Cap 1 - Intr. Aos Materias de Construo Mecnica

UERJ

CAMPUS REGIONAL DE RESENDE

ENGENHARIA DE PRODUÇÃO

ÊNFASE EM PRODUÇÃO MECÂNICA

CAPÍTULO 1: INTRODUÇÃO AOS MATERIAIS DE

CONSTRUÇÃO MECÂNICA

DEPARTAMENTO DE MECÂNICA E ENERGIA

MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA IV

PROF. ALEXANDRE ALVARENGA PALMEIRA

UNIVERSIDADE DO ESTADO DO RIO DE JANEIRO Estrada Resende Riachuelo s/n. - Morada da Colina

Resende — RJ - CEP: 27.523-000 Tel.: (24) 3354-0194 ou 3354-7851 e Fax: (24) 3354-7875

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ENGENHARIA DE PRODUÇÃO MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA Alexandre Alvarenga Palmeira, MSc

SUMÁRIO

I- CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA ............... 1

III- PRINCIPAIS PROPRIEDADES DOS MATERIAIS METÁLICOS.........................2

III.1 PROPRIEDADES MECÂNICAS ..............................................................................3

III.2 PROPRIEDADES TECNOLÓGICAS.......................................................................3

III.3 PROPRIEDADES DE USO OU DE UTILIZAÇÃO................................................ 6

III.4 OUTRAS PROPRIEDADES..................................................................................... 8

IV- APLICAÇÕES TÍPICAS DOS MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA ....9

V- FALHAS MAIS COMUNS DE MATERIAIS METÁLICOS ..................................10

VI- SELEÇÃO DE MATERIAIS PARA CONSTRUÇÃO MECÂNICA .........................11

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ÍNDICE DE TABELAS

Tabela 1: Temperaturas de fusão dos principais materiais metálicos. ........................................4

Tabela 2: Classificação dos metais em ordem decrescente de maleabilidade e Ductilidade......................................................................................................................................................................5

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I- CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA − Metálicos • Ferrosos • Aços e Suas Ligas (Ferro-Silício, Ferro-Níquel, Ferro-

Cobalto, etc.)

• Ferros Fundidos: Branco, Cinzento, Nodular,

etc.

• Não-Ferrosos • Cobre;

• Alumínio;

• Chumbo;

• Estanho;

• Zinco;

• Níquel;

• Magnésio;

• Titânio;

• Etc.

− Não-Metálicos • Madeiras

• Materiais Plásticos - Polímeros

• Materiais Cerâmicos

• Materiais Compósitos

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II- PRINCIPAIS PROPRIEDADES DOS MATERIAIS METÁLICOS Os materiais metálicos utilizados na indústria apresentam várias propriedades, e a aplicação dos mesmos deve ser definida de acordo com o fim a que se destinam, levando em conta, principalmente, as suas propriedades. As propriedades industriais podem, segundo a sua natureza, ser divididas em 4 categorias:

− Mecânicas • Resistência Mecânica: tração, compressão, flexão, torção,

cizalhamento, etc. • Resiliência (Capacidade de resistir a esforços dinâmicos) • Elasticidade • Dureza

− Tecnológicas • Fusibilidade • Plasticidade: Maleabilidade e Ductilidade • Soldabilidade • Temperabilidade • Usinabilidade • Tencidade (Capacidade de absorver energia até a ruptura)

− Uso • Resistência ao Ar • Resistência ao Calor • Resistência à Ação Corrosiva • Resistência à Fluidez (Creep)

− Outras • Peso Específico

• Densidade • Condutibilidade Térmica e Elétrica • Dilatação • Grau de Polimento

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II.1 PROPRIEDADES MECÂNICAS São aquelas que definem o comportamento do material segundo um determinado esforço a que ele pode ser submetido. As propriedades mecânicas mais importantes, utilizadas na indústria para a seleção de metais e ligas são as seguintes:

– Resistência mecânica: é a propriedade apresentada pelo material em resistir a esforços externos, estáticos ou lentos. Tais esforços podem ser de natureza diversa, como sejam: tração, compressão, flexão, torção, cizalhamento.

– Resiliência: é a maior ou menor reação do material às solicitações dinâmicas, isto é, a propriedade do material resistir a esforços externos dinâmicos (choques, pancadas, etc) sem sofrer ruptura. Logo, as molas são feitas de materiais de elevada resiliência. A resiliência é medida pela energia de impacto consumida para romper um corpo de prova padrão.

– Dureza: é a resistência oferecida pelo material à penetração, ao desgaste, ao trabalho e ao atrito. Pode ser medida por comparação dos materiais entre si. Na indústria mede-se a dureza pela penetração de uma esfera com dimensões e carga padronizadas (Dureza Brinell).

