Elementos org. de máquinas i parte 4

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ELEMENTOS ORGÂNICOS DE MÁQUINAS I

AT-096

Universidade Federal do Paraná

Curso de Engenharia Industrial Madeireira

Dr. Alan Sulato de Andrade

[email protected]

MATERIAIS METÁLICOS

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INTRODUÇÃO:

Como visto anteriormente, existe uma grande

variedade de materiais que podem apresentar

propriedades interessantes para serem aplicados na

área de engenharia, porém a grande variedade de

materiais pode gerar algumas dúvidas para o

engenheiro iniciante.


INTRODUÇÃO:

Na construção de componentes específicos ou

máquinas complexas é necessário a utilização de

alguns materiais, na grande maioria das vezes,

materiais metálicos, devido principalmente a suas

propriedades. Devemos entender que as

propriedades dos materiais podem definir tanto o

desempenho de um determinado componente

quanto o processo de fabricação do mesmo.

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INTRODUÇÃO:

Assim, levando em consideração um número

extremamente grande de materiais metálicos

diferentes, contando ainda com suas variantes de

tratamento térmico e composição, podemos

perguntar: Como definir qual o melhor material para

um determinado fim? Alguns pontos a serem

considerados inevitavelmente serão em relação ao

custo, o tempo de vida ou durabilidade, a aparência

e a finalidade.


INTRODUÇÃO:

Este documento mostrará de maneira resumida,

informações gerais e diretrizes para o engenheiro de

modo que ele possa conhecer quais são os

principais tipos de materiais metálicos que podem

ser empregados em uma dada situação do projeto.

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INTRODUÇÃO:

Foi na Idade dos Metais, período que seguiu à Idade

da Pedra que homem começava a dominar, ainda

que de maneira rudimentar, a técnica da fundição

dos metais.

Assim este teve condições de criar instrumentos

mais eficazes para o cultivo agrícola, exploração das

florestas e a prática da caça, além da influência

direta sobre disputas e guerras.


INTRODUÇÃO:

O primeiro tipo de metal utilizado foi o cobre. Com o

passar dos anos o estanho também foi utilizado

como outro recurso na fabricação de armas e

utensílios. Com a junção desses dois metais, por

volta de 3000 a.C., houve o aparecimento do bronze.

Só muito tempo depois é que se tem notícia da

descoberta do ferro. Manipulado por comunidades da

Ásia Menor, cerca de 1500 a.C., o ferro teve um lento

processo de propagação. Isso se deu porque as

técnicas de manipulação da liga de ferro eram de

difícil aprendizado.

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INTRODUÇÃO:

O Ferro é o metal mais utilizado pelo homem na atualidade, com mais de 90% em peso da produção mundial dos metais. A abundância deste mineral, o custo relativamente baixo de produção e as múltiplas propriedades físico-químicas que podem ser obtidas com adição de outros elementos de liga são fatores que dão a este metal uma extensa variedade de aplicações.


INTRODUÇÃO:

Alguns metais, como o cobre e alumínio por exemplo, podem ser usados no estado quimicamente quase puro. Entretanto, isso não ocorre com o ferro. No uso prático, este metal está sempre ligado ao carbono e a outros elementos e, assim, no âmbito da ciência dos materiais e também na linguagem do dia-a-dia, a palavra "ferro" deve ser entendida como uma liga dos elementos químicos ferro, carbono e outros.

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INTRODUÇÃO:

Aço é a denominação genérica para ligas de ferro-carbono com teores de carbono de 0,008 a 2,0%, contendo outros elementos residuais do processo de produção e podendo conter outros elementos de liga propositalmente adicionados. Se o aço não contém estes últimos, é chamado especificamente de aço-carbono. Do contrário, aço-liga. Ferro fundido é a designação genérica para ligas de ferro-carbono com teores de carbono acima de 2,0%.


ESTRUTURA:

Como os demais metais, se solidifica pela formação de cristais, que vão crescendo a diferentes direções, formando os denominados eixos de cristalização. A partir de um eixo principal, crescem eixos secundários, que por sua vez se desdobram em novos eixos e assim por diante até que toda a massa do metal se torne sólida. O conjunto formado pelo eixo principal e secundários de um cristal é denominado dendrita.

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ESTRUTURA:

Esquema estrutural de uma dentrita


ESTRUTURA:

Quando duas dendritas se encontram, origina-se uma superfície de contato e ao término do processo de cristalização, formam cada uma as partículas que compõem o metal, de modo que todos os metais, após sua solidificação completa, são constituídos de inúmeras partículas fundamentais, justapostas e unidas.

