e
estrelados.
Aço rápido - os feixes são curtos, de cor vermelho
pardo e sem estrelas
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Aço - Carbono
Sistema de classificação dos aços
Dada a grande variedade de tipos de aço, criaram-se sistemas para a sua
classificação.
A classificação mais generalizada é a que considera a composição química
dos aços e, entre os sistemas de classificação conhecidos, destacam-se o do
American Iron and Steel Institute (AISI), (Instituto Americano de Ferro e Aço)
e o da Society of Automotive de Engineers (SAE) (Sociedade Automotiva de
Engenheiros), além do sistema da Associação Brasileira de Normas Técnicas
(ABNT).
TABELAS DAS PÁGINAS 167/168/169
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Ferro Fundido
Ferro fundido é uma liga básica ternária, isto é, composta de três elementos:
ferro, carbono (2,11 a 6,69%) e silício (1 a 2,8%). Existe também o ferro fundido
ligado, ao qual são acrescentados outros elementos de liga para dar uma
propriedade especial á liga ternária.
Os fatores que determinam a estrutura do ferro fundido são: a composição
química e a velocidade de resfriamento.
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Ferro Fundido
Classificação do ferro fundido
Dependendo da quantidade de cada elemento e da maneira pela qual o material
é resfriado ou tratado termicamente, o ferro fundido pode ser classificado em
cinzento, branco, maleável e nodular. O fator que constata a classificação em
cinzento ou branco é a aparência da fratura do material depois de frio; essa
aparência, por sua vez, é determinada pela solidificação da massa metálica, que
pode se apresentar de duas formas: como cementita (Fe3C) ou como grafita, um
mineral de carbono.
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Ferro Fundido
Ferro fundido cinzento
No ferro fundido cinzento, o carbono se apresenta sob a forma de grafita, em
flocos ou lâminas, responsável pela cor acinzentada do material. Como o silício
favorece a decomposição da cementita em ferro e grafita, esse tipo de liga ferrosa
apresenta um teor maior de silício, de até 2,8%. Outro fator que auxilia a
formação da grafita é o resfriamento lento.
Aplicações do ferro fundido cinzento - em
razão de apresentar boa usinabilidade e
grande capacidade de amortecer vibrações,
é
empregado
nas
indústrias
de
equipamentos agrícolas e de máquinas, na
mecânica pesada, na fabricação de blocos e
cabeçotes de motor, carcaças e platôs de
embreagem, suportes, barras e barramentos
para máquinas industriais.
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Ferro Fundido
Ferro fundido branco
O ferro fundido branco é formado no processo de solidificação, quando não ocorre
a formação de grafita e todo o carbono fica na forma de carboneto de ferro ou
cementita.
Para que isso aconteça, tanto os teores de carbono quanto os de silício devem ser
baixos e a velocidade de resfriamento deve ser maior. Nos ferros fundidos brancos
ligados, elementos como cromo, molibdênio e vanádio funcionam como
estabilizadores dos carbonetos, aumentando a dureza.
Aplicações do ferro fundido branco - por causa
da elevada dureza, o ferro fundido branco é frágil,
embora tenha grande resistência á compressão, ao
desgaste e á abrasão. Essa resistência e dureza se
mantêm mesmo sob temperaturas elevadas e por
essa razão é empregado em equipamentos de
manuseio de terra, mineração e moagem, rodas de
vagões e revestimento de moinhos.
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Ferro Fundido
Ferro fundido maleável
O ferro fundido maleável é produzido a partir de um ferro fundido branco
submetido a um tratamento térmico, por várias horas, de modo a tornar o material
mais resistente a choques e deformações. Dependendo das condições do
tratamento térmico, o ferro fundido maleável pode apresentar o núcleo preto ou
branco.
O ferro fundido maleável de núcleo preto, também conhecido por americano,
passa por um tratamento térmico em atmosfera neutra, na qual a cementita se
decompõe em ferro e carbono. O carbono forma uma grafita compacta, diferente
da forma laminada dos ferro fundido cinzento.