– Elasticidade: propriedade apresentada pelos materiais em recuperar a forma primitiva tão depressa cesse o esforço que tenha provocado a deformação.

OBS.: Histeresis mecânica – é a propriedade do material que se relaciona com a resistência que ele apresenta às cargas cíclicas (oscilantes ou alternadas). Para estudar o comportamento de um material em face à fadiga podemos realizar de tempos em tempos um ensaio de histeresis mecânica, e ele nos mostrará que para a mesma tensão a deformação residual vai crescendo.

II.2 PROPRIEDADES TECNOLÓGICAS São as que conferem ao material uma maior ou menor facilidade de se deixar trabalhar pelos processos de fabricação usuais.

– Fusibilidade: é a propriedade que o material possui de passar do estado sólido para o líquido sob ação do calor. Ela é caracterizada pela temperatura de fusão. Todo metal é fusível, mas, para ser industrialmente fusível, é preciso que tenha um ponto de fusão relativamente baixo e que não sofra, durante o processo de fusão, oxidações profundas, nem alterações

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na sua estrutura e homogeneidade. Na Tabela 1,estão relacionados os pontos de fusão dos principais materiais metálicos

Tabela 1: Temperaturas de fusão dos principais materiais metálicos.

Material Metálico Ponto de Fusão

Ferro puro 1530°C

Alumínio 650°C

Aços 1300 a 1500°C

Zinco 420°C

Gusa e fofo 1150 a 1300°C

Chumbo 330°C

Cobre 1080°C

Estanho 235°C – Plasticidade: é a propriedade que apresentam certos materiais de se deixarem

deformar permanentemente assumindo diferentes tamanhos ou formas sem sofrerem rupturas, rachaduras ou fortes alterações de estrutura quando submetidos a pressões ou choques compatíveis com as suas propriedades mecânicas. A plasticidade é influenciada pelo calor (o aço ao rubro torna-se bastante plástico). A plasticidade pode ser subdividida em: maleabilidade e Ductilidade.

– Maleabilidade: maior ou menor facilidade apresentada pelo material em se deformar sob ação de uma pressão ou choque, compatível com a sua resisténcia mecânica. Um material é maleável quando sob ação do laminador ou do martelo da forja, não sofre rupturas ou fortes alterações na estrutura (endurecimento inadmissível). A maleabilidade pode ser a quente ou a frio. Se a maleabilidade a frio é muito grande o material é chamado plástico. Pode-se laminar, embutir, etc., a frio.

– Ductilidade: diferindo um pouco do conceito físico de Ductilidade (facilidade dos materiais em se transformarem em fios) o conceito tecnológico da Ductilidade é apreciado pela medida do alongamento percentual, permanente, apresentado por ocasião da ruptura. Para que um material possa ser considerado dútil, isto é, para que o metal possa ser estirado ou trefilado, ele tem de tomar a forma de fios delgados, quando trabalhado na fieira. A seguir, na Tabela 2, são apresentados os metais mais usados pela ordem decrescente de maleabilidade e Ductilidade:

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Tabela 2: Classificação dos metais em ordem decrescente de maleabilidade e Ductilidade.

Maleabilidade Ductilidade

Au Au

Ag Ag

Cu Pt

Sn Fe

Pt Ni

Pb Cu

Zn Zn

Fe Sn

Ni Pb OBS.: O inverso da plasticidade é a fragilidade ou quebrabilidade; assim, um material é

dito frágil ou quebradiço quando o mesmo ao romper-se apresenta uma pequena deformação. Como exemplo de materiais frágeis temos: certos ferros fundidos, certos aços para ferramentas, materiais cerâmicos, vidros, etc.

– Soldabilidade: é a propriedade que certos metais possuem de se unirem, após

aquecidos e suficientemente comprimidos. O mais alto grau de soldabilidade por fusão é apresentado pelos metais que são capazes de formar uma série contínua de soluções sólidas um com o outro. A solubilidade sólida limitada resulta em menor soldabilidade, assim como a solubilidade sólida nula praticamente impossibilita a soldagem por fusão. O metal ou liga que passar instantaneamente do estado sólido para o líquido é dificilmente soldável, como p.ex. o fo fo.

– Temperabilidade: Chama-se “temperabilidade” ou “endurecibilidade” à capacidade do aço endurecer ou à “profundidade de endurecimento”. Propriedade que possuem alguns metais e ligas de modificarem a sua estrutura cristalina (endurecimento) após um aquecimento prolongado seguido de resfriamento brusco. Tal propriedade caracteriza o aço com certo teor de carbono, assim, com determinadas ligas de alumínio, transformando a estrutura cristalográfica do material que em conseqüência altera todas as propriedades mecânicas.