Esquema demonstrando inúmeras partículas fundamentais justapostas

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ESTRUTURA:

União de partículas fundamentais


ESTRUTURA:

Estados de Alotropia ou polimorfismo: é a propriedade que certos metais

(como o ferro) apresentam ao possuírem reticulados cristalinos

diferentes conforme a temperatura.

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PRODUÇÃO:

A usina siderúrgica é a empresa responsável pela transformação do minério de ferro em aço, de maneira que ele possa ser usado comercialmente. Este processo tem o nome de Redução. Primeiramente, o minério – cuja origem básica é o óxido de ferro (FeO) – é aquecido em fornos especiais (alto fornos), em presença de carbono (sob a forma de coque ou carvão vegetal) e de fundentes (que são adicionados para auxiliar a produzir a escória, que, por sua vez, é formada de materiais indesejáveis ao processo de fabricação).


PRODUÇÃO:

O objetivo desta primeira etapa é reduzir ao máximo o teor de oxigênio da composição FeO. A partir disso, obtém-se o denominado ferro-gusa, que contem de 3,5 a 4,0% de carbono em sua estrutura. Após uma análise química do ferro, em que se verificam os teores de carbono, silício, fósforo, enxofre, manganês entre outros elementos, o mesmo segue para uma unidade da siderúrgica denominada aciaria, onde será finalmente transformado em aço.

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PRODUÇÃO:

O aço, por fim, será o resultado da descarbonatação do ferro gusa, ou seja, é produzido a partir deste, controlando-se o teor de carbono para no máximo 2,0%. O que temos então, é uma liga metálica constituída basicamente de ferro e carbono, além de certos elementos residuais resultantes de seu processo de fabricação.


PRODUÇÃO:

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PRODUÇÃO:


PRODUÇÃO:

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PRODUÇÃO:


AÇO:

Os aços diferenciam-se entre si pela forma, tamanho e uniformidade das partículas que o compõem e, é claro, por sua composição química. Esta pode ser alterada em função do interesse de sua aplicação final, obtendo-se através da adição de determinados elementos químicos, aços com diferentes graus de resistência mecânica, soldabilidade, ductilidade, resistência à corrosão, entre outros.

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AÇO:

Dependendo do seu conteúdo em elementos ligantes

são classificados em:

Aço baixa liga.

Aço alta liga.


AÇO:

Dependendo do seu conteúdo em carbono os aços

são classificados em:

Aço baixo em carbono.

Aço médio em carbono.

Aço alto em carbono.

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AÇO:

2,0


AÇO:

Aço baixo em carbono. Contém menos de 0,25% de

carbono em peso. São utilizados em veículos,

tubulações, elementos estruturais e outros. Também

existem os aços de alta resistência com baixa liga de

carbono, entretanto, contêm outros elementos

fazendo parte da composição, até uns 10% em peso;

apresentam uma maior resistência mecânica e

podem ser trabalhados facilmente.

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AÇO:

Aço médio em carbono. Entre 0,25% e 0,6% de

carbono em peso. Para melhorar suas propriedades

são tratados termicamente. São mais resistentes que

os aços baixo em carbono, porém menos dúcteis,

sendo empregados em peças de engenharia que

requerem uma alta resistência mecânica e ao

desgaste.


AÇO:

Aço alto em carbono. Entre 0,6% e 2,0% de carbono

em peso. São os mais resistentes, entretanto, os

menos dúcteis. Adicionam-se outros elementos para

que formem carbetos, por exemplo, formando o

carbeto de tungstênio. Estes carbetos são mais

duros, formando aços utilizados principalmente para

a fabricação de ferramentas.

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AÇO:

De maneira geral, os aços possuem excelentes propriedades mecânicas: resistem bem à tração, à compressão, à flexão, e como é um material homogêneo, pode ser laminado, forjado, estampado, estriado e suas propriedades podem ainda ser modificadas por tratamentos térmicos ou químicos, estes vistos mais adiante.


AÇO:

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FERRO FUNDIDO

O ferro fundido é uma liga de ferro-carbono-silício, de

teores de carbono acima de 2,0%, essa quantidade

de carbono é superior à que pode ser retida em

solução sólida na austenita, desta forma, no ferro

fundido há carbono parcialmente livre. O carbono

livre se apresenta na forma de veios ou lamelas de

grafita.


FERRO FUNDIDO

Dentro da denominação geral de "ferro fundido",

podem ser distinguidos os seguintes tipos de liga:

Ferro fundido cinzento,

Ferro fundido branco,

Ferro fundido misto,

Ferro fundido maleável,

Ferro fundido dúctil ou nodular.

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FERRO FUNDIDO

Misto


FERRO FUNDIDO CINZENTO

Nesse tipo de material, a fratura apresenta uma

coloração escura (onde a sua denominação). Essa

fratura é caracterizada por apresentar como

elementos de liga fundamentais o carbono e o silício.