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Ferro Fundido
O ferro fundido maleável de núcleo branco passa por um tratamento térmico, no
qual o carbono é removido por descarbonetação, não havendo a formação de
grafita. Por essa razão, adquire características semelhantes ás de um aço de
baixo teor de carbono.
Aplicações do ferro fundido maleável - o ferro fundido maleável de núcleo
preto é usado na fabricação de suportes de molas, caixas de direção, cubos de
rodas, bielas, conexões para tubulações hidráulicas e industriais. O ferro fundido
maleável de núcleo branco é um material indicado para a fabricação de barras de
torção, corpos de mancais, flanges para tubos de escapamento e peças que
necessitem de soldagem.
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Ferro Fundido
Ferro fundido nodular
A estrutura do ferro fundido nodular apresenta partículas arredondadas de grafita,
obtidas com a adição de magnésio na massa metálica ainda líquida. Com o auxílio
de tratamentos térmicos adequados, esse material apresenta propriedades
mecânicas como ductilidade, tenacidade, usinabilidade, resistência mecânica e, á
corrosão, melhores do que as de alguns aços carbono.
Aplicações do ferro fundido nodular – devido ás propriedades mecânicas e ao
menor custo de processamento, o ferro fundido nodular está substituindo alguns
tipos de aço e ferro fundido maleável na maioria de suas aplicações: mancais,
virabrequins, cubos de roda, caixas de diferencial, peças de sistemas de
transmissão de automóveis, caminhões e tratores.
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Ferro Fundido
Como fundir?
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Ferro Fundido
Vazando o Ferro Fundido
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Metais não ferrosos e ligas
Os metais não-ferrosos têm aumentado cada vez mais a sua importância no
mundo moderno, quer substituindo o ferro, quer formando ligas com o ferro
para melhorar as suas características.
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Metais não ferrosos e ligas
A maioria dos metais puros são moles e têm baixa resistência a tração. Mas
essas propriedades podem ser melhoradas pela adição de elementos de liga.
Pela adição de elementos de liga quase sempre aumentam-se a dureza e a
resistência a tração, diminui-se o alongamento, e a condutibilidade elétrica
piora.
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.
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Metais não ferrosos e ligas
O quadro abaixo mostra esquematicamente o processo de obtenção da maioria
dos metais.
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.
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Tratamento Térmico dos aços
Os tratamentos térmicos consistem de: aquecimento, tempo de permanência a
determinada temperatura e resfriamento.
O objetivo do tratamento térmico é o de alterar a estrutura cristalina do
material. Desta forma, alterando também suas características mecânicas.
Fatores que influenciam nos tratamentos térmicos
Velocidade de aquecimento
A velocidade de aquecimento deve ser adequada à composição e ao estado de
tensões do aço.
Como tendência geral o aquecimento muito lento provoca um crescimento
excessivo dos grãos tornando o aço frágil.
Entretanto, um aquecimento muito rápido em aços ligados ou em aços com
tensões internas (provocadas por fundição,
forjamento, etc.) poderá provocar deformações ou trincas.
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Tratamento Térmico dos aços
Temperatura de aquecimento
A temperatura de aquecimento deverá ser adequada para que ocorram as
modificações estruturais desejadas. Se ela for inferior a essa temperatura, as
modificações estruturais não ocorrerão; se for superior, ocorrerá um
crescimento dos grãos que tornará o aço frágil.
Tempo de permanência na mesma temperatura
O tempo de permanência na mesma temperatura deve ser o suficiente para
que as peças se aqueçam de modo uniforme em toda a secção, e os átomos
de carbono se solubilizem totalmente.
Se o tempo de permanência for além do necessário, pode haver indesejável
crescimento dos grãos.
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Tratamento Térmico dos aços
Resfriamento
As estruturas formadas no diagrama de equilíbrio Fe – C só vão se formar se o
resfriamento for muito lento.
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Tratamento Térmico dos aços
Nos tratamentos térmicos, variando as velocidades de resfriamento, obtemos
diferentes estruturas e com isso obtemos diferentes dureza, resistência a
tração, fragilidade, etc.