– Usinabilidade: é a propriedade de que se relaciona com a resistência oferecida ao corte e é medida pela energia necessária para usinar o material no torno, sob condições padrões. A usinabilidade de um material é obtida comparando-se com a de um material padrão cuja usinabilidade é

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convencionada igual a 100 (aço B 1112). A usinabilidade é um fator que influi bastante na escolha de um material que deve ser usinado; assim, as máquinas automáticas dão grande produção quando usinam os chamados aços de corte fácil (free cutting steels) também chamados de usinagem fácil, que são materiais com alta percentagem de enxofre, fósforo ou chumbo.

– Tenacidade: é dada pelo trabalho unitário que é consumido para fraturá-lo ou seja a tenacidade mede a capacidade que o material tem de absorver energias até fraturar-se incluindo a deformação elástica e plástica quando essa energia é absorvida progressivamente, ou seja sob a ação de carga estática. A tenacidade pode ser expressa em Joules/m3. A tenacidade é pois medida pela área total do diagrama tensão-deformação. Em geral diz-se que um material é tanto tenaz quanto maior é a sua resistência à ruptura por tração ou distenção; isto nem sempre é verdadeiro pois alguns aços doces, por exemplo, são mais tenazes que os aços duros, isto porque os aços duros apresentam, na ruptura uma pequeníssima deformação. A tenacidade tem alguma relação com a resistência ao choque, porém os valores da energia medidos para ambos os casos não concordam para todos os materiais ou condições de ensaio. Em ordem decrescente, segundo a tenacidade, temos os metais: Fe, Cu, Ag, Au, Zn, Sn, Pt, Ni.

II.3 PROPRIEDADES DE USO OU DE UTILIZAÇÃO Essas propriedades se relacionam com o comportamento dos materiais em face às diversas condições ambientes que as peças encontrarão durante o seu trabalho. Dentre as mais importantes temos:

– Preço: de grande importância na fabricação seriada; – Cor: também de grande importância nas fabricações, tendo em vista o grande interesse

despertado nas massas consumidoras, pela combinações de cores agradáveis; – Resistência ao ar: propriedade pela qual o material pode ser empregado sem qualquer

revestimento protetor, nas atmosferas como em Copacabana, etc. – Resistência ao calor: de grande importância na fabricação de peças sob ação do calor,

é uma propriedade de grande importância quando as peças vão ficar expostas ao fogo direto ou indiretamente, por exemplo, nas máquinas térmicas, tubos de caldeiras, fomos, caçambas, em usinas siderúrgicas, etc.

– Resistência à ação corrosiva: propriedade pela qual o material resiste a ambientes sujeitos à corrosão química, petróleo, etc. Os tubos de

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ferro fundido quando aterrados são corroídos em face das bactérias que produzem emanações sulfurosas que originam H2S04, devendo assim ser protegidos com uma camada asfáltica. Nas latas de conservas são usadas as folhas de flandres.

– Resistência à Fluidez - (creep): Os materiais ferrosos quando submetidos a cargas de tração constantes por longo tempo a elevadas temperaturas, se deformam continuamente mesmo quando a solicitação é menor do que a tensão de escoamento do material naquela temperatura. Este fenômeno de alongamento contínuo e que pode conduzir à ruptura é denominado fluência (creep). A fluência ocorre mesmo quando o material é solicitado na temperatura ambiente, mas nessa temperatura a fluência é praticamente desprezível comparada com a que ocorre em temperaturas elevadas. O fenômeno da fluéncia ainda nâo está completamente estudado, mas o seu conhecimento é necessário quando o material trabalha em temperaturas elevadas, como por exemplo: palhetas de turbinas a vapor que podem trabalhar a 500°C; palhetas de turbinas a gás que podem trabalhar a 650°C; autoclaves; tubos de caldeiras; reservatórios de alta .pressão, etc. A resistência à fluência é especificada pelo alongamento percentual que se produz numa temperatura, num certo intervalo de tempo para uma certa solicitação, por exemplo 1% de alongamento para 550°C em 1.000 horas, para 40 kg/mm2. O fenômeno da fluência ocorre nos instrumentos de corda, violão, por exemplo. É importante frisar que certas peças ficam inutilizadas se alongarem apenas 0,01 %.

– Grau de polimento: há casos em que o material deve deixar-se polir até o espelhamento (lapidação). O grau de polimento depende do acabamento que se deseja dar à superfície. Os metais mais duros e os preciosos adquirem e conservam um polimento maior que os outros. As engrenagens, mancais, canos, válvulas apresentam um grau de polimento bem elevado o que influi na escolha da viscosidade do lubrificante adequado. Quanto mais polida a peça menos viscoso é o óleo e maior a resistência à fadiga da peça.