Uma parcela relativamente grande do carbono está

no estado livre (grafita lamelar) e outra parcela no

estado combinado (Fe3C).

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FERRO FUNDIDO CINZENTO

A faixa de composição dos ferros fundidos cinzentos

está compreendida entre os seguintes valores:

Carbono: 2,5 a 4,0%; Silício: 1,2 a 3,0%; Manganês:

0,3 a 1,0%; Fósforo: 0,1 a 1,0%; Enxofre: 0,05 a

0,25%.

Exemplo de dispositivos construídos com ferro fundido cinzento


PROPRIEDADES DO FERRO FUNDIDO CINZENTO

Nesse tipo de material, a resistência mecânica esta

associada ao tamanho da peça. Para uma dada

concentração de carbono total e silício há uma

tendência de modificação da resistência mecânica.

Em peças finas tende haver uma maior concentração

de carbono e silício. Em peças espessas, a quantidade

desses elementos dever ser reduzida sob a pena de

queda da dureza e do limite de resistência à tração.

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APLICAÇÃO DO FERRO FUNDIDO CINZENTO

Possuí aplicações diversas pelas suas

características.

Pela usinabilidade e fundibilidade, são indicados

para: bases de máquinas, carcaças metálicas,

elementos estruturais de máquinas operatrizes como

barramentos, cabeçotes, mesas, etc;



Ligados se tornam mais resistentes, sendo indicados:

Engrenagens, virabrequins, bases pesadas e colunas

de máquinas, buchas grandes, blocos de motores, etc;

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Outras aplicações do material:

confecção de anéis de pistão, produtos sanitários,

tampas de poços de inspeção, tubos, conexões,

carcaças de compressores, rotores, pistões

hidráulicos, eixos de comando


FERRO FUNDIDO BRANCO

Nesse tipo de material, a fratura apresenta uma

coloração clara, essa coloração é característica do fato

de que o carbono se encontra quase que inteiramente

combinado na forma de Fe3C (cementita). Isso ocorre

devido as condições de fabricação e ao menor teor de

silício.

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PROPRIEDADES DO FERRO FUNDIDO BRANCO

Suas características principais são a elevada dureza e

resistência ao desgaste e uma baixa usinabilidade

(mesmo com as melhores condições e materiais de

corte).


APLICAÇÃO DO FERRO FUNDIDO BRANCO

Para cada tipo de aplicação há composições típicas

para o ferro fundido branco, isto devido a suas

características mecânicas. O ferro fundido branco é

recomendado para as seguintes aplicações:

revestimentos de moinhos; bolas para moinhos de

bola; cilindros para laminação de borracha, vidro,

linóleo, plásticos e metais; rodas de vagões; peças

para equipamentos para britamento de minérios,

moagem de cimento;

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APLICAÇÃO DO FERRO FUNDIDO BRANCO


FERRO FUNDIDO MISTO

Consiste em uma mistura dos ferros cinzento e

branco, visando melhorar alguma característica,

possuindo assim composição bem variada.

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FERRO FUNDIDO MALEÁVEL

O ferro fundido maleável é considerado um material

intermediário entre o aço e o ferro fundido cinzento.

Apresenta as características fundamentais do ferro

fundido aliada às propriedades mecânicas de aços de

baixo e médio carbono e com uma ductibilidade

razoável. A resistência à corrosão é muito boa devido

às características superficiais que se originam nos

processos de maleabilização


FERRO FUNDIDO MALEÁVEL

Processos de maleabilizacão

Há dois processos de maleabilizacão do ferro fundido

branco. O primeiro é um processo de descarbonelação

e que origina um ferro fundido maleável de núcleo

branco (desenvolvido na Europa).

O segundo é o processo de maleabilizacão por

grafitização e que origina o ferro fundido maleável de

núcleo preto (desenvolvido na EUA).

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APLICAÇÕES DO FERRO FUNDIDO MALEÁVEL

O ferro fundido maleável apresenta um vasto campo

de aplicação nas industrias: mecânica, elétrica,

automobilística, de materiais de construção,

equipamentos pesados. É muito utilizado na confecção

de peças como: conexões para tubulações hidráulicas,

conexões de linhas de transmissão elétrica, correntes,

suportes de molas, caixas de direção e de diferencial,

cubos de rodas, sapatas de freios, pedais de freios e

de embreagens, colares de tratores. caixas de

engrenagens, etc.


FERRO FUNDIDO DÚCTIL OU NODULAR

É caracterizado por apresentar carbono livre na forma

de grafita esferoidal. Grafita esferoidal o que confere

ao material uma boa ductibilidade. Esse tipo de

estrutura é obtido com um tratamento realizado ainda

no estado líquido, adicionando-se ligas contendo

magnésio, cério, cálcio, lítio, sódio e bário.