Com o auxílio do diagrama de transformação isotérmica também chamado de
curva T.T.T. (tempo, temperatura, transformação), poderemos entender melhor
os fenômenos que ocorrem quando o aço é resfriado a diferentes velocidades
de resfriamento.
Os meios de resfriamento são os responsáveis pelas diferentes velocidades de
resfriamento.
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Tratamento Térmico dos aços
Meios de resfriamento
• Solução aquosa a 10% NaOH (hidróxido de sódio)
• Solução aquosa a 10% NaCl (cloreto de sódio)
• Solução aquosa a 10% Na2CO3 (carbonato de sódio)
• Água 00C
• Água a 180C
• Água a 250C
• Óleo
• Água a 500C
• Tetracloreto de carbono
• Água a 750C
• Água a 1000C
• Ar líquido
• Ar
• Vácuo
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Tratamento Térmico dos aços
Tipos de Tratamentos Térmicos
Recozimento
É o tratamento térmico realizado com a finalidade de alcançar um ou vários dos
seguintes objetivos:
• Remover tensões de trabalhos mecânicos a frio ou a quente;
• Reduzir a dureza do aço para melhorar a sua usinabilidade;
• Diminuir a resistência a tração;
• Aumentar a ductilidade;
• Regularizar a textura;
• Eliminar efeitos de quaisquer tratamentos térmicos.
Consiste em aquecer o aço a mais ou menos 500C acima da linha G – S – K e
manter esta temperatura o tempo suficiente para que ocorra a solubilização do
carbono e dos outros elementos de liga no ferro gama. Em seguida, deve-se
fazer um resfriamento lento.
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Tratamento Térmico dos aços
Tipos de Recozimento:
• Recozimento total ou pleno
Obtém-se desse recozimento uma estrutura ideal para melhorar a usinabilidade
dos aços de baixo e médio teor de carbono (0,2 a 0,6%). O resfriamento é feito
dentro do próprio forno, controlando-se a velocidade de resfriamento.
• Recozimento de esferoidização
Esse tratamento melhora a usinabilidade e a ductilidade dos aços de alto teor
de carbono. Para ocorrer a transformação desejada, o aço deve ser aquecido a
uma temperatura entre 6800C a 7500C, em função do teor de carbono. Esta
temperatura deve ser mantida o tempo suficiente para homogeneizar a
temperatura em toda a peça e o resfriamento deve ser lento, cerca de 100C a
200C por hora.
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Tratamento Térmico dos aços
• Recozimento subcrítico
Consiste em aquecer o aço a uma temperatura entre 550 a 6500C (abaixo da
zona crítica – figura a seguir) com a finalidade de promover uma recristalização
em peças que foram deformadas a frio (laminação, forjamento) ou para aliviar
tensões internas provocadas nos processos de soldagem, corte por chama,
solidificação de peças fundidas.
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Tratamento Térmico dos aços
Normalização
A normalização consiste em aquecer as peças 200C a 300C acima da
temperatura de transformação (linha G – S – E) e resfriá-las mais rápido que no
recozimento porém mais lento que na têmpera. O mais comum é um
resfriamento ao ar.
O objetivo deste tratamento é obter uma granulação mais fina e uniforme dos
cristais, eliminando as tensões internas.
A normalização é usada em aço, após a fundição, forjamento ou laminação e
no ferro fundido após a fundição.
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Tratamento Térmico dos aços
Têmpera dos aços
A têmpera é um tratamento térmico que executamos em um aço quando
desejamos aumentar sua dureza e resistência mecânica. Conseguimos isso
mudando a estrutura do aço (de ferrita + perlita) para uma estrutura
martensítica.
A operação consiste basicamente em três etapas:
• Aquecimento – a temperatura varia de acordo com a % de carbono no aço;
• Manutenção de uma determinada temperatura - é o tempo necessário para
que toda a peça chegue a uma mesma temperatura e se solubilize totalmente o
carbono;
• Resfriamento - o resfriamento deve ser feito em um meio que possibilite uma
velocidade crítica, permitindo obter a estrutura de martensita.