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II.4 OUTRAS PROPRIEDADES Além das propriedades estudadas podemos citar mais:

– Densidade: relação entre o peso de certo volume de um corpo e o peso de igual volume de água. É um número abstrato. Exemplos: Pb = 11,4; Cu = 8,9; Al = 2,7; Mg = 1,7; etc.

– Peso específico: peso da unidade de volume do corpo. Exemplo: peso específico do aço é 7,8 kg/dm3.

– Condutibilidade térmica: propriedades que possuem certos corpos de transmitir mais ou menos calor. Exemplo de materiais bons condutores de calor, na ordem decrescente de condutibilidade: Ag, Cu, Al, latão, Zn, Aço e Pb. Assim, um culatra de motor e um serpentina de caldeira devendo transmitir rapidamente o calor devem ser feitas de Al e Cu, respectivamente. Corpos maus condutores de calor, na ordem decrescente de condutibilidade; pedra, vidro, madeira, papel, etc.

– Condutibilidade elétrica: propriedade que possuem certos corpos de permitir mais ou menos a passagem da corrente elétrica. Os corpos que permitem a eletricidade passar são chamados condutores; os metais são condutores de eletricidade. O cobre e suas ligas e o alumínio conduzem bem a eletricidade, sendo empregados na fabricação de linhas elétricas e aparelhagens; as ligas Cr-Ni, Fe-Ni conduzem mal, servindo para construção de resistências elétricas, como reostatos, etc. Já os materiais isolantes não deixam passar a eletricidade, como por exemplo: madeira seca, baquelite, ebonite, etc.

– Dilatação: propriedade pela qual um corpo aumenta quando submetido à ação do calor. Esta propriedade é utilizada para permitir a montagem forçada: rolamentos de esferas, camisas de motores, polias; etc. A peça interior é fabricada num diâmetro superior ao da peça externa. Aquece-se a peça exterior somente ou se resfria a peça interior, permitindo uma fácil montagem. Por exemplo; para montagem de um rolamento, aquecemos o rolamento num banho de óleo a 100°C; a árvore permanece na temperatura ordinária. No encamisamento do motor, a camisa deve ser resfriada no azoto líquido à -195°C, deixando-se permanecer o motor na temperatura ordinária.

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III- APLICAÇÕES TÍPICAS DOS MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA − Metálicos

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Aços e Suas Ligas: automóveis, motores elétricos, construção civil, etc.

Ferros Fundidos: bloco de motores, caixas de engrenagem, tubulações, etc.

Cobre: buchas para mancais, válvulas e assentos de válvulas, etc.

Alumínio: Folhas, cabos elétricos, telhas, etc.

Chumbo: material para solda, revestimento para cabos elétricos, equipamentos de

proteção contra radiação, etc.

Estanho: revestimentos de chapas metálicas, mancais , solda, etc.

Zinco: revestimento de chapas metálicas, ligas para fundição sob pressão,

revestimento de torres de transmissão, etc.

Níquel: revestimento protetor do aço, elemento de liga na siderurgia (aço inox),

elemento de liga junto com o cobre, etc.

Magnésio: indústria aeronáutica, aparelhos óticos, aparelhos elétricos, etc.

Titânio: indústria aeronáutica e de mísseis.

− Não-Metálicos

Madeiras: construção civil, móveis em geral, etc.

Materiais Plásticos - Polímeros: Embalagens, revestimentos, buchas, equipamentos

em geral, etc.

Materiais Cerâmicos: refratários, isolantes elétricos, reatores nucleares, etc.

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IV- FALHAS MAIS COMUNS DE MATERIAIS METÁLICOS − Deformação: elástica ou plástica - mudança de geometria;

− Rompimento: tração, compressão, cizalhamento - cargas estáticas ou dinâmicas;

− Desgaste;

− Fusão Localizada;

− Fadiga • Atuação de carga cíclicas

• Meio ambiente: temperatura, corrosão, etc.

• Descontinuidades presentes no material: bolhas, prosidade,

rachaduras, etc.

• Concentração de tensões: mudança de seção, cantos vivos,

descontinuidades de massa

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V- SELEÇÃO DE MATERIAIS PARA CONSTRUÇÃO MECÂNICA − Condições de Trabalho: solicitações mecânicas e local de trabalho do material;

− Forma da Peça

− Adaptabilidade ao Processo de Fabricação;

− Disponibilidade do Material;

− Aparência;

− Custo.

De forma a complementar o estudo deste tópico, leia o artigo Seleção dos Materiais de Construção Mecânica: Estratégias e Metodologia Básica, do Prof. Maurizio Ferrante, do Departamento de Engenharia de Materiais da Universidade Federal de São Carlos, que encontra-se no site: http://www.materia.coppe.ufrj.br/sarra/artigos/artigo10113.

http://www.materia.coppe.ufrj.br/sarra/artigos/artigo10113

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