O ferro fundido de origem possui uma composição

semelhante à do ferro fundido cinzento comum ou com

baixo teor de liga.

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Processo de nodulizacão

Nesse processo, o magnésio age como inibidor da

grafitização, de curta duração, de modo que o ferro

fundido solidifica inicialmente formando cementita.

Quando cessa a ação do magnésio, a cementita

começa a decompor-se e origina uma grafita que se

desenvolve em todas as direções, adquirindo uma

forma próxima da esférica.



Processo de nodulizacão

Um tratamento térmico de recozimento e normalização

decompõe a cementita em ferrita e produz mais grafita

esferoidal. O recozimento também alivia as tensões e

a normalização produz melhores propriedades

mecânicas.

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APLICAÇÕES DO FERRO FUNDIDO DÚCTIL OU

NODULAR

As aplicações típicas desse tipo de aço são:

compressores; bielas. peças que necessitem de

resistência ao choque como: virabrequins, mancais;

polias; rodas dentadas; engates: sapatas; tambores de

freios.


AÇÃO DOS LIGANTES

Principais elementos de liga:

Cobre (até 3%)

Cromo

Fósforo

Molibdênio

Níquel

Vanádio

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AÇÃO DOS LIGANTES

Aplicações:

Resistentes à corrosão:

Alto Si

Alto Cr

Alto Ni

Alto Si - usado como recipiente para ácidos corrosivos

Alto Cr - apresenta excepcional resistência ao ácido nítrico e ácidos oxidando em geral e à atmosférica.

Alto Ni - resistentes ao calor:


RESUMINDO

Até 1% C – Aços mais usados na indústria

1 a 1,5% C – Aços para ferramentas especiais

1,5 a 2,5% C – Produtos pouco utilizados (fins

específicos)

2,5 a 3,8% C – Ferros fundidos mais utilizados

3,8 a 6,7% C – Ferros fundidos pouco usados

(especiais)

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RESUMINDO

Ferro fundido cinza menos duros e mais frágeis do que Ferro fundido branco

Ferro fundido cinza pode sofrer acabamento posterior

Ferro fundido branco pode sofrer acabamento posterior com ferramentas especiais e com dificuldade

Ferro fundido cinzento tem boa resistência à corrosão

Ferro fundido cinzento tem capacidade de amortecer vibrações

Ferro fundido cinzentos são mais usados que o Ferro fundido branco

Ferro fundido branco é mais usado em peças que exijam alta dureza e resistência ao desgaste.


ALUMÍNIO

A principal vantagem do alumínio está no fato de ele

não enferrujar, e, portanto, estar livre de problemas

com a umidade e maresia. É leve e tem boas

propriedades mecânicas. A têmpera é primordial para

a qualidade das peças. Uma desvantagem é quanto a

dificuldade de soldagem, e quando soldada, perde

50% de suas propriedades mecânicas, pois ocorre a

destempera.

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ALUMÍNIO

O alumínio funde a uma temperatura em torno de

660°C e em condutibilidade elétrica e térmica

excelente. Forma ligas importantes com diversos

metais, nas quais se podem conseguir diversas

propriedades. Ex: duralumínio (alumínio + cobre +

magnésio) de grande resistência mecânica e leveza.


ALUMÍNIO

Sua densidade é aproximadamente de um terço da do

aço ou cobre. É muito maleável, muito dúctil e apto

para a mecanização e para a fundição, além de ter

uma excelente resistência à corrosão e durabilidade

devido à camada protetora de óxido.

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ALUMÍNIO


COBRE

É um metal de cor avermelhada, dúctil e maleável,

embora duro e tenaz. Pode ser reduzido a lâminas e

fios extremamente finos. Ao ar, cobre-se rapidamente

de uma camada de óxido e carbonato. Tem grande

condutibilidade térmica e elétrica, densidade entre 8,6

e 8,95 Kg/m³.

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COBRE

Bom condutor de eletricidade e de calor. Sua

resistência e módulo de deformação são menores do

que o dos aços, mas as suas propriedades o tornam

indicado para certos usos como condutores elétricos,

tubos para trocadores de calor, peças que necessitam

grande ductibilidade e grande tenacidade. Largamente

empregado em instalações elétricas como condutor;

em instalações de água, esgotos, gás, pluviais,

coberturas, forrações, ornatos, etc.


COBRE

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EXERCÍCIO

Desafio 5:

Faça um levantamento dos principais materiais metálicos necessários na construção de câmaras de secagem utilizadas na industria madeireira. Faça um croqui detalhando do sistema proposto além de explicar as propriedades que justificam a escolha dos materiais.

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