Esse meio pode ser: água, sal moura, óleo ou mesmo
o próprio ar dependendo da velocidade de resfriamento que se precise.
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Tratamento Térmico dos aços
Revenimento dos aços
O revenimento é um tratamento térmico que normalmente se realiza após a
têmpera com a finalidade de aliviar as tensões internas; diminuir a dureza
excessiva e fragilidade do material, aumentando a ductilidade e a resistência
ao choque. O revenimento consiste em aquecer a peça entre 100 e 4000C e
resfriar lentamente.
Beneficiamento
Consiste em fazer uma têmpera, seguida de um revenimento a uma
temperatura entre 4500 a 6500C.
Os fabricantes de aço costumam fornecer diagramas semelhantes aos da
figura seguinte de onde se escolhe a temperatura de revenimento em função
das características mecânicas desejadas.
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Tratamento Térmico dos aços
Alguns tipos de aços quando revenidos
dentro de uma faixa de temperatura
apresentam um aumento da fragilidade,
medida em ensaio de resistência ao
choque.
Essa faixa de temperatura deve ser
evitada revenindo-se a uma temperatura
mais baixa ou a uma temperatura mais
alta seguida de um resfriamento rápido
(água ou óleo).
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Tratamento Térmico dos aços ligados
• Tratamento térmico de aços ligados
Para a determinação das temperaturas deve-se sempre consultar as tabelas e
diagramas do fornecedor.
Exemplo: Aço ABNT 4340
Composição %
C
0,38 – 0,43
Si
0,15 – 0,30
Mn
0,60 – 0,80
Cr
0,70 – 0,90
Ni
1,65 – 2,00
Mo
0,20 – 0,30
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Tratamento Térmico dos aços ligados
Tratamento subzero
Consiste em se resfriar o aço a temperaturas muito inferiores a ambiente, para
que ele atinja a linha de fim da transformação martensítica Mf, na curva T.T.T.
Recorre-se a esse tratamento quando a estabilidade dimensional de
ferramentas ou calibres situa-se em faixas muito apertadas de tolerância.
Normalmente o primeiro tratamento subzero é executado após um primeiro
revenimento, pois seria fatal para a peça um resfriamento direto da temperatura
de austenitização.
Em instrumentos de alta precisão podem ser adotadas séries de cinco a seis
ciclos sucessivos de resfriamentos subzeros e revenimentos.
Os meios usados podem ser uma mistura de gelo seco em álcool (-700C) ou
nitrogênio líquido (-1950C).
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Têmpera superficial
Na têmpera superficial produz-se uma mudança da estrutura cristalina
localizada apenas na superfície do aço, que adquire as propriedades e
características típicas da estrutura martensítica.
Esse processo tem como objetivo aumentar consideravelmente a resistência ao
desgaste na superfície e manter a tenacidade do núcleo.
Devem ser empregados aços de 0,3% a 0,6% de teor de carbono.
A têmpera superficial pode ser realizada por dois processos: chama e indução.
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Têmpera por chama
O aquecimento da peça é feito por meio da incidência de uma chama
oxiacetilênica na superfície da peça, a uma temperatura acima da zona crítica
(7230C), atingindo uma camada predeterminada a endurecer; em seguida é
feito um resfriamento por jateamento de água.
Existem vários métodos de aquecimento. As duas próximas figuras mostram os
tipos de aquecimento para têmpera superficial:
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Têmpera superficial por indução
O calor para aquecer a peça até a temperatura de austenitização pode ser
gerado na própria peça por indução eletromagnética.
A peça a ser temperada é colocada dentro de uma bobina. Um gerador fornece
a corrente elétrica de alta freqüência, que cria um campo magnético na bobina.
Esse campo magnético provoca um fluxo de corrente elétrica na peça
(princípio da indução). O aquecimento da peça é gerado pela resistência do
material
ao
fluxo
da
corrente
elétrica.
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Tratamentos termoquímicos
Os processos termoquímicos são aplicados nos aços com baixo teor de
carbono com o objetivo de aumentar sua dureza superficial e a resistência ao
desgaste, mantendo o núcleo dúctil e tenaz. Absorvendo um elemento
endurecedor, o material modifica sua composição química superficial.
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Tratamento Térmico dos aços ligados
Os tratamentos termoquímicos mais usados são:
• Cementação
• Nitretação
• Boretação
Esses tratamentos são feitos com substâncias sólidas, líquidas ou gasosas.
Cementação
A cementação se aplica a aços com até 0,25% de carbono e com baixo teor em
elementos de ligas.
O aço é colocado em um meio rico em carbono e aquecido a uma temperatura
acima da temperatura de transformação em austenita, pois neste estado ele
consegue dissolver melhor o carbono. A profundidade de penetração do
carbono depende do tempo de cementação.
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Como o processo se dá por difusão, a camada superficial apresentará grande
saturação do elemento carbono, decrescendo em direção ao núcleo como
mostra a figura abaixo.
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• Temperatura de cementação
As temperaturas de cementação mais elevadas favorecem a penetração
reduzindo o tempo de cementação, porém, conferem uma granulação mais
grosseira, o que reduz os limites de resistência a tração, torção, flexão, etc. Os
valores mais usuais de temperatura de cementação oscilam de 8500C a 9500C.
• Tempo de cementação
O tempo de cementação é determinado em função da espessura da camada
cementada desejada, da temperatura e do meio cementante. Obviamente,
quanto maior for o tempo e mais alta a temperatura, mais profunda será a
camada.
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• Meios de cementação
A cementação, quanto aos meios cementantes (tabela abaixo), pode ser:
· Sólida (caixa): Carvão vegetal duro; Carvão coque 20%; Ativadores 5 a 10%;
· Liquida (banho em sais fundidos): Cianetos de sódio; Cianetos de bário;
Cianatos de sódio; Cianatos de bário; Outros sais;
· Gasosa (fornos de atmosfera): Gás metano; Gás propano, etc.
• Aplicação da cementação
Peças como engrenagens, eixos, parafusos, etc., que necessitam de
resistência mecânica e de alta dureza na superfície e núcleo dúctil com boa
tenacidade.
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Nitretação
A nitretação, semelhantemente à cementação, é um tratamento de
endurecimento superficial em que se introduz superficialmente nitrogênio no
aço até uma certa profundidade, a uma temperatura determinada em ambiente
nitrogenoso.
A nitretação é realizada com os seguintes objetivos:
· Obtenção de elevada dureza superficial, maior do que nos outros processos,
exceto na boretação;
· Aumento da resistência ao desgaste;
· Aumento da resistência à fadiga;
· Aumento da resistência à corrosão;
· Melhoria de resistência superficial ao calor.
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A nitretação é realizada com temperatura inferior à zona crítica de 500 a 5600C,
tornando as peças menos suscetíveis a empenamentos ou istorções. Após a
nitretação não há necessidade de qualquer tratamento.
A nitretação pode ser feita em meio líquido ou gasoso, devendo ser aplicada
em peças temperadas. O nitrogênio introduzido na superfície combina-se com
o ferro, formando uma camada de nitreto de ferro de elevada dureza.
Na nitretação gasosa, o elemento nitretante é a amônia que se decompõe,
parcialmente, fornecendo o nitrogênio.
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Boretação
É o processo mais recente dos tratamentos superficiais nos aços liga, ferro
fundido comum e nodular.
O processo se efetua em meio sólido de carboneto de boro a uma temperatura
de 8000C a 1 0500C. O composto formado na superfície é o boreto de ferro,
com dureza elevadíssima, na faixa de 1 700 a 2 000 vickers. A alta dureza da
camada boretada oferece elevada resistência ao desgaste e, inclusive, elevada
resistência à corrosão.
Essa camada é resultado do tempo de boretação. Um aço SAE 1 045 boretado
a 9000C apresentou o seguinte resultado:
· Camada 100mem 4 horas
· Camada 150mem 8 horas
· Camada 200mem 12 horas
O aço boretado é usualmente temperado e revenido.
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Tratamento Térmico dos aços ligados
Resumo dos ciclos de tratamentos térmicos
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